CN101966426B - 用于发酵液脱盐的电渗析器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于发酵液脱盐的电渗析器，该电渗析器包括：电渗析膜堆单元、多种传感器/变送器、PLC控制单元，不同功能单元构成集成装置，可适用于发酵液这类组成复杂溶液的电渗析处理，实现对发酵液电渗析脱盐过程中的多参数如电导率、pH、温度、流量、压力、电流-电压-电耗等的在线监测，方便进行体系状态诊断与系统保护，并通过反馈控制实现发酵液电渗析脱盐的工艺条件优化。本发明将从根本上解决常规电渗析器用于发酵液脱盐过程能耗高且难以长期稳定运行，以及缺乏有效的关键参数监测与过程控制等问题，促进发酵液电渗析脱盐技术的工程化应用。
Description
技术领域
本发明涉及电渗析处理工艺及设备领域，具体地，本发明涉及用于发酵液脱盐的电渗析器，适用于发酵液这类组成复杂溶液的电渗析脱盐处理的集成装置，能进行多个关键参数的在线监测及过程控制。
背景技术
电渗析是在直流电场的作用下，离子透过选择性离子交换膜而发生迁移，使带电离子从水溶液和其他不带电组分中分离出来的一种膜分离过程。由于该技术具有能耗低、使用寿命长、无污染等特点，现已在各种天然水淡化、海水浓缩制盐、废水处理等方面起重要作用。目前，电渗析技术的应用重点已从传统的苦咸水脱盐转向化工分离。
由于电渗析技术具有操作简便、不污染环境，可不添加酸碱等化学试剂，有望大幅度降低发酵产品生产过程的酸碱消耗，可实现清洁生产等优点，在发酵液脱盐与产品分离等尤其倍受关注。如Shen等(Process Biochem，2006，41：716-720)研究电渗析用于谷氨酰胺发酵液脱盐，考察了电流密度和pH对脱盐效率和谷氨酰胺回收率的影响；Thang等(J、Membr Sci，2005，249：173-182)研究了采用二步法从复杂混合液中电渗析分离乳酸，其中第一步乳酸盐和其他带电组分与中性组分(如糖和未解离氨基酸)分离，第二步乳酸与无机盐分离；余立新等(化工进展，2007，26：882-885)提出用电渗析方法来分离谷氨酰胺和谷氨酸，在对混合溶液中离子分析的基础上预测了此法的可行性。Ren等(J Chem Technol Biotechnol，2008，83：1551-1557)研究表明电渗析可用于谷氨酸回收和高浓度(NH4)2SO4的有效脱除，同时使淡化谷氨酸发酵废液的后续生物处理容易进行。
将电渗析技术用于发酵液脱盐、产品回收和分离氨基酸有机酸方面的研究已呈现出蓬勃发展的势头，但该技术在发酵生产中的应用并不普遍。因为发酵液是一种多组分复杂体系，如培养基含有的无机离子，提取过程加入其他的无机离子，且发酵过程中除了生成目标产物外，还会生成其他氨基酸和有机酸等。采用常规电渗析器进行处理，能耗高且难以长期稳定运行，尤其是缺乏有效的参数监测与过程控制手段，这也是目前发酵液电渗析技术应用不多的重要原因。迫切需要研制开发适用于发酵液脱盐处理的电渗析器，促进发酵液电渗析技术的推广应用。
发明内容
针对目前常规电渗析器不适于发酵液体系且缺乏有效监控的问题，本发明拟开发适用于发酵液这类组成复杂溶液脱盐处理的电渗析器，以实现多个关键参数的在线监测，进行电渗析系统的状态诊断及其过程优化控制等。
本发明的目的是提供了一种用于发酵液脱盐的电渗析器，解决常规电渗析器用于发酵液脱盐能耗高且难以长期稳定运行，以及缺乏有效的参数监测与过程控制的问题，促进发酵液电渗析脱盐技术的工程化应用。
为了实现上述目的提供的用于发酵液的电渗析器，所述的电渗析器包括：电渗析膜堆单元、多种传感器或变送器、PLC控制单元、计算机和组态软件；
所述的电渗析膜堆单元包括：电渗析膜堆、输液泵8、流量计、管路17、储液罐、组装框架和整流器；所述的电渗析膜堆包括：若干交替排列的离子交换膜、隔板、膜堆两侧的电极板4、夹紧装置，共同构成电渗析膜堆的极室1、脱盐室2和浓缩室3，用于发酵液电渗析脱盐；所述的储液罐包括：极水罐9、浓水罐10、料液/淡水罐11；
所述的多种传感器或变送器包括：电导率传感器5、工业pH电极12、温度传感器、流量变送器6、压力变送器7；所述的多个电导率传感器5安装在输液泵后与膜堆进水口端管路中，在脱盐室2出水口端加装另一电导率传感器5；所述的工业pH电极12安装在料液/淡水罐11中；所述的若干温度传感器探头集成在电导率传感器5和工业pH电极12中；若干流量变送器6、压力变送器7安装在输液泵8后与进入膜堆前管路中；
所述的PLC控制单元包括：空气开关(22)、PLC模块(23)、开关电源(24)、继电器(25)、接触器(26)、接线端子(27)；完成集成系统中所有传感器/变送器的数据采集与信号传输，实现传感器/变送器与计算机之间的数据传输，以及给输液泵(8)、加酸泵(13)或加碱泵(14)等输出控制信号；
本发明的发酵液电渗析器的数据的采集和保存通过计算机和组态软件单元实现的，计算机和组态软件单元包括：工控主机和配套的组态软件。实现传感器/变速器在发酵液电渗析脱盐过程中监测参数如电导率、pH、温度、流量、压力、电流-电压-电耗等的数据采集和实时显示，以及数据的保存与调用。
作为上述技术方案的一种改进，所述的发酵液电渗析器在管路17或料液/淡水罐11中分别安装多个传感器/变送器，包括：电导率传感器5、pH电极12、温度传感器、流量变送器6、压力变送器7，用于发酵液电渗析脱盐的多参数在线监测。更具体地：
1-1)所述的多个电导率传感器5安装在输液泵8后与膜堆进水口端管路中，用于分别测定极室1、脱盐室2和浓缩室3中溶液的电导率；而且在脱盐室2出水口端加装另1电导率传感器5，用于测定料液进入膜堆前后的电导率变化，可实现电导率变化范围在0-2000ms/cm内的全程监测。
1-2)所述的工业pH电极12安装在料液/淡水罐11中，用于监测料液的pH变化，可进行进料液的pH变化范围在0-14内全程监测。
1-3)所述的多个温度传感器探头集成在电导率传感器5和pH电极12中，用于分别监测极室1、脱盐室2和浓缩室3中的溶液温度，温度监测范围为0-100℃。通过膜堆储液罐中连接的恒温水浴装置，用于维持不同隔室溶液温度恒定。
1-4)所述的多个流量变送器6安装在输液泵8后与进入膜堆前管路中，用于分别监测极室1、脱盐室2和浓缩室3的流量及其变化，可进行流量变化范围在0-500L/h内的全程监测。
1-5)所述的多个压力变送器7安装在输液泵8后与进入膜堆前管路中，用于分别监测极室1、脱盐室2和浓缩室3的压力及其变化，可进行压力变化范围在0-5kg/cm2内的全程监测。
作为上述技术方案的又一种改进，所述的发酵液电渗析器中的PLC控制单元19包括：空气开关22、PLC 23、开关电源24、继电器25、接触器26、接线端子27，以及电导率仪28、电流-电压-电耗表29等，这些功能组件集成安装在控制柜中，共同完成所有传感器/变送器的数据采集与信号输入/输出。更具体地：
2-1)所述的PLC模块23由数字/模拟信号的输入/输出模块组成，用于实现传感器/变送器与计算机之间的数据传输20，以及给输液泵8、加酸泵13/加碱泵14等输出控制信号。
2-2)所述的电导率仪28，用于实现电导率、pH和温度的测量与显示，以及进行电导率传感器和pH电极-PLC-计算机之间的数据采集与传输。
2-3)所述的电流-电压-电耗表29，用于分别监测整个集成设备系统和电渗析膜堆部分的电流、电压和能耗。
2-3)所述的开关电源24，用于给PLC控制柜内组成部件供电。
作为上述技术方案的再一种改进，所述的pH反馈控制单元包括：加酸泵13、加碱泵14、工业pH电极12、PLC控制单元19。根据pH电极测定值大小，由PLC输出信号，控制加酸泵13/加碱泵14的开启和关闭，定量添加酸或碱到料液/淡水罐11中，实现电渗析脱盐室2中料液的pH控制。
作为上述技术方案的还一种改进，所述的发酵液脱盐电渗析器中集成的组态软件和计算机21，用于完成数据采集、记录与显示，并通过与系统预设值比较，进行体系状态诊断，给出报警或反馈控制信号。更具体地：
3-1)所述的电渗析中多个关键参数如电导率、pH、温度、流量、压力等，通过组态软件实现在计算机界面和窗口显示。
3-2)所述的电渗析中多个关键参数监测数据分别通过多个图表和数组形式显示、保存与调用。
3-3)所述的发酵液电渗析脱盐中的多个关键参数值可分为预设值和测定值，通过二者比较可进行系统状态诊断与报警。
本发明的适用于发酵液脱盐的电渗析器，可用作实验室研究的通用设备，考察不同发酵液采用电渗析处理的可行性和工艺条件，可广泛应用于多种发酵液脱盐和氨基酸/有机酸盐的分离浓缩等，如谷氨酸等电母液、赖氨酸离交废液的脱盐，以及谷氨酸盐、乳酸盐、柠檬酸盐的分离浓缩等。
本发明的发酵废液脱盐电渗析器，通过计算机通讯技术可以同时进行多台设备的关键参数监测，实现统一管理与过程优化控制，可大大提高发酵液电渗析脱盐过程的自动化程度，促进发酵液电渗析脱盐技术的工程化应用。
本发明的发酵液脱盐电渗析器的优点是：(1)通过对发酵液电渗析中多个关键参数的在线监测，实现对电渗析系统进行状态诊断，包括膜堆堵塞或泄漏、脱盐量、膜污染、能耗、料液pH变化等，以便进行工艺条件优化和系统保护；(2)通过本发明的电渗析器，方便用于考察不同发酵液电渗析脱盐处理，容易与其他膜技术组合，进行发酵液的分批或半连续式脱盐处理，获得发酵液脱盐的新工艺；(3)本发明的发酵液脱盐过程监测与控制的电渗析器可作为实验室研究的通用设备，所获得数据可用于中试放大和大规模应用的参考依据。
附图说明
图1为本发明的发酵液脱盐的电渗析器结构示意图。
图2为用于本发明的发酵液脱盐的电渗析器的膜堆单元结构示意图。
图3为用于本发明的发酵液脱盐的电渗析器的PLC控制柜结构示意图。
附图标记
1、极室 2、脱盐室 3、浓缩室
4、电极板(阳极/阴极) 5、电导率传感器 6、流量变送器
7、压力变送器 8、输液泵 9、极水罐
10、浓水罐 11、料液/淡水罐 12、工业pH电极
13、加酸泵 14、加碱泵 15、储酸罐
16、储碱罐 17、管路 18、数据输入/输出
19、PLC控制单元 20、数据传输 21、计算机和组态软件
22、空气开关 23、PLC模块 24、开关电源
25、继电器 26、接触器 27、接线柱子
28、电导率仪 29、电流-电压-电耗表
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细的说明。
本发明的用于发酵液脱盐的电渗析器包括：电渗析膜堆单元、多种传感器或变送器、PLC控制柜；
其中电渗析膜堆单元包括：电渗析膜堆、输液泵8、流量计、管路17、储液罐、组装框架和整流器；电渗析膜堆包括：若干交替排列的离子交换膜、隔板、膜堆两侧的电极板4、夹紧装置，共同构成电渗析膜堆的极室1、脱盐室2和浓缩室3；所述的储液罐包括：极水罐9、浓水罐10、料液/淡水罐11；
其中多种传感器或变送器包括：电导率传感器5、工业pH电极12、温度传感器、流量变送器6、压力变送器7；所述的多个电导率传感器5安装在输液泵后与膜堆进水口端管路中，用于分别测定极室1、脱盐室2和浓缩室3中溶液的电导率，在脱盐室2出水口端加装另一电导率传感器5，用于测定料液进入膜堆前后的电导率变化；工业pH电极12安装在料液/淡水罐11中用于监测料液的pH变化；若干温度传感器探头集成在电导率传感器5和工业pH电极12中，用于温度的监测；若干流量变送器6、压力变送器7安装在输液泵8后与进入膜堆前管路中；
其中PLC控制单元19包括：空气开关22、PLC模块23(由数字/模拟信号模块与输入/输出线路组成，实现传感器/变送器与计算机之间的数据传输20)、开关电源24、继电器25、接触器26、接线端子27、电导率仪28、电流-电压-电耗表29；
本发明的发酵液电渗析器的数据的采集和保存通过计算机和组态软件单元实现的，计算机和组态软件单元包括：工控主机和配套的组态软件。实现传感器/变速器在发酵液电渗析脱盐过程中监测参数如电导率、pH、温度、流量、压力、电流-电压-电耗等的数据采集和实时显示，以及数据的保存与调用。
其中pH反馈控制单元包括：加酸泵13、加碱泵14、储酸罐15、储碱罐16、工业pH电极12、PLC控制单元。根据pH电极测定值大小，由PLC输出信号来控制加酸泵或加碱泵的开启/关闭，实现电渗析脱盐室中料液的pH控制。
实施例1采用本发明的电渗析器从发酵液回收谷氨酸盐
采用本发明的电渗析器对谷氨酸模拟发酵液进行回收谷氨酸盐。在恒压20V、恒温30℃、循环式间歇操作。各室的初始进料如下：脱盐室：1000ml谷氨酸盐模拟发酵液(100g L-1谷氨酸钠或谷氨酸铵)，循环流量为100L h-1；浓缩室：1000ml初始浓度为1g L-1谷氨酸盐(谷氨酸钠或谷氨酸铵)溶液，循环流量为100L h-1；极室：1000ml 0.2mol L-1硫酸钠溶液，循环流量为40L h-1。
谷氨酸模拟发酵液：随着运行时间的延长，脱盐溶液浓度逐渐下降，浓缩液浓度则逐渐升高。当脱盐室进料体积∶浓缩室进料体积＝1∶1，实验60min时谷氨酸钠和谷氨酸铵溶液电渗析脱盐的脱盐率分别为88.6％和99.0％，电流效率分别为62、5％和57.2％，能耗分别为0.394和0.481kWh kg-1谷氨酸盐。谷氨酸钠和谷氨酸铵溶液电渗析脱盐时浓缩室的溶液体积变化大，浓缩室的体积分别增加了40.0％和30.8％，稀释了浓缩室的谷氨酸盐，浓缩室谷氨酸盐最终浓度分别为61g L-1谷氨酸钠和72g L-1谷氨酸铵。脱盐室溶液的pH值也发生变化，分别由原来的7分别变化到7.64和7.42。
谷氨酸发酵液：条件同上谷氨酸模拟发酵液，但脱盐室为1500ml谷氨酸发酵液(含100g L-1谷氨酸钠或谷氨酸铵)。当脱盐室进料体积∶浓缩室进料体积＝1.5∶1，实验140min时钠盐和铵盐形式的谷氨酸发酵液的脱盐率分别为88.2％和90.3％，电流效率分别为61.6％和57.8％，能耗分别为0.515和0.565kWh kg-1谷氨酸盐。钠盐和铵盐形式的谷氨酸发酵液电渗析脱盐时浓缩室的溶液体积变化大，浓缩室的体积分别增加了26.4％和30.8％。脱盐室溶液的pH值也发生变化，分别由原来的6.86(谷氨酸钠)和6.53(谷氨酸铵)变化到8.41和8.22。
实施例2采用本发明的电渗析器从谷氨酸发酵液中脱盐
采用本发明的电渗析器从模拟谷氨酸等电母液中脱除硫酸盐。在恒温30℃、恒压、循环式间歇操作。初始进料如下：脱盐室：1000ml硫酸盐模拟水溶液，循环流量为100L h-1；浓缩室：1000ml初始浓度为0.05mol L-1硫酸铵溶液，循环流量为100L h-1；极室：1000ml 0.2mol L-1硫酸钠溶液，循环流量为40L h-1。
模拟发酵液：考察模拟溶液电渗析脱盐时硫酸盐浓度、脱盐率、电流效率和能耗等。当脱盐室进料体积∶浓缩室进料体积＝1∶1时，随着运行时间的延长，脱盐室硫酸盐浓度逐渐下降，浓缩室硫酸盐浓度则逐渐升高。实验至140min浓缩室的硫酸钠和硫酸铵浓度分别为0.33mol L-1和0.34mol L-1，对应脱盐率分别达到90.0％和93.3％，平均电流效率分别为62.0％和57.5％，能耗分别为0.695kWh kg-1硫酸钠和0.727kWh kg-1硫酸铵。
谷氨酸电母液：条件同上模拟发酵液，不同的是脱盐室为1000ml(或2000ml)味精等电母液(约含40g L-1硫酸铵)。发现进料比和操作电压会影响等电母液中硫酸铵的脱除率和能耗大小。当进料体积比为1∶1时，浓缩室的硫酸铵浓度最终可以达到0.341mol L-1，当进料体积比为2∶1时，浓缩室的硫酸铵浓度最终可以达到0.608mol L-1。当进料体积比为1∶1、每对膜电压为2V时，实验至160min，味精等电母液的脱盐率达到91.5％，平均电流效率为54％，能耗为0.796kWh kg-1硫酸铵；当进料体积比为2∶1、每对膜电压为3V时，实验至320min时味精等电母液的脱盐率达到90.3％，平均电流效率为51.7％，能耗为1.178kWh kg-1硫酸铵。
结果表明，采用本发明的电渗析器从发酵液回收氨基酸盐和脱除硫酸盐，具有较好的可行性。与模拟溶液相比，真实发酵液中脱盐率和电流效率较低而能耗较高，其原因是由于真实发酵液组成复杂，参与竞争性迁移的离子较多且易形成膜污染所致。由此表明发酵液脱盐和回收氨基酸/有机酸等适宜采用本发明的电渗析器，通过关键参数监测和过程控制，对发酵液电渗析体系进行状态诊断，可实现优化工艺条件和维持长时间稳定运行。
Claims (6)
1.一种适用于发酵液脱盐的电渗析器，其特征在于，所述的电渗析器包括：电渗析膜堆单元、若干传感器或变送器、PLC控制单元；
所述的电渗析膜堆单元包括：电渗析膜堆、输液泵(8)、流量计、管路(17)、储液罐、组装框架和整流器；所述的电渗析膜堆包括：若干交替排列的离子交换膜、隔板、膜堆两侧的电极板(4)、夹紧装置，共同构成电渗析膜堆的极室(1)、脱盐室(2)和浓缩室(3)，用于发酵液电渗析脱盐；所述的储液罐包括：极水罐(9)、浓水罐(10)、料液/淡水罐(11)；
所述的若干传感器或变送器包括：电导率传感器(5)、工业pH电极(12)、温度传感器、流量变送器(6)、压力变送器(7)；在输液泵后与膜堆进水口端管路中安装若干个电导率传感器(5)，在脱盐室(2)出水口端加装一电导率传感器(5)；所述的工业pH电极(12)安装在料液/淡水罐(11)中；所述的若干温度传感器集成在电导率传感器(5)和工业pH电极(12)中；若干流量变送器(6)、压力变送器(7)安装在输液泵(8)后与进入膜堆前管路中；
所述的PLC控制单元包括：空气开关(22)、PLC模块(23)、开关电源(24)、继电器(25)、接触器(26)、接线端子(27)；完成集成系统中所有传感器/变送器的数据采集与信号输入/输出，实现传感器/变送器与计算机之间的数据传输，以及输出信号的控制。
2.根据权利要求1所述的用于发酵液脱盐的电渗析器，其特征在于，电渗析器还包括pH反馈控制单元，用于根据工业pH电极(12)输出的结果反馈控制料液/淡水罐(11)的pH值稳定，该pH反馈控制单元包括：加酸泵(13)、加碱泵(14)、储酸罐(15)、储碱罐(16)、PLC控制单元。
3.根据权利要求1所述的用于发酵液脱盐的电渗析器，其特征在于，所述的多个电导率传感器(5)安装在输液泵(8)后与膜堆进水口端的管路中，用于分别测定极水罐(9)、浓水罐(10)、料液/淡水罐(11)中溶液的电导率；而且在脱盐室(2)出水口端加装一电导率传感器(5)，用于测定料液进入膜堆前后的电导率变化。
4.根据权利要求1所述的用于发酵液脱盐的电渗析器，其特征在于，所述的多个温度传感器探头集成在电导率传感器(5)和pH电极(12)的传感器中，用来分别监测膜堆极室(1)、脱盐室(2)和浓缩室(3)中的溶液温度。
5.根据权利要求1所述的用于发酵液脱盐及其过程监控的电渗析器，其特征在于，所述的多个流量变送器(6)用于分别监测极室(1)、脱盐室(2)和浓缩室(3)的流量及其变化。
6.根据权利要求1所述的用于发酵液脱盐的电渗析器，其特征在于，所述的多个压力变送器(7)用于分别监测极室(1)、脱盐室(2)和浓缩室(3)的压力及其变化。
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