黄志强
上海清如环保科技有限公司 上海 201619
摘要：近十年来，电渗析法在左旋肉碱脱盐纯化生产中开始应用，并逐步替代了传统离子交换树脂柱等脱盐工艺。随着电渗析在左旋肉碱生产中逐步应用，其优势渐渐凸显。结合实际的工程项目，本文探讨了分别以AGC（旭硝子）离子交换膜，和FUJIFILM（富士）离子交换膜为核心部件的电渗析，在左旋肉碱脱盐工艺中的应用及对比分析。结果表明，在左旋肉碱脱盐工艺应用中，AGC（旭硝子）离子交换膜在肉碱收率、电耗、透水量、单位面积处理量和通电脱盐时长等方面，均优于FUJIFILM（富士）离子交换膜。AGC（旭硝子）离子交换膜在左旋肉碱脱盐纯化应用中，优势明显。
关键词：电渗析；离子交换膜；收率；能耗
1 概述
左旋肉碱，又名维生素BT，化学名β-羟基-γ-三甲铵丁酸，白色晶体或白色透明细粉状物质，在空气中易吸潮，易溶于水、酒精、碱液中。左旋肉碱本质上是一种类氨基酸，可以促进脂肪转化为能量，食物中主要来源于红色肉类。左旋肉碱能够促进运动时脂肪的消耗和分解，且在人体中不代谢，无副作用，在医疗保健等领域应用甚广。
左旋肉碱的生产方法，包括：化学合成法、基因重组技术法、提取法、消旋体拆分发、微生物发酵法等。其中，通过各种合成方法制取左旋肉碱均存在一定的问题，比如生产水平低、成本昂贵、得率低、副产物污染等。市面上主要采取合成的工艺，制取左旋肉碱。环氧氯丙烷是合成左旋肉碱的第一步原料。在不同步序中，加入化学药剂，进行合成或拆分，最终合成的左旋肉碱中含有大量的杂质铵盐等，需要通过脱盐工艺脱出杂质成分，主要应用的工艺方法有离子交换树脂柱法、萃取法等。这些方法，都有一些缺点，比如生产过程中产生大量再生废液、效率低、污染大等。近十年，电渗析法在左旋肉碱脱盐纯化生产中开始应用，并逐步替代了传统了离子交换树脂等脱盐纯化工艺。相比之下，电渗析法具有左旋肉碱物料收率高、生产效率高、废水量小、无需再生等优点。
电渗析法脱盐工艺的原理，电渗析槽两端设置电极板，中间部分阴阳离子交换膜、浓淡水隔板交替排列。当两端电极板加载直流电，在槽中形成直流电场，含盐的左旋肉碱粗品、浓水分别通过淡水隔板、浓水隔板，流过离子交换膜表面，阳离子膜、阴离子膜即选择性迁移左旋肉碱粗品中的阳、阴无机盐离子，如此左旋肉碱溶液和浓水循环过膜达到脱盐的目的。脱盐完成后的左旋肉碱溶液，可以满足进一步生产的要求。相比其他工艺方法，电渗析的优点有：
1）脱盐过程中，不引入新的杂质，且脱除一部分杂质，物料纯度高；
2）左旋肉碱中盐分过膜迁移，带走一部分水合水，有浓缩物料的优势；
3）浓水浓缩浓度高达180g/L以上，废水量少；
4）工艺简单高效，无需再生，运行稳定可靠。
本文将通过我公司参与的某化工厂的项目案例，结合电渗析试运行开机实验的生产数据，综合比较分析以两种离子交换膜为核心部件的电渗析装置，在左旋肉碱脱盐纯化中的应用情况和优势。
2 项目介绍
某化工有限公司，从事精细化工类的高新技术产品生产销售，主要生产产品有L-左旋肉碱系列。原生产工艺中左旋肉碱粗品脱盐纯化，采用离子交换树脂柱工艺脱除无机杂盐，但产生了大量的树脂再生废水，且生产运行中酸、碱消耗量大，树脂需要定期更换。为满足清洁生产要求，企业决定进行生产工艺优化革新，在左旋肉碱粗品脱盐纯化生产中，采用电渗析法脱盐工艺。
项目一期，采用一套以进口AGC（旭硝子）离子交换膜为核心部件的电渗析装置，用以验证电渗析法在左旋肉碱粗品脱盐中的效果。验证结束后，新采购一套以进口FUJIFILM（富士）膜为核心部件的电渗析装置，用以对比两种离子交换膜在左旋肉碱粗品脱盐中的效果。
3 试车运行实验
3.1 电渗析装置
项目采用清如环保公司一体化撬装装置，其集成了电渗析膜堆，辅助系统的直流电源、循环泵、流量计、水箱、自动化仪器仪表、自控系统等。两套电渗析装置的辅助系统的设备、仪器仪表配置均一样。
电渗析型号DW-3ET(220)，采用的两种离子交换膜具体参数如下。AGC（旭硝子）膜参数：膜尺寸550mm*1120mm，阳离子膜型号 CMA，阴离子膜型号 AMVW，有效膜面积0.395m2。FUJIFILM（富士）膜参数：膜尺寸550mm*1120mm，阳离子膜型号 CEM-Type II，阴离子交换膜型号 AEM-Type II，有效膜面积0.395m2。电渗析膜堆中共有220对阴阳膜，膜堆总的有效膜面积约86.9m2。
电渗析装置采用半自动控制，一键启动开机，手动调节初始开机运行的各流量、压力，直流电加载与断开、pH调节、冷却水通断、异常信号报警与停机、脱盐终点停机等均为系统自动控制。
3.2 生产工艺要求
根据某化工厂的生产情况，电渗析装置采用批次式运行设计。左旋肉碱粗品液起始电导率100~120 mS/cm，pH值 6.5~7，每批次料液体积4.5m3，左旋肉碱含量约100g/L。脱盐终点电导率5 mS/cm，左旋肉碱收率95%以上。
3.3 运行实验
3.3.1 实验过程
一期以AGC（旭硝子）离子交换膜为核心部件的电渗析，首先进行以6%氯化钠溶液为脱盐液的模拟溶液实验，评估电渗析的电流效率。当电流效率达到85%以上后，进行原料液的脱盐试运行。
（1）实验条件准备
原料液脱盐采用批次式，每批次料液4.5m3，左旋肉碱含量约100g/L，进料pH 6.5~7，初始电导率100~120 mS/cm。料液箱5m3，浓水箱5m3，极水共用1个水箱1m3。初始浓水采用电导率低于100uS/cm的纯水3m3，极水采用3%硫酸钠溶液，10%硫酸20L，用以调节极水pH。
（2）运行参数调节与记录
开机运行初始，调节脱盐液流量26m3/h时，压力约0.06MPa（不超过0.08MPa），同时调节浓缩液压力0.06MPa，流量约26~28m3/h，调节阳极液、阴极液压力0.06MPa，流量分别为1.5~1.7m3/h。极水pH值控制在2~5，脱盐运行温度控制在25~30℃。浓缩液电导率上限控制在170~180 mS/cm，自动补水，自动记录补水量。运行电流上限设置118A，运行电压上限设置90V。
直流电加载时，开始计时，开始进行数据记录，记录脱盐液箱、浓缩液箱初始液量。运行前段时，恒流模式，脱盐到一定电导率时，进入恒压模式。数据间隔0.5h记录一组，包含脱盐液、浓缩液、阳极液、阴极液等流量、压力、pH、温度、电导率、电流、电压等数值。到达设定的脱盐液电导率低值时，直流电断开，计时结束，系统进入自动停机步骤，记录停机时脱盐液箱、浓缩液箱结束时液量。
（3）数据整理与处理
将实验数据整理后，录入电子表格中。根据相应的计算公式，将需要分析项目的数据进行处理。
一期AGC膜电渗析，总计试运行了五批次左旋肉碱粗品液脱盐实验。每批次脱盐实验，均按照上述步骤进行操作并记录处理数据。
FUJIFILM（富士）离子交换膜电渗析，运行时直流电源运行电压上限设置为170V，其余仪器仪表运行参数同AGC电渗析运行参数。其总计运行了五批次原料液脱盐实验，操作、记录、数据处理同AGC电渗析实验过程。
3.3.2 分析项目
（1）通电时长t
直流电加载开始计时，到脱盐结束直流电断开为止，期间的时长，为通电时长。
t=t结-t起
t，通电时长，单位 小时（h）；t结，直流电断开时的时刻；t起，直流电加载的时刻。
（2）单位面积处理量
单位面积处理量，指单位有效膜面积上，1小时内电渗析处理的料液量。
q=Q料/（S有*t）
式中，q为单位面积处理量，单位L/（m2*h）；Q料是原料液体积，单位m3；S有是有效膜总面积，单位m2；t是通电时长，单位h。
（3）透液量
透液量指每批次脱盐通电时长内，料液体积的减少量。
q通=VD,t-VD,0
式中，q通为透液量，L；VD,0，初始时料液体积，L；VD,t，结束时料液体积，L。
（4）左旋肉碱收率
左旋肉碱收率，指脱盐完成后，终点时料液中左旋肉碱的质量比起始料液中左旋肉碱的质量。
m=m终/m起*100%
式中，m指左旋肉碱收率；m终，起始时料液中左旋肉碱的质量，单位kg；m起，脱盐终点时左旋肉碱的质量，单位kg。
（5）电耗
电耗，指每批次脱盐周期内直流电源消耗的电能。
EED=/0.8
式中，EED，是电耗，kWh；t是通电时长，s；UI为某时刻的电耗，kW；0.8，是直流电源的功率因素。
3.3.3 结果与讨论
（1）两种离子交换膜实验数据
将原始数据进行整理、数据处理、汇总，详细见表1和表2。
表1 AGC膜电渗析实验数据
序 实验1 实验2 实验3 实验4 实验5 平均值
通电时长（h） 10.45 10.42 10.45 10.5 10.7 10.5
单位处理量（L/（h*m2）） 4.96 4.96 4.95 4.6 4.74 4.85
透液量（L） 605 890 560 610 650 663
收率 98.6% 99.5% 98.7% 99.8% 99.3% 99.18%
电耗（kWh） 98 103 96 98 94 97.8
表2 FUJIFILM膜电渗析实验数据
序 实验1 实验2 实验3 实验4 实验5 平均值
通电时长（h） 14.5 14.6 14.2 15.1 14.8 14.64
单位处理量（L/（h*m2）） 3.57 3.55 3.65 3.43 3.5 3.54
透液量（L） 796 812 805 830 845 817.6
收率 94.3% 97.1% 95.2% 95.3% 97.5% 95.8%
电耗（kWh） 175 169 164 155 172 167
（2）分析实验数据
通过上述实验数据对比分析，可得出一些结论。
1）AGC膜构成的电渗析脱盐时长较FUJIFILM膜短了约4个小时；
2）FUJIFILM膜电渗析的单位处理量均值较AGC膜电渗析小约27%；
3）每批次AGC膜的透液量均值低于FUJIFILM膜约19%；
4）FUJIFILM膜的收率略低，AGC膜的收率接近100%；
5）AGC膜电渗析的电耗均值比FUJIFILM膜低约41%。
FUJIFILM膜单位处理量低于AGC膜，是导致其脱盐时间较AGC膜长的直接原因。FUJIFILM膜的透液量高于AGC膜，说明其膜内部通过离子的通道孔径较AGC膜大，是导致其左旋肉碱收率低于AGC膜的直接原因。FUJIFILM膜恒压运行电压（170V）较AGC膜恒压运行电压（90V）高，且脱盐时间长，是其每批次电耗均值高的直接原因。
从上述的试运行实验及结果表明，AGC（旭硝子）离子交换膜满足生产工艺的要求，在脱盐终点5 mS/cm时，左旋肉碱收率（99.18%）高于95%。FUJIFILM（富士）离子交换膜基本满足生产工艺要求，其左旋肉碱收率均值在95%左右。AGC膜整体上的脱盐性能优于FUJIFILM膜。
4 结语
离子交换膜是电渗析工艺的核心，其特殊的离子选择透过性，是区别于离子交换树脂的吸附功能的根本特征。因离子交换膜，电渗析法具有工艺简单、不需再生、污废水量小等优势。通过电渗析法，可以实现左旋肉碱粗品的脱盐提纯，且物料损失率低、脱盐效率高、工艺稳定等。在左旋肉碱脱盐工艺应用中，AGC（旭硝子）离子交换膜在肉碱收率、电耗、透水量、单位面积处理量和通电脱盐时长等方面，均优于FUJIFILM（富士）离子交换膜。AGC（旭硝子）离子交换膜在左旋肉碱脱盐纯化应用中，优势明显。
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