CN111138390B - 一种改进的膜法制备维生素c的清洁工艺 - Google Patents

一种改进的膜法制备维生素c的清洁工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种改进的膜法制备维生素C的清洁工艺。该方法将VC‑Na固体配置而成的VC‑Na水溶液通过双极膜电渗析工艺得到VC水溶液与氢氧化钠溶液液。本发明的特点在于采用膜片排列顺序为BP膜、阳膜、阳膜、BP膜的三隔室BPED对VC‑Na进行转化处理,相对与传统两隔室双极膜,在酸室和碱室中增加一个盐室,使其具有以下特点:1)减少酸室氢离子的反迁作用,提高产品碱液的浓度;2)减少VC因浓度差透入碱室的含量,避免浓碱液中VC不可逆开环反应造成的碱液不纯;3)透入盐室中少量VC‑Na作为VC‑Na水溶液的溶剂重新进入工艺中循环,提高了VC的回收率;4)缓解了酸碱室之间的pH差,增加膜的使用寿命,减少运行成本。

Description

一种改进的膜法制备维生素C的清洁工艺
技术领域
本发明涉及一种维生素C生产方法,特别涉及一种利用双极膜电渗析法利用维生素C钠盐生产维生素C技术。
背景技术
维生素C(vitamin C,简称VC)),又名显示抗坏血酸生物活性的化合物的通称,分子式为C6H8O6,分子量176.13;是人体不能自身合成的维生素之一,也是人类生存必不可少的营养要素之一;它同时是一种水溶性维生素,水果和蔬菜中含量丰富,在氧化还原代谢反应中起调节作用,缺乏它可引起坏血病。VC在保健食品、食品添加剂、药品等领域已经得到了广泛应用。
目前工业化VC制备工艺主要为“莱氏法”和“两步发酵法”。“莱氏法”为一步发酵法,该法曾经被广泛应用到VC的生产中,用该法生产出来的产品,质量好并且收率高;但该法生产工序多、过程长,难以实现连续化操作;耗费大量的丙酮、硫酸、烧碱、氯气、苯等有毒、易燃化学药品,造成严重的环境污染,劳动强度大。中国发明的两部发酵法,原料以山梨醇为主,经过发酵-提取-转化-精致四个工艺段生产VC。目前发酵、提取、精致四个工艺段技术较为成熟,转化工艺中不同工艺段的方法对VC成品的收率和效益存在重要的影响。针对VC-Na(维生素C-Na)盐酸化制得VC粗品,主要方法有硫酸酸化工艺、离子交换工艺、电渗析工艺。硫酸工艺产出的粗VC产品质量差,在消耗大量的酸碱的同时产出大量的副产物硫酸钠处理经济效益低,同时排放出大量的VOC处理费用高,环境污染严重目前已被淘汰;离子交换通过固定床离子交换法提高了VC的产品质量,其本质仍然是酸置换法,树脂活化消耗大量的盐酸,占地面积大,且置换效率低下。
双极膜电渗析已成功的应用在VC的生产工艺中,不仅可以节约树脂以及酸碱的消耗,减少了高盐废水的排放,副产物碱液经过浓缩和纯化可用于其它生产工艺,实现工业的清洁生产。但由于离子交换膜性能影响,仍会有酸室中少量VC透过阳离子交换膜进入碱室,在强碱溶液中VC长期停留会发生不可逆的开环反应,极大地影响VC的回收率与副产物碱液的纯度。目前双极膜法电渗析生产VC有三篇中国专利,分别为:1)河北德赛化工专利CN101818180A,该专利提出了古龙酸甲酯进入水解室在碱性条件下生成VC-Na的反应,但其没有考虑到VC-Na溶液中含有钙、镁等离子,这些离子碱性条件下形成沉淀在膜表面与电极出沉积,污染双极膜设备影响工作效率和使用寿命,同时存在VC长时间在碱性条件下停留而开环反应的问题;2)山东鲁维制药专利CN109232488A,该专利提出了一套新组合工艺生产VC,但是同样存在VC长时间在碱性条件下停留而开环反应的问题,且由于产品碱液纯度较低,大量碱液用于VOC的吸收和树脂再生,经济效益较低;3)合肥科佳高分子材料的专利CN109096230A,该专利提出使用两隔室双极膜电渗析生产VC,通过降低流速来避免浓差极化的现象,但流速的降低会影响到VC的转化效率,同时增加了停留时间导致VC在浓碱液中长时间发生开环反应,降低了碱液纯度与VC的回收率。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种改进的膜法制备维生素C的清洁工艺,能够对VC的生产提供优化。为此本发明采用以下技术方案:
一种改进的膜法制备维生素C的工艺,该工艺按如下步骤进行:
S1:利用VC-Na固体与工艺后段回流的稀VC-Na溶液和稀VC溶液混合配置,得到VC-Na水溶液;
S2:将S1所得VC-Na水溶液采用鳌合树脂吸附工艺处理,去除二价以及二价以上金属离子;
S3:将S2得到的VC-Na水溶液通入双极膜电渗析系统的酸室,并向盐室和碱室中通入稀碱液或纯水,通过双极膜电渗析处理后,从酸室、盐室、碱室中分别得到VC水溶液、稀VC-Na溶液、氢氧化钠溶液,将得到的所述稀VC-Na溶液重新回流至S1中用于配置VC-Na水溶液;
所述双极膜电渗析系统中,单个膜堆单元的膜片排列顺序为BP膜、阳膜、阳膜、BP膜,从正极开始三个隔室依次为酸室、盐室、碱室;
S4将S3得到的所述VC水溶液经过浓缩结晶,得到VC干品与稀VC溶液,将得到的所述稀VC溶液重新回流至S1中用于配置VC-Na水溶液。
在上述技术方案的基础上,本发明还可采用以下进一步的技术方案
作为优选,所述步骤S1中,鳌合树脂选用官能团为氨基磷酸型或亚氨基二乙酸型螯合树脂。
作为优选,所述步骤S1中,鳌合树脂处理后的VC-Na溶液出水水质满足:SS<1mg/L,钙、镁离子总含量<1ppm,铁离子含量<0.1ppm。
作为优选,所述双极膜电渗析系统中,设有多个膜堆单元。
作为优选,所述双极膜电渗析系统中,VC-Na转化率为97%以上,氢氧化钠溶液中透过的VC-Na含量小于1%;NaOH产水浓度为4~8wt%。
作为优选,所述双极膜电渗析系统采用平板式结构。
作为优选,所述双极膜电渗析系统的膜基材选自PVC、PEEK、PES、PS中的一种或几种。
作为优选,所述双极膜电渗析系统酸室的进水中,VC-Na溶液的质量分数控制在25~30%,碱室和盐室进水通入纯水或0.04~0.4wt%的氢氧化钠溶液。
作为优选,所述双极膜电渗析系统酸室的酸室出水中,VC水溶液的pH控制在1~2之间,氢氧化钠溶液浓度控制在4~8wt%之间。
作为优选,所述双极膜电渗析系统中,进水水温低于40℃。
相对与现有技术,本发明具有以下有益效果:
(1)本发明的双极膜电渗析系统采用三隔室BPED,额外增加的盐室减少酸室氢离子的反迁作用,提高产品碱液的浓度的同时减少产碱能耗与效率;
(2)双极膜电渗析系统中,额外增加的盐室削弱因酸室与碱室浓度差导致的VC反向迁移,减少酸室透入到碱室的VC数量,提高了副产物碱液的纯度,使碱液可以用于其他生产工艺段或作为附加值较高的产品出售。
(3)双极膜电渗析系统的盐室产水中含有少量VC-Na的溶液,可以与VC-Na晶体配置成VC-Na溶液重新进入生产工艺,增加了VC的回收率,减少了VC-Na水溶液中杂质的含量。
(4)额外增加的隔室缓解了阳离子交换膜两侧的pH差,减小离子交换膜的损耗,延长双极膜组件的使用周期,降低运行成本。
附图说明
图1为本发明提供的一种改进的双极膜电渗析法制备维生素C工艺流程图;
图2为三隔室BPED的工作原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。
如图1所示,本发明中设计的改进的膜法制备维生素C的清洁工艺,按如下步骤进行:
S1:利用VC-Na固体与工艺后段回流的稀VC-Na溶液和稀VC溶液混合配置,得到VC-Na水溶液;
S2:将S1所得VC-Na水溶液采用鳌合树脂吸附工艺处理,去除二价以及二价以上金属离子;
S3:将S2得到的VC-Na水溶液通入双极膜电渗析系统的酸室,并向盐室和碱室中通入稀碱液或纯水,通过双极膜电渗析处理后,从酸室、盐室、碱室中分别得到VC水溶液、稀VC-Na溶液、氢氧化钠溶液,将得到的稀VC-Na溶液重新回流至S1中用于配置VC-Na水溶液;
本发明的双极膜电渗析系统采用三隔室BPED,其工作原理如图2所示。三隔室BPED中,单个膜堆单元的膜片排列顺序为BP膜、阳膜、阳膜、BP膜,从正极一侧开始三个隔室依次为酸室、盐室、碱室。膜堆单元可以根据需要连续设置多个,因此三隔室BPED内部结构实际为:阳电极-阳极室-[BP膜-酸室-阳离子交换膜-盐室-阳离子交换膜-碱室-BP膜]n-阴极室-阴电极,n为正整数。
S4将S3得到的所述VC水溶液经过浓缩结晶,得到VC干品与稀VC溶液,将得到的所述稀VC溶液重新回流至S1中用于配置VC-Na水溶液,VC干品即为本工艺的成品。
本发明的三隔室BPED在两隔室双极膜电渗析的基础上进行改进,在原有双极膜之间增加了一张阳离子交换膜,两张阳膜额外增加一个盐室,使其具有以下特点:1)减少酸室氢离子的反迁作用,提高产品碱液的浓度;2)减少VC因浓度差透入碱室的含量,避免浓碱液中VC不可逆开环反应造成的碱液不纯;3)透入盐室中少量VC-Na作为VC-Na水溶液的溶剂重新进入工艺中循环,提高了VC的回收率;4)缓解了酸碱室之间的pH差,增加膜的使用寿命,减少运行成本。
下面通过实施例具体说明本发明的技术效果。各实施例中所采用的VC-Na来源于生产过程中中间体,溶液较纯,杂质较少。
实施例1:
本实施例中采用的鳌合树脂官能团为氨基磷酸型,树脂柱内径25mm,填装树脂体积为200mL,交换速度为2倍床速,使用盐酸进行再生。
本实施例采用如图2所示三隔室BPED,膜片排列方式为阳电极-阳极室-[双极膜-酸室-阳离子交换膜-盐室-阳离子交换膜-碱室-双极膜]n-阴极室-阴电极,重复单元数n为10。膜堆中阳电极与阴电极材料为钛涂钌铱,每个膜堆单元中相邻离子交换膜之间的隔室包括酸室、盐室和碱室,由带有流道的格网的垫片构成。
取300g VC-Na固体于1.0L纯水中,通过鳌合树脂柱,鳌合树脂柱产水经过ICP测量表明其中钙、镁离子总含量<1ppm,铁离子含量<0.1ppm。
三隔室BPED系统阴极室和阳极室串联在一起,通入500mL 1mol/L NaOH水溶液作为强电解液,酸室通入500mL螯合树脂柱产水,碱室中通入500mL纯水,盐室通入500mL纯水。电渗析过程中膜堆电压设置为35V,电流密度上限设置为800A/m2。电渗析过程中监控酸室pH值,同时滴定碱室氢氧化钠浓度,运行至酸室pH下降至1.5以下停止电渗析,得到450mLVC溶液(VC-Na转化率高达97.5%)、540mL 1.49mol/L氢氧化钠溶液(VC-Na含量为的0.25%)和510mL 1.2%稀VC-Na溶液,综合酸室、盐室VC回收率达到99%以上。
实施例2:
本实施例所用的鳌合树脂及双极膜电渗析装置同实施例1。
取125g VC-Na固体于500mL实施例1盐室产出1.2%VC-Na溶液中,通过鳌合树脂柱,鳌合树脂柱产水经过ICP测量表明其中钙、镁离子总含量<1ppm,铁离子含量<0.1ppm。三隔室BPED系统阴极室和阳极室串联在一起,通入500mL 1mol/L NaOH水溶液作为强电解液,酸室通入500mL螯合树脂柱产水,碱室中通入500mL纯水,盐室通入500mL纯水。电渗析过程中膜堆电压设置为35V,电流密度上限设置为800A/m2。电渗析过程中监控酸室pH值,同时滴定碱室氢氧化钠浓度,运行至酸室pH下降至1.5以下停止电渗析,得到450mL VC水溶液(VC-Na转化率高达97.8%)、540mL 1.20mol/L氢氧化钠溶液(VC-Na含量为0.20%)和510mL1.0%稀VC-Na溶液,综合酸室、盐室VC回收率达到99%以上。
以上所述的具体实施方式用来解释说明本发明,仅为本发明的较佳方案,并非对本发明作任何形式上的限制,在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下,对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等,都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种改进的膜法制备维生素C的清洁工艺,其特征在于按如下步骤进行:
S1:利用VC-Na固体与工艺后段回流的稀VC-Na溶液和稀VC溶液混合配置,得到VC-Na水溶液;
S2:将S1所得VC-Na水溶液采用鳌合树脂吸附工艺处理,去除二价以及二价以上金属离子;
S3:将S2得到的VC-Na水溶液通入双极膜电渗析系统的酸室,并向盐室和碱室中通入稀碱液或纯水,通过双极膜电渗析处理后,从酸室、盐室、碱室中分别得到VC水溶液、稀VC-Na溶液、氢氧化钠溶液,将得到的所述稀VC-Na溶液重新回流至S1中用于配置VC-Na水溶液;
所述双极膜电渗析系统中,单个膜堆单元的膜片排列顺序为BP膜、阳膜、阳膜、BP膜,从正极一侧开始三个隔室依次为酸室、盐室、碱室;
S4 将S3得到的所述VC水溶液经过浓缩结晶,得到VC干品与稀VC溶液,将得到的所述稀VC溶液重新回流至S1中用于配置VC-Na水溶液。
2.如权利要求1所述改进的膜法制备维生素C的清洁工艺,其特征在于:所述步骤S1中,鳌合树脂选用官能团为氨基磷酸型或亚氨基二乙酸型螯合树脂。
3. 如权利要求1所述改进的膜法制备维生素C的清洁工艺,其特征在于:所述步骤S1中,鳌合树脂处理后的VC-Na溶液出水水质满足:SS<1 mg/L,钙、镁离子总含量< 1 ppm,铁离子含量< 0.1 ppm。
4.如权利要求1所述改进的膜法制备维生素C的清洁工艺,其特征在于:所述双极膜电渗析系统中,设有多个膜堆单元。
5. 如权利要求1所述改进的膜法制备维生素C的清洁工艺,其特征在于:所述双极膜电渗析系统中,VC-Na转化率为97%以上,氢氧化钠溶液中透过的VC-Na含量小于1 %;NaOH产水浓度为4~8 wt %。
6.如权利要求1所述改进的膜法制备维生素C的清洁工艺,其特征在于:所述双极膜电渗析系统采用平板式结构。
7.如权利要求1所述改进的膜法制备维生素C的清洁工艺,其特征在于:所述双极膜电渗析系统的膜基材选自PVC、PEEK、PES、PS中的一种或几种。
8. 如权利要求1所述改进的膜法制备维生素C的清洁工艺,其特征在于:所述双极膜电渗析系统酸室的进水中,VC-Na溶液的质量分数控制在25~30%,碱室和盐室进水通入纯水或0.04~0.4 wt%的氢氧化钠溶液。
9. 如权利要求1所述改进的膜法制备维生素C的清洁工艺,其特征在于:所述双极膜电渗析系统酸室的酸室出水中,VC水溶液的pH控制在1~2之间,氢氧化钠溶液浓度控制在4~8wt%之间。
10.如权利要求1所述改进的膜法制备维生素C的清洁工艺,其特征在于:所述双极膜电渗析系统中,进水水温低于40℃。
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