CN109133267B - 一种提纯苯丙氨酸的电渗析装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提纯苯丙氨酸的电渗析装置，其包括一级除盐系统和与所述一级除盐系统串联的二级除盐系统，所述一级除盐系统包括一级阴阳离子交换膜，所述二级除盐系统包括二级阴阳离子交换膜，所述一级阴阳离子交换膜较所述二级阴阳离子交换膜的孔隙率大，所述一级阴阳离子交换膜为半均相膜，所述二级阴阳离子交换膜为均相膜。此装置生产周期短，生产效率高。

Description

一种提纯苯丙氨酸的电渗析装置
技术领域
本发明涉及一种化工设备中的电渗析装置，尤其涉及一种提纯苯丙氨酸的电渗析装置。
背景技术
苯丙氨酸为一种α-氨基酸，是人体必需氨基酸之一，属芳香族氨基酸，在体内大部分经苯丙氨酸羟化酶催化作用氧化成酪氨酸，并与酪氨酸一起合成重要的神经递质和激素，参与机体糖代谢和脂肪代谢。近年来，苯丙氨酸的研究和开发已经引起医药、生化、食品等产业的广泛关注。是复配氨基酸输液的重要成份；用于医药，是苯丙氨苄、甲酸溶肉瘤素等氨基酸类抗癌药物的中间体，也是生产肾上腺素、甲状腺素和黑色素的原料；已有研究表明，L-苯丙氨酸可作为抗癌药物的载体将药物分子直接导入癌瘤区，其效果是其他氨基酸的3～5倍，这样既可以抑制癌瘤生长，又可以降低药物的毒副作用。
目前，苯丙氨酸的生产方法主要有蛋白水解提取法、化学合成法、生物酶法和微生物发酵法。其中蛋白水解提取法是目前普遍采用的工业生产方法，但蛋白水解提取法需要经过强酸强碱处理，纯化步骤长，提取率仅在4％-7％,提取原料成本高，而且废弃物严重污染环境，随着目前环境压力的增加和资源原料价格的上升，传统的蛋白水解提取法正逐渐被市场淘汰，微生物发酵法正以其绿色环保的工艺、原料和成本低廉的优势迅速发展起来。
自发酵液中分离提取苯丙氨酸，通常采用离子交换法，将除去菌体的发酵液在特定的pH条件下上柱，让苯丙氨酸吸附在离子交换柱上，随后用去离子水对交换柱充分洗涤，除去杂质，然后用洗脱液将苯丙氨酸从离子交换柱上洗脱，得到苯丙氨酸溶液，在经过结晶和干燥，得到苯丙氨酸产品。然此法苯丙氨酸收率不稳定，粗品杂质多、色泽深，影响后续产品质量，且除盐周期长，生产成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提纯苯丙氨酸的电渗析装置，达到缩短生产周期、提高除盐效率的目的。苯丙氨酸经调pH至5-7后，将料液体系中的盐离子通过电渗析装置转移到浓水区，从而实现无机盐与苯丙氨酸的有效分离。
为实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案是：
一种提纯苯丙氨酸的电渗析装置，包括一级除盐系统和与所述一级除盐系统串联的二级除盐系统，所述一级除盐系统包括一级阴阳离子交换膜，所述二级除盐系统包括二级阴阳离子交换膜，所述一级阴阳离子交换膜较所述二级阴阳离子交换膜的孔隙率大，所述一级阴阳离子交换膜为半均相膜，所述二级阴阳离子交换膜为均相膜。
根据本发明的设计构思，本发明所述一级除盐系统包括一级料液罐和一级浓水罐，所述二级除盐系统包括二级料液罐和二级浓水罐，所述一级料液罐与发酵罐连接，所述一级料液罐与所述二级料液罐连接，所述一级浓水罐与所述二级浓水罐连接，所述一级浓水罐与发酵罐连接，所述发酵罐中的料液注入一级料液罐，所述一级料液罐中的料液注入二级料液罐，所述二级浓水罐中的料液注入结晶罐，所述二级浓水罐中的浓水液注入一级浓水罐，所述一级浓水罐中的浓水注入所述发酵罐。
根据本发明的设计构思，本发明所述电渗析装置包括除盐装置，所述除盐装置包括一级除盐装置和二级除盐装置，所述二级除盐装置的个数为一个或多个，所述多个二级除盐装置并联。
根据本发明的设计构思，本发明所述除盐装置还包括对称设置的阴阳两级电极板、靠近所述阴阳两级电极板的阳膜隔板和靠近所述阳膜隔板的阴膜隔板，所述阳膜隔板与所述阴膜隔板交替置于阴阳两极电极板之间，所述阴阳两极电极板连接直流电的正负极电源，所述阴阳两极电极板内侧装有导电极水。
根据本发明的设计构思，本发明所述阳膜隔板和所述阴膜隔板之间形成多个独立的浓水腔和料液腔，所述料液腔之间相连，所述浓水腔之间相连。
根据本发明的设计构思，本发明所述阳膜隔板包括阳离子交换膜和位于阳离子交换膜两侧的板框，所述阴膜隔板包括阴离子交换膜和位于阴离子交换膜两侧的板框。
根据本发明的设计构思，本发明所述一级浓水罐和一级除盐装置的浓水腔通过浓水管路相连，二级浓水罐和二级除盐装置的浓水腔通过浓水管路相连，所述浓水管路上设置泵和阀门。
根据本发明的设计构思，本发明所述一级料液罐和所述一级除盐装置的料液腔通过料液管路相连，所述二级料液罐和所述二级除盐装置的料液腔通过料液管路相连，所述料液管路上设置泵和阀门。
根据本发明的设计构思，本发明所述浓水管路上安装电导率在线监测装置。
根据本发明的设计构思，本发明所述浓水管路与所述料液管路上安装转子流量计。
本发明提出苯丙氨酸的电渗析装置提纯苯丙氨酸的能耗较低，单位体积的电耗约为6kwh/m3,对苯丙氨酸中无机盐的去除率大于95％,苯丙氨酸的纯度可达98％，减轻了下游精致工艺的负担，且损失率小于5％。
本发明采用两级除盐系统同时运行，两级除盐系统所选择的膜的种类不同，一级除盐装置的离子交换膜为半均相膜，所述半均相膜的孔隙率较大，除盐的速率较快，二级除盐装置的离子交换膜为均相膜，所述均相膜更加致密孔隙率相对较小，对浓度较低的盐溶液处理效果更好，同时可有效避免电渗析过程中的浓差极化现象，减少对电渗析装置的损伤，提高除盐效率。二级除盐装置设置为一个或多个，缩短二级除盐系统的除盐时间，一级除盐系统和二级除盐系统同时运行，可大大缩短整体的生产周期。同时二级浓水罐中的溶液可回收作为一级浓水罐中的浓水液，实现一个废水的循环套用。
本发明提供的电渗析装置控制简单，处理过程不产生固体废渣，产生的废水可以回收用于发酵工艺的生产，不会造成环境污染，是一种适宜推广应用的工艺装置。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是苯丙氨酸电渗析除盐系统的示意图；
图2是除盐装置膜堆结构和各个物料的进出示意图；
图3是隔板结构示意图。
附图标记说明：100a、一级料液罐；100b、二级料液罐；110a、一级除盐装置；110b、二级除盐装置；120a、一级浓水罐；120b、二级浓水罐；130、泵；140、阀门；150、电导率在线监测装置；160、转子流量计；170、管路；180、发酵罐；210、阴阳两极电极板；220、正负极电源；231、阳膜隔板；232、阴膜隔板；233、板框；234、离子交换膜；241、料液腔；242、浓水腔。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，但不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供一种提纯苯丙氨酸的电渗析装置，其包括一级除盐系统和与所述一级除盐系统串联的二级除盐系统，所述一级除盐系统包括一级阴阳离子交换膜，所述二级除盐系统包括二级阴阳离子交换膜，所述一级阴阳离子交换膜较所述二级阴阳离子交换膜的孔隙率大，所述一级阴阳离子交换膜为半均相膜，所述二级阴阳离子交换膜为均相膜。
详细地，所述一级阴阳离子交换膜为半均相膜，所述二级阴阳离子交换膜为均相膜。电渗析过程中，正负两级电压、浓水腔242与料液腔241之间的浓度差以及阴阳离子交换膜的孔隙率影响溶液中的离子的移动速度，一级除盐系统中，由于初始时盐离子浓度较高，浓水腔242与料液腔241之间的浓度差较大，盐离子扩散速度快，为了进一步提高盐离子的扩散速率，一级阴阳离子交换膜选择孔隙率稍大的半均相膜，可缩短除盐时间。然而，浓水腔242中的离子浓度随着时间的增加而增加，与料液腔241中的离子浓度形成逆浓度差，降低了离子迁移的速度，增加电渗析装置的电耗，因此当苯丙氨酸料液的电导率为5000～6000us/cm时，处于浓差极化的临界点，结束一级电渗析过程，可有效降低电耗，除去溶液中的大部分离子。
详细地，一级除盐系统处理所得到的苯丙氨酸电渗析浓缩液的电导率为5000～6000us/cm，此电导率下的苯丙氨酸溶液中的离子浓度较低，当阴阳离子交换膜堆上所加电压过大时，容易造成浓差极化现象，使膜表面形成沉积或凝胶层，增加透过阻力以及使某些溶质的截留率降低，因此二级阴阳离子交换膜选择孔隙率较小的均相膜，同时降低第二膜堆上的电压，可有效提高溶质的截留率，降低浓差极化对电渗析过程的影响。
优选地，所述一级除盐系统包括一级料液罐100a和一级浓水罐120a，所述二级除盐系统包括二级料液罐100b和二级浓水罐120b，所述一级料液罐100a与发酵罐180连接，所述一级料液罐100a与所述二级料液罐100b连接，所述一级浓水罐120a与所述二级浓水罐120b连接，所述一级浓水罐120b与发酵罐180连接，所述发酵罐180中的料液注入一级料液罐100a，所述一级料液罐100a中的料液注入二级料液罐100b，所述二级浓水罐100b中的料液注入结晶罐，所述二级浓水罐100b中的浓水液注入一级浓水罐100a，所述一级浓水罐100a中的浓水注入所述发酵罐。
详细地，发酵罐180中的料液通过运输管路注入一级料液罐100a中，一级除盐完成后，一级料液罐100a中的料液注入二级料液罐100b中，二级除盐完成后，料液运输至结晶罐中结晶得到苯丙氨酸晶体，由于二级浓水罐120b中浓水的离子浓度较低，二级浓水罐120b中的浓水可注入一级浓水罐120a中，实现一个废水的循环套用，同时一级浓水罐120a中的浓水可重新注入发酵罐180中循环利用。
优选地，所述电渗析装置包括除盐装置，所述除盐装置包括一级除盐装置110a和二级除盐装置110b，所述二级除盐装置110b的个数为一个或多个，二级除盐装置110b之间并联。
详细地，多个二级除盐装置100b之间并联，电渗析过程中离子的迁移速度随着浓水离子浓度的的升高而降低，采用多个二级除盐装置并联可有效缩短二级除盐系统的生产周期，同时一级除盐系统与二级除盐系统同时运行，可缩短整个脱盐过程的生产周期。
优选地，所述除盐装置还包括对称设置的阴阳两级电极板210、靠近所述阴阳两级电极板210的阳膜隔板231和靠近所述阳膜隔板231的阴膜隔板232，所述阳膜隔板231与所述阴膜隔板232交替置于阴阳两极电极板210之间，所述阴阳两极电极板210连接直流电的正负极电源220，所述阴阳两极电极板210内侧装有导电极水，所述导电极水为1-8％的硫酸钠溶液。
优选地，所述阳膜隔板231和所述阴膜隔板232之间形成多个独立的浓水腔242和料液腔241，所述料液腔241之间相连，所述浓水腔242之间相连。
详细地，所述阳离子交换膜与所述阴离子交换膜是一种功能性膜，所述阳离子交换膜只允许阳离子通过，所述阴离子交换膜只允许阴离子通过，在外加电场的作用下，溶液中的阴离子和阳离子分别向阳极和阴极移动。除盐装置110中交替排列着阳膜隔板231和阴膜隔板232，分隔成许多的小水腔，当原料液进入这些小腔时，在直流电场的作用下，溶液中的离子作定向迁移，阳离子交换膜只允许阳离子通过而把阴离子截留下来，阴离子交换膜只允许阴离子通过而把阳离子截留下来，然后所述小腔的一部分变成含离子很少料液腔241，而与料液腔241相邻的小腔则变成聚集大量离子的浓水腔242。
优选地，所述阳膜隔板231包括阳离子交换膜和位于阳离子交换膜两侧的板框233，所述阴膜隔板232包括阴离子交换膜和位于阴离子交换膜两侧的板框233，所述板框233固定所述离子交换膜234。
优选地，所述一级浓水罐120a和一级除盐装置110a的浓水腔242通过浓水管路相连，二级浓水罐120b和二级除盐装置110b的浓水腔242通过浓水管路相连，所述浓水管路上设置泵130和阀门140。
优选地，所述一级料液罐100a和所述一级除盐装置110a的料液腔241通过料液管路相连，所述二级料液罐100b和所述二级除盐装置110b的料液腔241通过料液管路相连，所述料液管路上设置泵130和阀门140。
优选地，所述浓水管路上安装电导率在线监测装置150。
详细地，溶液的电导率与溶液中的离子浓度成正比，通过所述电导率在线监测装置150可有效实时监控整个除盐过程。
优选地，所述浓水管路与所述料液管路上安装转子流量计160。
详细地，所述转子流量计160用于测量管路中液体流动的速度，保持所述料液管路与所述浓水管路之间的压力平衡。
本发明提出苯丙氨酸的电渗析装置，利用在电场的作用下，苯丙氨酸中的正负离子分别向阳或阴极电极板富集，无机盐通过阴阳离子交换膜后，逐渐转移至浓水中，经过循化渗析，达到纯化目的。
本发明提出苯丙氨酸的电渗析装置提纯苯丙氨酸的能耗较低，单位体积的电耗约为6kwh/m3,对苯丙氨酸中无机盐的去除率大于95％,苯丙氨酸的纯度可达98％，减轻了下游精致工艺的负担，且损失率小于5％。
本发明采用两级除盐系统同时运行，两级除盐系统所选择的膜的种类不同，一级除盐装置110a的离子交换膜选择半均相膜，所述半均相膜的孔隙率较大，除盐的速率较快，二级除盐装置110b的离子交换膜选择均相膜，所述均相膜更加致密孔隙率相对较小，对浓度较低的盐溶液处理效果更好，同时可有效避免电渗析过程中的浓差极化现象，减少对电渗析装置的损伤，提高除盐效率，二级除盐装置110b设置为一个或多个，可缩短二级除盐系统的时间，一级除盐系统和二级除盐系统的同时运行，可大大缩短除盐周期，同时二级浓水罐120b中的溶液可回收用于一级浓水罐120a中的溶液，同时一级浓水罐120a中的溶液可回收用于苯丙氨酸的生产发酵，实现废水的循环套用。
本发明提供的电渗析装置控制简单，处理过程不产生固体废渣，产生的废水可以回收用于发酵工艺的生产，不会造成环境污染，是一种适宜推广应用的工艺装置。
上述实施例这并非是对本发明的限制，本领域技术人员根据本发明的基本思想，可以做出各种修改或改进，但是只要不脱离本发明的基本思想，在本发明的范围之内。

Claims (7)

1.一种提纯苯丙氨酸的电渗析装置，其特征在于，其包括一级除盐系统和与所述一级除盐系统串联的二级除盐系统，所述一级除盐系统包括一级阴阳离子交换膜，所述二级除盐系统包括二级阴阳离子交换膜，所述一级阴阳离子交换膜较所述二级阴阳离子交换膜的孔隙率大，所述一级阴阳离子交换膜为半均相膜，所述二级阴阳离子交换膜为均相膜；所述一级除盐系统包括一级料液罐和一级浓水罐，所述二级除盐系统包括二级料液罐和二级浓水罐，所述一级料液罐与发酵罐连接，所述一级料液罐与所述二级料液罐连接，所述一级浓水罐与所述二级浓水罐连接，所述一级浓水罐与发酵罐连接，所述发酵罐中的料液注入一级料液罐，所述一级料液罐中的料液注入所述二级料液罐，所述二级浓水罐中的料液注入结晶罐，所述二级浓水罐中的浓水液注入一级浓水罐，所述一级浓水罐中的浓水液注入所述发酵罐；所述电渗析装置包括一级除盐装置和二级除盐装置，所述二级除盐装置的个数为一个或多个，二级除盐装置之间并联；所述除盐装置还包括对称设置的阴阳两极 电极板、靠近所述阴阳两极 电极板的阳膜隔板和靠近所述阳膜隔板的阴膜隔板，所述阳膜隔板与所述阴膜隔板交替置于阴阳两极电极板之间，所述阴阳两极电极板连接直流电的正负极电源，所述阴阳两极电极板内侧装有导电极水。
2.根据权利要求1所述的一种提纯苯丙氨酸的电渗析装置，其特征在于，所述阳膜隔板和所述阴膜隔板之间形成多个独立的浓水腔和料液腔，所述料液腔之间相连，所述浓水腔之间相连。
3.根据权利要求1所述的一种提纯苯丙氨酸的电渗析装置，其特征在于，所述阳膜隔板包括阳离子交换膜和位于阳离子交换膜两侧的板框，所述阴膜隔板包括阴离子交换膜和位于阴离子交换膜两侧的板框。
4.据权利要求2所述的一种提纯苯丙氨酸的电渗析装置，其特征在于，所述一级浓水罐和一级除盐装置的浓水腔通过浓水管路相连，二级浓水罐和二级除盐装置的浓水腔通过浓水管路相连，所述浓水管路上设置泵和阀门。
5.据权利要求2所述的一种提纯苯丙氨酸的电渗析装置，其特征在于，所述一级料液罐和所述一级除盐装置的料液腔通过料液管路相连，所述二级料液罐和所述二级除盐装置的料液腔通过料液管路相连，所述料液管路上设置泵和阀门。
6.根据权利要求4所述的一种提纯苯丙氨酸的电渗析装置，其特征在于，所述浓水管路上安装电导率在线监测装置。
7.根据权利要求5所述的一种提纯苯丙氨酸的电渗析装置，其特征在于，所述浓水管路与所述料液管路上安装转子流量计。
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