【技术领域】
本发明涉及稳定同位素技术及饮用水和环保水处理领域，具体涉及一种以大麦为载体用生物技术富集与分离的低氘水。
背景技术：
低氘水也称超轻水和贫氘水。低氘水是一种稳定同位素产品，低氘水应用技术研究近年来获得较大进展。研究发现，低氘水具有活化免疫细胞、改善机体基础代谢水平、抗细胞突变和延缓衰老等功能，有利于生命体的生长和繁衍，拓展了低氘水的用途。
“纵观国内外的研究报道，低氘水主要以水为原料，采取分离方法制备而得。低氘水的分离原理虽然简单，但由于天然水中氘同位素丰度极少且氢同位素的分离系数小，因此分离氘是很困难的，力求寻找能耗低、投资少、经济上适合工业规模的生产方法是研究重点。就分离方法而论，低氘水的分离方法有化学交换法、蒸馏法、电解法、热扩散法、膜扩散吸附法、离心法、激光法等方法以及上述几种方法的组合，但作为工业化生产的方法主要推荐化学交换法和蒸馏法”①。
化学交换法如：水/氢双温交换法分离氢同位素是基于氢同位素在各反应分子间平衡分布不是等几率的，交换反应的分离系数a0随温度变化而变化，温度越高，a0越趋于1。在冷塔内氘自气相向液相中富集，因温度升高后a0减小，所以在热塔中将发生相反的传质过程，即氘又从液相转入气相内。这样利用低温主塔即冷塔进行富集，用高温辅助塔即热塔实现相转换，从而达到水被贫化形成低氘水。但水/氢双温交换法实现低氘水工业化的最大障碍和缺点是交换过程必须使用催化剂。
蒸馏法如：高塔分层蒸馏法即水蒸馏法是基于氢或含氢化合物的两种组成(如h2o和d2o)的不同挥发性，同位素分离发生在气、液两相共存期间。蒸馏过程一般是在装有若干塔板或填料的蒸馏塔内进行，每一块塔板或一个传质单元形成一个逆流循环的矩形级联，液相和气相在塔内逆流流动，蒸汽在上升过程中逐渐富集了挥发较高的组分，如h2o。液体在逐级溢流到塔底的过程中，富集了挥发性较低的组分，如dho和d2o。塔顶有冷凝器使蒸汽凝结后回流塔内，塔底有蒸馏釜将一部分液体蒸发以提供上升气流。水蒸馏法优点是不需要使用催化剂、化学试剂，生产工艺简单、成熟。其缺点是由于水的两种组分的挥发性差别很小，水蒸馏法的分离系数很小，约1.031.06，因此，需要串联很多分离级，故设备高大、复杂，建设投资大。蒸馏时，在塔釜要消耗大量热能使水转变成蒸汽，在塔顶又要消耗大量冷却水使蒸汽再冷凝成水，水气的回流需要各分离级之间的流量要比净供料量大许多倍，因此，生产过程中需要处理的水量非常大，能源消耗大，运行费用高。
自2000年以来，中国以低氘水、超轻水和贫氘水制备方法公告的发明专利就有几十个，而比较有代表性的低氘水(超轻水)品牌有：大连世纪新源技术开发有限公司的云端飘雪超轻水②；江苏奥特泉超轻水饮料有限公司的华福天下低氘水、奥特泉超轻水③；河南无极生物工程技术有限公司的康泽泉低氘水④；上海上善若水生物工程有限公司的颐道源超轻水⑤。从这几个品牌效应最大的低氘水制备技术和专利看，尽管他们在低氘水分离技术上都采取了更为先进的方法，但无一例外都是以水为主要原料，在传统重水分离技术基础上，采用化学交换法和蒸馏法制备低氘水。
其实，在众多重水分离方法中，有一种方法虽然也被记载，但一直未被应用，这就是“生物法”。“生物学同位素效应”理论是美国科学家路易斯等科学巨人20世纪30年代针对重水浓集研究在实验室做出的：“大麦粒在发芽时优先吸收轻水，剩液中富集了重水；锂被酵母吸收后，也可以富集锂6。以上均表明发生了同位素的生物学分离”⑥。上世纪60年代曾有人以《重水与啤酒》为题，这样形象刻画“生物学同位素效应”原理：“在生物中有些生物能够有选择地吸收同一元素的不同的同位素。瑞典科学家发现，自然界中有种微型的分离同位素氢的“工厂”，这就是大麦粒。它只吸收普通的水，而不吸收重水。正因为这样，麦粒制啤酒的水，其中重水浓度大大增加。这个实验已经做过，这一不可理解的生物分离同位素的现象，还没获得实际应用”。八十多年来，国内外关于利用大麦生物法分离重水的学术文章并不多，无非是在谈及大麦的综合利用时附带一笔：“在化工上，大麦可以提取超氧化物岐化酶和重水⑦”。
尽管大麦分离重水技术未被应用，但重水分离的“生物学同位素效应”却无时不刻被世人消费着。以麦芽生产为例，大麦从精选、浸麦、发芽以及緑麦芽的生成，如果站在稳定同位素生物分离技术领域，这是一个不折不扣的“大麦粒发芽时优先吸收轻水”的生物富集过程。但站在麦芽生产企业的角度，或因设备投资和成本；或因最佳干燥工艺的选择，只能把緑麦芽体内富集的氢同位素(低氘水)，用干燥方法脱水分离成凝结水后，白白排放掉。以青岛啤酒麦芽平度分厂为例：其干燥工序的主要设备是一台水平式三层干燥炉，由一楼加热室四组十六片sr×10型散热器产生的热空气经混合室混合后依次烘干三格、二格、一格的麦芽。一个生产单元日投料量40顿大麦，每天烘干麦芽约33顿，每天约有35——60顿麦芽干燥凝结水形成……。这些凝结水除少部分蒸汽凝结水在冬季用于车间取暖外，大部分凝结水被白白排放掉”⑧。稳定同位素生物分离技术与水平式三层干燥炉分离技术从表面看，是截然不同两种跨界技术，当因需要把这两种跨界技术融合在一起时，会发现造成绿麦芽干燥凝结水弃之不用的原因，就在于绿麦芽干燥初段所采取的低温、大风量排潮工艺。低温、大风量风干緑麦芽时，能随机带入大量的自然空气，这些自然空气都含有少量水分，这少量水分中也含有同自然水一样的氘丰度(145ppm——150ppm)。当这些自然空气中的少量水分同緑麦芽干燥产生的水汽交融在一起时，势必导致绿麦芽干燥凝结水的氘丰度增加。从大连某麦芽厂两次取样检验看：2016年3月17日第一次麦芽干燥凝结水取样，在大连世纪新源技术开发有限公司做的检验，氘丰度146ppm⑨；2016年4月11日第二次麦芽干燥凝结水取样，在北京北达燕园微构分析测试中心有限公司做的检验，氘丰度154.39ppm⑩。所以说绿麦芽干燥的低温、大风量排潮工艺，是造成绿麦芽干燥凝结水氘丰度增高以致被弃之不用的主要原因。2016年中国啤酒行业累计产量4506.4万顿，按干麦芽与水1；5计算，当年干麦芽使用量900万吨；若再按干麦芽与凝结水1∶1比例计算，全国啤酒麦芽企业每年排放掉地绿麦芽烘干凝结水约1000万吨左右。
技术实现要素：
为克服现今低氘水的技术不足，针对绿麦芽干燥凝结水白白排放的问题，本发明根据“生物学同位素效应”原理，提供“一种以大麦为载体用生物技术富集与分离的低氘水”。与现有技术以水做主要原料不同，本发明首次以禾本植物大麦作为低氘水生产的主要原料。大麦有选择性吸收和自然生物富集低氘水的特性，基于这种特性，本发明以大麦作为稳定同位素分离的载体，采用生物技术富集与分离氢同位素(低氘水)，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
(1)低氘水原料：大麦
(2)低氘水生物富集：让大麦通过精选、浸麦和发芽等工艺流程，生物转化成体内富集43％——47％低氘游离水的緑麦芽；
(3)低氘水分离：采取真空干燥技术，将富集在緑麦芽体内38％——42％的低氘游离水分离和提取。
(4)低氘水净化处理。采取反渗透水处理技术，将低氘游离水净化提纯，得到氘丰度为125ppm以下的成品低氘水。
本发明的有益效果是：综合生产成本低；能源消耗少；节省水资源；环境污染小；能为社会和人们提供一种绿色生态饮用水。“一种以大麦为载体用生物技术富集与分离的低氘水”除了可应用于普通饮用水领域外，也可应用于低氘水啤酒、低氘水白酒、低氘水威士忌、低氘水白兰地、低氘水米酒、富硒低氘水、低氘水饮料、低氘水食品、低氘水生理盐溶液、低氘水药用溶剂、低氘水化妆品等诸多生产领域。
【附图说明】
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
附图为本发明的系统结构图
图中：①大麦精选；②浸麦槽；③发芽箱；④緑麦芽；⑤真空干燥系统；⑥冷凝系统；⑦低氘生物游离水储罐⑧低氘水净化系统；⑨成品低氘水储罐；⑩成品低氘水包装系统。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施例，对本发明做进一步的说明：主原料大麦进入→①大麦精选，在大麦精选工序去除秸秆和沙石等杂物后，进入→②浸麦槽，在浸麦工序，先用水洗涤去除大麦粒浮沉、灰分和微生物，后三浸三断浸麦，待浸麦度达到43％-47％时，进入→③发芽箱，在发芽工序，吸足水的大麦粒通过淋水、控温、通风和增氧等技术手段，最终生物转化成体内富集低氘水的④绿麦芽。生成的緑麦芽再通过传送设备进入→⑤真空干燥系统，在真空干燥工序，烘焙绿麦芽时分离的水气经过干法和湿法过滤后，通过管路流入→⑥冷凝系统，冷凝系统把真空干燥緑麦芽时分离的水汽冷凝成水，再通过管路流入→⑦低氘生物游离水储罐，储罐里的低氘生物游离水再通过管路流入→⑧低氘水净化系统，在低氘水净化系统，低氘生物游离水得到充分净化水处理，生成可饮用的成品低氘水，然后通过管路流入→⑨成品低氘水储罐，储罐里的成品低氘水可根据生产安排，再通过管路流入→⑩成品低氘水包装系统，低氘水包装成品待售(真空干燥系统至成品低氘水包装系统的所有设备及管路均采用304不锈钢设计)。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人都可利用现有传统麦芽生产工艺，得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是在低氘水生产上，以大麦或小麦为载体，采取生物富集与分离技术，作出与本发明相同或相近似的产品和技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
文献引证资料：
①《化学世界》2009年第12期第748页《低氘水的制备与应用》作者：张丽雅；孔卓；陈大昌；
②大连世纪新源技术开发有限公司；发明人：徐经宇的“一种制取贫氘水的生产方法”；ipc分类号：c01b5/00；公开(公告)号：cn101985349b。
③江苏奥特泉超轻水饮料有限公司；发明人：余兆钧；徐志宏的“同位素精馏制备超轻水的方法”；ipc分类号：c01b5/00；公开(公告)号：cn101624179a。
④河南无极生物工程技术有限公司；发明人：刘宏建；谢睿新；刘洪成；杨雅珺的“一种生产低氘水的方法”；ipc分类号：b01d59/00；公开(公告)号：cn106422774a；
⑤上海上善若水生物工程有限公司；发明人：史育才；史尔勇；朱均裕；侯惠奇；何坚；卓越；郭瑜的“一种饮用超轻水的生产装置和方法”；ipc分类号：c02f9/04；c02f1/78；c02f1/28；c02f1/68；c02f1/52；公开(公告)号：cn100532297c。
⑥《稳定同位素化学》第十七卷作者：郭正谊；第40章第6节第6.7小节《生物学同位素效应》第219页——222页
⑦《大麦的利用现状及前景探讨》作者：浙江大学农业与生物技术学院陈明贤；张国平《大麦谷类科学》杂志2010年3月刊第11页-14页
⑧《变“废”为“宝”，蒸汽凝结水重复再利用》《啤酒科技》2004年第5期|任泽明李志照张雯青岛啤酒麦芽厂平度分厂
附件：
⑨大连世纪新源技术开发有限公司《水样分析检验报告单》
⑩北京北达燕园微构分析测试中心有限公司《检测报告》