发酵过程与双极膜电渗析的集成操作*——介绍一个分离与反应技术一体化的化学工程实验

冯红艳 徐铜文 王晓林 杨伟华

(中国科学技术大学化学实验教学中心 安徽合肥 230026)

发酵过程与双极膜电渗析的集成操作*
——介绍一个分离与反应技术一体化的化学工程实验

冯红艳 徐铜文 王晓林 杨伟华

(中国科学技术大学化学实验教学中心 安徽合肥 230026)

介绍一个分离与反应技术一体化的化学工程实验，实验中需进行发酵过程与双极膜电渗析过程的集成操作，可使学生在了解分离与反应技术一体化基本理论的基础上，改变传统的化学工程反应观念，激发对新型化学工程学科的学习兴趣。

双极膜电渗析 本科教学 集成实验

中国科学技术大学化学实验中心设有专门的综合应用实验室，鼓励实验师队伍中的教师在科研工作的基础上，积极将科研成果转化到实验教学中。化工基础实验课程内容建设也在这方面做了一些尝试[1-2]。本文推荐一个分离与反应技术一体化的化学工程实验，实验内容来源于在读博士生的科研工作[3-4]。

传统的化工反应包括两步：一是反应物完全在反应器中混合反应；二是利用传统单元操作分离产物，分离费用占投资成本的一半以上。新型化工生产追求过程的集成性和高效性，尽可能减少原料或产品的周转过程。因此发展了不少先进的分离技术和反应技术，如：酶膜反应器、分子蒸馏技术、分子印迹技术、仿生催化技术、外场分离技术、动态反应操作技术、超临界流体反应(分离)技术、双极膜电渗析技术等。如果从过程的综合效应(如放大效应、能耗等)来看，双极膜电渗析技术[5]是一种最简单的反应-分离技术，是化学工程学科发展的新增长点。

双极膜电渗析技术的应用领域涉及食品加工、化学品合成、医药生产和环境保护等方面，其中将生物发酵过程和双极膜电渗析集成是化学工程学科较为前沿的科研内容。本文介绍的实验以乳酸的发酵及产品分离为对象，涉及发酵过程和双极膜电渗析技术的集成操作，打造了一个反应与分离技术一体化的化学工程实验。集成实验用到的关键的仪器设备为发酵罐和明道式电渗析膜堆，实验设备价值约7万元。设备简单容易获得，易于在其他高校的实验室推广。集成实验的内容既可作为研究型的实验内容也可以作为单元操作内容用于本科实验教学。最佳实验条件下的一次集成操作实验的建议学时为8学时，适合在传统授课模式下进行；若作为研究型实验则实验周期比较长，适合在三学期制的研究型实验课程中进行授课。本文的实验部分按长学时的研究型实验进行介绍。

1 实验目的

1) 了解发酵过程与双极膜电渗析集成的基本理论。

2) 熟悉发酵罐与双极膜电渗析的基本操作。

3) 研究发酵过程与双极膜电渗析集成操作的最佳条件。

2 实验原理

在发酵生产乳酸的过程中，乳酸的不断产生会造成发酵液的pH不断下降。pH过低会影响发酵液中乳酸菌种的活性，甚至造成乳酸菌种死亡，直接影响发酵过程的效率。传统的乳酸提取工艺如图1左图所示，是在发酵液中投加生石灰或碳酸钙来中和产生的乳酸，以维持发酵液的pH在中性范围。由于发酵液中加入的生石灰或碳酸钙会产生大量难以有效处理的硫酸钙副产物，不符合现代化学工业绿色化和环境化的理念。

图1 乳酸的提取工艺

乳酸发酵的现代生产工艺流程见图1右图，整个工艺流程包含了发酵、脱色、超滤、双极膜电渗析等过程。结合上述工艺流程，实验室相应开设出乳酸发酵实验、发酵液预处理——超滤和脱色实验、乳酸盐转化为乳酸——双极膜电渗析实验以及发酵过程与双极膜电渗析集成操作实验。本文重点介绍将发酵过程与双极膜电渗析进行集成操作的实验内容。对经过预处理的(脱色和超滤后的)发酵液进行双极膜电渗析，得到乳酸；同时将双极膜电渗析产生的碱用于发酵过程的pH调节。从而实现了在提取回收乳酸产品的同时，又能进行乳酸的发酵生产。实验中的乳酸发酵和双极膜电渗析是一个集成过程，而不是连续操作的过程。

双极膜电渗析的原理如图2所示。图2中的双极膜电渗析是用双极膜代替普通电渗析的部分阴、阳膜或者在普通电渗析的阴、阳膜之间加上双极膜构成的。双极膜电渗析的最基本应用是在反向偏向电压下产生水解离生成H+和OH-，分别与盐阴离子(X-)、盐阳离子(M+)结合生产酸(HX)和碱(MOH)。从而在集成操作的过程中，实现了在将乳酸盐转化为乳酸的同时，可以生成碱液(乳酸盐为MX，可以产生碱液MOH)。在提取乳酸的同时，将副产物(碱液MOH)返回至发酵过程，对发酵液进行pH调节，使副产物得到再次利用，从而实现了新型化工生产追求的过程集成性和高效性，并减少了原料或产品的周转过程。

图2 双极膜电渗析转化乳酸盐的原理示意

3 实验材料、仪器和试剂

3.1 实验试剂

乳酸发酵菌种：植物乳杆菌；发酵液500mL；电极室用水：0.3mol/L的Na2SO4溶液1000mL(阴极室和阳极室各500mL)；酸室和碱室为蒸馏水。发酵培养基每升含：蛋白胨10g、牛肉膏10g、酵母粉5g、葡萄糖50g、乙酸钠2g、柠檬酸二胺2g、吐温-80 1g、磷酸氢二钾2g、七水硫酸镁0.2g、一水硫酸锰0.05g。

3.2 实验仪器

恒温振荡器、高压蒸汽灭菌锅、发酵罐、干燥箱、电子天平、pH计、生物传感分析仪、分光光度计、冰柜。其他常规实验器皿：烧杯、量筒、玻璃棒、酒精灯、接种环、培养皿、移液管等。直流稳压电源；明道式电渗析膜堆一套，外配容量为1000mL的烧杯5只，硅胶管(约0.5m)10根；小型潜水泵5个。

按照图3，通过发酵罐控制主机箱上的蠕动泵，将双极膜电渗析的碱液隔室与发酵罐进行连接。为了降低发酵罐中染杂菌的风险，必须对连接的管子进行灭菌操作。发酵罐内由pH计进行实时监测，当pH低于设定值时，由蠕动泵自动将双极膜电渗析的碱液隔室中的碱液泵入发酵罐进行调节。由于软管内是强碱环境，故碱液室与发酵罐之间的连接管不需要进行灭菌操作。

图3 发酵过程与双极膜电渗析集成流程1 直流稳压电源；2 双极膜电渗析膜堆；3 阴极室；4 阳极室；5 乳酸生产隔室；6 料液室；7 碱液生产隔室；8 发酵罐控制主机箱；9 蠕动泵；10 发酵罐。

4 实验步骤

4.1 双极膜电渗析的准备

(1) 组装膜堆：按“阳极板—隔板—双极膜—隔板—阴膜—隔板—阳膜—隔板—双极膜—阴极板”顺序组装膜堆，用长螺杆钉压紧膜堆。为了确保装置的严密性，应使隔板之间的垫圈厚度不超过垫圈槽，并使双极膜的阳膜侧朝向阴极板。此外，在用螺钉压紧装置时，应注意均匀用力，以防止装置变形甚至断裂。

(2) 连接外围设备：在隔板出口分别连接出水管和进水管。将进水管与外置烧杯中的潜水泵出口连接，将出水管的出口端连接到烧杯中，以确保循环通路畅通。

(3) 注入料液和电极水：在盐室中注入料液，在极室中注入电极水，在酸室和碱室中注入蒸馏水，此过程应保证料液淹没潜水泵。

对于双极膜电渗析，应在实验结束后将各个隔室、烧杯和潜水泵内的料液或电解质溶液清洗干净。若长期不用，应将装置拆卸还原，并确保各组件干燥和清洁。

4.2 发酵过程的准备

(1) 种子培养基的培养:配制一定量的种子培养基，并在高压蒸汽灭菌锅中灭菌。灭菌条件为：121℃，20min。待培养基冷却至室温后，取新鲜斜面菌种，接入种子培养基中，在转速为150r/min的摇床中培养24h，温度恒定在37℃。

(2) 发酵罐灭菌:将配制好的发酵培养基加入到发酵罐中，此处应注意体积不能超过发酵罐总体积的2/3。然后将发酵罐和培养基一起放入灭菌锅中进行灭菌。

(3) 火焰接种法:先用医用酒精擦拭接种口；在火圈中加入酒精，点燃后套在接种口上；关小空气进气阀，调节进风，降低罐压，打开接种口盖；在火焰范围内打开种子培养基的瓶塞，在火焰上烧灼几秒钟后，迅速将种子液倒入发酵罐中；在火焰上烧灼接种口盖子数秒后，迅速盖好接种口盖，关闭空气进气阀。

(4) 发酵培养:接种结束后，对发酵培养过程的各项参数进行设定，开始培养。发酵过程中要打开冷凝器水阀。具体操作参数：转速为150r/min；温度为37℃；pH为6.7。

4.3 发酵罐与双极膜电渗析集成操作过程的监测

在集成操作过程中，要对发酵罐和双极膜电渗析同时进行监测，防止任一方出现问题导致集成操作失败。

发酵过程：① 通过发酵罐的主机控制发酵的pH条件、溶氧浓度和实验温度。每1h记录pH、温度和溶氧浓度，通过数据判断发酵过程是否正常；② 每4h测量残余葡萄糖的量、生物量和乳酸的生成量，以判断细菌的生长情况和乳酸的生成情况。

双极膜电渗析过程：① 双极膜电渗析过程调整稳压电源的电压和电流值来控制实验条件，每1h记录电压、电流。② 每4h测量酸室中的乳酸浓度、碱室浓度和碱室碱液体积。

5 分析方法

5.1 葡萄糖和乳酸的测量

在发酵过程中，要间断地取样进行监测。发酵液中含有有机酸盐、无机盐、菌丝体、蛋白质、脂肪和糖类等。双极膜电渗析过程的料液是经过超滤和脱色之后的发酵液，主要成分为有机酸盐(主要为乳酸盐)和无机盐类物质。实验中使用生物传感分析仪获得葡萄糖和乳酸含量。

5.2 生物量的测量

在发酵过程中，要及时监测乳酸菌的生长情况。取样后，用0.3mol/L的稀盐酸溶液稀释，目的是消除一些沉淀性盐的影响。在波长为600nm处，测量吸光度。

对于产酸量(Na)、产碱量(Nb)以及它们各自的电流效率(ηa和ηb)，可根据下面的公式[6]计算：

Na=(cat-ca0)×V

(1)

(2)

Nb=(cbt-cb0)×V

(3)

(4)

式中：ca0和cat为酸室中酸在通电时间为0和t时的浓度；cb0和cbt为碱室中碱在通电时间为0和t时的浓度；V为淡化室溶液体积；F为法拉第常数；I为操作电流；t为通电时间。

6 实验注意事项

(1) 发酵实验结束后，需要完成乳酸发酵液的初步提取工作。应及时向发酵罐中加入NaHCO3，使pH升高到10左右。同时升高温度至90℃，使菌体和其他悬浮物下沉。发酵原液澄清后，将上清液收集到塑料桶中，放入冰柜中保存并用于下一步的提纯。对澄清后的沉淀物集中进行处理。

(2) 在利用发酵罐控制主机进行发酵液pH调节时，要控制碱液的添加速度，以使碱液与发酵液充分混合反应，并确保发酵液的pH不被调节得过高而影响微生物生长。

(3) 如果装置发生泄漏，应尽快压紧装置；如果情况得不到改善，应拆卸装置、查找原因(或更换垫圈、或增加垫圈厚度等)。在实验完毕后，应将隔室、烧杯和潜水泵内的料液或电解质溶液清洗干净。若长期不用，应拆卸还原装置，并确保各组件干燥和清洁。

7 结语

本文介绍的发酵过程与双极膜电渗析的集成操作实验体现了化学工程学科发展的新方向。从实验教学的角度来讲，教师将适合的科研内容向实验教学内容进行转化，可使实验内容与学科前沿同步，做到科研与教学密切联合，相互促进；从实验教学的效果来看，通过在2012年夏季实验课程中的开展，有助于丰富学生知识结构，培养原创思想，提高科研素质；更重要的是能使学生改变传统的化学工程反应观念，激发对新型化学工程学科的学习兴趣。根据两年来的教学实践，我们认为发酵过程与双极膜电渗析的集成操作是一个值得推广的化学工程实验。

[1] 冯红艳,傅延勋,杨伟华,等.理科化工基础实验的新型化更为重要∥大学化学化工课程报告论坛论文集，北京:高等教育出版社,2012

[2] 傅延勋,杨伟华,徐铜文.大学化学,2008,23(1):8

[3] Wang X L,Wang Y M,Zhang X,etal.BioresourceTech,2013,147:442

[4] Wang X L,Wang Y M,Zhang X,etal.BioresourceTech,2012,125:165

[5] 徐铜文,黄川徽.离子交换膜的制备与应用技术.北京:化学工业出版社,2008

[6] 傅延勋,杨伟华,徐铜文,等.化学工程基础实验.合肥:中国科学技术大学出版社,2009

Integrated Operation Process for Fermentation and Bipolar Membrane Electrodialysis*

Feng Hongyan Xu Tongwen Wang Xiaolin Yang Weihua

(ChemistryExperimentTeachingCenter,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230026,Anhui,China)

A chemical engineering experiment integrating separation and reaction was introduced, including the integrated operation of fermentation and bipolar membrane electrodialysis. This experiment can help the students to learn the basic theory of separation and reaction integration, re-understand the traditional chemical engineering reaction concept, and stimulate their interest in learning new chemical engineering knowledge.

Bipolar membrane electrodialysis; Undergraduate teaching; Integrated experiment

O6-3；G64

安徽省重大教学改革项目(No.2013zytz003);安徽省教研项目(No.2012jyxm02);2013年度中国科学技术大学教研项目