陶瓷膜过滤乳酸发酵液的应用试验

姜建友，张纲领，顾永华，张亚辉，范小辉，唐小玲

（河南金丹乳酸科技股份有限公司，河南 郸城 477150）

乳酸是采用微生物发酵精制而成的一种重要有机酸，其发酵成熟料液 （乳酸发酵液）的成分较为复杂，除乳酸钙外，发酵液中还包括菌体、残糖、水溶性蛋白、色素、有机杂酸、无机盐等多种杂质［1］。这些杂质主要来源于发酵过程未完全消耗的营养和中间副产物。目前乳酸提取过程中，乳酸发酵液的初步处理方法主要采用的是碱化絮凝法［2］，即发酵结束后的料液，先经过加碱调pH至11，放置约半小时再添加絮凝剂进行絮凝沉降，工业生产中，具有耗碱量大、时间长等缺点。为响应节能环保和提高生产效率的要求，研发更为经济、有效的乳酸发酵液处理技术，已成为乳酸生产企业的迫切需求。陶瓷膜过滤属于微滤过程［3-4］，以压力差为驱动力，对杂质进行截留，能有效去除乳酸发酵液中的固体杂质，具有节能环保、自动化程度和生产效率高等优点。同时，陶瓷膜清洗工艺已经较为通用，再生性好且清洗效果的重复性较好，通过再生处理，膜通量一般能恢复至初始通量，而且能不断重复使用［5］。本文对陶瓷膜过滤乳酸发酵液进行了应用试验，对新工艺替代传统碱化絮凝工艺的可行性进行了研究。

1 材料与方法

1.1 材料

乳酸发酵液［6］：河南省乳酸工程技术研究中心提供。

陶瓷膜：三达膜科技 （厦门）有限公司设计生产的陶瓷微滤膜装置。

1.2 方法

1）碱化：乳酸发酵液加热至70℃，加25%氢氧化钙，调pH至11，搅拌30min。

2）絮凝：按体积比0.5%加入絮凝剂，0.6%比例加入硫酸镁，搅拌均匀后，95℃保温静置沉淀2h，板框过滤。

3）陶瓷膜过滤：孔径50nm，过滤温度70℃，操作压力0.2 MPa。向陶瓷膜过滤装置的进料斗中加入乳酸发酵液，循环2～3min，开始计时过滤，收集滤液。

1.3 分析方法

1）透光度的测定：取一定量的样品，用分光光度计在420nm波长下进行测定。

2）色度的测定：采用GB2023-2003中的色度测定方法。

3）固形物含量：取10mL待测样置于已称重的干燥表面皿中，称重后105℃烘箱中烘至恒重，称重并计算，烘干后样品质量与烘干前样品质量的百分比值，既是样品的固形物含量，单位%。

4）乳酸钙收率测定：乳酸发酵液过滤后乳酸钙总量与过滤前乳酸钙总量的百分比值。

2 结果与讨论

2.1 陶瓷膜过滤与传统碱化絮凝处理的乳酸发酵液透光度变化

乳酸发酵液透光度［7］反应了该料液过滤后的澄清程度，是考察乳酸发酵性能的关键点，同时也是乳酸提取环节的关键性检测指标，对乳酸发酵和提取具有重要意义。传统乳酸发酵成熟料过滤，是先碱化、絮凝再板框过滤，试验采用陶瓷膜直接过滤与传统碱化絮凝再板框过滤乳酸发酵液的料液透光度变化情况，比较透光度在过滤前后料液的澄清程度，结果见图1。

图1 碱化絮凝与陶瓷膜过滤乳酸发酵液的透光度变化

乳酸发酵液经过碱化絮凝处理后，透光度明显下降，这主要是发酵液中的可溶性蛋白遇碱变性析出的结果。经过碱化絮凝处理的发酵液透光度71.2%。而采用陶瓷膜直接过滤，料液透光度达到81.5%，陶瓷膜较碱化絮凝处理的料液透光度提高了14.4%，并且节省了传统碱化和絮凝工序。因此，陶瓷膜过滤乳酸发酵液的透光度显著优于传统碱化絮凝工艺。

2.2 陶瓷膜过滤乳酸发酵液的膜通量随时间的变化

由于乳酸发酵液成分较为复杂，采用陶瓷膜过滤时膜通量通常在前期较快衰减，考察乳酸发酵液采用陶瓷膜过滤，和经过碱化絮凝处理再进行过滤时膜通量的变化，以判定采用陶瓷膜过滤时，乳酸发酵液的碱化絮凝工序必要性。采用不同pH碱化絮凝处理乳酸发酵液，再经过陶瓷膜过滤，对比膜通量随时间的变化关系，试验结果见图2。

图2 陶瓷膜过滤乳酸发酵液的膜通量随时间的变化

图2中发酵液A为经碱调pH至 （10.5～11.0）放置半小时进行絮凝的料液，发酵液B为经碱调pH至 （9.5～10.0）放置半小时进行絮凝的料液，发酵液C为经碱调pH至 （8.5～9.0）放置半小时进行絮凝的料液，发酵液D是未经碱化絮凝处理的料液 （pH为6.0～6.2）。由图2可知，在陶瓷膜过滤的前10 min内，四种发酵液过滤的膜通量均急剧下降，伴随着膜过滤时间延长，通量下降幅度减少，且逐渐稳定，四种发酵料液膜通量均值相差不大。因此，乳酸发酵液是否进行碱化絮凝工序，对采用陶瓷膜过滤的膜通量基本无影响。

2.3 陶瓷膜过滤乳酸发酵液对乳酸收率的影响

目前我国乳酸发酵仍以钙盐法为主，发酵结束后的料液主要成分是乳酸钙，再经碱化、絮凝、过滤、酸解和离交等工序得到乳酸溶液。试验比较陶瓷膜过滤乳酸发酵液与传统碱化絮凝工艺对乳酸收率 （仅对比该过程乳酸收率，以乳酸钙含量计算）的影响，分别检测乳酸发酵液通过陶瓷膜过滤和碱化絮凝工艺前后的乳酸钙总量和质量，计算出乳酸钙收率，结果见表1。

表1 陶瓷膜过滤和碱化絮凝板框过滤乳酸发酵液的主要指标对比

由试验结果可知，陶瓷膜过滤和碱化絮凝工艺的收率均能达到90%，几乎没有显著性差异。陶瓷膜过滤的料液透光度、固形物含量、色度优于碱化絮凝工艺，且效率高，料液中其它杂质离子含量通过离子交换工艺去除。因此，乳酸发酵液采用陶瓷膜过滤工艺替代传统碱化絮凝工艺是完全可行的。采用陶瓷膜过滤不但可以获得性质合格的滤液，同时发酵料液无需碱化和絮凝处理，利于环保和提高生产效率，是一个较优的乳酸提取工艺。同时，经陶瓷膜过滤后的浓缩液还可以加助滤剂进行板框过滤提取菌体蛋白，更是能创收新效益。

3 结论

采用陶瓷膜过滤乳酸发酵液可提高澄清效果，利于环保和提高生产效率，是一种稳定、环保节能、运行成本低、自动化程度和效率较高的新工艺。本论文针对传统乳酸提取工艺，将陶瓷膜过滤手段引入到乳酸的提取中，将乳酸发酵液直接通过陶瓷膜过滤，替代原工艺中的碱化与絮凝步骤，能大幅度缩短提取时间，简化提取步骤，为乳酸工业化生产提供一个优良的提取工艺。