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膜?分?離?技?術?在?L?-?乳?酸?生?產?工?藝?中?的?應?用

2014-06-27 20:12:12 杭州沃騰膜工程有限公司 已讀

乳酸(lactic acid)學名為α-羥基丙酸[1,2],從旋光性可分為L-乳酸、D-乳酸、DL-乳酸。乳酸是一種古老而重要的有機酸,乳酸及其衍生物廣泛應用于食品、醫藥、飼料和化工等領域[3-5]。由于人體只能代謝L-乳酸的酶,D-乳酸不能被人體吸收,世界衛生組織提倡使用L-乳酸作為食品添加劑和內服藥品,取代目前普遍使用的DL-乳酸[6]。用L-乳酸生產的聚乳酸(PLA),除具有聚苯乙烯相似的光澤度和加工性能外,還可以生物降解,因此具有廣闊的發展前景,但降低L-乳酸的生產成本,生產高質量低成本的L-乳酸則是其中的關鍵。
1  L-乳酸生產的傳統工藝
    玉米粉→發酵→中和→板框過濾→酸解→板框過濾→酯化水解→濃縮→成品。
    在傳統的工藝中,兩次采用了板框過濾進行料液中固液的分離。板框是典型的死端過濾過程,主要是靠在濾布上形成的濾餅層進行過濾,只能部分的去除料液中的不溶性固形物(菌絲體、原材料、變性蛋白等),而對于可溶性的蛋白、色素等大分子物質及部分微小的固體,不能去除。因此,濾液質量差,含有大量的可溶性蛋白等雜質,由于可溶性的蛋白的存在會在后續的工藝產生大量的乳化,給產品的分離純化帶來一定的困難,造成產品質量下降,并且由于板框過濾時一般要加入大量變性劑和助濾劑,造成了濾渣不好處理和運行成本的提高。
2  膜技術在L-乳酸生產中的應用分析
2.1  簡介
    膜是具有選擇性分離功能的材料。利用膜的選擇性分離實現料液的不同組分的分離、純化、濃縮的過程稱作膜分離。它與傳統的過濾的不同在于,膜可以在分子范圍內進行分離,并且這過程是一種物理過程,不需發生相的變化和添加助劑。膜的孔徑一般為微米級,依據其孔徑的不同(或稱為截留分子量),可將膜分為微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜,根據材料的不同,可分為無機膜和有機膜,無機膜主要還只有微濾級別的膜,主要是陶瓷膜和金屬膜。有機膜是由高分子材料做成的,如醋酸纖維素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等。交叉流膜工藝中各種膜的分離與截留性能以膜的孔徑和截留分子量來加以區別,圖1示意了4種不同的膜分離過程(箭頭反射表示該物質無法透過膜面被截留)。
    對于微濾而言,膜的截留特性是以膜的孔徑來表征,通常孔徑范圍在0.1~1μm,能對大直徑的菌體、懸浮固體等進行分離。故微濾膜作為一般料液的澄清、預過濾、空氣除菌。
    對于超濾而言,膜的截留特性是以對標準有機物的截留分子量來表征,通常截留分子量范圍在1000~300 000,能對大分子有機物(如蛋白質、細菌)、膠體、懸浮固體等進行分離。因此超濾膜廣泛應用于料液的澄清、大分子有機物的分離純化、除熱源等方面。
    對于納濾而言,膜的截留特性是以對標準NaCl、MgSO4、CaCl2溶液的截留率來表征,通常截留率范圍在60%~90%,相應截留分子量范圍在100~1000,故納濾膜能對小分子有機物等與水、無機鹽進行分離,實現脫鹽與濃縮的同時進行。
    反滲透的截留對象是所有的離子,僅讓水透過膜,對NaCl的載留率在98%以上,出水為無離子水。反滲透法能夠去除可溶性的金屬鹽、有機物、細菌、膠體粒水、發熱物質,也即能截留所有的離子,在生產純凈水、軟化水、無離子水、產品濃縮、廢水處理方面反滲透膜已經應用廣泛。
    由于膜分離過程是一種純物理過程,能夠廣泛應用于發酵、制藥、化工、食品、飲料、水處理工藝過程及環保等領域,并體現了以下特點:分子級別的分離,精密高效,濾液質量好,是普通過濾分離手段難以比擬的;物理過程,無相變,無化學反應;系統惟一的能源耗是電力,能耗低;系統全封閉運行,實現清潔化生產;系統體積小,操作簡便安全,可實現自動化控制,擴展性好。
    隨著膜技術的不斷發展,可以實現現有系統的軟件升級,及時優化工藝操作條件,提高生產效益。
    針對不同的料液及工藝處理要求,選擇合適的膜工藝,對料液進行有效的分離、過濾澄清、濃縮,降低能耗、提高產品的質量和收率、減少環境污染,從而降低生產成本,促進效益。
2.2  膜技術在L-乳酸生產工藝的結合點
    根據L-乳酸的原有工藝,結合膜過濾的特點,技改后生產工藝為:發酵→中和→板框過濾→超濾膜→酸解→板框過濾→納濾膜脫色提純→濃縮→成品。
2.3  應用膜技術的優點
2.3.1   超濾技術工藝的優點
    能夠徹底去除蛋白和大分子的色素,使濾液澄清,減輕后續工藝的負擔,提高生產效率,從而提高后續工藝的收率,并提升產品的質量。
    采用UF超濾工藝后,發酵液不需添加絮凝劑和助濾劑,降低生產成本。
    UF超濾濃縮液因不含絮凝劑和助濾劑,干燥后可做成飼料,既減少了環境污染又增加了效益。
2.3.2  納濾技術工藝優點
    納濾膜可進一步去除料液中的大分子雜質,提高產品質量。
    納濾膜可以完全透過乳酸分子而大幅度截留還原糖,使得最終產品的還原糖含量降低,提高產品的熱穩定性。
3  結  論
    膜分離技術作為近年來新興的技術,有著傳統過濾手段無法比擬的優勢。L-乳酸生產中使用膜分離技術后,能提高L-乳酸產品的質量和收率,UF超濾膜取代板框壓濾后,可以不用絮凝劑和助濾劑,并且減少生產工序,將超濾膜濃縮的發酵液菌絲渣可做動物飼料,變廢為寶,并治理了環境污染,實現了清潔生產,而膜系統本身的運行成本主要是電力和膜元件的更換,消耗費用很低,因此L-乳酸生產工藝應用膜分離技術具有較好的經濟效益和良好社會效益,是一項值得推廣應用的新技術。

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