CN101792384A - 丙酮酸电渗析提取方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过电渗析的方法从丙酮酸发酵液中分离或提取丙酮酸的酸化脱盐工艺方法及其所用的电渗析装置，其工艺方法包括发酵液预处理，然后用电渗析方法脱去发酵液中的盐分，其装置包含阳电极和阴电极形成电场并在电场中设置由阴离子膜和阳离子膜组成的膜堆，膜堆中设有至少4种不同类型的腔室。与现有技术相比，本发明通过电渗析的方法从丙酮酸发酵液中分离或提取丙酮酸，工艺方法简单易行，废除了传统的硫酸脱钙工艺，丙酮酸得率高，产品不含硫酸根离子质量好，产生的废渣少，环境友好，可以很大程度地改善工人工作环境和减少劳动强度，提高运行安全指数。
Description
技术领域：
本发明涉及一种发酵工业中有机酸类的分离和提取方法及其所用的装置，特别是一种丙酮酸电渗析提取方法及其专用提取装置。
背景技术：
丙酮酸(pyruvic acid)为无色至淡黄色液体，是一种对机体能量代谢有较大影响的物质，是机体糖类代谢、酯类代谢以及碳水化合物降解的中间产物，也是细胞代谢过程中关键的具有枢纽性地位的中间物质，联系着HDP(Hexoe Diphosphaty Pathway己糖二磷酸酯途径)与TCA(Tricarboxylic Acid Cycle三羧酸循环)两大生化循环，生物界(包括人体)许多代谢途径可以通过丙酮酸这一共同的中间产物而联系起来。
丙酮酸主要应用于食品、保健品、香料、医药、农药等行业，丙酮酸的生产方法主要有化学合成法和生物发酵法.目前，国内外生产厂家主要还是以化学合成法(如酒石酸法、乳酸盐法等)为主。酒石酸法通常是以酒石酸为原料，与硫酸氢钾共熔脱水脱羧合成丙酮酸。
化学合成法制取丙酮酸工艺简单，但成本高、收效低、污染严重、缺乏市场竞争力等原因将逐渐被其他生产方法所替代。
生物发酵法生产丙酮酸即以微生物发酵糖质原料或其他碳源生成丙酮酸，技术要求高，工艺复杂，但与化学合成法相比，由于原料成本低、来源广泛、产品纯度高、反应条件温和等优点，所得产品质量高而极具市场竞争力，同时对环境友好，是目前发展前景良好的工艺方法。
但是，目前国内外工业有机酸发酵多采用钙盐或钠盐法发酵，丙酮酸在发酵过程中是以丙酮酸盐的形式积累而存在，即钙盐法发酵所得到的是丙酮酸钙，钠盐法发酵得到的是丙酮酸钠，这对有机酸的后提取带来了诸多不便。如从发酵液中提取丙酮酸的工艺中就有酸化的流程，该流程需要消耗大量的硫酸，同时产生大量的硫酸钙废渣，工人劳动强度大、时间长、安全指数低，工作环境差，环境污染严重，丙酮酸得率低，浪费大，产品中含有硫酸根离子，严重影响产品品质。
发明内容：
本发明的目的和任务是提供一种通过电渗析的方法从丙酮酸发酵液中分离或提取丙酮酸的酸化脱盐工艺方法，从而达到改善工人工作环境和减少劳动强度，提高运行安全指数，进一步提高丙酮酸的得率和产品质量。
本发明的另一目的是提供一种从丙酮酸发酵液中分离或提取丙酮酸的工艺方法所用的电渗析装置。
本发明通过电渗析的方法从丙酮酸发酵液中分离或提取丙酮酸的酸化脱钙工艺方法，其过程如下：
最好先对发酵液预处理：用10～20万分子量的微滤膜除去发酵液中的菌丝体、蛋白质、氨基酸和糖等一类大分子物质。
电渗析脱盐处理：用电渗析方法分离或脱去发酵液中的盐分：
在由阳电极(4)和阴电极(8)加电形成的电场中设置按阳电极(4)到阴电极(8)的顺序依次由阴离子膜(5)和阳离子膜(7)相间组成膜堆，并且所述膜堆中的阴离子膜(5)和阳离子膜(7)之间的空间构成至少4种不同类型的腔室，即丙酮酸发酵液腔室(14)、碱溶液腔室(15)、极化水腔室(12)和丙酮酸溶液腔室(13)，所述的4种不同类型的腔室各自形成一个独立的循环系统，并且所述各独立循环系统均设有储液箱和循环泵(2)，所述储液箱即丙酮酸发酵液储液箱(1)、碱溶液储液箱(3)、极化水储液箱(11)和丙酮酸溶液储液箱(10)；在上述一组膜堆的腔室中，将一个阴离子膜(5)朝向阳电极(4)、阳离子膜(7)朝向阴电极(8)的腔室作为丙酮酸发酵液腔室(14)，将与丙酮酸发酵液腔室(14)的阳离子膜一侧相邻的腔室作为碱溶液腔室(15)，将与丙酮酸发酵液腔室(14)与阴离子膜一侧相邻的腔室作为丙酮酸溶液腔室(13)，将上述碱溶液腔室(15)的阴离子膜一侧相邻的腔室和丙酮酸溶液腔室(13)的阳离子膜一侧相邻的腔室作为极化水腔室(12)；在上述的丙酮酸发酵液腔室(14)注入丙酮酸发酵液，丙酮酸溶液腔室(13)、碱溶液腔室(15)和极化水腔室(12)中均注入水即可，最好注入纯水，在上述的阳电极和阴电极上加电形成电压并形成电场，并通过泵使上述各腔室内的液体循环，在正负电极所产生的电场的作用下，丙酮酸发酵液中的阴离子，主要是丙酮酸根离子，通过阴离子膜向阳极迁移进入丙酮酸溶液腔室(13)并积累，极化水腔室(12)中的阳离子主要是H+离子通过阳离子膜向阴极迁移进入丙酮酸溶液腔室(13)并积累，不断进入的丙酮酸根离子和H+离子相结合生成丙酮酸水溶液进而使丙酮酸溶液腔室(13)中的丙酮酸溶液的浓度逐渐升高，即实现本发明的从丙酮酸发酵液中分离或提纯丙酮酸的目的，经过上述周而复始地循环，丙酮酸水溶液的积累浓度可≥20％。
当丙酮酸溶液腔室(13)积累的丙酮酸溶液浓度达到一定程度时即可将所述丙酮酸水溶液收集并进行浓缩，即得到本发明的丙酮酸。
作为改进的技术方案，上述的阳电极与相邻的阴离子膜之间、阴电极与相邻的阳离子膜相间最好设有电极循环水腔(16)，在该放电极循环水腔(16)中注入导电液，所述导电液最好为在水中加入微量的盐、碱或酸以增加水的导电性。
上述的膜堆中相邻的阴离子膜与阳离子膜的电压差最好在0.2～1.5伏，优选项在0.4～1.3伏。
本发明工作原理和过程如下：
初始情况下，在上述的丙酮酸发酵液腔室(14)注入丙酮酸发酵液，最好是经过预处理的丙酮酸发酵液，丙酮酸溶液腔室(13)、碱溶液腔室(15)和极化水腔室(12)中均注入纯水即可，在上述的阳电极和阴电极上加电形成电压并形成电场，并通过泵使上述各腔室内的液体循环，在正负电极所产生的电场的作用下，丙酮酸发酵液中的阳离子，主要是钙离子或钠离子通过阳离子膜向阴极迁移进入碱溶液腔室(15)的并积累，极化水腔室(12)中的阴离子主要是OH-离子通过阴离子膜向阳极迁移进入碱溶液腔室(15)并积累，不断进入碱溶液腔室(15)的钙离子或钠离子与OH-离子相结合生成氢氧化钙或氢氧化钠水溶液进而使碱溶液腔室(15)中的碱溶液的浓度逐渐升高。
丙酮酸发酵液中的阴离子，主要是丙酮酸根离子，通过阴离子膜向阳极迁移进入丙酮酸溶液腔室(13)并积累，极化水腔室(12)中的阳离子主要是H+离子通过阳离子膜向阴极迁移进入丙酮酸溶液腔室(13)并积累，不断进入的丙酮酸根离子和H+离子相结合生成丙酮酸水溶液进而使丙酮酸溶液腔室(13)中的丙酮酸溶液的浓度逐渐升高，即实现本发明的从丙酮酸发酵液中分离或提纯丙酮酸的目的。
本发明的从丙酮酸发酵液中分离或提取丙酮酸的工艺方法所用的丙酮酸电渗析装置，包含阳电极(4)、阴电极(8)、储液箱和循环泵(2)，所述储液箱至少设有4个即丙酮酸发酵液储液箱(1)、碱溶液储液箱(3)、极化水储液箱(11)和丙酮酸溶液储液箱(10)，上述的每个储液箱均设有出液管和回液管并且在出液管或回液管管路中设有循环泵(2)。
在阳电极(4)和阴电极(8)之间按从阳电极(4)到阴电极(8)的顺序依次设有由阴离子膜(5)和阳离子膜(7)相间组成的膜堆，并且所述膜堆中的阴离子膜(5)和阳离子膜(7)之间设有隔板(6)，所述的隔板(6)为设有进口(19)和出口(17)并且中空的框状体，将阴离子膜(5)和阳离子膜(7)之间隔开一段距离并形成一个含有进液口和出液口的腔室，所述腔室的进液口和出液口分别与上述储液箱中之一的出液管和回液管相连通形成循环回路。
所述隔板(6)的框状体中最好设有衬网(18)，以保证阴离子膜(5)和阳离子膜(7)之间距离在合适的范围内。
上述的膜堆中设有至少4种不同类型的腔室，即丙酮酸发酵液腔室(14)、碱溶液腔室(15)、极化水腔室(12)和丙酮酸溶液腔室(13)，所述的4种不同类型的腔室的进口和出口则分别与所述丙酮酸发酵液储液箱(1)、碱溶液储液箱(3)、极化水储液箱(11)和丙酮酸溶液储液箱(10)的出液管和回液管相连通形成循环系统，同时，在上述一组膜堆的腔室中，将一个阴离子膜(5)朝向阳电极(4)、阳离子膜(7)朝向阴电极(8)的腔室作为丙酮酸发酵液腔室(14)，将与丙酮酸发酵液腔室(14)的阳离子膜一侧相邻的腔室作为碱溶液腔室(15)，将与丙酮酸发酵液腔室(14)与阴离子膜一侧相邻的腔室作为丙酮酸溶液腔室(13)，将上述碱溶液腔室(15)的阴离子膜一侧相邻的腔室和丙酮酸溶液腔室(13)的阳离子膜一侧相邻的腔室作为极化水腔室(12)。
上述的阳电极(4)与其相邻的阴离子膜(5)之间、阴电极(8)与其相邻的阳离子膜(7)之间最好设有电极循环水腔室(16)，所述电极循环水腔室(16)包含绝缘外壳体(22)，该绝缘外壳体(22)与所述阴离子膜(5)或阳离子膜(7)相接触的一面设有密布的孔洞(21)。上述的电极循环水腔室(16)最好设有进水口(23)和出水口(20)，在进水口(23)和出水口(20)之间设有电极循环水箱(9)和循环泵(2)。
本发明所采用的方法和专用电渗析装置，也能适用于其它类似的发酵产品的分离或提纯，如苹果酸、柠檬酸、乳酸、色氨酸等的分离或提纯。
与现有技术相比，本发明通过电渗析的方法从丙酮酸发酵液中分离或提取丙酮酸，工艺方法简单易行，废除了传统的硫酸脱钙工艺，丙酮酸得率高，产品不含硫酸根离子质量好，产生的废渣少，环境友好，可以很大程度地改善工人工作环境和减少劳动强度，提高运行安全指数。
附图说明：
图1为本发明实施例1的电渗析装置及基本工艺路线的示意图。
图2为本发明实施例1的中的一个腔室的结构示意图。
图3为实施例1隔板正面的结构示意图。
图4为实施例1电极循环水腔室的结构示意图。
图5为实施例1电极循环水腔室正面的结构示意图。
图6为本发明实施例2的电渗析装置的结构示意图。
图7为本发明实施例3的电渗析装置的结构示意图。
图中所示：1为丙酮酸发酵液储液箱，2为循环泵，3为碱溶液储液箱，4为阳电极，5为阴离子膜，6为隔板，7为阳离子膜，8为阴电极，9为电极循环水箱，10为丙酮酸溶液储液箱，11为极化水储液箱，12为极化水腔室，13为丙酮酸溶液腔室，14为丙酮酸发酵液腔室，15为碱溶液腔室，16为电极循环水腔室，17为出口，18为衬网，19为进口，20为出水口，21为孔洞，22为绝缘外壳体，23为进水口。
具体实施方式：
实施例1：
参照附图、1～5，首先构建本发明的电渗析装置，包含阳电极4、阴电极8、储液箱和循环泵2，所述阳电极4和阴电极8均为电极丝，设置于电极循环水腔室16中，所述电极循环水腔室16包含绝缘外壳体22，该绝缘外壳体22与所述阴离子膜5或阳离子膜7相接触的一面设有密布的孔洞21，电极循环水腔室16上下部设有进水口23和出水口20，在进水口23和出水口20之间设有电极循环水箱9和循环泵2，所述储液箱至少设有5个，即丙酮酸发酵液储液箱1、碱溶液储液箱3、极化水储液箱11、丙酮酸溶液储液箱10和电极循环水箱9，上述的每个储液箱均设有出液管和回液管并且在出液管或回液管管路中设有循环泵2；在阳电极4和阴电极8之间按从阳电极4到阴电极8的顺序依次设有由3对阴离子膜5和阳离子膜7相间组成1组膜堆，并且所述膜堆中的阴离子膜5和阳离子膜7之间设有隔板6，所述的隔板6为设有进口19和出口17并且中空的框状体，框状体中设有衬网18，将阴离子膜5和阳离子膜7之间隔开一段距离并形成一个含有进液口和出液口的腔室，所述腔室的进液口和出液口分别与上述储液箱中之一的出液管和回液管相连通形成循环回路，上述的膜堆中设有至少4种不同类型的腔室，即丙酮酸发酵液腔室14、碱溶液腔室15、极化水腔室12和丙酮酸溶液腔室13，所述的4种不同类型的腔室的进口和出口则分别与所述丙酮酸发酵液储液箱1、碱溶液储液箱3、极化水储液箱11和丙酮酸溶液储液箱10的出液管和回液管相连通形成循环系统，同时，在上述一组膜堆的腔室中，将一个阴离子膜5朝向阳电极4、阳离子膜7朝向阴电极8的腔室作为丙酮酸发酵液腔室14，将与丙酮酸发酵液腔室14的阳离子膜一侧相邻的腔室作为碱溶液腔室15，将与丙酮酸发酵液腔室14与阴离子膜一侧相邻的腔室作为丙酮酸溶液腔室13，将上述碱溶液腔室15的阴离子膜一侧相邻的腔室和丙酮酸溶液腔室13的阳离子膜一侧相邻的腔室作为极化水腔室12；上述的阳电极4与其相邻的阴离子膜5之间、阴电极8与其相邻的阳离子膜7之间设有电极循环水腔室16，所述电极循环水腔室16包含绝缘外壳体22，该绝缘外壳体22与所述阴离子膜5或阳离子膜7相接触的一面设有密布的孔洞21，电极循环水腔室16设有进水口23和出水口20，在进水口23和出水口20之间设有电极循环水箱9和循环泵2。
构建完成电渗析装置后，即可进行发酵液处理。
首先对发酵液预处理：用10～20万分子量的微滤膜除去发酵液中的菌丝体、蛋白质、氨基酸和糖等大分子物质。在丙酮酸发酵液腔室14注入预处理后的丙酮酸发酵液，在丙酮酸溶液腔室13、碱溶液腔室15和极化水腔室12中均注入纯水，在电极循环水腔室16中注入重量百分比浓度0.5～2％的食盐水。在阳电极4和阴电极8加1.2～6伏电压形成电场，并开动循环泵2使上述各腔室内的液体循环，在正负电极所产生的电场的作用下，丙酮酸发酵液中的阳离子，主要是钙离子或钠离子通过阳离子膜向阴极迁移进入碱溶液腔室15的并积累，极化水腔室12中的阴离子主要是OH-离子通过阴离子膜向阳极迁移进入碱溶液腔室15并积累，不断进入碱溶液腔室15的钙离子或钠离子与OH-离子相结合生成氢氧化钙或氢氧化钠水溶液进而使碱溶液腔室15中的碱溶液的浓度逐渐升高，当丙酮酸水溶液的积累浓度≥20％时，即可将所述丙酮酸水溶液收集并进行浓缩，即得到本发明的丙酮酸。
实施例2：
参照图6，为本发明实施例2的电渗析装置的结构示意图，与实施例1相比，本实施例的不同在于：在阳电极4和阴电极8之间依次设有由7对阴离子膜5和阳离子膜7相间组成3组膜堆，并且所述膜堆中的阴离子膜5和阳离子膜7之间设有隔板6和衬网18，在阳电极4和阴电极8加2.8～18.2伏电压形成电场即可工作。
实施例3：
参照图7，为本发明实施例3的电渗析装置的结构示意图，与实施例1相比，本实施例的不同在于：在阳电极4和阴电极8之间设100组膜堆，在阳电极4和阴电极8之间加150～300伏电压形成电场即可工作。
Claims (10)
1.一种从丙酮酸发酵液中分离或提取丙酮酸的工艺方法，其特征在于主要过程如下：
用电渗析方法分离或脱去发酵液中的盐分，在由阳电极(4)和阴电极(8)加电形成的电场中设置按阳电极(4)到阴电极(8)的顺序依次由阴离子膜(5)和阳离子膜(7)相间组成膜堆，并且所述膜堆中的阴离子膜(5)和阳离子膜(7)之间的空间构成至少4种不同类型的腔室，即丙酮酸发酵液腔室(14)、碱溶液腔室(15)、极化水腔室(12)和丙酮酸溶液腔室(13)，所述的4种不同类型的腔室各自形成一个独立的循环系统，并且所述各独立循环系统均设有储液箱和循环泵(2)，所述储液箱即丙酮酸发酵液储液箱(1)、碱溶液储液箱(3)、极化水储液箱(11)和丙酮酸溶液储液箱(10)；在上述一组膜堆的腔室中，
将一个阴离子膜(5)朝向阳电极(4)、阳离子膜(7)朝向阴电极(8)的腔室作为丙酮酸发酵液腔室(14)，将与丙酮酸发酵液腔室(14)的阳离子膜一侧相邻的腔室作为碱溶液腔室(15)，将与丙酮酸发酵液腔室(14)与阴离子膜一侧相邻的腔室作为丙酮酸溶液腔室(13)，将上述碱溶液腔室(15)的阴离子膜一侧相邻的腔室和丙酮酸溶液腔室(13)的阳离子膜一侧相邻的腔室作为极化水腔室(12)；
在所述的丙酮酸发酵液腔室(14)注入丙酮酸发酵液，丙酮酸溶液腔室(13)、碱溶液腔室(15)和极化水腔室(12)中均注入水；
在所述的阳电极和阴电极上加电并形成电场，启动泵使所述各腔室内的液体循环；
将所述丙酮酸溶液腔室(13)中的丙酮酸水溶液收集并进行浓缩。
2.根据权利要求1所述的从丙酮酸发酵液中分离或提取丙酮酸的工艺方法，其特征在于所述的膜堆中相邻的阴离子膜(5)与阳离子膜(7)的电压差为0.2～1.5伏。
3.根据权利要求2所述的从丙酮酸发酵液中分离或提取丙酮酸的工艺方法，其特征在于所述的膜堆中相邻的阴离子膜(5)与阳离子膜(7)的电压差为0.4～1.3伏。
4.根据权利要求1、2或3所述的从丙酮酸发酵液中分离或提取丙酮酸的工艺方法，其特征在于所述的阳电极(4)与相邻的阴离子膜(5)之间、阴电极(8)与相邻的阳离子膜(7)相间设有电极循环水腔(16)，在该放电极循环水腔(16)中注入导电液。
5.根据权利要求4所述的从丙酮酸发酵液中分离或提取丙酮酸的工艺方法，其特征在于所述的导电液为在水中加入盐、碱或酸中的一种或几种形成。
6.根据权利要求1、2或3所述的从丙酮酸发酵液中分离或提取丙酮酸的工艺方法，其特征在于脱去发酵液中的盐分工序之前对发酵液预处理：用10～20万分子量的微滤膜除去发酵液中的菌丝体、蛋白质、氨基酸和糖。
7.一种丙酮酸电渗析分离或提取装置，其特征在于：
包含阳电极(4)、阴电极(8)、储液箱和循环泵(2)，所述储液箱至少设有4个，即丙酮酸发酵液储液箱(1)、碱溶液储液箱(3)、极化水储液箱(11)和丙酮酸溶液储液箱(10)，上述的每个储液箱均设有出液管和回液管并且在出液管或回液管管路中设有循环泵(2)；
在阳电极(4)和阴电极(8)之间按从阳电极(4)到阴电极(8)的顺序依次设有由阴离子膜(5)和阳离子膜(7)相间组成的膜堆，并且所述膜堆中的阴离子膜(5)和阳离子膜(7)之间设有隔板(6)，所述的隔板(6)为设有进口(19)和出口(17)并且中空的框状体，将阴离子膜(5)和阳离子膜(7)之间隔开一段距离并形成一个含有进液口和出液口的腔室，所述腔室的进液口和出液口分别与上述储液箱中之一的出液管和回液管相连通形成循环回路；
上述的膜堆中设有至少4种不同类型的腔室，即丙酮酸发酵液腔室(14)、碱溶液腔室(15)、极化水腔室(12)和丙酮酸溶液腔室(13)，所述的4种不同类型的腔室的进口和出口则分别与所述丙酮酸发酵液储液箱(1)、碱溶液储液箱(3)、极化水储液箱(11)和丙酮酸溶液储液箱(10)的出液管和回液管相连通形成循环系统，同时，在上述一组膜堆的腔室中，将一个阴离子膜(5)朝向阳电极(4)、阳离子膜(7)朝向阴电极(8)的腔室作为丙酮酸发酵液腔室(14)；将与丙酮酸发酵液腔室(14)的阳离子膜一侧相邻的腔室作为碱溶液腔室(15)；将与丙酮酸发酵液腔室(14)与阴离子膜一侧相邻的腔室作为丙酮酸溶液腔室(13)；将上述碱溶液腔室(15)的阴离子膜一侧相邻的腔室和丙酮酸溶液腔室(13)的阳离子膜一侧相邻的腔室作为极化水腔室(12)。
8.根据权利要求7所述的丙酮酸电渗析分离或提取装置，其特征在于：
所述的阳电极(4)与其相邻的阴离子膜(5)之间、阴电极(8)与其相邻的阳离子膜(7)之间设有电极循环水腔室(16)，所述电极循环水腔室(16)包含绝缘外壳体(22)，该绝缘外壳体(22)与所述阴离子膜(5)或阳离子膜(7)相接触的一面设有密布的孔洞(21)。
9.根据权利要求8所述的丙酮酸电渗析分离或提取装置，其特征在于：
所述的电极循环水腔室(16)设有进水口(23)和出水口(20)，在进水口(23)和出水口(20)之间设有电极循环水箱(9)和循环泵(2)。
10.根据权利要求7、8或9所述的丙酮酸电渗析分离或提取装置，其特征在于：
所述隔板(6)的框状体中设有衬网(18)。
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2010
- 2010-03-12 CN CN201010125690A patent/CN101792384A/zh active Pending
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