双极膜电渗析生产琥珀酸的研究

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琥珀酸,作为一种重要的化学品,广泛应用于食品、化学和制药等行业。受化石资源,环境保护等因素的限制,传统石化生产方法已经不适合现代工业化生产的要求。目前越来越多学者关注微生物发酵生产琥珀酸这一新型无污染“白色”生产技术。然而工艺成本相对较高是微生物发酵技术推向工业化应用的难题。为了解决这一难题,越来越多的研究关注于降低发酵后处理工艺成本(占发酵总工艺总成本的50%-80%)。发酵法后处理工艺,即对发酵液进行分离纯化得到有机酸的过程,是目前关于微生物发酵工艺研究的重点之一,其成本的降低将会加快微生物发酵法工业化生产过程的总进展。目前已有大量的研究关注于琥珀酸发酵产品的分离纯化,如化学沉淀、反应萃取、离子交换树脂、结晶以及电渗析技术。然而,到目前为止还没有适合工业大规模应用的技术。琥珀酸后处理工艺的技术重点是将琥珀酸盐转化为琥珀酸。为了解决目前转化工艺复杂的问题,本文采用双极膜电渗析技术将琥珀酸盐转化成有机酸。双极膜电渗析技术是一项新兴的应用前景广阔的电膜驱动技术,其特殊的水解离机制可一步将有机酸盐转化为有机酸,过程具有回收效率高、运行简单、无固体废弃物污染、环保等优势,特别适合有机酸发酵过程。鉴于双极膜电渗析生产琥珀酸的研究甚少。因此本文探讨不同的工艺条件及膜堆构型对双极膜电渗析过程中技术参数的影响,为其中试及扩大化应用提供一定的理论依据和基础数据,研究内容和主要结论如下:(1)由于不同微生物发酵过程中产生琥珀酸盐的产量范围跨度比较大,此外电流作为双极膜电渗析过程的推动力,直接关系到处理过程的效果及过程的经济性。因此,本文首先采用BP-C-BP两室式构型,研究不同琥珀酸钠浓度及电流对双极膜电渗析过程生产琥珀酸技术参数的影响。研究结果表明:随着电流的增加,回收率上升,最高可以回收99%琥珀酸;电流效率下降,但均在50%以上;能耗最低为5.0kWh/kg。进料中琥珀酸浓度的增加,对回收率的影响不大,回收率均在80%以上,电流效率上升,能耗下降。(2)由于离子之间竞争迁移、质子隧道效应、分子扩散、电渗透等副反应的存在,在同等条件下,不同膜堆构型的处理效果不同。因此,实验考察了三种膜堆构型在琥珀酸钠转化为琥珀酸过程中的差异。实验结果表明:相同条件下,采用不同的构型,电压、酸浓度、电流效率和能耗的规律分别为UBP-A-C-BP>UBP-A-BP>UBP-C-BP, CBP-C-BP>CBP-A-C-BP>CBP-A-BP, BP-A-C-BP>BP-C-BP>BP-A-BP和EBP-A-BP>EBP-A-C-BP>EBP-C-BP。(3)考虑到良好的膜材料关系到双极膜电渗析过程的处理效果,且与经济性密切相关,在随后的实验中采用了两种离子交换膜和两种双极膜对比它们在处理过程中的差异。实验结果表明:两种双极膜相比较,采用双极膜BPM-2处理时,琥珀酸回收率高,能耗低,电流效率高,所以可以避免其他离子泄漏对产品的污染。在实验范围内,两种制备工艺不同的离子交换膜相比较,均相离子交换膜材料没有其明显的优势。
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