生物发酵与电膜过程耦合制备有机酸的关键科学问题研究

To solve the technological complexity, high cost and pollution problems during the conventional fermentation process for organic acid production, this project envisages an "electrodialysis with bipolar membranes, EDBM" technology to alternate the conventional "calcite precipitation" process. Based on the practical conditions for organic acids fermentation, this project takes the advantages of water dissociation in bipolar membranes. The water dissociated H+ ions can be used for organic acids salts conversion, while the dissociated OH- ions can be used to maintain the pH value in fermentation container. As a consequence, this in-situ combination of fermentation and electromembranes process realizes a closing loop between organic acids production and separation. To overcome some key scientific issues regarding the integration of fermentation and electromembrane process for organic acids production, this project focuses on life cycle assessment of EDBM process for organic acid production, the operational compatibility and uniformity between fermentation and EDBM process, the process optimization in EDBM for organic acid production, the membrane fouling mechanism and control strategy by fermentation compositions, as well as the mass transfer modeling in EDBM process. The achievement of this project can realize a continuously operation between fermentation and separation processes for organic acids production and achieve the maximal utilization of resources and pollution prevention. This project also promotes the technological developments in organic acids field, and lays some basis for green and environmental benign production in organic acids field.

为解决有机酸生物发酵生产过程中，工艺繁琐陈旧、成本高、污染大的难题，本项目提出一条新的工艺技术，即在有机酸发酵和产物分离过程中采用"双极膜电渗析法"来替代传统的"钙盐沉淀法"。本项目拟结合有机酸发酵的实际情况，利用双极膜产生的H+用于有机酸盐的转换，而产生的OH-用于调节发酵过程的pH值，可实现生物发酵和荷电膜分离的在线耦合，使有机酸生成和分离转化能同步进行。通过开展双极膜电渗析过程生产有机酸的生命周期评价、生物发酵和双极膜电渗析工艺耦合的匹配性及工艺条件优化、发酵液组分对膜污染的发生机制及其防治措施、双极膜电渗析传质过程研究，为双极膜电渗析法生产有机酸中所遇到的几个科学问题提供解决途径。本项目的成功实施，有望实现有机酸发酵过程和分离过程的连续在线操作，大大降低成本和控制环境污染源的产生，研究成果必将有力地推动有机酸行业的科技进步，也为我国有机酸发酵生产的环境化和绿色化奠定科学与技术基础。

有机酸作为一类分子结构中含有羧酸的有机化合物，在化工、食品、医药、农业等诸多行业中都有着广泛的应用。为解决有机酸生物发酵生产过程中，工艺繁琐陈旧、成本高、污染大的难题，本课题开展生物发酵与电膜过程耦合研究，在有机酸发酵和产物分离过程中采用“双极膜电渗析法”来替代传统的“钙盐沉淀法”。本课题拟结合有机酸发酵的实际情况，利用双极膜产生的H+用于有机酸盐的转换，而产生的OH-用于调节发酵过程的pH值，可实现生物发酵和荷电膜分离的在线耦合，使有机酸生成和分离转化能同步进行。因此，该集成过程不仅可实现有机酸生成和分离的一步进行，而且由于消除了产物抑制效益，有机酸产品的得率有望得到提高。整个研究工作分三部分进行。首先，为了验证生物发酵与电膜过程耦合过程的可行性，实现有机酸生成和分离同步完成，我们搭建了发酵-电渗析集成装置，设置了一个碱液储存室，通过控制电渗析过程的电流密度，研究乳酸生成和发酵过程pH值调节情况，最终实现了原位发酵和分离回收乳酸，使发酵和电膜分离两套系统的同步协调进行。其次，通过调节控制补料速度为0.24 L/h，预先添加的碱液量为1.0mol/l，电流密度大于30mAcm-2时，双极膜的产碱量可满足整个发酵过程对碱的消耗量，成功实现了连续生物发酵和双极膜电渗析转换过程。通过本项目的开展，实现有机酸发酵过程和分离过程的连续在线操作，大大降低成本和控制环境污染源的产生，研究成果必将有力地推动有机酸行业的科技进步，也为我国有机酸发酵生产的环境化和绿色化奠定科学与技术基础。