一種應用雙極膜電滲析技術製備乳酸的方法

2023-05-05 11:59:46 5

專利名稱：一種應用雙極膜電滲析技術製備乳酸的方法
技術領域：
本發明屬於膜技術領域，特別涉及應用雙極膜電滲析器從乳酸鹽的發酵液中分離乳 酸根離子的方法。
技術背景乳酸是一種重要的有機酸，在食品、醫藥、化工等方面有很多用途，特別是能作為 合成可降解材料聚乳酸的單體而受到廣泛關注。傳統乳酸生產採用鈣鹽法提取乳酸，一 般通過在發酵過程中加入鈣中和劑生成含乳酸鈣的發酵液，經過反覆結晶、洗晶後加入 硫酸酸解提取乳酸，並通過反覆的吸附脫色等步驟精製得到產品。傳統的發酵鈣鹽法在 中和過程和酸解過程中會消耗大量的鹼和硫酸，且會副產大量硫酸鈣，其提取精製過程 步驟繁多，勞動強度和生產成本都很大，產品質量也不穩定。本發明的目的是應用雙極膜電滲析技術取代目前的鈣鹽法。國內已有相關利用電滲析技術製備乳酸的報導(ZL 8710485.8),普通電滲析法處理有機酸鹽發酵液，得到有機 酸，過程相對簡單，消耗化工原料相對減少，汙染也少。但其不能自行產生H"，所以依 然要加入大量的酸，所以仍然會產生大量相應的鹽廢液，造成汙染。蔣維鈞等(ZL 92105427.0)利用了雙極膜和陰膜組成鹽/鹼二室式構型的膜組單元並已並聯或串聯的方 式彼此連接組成膜電滲析器製備葡萄糖酸，採用1.2mol/L的葡萄糖酸鈉液為原料，電流 密度100mA/cm2，循環6h後轉化率達到98。/。。但是羅鐵紅(膜科學與技術[J], 2007,27(4): 66-69)等研究類似結構的膜滲透器分離乳酸時發現水向鹽室遷移，使得最終得到的乳 酸濃度低於初始的乳酸鈉濃度，這在工業上是不利的，因為增加了濃縮需要的能量，而 且利用該方法製備的乳酸中還含有部分乳酸鹽，這些乳酸鹽在分子蒸餾等下遊操作中將 流失，造成產物的流失和成本的上升。因此，工業上仍需要一種更好的分離提取乳酸的 雙極膜電滲析技術。 發明內容本發明的目的在於提供一種應用雙極膜電滲析技術製備乳酸的方法，以避免加入大 量的酸，同時提高乳酸得率。未達到上述目的，本發明採用的技術方案如下一種應用雙極膜電滲析技術製備乳酸的方法，乳酸發酵液經電滲析器將銜含鶓乳黢 鹽轉化成乳酸，所使用的電滲析器的膜池構型為用陰膜分隔成的鹽/酸二室式或由陽、鵬 膜分隔成的酸/鹽/鹼三室式；製備時，將乳酸發酵液送入鹽室，水送入酸室或醺室，在 循環泵作用下物料作循環流動，電流密度為80 160mA/cm2,操作溫度25"C 幼1C,反應4~6小時。'其中，所述的乳酸為L-乳酸或D，L-乳酸。其中，所述的乳酸鹽為鈉離子、鉀離子、銨離子或鈣離子等與乳酸根所形成的鹽類 化合物，或者是以上數種鹽的混合物。其中，所用的電滲析器由隔板、雙極膜、陽離子交換膜和陰離子交換膜按設定的膜 池構型組成一個膜組單位， 一個或數個膜組單位組裝在一對電極之間，形成雙極膜電滲 析裝置。膜池構型包括鹽/酸二室式和斷鹽/鹼三室式如圖1、 2所示。鹽/酸二室式兩張雙極膜間用陰膜分隔成酸室與鹽室。乳酸鹽進入右邊鹽室，在直流 電場作用下，陰離子乳酸根通過陰膜進入左邊酸室，形成乳酸；而在鹽室中的陽離子 (Na+、 K+、 NH/、 Ca^等)與雙極膜產生的OH"形成鹼。這種電滲析法可製得純乳酸 和鹽與鹼的混合物。酸/鹽/鹼三室式由雙極膜陰膜和陽膜分隔組成酸室、鹽室和鹼室。乳酸鹽進入中間 的鹽室後，在電場作用下，其陽離子(Na+、 K+、 NH/、 Ca^等)通過陽膜進入鹼室， 與雙極膜分離出糴的OH"形成鹼而陰離子乳酸根則通過陰膜進入酸室，與雙極膜分離 出來的IT形成乳酸。以上數個膜組單位可採取並聯或串聯的方式進行連接。有益效果本發明應用雙極膜電滲析技術製備乳酸的方法能將乳酸鹽轉化為乳酸， 完全能取代目前的乳酸鈣酸化工藝，且不用外加酸供H^，反應所需IT和OH"完全由水電 解而來，不產生任何酸鹼鹽廢液。二室法轉化率可以達到95%以上，能耗在2.6kW'h/kg， 電流效率在80。/n左右，乳酸的回收率可以達到90%以上，三室法轉化率可以達到97%以 上，能耗在5.5kW，h/kg，電流效率在90%左右，乳酸的回收率可以達到卯％以上。二室 法中殘留在鹽室中的乳酸鹽可以隨生成的鹼返回發酵體系中；三室法中殘留的乳酸鹽可 繼續保留在電滲析器的鹽室中反應，轉化成乳酸，生成的純鹼可以用於調節發酵體系中 的pH。整個分離系統採用封閉式循環，無汙染物排放，是一個綠色工程的環保技術，具 有顯著的工業應用價值和環境效益。本發明既可作為一個單獨的分離操作步驟存在，也 可應用與發酵步驟相結合，形成反應-分離耦合體系。


圖1為鹽/酸二室式的電滲析裝置製備乳酸的工作原理圖。圖2為酸/鹽順三室式的電滲析裝置製備乳酸的工作原理圖。
具體實施例方式
實施例l:將經過預處理的乳酸發酵液2L (乳酸根含量為1.511101/1)以70L/h的速度泵入鹽膽二室式電滲析器的鹽室(圖l)。再將0.6L最初濃度為0.2mol/L的乳酸溶液以60L/h的速度 泵入酸室，以增加酸室溶液的導電性。控制電壓使得電流密度維持在160mA/cm2，操作 溫度60'C，反應4h,乳酸根的轉化率達到95%，能耗2，6kW，h/kg，電流效率在80%左右， 乳酸的回收率可以達到卯％。 實施例2:將經過預處理的乳酸發酵液2L (乳酸根含量為1.5mol/L)以100L/h的速度泵入酸/ 鹽/鹼三室式電滲析器的鹽室(圖2)。再將比最初濃度為0.211101/￡的乳酸溶液以601711的 速度泵入酸室，lL最初濃度為0.1mol/L的NaOH溶液以70L/h的速度泵入鹼室，以增加酸 鹼各室溶液的導電性。控制電壓使得電流密度維持在80mA/cm2，操作溫度40'C，反應 6h,乳酸根的轉化率達到97%,能耗5,5kW'h/kg,電流效率卯％,乳酸的回收率可以達 到90%。實施例3:與實施例l的方法相同，所不同的是電滲析器為組裝在一對電極之間三個圖l所示 加膜重複單元，形成多個格室，其格室組合為陽極室-酸室-鹽室-酸室-鹽室-酸室-鹽室-陰極室。酸室均灌注最初濃度為0.2mol/L的乳酸溶液，流速80L/h,以增加酸室溶液的導 電性。鹽室均灌注乳酸根含量為1.5mol/L的發酵液，流速100L/h。控制電壓使得電流密 度維持在160mA/cm2，操作溫度25'C，反應6h，乳酸根的轉化率達到94%，能耗 3.2kW，h/kg,電流效率在80%左右，乳酸的回收率可以達到卯％。
權利要求
1、一種應用雙極膜電滲析技術製備乳酸的方法，乳酸發酵液經電滲析器將所含的乳酸鹽轉化成乳酸，其特徵在於所使用的電滲析器的模組單位為用陰膜分隔成的鹽/酸二室式或由陽、陰膜分隔成的酸/鹽/鹼三室式；製備時，將乳酸發酵液送入鹽室，水送入酸室或鹼室，在循環泵作用下物料作循環流動，電流密度為80～160mA/cm2，操作溫度25℃～60℃，反應4～6小時。
2、 根據權利要求1所述的應用雙極膜電滲析技術製備乳酸的方法，其特徵在於所 述的乳酸為L-乳酸或D，L-乳酸。
3、 根據權利要求1所述的應用雙極膜電滲析技術製備乳酸的方法，其特徵在於所 述的乳酸鹽為鈉離子、鉀離子、銨離子或鈣離子與乳酸根所形成的鹽類化合物，或者是 以上數種鹽的混合物。
全文摘要
本發明公開了一種應用雙極膜電滲析技術製備乳酸的方法，乳酸發酵液經電滲析器將所含的乳酸鹽轉化成乳酸，所使用的電滲析器的膜池構型為用陰膜分隔成的鹽/酸二室式或由陽、陰膜分隔成的酸/鹽/鹼三室式；製備時，將乳酸發酵液送入鹽室，水送入酸室或鹼室，在循環泵作用下物料作循環流動，電流密度為80～160mA/cm2，操作溫度25℃～60℃。本發明能完全能取代目前的乳酸鈣酸化工藝，且不用外加酸供H+，不產生任何酸鹼鹽廢液，乳酸鹽的轉化率達到98％以上，乳酸回收率達到90％以上，電流效率70％以上，因此能夠減少環境汙染，降低化工原料和能源消耗，具有顯著的工業應用價值和環境效益。
文檔編號C07C59/08GK101234961SQ20081002039
公開日2008年8月6日 申請日期2008年3月4日 優先權日2008年3月4日
發明者涵 白, 兵 許 申請人:江蘇道森生物化學有限公司