馮紅艷 徐銅文 王曉林 楊偉華

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)中心 安徽合肥 230026)

發(fā)酵過程與雙極膜電滲析的集成操作*
——介紹一個分離與反應(yīng)技術(shù)一體化的化學(xué)工程實驗

馮紅艷 徐銅文 王曉林 楊偉華

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)中心 安徽合肥 230026)

介紹一個分離與反應(yīng)技術(shù)一體化的化學(xué)工程實驗，實驗中需進行發(fā)酵過程與雙極膜電滲析過程的集成操作，可使學(xué)生在了解分離與反應(yīng)技術(shù)一體化基本理論的基礎(chǔ)上，改變傳統(tǒng)的化學(xué)工程反應(yīng)觀念，激發(fā)對新型化學(xué)工程學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣。

雙極膜電滲析 本科教學(xué) 集成實驗

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)實驗中心設(shè)有專門的綜合應(yīng)用實驗室，鼓勵實驗師隊伍中的教師在科研工作的基礎(chǔ)上，積極將科研成果轉(zhuǎn)化到實驗教學(xué)中。化工基礎(chǔ)實驗課程內(nèi)容建設(shè)也在這方面做了一些嘗試[1-2]。本文推薦一個分離與反應(yīng)技術(shù)一體化的化學(xué)工程實驗，實驗內(nèi)容來源于在讀博士生的科研工作[3-4]。

傳統(tǒng)的化工反應(yīng)包括兩步：一是反應(yīng)物完全在反應(yīng)器中混合反應(yīng)；二是利用傳統(tǒng)單元操作分離產(chǎn)物，分離費用占投資成本的一半以上。新型化工生產(chǎn)追求過程的集成性和高效性，盡可能減少原料或產(chǎn)品的周轉(zhuǎn)過程。因此發(fā)展了不少先進的分離技術(shù)和反應(yīng)技術(shù)，如：酶膜反應(yīng)器、分子蒸餾技術(shù)、分子印跡技術(shù)、仿生催化技術(shù)、外場分離技術(shù)、動態(tài)反應(yīng)操作技術(shù)、超臨界流體反應(yīng)(分離)技術(shù)、雙極膜電滲析技術(shù)等。如果從過程的綜合效應(yīng)(如放大效應(yīng)、能耗等)來看，雙極膜電滲析技術(shù)[5]是一種最簡單的反應(yīng)-分離技術(shù)，是化學(xué)工程學(xué)科發(fā)展的新增長點。

雙極膜電滲析技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域涉及食品加工、化學(xué)品合成、醫(yī)藥生產(chǎn)和環(huán)境保護等方面，其中將生物發(fā)酵過程和雙極膜電滲析集成是化學(xué)工程學(xué)科較為前沿的科研內(nèi)容。本文介紹的實驗以乳酸的發(fā)酵及產(chǎn)品分離為對象，涉及發(fā)酵過程和雙極膜電滲析技術(shù)的集成操作，打造了一個反應(yīng)與分離技術(shù)一體化的化學(xué)工程實驗。集成實驗用到的關(guān)鍵的儀器設(shè)備為發(fā)酵罐和明道式電滲析膜堆，實驗設(shè)備價值約7萬元。設(shè)備簡單容易獲得，易于在其他高校的實驗室推廣。集成實驗的內(nèi)容既可作為研究型的實驗內(nèi)容也可以作為單元操作內(nèi)容用于本科實驗教學(xué)。最佳實驗條件下的一次集成操作實驗的建議學(xué)時為8學(xué)時，適合在傳統(tǒng)授課模式下進行；若作為研究型實驗則實驗周期比較長，適合在三學(xué)期制的研究型實驗課程中進行授課。本文的實驗部分按長學(xué)時的研究型實驗進行介紹。

1 實驗?zāi)康?/h2>

1) 了解發(fā)酵過程與雙極膜電滲析集成的基本理論。

2) 熟悉發(fā)酵罐與雙極膜電滲析的基本操作。

3) 研究發(fā)酵過程與雙極膜電滲析集成操作的最佳條件。

2 實驗原理

在發(fā)酵生產(chǎn)乳酸的過程中，乳酸的不斷產(chǎn)生會造成發(fā)酵液的pH不斷下降。pH過低會影響發(fā)酵液中乳酸菌種的活性，甚至造成乳酸菌種死亡，直接影響發(fā)酵過程的效率。傳統(tǒng)的乳酸提取工藝如圖1左圖所示，是在發(fā)酵液中投加生石灰或碳酸鈣來中和產(chǎn)生的乳酸，以維持發(fā)酵液的pH在中性范圍。由于發(fā)酵液中加入的生石灰或碳酸鈣會產(chǎn)生大量難以有效處理的硫酸鈣副產(chǎn)物，不符合現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)綠色化和環(huán)境化的理念。

圖1 乳酸的提取工藝

乳酸發(fā)酵的現(xiàn)代生產(chǎn)工藝流程見圖1右圖，整個工藝流程包含了發(fā)酵、脫色、超濾、雙極膜電滲析等過程。結(jié)合上述工藝流程，實驗室相應(yīng)開設(shè)出乳酸發(fā)酵實驗、發(fā)酵液預(yù)處理——超濾和脫色實驗、乳酸鹽轉(zhuǎn)化為乳酸——雙極膜電滲析實驗以及發(fā)酵過程與雙極膜電滲析集成操作實驗。本文重點介紹將發(fā)酵過程與雙極膜電滲析進行集成操作的實驗內(nèi)容。對經(jīng)過預(yù)處理的(脫色和超濾后的)發(fā)酵液進行雙極膜電滲析，得到乳酸；同時將雙極膜電滲析產(chǎn)生的堿用于發(fā)酵過程的pH調(diào)節(jié)。從而實現(xiàn)了在提取回收乳酸產(chǎn)品的同時，又能進行乳酸的發(fā)酵生產(chǎn)。實驗中的乳酸發(fā)酵和雙極膜電滲析是一個集成過程，而不是連續(xù)操作的過程。

雙極膜電滲析的原理如圖2所示。圖2中的雙極膜電滲析是用雙極膜代替普通電滲析的部分陰、陽膜或者在普通電滲析的陰、陽膜之間加上雙極膜構(gòu)成的。雙極膜電滲析的最基本應(yīng)用是在反向偏向電壓下產(chǎn)生水解離生成H+和OH-，分別與鹽陰離子(X-)、鹽陽離子(M+)結(jié)合生產(chǎn)酸(HX)和堿(MOH)。從而在集成操作的過程中，實現(xiàn)了在將乳酸鹽轉(zhuǎn)化為乳酸的同時，可以生成堿液(乳酸鹽為MX，可以產(chǎn)生堿液MOH)。在提取乳酸的同時，將副產(chǎn)物(堿液MOH)返回至發(fā)酵過程，對發(fā)酵液進行pH調(diào)節(jié)，使副產(chǎn)物得到再次利用，從而實現(xiàn)了新型化工生產(chǎn)追求的過程集成性和高效性，并減少了原料或產(chǎn)品的周轉(zhuǎn)過程。

圖2 雙極膜電滲析轉(zhuǎn)化乳酸鹽的原理示意

3 實驗材料、儀器和試劑

3.1 實驗試劑

乳酸發(fā)酵菌種：植物乳桿菌；發(fā)酵液500mL；電極室用水：0.3mol/L的Na2SO4溶液1000mL(陰極室和陽極室各500mL)；酸室和堿室為蒸餾水。發(fā)酵培養(yǎng)基每升含：蛋白胨10g、牛肉膏10g、酵母粉5g、葡萄糖50g、乙酸鈉2g、檸檬酸二胺2g、吐溫-80 1g、磷酸氫二鉀2g、七水硫酸鎂0.2g、一水硫酸錳0.05g。

3.2 實驗儀器

恒溫振蕩器、高壓蒸汽滅菌鍋、發(fā)酵罐、干燥箱、電子天平、pH計、生物傳感分析儀、分光光度計、冰柜。其他常規(guī)實驗器皿：燒杯、量筒、玻璃棒、酒精燈、接種環(huán)、培養(yǎng)皿、移液管等。直流穩(wěn)壓電源；明道式電滲析膜堆一套，外配容量為1000mL的燒杯5只，硅膠管(約0.5m)10根；小型潛水泵5個。

按照圖3，通過發(fā)酵罐控制主機箱上的蠕動泵，將雙極膜電滲析的堿液隔室與發(fā)酵罐進行連接。為了降低發(fā)酵罐中染雜菌的風(fēng)險，必須對連接的管子進行滅菌操作。發(fā)酵罐內(nèi)由pH計進行實時監(jiān)測，當(dāng)pH低于設(shè)定值時，由蠕動泵自動將雙極膜電滲析的堿液隔室中的堿液泵入發(fā)酵罐進行調(diào)節(jié)。由于軟管內(nèi)是強堿環(huán)境，故堿液室與發(fā)酵罐之間的連接管不需要進行滅菌操作。

圖3 發(fā)酵過程與雙極膜電滲析集成流程1 直流穩(wěn)壓電源；2 雙極膜電滲析膜堆；3 陰極室；4 陽極室；5 乳酸生產(chǎn)隔室；6 料液室；7 堿液生產(chǎn)隔室；8 發(fā)酵罐控制主機箱；9 蠕動泵；10 發(fā)酵罐。

4 實驗步驟

4.1 雙極膜電滲析的準備

(1) 組裝膜堆：按“陽極板—隔板—雙極膜—隔板—陰膜—隔板—陽膜—隔板—雙極膜—陰極板”順序組裝膜堆，用長螺桿釘壓緊膜堆。為了確保裝置的嚴密性，應(yīng)使隔板之間的墊圈厚度不超過墊圈槽，并使雙極膜的陽膜側(cè)朝向陰極板。此外，在用螺釘壓緊裝置時，應(yīng)注意均勻用力，以防止裝置變形甚至斷裂。

(2) 連接外圍設(shè)備：在隔板出口分別連接出水管和進水管。將進水管與外置燒杯中的潛水泵出口連接，將出水管的出口端連接到燒杯中，以確保循環(huán)通路暢通。

(3) 注入料液和電極水：在鹽室中注入料液，在極室中注入電極水，在酸室和堿室中注入蒸餾水，此過程應(yīng)保證料液淹沒潛水泵。

對于雙極膜電滲析，應(yīng)在實驗結(jié)束后將各個隔室、燒杯和潛水泵內(nèi)的料液或電解質(zhì)溶液清洗干凈。若長期不用，應(yīng)將裝置拆卸還原，并確保各組件干燥和清潔。

4.2 發(fā)酵過程的準備

(1) 種子培養(yǎng)基的培養(yǎng):配制一定量的種子培養(yǎng)基，并在高壓蒸汽滅菌鍋中滅菌。滅菌條件為：121℃，20min。待培養(yǎng)基冷卻至室溫后，取新鮮斜面菌種，接入種子培養(yǎng)基中，在轉(zhuǎn)速為150r/min的搖床中培養(yǎng)24h，溫度恒定在37℃。

(2) 發(fā)酵罐滅菌:將配制好的發(fā)酵培養(yǎng)基加入到發(fā)酵罐中，此處應(yīng)注意體積不能超過發(fā)酵罐總體積的2/3。然后將發(fā)酵罐和培養(yǎng)基一起放入滅菌鍋中進行滅菌。

(3) 火焰接種法:先用醫(yī)用酒精擦拭接種口；在火圈中加入酒精，點燃后套在接種口上；關(guān)小空氣進氣閥，調(diào)節(jié)進風(fēng)，降低罐壓，打開接種口蓋；在火焰范圍內(nèi)打開種子培養(yǎng)基的瓶塞，在火焰上燒灼幾秒鐘后，迅速將種子液倒入發(fā)酵罐中；在火焰上燒灼接種口蓋子數(shù)秒后，迅速蓋好接種口蓋，關(guān)閉空氣進氣閥。

(4) 發(fā)酵培養(yǎng):接種結(jié)束后，對發(fā)酵培養(yǎng)過程的各項參數(shù)進行設(shè)定，開始培養(yǎng)。發(fā)酵過程中要打開冷凝器水閥。具體操作參數(shù)：轉(zhuǎn)速為150r/min；溫度為37℃；pH為6.7。

4.3 發(fā)酵罐與雙極膜電滲析集成操作過程的監(jiān)測

在集成操作過程中，要對發(fā)酵罐和雙極膜電滲析同時進行監(jiān)測，防止任一方出現(xiàn)問題導(dǎo)致集成操作失敗。

發(fā)酵過程：① 通過發(fā)酵罐的主機控制發(fā)酵的pH條件、溶氧濃度和實驗溫度。每1h記錄pH、溫度和溶氧濃度，通過數(shù)據(jù)判斷發(fā)酵過程是否正常；② 每4h測量殘余葡萄糖的量、生物量和乳酸的生成量，以判斷細菌的生長情況和乳酸的生成情況。

雙極膜電滲析過程：① 雙極膜電滲析過程調(diào)整穩(wěn)壓電源的電壓和電流值來控制實驗條件，每1h記錄電壓、電流。② 每4h測量酸室中的乳酸濃度、堿室濃度和堿室堿液體積。

5 分析方法

5.1 葡萄糖和乳酸的測量

在發(fā)酵過程中，要間斷地取樣進行監(jiān)測。發(fā)酵液中含有有機酸鹽、無機鹽、菌絲體、蛋白質(zhì)、脂肪和糖類等。雙極膜電滲析過程的料液是經(jīng)過超濾和脫色之后的發(fā)酵液，主要成分為有機酸鹽(主要為乳酸鹽)和無機鹽類物質(zhì)。實驗中使用生物傳感分析儀獲得葡萄糖和乳酸含量。

5.2 生物量的測量

在發(fā)酵過程中，要及時監(jiān)測乳酸菌的生長情況。取樣后，用0.3mol/L的稀鹽酸溶液稀釋，目的是消除一些沉淀性鹽的影響。在波長為600nm處，測量吸光度。

對于產(chǎn)酸量(Na)、產(chǎn)堿量(Nb)以及它們各自的電流效率(ηa和ηb)，可根據(jù)下面的公式[6]計算：

Na=(cat-ca0)×V

(1)

(2)

Nb=(cbt-cb0)×V

(3)

(4)

式中：ca0和cat為酸室中酸在通電時間為0和t時的濃度；cb0和cbt為堿室中堿在通電時間為0和t時的濃度；V為淡化室溶液體積；F為法拉第常數(shù)；I為操作電流；t為通電時間。

6 實驗注意事項

(1) 發(fā)酵實驗結(jié)束后，需要完成乳酸發(fā)酵液的初步提取工作。應(yīng)及時向發(fā)酵罐中加入NaHCO3，使pH升高到10左右。同時升高溫度至90℃，使菌體和其他懸浮物下沉。發(fā)酵原液澄清后，將上清液收集到塑料桶中，放入冰柜中保存并用于下一步的提純。對澄清后的沉淀物集中進行處理。

(2) 在利用發(fā)酵罐控制主機進行發(fā)酵液pH調(diào)節(jié)時，要控制堿液的添加速度，以使堿液與發(fā)酵液充分混合反應(yīng)，并確保發(fā)酵液的pH不被調(diào)節(jié)得過高而影響微生物生長。

(3) 如果裝置發(fā)生泄漏，應(yīng)盡快壓緊裝置；如果情況得不到改善，應(yīng)拆卸裝置、查找原因(或更換墊圈、或增加墊圈厚度等)。在實驗完畢后，應(yīng)將隔室、燒杯和潛水泵內(nèi)的料液或電解質(zhì)溶液清洗干凈。若長期不用，應(yīng)拆卸還原裝置，并確保各組件干燥和清潔。

7 結(jié)語

本文介紹的發(fā)酵過程與雙極膜電滲析的集成操作實驗體現(xiàn)了化學(xué)工程學(xué)科發(fā)展的新方向。從實驗教學(xué)的角度來講，教師將適合的科研內(nèi)容向?qū)嶒灲虒W(xué)內(nèi)容進行轉(zhuǎn)化，可使實驗內(nèi)容與學(xué)科前沿同步，做到科研與教學(xué)密切聯(lián)合，相互促進；從實驗教學(xué)的效果來看，通過在2012年夏季實驗課程中的開展，有助于豐富學(xué)生知識結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)原創(chuàng)思想，提高科研素質(zhì)；更重要的是能使學(xué)生改變傳統(tǒng)的化學(xué)工程反應(yīng)觀念，激發(fā)對新型化學(xué)工程學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣。根據(jù)兩年來的教學(xué)實踐，我們認為發(fā)酵過程與雙極膜電滲析的集成操作是一個值得推廣的化學(xué)工程實驗。

[1] 馮紅艷,傅延勛,楊偉華,等.理科化工基礎(chǔ)實驗的新型化更為重要∥大學(xué)化學(xué)化工課程報告論壇論文集，北京:高等教育出版社,2012

[2] 傅延勛,楊偉華,徐銅文.大學(xué)化學(xué),2008,23(1):8

[3] Wang X L,Wang Y M,Zhang X,etal.BioresourceTech,2013,147:442

[4] Wang X L,Wang Y M,Zhang X,etal.BioresourceTech,2012,125:165

[5] 徐銅文,黃川徽.離子交換膜的制備與應(yīng)用技術(shù).北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008

[6] 傅延勛,楊偉華,徐銅文,等.化學(xué)工程基礎(chǔ)實驗.合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2009

Integrated Operation Process for Fermentation and Bipolar Membrane Electrodialysis*

Feng Hongyan Xu Tongwen Wang Xiaolin Yang Weihua

(ChemistryExperimentTeachingCenter,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230026,Anhui,China)

A chemical engineering experiment integrating separation and reaction was introduced, including the integrated operation of fermentation and bipolar membrane electrodialysis. This experiment can help the students to learn the basic theory of separation and reaction integration, re-understand the traditional chemical engineering reaction concept, and stimulate their interest in learning new chemical engineering knowledge.

Bipolar membrane electrodialysis; Undergraduate teaching; Integrated experiment

O6-3；G64

安徽省重大教學(xué)改革項目(No.2013zytz003);安徽省教研項目(No.2012jyxm02);2013年度中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教研項目