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化工产品膜分离技术-电渗析合肥格云流体技术有限公司 发布时间:2019-12-03   点击浏览:316次

膜技术目前在很多的食品、医药、化工等产品生产过程已经充当着生产设备、末端废水处理设备的角色,是一门成熟的高效分离、浓缩、提纯及净化的技术。

电渗析(ED)技术则有着自身独特的魅力,在产品脱盐、浓缩、脱酸、脱碱等系统都有它的一席之地。

一、电渗析技术的特点

1、不引入新杂质,对产品品质无影响

电渗析膜技术物理膜分离过程,不需要添加辅助药剂,工艺过程运行温度5-50℃,可调。它比较适合很多热敏性的活泼化合物的生产,可大大减少产品结构破坏的可能性或某些副反应的发生。

电渗析膜材料可以达到食品级,工艺装置材料、配套设备材料基本为高分子材料,具有很好的耐腐蚀性能,可以满足不同的需求。

2、膜高产品功能化强,实现高效分离

国内电渗析技术成熟,功能化膜产品较多,可以适用于不同产品系统的处理需求。

脱盐、脱酸、脱碱等均可以高效实现,在某些附加值较高的产品系统中,在满足分离要求的基础上,还能实现产品的高回收率。

3、能耗低,运行经济性高

电渗析技术是一个常温无相变的电驱动过程,能耗费用相对较低,具有非常高的运行经济性。其中能耗费用与系统中带电离子组分类别、占比有相对直接的关系。

4、系统简单,自动化程度高

电渗析系统常压运行,配套设备简单,容易实现自动化控制。

二、食品行业

糖类系统如:木糖脱盐脱酸、低聚糖脱盐、菊糖脱盐、葡萄糖脱盐、氨糖浓缩、明胶脱盐、竹笋原液脱盐等。

调味品系统如:酱油脱盐、食醋脱盐、味精脱盐、调味酱脱盐等。

乳制品系统如:乳清脱盐、乳制品或豆制品废水处理、乳糖脱盐等。

果汁、饮料系统如:山楂汁脱盐、牛磺酸母液脱盐、蓝莓汁脱酸等。

添加剂系统如:甜菜碱脱盐、维生素脱盐、香精脱盐、酶制剂脱盐、甜味剂脱酸脱盐等。

菊糖的脱盐纯化系统


菊糖一种纯天然、高效能、无公害的低聚果糖饲料添加剂,具有很高的营养价值和良好的功能性质。工业化生产上,菊糖主要从菊芋或菊苣块茎中提取,主要涉及过滤、脱色、脱盐、浓缩等工艺过程,其实也刚好可以适用多个膜处理技术。

粗菊糖料液主要含有以下三类杂质:灰分(以钾盐为主)、粗蛋白质,单双糖(以蔗糖为主),从而限制了其在食品工业中的应用,所以需要对粗菊糖进行纯化。

用超滤等膜处理技术预处理后,由于菊糖分子上没有带电基团,而其它杂质要么带电,要么分子量小,非常适合用电渗析膜技术进行灰分的脱除,达到分离纯化目的。

部分粗菊糖的灰分约2-4%,采用电渗析工艺灰分脱除率约75-90%,而菊糖的回收率可以高达95%以上。

相对于以离子交换工艺为主的传统工艺,采用以电渗析为主的膜技术组合工艺纯化粗菊糖产品,一方面实现了清洁化生产的目的,另一方面降低了企业环保压力,而且还提高了产品产能。

木糖的脱酸、脱盐系统



木糖一般用来制备糖醇相关产品,具有非常好的应用市场。木糖目前基本是由半纤维素水解得到,在传统的生产工艺中,原料主要为:玉米芯、棉籽壳、甘蔗渣、稻壳以及其他禾秆、种子皮壳等。

玉米芯是主要的木糖原料,主要在山西、陕西、东北等种植,原料易得,而且具有成本优势,价格低的时候也就300-400元/吨。原料确定后,一般经过:发酵-多步酸洗&水洗-精制(吸附、脱色)-浓缩-结晶(离心分离、干燥)等工艺过程。

传统工艺中,需要用到活性炭、离交系统,会产生大量的离交废水和固废。其实在目前的木糖生产工艺中,膜技术已然替换了大部分的传统工艺,超滤、电渗析等均已进行了广泛地应用。

木糖制备工艺中,电渗析一般处理前端脱色工艺后的溶液,可以直接取代离交,进行脱酸、脱盐处理。脱色液电导率一般为12-30ms/cm不等,采用电渗析工艺处理,出水木糖溶液电导率<0.5ms/cm,而且整个系统木糖回收率可达97%以上。

以玉米芯为原料,在某些地区,其实目前已经没有太大的优势,一方面原料的成分波动较大,对工艺控制要求较高;另一方面这个工艺的成本控制已经没法再创造更多的利润空间。

目前很多木糖公司已经瞄准了粘胶行业的压榨废碱液,主要含半纤维素、少量碱液。粘胶行业废水中的半纤维素可以直接作为木糖的原料,实现了变废为宝,同时原料相对稳定,生产周期及工艺流程短,成本更低。

不管以什么为木糖的生产原料,电渗析依然是木糖脱酸脱盐的首选工艺。

酱油的脱盐系统

酱油应该算大家日常最喜欢的调味品之一,我国的酱油生产历史非常悠久,品类非常多。按发酵工艺可以分为:高盐稀态发酵酱油、高盐固态发酵酱油、无盐或低盐固态发酵酱油。

目前高盐稀态发酵酱油是市面上主要销售的酱油之一。这类产品发酵时间较长,发酵过程中为了抑制病原微生物及杂菌的生长,需要加入大量的食盐,常规含盐量高达16-20%。

其实在目前的日常生活中,为了减少患高血压、肾脏疾病的风险,更多的人开始对低盐酱油产生了需求。在这种市场需求的推动下,一方面需要降低酱油产品食盐含量,另一方面则需要保留产品的风味、口感。

在常规酱油的组成中,风味活性物质主要为醇类、酸类、醛类、酚类等物质,价值及口感则主要由多品类氨基酸(种类偏多)提供,如甜味、苦味、鲜味、酱香味等。

基于这样的一些背景,电渗析膜技术则完全匹配工艺的需求。电渗析技术直接可以将高盐稀态发酵酱油进行脱盐,得到不同含盐量的酱油产品。但是在这个系统中,需要考虑风味、口感等品质的变化,根据氨基酸态氮、全氮等指标变化,选择最优的工艺参数。

三、生物&化工行业

多元醇系统如:1-3丙二醇脱盐、乙二醇脱盐、丙三醇脱盐、碘海醇脱盐等。

氨基酸系统如:甘氨酸脱盐、瓜氨酸脱盐、蛋氨酸脱盐、苯丙氨酸脱盐、核苷酸脱盐等。

在这类化工产品系统中,电渗析技术的应用,更多地需要考虑化工产品本身的物理或化学特性(如粘度、溶解度、挥发性等)、膜产品的选择、工艺组合或工程设计等方面因素。

综合而言,电渗析主要作用如下:

1. 化工产品的分离,实现带电组分和不带电组分的有效分离。

2. 化工产品的高效回收、浓缩。

四、氨基酸及其衍生物

常规氨基酸的生产方法主要有:化学合成法、发酵法和蛋白质水解法。其中合成法一般得到的产品为DL-氨基酸,其余一般得到的是L-氨基酸。在氨基酸及其衍生物系统中,常规盐分主要为硫酸铵、氯化铵,其次是氯化钠、硫酸钠等。

氨基酸直接用于治疗药品常规很少,一般都要制成其衍生物,才具有各种生理作用。而氨基酸在食品中的应用除了利用它们的呈味和调味作用外,还可增加食品的营养成分。

在氨基酸及其衍生物的分离精制中,除了微滤、超滤、反渗透等膜工艺外,电渗析膜技术显然已经得到广泛的市场认可,主要作用如:取代某些离子交换脱盐工艺、取代某些溶剂萃取提纯工艺、取代某些沉淀法分离提纯等。

电渗析分离其实可以不仅仅针对于单一氨基酸,也适合复合氨基酸溶液系统;另外也不一定是生产工艺环节,它也有可能是末端残液的氨基酸回收、含盐废水的处理等。

在氨基酸的电渗析脱盐分离、回收系统,膜面的流速、物料的浓度、分离的程度、运行的电流电压等均会对产品收率或分离效果造成影响,此外物料的特性,如氨基酸的等电点等也是非常重要的影响因素。

氨基酸在等电点附近,物料基本不带电,具有更好的分离效果。其中常见氨基酸的等电点如下:

1、L-色氨酸脱盐--硫酸铵

L-色氨酸发酵法工艺生产过程中,传统的除盐工艺为离子交换,脱色工艺为活性炭,消耗大量酸碱的同时,会产生大量的含盐废水、固废等,目前均已采用电渗析、纳滤等工艺处理。传统工艺流程如下:


采用电渗析工艺脱盐,L-色氨酸浓度约为2-3%,硫酸铵含量约1-2%,L-色氨酸出水电导率要求1000us/cm以下,此时出水的产品溶液品质完全优于传统工艺,且L-色氨酸收率可以达到98-99%左右。如果采用某些进口的均相离子交换膜,收率可提到至99.5%左右。


其它氨基酸如:赖氨酸、蛋氨酸、甘氨酸、氨基丁酸、谷氨酸、苯丙氨酸等其实均有类似的系统,各系统电渗析脱盐的程度完全可以满足。而由于氨基酸本身或系统的特性,在相同的处理条件下,它们会具有不一样的产品收率,结果有82-99%不等。

2、多元醇

多元醇主要指乙二醇、丙二醇、丁二醇等,它们都是制造树脂纤维的主要化工原料。我们知道这一部分工业上主要通过石油裂解得到,但是现在其实很多也可以采用生物质资源,经过发酵、高压加氢裂解而来。

发酵、加氢裂解的过程中都需要保持溶液pH偏碱性,一方面促进发酵的正常进行,调高效率;另一方面满足加氢裂解催化剂的相关工艺参数。在这个过程会产生甲酸钠、乙酸钠等有机酸盐,而且会积累一部分无机盐,为了后续进一步精馏、浓缩、纯化,需要采用电渗析在常温、低压下进行有机酸盐和无机盐的脱除

3、丙二醇脱盐--有机酸盐+无机盐

1.3丙二醇(PDO)是一种重要的化工原料,电渗析工艺在这个产品系统中的应用非常成熟,在发酵法生产的过程中,系统会产生丁二酸、乳酸、乙酸等副产物,pH值太低会抑制微生物的生长,需要添加氢氧化钠进行pH调控。

一方面添加的碱会中和有机酸,形成有机酸盐;另一方面其实在发酵培养过程中会加入氮源、磷源,如硫酸铵、磷酸二氢钾等,所以像这类发酵液系统最终整体会含有有机酸盐、无机盐的总量约为2%-3.5%,料液的电导率约为15-25ms/cm。

电渗析处理后,含PDO的淡水电导率约为1000-2000us/cm,整体PDO的收率可达95-99%。

五、结束语

化工产品的分类太多、太广,不管是氨基酸还是多元醇只是很小的一个分支,新型的膜技术其实给这些行业带来了很多新的机遇。

2019年国家新的产业结构调整指导目录--食品相关产业链中,像采用发酵法工艺生产小品种氨基酸、某些多元糖醇系统都是国家鼓励类发展内容。而针对于某些等电离子交换工艺、传统钙法生产有机酸产品等工艺,均属于国家淘汰类的管控方向。

显然在这种行业方向的调整或结构的优化形式下,势必会给各个环节带来新的挑战和机遇,电渗析技术也会在化工产品分离系统中迎来更多的应用和发展。


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