电渗析法回收并浓缩厨房垃圾发酵液中的乳酸

摘要：电渗析作为一种新的膜分离技术过去主要运用在苦咸水及海水脱盐上，现在已成功运用在从发酵液中浓缩回收有机酸上。本文尝试利用电渗析法从厨房垃圾发酵液中回收并浓缩乳酸，探讨了离子交换膜对乳酸的透过性和乳酸钠、乳酸铵对乳酸电渗析的影响。

关键词：电渗析；乳酸；离子交换膜；厨房垃圾

利用厨房垃圾有机物含量大、营养丰富的特点，从厨房垃圾发酵制取乳酸并用电渗析法从发酵液中提取乳酸，以此为原料进一步再合成为生物降解性塑料一聚乳酸（PLA），发酵后的残渣可做成高质量的肥料和饲料。该方法不仅可使城市垃圾达到减量化、无害化与资源化的目的，而且可解决“白色污染”的难题，具有重要的环境效益、社会效益及经济效益。

目前，我国从发酵液中分离提取乳酸的操作仍局限于连续化、自动化程度低，提取收率低，产品质量不高的方法。因此，如何完善和改革现有的提取工艺，寻求更为经济、有效的分离提取方法．以求提高产品的质量，产品的收率，降低生产成本，适应大规模生产的需要，已成为当前许多科技人员的研究方向。随着科学技术的飞速发展，许多新的分离技术相继出现，例如，溶剂萃取法、离子交换、吸附发酵法、酯化法或膜分离法等单一或复合手段用于乳酸的提纯方面的研究均取得了引人注目的进展。本文旨在应用电渗析法从厨房垃圾发酵液中提取乳酸，电渗析法是一种新兴的膜分离技术，电渗析提取乳酸省略了钙盐法发酵液浓缩、结晶和酸解三道工序，消除了厨房垃圾发酵过程中存在的严重的产物抑制效应，从而大大降低了劳动强度，减少环境污染，提高了产品收得率；并且有效分离发酵液中尚未转化的残糖，减少后续乳酸提纯及聚合过程中残糖的影响，提高聚乳酸的收率。本文研究了厨房垃圾的预处理过程，探讨了阴阳离子交换膜及乳酸盐对厨房垃圾发酵液电渗析的影响以及膜污染的处理，为以后厨房垃圾发酵电渗析生产乳酸提供了思路和方法。

1．厨房垃圾的预处理

由于厨房垃圾的组成成分复杂，杂质比较多，如不对它进行一定的预处理，电渗析时必然会造成膜的污染，引起膜通量明显下降，设备成本上升、产品质量下降等一系列问题，从而影响到电渗析的效果。解决这一问题的关键是对厨房垃圾进行预处理。在对厨房垃圾的组成成分进行充分的了解之后，选择了如下预处理步骤（如图1所示），对收集到的厨房垃圾进行粉碎、灭菌，然后接种乳酸菌发酵（发酵时用NH3或NaOH调节pH值使其保持在6～7，以适于乳酸菌的生长），再压榨过滤、离心分离除去其中的固体残渣，最后用真空超滤除去发酵液中的菌体及蛋白质、脂肪、凝胶等大分子物质，得到电渗析用的垃圾发酵液。

图1厨房垃圾预处理过程

2.电渗析回收乳酸的基本原理

渗析是指溶液中溶质透过半透膜的现象。自然渗析的推动力是半透膜两侧的浓度差。在直流电场的作用下，离子透过选择性离子交换膜的现象称为电渗析。电渗析法是在离子交换基础上发展起来的一种高效膜分离技术，分离的基本依据是离子在电场作用下的定向运动和离子交换膜的选择透过性。

电渗析分离浓缩乳酸的原理如图2所示，采用三室电渗析槽，以0.1mol/L浓度的稀硫酸作为阳极液，浓缩室（又称中间室）加入适当的电解质，预处理后的厨房垃圾发酵液作为阴极液通入阴极室（又称淡化室）。在直流电场的作用下，乳酸根离子(L-)透过阴膜迁移到浓缩室，而糖类、蛋白质及氨基酸等非电解质留在阴极室。阳极室中的H+透过阳膜也迁移到浓缩室，与乳酸根离子结合成乳酸，从而达到发酵液中分离浓乳酸的目的。

图2电渗析分离乳酸原理图(A:阴离子交换膜 C：阳离子交换膜）

厨房垃圾发酵电渗析生产乳酸这套系统主要由粉碎装置、发醉罐、电渗析装置、直流电源、微孔过滤装置、离心分离机、浓缩液贮存罐、循环泵、酸度计等组成。

3.实验结果与讨论

3.1电渗析膜、阳极室和浓缩室溶液的选择

采用小型两室电渗析器（阴极室中加入垃圾发酵液，阳极室中加入蒸馏水），在平均电流密度为2A/dm2条件下，分别用均相阴膜、异相阴膜进行电渗析。由浓室中乳酸浓度变化（如图3)可知异相阴膜比均相阴膜对乳酸根的透过性要好，因此，后面的实验都采用异相离子交换膜。

图3均相阴膜、异相阴膜对乳酸根透过性的比较

阳极室中的电解质溶液是传导电流进行电渗析的媒介，因此赏用的极水是强电解质溶液，导电性能良好。可以与电渗析室中淡化室的溶液形成浓度梯度，成为离子移动的推动力，通常使用的极水有原水（本实验为垃圾发酵液）和人工配制，本实验采用人工配制的方法，用0.lmol/1的稀硫酸做阳极极水，用垃圾发酵液做阴极极水。浓缩室溶液一般应为强电解质溶液，但要避免同时引入其他离子，其浓度控制应该考虑既能导电又与淡室存在浓度梯度，因此选用适当的浓度是必要的。在浓缩室采用10g/l的乳酸溶液，这样既能使浓室导电，又与淡室存在浓度梯度。实验表明，效果良好。