CN104593809B - 一种生物电渗析技术生产柠檬酸的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种生物电渗析技术生产柠檬酸，属于电渗析领域。利用生物电渗析系统特性，可以简化生产工艺，提高生产柠檬酸浓度，后续通过结晶或其他技术提纯耗费降低，具有经济与环保双重效益。
Description
技术领域
本发明属于生物电渗析领域，涉及的是利用一种生物电渗析技术从含有柠檬酸钠废水中生产柠檬酸，同时利用微生物产电降低能耗的方法。
背景技术
柠檬酸是世界产量较大的一种有机酸，主要用于食品工业、化学工业和医药业，并且在电子、石油、摄影、建筑、纺织、陶瓷灯工业领域中也有广阔的应用。
最经济最普遍的柠檬酸生产方式是发酵法。目前世界上90.0％以上的柠檬酸是通过发酵获取的。传统发酵工艺由粗原料处理、发酵、钙盐法提取成品3步组成。发酵法生产柠檬酸的优势是操作简易、无复杂操作系统、技术要求低及低耗能。目前，柠檬酸发酵是典型的好氧发酵，方法主要有固态发酵和液态发酵2种，液态发酵又分为表面发酵和深层发酵，固态发酵和表面发酵利用气相中的氧气，而深层发酵利用的是溶解氧。柠檬酸发酵工艺都需要粗原料及接种处理，大规模工业生产通常采用经济适宜的方法和条件，有时需要去除粗原料中的离子，加入其他营养物质如磷、氮等来提高产量。
我国柠檬酸产业由于技术创新相对滞后，在经营管理、产品质量、品牌效应等方面，与跨国公司无法匹敌，已出现严重的供大于求的局面。大量设备闲置或开工不足，设备利用率仅60％左右。整顿柠檬酸生产、经营秩序已刻不容缓，否则经过几代人的努力所建立的民族工业将毁于一旦。
柠檬酸生产废水中污染物的主要组成有：原料在发酵过程中没有形成柠檬酸的部分，如糖类和杂酸等有机物；由于提取率不能达到100％，而流失的部分柠檬酸。不同原料和工艺所产生的废水水质略有不同，但浓度差别较大，以玉米为原料的柠檬酸废水的污染物浓度最低，以薯干为原料的柠檬酸废水的污染物浓度最高，以木薯为原料的柠檬酸废水的污染物浓度居中。据统计，在整个生产工艺中会产生大量的废水，每生产1吨柠檬酸，产生高浓度废水7-10吨。若以我国柠檬酸产量90万吨计，每年仅柠檬酸行业的高超标废水的排放量就达1000万吨，如果可以从这些柠檬酸废水中生产柠檬酸，将大大节省了柠檬酸生产原料，具有广阔的潜在价值。
传统的有机酸发酵生产下游处理工艺大多是酸化沉淀法。发酵过程通常是先得到有机酸盐，然后进一步将有机酸盐转化成相应有机酸的。酸化沉淀法一般是用硫酸酸化有机酸盐，生成硫酸盐和相应的有机酸，生产工艺包括酸解、沉淀、过滤等过程，不仅需要消耗大量硫酸，而且过程复杂，生产劳动强度大，形成大量废液、废渣污染环境，特别是产品收率低。若用一种生物电渗析技术直接从发酵液生产有机酸，借助于双极膜离解的H+将发酵液中的有机酸根转化为有机酸，离解的OH-和发酵液中的阳离子结合形成碱，再回用于发酵。这样极大程度地减少废物排放、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；且过程简单，产品回收率和纯度高，而由此导致的产品质量提高所带来的经济效益更为显著。
在电场作用下进行渗析时，溶液中的带电的溶质粒子(如离子)通过膜而迁移的现象称为电渗析。电渗析反应器中交替排列着许多阳膜和阴膜，分隔成不同室。当原水进入这些小室时，在直流电场的作用下，溶液中的离子就作定向迁移。阳膜只允许阳离子通过而把阴离子截留下来；阴膜只允许阴离子通过而把阳离子截留下来。结果使这些小室的一部分变成含离子很少的淡水室，一部分则变成聚集大量离子的浓水室，从而使离子得到了分离和浓缩，水便得到了净化。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用一种生物电渗析技术生产柠檬酸的方法。
本发明所提供的一种生物电渗析技术，其组成包括：阳极、阳极室、双极膜、酸室、阴离子交换膜、中室、阳离子交换膜、碱室、阴极。所述阳极为450℃高温灼烧过的碳刷阳极，所述阴极为碳载铂阴极。
所述阳极室内盛装有菌液和生物基质，所述阳极室上方有连接阳极的金属丝导出，所述酸室、中室、碱室上方均设有一进液孔和一出液孔。
本发明所提供的一种生物电渗析技术的优点在于：(1)阳极的制备具有可重复性和易操作性。(2)体积较小，可以通过生物作用消耗废水中的有机物作为潜在的微型生物电源。(3)可同时制备其他有经济效益的产品，在处理有机污水的同时还能同步回收柠檬酸。
附图说明
附图1是一种生物电渗析技术的结构示意图。
附图2是上述系统启动期间产电曲线示意图。
附图3是外加电压1V、运行20h条件下，中室柠檬酸钠入水浓度对电流效率影响示意图。
附图4是外加电压1V、运行20h条件下，柠檬酸钠入水浓度对柠檬酸回收率影响示意图。
附图5是外加电压1V、运行20h条件下，柠檬酸钠入水浓度对COD去除率影响示意图。
附图6是中室入水0.1M柠檬酸钠、外加电压1V条件下，柠檬酸生产速率随时间变化示意图。
附图7是中室入水0.1M柠檬酸钠、外加电压1V条件下，电流效率随时间变化示意图。
附图8是中室入水0.1M柠檬酸钠、外加电压1V条件下，COD去除率随时间变化示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种生物电渗析技术为四室的反应器，由有机玻璃制成。阳极室内装有碳刷，并用环氧树脂固定好。碳刷是用20-30cm的碳纤维分成8段固定在钛丝上做成的，比表面积大，利于产电微生物附着生长。碱室装有碳载铂阴极，阴极朝内一层具有催化作用。外部电源为1.0V，电阻为10Ω。膜的有效面积是5-10cm2。
利用本发明的一种生物电渗析技术生产柠檬酸，0.1M柠檬酸钠入水浓度时柠檬酸回收率为49.6％。
利用本发明的上述系统生产柠檬酸，在柠檬酸钠入水浓度为0.1M、外加电压1V的条件下，反应时间为9h时达到最高产量0.08-0.1mol/L，能耗降到最低值为1.71kW·h/kg，最高电流效率60％。
Claims (5)
1.一种利用具有阳极、阴极且两个电极之间用膜隔开的生物电渗析系统回收柠檬酸的方法，其特征在于：该系统包括外加电源，阳极，阳极室，双极膜，酸室，阴离子交换膜，中室，阳离子交换膜，碱室，碳载铂阴极；回收方法包括以下步骤：在阳极室内装设碳刷，碳刷是用20-30cm的碳纤维分成8段固定在钛丝上做成的，在阳极室内盛装菌液和生物基质，将含柠檬酸钠的废水装入中室，控制所述柠檬酸钠的浓度为0.1mol/L，外加电源的电压为1V，反应9h。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，生物电渗析系统利用的微生物是一系列产电菌。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，该方法的特点在于系统的阳极电势变化范围为-0.1V-0.9V。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法的特点在于可降低能耗，每千克柠檬酸的能耗在1.7-3.0kW·h。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法的特点在于在柠檬酸钠的浓度为0.1mol/L，系统运行9h且外加电压为1V时，每千克柠檬酸的能耗最低为1.7kW·h。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |