電滲析作為一種新的膜分離技術(shù)過(guò)去主要運(yùn)用在苦咸水及海水脫鹽上，現(xiàn)在已成功運(yùn)用在從發(fā)酵液中濃縮回收有機(jī)酸上。本文嘗試?yán)秒姖B析法從廚房垃圾發(fā)酵液中回收并濃縮乳酸，探討了離子交換膜對(duì)乳酸的透過(guò)性和乳酸鈉、乳酸銨對(duì)乳酸電滲析的影響。
關(guān)鍵詞：電滲析；乳酸；離子交換膜；廚房垃圾
利用廚房垃圾有機(jī)物含量大、營(yíng)養(yǎng)豐富的特點(diǎn)，從廚房垃圾發(fā)酵制取乳酸并用電滲析法從發(fā)酵液中提取乳酸，以此為原料進(jìn)一步再合成為生物降解性塑料一聚乳酸（PLA），發(fā)酵后的殘?jiān)勺龀筛哔|(zhì)量的肥料和飼料。該方法不僅可使城市垃圾達(dá)到減量化、無(wú)害化與資源化的目的，而且可解決“白色污染”的難題，具有重要的環(huán)境效益、社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益。
目前，我國(guó)從發(fā)酵液中分離提取乳酸的操作仍局限于連續(xù)化、自動(dòng)化程度低，提取收率低，產(chǎn)品質(zhì)量不高的方法。因此，如何完善和改革現(xiàn)有的提取工藝，尋求更為經(jīng)濟(jì)、有效的分離提取方法．以求提高產(chǎn)品的質(zhì)量，產(chǎn)品的收率，降低生產(chǎn)成本，適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的需要，已成為當(dāng)前許多科技人員的研究方向。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，許多新的分離技術(shù)相繼出現(xiàn)，例如，溶劑萃取法、離子交換、吸附發(fā)酵法、酯化法或膜分離法等單一或復(fù)合手段用于乳酸的提純方面的研究均取得了引人注目的進(jìn)展。本文旨在應(yīng)用電滲析法從廚房垃圾發(fā)酵液中提取乳酸，電滲析法是一種新興的膜分離技術(shù)，電滲析提取乳酸省略了鈣鹽法發(fā)酵液濃縮、結(jié)晶和酸解三道工序，消除了廚房垃圾發(fā)酵過(guò)程中存在的嚴(yán)重的產(chǎn)物抑制效應(yīng)，從而大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，減少環(huán)境污染，提高了產(chǎn)品收得率；并且有效分離發(fā)酵液中尚未轉(zhuǎn)化的殘?zhí)?，減少后續(xù)乳酸提純及聚合過(guò)程中殘?zhí)堑挠绊懀岣呔廴樗岬氖章?。本文研究了廚房垃圾的預(yù)處理過(guò)程，探討了陰陽(yáng)離子交換膜及乳酸鹽對(duì)廚房垃圾發(fā)酵液電滲析的影響以及膜污染的處理，為以后廚房垃圾發(fā)酵電滲析生產(chǎn)乳酸提供了思路和方法。
1．廚房垃圾的預(yù)處理
由于廚房垃圾的組成成分復(fù)雜，雜質(zhì)比較多，如不對(duì)它進(jìn)行一定的預(yù)處理，電滲析時(shí)必然會(huì)造成膜的污染，引起膜通量明顯下降，設(shè)備成本上升、產(chǎn)品質(zhì)量下降等一系列問(wèn)題，從而影響到電滲析的效果。解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵是對(duì)廚房垃圾進(jìn)行預(yù)處理。在對(duì)廚房垃圾的組成成分進(jìn)行充分的了解之后，選擇了如下預(yù)處理步驟（如圖1所示），對(duì)收集到的廚房垃圾進(jìn)行粉碎、滅菌，然后接種乳酸菌發(fā)酵（發(fā)酵時(shí)用NH3或NaOH調(diào)節(jié)pH值使其保持在6～7，以適于乳酸菌的生長(zhǎng)），再壓榨過(guò)濾、離心分離除去其中的固體殘?jiān)?后用真空超濾除去發(fā)酵液中的菌體及蛋白質(zhì)、脂肪、凝膠等大分子物質(zhì)，得到電滲析用的垃圾發(fā)酵液。
2.電滲析回收乳酸的基本原理
滲析是指溶液中溶質(zhì)透過(guò)半透膜的現(xiàn)象。自然滲析的推動(dòng)力是半透膜兩側(cè)的濃度差。在直流電場(chǎng)的作用下，離子透過(guò)選擇性離子交換膜的現(xiàn)象稱為電滲析。電滲析法是在離子交換基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種*膜分離技術(shù)，分離的基本依據(jù)是離子在電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)和離子交換膜的選擇透過(guò)性。
電滲析分離濃縮乳酸的原理如圖2所示，采用三室電滲析槽，以0.1mol/L濃度的稀硫酸作為陽(yáng)極液，濃縮室（又稱中間室）加入適當(dāng)?shù)碾娊赓|(zhì)，預(yù)處理后的廚房垃圾發(fā)酵液作為陰極液通入陰極室（又稱淡化室）。在直流電場(chǎng)的作用下，乳酸根離子(L-)透過(guò)陰膜遷移到濃縮室，而糖類、蛋白質(zhì)及氨基酸等非電解質(zhì)留在陰極室。陽(yáng)極室中的H+透過(guò)陽(yáng)膜也遷移到濃縮室，與乳酸根離子結(jié)合成乳酸，從而達(dá)到發(fā)酵液中分離濃乳酸的目的。