陶瓷膜過濾乳酸發酵液的應用試驗

姜建友，張綱領，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酵精制而成的一種重要有機酸，其發酵成熟料液 （乳酸發酵液）的成分較為復雜，除乳酸鈣外，發酵液中還包括菌體、殘糖、水溶性蛋白、色素、有機雜酸、無機鹽等多種雜質［1］。這些雜質主要來源于發酵過程未完全消耗的營養和中間副產物。目前乳酸提取過程中，乳酸發酵液的初步處理方法主要采用的是堿化絮凝法［2］，即發酵結束后的料液，先經過加堿調pH至11，放置約半小時再添加絮凝劑進行絮凝沉降，工業生產中，具有耗堿量大、時間長等缺點。為響應節能環保和提高生產效率的要求，研發更為經濟、有效的乳酸發酵液處理技術，已成為乳酸生產企業的迫切需求。陶瓷膜過濾屬于微濾過程［3-4］，以壓力差為驅動力，對雜質進行截留，能有效去除乳酸發酵液中的固體雜質，具有節能環保、自動化程度和生產效率高等優點。同時，陶瓷膜清洗工藝已經較為通用，再生性好且清洗效果的重復性較好，通過再生處理，膜通量一般能恢復至初始通量，而且能不斷重復使用［5］。本文對陶瓷膜過濾乳酸發酵液進行了應用試驗，對新工藝替代傳統堿化絮凝工藝的可行性進行了研究。

1 材料與方法

1.1 材料

乳酸發酵液［6］：河南省乳酸工程技術研究中心提供。

陶瓷膜：三達膜科技 （廈門）有限公司設計生產的陶瓷微濾膜裝置。

1.2 方法

1）堿化：乳酸發酵液加熱至70℃，加25%氫氧化鈣，調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料斗中加入乳酸發酵液，循環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，烘干后樣品質量與烘干前樣品質量的百分比值，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 結果與討論

2.1 陶瓷膜過濾與傳統堿化絮凝處理的乳酸發酵液透光度變化

乳酸發酵液透光度［7］反應了該料液過濾后的澄清程度，是考察乳酸發酵性能的關鍵點，同時也是乳酸提取環節的關鍵性檢測指標，對乳酸發酵和提取具有重要意義。傳統乳酸發酵成熟料過濾，是先堿化、絮凝再板框過濾，試驗采用陶瓷膜直接過濾與傳統堿化絮凝再板框過濾乳酸發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，結果見圖1。

圖1 堿化絮凝與陶瓷膜過濾乳酸發酵液的透光度變化

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

2.2 陶瓷膜過濾乳酸發酵液的膜通量隨時間的變化

由于乳酸發酵液成分較為復雜，采用陶瓷膜過濾時膜通量通常在前期較快衰減，考察乳酸發酵液采用陶瓷膜過濾，和經過堿化絮凝處理再進行過濾時膜通量的變化，以判定采用陶瓷膜過濾時，乳酸發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酵液，再經過陶瓷膜過濾，對比膜通量隨時間的變化關系，試驗結果見圖2。

圖2 陶瓷膜過濾乳酸發酵液的膜通量隨時間的變化

圖2中發酵液A為經堿調pH至 （10.5～11.0）放置半小時進行絮凝的料液，發酵液B為經堿調pH至 （9.5～10.0）放置半小時進行絮凝的料液，發酵液C為經堿調pH至 （8.5～9.0）放置半小時進行絮凝的料液，發酵液D是未經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，四種發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，且逐漸穩定，四種發酵料液膜通量均值相差不大。因此，乳酸發酵液是否進行堿化絮凝工序，對采用陶瓷膜過濾的膜通量基本無影響。

2.3 陶瓷膜過濾乳酸發酵液對乳酸收率的影響

目前我國乳酸發酵仍以鈣鹽法為主，發酵結束后的料液主要成分是乳酸鈣，再經堿化、絮凝、過濾、酸解和離交等工序得到乳酸溶液。試驗比較陶瓷膜過濾乳酸發酵液與傳統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量，計算出乳酸鈣收率，結果見表1。

表1 陶瓷膜過濾和堿化絮凝板框過濾乳酸發酵液的主要指標對比

由試驗結果可知，陶瓷膜過濾和堿化絮凝工藝的收率均能達到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、色度優于堿化絮凝工藝，且效率高，料液中其它雜質離子含量通過離子交換工藝去除。因此，乳酸發酵液采用陶瓷膜過濾工藝替代傳統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合格的濾液，同時發酵料液無需堿化和絮凝處理，利于環保和提高生產效率，是一個較優的乳酸提取工藝。同時，經陶瓷膜過濾后的濃縮液還可以加助濾劑進行板框過濾提取菌體蛋白，更是能創收新效益。

3 結論

采用陶瓷膜過濾乳酸發酵液可提高澄清效果，利于環保和提高生產效率，是一種穩定、環保節能、運行成本低、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，為乳酸工業化生產提供一個優良的提取工藝。