熊能，陳濤，孫自立，柳志強(qiáng)*

1 (生物有機(jī)合成浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(浙江工業(yè)大學(xué))，浙江 杭州，310014) 2 (教育部生物轉(zhuǎn)化與生物凈化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(浙江工業(yè)大學(xué))，浙江 杭州，310014) 3 (手性生物制造國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心(浙江工業(yè)大學(xué))，浙江 杭州，310014)

氨基酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的基本單位，廣泛存在于自然界與生物體中，其結(jié)構(gòu)中同時(shí)含有氨基和羧基，是一種兩性小分子化合物。各種氨基酸作為調(diào)味劑、食品添加劑、飼料添加劑、醫(yī)藥中間體、農(nóng)藥中間體等，在食品、醫(yī)藥工業(yè)和農(nóng)牧業(yè)中有著廣泛應(yīng)用，對(duì)人類(lèi)健康具有重要意義[1]。

現(xiàn)階段，伴隨著相關(guān)產(chǎn)業(yè)和生物工程技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)氨基酸的需求越來(lái)越大，質(zhì)量要求越來(lái)越高，氨基酸的分離純化在氨基酸生產(chǎn)過(guò)程中的重要性逐步體現(xiàn)出來(lái)。氨基酸的分離純化方法眾多，分別適用于不同種類(lèi)，不同質(zhì)量要求的氨基酸生產(chǎn)過(guò)程，而電滲析作為一種先進(jìn)、高效、綠色且具有良好普適性的分離技術(shù)，也已經(jīng)廣泛運(yùn)用于該領(lǐng)域[2]。

1 氨基酸與氨基酸分離技術(shù)

氨基酸是生物體內(nèi)最重要的小分子之一，可以作為初級(jí)代謝物及某些器官組織的成分，參與生物體內(nèi)的生理機(jī)能及代謝活動(dòng)。肝和膽組織中富含賴(lài)氨酸，甲硫氨酸是血紅蛋白與血清的主要組成成分，異亮氨酸參與胸腺、脾臟及腦垂體的調(diào)節(jié)以及代謝。氨基酸也是生物工程領(lǐng)域最主要的產(chǎn)品之一，應(yīng)用廣泛，市場(chǎng)規(guī)模也很龐大。氨基酸及其衍生物在醫(yī)藥工業(yè)中具有重要地位，復(fù)方氨基酸注射液即為多種氨基酸直接配制而成的藥品，L-羥脯氨酸可以治療慢性肝炎、防止肝硬化，精氨酸可以治療男性不育癥。在食品、保健品和飼料領(lǐng)域氨基酸也扮演著重要角色，色氨酸及其衍生物可作為甜味劑，蘇氨酸、蛋氨酸可以促進(jìn)畜禽生長(zhǎng)并提升肉質(zhì)[3]。我國(guó)是世界最大的氨基酸市場(chǎng)，也是氨基酸生產(chǎn)大國(guó)。2016年全國(guó)氨基酸行業(yè)總產(chǎn)量超過(guò)460萬(wàn)t，谷氨酸及其鹽年產(chǎn)量已超過(guò)270萬(wàn)t，總產(chǎn)值占食品發(fā)酵工業(yè)總產(chǎn)值的1/4以上，產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的70%以上[4]。

氨基酸的主要生產(chǎn)方法有微生物發(fā)酵法、化學(xué)合成法和蛋白質(zhì)水解法。BECKER等通過(guò)改造谷氨酸棒狀桿菌的代謝通路，配合補(bǔ)料分批發(fā)酵，最終實(shí)現(xiàn)了120 g/L的L-賴(lài)氨酸產(chǎn)量[5]。寧夏紫光天化公司使用化學(xué)合成法生產(chǎn)蛋氨酸，純度達(dá)到99.4%，收率在97%以上[6]。陳佑寧等使用濃鹽酸作為水解劑，醋酸鈉作為pH調(diào)節(jié)劑，水解人毛發(fā)生產(chǎn)胱氨酸，最高收率可達(dá)到6.68%[7]。從分離角度來(lái)看，微生物發(fā)酵法和蛋白質(zhì)水解法生成的產(chǎn)物成分比較復(fù)雜，含有多種氨基酸和氨基酸類(lèi)似物，雜質(zhì)結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品相近，分離難度較大；而化學(xué)合成法的產(chǎn)物成分比較簡(jiǎn)單，但含鹽量較高，后續(xù)分離需要脫鹽，且生產(chǎn)過(guò)程的環(huán)境污染比較嚴(yán)重。

表1 常見(jiàn)的氨基酸分離方法比較Table 1 Comparison of common amino acid separation methods

氨基酸分離常用的方法有離子交換法、溶劑萃取法和電滲析法等(表1)。周圓圓等使用717型強(qiáng)堿性陰離子樹(shù)脂分離毛發(fā)水解液中的L-絲氨酸，脫鹽率為95.51%，氨基酸收率達(dá)到84.13%[8]。CASCAVAL等使用D2EHPA為萃取劑對(duì)多種氨基酸進(jìn)行反應(yīng)萃取，通過(guò)控制pH變化和多段萃取的方法，可以將酸性、中性及堿性氨基酸選擇性分離開(kāi)來(lái)[9]。ZHANG等使用電滲析法分離L-賴(lài)氨酸，收率達(dá)到93.2%[10]。這些分離方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，離子交換法的成本較低，但分離過(guò)程用水量大并且會(huì)產(chǎn)生大量的廢水；萃取法操作方便，產(chǎn)生的廢水較少，但萃取劑回收復(fù)雜，影響了產(chǎn)品的純度和收率，且一些萃取劑毒性較大；而電滲析法操作簡(jiǎn)單，用水量和污染排放少，且氨基酸的收率較高，但也存在離子交換膜容易受到污染的問(wèn)題。

電滲析是一種電化學(xué)分離技術(shù)，在直流電流的影響下，離子(帶電物質(zhì))通過(guò)一個(gè)或多個(gè)選擇性滲透膜從一種溶液轉(zhuǎn)移到另一種溶液，從而達(dá)到富集或者分離的目的。電滲析原理如圖1所示。電滲析最早應(yīng)用于脫鹽工藝上，MAIGROT和SABATES于1890年首次使用電滲析法將糖漿脫鹽[11]，隨后廣泛運(yùn)用于海水淡化中。近年來(lái)，電滲析技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于氨基酸分離領(lǐng)域，SUN等使用電滲析法從發(fā)酵液中分離純化L-苯丙氨酸，收率和脫鹽率分別可達(dá)84.3%和98.5%[12]。WU等使用電滲析法從發(fā)酵液中分離L-蘇氨酸，收率和脫鹽率分別可達(dá)86.1%和96.9%[13]。

C-陽(yáng)離子交換膜；A-陰離子交換膜圖1 電滲析原理圖Fig.1 Schematic diagram of electrodialysis

從這些應(yīng)用例子可以看出，電滲析技術(shù)分離氨基酸的收率很高，具有很好的工業(yè)化應(yīng)用前景。

2 應(yīng)用于氨基酸分離的電滲析技術(shù)

2.1 電滲析膜(離子交換膜)的主要種類(lèi)

按照活性基團(tuán)所帶電荷的不同，離子交換膜主要分為陽(yáng)離子交換膜、陰離子交換膜和特種膜。陽(yáng)離子和陰離子交換膜根據(jù)帶電基團(tuán)的解離程度又分為強(qiáng)酸和強(qiáng)堿膜、弱酸和弱堿膜。強(qiáng)酸膜通常以磺酸作為帶電基團(tuán)，弱酸膜通常以羧酸作為帶電基團(tuán)；而強(qiáng)堿和弱堿離子交換膜中常見(jiàn)的帶電基團(tuán)分別是季胺和叔胺[14]。雙極性膜，即特種膜，其陰陽(yáng)離子活性基團(tuán)均勻分布于同一張膜表面，部分正負(fù)電荷并列存在于膜厚度方向，或者由帶正負(fù)電荷不同的2張膜貼合在一起組成[15]。

按照膜材料劃分，離子交換膜可分為有機(jī)離子交換膜、無(wú)機(jī)離子交換膜和無(wú)機(jī)-有機(jī)復(fù)合材料離子交換膜。有機(jī)膜主要由高分子材料合成，如聚乙烯醇、聚氯乙烯和聚苯乙烯等[16]，無(wú)機(jī)膜則主要采用沸石類(lèi)、多價(jià)金屬磷酸鹽等作為原料[17]。有機(jī)膜的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)靈活性強(qiáng)，便于加工，電子特性可調(diào)，而無(wú)機(jī)膜相較于有機(jī)膜，具有抗氧化能力強(qiáng)，熱穩(wěn)定性高，成本低廉等優(yōu)勢(shì)。無(wú)機(jī)-有機(jī)復(fù)合材料膜結(jié)合了2種材料的優(yōu)勢(shì)，既有有機(jī)材料的柔韌性和易加工性，也具有無(wú)機(jī)材料的熱穩(wěn)定性和高機(jī)械強(qiáng)度[18]。

此外，也可根據(jù)膜結(jié)構(gòu)將離子交換膜分為均相膜、非均相膜和半均相膜。均相膜的帶電基團(tuán)在整個(gè)膜基質(zhì)上相對(duì)均勻分布，沒(méi)有異相結(jié)構(gòu)，化學(xué)成分均一。非均相膜是由粉末狀的離子交換樹(shù)脂加黏合劑混煉、拉片、加網(wǎng)熱壓而成，樹(shù)脂分散在黏合劑中，因此其結(jié)構(gòu)并不均勻。半均相膜的成膜材料中離子交換基團(tuán)分布均勻，但惰性聚合物(如黏合劑)相和功能基團(tuán)(如離子交換樹(shù)脂)相非化學(xué)結(jié)合，故其性能、結(jié)構(gòu)介于非均相膜和均相膜之間[14]。

2.2 影響電滲析分離效果的主要因素

2.2.1 膜材料的選擇

離子交換膜是電滲析分離設(shè)備最為重要的部分，電滲析設(shè)備的性能很大程度上取決于離子交換膜的性能。離子交換膜的性能參數(shù)，例如聚合物網(wǎng)絡(luò)的密度，聚合物基質(zhì)的疏水或親水特性，聚合物中固定電荷的類(lèi)型和濃度，以及膜的形態(tài)、膜的材料、結(jié)構(gòu)、空間位阻效應(yīng)等因素都會(huì)影響電滲析的分離效果，但研究表明膜的厚度對(duì)電滲析的分離效果沒(méi)有明顯影響[19]。

早期的電滲析裝置，其框架由木材制成，電極由碳制成，使用高錳酸鹽處理的紙作為離子交換膜。AMADO等將聚氨酯、摻雜對(duì)甲苯磺酸的聚苯胺、樟腦磺酸進(jìn)行混合，制備了新型陽(yáng)離子交換膜，用于處理含鋅溶液，與市售Nafion 450膜相比，鋅收率提升了10%～20%[20]。WANG等使用3種電滲析膜分離γ-氨基丁酸，使用CJ-MA-3/CJ-MC-3膜時(shí)脫鹽率達(dá)到了99.29%，γ-氨基丁酸(GABA)的損失率小于3%，生產(chǎn)的總能耗小于500(kW·h)/t[19]。JIANG等使用多種電滲析膜分離甲硫氨酸，其中使用ChemJOY生產(chǎn)的LabA/LabC膜，收率達(dá)到83.80%，研究者認(rèn)為在恒定電流下使用空間位阻效應(yīng)更低的離子交換膜有利于甲硫氨酸的分離[21]。

2.2.2 操作pH與離子強(qiáng)度

pH是電滲析分離的關(guān)鍵操作參數(shù)。使用電滲析法分離氨基酸時(shí)，由于氨基酸是兩性離子，溶液的pH決定了氨基酸的帶電性質(zhì)，因此對(duì)分離性能產(chǎn)生影響。一般來(lái)說(shuō)將溶液pH控制在氨基酸的等電點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)最高的收率。HABE等研究了pH對(duì)電滲析法分離GABA的影響，發(fā)現(xiàn)溶液pH值較低時(shí)GABA的收率較高，相反溶液pH值較高時(shí)其收率較低，但是操作時(shí)間可以相應(yīng)縮短，在選擇的最佳條件(pH=3)下GABA收率約為85%[22]。ELISEEVA等使用電滲析法分離L-賴(lài)氨酸，發(fā)現(xiàn)溶液pH值是影響收率的主要因素，通過(guò)控制混合床中陰離子交換樹(shù)脂的比例和電流密度，防止pH值升高，能夠提高L-賴(lài)氨酸的收率[23]。ZHANG等使用電滲析法從L-賴(lài)氨酸鹽中分離L-賴(lài)氨酸，發(fā)現(xiàn)pH控制在L-賴(lài)氨酸等電點(diǎn)時(shí)，最高收率能夠達(dá)到93.2%[10]。

2.2.3 工作電流

在電滲析過(guò)程中，工作電流也是重要的操作參數(shù)，電流過(guò)低會(huì)影響分離效率，電流過(guò)高則會(huì)造成能源浪費(fèi)。氨基酸的收率基本不受電流密度的影響，但通過(guò)增加操作電流可以實(shí)現(xiàn)更高的脫鹽效率，并提升分離速度。ELISEEVA等研究了電流密度對(duì)電滲析過(guò)程中氨基酸跨膜通量的影響，發(fā)現(xiàn)在電流密度超過(guò)極限電流密度(ilim)后，氨基酸跨膜通量停止增加，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為屏障效應(yīng)[24]。RAN等發(fā)現(xiàn)電滲析分離時(shí)電流密度一旦到達(dá)極限電流密度，膜界面上會(huì)發(fā)生水的解離，隨著這一現(xiàn)象的發(fā)生，消耗的電流會(huì)用于水的解離而不是有效的離子轉(zhuǎn)運(yùn)上[25]。CHAI等研究了電流密度對(duì)電滲析法從谷氨酸鈉中分離谷氨酸的影響，發(fā)現(xiàn)堆電壓隨著電流密度的增加而增加，當(dāng)電流密度從10 mA/cm2增加到20 mA/cm2時(shí)，分離時(shí)間從350 min減少到180 min，但在各個(gè)電流密度下，谷氨酸收率均在92%～94%[26]。

2.2.4 反應(yīng)器構(gòu)型

電滲析裝置的內(nèi)部由極板、膜片、隔板等疊裝而成，形成數(shù)個(gè)隔室，隔室的數(shù)量與分離效率存在關(guān)聯(lián)，并不是越多越好，需根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的反應(yīng)器構(gòu)型。AGHAJANYAN等研究了隔室對(duì)脯氨酸溶液分離脫鹽效果的影響，發(fā)現(xiàn)五室電滲析器的第四室中脯氨酸濃度達(dá)到了6～6.5 g/L，而六室電滲析器與五室電滲析器相比，擴(kuò)散到下一室的脯氨酸濃度下降了約3倍，更適合脯氨酸溶液的脫鹽操作[27]。KIKUCHI等使用三室電滲析器分離苯丙氨酸，在收率達(dá)到87%的同時(shí)，脫鹽率大于98%[28]。

2.2.5 其他因素

電滲析分離過(guò)程中，各種其他因素也會(huì)影響分離效率和產(chǎn)品的收率。電滲析過(guò)程中電阻會(huì)阻礙離子的轉(zhuǎn)運(yùn)，而膜電阻占總電阻的很大一部分，對(duì)于分離效率和經(jīng)濟(jì)性有很大影響，所以應(yīng)盡可能的降低膜電阻。膜電阻受溶液濃度和組成、溫度、膜材料性能和表面官能團(tuán)等因素影響。LIU等通過(guò)電沉積帶電官能團(tuán)的方法對(duì)離子交換膜進(jìn)行表面改性，使其電阻從原始的(1.30 ±0.15)Ω cm2變?yōu)?2.22±0.10)Ω cm2[29]。YUAN等發(fā)現(xiàn)在隔室中引入樹(shù)脂能夠提高氨基酸的轉(zhuǎn)運(yùn)速率，在稀釋室中填充離子交換樹(shù)脂，能夠?qū)被岱蛛x效率提高20%～30%，并且降低15%～30%的能耗[30]。ZHANG等發(fā)現(xiàn)電滲析過(guò)程會(huì)受到操作溫度的強(qiáng)烈影響，高溫下離子通過(guò)離子交換膜的轉(zhuǎn)運(yùn)速率更快，從而使電阻降低，電流效率提高且能耗降低[10]。

2.3 電滲析膜的選擇

電滲析法對(duì)于酸性、堿性和中性氨基酸以及非蛋白質(zhì)氨基酸，均可取得較好的分離效果，但需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的電滲析膜(分離實(shí)例見(jiàn)表2)。選擇膜時(shí)首先要考慮膜材料和分離操作的pH。料液的pH不僅影響著氨基酸的解離狀態(tài)和所帶電荷，也會(huì)對(duì)電滲析膜上的帶電基團(tuán)造成影響。其次應(yīng)盡量同時(shí)利用多種分離機(jī)理，提高分離的選擇性。電滲析膜對(duì)所分離氨基酸的通透性，膜材料在料液中的穩(wěn)定性，膜在料液中的抗污染能力等也是需要考察的因素。

3 電滲析膜的膜污染對(duì)氨基酸分離的影響

3.1 膜污染的成因和機(jī)理

3.2 膜污染物的主要成分

3.3 電滲析膜污染的防治和處理

電滲析分離氨基酸時(shí)的膜污染成分與分離其他物質(zhì)時(shí)的膜污染成分存在相似之處，因此可以參照其他電滲析分離過(guò)程的除污方法。使用稀酸稀堿對(duì)離子交換膜進(jìn)行機(jī)械清洗和處理，可以清除大部分污垢，使膜恢復(fù)原有性能。對(duì)料液進(jìn)行預(yù)處理是一種簡(jiǎn)單有效的防止膜污染的手段。HABOVA等使用超濾，脫色和除去多價(jià)金屬離子等方法對(duì)乳酸發(fā)酵液進(jìn)行預(yù)處理，維持了電滲析過(guò)程的正常運(yùn)行[37]。OTAKI等使用紫外線對(duì)料液進(jìn)行殺菌，除去微生物污染，使膜的連續(xù)操作時(shí)間延長(zhǎng)了6倍[38]。對(duì)電滲析的操作方式進(jìn)行調(diào)整，也可以維持膜的分離效率。在電滲析設(shè)備運(yùn)行期間,定期倒換電極極性，可以防止蛋白質(zhì)在膜表面結(jié)垢；在電極和膜堆之間加裝保護(hù)框，也可以減緩沉淀對(duì)膜分離的影響[39]。適當(dāng)加大隔室厚度,并向隔室內(nèi)通入空氣，可以起到攪拌和清洗作用，將污染物質(zhì)沖出隔室，防止其在膜面上沉積[40]。在酸性pH下進(jìn)行電滲析，可以避免Ca2+、Mg2+等離子沉淀；將反轉(zhuǎn)和脈沖電場(chǎng)與酸性pH組合使用時(shí)，還可以減少蛋白質(zhì)結(jié)垢[41]。嚴(yán)格控制操作時(shí)的電流密度，將其控制在極限電流之下，可以緩解濃差極化現(xiàn)象[42]。

3.4 新材料和新技術(shù)應(yīng)對(duì)膜污染的研究

針對(duì)膜污染這一難題，也可以從膜本身入手，通過(guò)開(kāi)發(fā)新的膜材料或?qū)ΜF(xiàn)有膜進(jìn)行改性，避免或緩解膜污染。LIU等以聚乙烯醇和(2,3-環(huán)氧丙基)三甲基氯化銨為材料，通過(guò)退火處理和縮合反應(yīng)進(jìn)行雙交聯(lián)，制備了一種脂肪族離子交換膜，該膜的吸水率僅為約23%，抗污能力也有顯著提高[43]。KARKHANECHI等使用聚多巴胺(PDA)對(duì)反滲透(RO)膜進(jìn)行改性，在細(xì)菌過(guò)濾1 200 min后，未經(jīng)改性膜的水通量?jī)H為初始值的61%，而改性膜的水通量約為初始值的80%[44]。WANG等報(bào)道了一種具有良好的抗污能力的TWEDAI陽(yáng)離子交換膜，其具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和初始電阻低的特點(diǎn)，在經(jīng)過(guò)典型有機(jī)污染物處理之后，其膜電阻仍然處于較低水平[45]。PONTIE等將聚二甲基二烯丙基氯化銨和聚苯乙烯磺酸沉積在Nafion117陽(yáng)離子交換膜表面，制備出了抗生物污染膜，能有效減輕假單胞菌懸液對(duì)陽(yáng)離子交換膜的生物污染[46]。

4 結(jié)論與展望

電滲析作為一項(xiàng)新興的分離技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于包括氨基酸分離在內(nèi)的生物工程各領(lǐng)域中，它具有操作簡(jiǎn)單，成本低和無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，也存在離子交換膜易受到膜污染等缺點(diǎn)。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，電滲析新技術(shù)和新應(yīng)用層出不窮。雙極膜電滲析(bipolar membrane electrodialysis，BMED)技術(shù)是傳統(tǒng)電滲析技術(shù)的延伸，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于有機(jī)酸生產(chǎn)和食品工業(yè)等領(lǐng)域[47]。反向電滲析(reverse electrodialysis，RED)則是一種基于電滲析原理的新能源技術(shù)，利用溶液之間的鹽濃度差，在離子交換膜之間產(chǎn)生離子的定向遷移，將化學(xué)勢(shì)能直接轉(zhuǎn)化為電能。此外，電滲析技術(shù)還可以與其他技術(shù)聯(lián)用，如電滲析與超濾膜結(jié)合，可以用來(lái)分離生物活性肽[48]。電去離子技術(shù)(electrodeionization，EDI)是將電滲析與離子交換技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，目前已成為商業(yè)上生產(chǎn)超純?nèi)ルx子水的主流技術(shù)，在電子、制藥和生物行業(yè)有重要的應(yīng)用價(jià)值[49]。電解滲析(electro-electrodialysis，EED)是電滲析技術(shù)和電解技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，可用于分離生產(chǎn)鹽酸、硫酸和乳酸等產(chǎn)品[50]。電滲析技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，也能夠推進(jìn)其在氨基酸分離領(lǐng)域的應(yīng)用，并有望在氨基酸的分離效率和產(chǎn)品純度方面取得突破。