集成操作的化學(xué)工程論文范文

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1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1)了解發(fā)酵過程與雙極膜電滲析集成的基本理論。2)熟悉發(fā)酵罐與雙極膜電滲析的基本操作。3)研究發(fā)酵過程與雙極膜電滲析集成操作的最佳條件。

2實(shí)驗(yàn)原理

在發(fā)酵生產(chǎn)乳酸的過程中，乳酸的不斷產(chǎn)生會(huì)造成發(fā)酵液的pH不斷下降。pH過低會(huì)影響發(fā)酵液中乳酸菌種的活性，甚至造成乳酸菌種死亡，直接影響發(fā)酵過程的效率。傳統(tǒng)的乳酸提取工藝如圖1左圖所示，是在發(fā)酵液中投加生石灰或碳酸鈣來(lái)中和產(chǎn)生的乳酸，以維持發(fā)酵液的pH在中性范圍。由于發(fā)酵液中加入的生石灰或碳酸鈣會(huì)產(chǎn)生大量難以有效處理的硫酸鈣副產(chǎn)物，不符合現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)綠色化和環(huán)境化的理念。乳酸發(fā)酵的現(xiàn)代生產(chǎn)工藝流程見圖1右圖，整個(gè)工藝流程包含了發(fā)酵、脫色、超濾、雙極膜電滲析等過程。結(jié)合上述工藝流程，實(shí)驗(yàn)室相應(yīng)開設(shè)出乳酸發(fā)酵實(shí)驗(yàn)、發(fā)酵液預(yù)處理———超濾和脫色實(shí)驗(yàn)、乳酸鹽轉(zhuǎn)化為乳酸———雙極膜電滲析實(shí)驗(yàn)以及發(fā)酵過程與雙極膜電滲析集成操作實(shí)驗(yàn)。本文重點(diǎn)介紹將發(fā)酵過程與雙極膜電滲析進(jìn)行集成操作的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。對(duì)經(jīng)過預(yù)處理的(脫色和超濾后的)發(fā)酵液進(jìn)行雙極膜電滲析，得到乳酸;同時(shí)將雙極膜電滲析產(chǎn)生的堿用于發(fā)酵過程的pH調(diào)節(jié)。從而實(shí)現(xiàn)了在提取回收乳酸產(chǎn)品的同時(shí)，又能進(jìn)行乳酸的發(fā)酵生產(chǎn)。實(shí)驗(yàn)中的乳酸發(fā)酵和雙極膜電滲析是一個(gè)集成過程，而不是連續(xù)操作的過程。雙極膜電滲析的原理如圖2所示。圖2中的雙極膜電滲析是用雙極膜代替普通電滲析的部分陰、陽(yáng)膜或者在普通電滲析的陰、陽(yáng)膜之間加上雙極膜構(gòu)成的。雙極膜電滲析的最基本應(yīng)用是在反向偏向電壓下產(chǎn)生水解離生成H+和OH－，分別與鹽陰離子(X－)、鹽陽(yáng)離子(M+)結(jié)合生產(chǎn)酸(HX)和堿(MOH)。從而在集成操作的過程中，實(shí)現(xiàn)了在將乳酸鹽轉(zhuǎn)化為乳酸的同時(shí)，可以生成堿液(乳酸鹽為MX，可以產(chǎn)生堿液MOH)。在提取乳酸的同時(shí)，將副產(chǎn)物(堿液MOH)返回至發(fā)酵過程，對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行pH調(diào)節(jié)，使副產(chǎn)物得到再次利用，從而實(shí)現(xiàn)了新型化工生產(chǎn)追求的過程集成性和高效性，并減少了原料或產(chǎn)品的周轉(zhuǎn)過程。

3實(shí)驗(yàn)材料、儀器和試劑

3．1實(shí)驗(yàn)試劑乳酸發(fā)酵菌種:植物乳桿菌;發(fā)酵液500mL;電極室用水:0．3mol/L的Na2SO4溶液1000mL(陰極室和陽(yáng)極室各500mL);酸室和堿室為蒸餾水。發(fā)酵培養(yǎng)基每升含:蛋白胨10g、牛肉膏10g、酵母粉5g、葡萄糖50g、乙酸鈉2g、檸檬酸二胺2g、吐溫-801g、磷酸氫二鉀2g、七水硫酸鎂0．2g、一水硫酸錳0．05g。

3．2實(shí)驗(yàn)儀器恒溫振蕩器、高壓蒸汽滅菌鍋、發(fā)酵罐、干燥箱、電子天平、pH計(jì)、生物傳感分析儀、分光光度計(jì)、冰柜。其他常規(guī)實(shí)驗(yàn)器皿:燒杯、量筒、玻璃棒、酒精燈、接種環(huán)、培養(yǎng)皿、移液管等。直流穩(wěn)壓電源;明道式電滲析膜堆一套，外配容量為1000mL的燒杯5只，硅膠管(約0．5m)10根;小型潛水泵5個(gè)。按照?qǐng)D3，通過發(fā)酵罐控制主機(jī)箱上的蠕動(dòng)泵，將雙極膜電滲析的堿液隔室與發(fā)酵罐進(jìn)行連接。為了降低發(fā)酵罐中染雜菌的風(fēng)險(xiǎn)，必須對(duì)連接的管子進(jìn)行滅菌操作。發(fā)酵罐內(nèi)由pH計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)pH低于設(shè)定值時(shí)，由蠕動(dòng)泵自動(dòng)將雙極膜電滲析的堿液隔室中的堿液泵入發(fā)酵罐進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于軟管內(nèi)是強(qiáng)堿環(huán)境，故堿液室與發(fā)酵罐之間的連接管不需要進(jìn)行滅菌操作。

4實(shí)驗(yàn)步驟

4．1雙極膜電滲析的準(zhǔn)備(1)組裝膜堆:按“陽(yáng)極板—隔板—雙極膜—隔板—陰膜—隔板—陽(yáng)膜—隔板—雙極膜—陰極板”順序組裝膜堆，用長(zhǎng)螺桿釘壓緊膜堆。為了確保裝置的嚴(yán)密性，應(yīng)使隔板之間的墊圈厚度不超過墊圈槽，并使雙極膜的陽(yáng)膜側(cè)朝向陰極板。此外，在用螺釘壓緊裝置時(shí)，應(yīng)注意均勻用力，以防止裝置變形甚至斷裂。(2)連接外圍設(shè)備:在隔板出口分別連接出水管和進(jìn)水管。將進(jìn)水管與外置燒杯中的潛水泵出口連接，將出水管的出口端連接到燒杯中，以確保循環(huán)通路暢通。(3)注入料液和電極水:在鹽室中注入料液，在極室中注入電極水，在酸室和堿室中注入蒸餾水，此過程應(yīng)保證料液淹沒潛水泵。對(duì)于雙極膜電滲析，應(yīng)在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將各個(gè)隔室、燒杯和潛水泵內(nèi)的料液或電解質(zhì)溶液清洗干凈。若長(zhǎng)期不用，應(yīng)將裝置拆卸還原，并確保各組件干燥和清潔。

4．2發(fā)酵過程的準(zhǔn)備(1)種子培養(yǎng)基的培養(yǎng):配制一定量的種子培養(yǎng)基，并在高壓蒸汽滅菌鍋中滅菌。滅菌條件為:121℃，20min。待培養(yǎng)基冷卻至室溫后，取新鮮斜面菌種，接入種子培養(yǎng)基中，在轉(zhuǎn)速為150r/min的搖床中培養(yǎng)24h，溫度恒定在37℃。(2)發(fā)酵罐滅菌:將配制好的發(fā)酵培養(yǎng)基加入到發(fā)酵罐中，此處應(yīng)注意體積不能超過發(fā)酵罐總體積的2/3。然后將發(fā)酵罐和培養(yǎng)基一起放入滅菌鍋中進(jìn)行滅菌。(3)火焰接種法:先用醫(yī)用酒精擦拭接種口;在火圈中加入酒精，點(diǎn)燃后套在接種口上;關(guān)小空氣進(jìn)氣閥，調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)，降低罐壓，打開接種口蓋;在火焰范圍內(nèi)打開種子培養(yǎng)基的瓶塞，在火焰上燒灼幾秒鐘后，迅速將種子液倒入發(fā)酵罐中;在火焰上燒灼接種口蓋子數(shù)秒后，迅速蓋好接種口蓋，關(guān)閉空氣進(jìn)氣閥。(4)發(fā)酵培養(yǎng):接種結(jié)束后，對(duì)發(fā)酵培養(yǎng)過程的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，開始培養(yǎng)。發(fā)酵過程中要打開冷凝器水閥。具體操作參數(shù):轉(zhuǎn)速為150r/min;溫度為37℃;pH為6．7。

4．3發(fā)酵罐與雙極膜電滲析集成操作過程的監(jiān)測(cè)在集成操作過程中，要對(duì)發(fā)酵罐和雙極膜電滲析同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，防止任一方出現(xiàn)問題導(dǎo)致集成操作失敗。發(fā)酵過程:①通過發(fā)酵罐的主機(jī)控制發(fā)酵的pH條件、溶氧濃度和實(shí)驗(yàn)溫度。每1h記錄pH、溫度和溶氧濃度，通過數(shù)據(jù)判斷發(fā)酵過程是否正常;②每4h測(cè)量殘余葡萄糖的量、生物量和乳酸的生成量，以判斷細(xì)菌的生長(zhǎng)情況和乳酸的生成情況。雙極膜電滲析過程:①雙極膜電滲析過程調(diào)整穩(wěn)壓電源的電壓和電流值來(lái)控制實(shí)驗(yàn)條件，每1h記錄電壓、電流。②每4h測(cè)量酸室中的乳酸濃度、堿室濃度和堿室堿液體積。

5分析方法

5．1葡萄糖和乳酸的測(cè)量在發(fā)酵過程中，要間斷地取樣進(jìn)行監(jiān)測(cè)。發(fā)酵液中含有有機(jī)酸鹽、無(wú)機(jī)鹽、菌絲體、蛋白質(zhì)、脂肪和糖類等。雙極膜電滲析過程的料液是經(jīng)過超濾和脫色之后的發(fā)酵液，主要成分為有機(jī)酸鹽(主要為乳酸鹽)和無(wú)機(jī)鹽類物質(zhì)。實(shí)驗(yàn)中使用生物傳感分析儀獲得葡萄糖和乳酸含量。

5．2生物量的測(cè)量在發(fā)酵過程中，要及時(shí)監(jiān)測(cè)乳酸菌的生長(zhǎng)情況。取樣后，用0．3mol/L的稀鹽酸溶液稀釋，目的是消除一些沉淀性鹽的影響。在波長(zhǎng)為600nm處，測(cè)量吸光度。

6實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

(1)發(fā)酵實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，需要完成乳酸發(fā)酵液的初步提取工作。應(yīng)及時(shí)向發(fā)酵罐中加入NaHCO3，使pH升高到10左右。同時(shí)升高溫度至90℃，使菌體和其他懸浮物下沉。發(fā)酵原液澄清后，將上清液收集到塑料桶中，放入冰柜中保存并用于下一步的提純。對(duì)澄清后的沉淀物集中進(jìn)行處理。(2)在利用發(fā)酵罐控制主機(jī)進(jìn)行發(fā)酵液pH調(diào)節(jié)時(shí)，要控制堿液的添加速度，以使堿液與發(fā)酵液充分混合反應(yīng)，并確保發(fā)酵液的pH不被調(diào)節(jié)得過高而影響微生物生長(zhǎng)。(3)如果裝置發(fā)生泄漏，應(yīng)盡快壓緊裝置;如果情況得不到改善，應(yīng)拆卸裝置、查找原因(或更換墊圈、或增加墊圈厚度等)。在實(shí)驗(yàn)完畢后，應(yīng)將隔室、燒杯和潛水泵內(nèi)的料液或電解質(zhì)溶液清洗干凈。若長(zhǎng)期不用，應(yīng)拆卸還原裝置，并確保各組件干燥和清潔。7結(jié)語(yǔ)本文介紹的發(fā)酵過程與雙極膜電滲析的集成操作實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)了化學(xué)工程學(xué)科發(fā)展的新方向。從實(shí)驗(yàn)教學(xué)的角度來(lái)講，教師將適合的科研內(nèi)容向?qū)嶒?yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行轉(zhuǎn)化，可使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與學(xué)科前沿同步，做到科研與教學(xué)密切聯(lián)合，相互促進(jìn);從實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果來(lái)看，通過在2012年夏季實(shí)驗(yàn)課程中的開展，有助于豐富學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)原創(chuàng)思想，提高科研素質(zhì);更重要的是能使學(xué)生改變傳統(tǒng)的化學(xué)工程反應(yīng)觀念，激發(fā)對(duì)新型化學(xué)工程學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣。根據(jù)兩年來(lái)的教學(xué)實(shí)踐，我們認(rèn)為發(fā)酵過程與雙極膜電滲析的集成操作是一個(gè)值得推廣的化學(xué)工程實(shí)驗(yàn)。

作者：馮紅艷徐銅文王曉林楊偉華單位：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心