专利名称：从垃圾发酵液中提取和浓缩乳酸钠的频繁倒极电渗析方法
技术领域：
本发明涉及一种乳酸钠的提取和浓缩方法及其装置。
背景技术：
电渗析(Electrodialysis，简称ED)是一种高效的膜分离技术，它利用电场，推动离子通过具有允许离子选择性透过的离子交换膜来分离提取发酵液中的乳酸，如ZL8710485.8专利所述的乳酸电渗析提取方法，其特点是分离效率高，能耗低，便于工业化生产和自动控制。自从20世纪80年代以来，有许多学者对电渗析法从发酵液中回收有机酸进行了研究。但是由于ED法的膜污染没得到有效解决而影响到它在有机酸回收领域的应用。
中国专利ZL8710485.8公开了乳酸电渗析提取工艺及设备，但是该专利没有考虑到发酵液对膜的污染，特别是垃圾发酵液对膜的污染相当严重。中国专利ZL94247861.4公开了一种电极极板为复式结构的电极装置，极性交替变换前后分别启用不同的一对电极极板，使电极极板始终工作在与该材料最佳适用的极性条件之下。但该专利解决了同一种材料的极板既作阳极又作阴极时存在容易腐蚀、寿命短的问题，而没有解决从垃圾发酵液中利用常规电渗析提取浓缩乳酸钠的过程中存在由于厨房垃圾发酵液的成分包括油脂、蛋白质等而造成膜污染的问题。
发明内容
为了解决从垃圾发酵液中提取和浓缩乳酸钠的传统电渗析方法中存在膜污染的问题，本发明提供了一种从垃圾发酵液中提取和浓缩乳酸钠的频繁倒极电渗析方法。本发明的方法解决了现有技术的不足，它可以大大降低膜的污染，而且它可以自动控制、简单易行、能够获得高浓度的乳酸钠。
本发明从垃圾发酵液中提取和浓缩乳酸钠的频繁倒极电渗析方法按以下步骤进行①、添加提取乳酸钠的所需溶液电渗析淡化罐中装入经乳酸发酵后获得的垃圾发酵液，电渗析浓缩罐中装入乳酸盐稀溶液，电渗析装置内的电极室内装入电极液；②、安装附加装置将频繁倒极电路的一个控制输出端连接电渗析装置的第一电极，将频繁倒极电路的另一个控制输出端连接电渗析装置的第二电极；通过第一二位三通方向控制阀将电渗析装置的第一进液管分别与淡化罐和浓缩罐相连通，通过第二二位三通方向控制阀将电渗析装置的第二进液管分别与淡化罐和浓缩罐相连通，通过第三二位三通方向控制阀将电渗析装置的第一出液管分别与淡化罐和浓缩罐相连通，通过第四二位三通方向控制阀将电渗析装置的第二出液管分别与淡化罐和浓缩罐相连通；③、启动装置先将四个二位三通方向控制阀置于初始工作位置，启动电渗析装置进行分离提取乳酸钠，在电渗析的过程中，每隔10～30分钟利用频繁倒极电路交换电渗析装置的第一电极和第二电极的极性一次，所述四个二位三通方向控制阀的初始工作位置是指第一进液管和第一出液管都与浓缩罐相连通、第二进液管和第二出液管都与淡化罐相连通；④、调节阀门在每一次电极发生转换后，都要调节四个二位三通方向控制阀使它工作在另一个工作位置，所述四个二位三通方向控制阀的另一工作位置是指第一进液管和第一出液管都与淡化罐相连通、第二进液管和第二出液管都与浓缩罐相连通。利用上述方法可以在浓缩罐中获得浓缩乳酸钠溶液。上述方法中所使用的频繁倒极电路由双向转换开关和单片机控制电路组成，单片机控制电路的信号控制输出端连接双向转换开关的控制端输入端，双向转换开关的两个输出端分别连接电渗析装置的第一电极和第二电极的输入端，双向转换开关的两个输入端分别连接电源的正、负极输出端。
工作原理本发明在传统的电渗析装置与电源连接之间添加了一个频繁倒极电路；所述频繁倒极电路的特点是每隔10～30分钟自动颠倒一次电渗析装置的电极极性，以使附着在离子交换膜表面的杂物脱落下来，避免膜的污染和电渗析极化；上述传统的电渗析装置主要包括第一电极、第二电极、两个进液管、两个出液管、多个阳膜、多个阴膜和隔板，如ZL8710485.8专利所述的乳酸电渗析器，它可以是一个膜堆，也可以是多个膜堆，每个膜堆中膜的对数可多可少，膜的尺寸可大可小，这些都视生产和实验的规模而定；它的电极所加电压大小，根据膜堆中膜的对数，膜的性能，膜堆的衔接方式而定；上述每个膜堆有浓缩室和淡化室两个室。由于本发明使用频繁倒极电路使电渗析提取室的两个电极每隔10～30分钟颠倒一次后，于是电渗析装置内的浓缩室和淡化室也每隔10～30分钟颠倒一次，电渗析装置内的离子流动方向也交换一次，如图3和4所示。在离子变向运动的过程中，附着在阴膜和阳膜上的杂物会因离子变换方向而自动脱离膜体，从而避免了膜的污染。如图3所示，当第一电极为正、第二电极为负时，第一进液管和第一出液管都与浓缩罐相连通并且分别作为初始时刻的浓液进液管和浓液出液管，第二进液管和第二出液管都与淡化罐相连通并且分别作为初始时刻的淡液进液管和淡液出液管，浓缩罐内的液体在浓缩室A内，淡化罐内的液体在淡化室B。当10～30分钟后，第一电极为负、第二电极为正，如图4所示，淡化室B和浓缩室A发生了倒换，为了使浓缩罐内的液体始终在浓缩室内流动、淡化罐内的液体始终在淡化室内流动，则需要利用附加的四个二位三通方向控制阀使第一进液管和第一出液管都与淡化罐相连通、第二进液管和第二出液管都与浓缩罐相连通，此时第一进液管和第一出液管则作为淡液进液管和淡液出液管、第二进液管和第二出液管则作为浓液进液管和浓液出液管。
发明效果本发明采用频繁倒极电渗析取代普通电渗析，使附着在离子交换膜表面的杂物脱落下来，降低了膜的污染，延长了膜的使用寿命，节省了成本，而且乳酸盐的回收率可达90％以上，浓缩后的乳酸盐浓度可达18％以上，还可以用于二次电渗析(双极膜电渗析)以得到纯乳酸。本发明所述提取方法同样适用于其他弱有机酸的分离提取，该方法具有成本低、工艺简单的特点。
图1是本发明的结构示意图，图中1为电渗析装置、2为频繁倒极电路、4为淡化罐、5为浓缩罐、1-1为第一电极、1-2为第二电极、1-3为第二出液管、1-4为第一出液管、1-5为第二进液管、1-6为第一进液管、6-1为第一二位三通方向控制阀、6-2为第二二位三通方向控制阀、6-3为第三二位三通方向控制阀，6-4为第四二位三通方向控制阀；图2是本发明的频繁倒极电路2的电路结构图；图3是电渗析装置1的第一电极1-1为正、第二电极为负时的电渗析装置1的内部离子、液体流向示意图，图中A为浓缩室、B为淡化室、1-7为电极室；图4是电渗析装置1的第一电极1-1为负、第二电极1-2为正时的电渗析装置1的内部离子、液体流向示意图。
具体实施例方式
具体实施方式
一参见图1和图3，本具体实施方式
的方法按以下步骤进行①、添加提取乳酸钠的所需溶液电渗析淡化罐4中装入经乳酸发酵后获得的垃圾发酵液，电渗析浓缩罐5中装入乳酸盐稀溶液，电渗析装置1内的电极室1-7内装入电极液；②、安装附加装置将频繁倒极电路2的一个控制输出端连接电渗析装置1的第一电极1-1，频繁倒极电路2的另一个控制输出端连接电渗析装置1的第二电极1-2；通过第一二位三通方向控制阀6-1将电渗析装置1的第一进液管1-6分别与淡化罐4和浓缩罐5相连通，通过第二二位三通方向控制阀6-2将电渗析装置1的第二进液管1-5分别与淡化罐4和浓缩罐5相连通，通过第三二位三通方向控制阀6-3将电渗析装置1的第一出液管1-4分别与淡化罐4和浓缩罐5相连通，通过第四二位三通方向控制阀6-4将电渗析装置1的第二出液管1-3分别与淡化罐4和浓缩罐5相连通；③、启动装置先将四个二位三通方向控制阀置于初始工作位置，启动电渗析装置1进行分离提取乳酸钠，在电渗析的过程中，每隔10～30分钟利用频繁倒极电路2交换电渗析装置1的第一电极1-1和第二电极1-2的极性一次，所述四个二位三通方向控制阀的初始工作位置是指第一进液管1-6和第一出液管1-4都与浓缩罐5相连通、第二进液管1-5和第二出液管1-3都与淡化罐4相连通，如图3所示；④、调节阀门在每一次电极发生转换后，都要调节四个二位三通方向控制阀使它工作在另一个工作位置，所述四个二位三通方向控制阀的另一工作位置是指第一进液管1-6和第一出液管1-4都与淡化罐4相连通、第二进液管1-5和第二出液管1-3都与浓缩罐5相连通，如图4所示。当电渗析装置1的两个电极的极性每隔一段时间发生交换后，所用的四个二位三通方向控制阀也在上述两个位置之间转换。上述电渗析装置1的工作电压为15～32伏。
上述方法中所使用的频繁倒极电路2由双向转换开关2-1和单片机控制电路2-2组成，单片机控制电路2-2的信号控制输出端连接双向转换开关2-1的控制端输入端，双向转换开关2-1的两个输出端分别连接电渗析装置的第一电极1-1和第二电极1-2的输入端，双向转换开关2-1的两个输入端分别连接电源3的正、负极输出端。
具体实施方式
二参见图1，本具体实施方式
的第一步中发酵液为1000毫升，乳酸盐溶液为200毫升，电极液采用稀硫酸；第三步在电渗析的过程中，每隔15分钟利用频繁倒极电路2交换电渗析装置1的第一电极1-1和第二电极1-2的极性一次，12个小时后结束，即可在浓缩罐获得所需浓缩乳酸钠溶液。其它方法的步骤和装置与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三参见图2，本具体实施方式
与具体实施方式
二的不同点是在频繁倒极电路2中，所述转换开关2-1采用双转换触点的电磁继电器2-1-1，所述单片机控制电路2-2由单片机IC1、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、晶振X1、三极管T1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和直流电源VCC组成，单片机IC1采用的型号为AT89C2051，单片机IC1的16、17、18、19脚并接在一起，单片机IC1的16脚通过第二电阻R2与三极管T1的基极连接，三极管T1的发射极接地，三极管T1的集电极连接第四电阻R4的一端和电磁继电器2-1-1的励磁线圈的正极端，第四电阻R4的另一端连接直流电源VCC的输出端，电磁继电器2-1-1的励磁线圈的负极端接地，电磁继电器2-1-1的第一组转换触点K1的公共端连接电源3的正极输出端，电磁继电器2-1-1的第二组转换触点K2的公共端连接电源3的负极输出端，电磁继电器2-1-1的第一组转换触点K1的常闭触点连接电渗析提取室1的第二电极1-2的电源输入端和电磁继电器2-1-1的第二组转换触点K2的常开触点，电磁继电器2-1-1的第一组转换触点K1的常开触点连接电磁继电器2-1-1的第二组转换触点K2的常闭触点和电渗析提取室1的第一电极1-1的电源输入端，单片机IC1的1脚连接第二电容C2的一端和第三电阻R3的一端，第三电阻R3的另一端连接直流电源VCC的输出端，第二电容C2的另一端接地，单片机IC1的4脚连接晶振X1和第三电容C3的一端，晶振X1的另一端连接单片机IC1的5脚和第四电容C4的一端，第三电容C3的另一端、第四电容C4的另一端和单片机IC1的10脚都接地，单片机IC1的20脚连接直流电源VCC的输出端和第一电容C1的一端，第一电容C1的另一端接地。其他组成和连接关系与具体实施方式
二中装置的结构相同。本具体实施方式
中单片机IC1内存储有控制电磁继电器2-1-1每隔15分钟转换闭合一次的汇编程序，它首先初始化将单片机IC1的16脚设为高电平，并设置定时器20ms中断一次，然后启动定时计数器，当定时计数器计到750时为15分钟，这时反转单片机IC1的16脚的电平，控制电磁继电器2-1-1动作使电渗析提取室1的第一电极1-1和第二电极1-2的极性交换一次。
权利要求
1.从垃圾发酵液中提取和浓缩乳酸钠的频繁倒极电渗析方法，其特征在于所述频繁倒极电渗析方法按以下步骤进行①、添加提取乳酸钠的所需溶液电渗析淡化罐(4)中装入经乳酸发酵后获得的垃圾发酵液，电渗析浓缩罐(5)中装入乳酸盐稀溶液，电渗析装置(1)内的电极室(1-7)内装入电极液；②、安装附加装置将频繁倒极电路(2)的一个控制输出端连接电渗析装置(1)的第一电极(1-1)，频繁倒极电路(2)的另一个控制输出端连接电渗析装置(1)的第二电极(1-2)；通过第一二位三通方向控制阀(6-1)将电渗析装置(1)的第一进液管(1-6)分别与淡化罐(4)和浓缩罐(5)相连通，通过第二二位三通方向控制阀(6-2)将电渗析装置(1)的第二进液管(1-5)分别与淡化罐(4)和浓缩罐(5)相连通，通过第三二位三通方向控制阀(6-3)将电渗析装置(1)的第一出液管(1-4)分别与淡化罐(4)和浓缩罐(5)相连通，通过第四二位三通方向控制阀(6-4)将电渗析装置(1)的第二出液管(1-3)分别与淡化罐(4)和浓缩罐(5)相连通；③、启动装置先将四个二位三通方向控制阀置于初始工作位置，启动电渗析装置(1)进行分离提取乳酸钠，在电渗析的过程中，每隔10～30分钟利用频繁倒极电路(2)交换电渗析装置(1)的第一电极(1-1)和第二电极(1-2)的极性一次，所述四个二位三通方向控制阀的初始工作位置是指第一进液管(1-6)和第一出液管(1-4)都与浓缩罐(5)相连通，第二进液管(1-5)和第二出液管(1-3)都与淡化罐(4)相连通；④、调节阀门在每一次电极发生转换后，都要调节四个二位三通方向控制阀使它工作在另一个工作位置，所述四个二位三通方向控制阀的另一工作位置是指第一进液管(1-6)和第一出液管(1-4)都与淡化罐(4)相连通，第二进液管(1-5)和第二出液管(1-3)都与浓缩罐(5)相连通。
2.根据权利要求1所述的从垃圾发酵液中提取和浓缩乳酸钠的频繁倒极电渗析方法，其特征在于所述电渗析装置(1)的工作电压为15～32伏。
3.根据权利要求1所述的从垃圾发酵液中提取和浓缩乳酸钠的频繁倒极电渗析方法，其特征在于所述电极液采用稀硫酸。
4.根据权利要求1所述的从垃圾发酵液中提取和浓缩乳酸钠的频繁倒极电渗析方法，其特征在于所述频繁倒极电路(2)由双向转换开关(2-1)和单片机控制电路(2-2)组成，单片机控制电路(2-2)的信号控制输出端连接双向转换开关(2-1)的控制端输入端，双向转换开关(2-1)的两个输出端分别连接所述电渗析提取室(1)的第一电极(1-1)和第二电极(1-2)的输入端，双向转换开关(2-1)的两个输入端分别连接电源(3)的正、负极输出端。
5.根据权利要求1所述的从垃圾发酵液中提取和浓缩乳酸钠的频繁倒极电渗析方法，其特征在于所述转换开关(2-1)采用双转换触点的电磁继电器(2-1-1)，所述单片机控制电路(2-2)由单片机(IC1)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第四电容(C4)、晶振(X1)、三极管(T1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)和直流电源(VCC)组成，单片机(IC1)采用的型号为AT89C2051，单片机(IC1)的16、17、18、19脚并接在一起，单片机(IC1)的16脚通过第二电阻(R2)与三极管(T1)的基极连接，三极管(T1)的发射极接地，三极管(T1)的集电极连接第四电阻(R4)的一端和电磁继电器(2-1-1)的励磁线圈的正极端，第四电阻(R4)的另一端连接直流电源(VCC)的输出端，电磁继电器(2-1-1)的励磁线圈的负极端接地，电磁继电器(2-1-1)的第一组转换触点(K1)的公共端连接电源(3)的正极输出端，电磁继电器(2-1-1)的第二组转换触点(K2)的公共端连接电源(3)的负极输出端，电磁继电器(2-1-1)的第一组转换触点(K1)的常闭触点连接电渗析提取室(1)的第二电极(1-2)的电源输入端和电磁继电器(2-1-1)的第二组转换触点(K2)的常开触点，电磁继电器(2-1-1)的第一组转换触点(K1)的常开触点连接电磁继电器(2-1-1)的第二组转换触点(K2)的常闭触点和电渗析提取室(1)的第一电极(1-1)的电源输入端，单片机(IC1)的1脚连接第二电容(C2)的一端和第三电阻(R3)的一端，第三电阻(R3)的另一端连接直流电源(VCC)的输出端，第二电容(C2)的另一端接地，单片机(IC1)的4脚连接晶振(X1)和第三电容(C3)的一端，晶振(X1)的另一端连接单片机(IC1)的5脚和第四电容(C4)的一端，第三电容(C3)的另一端、第四电容(C4)的另一端和单片机(IC1)的10脚都接地，单片机(IC1)的20脚连接直流电源(VCC)的输出端和第一电容(C1)的一端，第一电容(C1)的另一端接地。
全文摘要
从垃圾发酵液中提取和浓缩乳酸钠的频繁倒极电渗析方法，它涉及一种乳酸钠的提取及浓缩方法及其装置，它是为了解决从垃圾发酵液中提取及浓缩乳酸钠的传统电渗析方法中存在膜污染的问题。本发明的方法为一、添加提取乳酸钠的所需溶液；二、安装附加装置；三、启动装置在电渗析的过程中，每隔10～30分钟利用频繁倒极电路(2)交换电渗析装置(1)的第一电极(1－1)和第二电极(1－2)的极性一次；四、调节阀门在每一次电极发生转换后，都要调节四个二位三通方向控制阀使它工作在另一个工作位置。本发明的方法降低了膜的污染，延长了膜的使用寿命，节省了成本，而乳酸盐的回收率可达90％以上，浓缩后的乳酸盐浓度可达18％以上。
文档编号C07C59/00GK1820828SQ20061000965
公开日2006年8月23日 申请日期2006年1月23日 优先权日2006年1月23日
发明者汪群慧, 程桂石, 孙丽欣, 杨硕 申请人:哈尔滨工业大学