CN101234961A

CN101234961A - 一种应用双极膜电渗析技术制备乳酸的方法

Info

Publication number: CN101234961A
Application number: CNA2008100203960A
Authority: CN
Inventors: 白涵; 许兵
Original assignee: JIANGSU DAOSEN BIOCHEMICAL CO Ltd
Current assignee: JIANGSU DAOSEN BIOCHEMICAL CO Ltd
Priority date: 2008-03-04
Filing date: 2008-03-04
Publication date: 2008-08-06

Abstract

本发明公开了一种应用双极膜电渗析技术制备乳酸的方法，乳酸发酵液经电渗析器将所含的乳酸盐转化成乳酸，所使用的电渗析器的膜池构型为用阴膜分隔成的盐/酸二室式或由阳、阴膜分隔成的酸/盐/碱三室式；制备时，将乳酸发酵液送入盐室，水送入酸室或碱室，在循环泵作用下物料作循环流动，电流密度为80～160mA/cm²，操作温度25℃～60℃。本发明能完全能取代目前的乳酸钙酸化工艺，且不用外加酸供H⁺，不产生任何酸碱盐废液，乳酸盐的转化率达到98％以上，乳酸回收率达到90％以上，电流效率70％以上，因此能够减少环境污染，降低化工原料和能源消耗，具有显著的工业应用价值和环境效益。

Description

一种应用双极膜电渗析技术制备乳酸的方法

技术领域

本发明属于膜技术领域，特别涉及应用双极膜电渗析器从乳酸盐的发酵液中分离乳酸根离子的方法。

背景技术

乳酸是一种重要的有机酸，在食品、医药、化工等方面有很多用途，特别是能作为合成可降解材料聚乳酸的单体而受到广泛关注。传统乳酸生产采用钙盐法提取乳酸，一般通过在发酵过程中加入钙中和剂生成含乳酸钙的发酵液，经过反复结晶、洗晶后加入硫酸酸解提取乳酸，并通过反复的吸附脱色等步骤精制得到产品。传统的发酵钙盐法在中和过程和酸解过程中会消耗大量的碱和硫酸，且会副产大量硫酸钙，其提取精制过程步骤繁多，劳动强度和生产成本都很大，产品质量也不稳定。

本发明的目的是应用双极膜电渗析技术取代目前的钙盐法。国内已有相关利用电渗析技术制备乳酸的报道(ZL 8710485.8)，普通电渗析法处理有机酸盐发酵液，得到有机酸，过程相对简单，消耗化工原料相对减少，污染也少。但其不能自行产生H⁺，所以依然要加入大量的酸，所以仍然会产生大量相应的盐废液，造成污染。蒋维钧等(ZL92105427.0)利用了双极膜和阴膜组成盐/碱二室式构型的膜组单元并已并联或串联的方式彼此连接组成膜电渗析器制备葡萄糖酸，采用1.2mol/L的葡萄糖酸钠液为原料，电流密度100mA/cm²，循环6h后转化率达到98％。但是罗铁红(膜科学与技术[J]，2007，27(4)：66-69)等研究类似结构的膜渗透器分离乳酸时发现水向盐室迁移，使得最终得到的乳酸浓度低于初始的乳酸钠浓度，这在工业上是不利的，因为增加了浓缩需要的能量，而且利用该方法制备的乳酸中还含有部分乳酸盐，这些乳酸盐在分子蒸馏等下游操作中将流失，造成产物的流失和成本的上升。因此，工业上仍需要一种更好的分离提取乳酸的双极膜电渗析技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用双极膜电渗析技术制备乳酸的方法，以避免加入大量的酸，同时提高乳酸得率。

未达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种应用双极膜电渗析技术制备乳酸的方法，乳酸发酵液经电渗析器将所含的乳酸盐转化成乳酸，所使用的电渗析器的膜池构型为用阴膜分隔成的盐/酸二室式或由阳、阴膜分隔成的酸/盐/碱三室式；制备时，将乳酸发酵液送入盐室，水送入酸室或碱室，在循环泵作用下物料作循环流动，电流密度为80～160mA/cm²，操作温度25℃～60℃，反应4～6小时。

其中，所述的乳酸为L-乳酸或D，L-乳酸。

其中，所述的乳酸盐为钠离子、钾离子、铵离子或钙离子等与乳酸根所形成的盐类化合物，或者是以上数种盐的混合物。

其中，所用的电渗析器由隔板、双极膜、阳离子交换膜和阴离子交换膜按设定的膜池构型组成一个膜组单位，一个或数个膜组单位组装在一对电极之间，形成双极膜电渗析装置。膜池构型包括盐/酸二室式和酸/盐/碱三室式如图1、2所示。

盐/酸二室式两张双极膜间用阴膜分隔成酸室与盐室。乳酸盐进入右边盐室，在直流电场作用下，阴离子乳酸根通过阴膜进入左边酸室，形成乳酸；而在盐室中的阳离子(Na⁺、K⁺、NH₄ ⁺、Ca²⁺等)与双极膜产生的OH^-形成碱。这种电渗析法可制得纯乳酸和盐与碱的混合物。

酸/盐/碱三室式由双极膜阴膜和阳膜分隔组成酸室、盐室和碱室。乳酸盐进入中间的盐室后，在电场作用下，其阳离子(Na⁺、K⁺、NH₄ ⁺、Ca²⁺等)通过阳膜进入碱室，与双极膜分离出来的OH^-形成碱；而阴离子乳酸根则通过阴膜进入酸室，与双极膜分离出来的H⁺形成乳酸。

以上数个膜组单位可采取并联或串联的方式进行连接。

有益效果：本发明应用双极膜电渗析技术制备乳酸的方法能将乳酸盐转化为乳酸，完全能取代目前的乳酸钙酸化工艺，且不用外加酸供H⁺，反应所需H⁺和OH^-完全由水电解而来，不产生任何酸碱盐废液。二室法转化率可以达到95％以上，能耗在2.6kW·h/kg，电流效率在80％左右，乳酸的回收率可以达到90％以上，三室法转化率可以达到97％以上，能耗在5.5kW·h/kg，电流效率在90％左右，乳酸的回收率可以达到90％以上。二室法中残留在盐室中的乳酸盐可以随生成的碱返回发酵体系中；三室法中残留的乳酸盐可继续保留在电渗析器的盐室中反应，转化成乳酸，生成的纯碱可以用于调节发酵体系中的pH。整个分离系统采用封闭式循环，无污染物排放，是一个绿色工程的环保技术，具有显著的工业应用价值和环境效益。本发明既可作为一个单独的分离操作步骤存在，也可应用与发酵步骤相结合，形成反应-分离耦合体系。

附图说明

图1为盐/酸二室式的电渗析装置制备乳酸的工作原理图。

图2为酸/盐/碱三室式的电渗析装置制备乳酸的工作原理图。

具体实施方式：

实施例1：

将经过预处理的乳酸发酵液2L(乳酸根含量为1.5mol/L)以70L/h的速度泵入盐/酸二室式电渗析器的盐室(图1)。再将0.6L最初浓度为0.2mol/L的乳酸溶液以60L/h的速度泵入酸室，以增加酸室溶液的导电性。控制电压使得电流密度维持在160mA/cm²，操作温度60℃，反应4h，乳酸根的转化率达到95％，能耗2.6kW·h/kg，电流效率在80％左右，乳酸的回收率可以达到90％。

实施例2：

将经过预处理的乳酸发酵液2L(乳酸根含量为1.5mol/L)以100L/h的速度泵入酸/盐/碱三室式电渗析器的盐室(图2)。再将1L最初浓度为0.2mol/L的乳酸溶液以60L/h的速度泵入酸室，1L最初浓度为0.1mol/L的NaOH溶液以70L/h的速度泵入碱室，以增加酸碱各室溶液的导电性。控制电压使得电流密度维持在80mA/cm²，操作温度40℃，反应6h，乳酸根的转化率达到97％，能耗5.5kW·h/kg，电流效率90％，乳酸的回收率可以达到90％。

实施例3：

与实施例1的方法相同，所不同的是电渗析器为组装在一对电极之间三个图1所示的膜重复单元，形成多个格室，其格室组合为阳极室-酸室-盐室-酸室-盐室-酸室-盐室-阴极室。酸室均灌注最初浓度为0.2mol/L的乳酸溶液，流速80L/h，以增加酸室溶液的导电性。盐室均灌注乳酸根含量为1.5mol/L的发酵液，流速100L/h。控制电压使得电流密度维持在160mA/cm²，操作温度25℃，反应6h，乳酸根的转化率达到94％，能耗3.2kW·h/kg，电流效率在80％左右，乳酸的回收率可以达到90％。

Claims

1、一种应用双极膜电渗析技术制备乳酸的方法，乳酸发酵液经电渗析器将所含的乳酸盐转化成乳酸，其特征在于所使用的电渗析器的模组单位为用阴膜分隔成的盐/酸二室式或由阳、阴膜分隔成的酸/盐/碱三室式；制备时，将乳酸发酵液送入盐室，水送入酸室或碱室，在循环泵作用下物料作循环流动，电流密度为80～160mA/cm²，操作温度25℃～60℃，反应4～6小时。

2、根据权利要求1所述的应用双极膜电渗析技术制备乳酸的方法，其特征在于所述的乳酸为L-乳酸或D，L-乳酸。

3、根据权利要求1所述的应用双极膜电渗析技术制备乳酸的方法，其特征在于所述的乳酸盐为钠离子、钾离子、铵离子或钙离子与乳酸根所形成的盐类化合物，或者是以上数种盐的混合物。