基于电渗析技术的复合氨基酸脱盐与分离

2019-12-11王艳君潘梦雅张择瑞汪家权张千峰

安徽工业大学学报（自然科学版） 2019年2期

王艳君，潘梦雅，张择瑞，汪家权，张千峰

(1.安徽工业大学分子工程与应用化学研究所，安徽马鞍山243002；2.合肥工业大学机械工程学院，安徽合肥230009)

复合氨基酸粗品原料主要来源于动物毛皮的生物降解与酸碱水解，氨基酸用于农业方面主要是改善植物的品质，在医学上可用于治疗多种疾病，在食品行业多被用于调味剂或能量补充剂，在饲料行业常被用作添加剂使用，具有促进动物生长发育，提高抗病能力，增强肉质品质，以及提高饲料利用率的作用等[1]。氨基酸是构成蛋白质的基本单位，使蛋白质具有生化活性。营养学研究表明，动物对蛋白质的需要实际上是对氨基酸的需要，蛋白质利用率高的饲料，其蛋白质应易于消化，氨基酸比例相对平衡[2]。根据这一现状，许多化学生物工作者开始对蛋白质利用率进行广泛而深入的研究，开发并生产了一系列氨基酸比例近于理想值，含有多种游离氨基酸、多肽和未知生长因子的饲料蛋白，被命名为“复合氨基酸”[3]。

目前复合氨基酸的制备工艺比较简单，所得目标产物仍会掺杂氯化钠、氯化铵等无机盐。这些无机盐若被植物体大量吸收会破环植物的细胞结构，最终导致植物死亡，若其进入土壤后，则会发生养分的固定或转化为难溶性盐，会严重影响土壤的自恢复性，为此，有必要对复合氨基酸进行脱盐处理与进一步地纯化。根据相关研究报道，主要的氨基酸脱盐方法有浓缩结晶法[4]、溶剂法[5]、离子交换法[6]、纳滤技术[7]等。然而这些方法均有一定的缺点，浓缩结晶法的脱除效率较低，只能脱除部分盐类，并且当加热到(105±2)℃时，溶液中的有机物也会随之蒸发分解，导致氨基酸的回收率降低；溶剂法在操作过程中损耗较大，而且溶剂的回收成本高；离子交换法选择性高，可去除多种重金属等特点，但离子交换树脂的价格偏高，且树脂再生时运行费用高，因此很少用在大规模的脱盐处理中；纳滤技术在生物小分子的分离方面备受关注，其分离过程无相变、无需加热、不破坏生物活性、操作压力相对较低[8]，但是纳滤膜是一种荷电膜，会对氨基酸造成损失，同样降低了氨基酸的回收率。电渗析技术用于氨基酸脱盐有诸多优势[9]，一方面操作条件温和、无相变、容易放大[10]；另一方面清洁环保，电渗析采用清洁能源电力作为脱盐驱动力，避免了大量酸碱使用；另外，电渗析技术采用水进行清洁洗涤，大量减少酸碱废液排放的同时还可提高产品的产率和纯度，提高母液回收率，增加企业产值。

本文采用具有高效阴阳离子交换膜的电渗析技术对复合氨基酸的粗品溶液进行纯化，在直流电场的驱动下，利用离子交换膜的选择透过性(即阳离子选择透过阳离子交换膜，阴离子选择透过阴离子交换膜)，以达到将复合氨基酸粗品溶液中的无机盐分离出来的目的[11-12]。

1 实验材料与方法

1.1 实验原理

电渗析是在施加电势差的影响下将盐离子从一种溶液通过离子交换膜输送到另一种溶液的分离方法，完成此过程的装置称为电渗析池，电渗析池由进料(稀释)隔室、阴离子交换膜和置于两个电极之间的阳离子交换膜形成的浓缩物(盐水)隔室组成[13]。通常在实验过程中多个电渗析池联用，交替的阴离子和阳离子交换膜形成多个电渗析池。由于电渗析中使用的膜具有选择性地输送正电荷离子或负电荷离子并且排斥相反电荷的离子的能力，因此可以通过电渗析实现电解质的有用浓缩、去除或分离。

由于电导率在很大程度上依赖于盐溶液浓度，因此可以通过检测浓室、淡室的电导率变化来判定电渗析对盐溶液的分离情况，只有确定了盐溶液浓度和电导率的关系才能进一步明确电渗析的分离和脱盐效果。

1.2 材料与设备

微型电渗析装置：极室(硫酸钠溶液)；浓缩室(500 mL自来水)；淡化室(400 mL料液：复合氨基酸与氨基酸锌螯合液)。

1.3 试验方法

利用微型电渗析装置将浓缩室和淡化室均置于水槽中，槽内加入冰块控制装置温度，在接入直流电源之前，装置循环30 min，使料液得到充分的循环和稳定。再接通电源，并控制电流恒定，离子交换膜开始运作。实验过程中，连续测量电导率，按照设定的时间记录数据；在实验结束后，将得到的浓、淡室的盐溶液进行旋转蒸发。

在室温(t=30 ℃)条件下，测定氨基酸盐溶液的电导率，其中氨基酸的浓度为5.0 mol/L,NaCl 的浓度为0.1～3.0 mol/L,记录实验数据并确定氨基酸盐溶液的浓度和电导率(K)的关系。

2 结果与分析

2.1 试验现象

料液中的一部分水含量随着试验过程中渗透压的改变而减少，试验结果见图1。淡室的氨基酸脱盐液为图1(a)中的淡黄色液体、浓室为图1(b)中的褐色盐溶液以及经过旋转蒸发后得到图1(c)中粘稠的黄褐色固态物质。

图1 电渗析试验结果Fig.1 Results of electrodialysis test

2.2 试验数据

2.2.1 电渗析浓、淡室电导率

每间隔5 min检测浓缩物隔室(浓室)A和进料隔室(淡室)B的电导率，数据见表1。由表1可知：淡室的料液经过电渗析之后，电导率由原先的73.1 μs/cm降低为12.01 μs/cm，体积从400 mL减少至100 mL以下；浓室的料液经过电渗析后电导率由2.4 μs/cm升高至116.7 μs/cm。

表1 浓、淡室电导率数据Tab.1 Conductivity data for the concentrating and desalination room

2.2.2 盐溶液浓度和电导率

在室温(t=30 ℃)条件下，测定氨基酸盐溶液的电导率，其中氨基酸的浓度为5.0 mol/L,NaCl 的浓度为0.1～3.0 mol/L,详细数据见表2。

2.3 电导率与浓度

图2为电渗析装置浓室和淡室电导率随时间的变化趋势。由图2可知：随着时间的变化，浓室的电导率不断上升，在45 min 及80 min 时进行换水，电导率经历断崖式下降后继续上升，体积增大；淡室的电导率在同步下降，且体积也明显下降。说明经过该装置处理后，料液中盐的脱除率明显增高，且由于渗透压作用料液中的大部分水进入浓室，达到一个浓缩富集的效果，其中电渗析中电压与电流波动不大，说明消耗电能较少，成本较低。

利用Origin对表2的数据进行线性拟合得到NaCl的浓度与电导率关系(图3)。由图3可知，氨基酸盐溶液中盐浓度与电导率在一定浓度范围内呈线性关系。截距为-0.205 4±0.240 4，斜率为2.957 3±0.180 8，相关系数为0.967 3，由以上数据可得直线方程K=2.957 3c(NaCl)-0.205 4。

以上分析可知，氨基酸盐溶液中的盐浓度和电导率在一定范围内呈线性关系，这说明在表1的电导率监控实验中，电导率随时间的变化是由氨基酸盐溶液中盐浓度的变化所引起的，根据拟合的线性方程计算可得知浓、淡室盐浓度变化明显，结合图2浓、淡室电导率变化图可知，使用电渗析技术对氨基酸盐溶液脱盐具有很好的脱除效果。