中國(guó)報(bào)告大廳網(wǎng)訊，在2025年的食品添加劑領(lǐng)域，谷氨酸鈉作為味精的主要成分，依然占據(jù)著極為重要的地位。我國(guó)乃至東亞地區(qū)對(duì)味精的需求持續(xù)穩(wěn)定，推動(dòng)著谷氨酸鈉產(chǎn)量不斷攀升，目前已達(dá) 3Mt/a 。傳統(tǒng)的谷氨酸鈉生產(chǎn)主要依賴微生物發(fā)酵法，該方法雖歷經(jīng)多年發(fā)展，但在等電點(diǎn)結(jié)晶及酸堿中和階段存在顯著弊端。大量酸堿的消耗不僅增加了生產(chǎn)成本，還產(chǎn)生了大量高濃度、難降解的有機(jī)廢水，成為制約味精行業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。在此背景下，新型生產(chǎn)工藝的研發(fā)迫在眉睫，復(fù)分解電滲析(EDM)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，為谷氨酸鈉的制備帶來了新的希望與變革。

  一、谷氨酸鈉制備工藝原理

  (一)復(fù)分解電滲析技術(shù)概述

  復(fù)分解電滲析是在常規(guī)電滲析基礎(chǔ)上發(fā)展起來的先進(jìn)技術(shù)。其膜堆內(nèi)部由兩對(duì)陰、陽離子交換膜交替排列，構(gòu)建出 2 個(gè)原料室和 2 個(gè)產(chǎn)品室。在外部電場(chǎng)的作用下，原料液室中的離子能夠依據(jù)陰、陽離子交換膜的選擇透過性進(jìn)行定向遷移，從而實(shí)現(xiàn)鹽的轉(zhuǎn)化。這種獨(dú)特的工作原理使得復(fù)分解電滲析在無機(jī)鹽制備以及高鹽廢水資源化等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，為谷氨酸鈉的清潔制備提供了新的技術(shù)路徑。

  (二)谷氨酸鈉制備的原理剖析

  在利用復(fù)分解電滲析制備谷氨酸鈉的過程中，谷氨酸銨(NH4GA)發(fā)酵液和Na2SO4溶液分別被引入原料室和置換室。在電場(chǎng)力的驅(qū)動(dòng)下，溶液中的陰、陽離子開始活躍起來。來自原料室的GA?離子和置換室的Na+離子如同受到召喚一般，穿過相應(yīng)的離子交換膜，紛紛進(jìn)入主產(chǎn)品室，二者在此結(jié)合，成功生成谷氨酸鈉(NaGA);與此同時(shí)，原料室的NH4+離子和置換室的SO42?離子也朝著副產(chǎn)品室 C2 遷移，最終形成副產(chǎn)品(NH4)2SO4。從內(nèi)部水流程來看，存在一級(jí)一段式和一級(jí)兩段式兩種模式。一級(jí)一段式中，各隔室溶液流速完全取決于進(jìn)料流量;而一級(jí)兩段式則通過在膜堆中間位置設(shè)置水流轉(zhuǎn)向隔板，巧妙地實(shí)現(xiàn)了膜堆內(nèi)部腔室流速的加倍，或者在膜堆加倍重復(fù)單元后仍能保持腔室流速處于優(yōu)選值，為優(yōu)化工藝性能提供了更多可能。

  二、實(shí)驗(yàn)材料與方法

  (一)實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備

  實(shí)驗(yàn)所采用的膜堆具有特定的尺寸規(guī)格。隔板尺寸為 150mm×300mm ，有效膜面積達(dá)234cm2(116mm×202mm)。產(chǎn)品室采用厚度為 1mm 的薄隔板，而原料室則使用厚度為 3mm 的厚隔板，以便進(jìn)行樹脂填充，增強(qiáng)傳質(zhì)效果。電極板材質(zhì)選用鈦涂釕，離子交換膜為合金離子交換膜，其膜電阻≤9Ω?cm2。在原料室中，精心填充了混合離子交換樹脂，其中 D001 陽離子交換樹脂與 D296 陰離子交換樹脂的體積比設(shè)定為 3∶2 。

  模擬工業(yè)實(shí)際情況，制備了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 10% 的NH4GA模擬發(fā)酵液。具體制備過程為：將 L - 谷氨酸加入 95L 純水中，充分?jǐn)嚢枋蛊渚鶆蚍稚?，隨后緩慢且均勻地加入氨水，同時(shí)密切監(jiān)測(cè) pH 值，將其調(diào)節(jié)至 6 - 7 左右，最后添加純水至溶液總體積為 100L，至此成功配制成符合實(shí)驗(yàn)要求的模擬發(fā)酵液。置換室 D2 采用濃度為 0.5mol/L 的Na2SO4溶液，其濃度略高于原料液，以確保原料液能夠充分轉(zhuǎn)化。主產(chǎn)品室 C1 和副產(chǎn)品室 C2 分別采用濃度為 0.04mol/L 的 NaGA 和 0.05mol/L 的(NH4)2SO4溶液，這兩種溶液提供了一定的初始鹽濃度，有助于降低 EDM 膜堆的溶液電阻，為實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行創(chuàng)造有利條件。

  (二)檢測(cè)與計(jì)算方法

  《2025-2030年全球及中國(guó)谷氨酸鈉行業(yè)市場(chǎng)現(xiàn)狀調(diào)研及發(fā)展前景分析報(bào)告》指出，實(shí)驗(yàn)過程中，運(yùn)用了多種檢測(cè)儀器和方法來獲取關(guān)鍵數(shù)據(jù)。進(jìn)水和產(chǎn)水電導(dǎo)率通過雷磁 DDS - 307A 型電導(dǎo)率儀進(jìn)行精確測(cè)定，進(jìn)水和產(chǎn)水 pH 值則借助梅特勒 FE28 型 pH 計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。進(jìn)水流量由 LM60A - YZ1515X 3B 型蠕動(dòng)泵精確控制，產(chǎn)品流量通過多次計(jì)時(shí)測(cè)量取平均值的方式計(jì)算得出。

  對(duì)于產(chǎn)品室和原料室中GA?濃度的測(cè)定，采用了旋光法。谷氨酸分子結(jié)構(gòu)中含有一個(gè)不對(duì)稱碳原子，這一獨(dú)特結(jié)構(gòu)賦予了它光學(xué)活性，能夠使偏振光面旋轉(zhuǎn)一定角度。在鹽酸濃度為 2mol/L 的特定環(huán)境中，其比旋光度為定值?；诖嗽?，通過測(cè)定溶液的旋光度，并利用公式C=L×147.13×[32+0.06×(20?t)]5000×α(其中 C 為GA?濃度，mol/L;α為測(cè)得的旋光度;L 為旋光管長(zhǎng)度，dm;t 為測(cè)量時(shí)溫度，℃;147.13 為谷氨酸相對(duì)分子質(zhì)量;32 為純谷氨酸 20℃時(shí)的比旋光度;0.06 為谷氨酸比旋光度的溫度校正系數(shù))，即可準(zhǔn)確換算得到溶液中GA?的濃度。

  在不同電流密度下，通過一系列公式對(duì)離子遷移速率、轉(zhuǎn)化率、能耗等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行表征和計(jì)算。離子遷移速率MR=N×SeCcl×VCl?CCl,0×VCl,o(其中MR為離子遷移速率，mol/(m2?h);N 為重復(fù)單元數(shù);Se為膜有效面積，0.0234m2;CCl,0、CCl分別為產(chǎn)品室進(jìn)料濃度、出水濃度，mol/L;VCl,O、VCl分別為產(chǎn)品室進(jìn)料流量、出水流 量，L/h);原料液轉(zhuǎn)化率CR=CD1,0×VD1,0CC1×VC1?CC1,0×VC1,0×100%(其中CR為原料液轉(zhuǎn)化率，%;CDU,0、CD1分別為原料室進(jìn)料濃度、出水濃度，mol/L;VD1,0、VDI分別為原料室進(jìn)料流量、出水流量，L/h);系統(tǒng)單位能耗E=CCl×VCl?CCl,0×VCl,0U×I(其中 E 為系統(tǒng)單位能耗，kWh/kgNaGA;U 為操作電壓，V;I 為膜堆電流，A);電流密度CD=10×SeI(其中CD為電流密度，mA/cm2)。這些精確的檢測(cè)和計(jì)算方法為深入研究復(fù)分解電滲析制備谷氨酸鈉工藝提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。

  (三)實(shí)驗(yàn)流程操作

  EDM 連續(xù)制備谷氨酸鈉行業(yè)的工藝過程猶如一場(chǎng)精心編排的 “離子舞蹈”。4 臺(tái)蠕動(dòng)泵按照設(shè)定好的流量，有條不紊地將原料液、置換液和 2 種低濃度產(chǎn)品液分別泵入 EDM 的 4 個(gè)隔室。在電場(chǎng)的作用下，離子們?cè)诟羰覂?nèi)進(jìn)行著定向遷移和轉(zhuǎn)化，隨后一次排出系統(tǒng)。此時(shí)，得到的產(chǎn)物包括 NaGA 產(chǎn)品液、(NH4)2SO4副產(chǎn)品液以及NH4GA、Na2SO4脫鹽水。電極液流量設(shè)定為閉路循環(huán)，其中NH4GA脫鹽水可回用至發(fā)酵工序，實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用;Na2SO4脫鹽水則可返回置換液用于繼續(xù)配制硫酸鈉溶液，進(jìn)一步提高了原料的利用率。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，利用電導(dǎo)率儀和 pH 計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品室和原料室的電導(dǎo)率、pH 值，以便及時(shí)掌握實(shí)驗(yàn)進(jìn)程和反應(yīng)情況，為后續(xù)的數(shù)據(jù)收集和分析提供依據(jù)。

  三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

  (一)一級(jí)一段 EDM 工藝影響因素探究

  1. 進(jìn)水流量的影響

  進(jìn)水流量如同一個(gè) “調(diào)節(jié)閥”，對(duì)連續(xù)式 EDM 工藝性能有著至關(guān)重要的影響。在不同進(jìn)水流量下，一級(jí)一段 EDM 在不同電流密度下系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電壓呈現(xiàn)出有趣的變化規(guī)律。在較低電流密度時(shí)，3 種進(jìn)水流量對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)電壓較為接近，但隨著電流密度逐漸增加，系統(tǒng)電壓開始線性升高。當(dāng)電流密度進(jìn)一步提高時(shí)，不同進(jìn)水流量對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)電壓差異性逐漸顯現(xiàn)出來。從GA?離子遷移速率來看，隨著電流密度增加，進(jìn)水流量越大，GA?離子遷移速率隨電流密度增加越穩(wěn)定。這是因?yàn)樵龃筮M(jìn)水流量提高了原料室離子濃度，為離子遷移提供了更多的 “動(dòng)力”，促使離子遷移速率得到一定提升。然而，增大進(jìn)水流量對(duì) NaGA 產(chǎn)品液的濃縮卻并不利。當(dāng)進(jìn)水流量從 1L/h 逐漸提高到 2L/h 時(shí)，NaGA 濃度從 0.44mol/L 降低至 0.29mol/L(電流密度35mA/cm2)。這是由于增大進(jìn)水流量使得產(chǎn)品液在膜堆的停留時(shí)間減少，停留在產(chǎn)品室內(nèi)的離子被快速稀釋。在系統(tǒng)轉(zhuǎn)化率與運(yùn)行能耗方面，轉(zhuǎn)化率的提高需要提供更大的離子驅(qū)動(dòng)力來對(duì)抗低濃度下的離子遷移阻力，這必然伴隨著系統(tǒng)能耗的增大。綜合考慮，進(jìn)水流量為 1.5L/h 時(shí)，雖然轉(zhuǎn)化率和能耗并非處于絕對(duì)最優(yōu)，但在防止因溶液 pH 值過低導(dǎo)致谷氨酸到達(dá)等電點(diǎn)而在膜表面結(jié)垢方面具有優(yōu)勢(shì)，因此選擇 1.5L/h 作為 EDM 系統(tǒng)適宜的進(jìn)水流量。

  2. 產(chǎn)品室 / 原料室進(jìn)水流量比的影響

  在連續(xù)進(jìn)、出料的原料室轉(zhuǎn)化過程中，當(dāng)處理量一定時(shí)，通過改變產(chǎn)品室進(jìn)水流量(即調(diào)整產(chǎn)品室 / 原料室流量比例)，可以如同調(diào)整 “時(shí)間控制器” 一般，調(diào)控產(chǎn)品溶液在各自腔室的停留時(shí)間，從而在提升產(chǎn)品濃度的同時(shí)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化率和能耗的優(yōu)化。在相同電流密度下(45mA/cm2)，保持原料室流量不變，改變產(chǎn)品室流量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，降低流量比可增加產(chǎn)品液停留時(shí)間，這不僅使其濃度得到提升，還能降低產(chǎn)品室電阻，進(jìn)而降低系統(tǒng)電壓。此外，較大的產(chǎn)品室流量會(huì)促進(jìn)由原料室遷移至產(chǎn)品室的GA?離子由膜界面快速向主體溶液擴(kuò)散，降低邊界層厚度，促使GA?遷移速率得到一定提升。GA?轉(zhuǎn)化率變化趨勢(shì)與離子遷移速率的變化基本一致，當(dāng)產(chǎn)品室 / 原料室流量比為 0.6 時(shí)，轉(zhuǎn)化率最高，達(dá)到 73.35%，此時(shí)對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)能耗也最低，為 1.41kWh/kg NaGA。因此，產(chǎn)品室 / 原料室流量比為 0.6 較為適宜，即產(chǎn)品室流量 0.9L/h、原料室流量 1.5L/h，這一比例為一級(jí)一段 EDM 工藝的優(yōu)化提供了關(guān)鍵參數(shù)。

  (二)一級(jí)兩段 EDM 工藝構(gòu)建及其性能評(píng)估

  在前期研究中，采用 2 個(gè)單元的 EDM 系統(tǒng)在優(yōu)化水流條件下，NH4GA轉(zhuǎn)化率仍未達(dá)到理想的較高水平。為了進(jìn)一步提升轉(zhuǎn)化能力，考慮增加 EDM 系統(tǒng)重復(fù)單元數(shù)量。鑒于初步優(yōu)化的進(jìn)水流量及產(chǎn)品室 / 原料室流量比為各隔室的膜面流速選擇提供了重要參照，為使增加重復(fù)單元后的 EDM 系統(tǒng)各隔室料液膜面流速維持在較優(yōu)范圍，將 EDM 系統(tǒng)的重復(fù)單元數(shù)增加至 4 個(gè)，并借鑒苦咸水電滲析的級(jí)段分布策略，通過在 EDM 膜堆中段設(shè)置折流板，構(gòu)建了一級(jí)兩段式 EDM 內(nèi)部水流工藝。

  在新構(gòu)建的一級(jí)兩段式 EDM 工藝中，電壓隨電流密度增加呈現(xiàn)線性升高的趨勢(shì)。GA?離子遷移速率隨著電流密度增加而加快，且一級(jí)兩段過程較一級(jí)一段過程遷移更快。這是因?yàn)樵谙嗤M(jìn)料流量下，一級(jí)兩段的組裝方式巧妙地加快了溶液的膜面流速，有效削弱了膜表面的邊界層厚度，強(qiáng)化了過程傳質(zhì)。從不同電流密度條件下 EDM 系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí) C1 室與 D1 室GA?離子濃度的變化來看，隨著電流密度升高，C1 室GA?離子濃度上升，D1 室GA?離子濃度下降。在30mA/cm2電流密度時(shí)，一級(jí)兩段過程中 D1 室GA?濃度已降到較低水平(0.09mol/L)，但一級(jí)一段式 EDM 系統(tǒng)原料室中仍有 0.16mol/L 原料液未被轉(zhuǎn)化。在能耗與轉(zhuǎn)化率關(guān)系方面，系統(tǒng)能耗隨著轉(zhuǎn)化率呈非線性上升趨勢(shì)。對(duì)于一次式的電驅(qū)動(dòng)膜工藝而言，原料液離子濃度隨著水流程持續(xù)降低，離子在較高電流密度驅(qū)動(dòng)下雖能快速實(shí)現(xiàn)跨膜遷移，但遷移至產(chǎn)品室的離子反向濃差擴(kuò)散程度也隨著水流程及電流密度增加而逐漸提升，導(dǎo)致系統(tǒng)能耗與轉(zhuǎn)化率之間呈現(xiàn)非線性關(guān)系。在相同重復(fù)單元數(shù)條件下，與一級(jí)一段過程相比，一級(jí)兩段式 EDM 過程耗能更低。在一級(jí)兩段式 EDM 中，當(dāng)轉(zhuǎn)化率達(dá)到 89.2%(30mA/cm2電流密度)時(shí)，系統(tǒng)能耗為 2.01kWh/kgNaGA，在近似轉(zhuǎn)化率條件下比前期的間歇過程能耗(2.98kWh/kgNaGA)降低 32.6%;而在同一操作條件下，一級(jí)一段過程轉(zhuǎn)化率僅為 80.0%，單位能耗達(dá) 2.16kWh/kgNaGA。因此，所構(gòu)建的一級(jí)兩段 EDM 系統(tǒng)的一次式連續(xù)運(yùn)行工藝在保持較高轉(zhuǎn)化率的同時(shí)，有效降低了系統(tǒng)能耗，成功達(dá)到了連續(xù)運(yùn)行、節(jié)能降耗的預(yù)期目標(biāo)。

  (三)一級(jí)兩段 EDM 產(chǎn)品質(zhì)量分析

  采用一級(jí)兩段工藝，在30mA/cm2電流密度、1.5L/h 原料室進(jìn)水流量、產(chǎn)品室 / 原料室進(jìn)水流量比 0.6 的參數(shù)下進(jìn)行 NaGA 生產(chǎn)。將得到的產(chǎn)品液進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶，分別得到固體產(chǎn)品 NaGA 和副產(chǎn)品(NH4)2SO4，并對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格分析。參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，NaGA 純度達(dá)到了增鮮味精(谷氨酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥97.0%)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求;(NH4)2SO4產(chǎn)品純度達(dá)到了肥料級(jí)硫酸銨 Ⅱ 級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)要求，與 Ⅰ 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求接近(S 含量與標(biāo)準(zhǔn)相比低 0.03%)。這表明該工藝不僅在轉(zhuǎn)化率和能耗方面表現(xiàn)出色，所生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量也完全符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為谷氨酸鈉的工業(yè)化生產(chǎn)提供了有力的技術(shù)保障。

  四、總結(jié)

  本文圍繞復(fù)分解電滲析技術(shù)制備谷氨酸鈉展開了深入研究。從傳統(tǒng)谷氨酸鈉行業(yè)生產(chǎn)工藝的弊端出發(fā)，詳細(xì)闡述了復(fù)分解電滲析技術(shù)的原理，并通過精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，全面探究了一次式 EDM 運(yùn)行工藝策略。研究了進(jìn)水流量、產(chǎn)品室 / 原料室流量比等參數(shù)對(duì)工藝性能的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上成功構(gòu)建了一級(jí)兩段式 EDM 內(nèi)部水流工藝。實(shí)驗(yàn)結(jié)果清晰地表明，對(duì)于一級(jí)一段式 EDM 連續(xù)運(yùn)行工藝，在45mA/cm2電流密度下，當(dāng)進(jìn)水流量為 1.5L/h、產(chǎn)品室 / 原料室流量比為 0.6 時(shí)，原料液轉(zhuǎn)化率可達(dá) 73.35%，系統(tǒng)能耗為 1.41kWh/kgNaGA，取得了較好的工藝效果。進(jìn)一步構(gòu)建的一級(jí)兩段式 EDM 系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行工藝，轉(zhuǎn)化率可高達(dá) 90% 左右，顯著高于同等規(guī)模下一級(jí)一段式 EDM 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化率，且達(dá)到了間歇式 EDM 的 NaGA 轉(zhuǎn)化水平。同時(shí)，其系統(tǒng)能耗僅為 2.01kWh/kgNaGA，較間歇式 EDM 降低了 32.6%，在節(jié)能降耗方面成效顯著。此外，所生產(chǎn)的 NaGA 產(chǎn)品純度達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，(NH4)2SO4副產(chǎn)品純度也符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。復(fù)分解電滲析連續(xù)化制備谷氨酸鈉工藝展現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢(shì)和潛力，有望為谷氨酸鈉行業(yè)帶來新的發(fā)展契機(jī)，推動(dòng)整個(gè)行業(yè)朝著綠色、高效的方向邁進(jìn)，在2025年及未來的谷氨酸鈉生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為解決傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝的困境提供切實(shí)可行的方案。

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