乳酸純化連續離交系統及工藝優化研究

舒 怡

（羅門哈斯電子材料（上海）有限公司，上海）

引言

乳酸包含L- 乳酸和D- 乳酸，通常指L- 乳酸，廣泛應用于人們的日常生活和工業生產。國內乳酸工業化時間短，年總產能約20 萬t[1]，乳酸的生產工藝和裝備水平還有待改進和完善，目前工藝及純化技術得到了越來越多的關注，先進的產品及技術不斷涌入。

1 乳酸生產及純化

1.1 乳酸生產工藝

乳酸的工業生產有化學合成法和生物發酵法。目前市場上所消耗的乳酸主要由發酵法生產。

乳酸發酵液酸化、過濾得到粗品乳酸[2]。粗品乳酸含有多種雜質，通過純化得到干凈的乳酸。

1.2 乳酸純化原理

乳酸純化包含沉淀法、分子精餾法、離子交換法等，通常采用幾種方法結合的工藝進行乳酸提純。目前主流的工藝為：乳酸溶液經脫色、離子交換、納濾膜后，再經分子精餾獲得高純乳酸。乳酸生產簡要流程見圖1。

圖1 乳酸生產簡要流程

離子交換樹脂作為除雜的重要步驟，主要用來脫除乳酸中的陽離子、陰離子及色素、有機酸等雜質。雜質與樹脂發生的交換或吸附是可逆反應，樹脂經再生后重復使用。

傳統的固定床間歇布局缺點如下：旋轉木馬布局，設備及樹脂利用低；占地大，樹脂耗量多；再生劑及水耗大；廢水多；乳酸損失多。

2 樹脂的分類、選擇及性能

2.1 離子交換樹脂的分類

離子交換樹脂是一類帶有功能基團的具有空間網狀結構的聚合高分子化合物。

按功能團分類，離子交換樹脂有陽、陰樹脂和其它[3]。按合成單體分，為苯乙烯、丙烯酸、酚醛系等。按合成方法分，為凝膠和大孔型樹脂[4]。

2.2 離子交換樹脂的選擇

樹脂對各種離子親和力不同，稱為離子選擇性，它是影響離子交換的重要因素，可根據離子選擇系數作為選型依據。

由于乳酸濃度高，菌絲、蛋白多，疊加成品乳酸的品質要求高，通常選擇對陽離子尤其是Na+選擇性及脫除率高的高容量陽樹脂AMBERLITETMFPC23UPS H 及強度高、抗污染能力強的丙烯酸陰樹脂AMBERLITETMFPA55 純化乳酸溶液。

2.3 離子交換樹脂的性能

離子交換樹脂選擇性吸附分離廣泛應用在氨基酸、有機酸、糖類等的提取，利用離子交換或吸附實現分離純化的過程。

3 乳酸純化連續離交系統設計

本文旨在將高效的連續離交系統及高交換容量的均粒強酸陽樹脂AMBERLITETMFPC23UPS H、抗污染能力及強度高的弱堿陰樹脂AMBERLITETMFPA55 引入乳酸脫鹽以提升效率。

3.1 實驗材料與方法

3.1.1 實驗材料與儀器

乳酸：某乳酸工業裝置離交進料取樣。

樹脂：杜邦公司AMBERLITETMFPC23UPS H、AMBERLITETMFPA55。

夾套離子交換柱：網上定制玻璃柱。

蠕動泵：保定蘭格泵。

電導率儀：梅特勒。

ICP：電感耦合等離子光譜發生儀。

3.1.2 實驗方法

取AMBERLITETMFPC23UPS H 及AMBERLITETMFPA55 各200 ml，置于兩個燒杯中，分別用2 倍5%鹽酸及4%氫氧化鈉各浸泡2 h，再用脫鹽水洗凈。

準確量取100 ml 預處理后的陽、陰樹脂，分別置于交換柱中，接入35 ℃的循環水，以每小時4 倍樹脂體積量的流速向柱內泵入純水淋洗樹脂，待進、出水質相當止。陽先陰后串聯交換柱。乳酸經陽樹脂再陰樹脂泵出，流速為3 BV/h，每小時收集出料檢測Fe3+、、Cl-，計算陽、陰樹脂的處理能力。

3.1.3 分析方法

乳酸含量：酸、堿滴定法。

陽離子測定：配制各離子的標準溶液，繪制標準曲線，再測定待測液中相應的離子。

陰離子測定：離子色譜儀。

3.2 參數驗證

3.2.1 乳酸進料概況

試驗用乳酸組成見表1。

表1 工業化生產裝置中乳酸取樣的組成分析

3.2.2 樹脂性能規格

（1）AMBERLITETMFPC23UPS H

骨架為苯乙烯- 二乙烯基苯共聚物；功能團為磺酸；出廠離子型態為H+型；體積全交換容量≥2.2eq/l；均一系數≤1.1。

（2）AMBERLITETMFPA55

骨架為丙烯酸- 二乙烯基苯共聚物；功能團為叔胺基；出廠離子型態為游離堿型；體積全交換容量≥1.60eq/l；含水量在56%～64%之間。

3.2.3 實驗布局

試驗乳酸進料流速為3 BV/h。

工業離交布局為陽→陰→陽→陰兩級運行，樹脂的處理能力以第一級計，因此本試驗僅測試陽陰單級樹脂的處理量。

3.2.4 樹脂裝填量及走料量

布局為陽、陰樹脂串聯，樹脂裝填量均為100 ml，乳酸濃度為17%，流速3 BV/h，流經陽陰樹脂，出料陰離子結果見表2。

表2 乳酸經AMBERLITETM FPC23UPS H→AMBERLITETM FPA55 出料陰離子結果

單周期可處理料液量為樹脂體積的24 倍。

3.2.5 切柱時間

陽陰樹脂處理量為24 倍，流速為3 BV/h，則每8 h 再生一根柱。

3.2.6 樹脂再生

強酸陽樹脂常用6%～8%鹽酸再生，耗量約為1.3倍，弱堿陰樹脂常用4%氫氧化鈉再生，耗量約為2倍，需結合進料雜質優化耗量。

陽樹脂再生及淋洗較陰樹脂更快捷，這里僅展示AMBERLITETMFPA55 的再生及淋洗數據。見圖2。

圖2 AMBERLITETM FPA55 經由4%NaOH 再生趨勢

樹脂吸附飽和后，經4%氫氧化鈉再生，進堿1.8倍時，pH 突躍，表明堿液耗量為1.8 倍。

淋洗水耗為4 BV 時出水電導率為100 us/cm、pH 為10，表明該樹脂淋洗性能優異。見圖3。

圖3 AMBERLITETM FPA55 經由4%NaOH 再生后純水淋洗趨勢

3.3 運行程序

陽陰樹脂單級串聯，乳酸濃度為17%，流速3 BV/h，溫度35 ℃，周期走料24 BV，8 h 切一根柱，再生進酸、堿各1 h。陽樹脂再生劑耗量約為8%鹽酸溶液1.3 BV，水耗約為3 BV。陰樹脂再生劑耗量為4%氫氧化鈉溶液2 BV，水耗約為4.5 BV。

4 乳酸純化工業生產

傳統的乳酸脫鹽為兩級陽陰樹脂固定床串聯[5]，效率低，考慮將高效的連續離交引入乳酸工業化生產。

年產6 萬t 80%乳酸，而離交的乳酸濃度為18%，以年產330 天*24 小時計，則每小時稀乳酸量為29 m3/h（80%的成品乳酸密度為1.19 g/ml，18%的為1.03 g/ml）。

4.1 工藝布局

常用的連續離交系統包含轉盤及閥陣式。轉盤式連續離交由多路閥控制，常見的包含20 或30 個端口，形式單一，對于規模較大的裝置，多路閥式可能會存在系統不夠或富余投資高的弊端。閥陣式連續離交則由一定數量的單一閥體聯動實現自動控制，配置靈活多樣，柱數可根據規模及參數隨機調配。

6 萬t 年產規模考慮陽陰均采用24 柱閥陣連續離交。以陰樹脂為例，布局為：6 柱并聯一級進料，6 柱并聯二級進料，一、二級串聯，3 柱串聯置換乳酸，1 柱反洗，4 柱串聯進堿再生，4 柱串聯純水淋洗。陽樹脂與此同。

4.2 工藝參數

工業生產為確保脫鹽效果，考慮延長切柱時間，將進料流速設計為2.5 BV/h。按30%的富余設計，則單柱樹脂量及陽、陰樹脂總量為：

單柱陽或陰樹脂裝填量2.5 m3/柱。

陽樹脂總量為60 m3。

陰樹脂總量為60 m3。

陽陰單級處理24 倍乳酸，因此切柱時間為1.6 h。

陰樹脂運行溫度為35 ℃，陽樹脂略高于此。

陽樹脂再生劑為8%鹽酸，耗量為85 g 100%鹽酸/L樹脂。

陰樹脂再生劑為4%氫氧化鈉，耗量為70 g 100%氫氧化鈉/L樹脂。

乳酸進料及水流速均采用2.5 BV/h。

4.3 運行過程控制

乳酸脫鹽連續離交系統采用自動控制，即設定每一步的切柱時間為1.6 h 后，每個區分別從事進料、乳酸置換、反洗、再生、純水置換等，同時關注乳酸進料波動、二級陽、陰出料Fe3+、、Cl-含量，保障出料合格。

4.4 物料品質與經濟效益

4.4.1 物料品質

80%乳酸成品要求Fe3+≤5 ppm，≤50 ppm，Cl-≤20 ppm，18%乳酸要求Fe3+≤1 ppm，≤10 ppm，Cl-≤4 ppm。

乳酸連續離交工業系統數據節選見表3。

表3 工業乳酸連續離交系統出料指標節選

數據顯示工業化連續離交出料指標完全合格，且優異的成品使得該企業成功成為下游聚乳酸企業的供應商。

4.4.2 經濟效益

連續離交引入乳酸工業化生產，樹脂總量由280 m3降為120 m3，下降50%以上。

連續離交系統每噸乳酸成品的酸、堿耗較固定床降低30%，由固定床的噸耗20 kg 100%HCl、16 kg 100% NaOH 降為14 kg 100% HCl、11 kg 100%NaOH，水耗及廢水量僅為固定床的1/3。

5 結論

連續離交系統及高交換容量的均粒強酸陽樹脂AMBERLITETMFPC23UPS H 及強度高、抗污染能力強的弱堿陰樹脂AMBERLITETMFPA55 的使用，使得乳酸脫灰體現了極大的經濟優勢，保證了成品乳酸的品質，成功成為聚乳酸企業的供應商，保障了崛起的聚乳酸產業的優勢地位。此外，連續離交及優異樹脂的引入，使得乳酸脫鹽極具競爭性，即酸、堿耗量較固定床下降30%，水耗下降60%，廢水量僅為固定床的1/3。更重要的是，該套連續離交的成功應用，為連續離交在乳酸應用上的推廣提供了極好的參考，也為乳酸離交的革新邁出了里程碑的一步。