一種生物電滲析生產(chǎn)蘋(píng)果酸的強(qiáng)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于生物電滲析領(lǐng)域，是在現(xiàn)有的生物電滲析的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改良連續(xù)流生物電滲析，通過(guò)添加離子交換樹(shù)脂，進(jìn)一步研究降低能耗、減小內(nèi)阻、提高電流密度的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]生物電化學(xué)系統(tǒng)是一種生物催化劑即微生物在電極上進(jìn)行氧化或者還原反應(yīng)的電化學(xué)系統(tǒng)。這種生物電化學(xué)系統(tǒng)中的微生物在生物電反應(yīng)器的刺激作用下進(jìn)行新陳代謝，在這樣的過(guò)程中以較低的消耗處理污染物，或者以污染物為原料進(jìn)行自身的產(chǎn)電。
[0003]生物電滲析是一種新型的生物電化學(xué)技術(shù)，將微生物與電滲析技術(shù)相結(jié)合，以此獲得在低能耗下的產(chǎn)酸產(chǎn)堿脫鹽的目的。微生物在外加電場(chǎng)的作用下產(chǎn)電，在產(chǎn)電后與外加電場(chǎng)共同作用使離子在電場(chǎng)中定向移動(dòng)，從而將濃液中的各類(lèi)離子分離，以達(dá)到產(chǎn)酸產(chǎn)堿脫鹽的目的。
[0004]生物電滲析技術(shù)將彌補(bǔ)電滲析耗能過(guò)大，而生物產(chǎn)電量不足的缺陷，它可以通過(guò)馴化適合電滲析電場(chǎng)的微生物來(lái)減小能耗，提高庫(kù)倫效率，同時(shí)產(chǎn)氫氣、處理工業(yè)化工廢水、產(chǎn)酸產(chǎn)堿脫鹽，并消耗有機(jī)物。
[0005]L-蘋(píng)果酸的制備方式隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展工業(yè)的革新，經(jīng)歷了原始的從水果中壓榨到工業(yè)化生產(chǎn)階段。目前，L-蘋(píng)果酸的生產(chǎn)方法已經(jīng)由早期的單一提取法發(fā)展出包括提取法生產(chǎn)、化學(xué)合成法制備法、兩步發(fā)酵法和固化酶或細(xì)胞轉(zhuǎn)化法等工藝。從以上的四種的L-蘋(píng)果酸的制備方法來(lái)看，蘋(píng)果酸的現(xiàn)今方法均具有它的局限性，而轉(zhuǎn)化法和發(fā)酵法更適于工業(yè)發(fā)展，能在安全、低成本的基礎(chǔ)上產(chǎn)生較為豐富的產(chǎn)物。但是不得不承認(rèn)的是這樣的工藝存在產(chǎn)物不純、產(chǎn)酸菌株的種類(lèi)需要進(jìn)一步優(yōu)化培養(yǎng)的問(wèn)題，因此找到一種更為安全有效、低能的產(chǎn)蘋(píng)果酸的工藝是非常必要且極具現(xiàn)實(shí)意義和價(jià)值的。
[0006]本發(fā)明是以L(fǎng)-蘋(píng)果酸為研究對(duì)象，在現(xiàn)有的生物電滲析的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)行連續(xù)流生物電滲析的研究提高產(chǎn)酸量，并對(duì)連續(xù)流生物電滲析的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行研究，通過(guò)這些運(yùn)行條件的研究找到在降低能耗的基礎(chǔ)上高產(chǎn)量生產(chǎn)L-蘋(píng)果酸的方法。。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是通過(guò)對(duì)連續(xù)流生物電滲析的改良，獲得進(jìn)一步減小內(nèi)阻降低生物電滲析能耗的方法，同時(shí)在對(duì)改良的生物電滲析運(yùn)行條件的研究過(guò)程中，找到提高生物電滲析電流密度的方法，從而獲得高產(chǎn)量、低耗、高電流密度的連續(xù)流生物電滲析技術(shù)及其運(yùn)行相關(guān)參數(shù)和改良技術(shù)。
[0008]連續(xù)流生物電滲析裝置是通過(guò)多通道的蠕動(dòng)栗以及管道連接于恒溫箱內(nèi)的反應(yīng)器，使得反應(yīng)器內(nèi)的液體流動(dòng)起來(lái)。反應(yīng)器是一種微生物電化學(xué)系統(tǒng)與雙極膜電滲析相結(jié)合新型系統(tǒng)。在脫鹽的同時(shí)，產(chǎn)酸產(chǎn)堿。它一共有四個(gè)反應(yīng)室，從左至右分別為陽(yáng)極室、酸室、脫鹽室以及陰極室，由于脫鹽室處在反應(yīng)器的中間，因此又稱(chēng)為中室。其體積比為4:1:1: 2。四室之間以膜相互隔開(kāi)，在陽(yáng)極室和酸室之間為雙極膜，酸室和脫鹽室之間為陰離子交換膜，脫鹽室和陰極室之間為陽(yáng)離子交換膜。在陰陽(yáng)極兩端外加直流電源，并串聯(lián)以10歐姆的電阻。陽(yáng)極材料為碳刷，陰極材料采用三層滾壓活性炭陰極。因此在陽(yáng)極至陰極反應(yīng)器內(nèi)部構(gòu)成一個(gè)由離子傳遞而外部由電子傳遞形成的回路。在雙極膜的兩側(cè)分別產(chǎn)生氫離子H+和氫氧根離子OH，在酸室中形成酸而在陰極室中產(chǎn)生堿，因此陰極室也稱(chēng)為堿室。
[0009]陽(yáng)極位于陽(yáng)極室內(nèi)，反應(yīng)體系的陽(yáng)極由附著有產(chǎn)電微生物的碳刷組成，陰極采用炭黑、活性炭和乙醇制作，陰陽(yáng)級(jí)間距在4-8cm之間。
[0010]本發(fā)明所提供的一種生物電滲析生產(chǎn)蘋(píng)果酸的強(qiáng)化方法的優(yōu)點(diǎn)在于:(I)在普通生物電滲析系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行連續(xù)流的改造，使得產(chǎn)酸量提高能耗下降，提高了生物電滲析的運(yùn)行效率和效果。(2)在連續(xù)流生物電滲析系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)，通過(guò)添加離子交換樹(shù)脂的方法使得連續(xù)流生物電滲析系統(tǒng)的內(nèi)阻下降，能耗進(jìn)一步減小，進(jìn)一步提高生物電滲析的運(yùn)行效率和效果。
【附圖說(shuō)明】
[0011]附圖1是間歇式生物電滲析系統(tǒng)示意圖。
[0012]附圖2是連續(xù)流-循環(huán)流動(dòng)式生物電滲析系統(tǒng)示意圖。
[0013]附圖3是連續(xù)流-單向流動(dòng)式生物電滲析系統(tǒng)示意圖。
[0014]附圖4是連續(xù)流與普通間歇式生物電滲析系統(tǒng)產(chǎn)電曲線(xiàn)對(duì)比示意圖。
[0015]附圖5是連續(xù)流與普通間歇式生物電滲析系統(tǒng)產(chǎn)酸量對(duì)比示意圖。
[0016]附圖6是連續(xù)流與普通間歇式生物電滲析系統(tǒng)能耗對(duì)比示意圖。
[0017]附圖7是連續(xù)流生物電滲析系統(tǒng)添加離子交換樹(shù)脂后在不同水力停留時(shí)間下的產(chǎn)酸濃度對(duì)比示意圖。
[0018]附圖8是連續(xù)流生物電滲析系統(tǒng)添加離子交換樹(shù)脂后在不同水力停留時(shí)間下的能耗對(duì)比不意圖。
[0019]附圖9是連續(xù)流生物電滲析系統(tǒng)添加離子交換樹(shù)脂后在不同外加電壓下的產(chǎn)酸濃度對(duì)比示意圖。
[0020]附圖10是連續(xù)流生物電滲析系統(tǒng)添加離子交換樹(shù)脂后在不同外加電壓下的能耗對(duì)比示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]如圖1、2、3所示，連續(xù)流生物電滲析裝置是通過(guò)多通道的蠕動(dòng)栗以及管道連接于恒溫箱內(nèi)的反應(yīng)器，使得反應(yīng)器內(nèi)的液體流動(dòng)起來(lái)。在非連續(xù)狀態(tài)下將管道等連接于蠕動(dòng)栗，待到反應(yīng)器達(dá)到非連續(xù)運(yùn)行的平臺(tái)期開(kāi)啟蠕動(dòng)栗，使連續(xù)流生物電滲析穩(wěn)定運(yùn)行起來(lái)，其運(yùn)行周期設(shè)置為24小時(shí)。在連續(xù)流的運(yùn)行過(guò)程中，四個(gè)反應(yīng)室的連續(xù)流運(yùn)行模式不同，其中陽(yáng)極室采用單向流動(dòng)的方式，而其余三室采用循環(huán)流動(dòng)的方式。其中陽(yáng)極室進(jìn)液為基質(zhì)，酸室循環(huán)液為總體積為10mL的0.04mol/L的L-蘋(píng)果酸溶液，中室循環(huán)液為總體積為250mL的0.3mol/L的L-蘋(píng)果酸鉀溶液，堿室的循環(huán)液為總體積為10mL的lmol/L的氯化鈉溶液。
[0022]利用本發(fā)明的一種生物電滲析生產(chǎn)蘋(píng)果酸的強(qiáng)化方法，其連續(xù)流生物電滲析相較于普通間歇式生物電滲析，蘋(píng)果酸的產(chǎn)酸率提高了一倍，從0.108mol/L提高到0.203mol/L，能耗下降至原來(lái)的80%，是一種更加優(yōu)化的生物電滲析連續(xù)流系統(tǒng)。
[0023]連續(xù)流生物電滲析系統(tǒng)的最佳運(yùn)行水力停留時(shí)間為12小時(shí)，在此運(yùn)行條件下運(yùn)行效果最佳，產(chǎn)蘋(píng)果酸濃度為0.203mol/L，能耗為1.0kWh/kg。
[0024]連續(xù)流添加離子交換樹(shù)脂生物電滲析系統(tǒng)是一種更加優(yōu)越的連續(xù)流生物電滲析系統(tǒng)，是成功的改進(jìn)方案，相較于一般的連續(xù)流生物電滲析系統(tǒng)，反應(yīng)器內(nèi)阻減小一半，從260 Ω降低至140Ω，產(chǎn)酸量提高近一倍；相較于普通的生物電滲析系統(tǒng)能耗下降至原來(lái)的16.
[0025]連續(xù)流添加離子交換樹(shù)脂生物電滲析系統(tǒng)的最佳運(yùn)行條件為IV的外加電壓，12小時(shí)的水力停留時(shí)間，在此運(yùn)行條件下運(yùn)行效果最佳，能耗僅為0.183kffh/kg0
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種生物電滲析生產(chǎn)蘋(píng)果酸的強(qiáng)化方法，該系統(tǒng)特征是在現(xiàn)有的生物電滲析的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改良連續(xù)流生物電滲析，通過(guò)添加離子交換樹(shù)脂，進(jìn)一步降低能耗、減小內(nèi)阻、提高電流密度的方法。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，用于從含蘋(píng)果酸鉀的廢水中回收蘋(píng)果酸。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在連續(xù)流的運(yùn)行過(guò)程中，四個(gè)反應(yīng)室的連續(xù)流運(yùn)行模式不同，其中陽(yáng)極室采用單向流動(dòng)的方式，而其余三室采用循環(huán)流動(dòng)的方式。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，酸室中添加陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，堿室中添加陰離子交換樹(shù)脂，反應(yīng)室體積比與添加離子交換樹(shù)脂體積比均為1:1。5.根據(jù)權(quán)利要求3，該方法的特點(diǎn)在于控制陽(yáng)極室進(jìn)液為基質(zhì)，酸室循環(huán)液為0.04mol/L的L-蘋(píng)果酸溶液，中室循環(huán)液為0.1-0.5mol/L的L-蘋(píng)果酸鉀溶液，堿室的循環(huán)液為Imo I/L的氯化鈉溶液。6.根據(jù)權(quán)利要求4，該方法的特點(diǎn)在于可降低系統(tǒng)內(nèi)阻，加入離子交換樹(shù)脂后，系統(tǒng)內(nèi)阻為120-160歐姆。7.根據(jù)權(quán)利要求4，該方法的特點(diǎn)在于系統(tǒng)運(yùn)行的水力停留時(shí)間為9-15h，產(chǎn)蘋(píng)果酸濃度為 0.05-0.12mol/L，產(chǎn)蘋(píng)果酸的能耗為 0.18-0.34kWh/kg。8.根據(jù)權(quán)利要求4，該方法的特點(diǎn)在于系統(tǒng)在1.0-1.4V外加電壓下，產(chǎn)蘋(píng)果酸濃度0.06-0.12mol/L，產(chǎn)蘋(píng)果酸的能耗為 0.18-0.41kffh/kgo
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種生物電滲析技術(shù)生產(chǎn)蘋(píng)果酸的強(qiáng)化方法，屬于電滲析領(lǐng)域，利用改良后的連續(xù)流生物電滲析，通過(guò)添加離子交換樹(shù)脂，可以進(jìn)一步降低生物電滲析能耗、減小內(nèi)阻、提高電流密度。
【IPC分類(lèi)】C12P7/46
【公開(kāi)號(hào)】CN105063108
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510456356
【發(fā)明人】劉廣立, 楊昆鵬, 盧霄, 駱海萍, 張仁鐸
【申請(qǐng)人】中山大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年11月18日
【申請(qǐng)日】2015年7月24日