陶瓷膜過濾乳酸發(fā)酵液的應(yīng)用試驗(yàn)

姜建友，張綱領(lǐng)，顧永華，張亞輝，范小輝，唐小玲

（河南金丹乳酸科技股份有限公司，河南 鄲城 477150）

乳酸是采用微生物發(fā)酵精制而成的一種重要有機(jī)酸，其發(fā)酵成熟料液 （乳酸發(fā)酵液）的成分較為復(fù)雜，除乳酸鈣外，發(fā)酵液中還包括菌體、殘?zhí)恰⑺苄缘鞍住⑸亍⒂袡C(jī)雜酸、無機(jī)鹽等多種雜質(zhì)［1］。這些雜質(zhì)主要來源于發(fā)酵過程未完全消耗的營養(yǎng)和中間副產(chǎn)物。目前乳酸提取過程中，乳酸發(fā)酵液的初步處理方法主要采用的是堿化絮凝法［2］，即發(fā)酵結(jié)束后的料液，先經(jīng)過加堿調(diào)pH至11，放置約半小時再添加絮凝劑進(jìn)行絮凝沉降，工業(yè)生產(chǎn)中，具有耗堿量大、時間長等缺點(diǎn)。為響應(yīng)節(jié)能環(huán)保和提高生產(chǎn)效率的要求，研發(fā)更為經(jīng)濟(jì)、有效的乳酸發(fā)酵液處理技術(shù)，已成為乳酸生產(chǎn)企業(yè)的迫切需求。陶瓷膜過濾屬于微濾過程［3-4］，以壓力差為驅(qū)動力，對雜質(zhì)進(jìn)行截留，能有效去除乳酸發(fā)酵液中的固體雜質(zhì)，具有節(jié)能環(huán)保、自動化程度和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。同時，陶瓷膜清洗工藝已經(jīng)較為通用，再生性好且清洗效果的重復(fù)性較好，通過再生處理，膜通量一般能恢復(fù)至初始通量，而且能不斷重復(fù)使用［5］。本文對陶瓷膜過濾乳酸發(fā)酵液進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)，對新工藝替代傳統(tǒng)堿化絮凝工藝的可行性進(jìn)行了研究。

1 材料與方法

1.1 材料

乳酸發(fā)酵液［6］：河南省乳酸工程技術(shù)研究中心提供。

陶瓷膜：三達(dá)膜科技 （廈門）有限公司設(shè)計生產(chǎn)的陶瓷微濾膜裝置。

1.2 方法

1）堿化：乳酸發(fā)酵液加熱至70℃，加25%氫氧化鈣，調(diào)pH至11，攪拌30min。

2）絮凝：按體積比0.5%加入絮凝劑，0.6%比例加入硫酸鎂，攪拌均勻后，95℃保溫靜置沉淀2h，板框過濾。

3）陶瓷膜過濾：孔徑50nm，過濾溫度70℃，操作壓力0.2 MPa。向陶瓷膜過濾裝置的進(jìn)料斗中加入乳酸發(fā)酵液，循環(huán)2～3min，開始計時過濾，收集濾液。

1.3 分析方法

1）透光度的測定：取一定量的樣品，用分光光度計在420nm波長下進(jìn)行測定。

2）色度的測定：采用GB2023-2003中的色度測定方法。

3）固形物含量：取10mL待測樣置于已稱重的干燥表面皿中，稱重后105℃烘箱中烘至恒重，稱重并計算，烘干后樣品質(zhì)量與烘干前樣品質(zhì)量的百分比值，既是樣品的固形物含量，單位%。

4）乳酸鈣收率測定：乳酸發(fā)酵液過濾后乳酸鈣總量與過濾前乳酸鈣總量的百分比值。

2 結(jié)果與討論

2.1 陶瓷膜過濾與傳統(tǒng)堿化絮凝處理的乳酸發(fā)酵液透光度變化

乳酸發(fā)酵液透光度［7］反應(yīng)了該料液過濾后的澄清程度，是考察乳酸發(fā)酵性能的關(guān)鍵點(diǎn)，同時也是乳酸提取環(huán)節(jié)的關(guān)鍵性檢測指標(biāo)，對乳酸發(fā)酵和提取具有重要意義。傳統(tǒng)乳酸發(fā)酵成熟料過濾，是先堿化、絮凝再板框過濾，試驗(yàn)采用陶瓷膜直接過濾與傳統(tǒng)堿化絮凝再板框過濾乳酸發(fā)酵液的料液透光度變化情況，比較透光度在過濾前后料液的澄清程度，結(jié)果見圖1。

圖1 堿化絮凝與陶瓷膜過濾乳酸發(fā)酵液的透光度變化

乳酸發(fā)酵液經(jīng)過堿化絮凝處理后，透光度明顯下降，這主要是發(fā)酵液中的可溶性蛋白遇堿變性析出的結(jié)果。經(jīng)過堿化絮凝處理的發(fā)酵液透光度71.2%。而采用陶瓷膜直接過濾，料液透光度達(dá)到81.5%，陶瓷膜較堿化絮凝處理的料液透光度提高了14.4%，并且節(jié)省了傳統(tǒng)堿化和絮凝工序。因此，陶瓷膜過濾乳酸發(fā)酵液的透光度顯著優(yōu)于傳統(tǒng)堿化絮凝工藝。

2.2 陶瓷膜過濾乳酸發(fā)酵液的膜通量隨時間的變化

由于乳酸發(fā)酵液成分較為復(fù)雜，采用陶瓷膜過濾時膜通量通常在前期較快衰減，考察乳酸發(fā)酵液采用陶瓷膜過濾，和經(jīng)過堿化絮凝處理再進(jìn)行過濾時膜通量的變化，以判定采用陶瓷膜過濾時，乳酸發(fā)酵液的堿化絮凝工序必要性。采用不同pH堿化絮凝處理乳酸發(fā)酵液，再經(jīng)過陶瓷膜過濾，對比膜通量隨時間的變化關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 陶瓷膜過濾乳酸發(fā)酵液的膜通量隨時間的變化

圖2中發(fā)酵液A為經(jīng)堿調(diào)pH至 （10.5～11.0）放置半小時進(jìn)行絮凝的料液，發(fā)酵液B為經(jīng)堿調(diào)pH至 （9.5～10.0）放置半小時進(jìn)行絮凝的料液，發(fā)酵液C為經(jīng)堿調(diào)pH至 （8.5～9.0）放置半小時進(jìn)行絮凝的料液，發(fā)酵液D是未經(jīng)堿化絮凝處理的料液 （pH為6.0～6.2）。由圖2可知，在陶瓷膜過濾的前10 min內(nèi)，四種發(fā)酵液過濾的膜通量均急劇下降，伴隨著膜過濾時間延長，通量下降幅度減少，且逐漸穩(wěn)定，四種發(fā)酵料液膜通量均值相差不大。因此，乳酸發(fā)酵液是否進(jìn)行堿化絮凝工序，對采用陶瓷膜過濾的膜通量基本無影響。

2.3 陶瓷膜過濾乳酸發(fā)酵液對乳酸收率的影響

目前我國乳酸發(fā)酵仍以鈣鹽法為主，發(fā)酵結(jié)束后的料液主要成分是乳酸鈣，再經(jīng)堿化、絮凝、過濾、酸解和離交等工序得到乳酸溶液。試驗(yàn)比較陶瓷膜過濾乳酸發(fā)酵液與傳統(tǒng)堿化絮凝工藝對乳酸收率 （僅對比該過程乳酸收率，以乳酸鈣含量計算）的影響，分別檢測乳酸發(fā)酵液通過陶瓷膜過濾和堿化絮凝工藝前后的乳酸鈣總量和質(zhì)量，計算出乳酸鈣收率，結(jié)果見表1。

表1 陶瓷膜過濾和堿化絮凝板框過濾乳酸發(fā)酵液的主要指標(biāo)對比

由試驗(yàn)結(jié)果可知，陶瓷膜過濾和堿化絮凝工藝的收率均能達(dá)到90%，幾乎沒有顯著性差異。陶瓷膜過濾的料液透光度、固形物含量、色度優(yōu)于堿化絮凝工藝，且效率高，料液中其它雜質(zhì)離子含量通過離子交換工藝去除。因此，乳酸發(fā)酵液采用陶瓷膜過濾工藝替代傳統(tǒng)堿化絮凝工藝是完全可行的。采用陶瓷膜過濾不但可以獲得性質(zhì)合格的濾液，同時發(fā)酵料液無需堿化和絮凝處理，利于環(huán)保和提高生產(chǎn)效率，是一個較優(yōu)的乳酸提取工藝。同時，經(jīng)陶瓷膜過濾后的濃縮液還可以加助濾劑進(jìn)行板框過濾提取菌體蛋白，更是能創(chuàng)收新效益。

3 結(jié)論

采用陶瓷膜過濾乳酸發(fā)酵液可提高澄清效果，利于環(huán)保和提高生產(chǎn)效率，是一種穩(wěn)定、環(huán)保節(jié)能、運(yùn)行成本低、自動化程度和效率較高的新工藝。本論文針對傳統(tǒng)乳酸提取工藝，將陶瓷膜過濾手段引入到乳酸的提取中，將乳酸發(fā)酵液直接通過陶瓷膜過濾，替代原工藝中的堿化與絮凝步驟，能大幅度縮短提取時間，簡化提取步驟，為乳酸工業(yè)化生產(chǎn)提供一個優(yōu)良的提取工藝。