CN106582293B - 一种用于氨基酸生产的二氧化碳辅助双极膜电渗析系统及生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于氨基酸生产的二氧化碳辅助双极膜电渗析系统及生产方法，其特征在于：系统由双极膜电渗析装置和二氧化碳辅助装置构成，双极膜电渗析装置内形成有“碱室—料液室—酸室”的重复单元并设置有相应的贮存罐，二氧化碳辅助装置用于向料液贮存罐内通入含二氧化碳的气体，以使氨基酸盐与CO₂发生吸附平衡反应转化为相应的中性氨基酸。本发明利用二氧化碳辅助的双极膜电渗析系统分离、生产氨基酸，不需要额外酸的引入就可以提高电渗析过程中氨基酸的回收效率，且可减轻膜的污染、降低操作成本。

Description

一种用于氨基酸生产的二氧化碳辅助双极膜电渗析系统及生 产方法

技术领域

本发明涉及一种用于氨基酸生产的双极膜电渗析系统及生产方法。

背景技术

氨基酸是人体新陈代谢所必须的物质，一般分为必须氨基酸和非必须氨基酸，非必须氨基酸如丙氨酸、精氨酸、天冬氨酸等可以在体内合成，而必须氨基酸如丙氨酸、精氨酸、蛋氨酸(甲硫氨酸)等则需要通过体外摄取补充。随着氨基酸需求不断增长，需要合适的生产工艺来提高氨基酸生产效率以满足需要。

传统的氨基酸制备工艺包括发酵法和化学合成法，以蛋氨酸为例，其化学合成工艺路线如图1所示，过程中产生了蛋氨酸钠和碳酸钠的中间体。为了得到蛋氨酸产品，传统的操作需要经过酸化和结晶工艺，过程中会排放高TOC废水以及无机盐废渣。

双极膜电渗析作为一种绿色的膜分离过程，可以在电场的作用下实现水解离，利用特殊的膜堆结构设计，可以将盐转化为相应的酸和碱，因此被用于水处理、生物工程、化学工程等领域。双极膜电渗析可以将有机酸盐转化为相应的有机酸和碱，而氨基酸作为一种有机酸，可以利用双极电渗析工艺实现。

专利CN103922980A、CN102002725A、CN103933861A、CN103964989报道了利用双极膜电渗析法生产蛋氨酸的工艺，指出利用双极膜电渗析水解离得到的酸和碱以及特殊设计的膜堆结构，可以将蛋氨酸钠和碳酸钠的混合料液转化为蛋氨酸和氢氧化钠产品，经过简单后处理即可得到高纯度的蛋氨酸产品以及氢氧化钠副产品。过程很大程度上提高了氨基酸的回收效率，同时减少了环境的污染。

CN104744280A报道了一种利用双极膜电渗析来制备肌氨酸的方法，利用双极膜解离出的质子和氢氧根可以将肌氨酸钠的盐溶液转化为肌氨酸和氢氧化钠，避免了废酸、废渣的排放，同时降低了操作成本。

虽然通过电渗析工艺避免了无机酸的引入，从而降低对于环境的污染，同时减少了过程成本，但是由于氨基酸本身是两性离子，电渗析过程中pH的大范围变化容易降低氨基酸的回收效率。另外由于氨基酸本身分子半径较大，在离子膜内部迁移的过程中阻力较大，容易在膜的内部与表面聚集与吸附，造成膜污染。同时有机化合物的吸附容易引起微生物的滋生，从而引起膜降解。为了避免以上问题，需要通过有效手段降低膜污染现象同时提高氨基酸的回收效率，提高经济性能。

有文献报道[1，2]，通过在线调节需要将氨基酸盐溶液的pH调节至氨基酸等电点附近，可以提高电渗析过程中氨基酸的回收效率。由于一般的氨基酸生产过程的中间料液(氨基酸盐)显碱性，通过向氨基酸发酵液/生产中间体中加入无机酸，将溶液的pH调节至氨基酸的等电点时，可以保持氨基酸分子在中性状态，从而减少荷电氨基酸离子的迁移。但是此时溶液中的碱会与添加的无机酸中和，得到NH₄Cl、NaCl、Na₂SO₄等产物，这样会提高料液中盐的含量，从而提高生产成本。

参考文献：

[1]朱永春,张宝发,李玉侠,王芬,氨基酸等电点分离方法的回收率与分离度,大学化学,(1997)52-53.

[2]金燕，张关永，许志立，谭春洪,电渗析法进行胱氨酸母液脱盐的研究,氨基酸和生物资源,(1995)13-15.

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种用于氨基酸生产的二氧化碳辅助双极膜电渗析系统及其生产方法，以期提高电渗析在氨基酸盐溶液处理过程中的氨基酸回收效率、降低操作成本、减少过程碳排放，同时减轻膜污染/结垢，从而实现过程原子经济、绿色生产以及低碳循环的目的。

氨基酸作为一种两性化合物，其盐溶液作为一种良好的碳捕捉剂可以与CO₂发生吸附平衡反应，以蛋氨酸钠和碳酸钠的盐溶液为例，其与CO₂会发生如图2所示的反应，蛋氨酸盐的混合溶液转化为相应的中性蛋氨酸和碳酸盐的混合溶液，之后再利用膜堆结构为BP-A-C的双极膜电渗析过程，中性蛋氨酸在料液室保留，在酸室和碱室分别得到CO₂和NaOH副产品。相比于加入无机酸来提高电渗析过程中氨基酸回收率的方法，通过利用烟道气中CO₂来调节氨基酸料液至其等电点附近，可以避免无机酸的引入，从而降低操作成本，同时烟道气中的CO₂被捕捉下来，得到的高纯CO₂气体以及NaOH副产品可以被用于氨基酸的合成工艺，实现原子经济、绿色生产与低碳循环的目的，有着很明显的优势。另外由于氨基酸种类繁多，如赖氨酸、苯丙氨酸、色氨酸等生产过程中本工艺均可以得到应用。另外，该过程由于减少了氨基酸在膜相中的迁移，同时CO₂可以抑制膜表面微生物的生长，因此CO₂辅助下的氨基酸生产工艺可以很大程度上降低膜污染，从而提高膜的使用寿命，降低膜更换过程中的成本。CO₂气体辅助下的电渗析氨基酸处理工艺尚未见报道。

本发明解决技术问题，采用如下技术方案：

本发明用于氨基酸生产的二氧化碳辅助双极膜电渗析系统，其特点在于：所述二氧化碳辅助双极膜电渗析系统由双极膜电渗析装置和二氧化碳辅助装置构成；

所述双极膜电渗析装置由电渗析膜堆以及通过夹板固定在所述电渗析膜堆两侧的阳极板和阴极板构成；所述电渗析膜堆是由双极膜、阳离子交换膜和阴离子交换膜依次交替叠压后加上流道隔网和密封垫片组成，或由双极膜、两张多孔膜依次交替叠压后加上流道隔网和密封垫片组成；双极膜的阴离子交换层朝向阳极板，阳离子交换层朝向阴极板；阳极板与相邻膜之间形成阳极室，阴极板与相邻膜之间形成阴极室；在所述电渗析膜堆内形成有1个或多个“碱室—料液室—酸室”的重复单元；

阳极板和阴极板分别与电源(稳压电源或稳流电源)的正极和负极相连；阳极室连通于阳极液贮存罐，阴极室连通于阴极液贮存罐，料液室连通于料液贮存罐，酸室连通于酸液贮存罐，碱室连通于碱液贮存罐；

阳极室、阴极室、酸室、碱室、料液室内溶液分别通过驱动泵驱动，并在双极膜电渗析装置与相应贮存罐之间形成循环流动；阳极室和阳极液贮存罐之间通过阳极液驱动泵形成电极液的循环回路；阴极室和阴极液贮存罐之间通过阴极液驱动泵形成电极液的循环回路；料液室和料液贮存罐之间通过料液驱动泵形成料液的循环回路；酸室和酸液贮存罐之间通过酸液驱动泵形成酸液的循环回路；碱室和碱液贮存罐之间通过碱液驱动泵形成碱液的循环回路；

在碱室、酸室、料液室出口处皆设置有pH传感器和电导率传感器；

所述二氧化碳辅助装置是在所述料液贮存罐底部设置有二氧化碳进气口、顶部设置有压力传感器，在所述双极膜电渗析装置外设置有气罐；所述气罐内气体通过二氧化碳进气口引入料液贮存罐；

各驱动泵、各pH传感器、各电导率传感器和压力传感器连接于PLC控制系统，实现自动化控制。

其中：所述阳离子交换膜为普通阳离子交换膜或一多价阳离子交换膜；所述阴离子交换膜为普通阴离子交换膜或一多价阴离子交换膜；所述多孔膜为荷电多孔膜或非荷电多孔膜。

当电渗析膜堆采用双极膜、阳离子交换膜和阴离子交换膜依次交替叠压时，双极膜与相邻阳离子交换膜之间形成碱室，与相邻阴离子交换膜之间形成酸室，阳离子交换膜与阴离子交换膜之间形成料液室。当电渗析膜堆采用双极膜、两张多孔膜时，两张多孔膜之间形成料液室，双极膜与相邻多孔膜之间形成碱室或酸室。

驱动泵可以为隔膜泵、蠕动泵、离心泵、潜水泵、活塞泵等任意形式。

利用上述的二氧化碳辅助双极膜电渗析系统生产氨基酸的方法是：

将含氨基酸盐的料液加入到料液贮存罐，将酸溶液加入到酸液贮存罐，将碱溶液加入到碱液贮存罐，将强电解质溶液加入到阳极液贮存罐和阴极液贮存罐；

通过驱动泵使含氨基酸盐的料液在料液贮存罐内部循环流动，然后将含二氧化碳的气体通入料液贮存罐，通过pH传感器在线监测料液贮存罐内料液的pH；

当料液贮存罐内料液的pH降低至不超过相应氨基酸的等电点+3时，停止通气，并通过驱动泵将料液贮存罐内的料液循环泵入双极膜电渗析装置的料液室，将酸液贮存罐内的酸溶液循环泵入酸室，将碱液贮存罐内的碱溶液循环泵入碱室，将阳极液贮存罐和阴极液贮存罐的强电解质溶液分别循环泵入阳极室和阴极室；

然后通过电源向双极膜电渗析装置施加恒定电流或恒定电压，完成含氨基酸盐的料液的脱盐，获得氨基酸。

其中：

所述酸溶液、碱溶液、强电解质溶液的浓度皆不低于0.01mol/L。

所述含氨基酸盐的料液为氨基酸盐溶液或氨基酸盐溶液与其他盐溶液的混合盐溶液；所述氨基酸盐为甘氨酸盐、丙氨酸盐、亮氨酸盐、肌氨酸盐、苯丙氨酸盐、色氨酸盐、谷氨酸盐、赖氨酸盐、甲硫氨酸盐(蛋氨酸盐)或胱氨酸盐；所述其他盐溶液为硫酸盐、硝酸盐、盐酸盐、碳酸盐或有机酸盐。

所述酸溶液为无机酸或有机酸的溶液；

所述碱溶液为氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化锂的溶液；

所述强电解质溶液为硫酸钠、硫酸钾、硫酸锂、硝酸钠、硝酸钾、硝酸锂、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂或无机酸的溶液。

所述含二氧化碳的气体为烟道气、空气或高纯二氧化碳气体；所述含二氧化碳的气体中二氧化碳体积浓度不低于0.038％。

所述电渗析膜堆内可以为一个或多个“碱室—料液室—酸室”的重复单元。以采用一个重复单元的电渗析装置生产蛋氨酸(原料为蛋氨酸钠和碳酸钠的混合溶液)为例，在通入二氧化碳气后，二氧化碳与蛋氨酸盐的料液发生吸附反应，当溶液pH达到蛋氨酸等电点附近时，蛋氨酸离子转化为中性蛋氨酸；将发生二氧化碳吸附后的氨基酸盐溶液通入至双极膜电渗析装置后，通过施加电流，双极膜发生水解离生成氢氧根与氢离子，料液室中钠离子在阳极的推动作用下通过阳离子交换膜迁移至碱室，并与相邻双极膜解离出的氢氧根结合得到氢氧化钠；料液室中的碳酸根与碳酸氢根离子在阴极的推动作用下透过阴离子交换膜，并与相邻双极膜解离出的氢离子结合得到二氧化碳气体；料液室中的中性氨基酸不发生移动，在料液室得到保留；电流不断的施加，料液中的盐不断被脱除，同时二氧化碳与氢氧化钠副产物不断积累。采用多个重复单元的电渗析装置同采用单个重复单元的装置操作原理相同；具有不同组成的氨基酸盐溶液的操作原理同蛋氨酸盐溶液的电渗析操作原理相同。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明利用二氧化碳辅助的双极膜电渗析系统分离、生产氨基酸，相比于传统的电渗析氨基酸盐处理工艺，不需要额外酸的引入就可以提高电渗析过程中氨基酸的回收效率，且可减轻膜的污染、降低操作成本；

2、本发明可以将烟道气、空气以及其它含二氧化碳的气体中的二氧化碳捕捉，同时在酸室得到高纯的二氧化碳副产物，降低了工业过程的碳排放，同时产生的二氧化碳副产物可以被充分利用，实现低碳循环。

3、本发明可以将氨基酸盐溶液中的盐转化为碱副产物，从而提高了过程的经济性，实现化工过程绿色化以及原子经济化。

4、本发明解决了电渗析在有机料液处理过程中的膜污染难题，从而拓展了电渗析的工业化应用潜力，提高了过程的经济性。

附图说明

图1为蛋氨酸(甲硫氨酸)的化学合成工艺路线图；

图2为以蛋氨酸钠和碳酸钠的盐溶液为原料，通过CO₂的辅助，生产蛋氨酸的工艺路线图；

图3为本发明二氧化碳辅助双极膜电渗析系统的示意图；

图4为本发明的双极膜电渗析装置中膜堆内部示意图；

图5为实施例1过程中电导率、pH及膜堆电压变化示意图；

图6为实施例2过程中电导率、pH及膜堆电压变化示意图；

图中标号：1阳极液贮存罐；1a阳极室进口；1b阳极室出口；2阴极液贮存罐；2a阴极室进口；2b阴极室出口；3酸液贮存罐；3a酸室进口；3b酸室出口；4碱液贮存罐；4a碱室进口；4b碱室出口；5料液贮存罐；5a料液室进口；5b料液室出口；6a阳极液驱动泵；6b阴极液驱动泵；6c酸液驱动泵；6d碱液驱动泵；6e料液驱动泵；7电渗析膜堆；8a酸室电导率传感器；8b碱室电导率传感器；8c料液室电导率传感器；9a酸室pH传感器；9b碱室pH传感器；9c料液室pH传感器；10压力传感器；11二氧化碳进气口；12PLC控制系统；13电源；14二氧化碳气罐；15氮气气罐；16a二氧化碳气体流量计；16b氮气气体流量计；17气体混合器。

具体实施方式

如图3所示，本发明用于氨基酸生产的二氧化碳辅助双极膜电渗析系统，由双极膜电渗析装置和二氧化碳辅助装置构成；

其中，双极膜电渗析装置由电渗析膜堆7以及通过夹板固定在电渗析膜堆两侧的阳极板和阴极板构成；电渗析膜堆是由双极膜、阳离子交换膜和阴离子交换膜依次交替叠压后加上流道隔网和密封垫片组成，或由双极膜、两张多孔膜依次交替叠压后加上流道隔网和密封垫片组成；双极膜的阴离子交换层朝向阳极板，阳离子交换层朝向阴极板；阳极板与相邻膜之间形成阳极室，阴极板与相邻膜之间形成阴极室；在电渗析膜堆内形成有1个或多个“碱室—料液室—酸室”的重复单元；

阳极板和阴极板分别与电源13的正极和负极相连；阳极室的阳极室进口1a和阳极室出口1b连通于阳极液贮存罐1，阴极室的阴极室进口2a和阴极室出口2b连通于阴极液贮存罐2，料液室的料液室进口5a和料液室出口5b连通于料液贮存罐5，酸室的酸室进口3a和酸室出口3b连通于酸液贮存罐3，碱室的碱室进口4a和碱室出口4b连通于碱液贮存罐4；

阳极室、阴极室、酸室、碱室、料液室内溶液分别通过驱动泵(阳极液驱动泵6a、阴极液驱动泵6b、酸液驱动泵6c、碱液驱动泵6d、料液驱动泵6e)驱动，并在双极膜电渗析装置与相应溶液贮存罐之间形成循环流动；

在酸室、碱室、料液室出口处皆设置有电导率传感器(酸室电导率传感器8a、碱室电导率传感器8b、料液室电导率传感器8c)和pH传感器(酸室pH传感器9a、碱室pH传感器9b、料液室pH传感器9c)。

二氧化碳辅助装置是在料液贮存罐底部设置有二氧化碳进气口11、顶部设置有压力传感器10，在双极膜电渗析装置外设置有气罐，气罐出气口处设置气体流量计；气罐内气体通过二氧化碳进气口引入料液贮存罐。

具体的，气罐内含二氧化碳的气体，可以为烟道气、空气或高纯二氧化碳气体；二氧化碳的气体中二氧化碳体积浓度不低于0.038％。在实验模拟烟道气时，如图3所示，设置二氧化碳气罐14和氮气气罐15，通过二氧化碳气体流量计16a和氮气气体流量计16b控制气体流量，二氧化碳和氮气在气体混合器17中混合，引入料液贮存罐5。

具体的，阳离子交换膜可以为普通阳离子交换膜或一多价阳离子交换膜；阴离子交换膜可以为普通阴离子交换膜或一多价阴离子交换膜；多孔膜为荷电多孔膜或非荷电多孔膜。普通离子交换膜是指不具备电荷数选择能力的膜。膜的类型根据需要进行选择。

当电渗析膜堆采用双极膜、阳离子交换膜和阴离子交换膜依次交替叠压时，双极膜与相邻阳离子交换膜之间形成碱室，与相邻阴离子交换膜之间形成酸室，阳离子交换膜与阴离子交换膜之间形成料液室；

当电渗析膜堆采用双极膜、两张多孔膜时，两张多孔膜之间形成料液室，双极膜与相邻多孔膜之间形成碱室或酸室。

实施例1

本实施例利用上述的二氧化碳辅助双极膜电渗析系统生产蛋氨酸，所采用原料为蛋氨酸钠与碳酸钠的混合溶液(其中蛋氨酸钠浓度为0.1mol/L，碳酸钠浓度为0.2mol/L)，采用高纯二氧化碳气为二氧化碳气源。

其中，所用电渗析膜堆由双极膜、阳离子交换膜和阴离子交换膜依次交替叠压后加上流道隔网和密封垫片组成，共使用四张双极膜、三张阳离子交换膜、三张阴离子交换膜，在电渗析膜堆内形成有3个“碱室—料液室—酸室”的重复单元。过程中所使用的双极膜、阴离子交换膜与阳离子交换膜分别采用北京廷润膜技术开发有限公司生产的BP-I、JAM-II与JCM-II，具体膜性能参数如表1所示。单张膜以及膜堆单个电极有效面积40cm²。

本实施例按如下步骤在二氧化碳气辅助下利用双极膜电渗析针对蛋氨酸钠与碳酸钠的混合料液进行处理：

将蛋氨酸钠与碳酸钠的混合料液加入至料液贮存罐，将pH为2.6的磷酸二氢钠与磷酸的缓冲溶液加入酸液贮存罐，将0.1mol/L的氢氧化钠溶液加入至碱液贮存罐，将质量浓度为3％的硫酸钠溶液加入到阳极液贮存罐和阴极液贮存罐；

通过料液驱动泵使混合料液在料液贮存罐内部循环流动，通过料液室pH传感器在线监测料液贮存罐内料液的pH，同时利用压力传感器在线监测料液贮存罐内部压力，然后调节二氧化碳气进气流量在70-80mL/min，将含二氧化碳的气体通入料液贮存罐，使得二氧化碳与料液发生吸附反应。

当溶液pH降低至7.11时达到稳定，停止通气，随后将pH达到稳定后的料液利用料液驱动泵在料液室与料液贮存罐之间循环流动，利用酸液驱动泵使得酸溶液在酸室与酸液贮存罐之间循环流动，利用碱液驱动泵使得氢氧化钠在碱室与碱液贮存罐之间循环流动；利用阳极液驱动泵使得阳极液在阳极室与阳极液贮存罐之间循环流动，利用阴极液驱动泵使得阴极液在阴极室与阴极液贮存罐之间循环流动；

各腔室溶液在电渗析膜堆内部循环流动10分钟后，施加1.5A的恒定电流，并在线监测电渗析膜堆两端的电压变化，酸室、碱室、料液室的电导率以及pH变化，利用TOC/TIC分析实验前后酸室、碱室、料液室中的总有机碳以及总无机碳含量，利用ICP分析实验前后酸室、碱室、料液室中的钠离子含量，具体结果见表2及图5。

当膜堆电压升高至75V时，移除电流，关掉各腔室溶液驱动泵。

实施例2

本实施例利用与实施例1相同的二氧化碳辅助双极膜电渗析系统生产蛋氨酸，所采用原料为蛋氨酸钠与碳酸钠的混合溶液(其中蛋氨酸钠浓度为0.1mol/L，碳酸钠浓度为0.2mol/L)，采用70％氮气+30％二氧化碳的模拟烟道气为二氧化碳气源。

二氧化碳气源采用高纯二氧化碳气与高纯氮气混合进气，二氧化碳气罐14联通于二氧化碳气体流量计16a，调节二氧化碳气进气流量在70-80mL/min，氮气气罐15联通于氮气气体流量计16b，调节氮气气进气流量在168-187mL/min，二氧化碳气体流量计16a以及氮气气体流量计16b同时联通于气体混合器17，气体混合器17联通于二氧化碳进气口11。

本实施例按如下步骤在二氧化碳气辅助下利用双极膜电渗析针对蛋氨酸钠与碳酸钠的混合料液进行处理：

将蛋氨酸钠与碳酸钠的混合料液加入至料液贮存罐，将pH为2.6的磷酸二氢钠与磷酸的缓冲溶液加入酸液贮存罐，将0.1mol/L的氢氧化钠溶液加入至碱液贮存罐，将质量浓度为3％的硫酸钠溶液加入到阳极液贮存罐和阴极液贮存罐；

通过料液驱动泵使混合料液在料液贮存罐内部循环流动，通过料液室pH传感器在线监测料液贮存罐内料液的pH，同时利用压力传感器在线监测料液贮存罐内部压力，将含二氧化碳的气体通入料液贮存罐，使得二氧化碳与料液发生吸附反应。

当溶液pH降低至8.35时，停止通气，随后将pH达到稳定后的料液利用料液驱动泵在料液室与料液贮存罐之间循环流动，利用酸液驱动泵使得酸溶液在酸室与酸室贮存罐之间循环流动，利用碱液驱动泵使得氢氧化钠在碱室与碱液贮存罐之间循环流动；利用阳极液驱动泵使得阳极液在阳极室与阳极液贮存罐之间循环流动，利用阴极液驱动泵使得阴极液在阴极室与阴极液贮存罐之间循环流动；

各腔室溶液在电渗析膜堆内部循环流动10分钟后，施加1.2A的恒定电流，并在线监测电渗析膜堆两端的电压变化，酸室、碱室、料液室的电导率以及pH变化，利用TOC/TIC分析实验前后酸室、碱室、料液室中的总有机碳以及总无机碳含量，利用ICP分析实验前后酸室、碱室、料液室中的钠离子含量，具体结果见表2及图6。

当膜堆电压升高至75V时，移除电流，关掉各腔室溶液驱动泵。

表1离子交换膜性能参数

表2电渗析过程中各腔室TIC、TOC、Na⁺浓度、脱盐率及蛋氨酸回收率情况*

*注：溶液中数值均由相应溶液稀释250倍之后测得。

从图5中可以看出施加电流后蛋氨酸盐溶液的电导率不断降低，说明料液中的盐不断的被脱除，料液中的钠离子迁移至碱室，与双极膜解离出的氢氧根结合得到氢氧化钠，从表2也可以看出，料液中钠离子浓度由初始的22.2mg/L降低至2.9mg/L，实现了86.8％的脱盐率，同时操作结束时料液中的TOC仅由初始的19.9mg/L降低至19.8mg/L，实现了99.6％的氨基酸回收率。

同样从图6中可以看出施加电流后蛋氨酸盐溶液的电导率不断降低，说明料液中的盐不断的被脱除，料液中的钠离子迁移至碱室，与双极膜解离出的氢氧根结合得到氢氧化钠，从表2也可以看出，料液中钠离子浓度由初始的20.5mg/L降低至0.8mg/L，实现了95.9％的脱盐率，同时操作结束时料液中的TOC仅由初始的22.6mg/L降低至22.4mg/L，实现了99.0％的氨基酸回收率。

同时从图5和图6可以看出两种操作电渗析膜堆电压随着时间均不断升高，说明随着料液室的盐不断被脱除，料液电导率不断降低，使得整体膜堆电阻升高，从而提高了过程中电流的焦耳热消耗，降低了电流效率，因此实验过程中要严格控制实验终点，从而提高电流利用效率。

Claims (7)

1.一种利用二氧化碳辅助双极膜电渗析系统生产氨基酸的方法，其特征在于：

所述二氧化碳辅助双极膜电渗析系统由双极膜电渗析装置和二氧化碳辅助装置构成；

所述双极膜电渗析装置由电渗析膜堆以及通过夹板固定在所述电渗析膜堆两侧的阳极板和阴极板构成；所述电渗析膜堆是由双极膜、阳离子交换膜和阴离子交换膜依次交替叠压后加上流道隔网和密封垫片组成，或由双极膜、两张多孔膜依次交替叠压后加上流道隔网和密封垫片组成；双极膜的阴离子交换层朝向阳极板，阳离子交换层朝向阴极板；阳极板与相邻膜之间形成阳极室，阴极板与相邻膜之间形成阴极室；在所述电渗析膜堆内形成有1个或多个“碱室—料液室—酸室”的重复单元；阳极板和阴极板分别与电源的正极和负极相连；阳极室连通于阳极液贮存罐，阴极室连通于阴极液贮存罐，料液室连通于料液贮存罐，酸室连通于酸液贮存罐，碱室连通于碱液贮存罐；阳极室、阴极室、酸室、碱室、料液室内溶液分别通过驱动泵驱动，并在双极膜电渗析装置与相应贮存罐之间形成循环流动；在碱室、酸室、料液室出口处皆设置有pH传感器和电导率传感器；

所述二氧化碳辅助装置是在所述料液贮存罐底部设置有二氧化碳进气口、顶部设置有压力传感器，在所述双极膜电渗析装置外设置有气罐；所述气罐内气体通过二氧化碳进气口引入料液贮存罐；

各驱动泵、各pH传感器、各电导率传感器和压力传感器连接于PLC控制系统，实现自动化控制；

利用所述二氧化碳辅助双极膜电渗析系统生产氨基酸的方法为：

将含氨基酸盐的料液加入到料液贮存罐，将酸溶液加入到酸液贮存罐，将碱溶液加入到碱液贮存罐，将强电解质溶液加入到阳极液贮存罐和阴极液贮存罐；

通过驱动泵使含氨基酸盐的料液在料液贮存罐内部循环流动，然后将含二氧化碳的气体通入料液贮存罐，通过pH传感器在线监测料液贮存罐内料液的pH；

当料液贮存罐内料液的pH降低至不超过相应氨基酸的等电点+3时，停止通气，并通过驱动泵将料液贮存罐内的料液循环泵入双极膜电渗析装置的料液室，将酸液贮存罐内的酸溶液循环泵入酸室，将碱液贮存罐内的碱溶液循环泵入碱室，将阳极液贮存罐和阴极液贮存罐的强电解质溶液分别循环泵入阳极室和阴极室；

然后通过电源向双极膜电渗析装置施加恒定电流或恒定电压，完成含氨基酸盐料液的脱盐，获得氨基酸。

2.根据权利要求1所述的一种利用二氧化碳辅助双极膜电渗析系统生产氨基酸的方法，其特征在于：所述阳离子交换膜为普通阳离子交换膜或一多价阳离子交换膜；所述阴离子交换膜为普通阴离子交换膜或一多价阴离子交换膜；

所述多孔膜为荷电多孔膜或非荷电多孔膜。

3.根据权利要求1所述的一种利用二氧化碳辅助双极膜电渗析系统生产氨基酸的方法，其特征在于：

当电渗析膜堆采用双极膜、阳离子交换膜和阴离子交换膜依次交替叠压时，双极膜与相邻阳离子交换膜之间形成碱室，与相邻阴离子交换膜之间形成酸室，阳离子交换膜与阴离子交换膜之间形成料液室；

当电渗析膜堆采用双极膜、两张多孔膜时，两张多孔膜之间形成料液室，双极膜与相邻多孔膜之间形成碱室或酸室。

4.根据权利要求1所述的一种利用二氧化碳辅助双极膜电渗析系统生产氨基酸的方法，其特征在于：所述酸溶液、碱溶液、强电解质溶液的浓度皆不低于0.01mol/L。

5.根据权利要求1所述的一种利用二氧化碳辅助双极膜电渗析系统生产氨基酸的方法，其特征在于：

所述含氨基酸盐的料液为氨基酸盐溶液或氨基酸盐溶液与其他盐溶液的混合盐溶液；

所述氨基酸盐为甘氨酸盐、丙氨酸盐、亮氨酸盐、肌氨酸盐、苯丙氨酸盐、色氨酸盐、谷氨酸盐、赖氨酸盐、甲硫氨酸盐或胱氨酸盐；

所述其他盐溶液为硫酸盐、硝酸盐、盐酸盐、碳酸盐或有机酸盐。

6.根据权利要求1或4所述的一种利用二氧化碳辅助双极膜电渗析系统生产氨基酸的方法，其特征在于：

所述酸溶液为无机酸或有机酸的溶液；

所述碱溶液为氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化锂的溶液；

所述强电解质溶液为硫酸钠、硫酸钾、硫酸锂、硝酸钠、硝酸钾、硝酸锂、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂或无机酸的溶液。

7.根据权利要求1所述的一种利用二氧化碳辅助双极膜电渗析系统生产氨基酸的方法，其特征在于：所述含二氧化碳的气体为烟道气、空气或高纯二氧化碳气体；所述含二氧化碳的气体中二氧化碳体积浓度不低于0.038％。

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