熊能，陳濤，孫自立，柳志強*

1 (生物有機合成浙江省重點實驗室(浙江工業(yè)大學)，浙江 杭州，310014) 2 (教育部生物轉化與生物凈化重點實驗室(浙江工業(yè)大學)，浙江 杭州，310014) 3 (手性生物制造國家地方聯(lián)合工程研究中心(浙江工業(yè)大學)，浙江 杭州，310014)

氨基酸是構成蛋白質的基本單位，廣泛存在于自然界與生物體中，其結構中同時含有氨基和羧基，是一種兩性小分子化合物。各種氨基酸作為調味劑、食品添加劑、飼料添加劑、醫(yī)藥中間體、農藥中間體等，在食品、醫(yī)藥工業(yè)和農牧業(yè)中有著廣泛應用，對人類健康具有重要意義[1]。

現(xiàn)階段，伴隨著相關產業(yè)和生物工程技術的快速發(fā)展，對氨基酸的需求越來越大，質量要求越來越高，氨基酸的分離純化在氨基酸生產過程中的重要性逐步體現(xiàn)出來。氨基酸的分離純化方法眾多，分別適用于不同種類，不同質量要求的氨基酸生產過程，而電滲析作為一種先進、高效、綠色且具有良好普適性的分離技術，也已經(jīng)廣泛運用于該領域[2]。

1 氨基酸與氨基酸分離技術

氨基酸是生物體內最重要的小分子之一，可以作為初級代謝物及某些器官組織的成分，參與生物體內的生理機能及代謝活動。肝和膽組織中富含賴氨酸，甲硫氨酸是血紅蛋白與血清的主要組成成分，異亮氨酸參與胸腺、脾臟及腦垂體的調節(jié)以及代謝。氨基酸也是生物工程領域最主要的產品之一，應用廣泛，市場規(guī)模也很龐大。氨基酸及其衍生物在醫(yī)藥工業(yè)中具有重要地位，復方氨基酸注射液即為多種氨基酸直接配制而成的藥品，L-羥脯氨酸可以治療慢性肝炎、防止肝硬化，精氨酸可以治療男性不育癥。在食品、保健品和飼料領域氨基酸也扮演著重要角色，色氨酸及其衍生物可作為甜味劑，蘇氨酸、蛋氨酸可以促進畜禽生長并提升肉質[3]。我國是世界最大的氨基酸市場，也是氨基酸生產大國。2016年全國氨基酸行業(yè)總產量超過460萬t，谷氨酸及其鹽年產量已超過270萬t，總產值占食品發(fā)酵工業(yè)總產值的1/4以上，產量占世界總產量的70%以上[4]。

氨基酸的主要生產方法有微生物發(fā)酵法、化學合成法和蛋白質水解法。BECKER等通過改造谷氨酸棒狀桿菌的代謝通路，配合補料分批發(fā)酵，最終實現(xiàn)了120 g/L的L-賴氨酸產量[5]。寧夏紫光天化公司使用化學合成法生產蛋氨酸，純度達到99.4%，收率在97%以上[6]。陳佑寧等使用濃鹽酸作為水解劑，醋酸鈉作為pH調節(jié)劑，水解人毛發(fā)生產胱氨酸，最高收率可達到6.68%[7]。從分離角度來看，微生物發(fā)酵法和蛋白質水解法生成的產物成分比較復雜，含有多種氨基酸和氨基酸類似物，雜質結構與產品相近，分離難度較大；而化學合成法的產物成分比較簡單，但含鹽量較高，后續(xù)分離需要脫鹽，且生產過程的環(huán)境污染比較嚴重。

表1 常見的氨基酸分離方法比較Table 1 Comparison of common amino acid separation methods

氨基酸分離常用的方法有離子交換法、溶劑萃取法和電滲析法等(表1)。周圓圓等使用717型強堿性陰離子樹脂分離毛發(fā)水解液中的L-絲氨酸，脫鹽率為95.51%，氨基酸收率達到84.13%[8]。CASCAVAL等使用D2EHPA為萃取劑對多種氨基酸進行反應萃取，通過控制pH變化和多段萃取的方法，可以將酸性、中性及堿性氨基酸選擇性分離開來[9]。ZHANG等使用電滲析法分離L-賴氨酸，收率達到93.2%[10]。這些分離方法都有各自的優(yōu)缺點，離子交換法的成本較低，但分離過程用水量大并且會產生大量的廢水；萃取法操作方便，產生的廢水較少，但萃取劑回收復雜，影響了產品的純度和收率，且一些萃取劑毒性較大；而電滲析法操作簡單，用水量和污染排放少，且氨基酸的收率較高，但也存在離子交換膜容易受到污染的問題。

電滲析是一種電化學分離技術，在直流電流的影響下，離子(帶電物質)通過一個或多個選擇性滲透膜從一種溶液轉移到另一種溶液，從而達到富集或者分離的目的。電滲析原理如圖1所示。電滲析最早應用于脫鹽工藝上，MAIGROT和SABATES于1890年首次使用電滲析法將糖漿脫鹽[11]，隨后廣泛運用于海水淡化中。近年來，電滲析技術開始應用于氨基酸分離領域，SUN等使用電滲析法從發(fā)酵液中分離純化L-苯丙氨酸，收率和脫鹽率分別可達84.3%和98.5%[12]。WU等使用電滲析法從發(fā)酵液中分離L-蘇氨酸，收率和脫鹽率分別可達86.1%和96.9%[13]。

C-陽離子交換膜；A-陰離子交換膜圖1 電滲析原理圖Fig.1 Schematic diagram of electrodialysis

從這些應用例子可以看出，電滲析技術分離氨基酸的收率很高，具有很好的工業(yè)化應用前景。

2 應用于氨基酸分離的電滲析技術

2.1 電滲析膜(離子交換膜)的主要種類

按照活性基團所帶電荷的不同，離子交換膜主要分為陽離子交換膜、陰離子交換膜和特種膜。陽離子和陰離子交換膜根據(jù)帶電基團的解離程度又分為強酸和強堿膜、弱酸和弱堿膜。強酸膜通常以磺酸作為帶電基團，弱酸膜通常以羧酸作為帶電基團；而強堿和弱堿離子交換膜中常見的帶電基團分別是季胺和叔胺[14]。雙極性膜，即特種膜，其陰陽離子活性基團均勻分布于同一張膜表面，部分正負電荷并列存在于膜厚度方向，或者由帶正負電荷不同的2張膜貼合在一起組成[15]。

按照膜材料劃分，離子交換膜可分為有機離子交換膜、無機離子交換膜和無機-有機復合材料離子交換膜。有機膜主要由高分子材料合成，如聚乙烯醇、聚氯乙烯和聚苯乙烯等[16]，無機膜則主要采用沸石類、多價金屬磷酸鹽等作為原料[17]。有機膜的優(yōu)點是結構靈活性強，便于加工，電子特性可調，而無機膜相較于有機膜，具有抗氧化能力強，熱穩(wěn)定性高，成本低廉等優(yōu)勢。無機-有機復合材料膜結合了2種材料的優(yōu)勢，既有有機材料的柔韌性和易加工性，也具有無機材料的熱穩(wěn)定性和高機械強度[18]。

此外，也可根據(jù)膜結構將離子交換膜分為均相膜、非均相膜和半均相膜。均相膜的帶電基團在整個膜基質上相對均勻分布，沒有異相結構，化學成分均一。非均相膜是由粉末狀的離子交換樹脂加黏合劑混煉、拉片、加網(wǎng)熱壓而成，樹脂分散在黏合劑中，因此其結構并不均勻。半均相膜的成膜材料中離子交換基團分布均勻，但惰性聚合物(如黏合劑)相和功能基團(如離子交換樹脂)相非化學結合，故其性能、結構介于非均相膜和均相膜之間[14]。

2.2 影響電滲析分離效果的主要因素

2.2.1 膜材料的選擇

離子交換膜是電滲析分離設備最為重要的部分，電滲析設備的性能很大程度上取決于離子交換膜的性能。離子交換膜的性能參數(shù)，例如聚合物網(wǎng)絡的密度，聚合物基質的疏水或親水特性，聚合物中固定電荷的類型和濃度，以及膜的形態(tài)、膜的材料、結構、空間位阻效應等因素都會影響電滲析的分離效果，但研究表明膜的厚度對電滲析的分離效果沒有明顯影響[19]。

早期的電滲析裝置，其框架由木材制成，電極由碳制成，使用高錳酸鹽處理的紙作為離子交換膜。AMADO等將聚氨酯、摻雜對甲苯磺酸的聚苯胺、樟腦磺酸進行混合，制備了新型陽離子交換膜，用于處理含鋅溶液，與市售Nafion 450膜相比，鋅收率提升了10%～20%[20]。WANG等使用3種電滲析膜分離γ-氨基丁酸，使用CJ-MA-3/CJ-MC-3膜時脫鹽率達到了99.29%，γ-氨基丁酸(GABA)的損失率小于3%，生產的總能耗小于500(kW·h)/t[19]。JIANG等使用多種電滲析膜分離甲硫氨酸，其中使用ChemJOY生產的LabA/LabC膜，收率達到83.80%，研究者認為在恒定電流下使用空間位阻效應更低的離子交換膜有利于甲硫氨酸的分離[21]。

2.2.2 操作pH與離子強度

pH是電滲析分離的關鍵操作參數(shù)。使用電滲析法分離氨基酸時，由于氨基酸是兩性離子，溶液的pH決定了氨基酸的帶電性質，因此對分離性能產生影響。一般來說將溶液pH控制在氨基酸的等電點，能夠實現(xiàn)最高的收率。HABE等研究了pH對電滲析法分離GABA的影響，發(fā)現(xiàn)溶液pH值較低時GABA的收率較高，相反溶液pH值較高時其收率較低，但是操作時間可以相應縮短，在選擇的最佳條件(pH=3)下GABA收率約為85%[22]。ELISEEVA等使用電滲析法分離L-賴氨酸，發(fā)現(xiàn)溶液pH值是影響收率的主要因素，通過控制混合床中陰離子交換樹脂的比例和電流密度，防止pH值升高，能夠提高L-賴氨酸的收率[23]。ZHANG等使用電滲析法從L-賴氨酸鹽中分離L-賴氨酸，發(fā)現(xiàn)pH控制在L-賴氨酸等電點時，最高收率能夠達到93.2%[10]。

2.2.3 工作電流

在電滲析過程中，工作電流也是重要的操作參數(shù)，電流過低會影響分離效率，電流過高則會造成能源浪費。氨基酸的收率基本不受電流密度的影響，但通過增加操作電流可以實現(xiàn)更高的脫鹽效率，并提升分離速度。ELISEEVA等研究了電流密度對電滲析過程中氨基酸跨膜通量的影響，發(fā)現(xiàn)在電流密度超過極限電流密度(ilim)后，氨基酸跨膜通量停止增加，這種現(xiàn)象被稱為屏障效應[24]。RAN等發(fā)現(xiàn)電滲析分離時電流密度一旦到達極限電流密度，膜界面上會發(fā)生水的解離，隨著這一現(xiàn)象的發(fā)生，消耗的電流會用于水的解離而不是有效的離子轉運上[25]。CHAI等研究了電流密度對電滲析法從谷氨酸鈉中分離谷氨酸的影響，發(fā)現(xiàn)堆電壓隨著電流密度的增加而增加，當電流密度從10 mA/cm2增加到20 mA/cm2時，分離時間從350 min減少到180 min，但在各個電流密度下，谷氨酸收率均在92%～94%[26]。

2.2.4 反應器構型

電滲析裝置的內部由極板、膜片、隔板等疊裝而成，形成數(shù)個隔室，隔室的數(shù)量與分離效率存在關聯(lián)，并不是越多越好，需根據(jù)實際需要選擇合適的反應器構型。AGHAJANYAN等研究了隔室對脯氨酸溶液分離脫鹽效果的影響，發(fā)現(xiàn)五室電滲析器的第四室中脯氨酸濃度達到了6～6.5 g/L，而六室電滲析器與五室電滲析器相比，擴散到下一室的脯氨酸濃度下降了約3倍，更適合脯氨酸溶液的脫鹽操作[27]。KIKUCHI等使用三室電滲析器分離苯丙氨酸，在收率達到87%的同時，脫鹽率大于98%[28]。

2.2.5 其他因素

電滲析分離過程中，各種其他因素也會影響分離效率和產品的收率。電滲析過程中電阻會阻礙離子的轉運，而膜電阻占總電阻的很大一部分，對于分離效率和經(jīng)濟性有很大影響，所以應盡可能的降低膜電阻。膜電阻受溶液濃度和組成、溫度、膜材料性能和表面官能團等因素影響。LIU等通過電沉積帶電官能團的方法對離子交換膜進行表面改性，使其電阻從原始的(1.30 ±0.15)Ω cm2變?yōu)?2.22±0.10)Ω cm2[29]。YUAN等發(fā)現(xiàn)在隔室中引入樹脂能夠提高氨基酸的轉運速率，在稀釋室中填充離子交換樹脂，能夠將氨基酸分離效率提高20%～30%，并且降低15%～30%的能耗[30]。ZHANG等發(fā)現(xiàn)電滲析過程會受到操作溫度的強烈影響，高溫下離子通過離子交換膜的轉運速率更快，從而使電阻降低，電流效率提高且能耗降低[10]。

2.3 電滲析膜的選擇

電滲析法對于酸性、堿性和中性氨基酸以及非蛋白質氨基酸，均可取得較好的分離效果，但需要根據(jù)實際情況選擇合適的電滲析膜(分離實例見表2)。選擇膜時首先要考慮膜材料和分離操作的pH。料液的pH不僅影響著氨基酸的解離狀態(tài)和所帶電荷，也會對電滲析膜上的帶電基團造成影響。其次應盡量同時利用多種分離機理，提高分離的選擇性。電滲析膜對所分離氨基酸的通透性，膜材料在料液中的穩(wěn)定性，膜在料液中的抗污染能力等也是需要考察的因素。

3 電滲析膜的膜污染對氨基酸分離的影響

3.1 膜污染的成因和機理

3.2 膜污染物的主要成分

3.3 電滲析膜污染的防治和處理

電滲析分離氨基酸時的膜污染成分與分離其他物質時的膜污染成分存在相似之處，因此可以參照其他電滲析分離過程的除污方法。使用稀酸稀堿對離子交換膜進行機械清洗和處理，可以清除大部分污垢，使膜恢復原有性能。對料液進行預處理是一種簡單有效的防止膜污染的手段。HABOVA等使用超濾，脫色和除去多價金屬離子等方法對乳酸發(fā)酵液進行預處理，維持了電滲析過程的正常運行[37]。OTAKI等使用紫外線對料液進行殺菌，除去微生物污染，使膜的連續(xù)操作時間延長了6倍[38]。對電滲析的操作方式進行調整，也可以維持膜的分離效率。在電滲析設備運行期間,定期倒換電極極性，可以防止蛋白質在膜表面結垢；在電極和膜堆之間加裝保護框，也可以減緩沉淀對膜分離的影響[39]。適當加大隔室厚度,并向隔室內通入空氣，可以起到攪拌和清洗作用，將污染物質沖出隔室，防止其在膜面上沉積[40]。在酸性pH下進行電滲析，可以避免Ca2+、Mg2+等離子沉淀；將反轉和脈沖電場與酸性pH組合使用時，還可以減少蛋白質結垢[41]。嚴格控制操作時的電流密度，將其控制在極限電流之下，可以緩解濃差極化現(xiàn)象[42]。

3.4 新材料和新技術應對膜污染的研究

針對膜污染這一難題，也可以從膜本身入手，通過開發(fā)新的膜材料或對現(xiàn)有膜進行改性，避免或緩解膜污染。LIU等以聚乙烯醇和(2,3-環(huán)氧丙基)三甲基氯化銨為材料，通過退火處理和縮合反應進行雙交聯(lián)，制備了一種脂肪族離子交換膜，該膜的吸水率僅為約23%，抗污能力也有顯著提高[43]。KARKHANECHI等使用聚多巴胺(PDA)對反滲透(RO)膜進行改性，在細菌過濾1 200 min后，未經(jīng)改性膜的水通量僅為初始值的61%，而改性膜的水通量約為初始值的80%[44]。WANG等報道了一種具有良好的抗污能力的TWEDAI陽離子交換膜，其具有結構穩(wěn)定和初始電阻低的特點，在經(jīng)過典型有機污染物處理之后，其膜電阻仍然處于較低水平[45]。PONTIE等將聚二甲基二烯丙基氯化銨和聚苯乙烯磺酸沉積在Nafion117陽離子交換膜表面，制備出了抗生物污染膜，能有效減輕假單胞菌懸液對陽離子交換膜的生物污染[46]。

4 結論與展望

電滲析作為一項新興的分離技術，已廣泛應用于包括氨基酸分離在內的生物工程各領域中，它具有操作簡單，成本低和無污染等優(yōu)點，也存在離子交換膜易受到膜污染等缺點。經(jīng)過多年發(fā)展，電滲析新技術和新應用層出不窮。雙極膜電滲析(bipolar membrane electrodialysis，BMED)技術是傳統(tǒng)電滲析技術的延伸，已經(jīng)廣泛應用于有機酸生產和食品工業(yè)等領域[47]。反向電滲析(reverse electrodialysis，RED)則是一種基于電滲析原理的新能源技術，利用溶液之間的鹽濃度差，在離子交換膜之間產生離子的定向遷移，將化學勢能直接轉化為電能。此外，電滲析技術還可以與其他技術聯(lián)用，如電滲析與超濾膜結合，可以用來分離生物活性肽[48]。電去離子技術(electrodeionization，EDI)是將電滲析與離子交換技術相結合的產物，目前已成為商業(yè)上生產超純去離子水的主流技術，在電子、制藥和生物行業(yè)有重要的應用價值[49]。電解滲析(electro-electrodialysis，EED)是電滲析技術和電解技術相結合的產物，可用于分離生產鹽酸、硫酸和乳酸等產品[50]。電滲析技術的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，也能夠推進其在氨基酸分離領域的應用，并有望在氨基酸的分離效率和產品純度方面取得突破。