中國報告大廳網訊，在2025年的食品添加劑領域，穀氨酸鈉作為味精的主要成分，依然占據著極為重要的地位。我國乃至東亞地區對味精的需求持續穩定，推動著穀氨酸鈉產量不斷攀升，目前已達 3Mt/a 。傳統的穀氨酸鈉生產主要依賴微生物發酵法，該方法雖歷經多年發展，但在等電點結晶及酸鹼中和階段存在顯著弊端。大量酸鹼的消耗不僅增加了生產成本，還產生了大量高濃度、難降解的有機廢水，成為制約味精行業綠色可持續發展的瓶頸。在此背景下，新型生產工藝的研發迫在眉睫，複分解電滲析(EDM)技術應運而生，為穀氨酸鈉的製備帶來了新的希望與變革。
複分解電滲析是在常規電滲析基礎上發展起來的先進技術。其膜堆內部由兩對陰、陽離子交換膜交替排列，構建出 2 個原料室和 2 個產品室。在外部電場的作用下，原料液室中的離子能夠依據陰、陽離子交換膜的選擇透過性進行定向遷移，從而實現鹽的轉化。這種獨特的工作原理使得複分解電滲析在無機鹽製備以及高鹽廢水資源化等領域展現出巨大的應用潛力，為穀氨酸鈉的清潔製備提供了新的技術路徑。
在利用複分解電滲析製備穀氨酸鈉的過程中，穀氨酸銨(NH4GA)發酵液和Na2SO4溶液分別被引入原料室和置換室。在電場力的驅動下，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，穿過相應的離子交換膜，紛紛進入主產品室，二者在此結合，成功生成穀氨酸鈉(NaGA);與此同時，原料室的NH4+離子和置換室的SO42−離子也朝著副產品室 C2 遷移，最終形成副產品(NH4)2SO4。從內部水流程來看，存在一級一段式和一級兩段式兩種模式。一級一段式中，各隔室溶液流速完全取決於進料流量;而一級兩段式則通過在膜堆中間位置設置水流轉向隔板，巧妙地實現了膜堆內部腔室流速的加倍，或者在膜堆加倍重複單元後仍能保持腔室流速處於優選值，為優化工藝性能提供了更多可能。
實驗所採用的膜堆具有特定的尺寸規格。隔板尺寸為 150mm×300mm ，有效膜面積達234cm2(116mm×202mm)。產品室採用厚度為 1mm 的薄隔板，而原料室則使用厚度為 3mm 的厚隔板，以便進行樹脂填充，增強傳質效果。電極板材質選用鈦塗釕，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定為 3∶2 。
模擬工業實際情況，製備了質量分數為 10% 的NH4GA模擬發酵液。具體製備過程為：將 L - 穀氨酸加入 95L 純水中，充分攪拌使其均勻分散，隨後緩慢且均勻地加入氨水，同時密切監測 pH 值，將其調節至 6 - 7 左右，最後添加純水至溶液總體積為 100L，至此成功配製成符合實驗要求的模擬發酵液。置換室 D2 採用濃度為 0.5mol/L 的Na2SO4溶液，其濃度略高於原料液，以確保原料液能夠充分轉化。主產品室 C1 和副產品室 C2 分別採用濃度為 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，有助於降低 EDM 膜堆的溶液電阻，為實驗的順利進行創造有利條件。
《2025-2030年全球及中國穀氨酸鈉行業市場現狀調研及發展前景分析報告》指出，實驗過程中，運用了多種檢測儀器和方法來獲取關鍵數據。進水和產水電導率通過雷磁 DDS - 307A 型電導率儀進行精確測定，進水和產水 pH 值則藉助梅特勒 FE28 型 pH 計實時監測。進水流量由 LM60A - YZ1515X 3B 型蠕動泵精確控制，產品流量通過多次計時測量取平均值的方式計算得出。
對於產品室和原料室中GA−濃度的測定，採用了旋光法。穀氨酸分子結構中含有一個不對稱碳原子，這一獨特結構賦予了它光學活性，能夠使偏振光面旋轉一定角度。在鹽酸濃度為 2mol/L 的特定環境中，其比旋光度為定值。基於此原理，通過測定溶液的旋光度，並利用公式C=L×147.13×[32+0.06×(20−t)]5000×α(其中 C 為GA−濃度，mol/L;α為測得的旋光度;L 為旋光管長度，dm;t 為測量時溫度，℃;147.13 為穀氨酸相對分子質量;32 為純穀氨酸 20℃時的比旋光度;0.06 為穀氨酸比旋光度的溫度校正係數)，即可準確換算得到溶液中GA−的濃度。
在不同電流密度下，通過一系列公式對離子遷移速率、轉化率、能耗等關鍵指標進行表徵和計算。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 為重複單元數;Se為膜有效面積，0.0234m2;CCl,0、CCl分別為產品室進料濃度、出水濃度，mol/L;VCl,O、VCl分別為產品室進料流量、出水流 量，L/h);原料液轉化率CR=CD1,0×VD1,0CC1×VC1−CC1,0×VC1,0×100%(其中CR為原料液轉化率，%;CDU,0、CD1分別為原料室進料濃度、出水濃度，mol/L;VD1,0、VDI分別為原料室進料流量、出水流量，L/h);系統單位能耗E=CCl×VCl−CCl,0×VCl,0U×I(其中 E 為系統單位能耗，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)。這些精確的檢測和計算方法為深入研究複分解電滲析製備穀氨酸鈉工藝提供了堅實的數據支撐。
EDM 連續製備穀氨酸鈉行業的工藝過程猶如一場精心編排的 「離子舞蹈」。4 台蠕動泵按照設定好的流量，有條不紊地將原料液、置換液和 2 種低濃度產品液分別泵入 EDM 的 4 個隔室。在電場的作用下，離子們在隔室內進行著定向遷移和轉化，隨後一次排出系統。此時，得到的產物包括 NaGA 產品液、(NH4)2SO4副產品液以及NH4GA、Na2SO4脫鹽水。電極液流量設定為閉路循環，其中NH4GA脫鹽水可回用至發酵工序，實現資源的循環利用;Na2SO4脫鹽水則可返回置換液用於繼續配製硫酸鈉溶液，進一步提高了原料的利用率。在整個實驗過程中，利用電導率儀和 pH 計實時監測產品室和原料室的電導率、pH 值，以便及時掌握實驗進程和反應情況，為後續的數據收集和分析提供依據。
進水流量如同一個 「調節閥」，對連續式 EDM 工藝性能有著至關重要的影響。在不同進水流量下，一級一段 EDM 在不同電流密度下系統穩態電壓呈現出有趣的變化規律。在較低電流密度時，3 種進水流量對應的穩態電壓較為接近，但隨著電流密度逐漸增加，系統電壓開始線性升高。當電流密度進一步提高時，不同進水流量對應的穩態電壓差異性逐漸顯現出來。從GA−離子遷移速率來看，隨著電流密度增加，進水流量越大，GA−離子遷移速率隨電流密度增加越穩定。這是因為增大進水流量提高了原料室離子濃度，為離子遷移提供了更多的 「動力」，促使離子遷移速率得到一定提升。然而，增大進水流量對 NaGA 產品液的濃縮卻並不利。當進水流量從 1L/h 逐漸提高到 2L/h 時，NaGA 濃度從 0.44mol/L 降低至 0.29mol/L(電流密度35mA/cm2)。這是由於增大進水流量使得產品液在膜堆的停留時間減少，停留在產品室內的離子被快速稀釋。在系統轉化率與運行能耗方面，轉化率的提高需要提供更大的離子驅動力來對抗低濃度下的離子遷移阻力，這必然伴隨著系統能耗的增大。綜合考慮，進水流量為 1.5L/h 時，雖然轉化率和能耗並非處於絕對最優，但在防止因溶液 pH 值過低導致穀氨酸到達等電點而在膜表面結垢方面具有優勢，因此選擇 1.5L/h 作為 EDM 系統適宜的進水流量。
在連續進、出料的原料室轉化過程中，當處理量一定時，通過改變產品室進水流量(即調整產品室 / 原料室流量比例)，可以如同調整 「時間控制器」 一般，調控產品溶液在各自腔室的停留時間，從而在提升產品濃度的同時，進一步實現轉化率和能耗的優化。在相同電流密度下(45mA/cm2)，保持原料室流量不變，改變產品室流量進行實驗。結果發現，降低流量比可增加產品液停留時間，這不僅使其濃度得到提升，還能降低產品室電阻，進而降低系統電壓。此外，較大的產品室流量會促進由原料室遷移至產品室的GA−離子由膜界面快速向主體溶液擴散，降低邊界層厚度，促使GA−遷移速率得到一定提升。GA−轉化率變化趨勢與離子遷移速率的變化基本一致，當產品室 / 原料室流量比為 0.6 時，轉化率最高，達到 73.35%，此時對應的系統能耗也最低，為 1.41kWh/kg NaGA。因此，產品室 / 原料室流量比為 0.6 較為適宜，即產品室流量 0.9L/h、原料室流量 1.5L/h，這一比例為一級一段 EDM 工藝的優化提供了關鍵參數。
在前期研究中，採用 2 個單元的 EDM 系統在優化水流條件下，NH4GA轉化率仍未達到理想的較高水平。為了進一步提升轉化能力，考慮增加 EDM 系統重複單元數量。鑑於初步優化的進水流量及產品室 / 原料室流量比為各隔室的膜面流速選擇提供了重要參照，為使增加重複單元後的 EDM 系統各隔室料液膜面流速維持在較優範圍，將 EDM 系統的重複單元數增加至 4 個，並借鑑苦鹹水電滲析的級段分布策略，通過在 EDM 膜堆中段設置折流板，構建了一級兩段式 EDM 內部水流工藝。
在新構建的一級兩段式 EDM 工藝中，電壓隨電流密度增加呈現線性升高的趨勢。GA−離子遷移速率隨著電流密度增加而加快，且一級兩段過程較一級一段過程遷移更快。這是因為在相同進料流量下，一級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，強化了過程傳質。從不同電流密度條件下 EDM 系統達到穩態時 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，一級兩段過程中 D1 室GA−濃度已降到較低水平(0.09mol/L)，但一級一段式 EDM 系統原料室中仍有 0.16mol/L 原料液未被轉化。在能耗與轉化率關係方面，系統能耗隨著轉化率呈非線性上升趨勢。對於一次式的電驅動膜工藝而言，原料液離子濃度隨著水流程持續降低，離子在較高電流密度驅動下雖能快速實現跨膜遷移，但遷移至產品室的離子反向濃差擴散程度也隨著水流程及電流密度增加而逐漸提升，導致系統能耗與轉化率之間呈現非線性關係。在相同重複單元數條件下，與一級一段過程相比，一級兩段式 EDM 過程耗能更低。在一級兩段式 EDM 中，當轉化率達到 89.2%(30mA/cm2電流密度)時，系統能耗為 2.01kWh/kgNaGA，在近似轉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，一級一段過程轉化率僅為 80.0%，單位能耗達 2.16kWh/kgNaGA。因此，所構建的一級兩段 EDM 系統的一次式連續運行工藝在保持較高轉化率的同時，有效降低了系統能耗，成功達到了連續運行、節能降耗的預期目標。
採用一級兩段工藝，在30mA/cm2電流密度、1.5L/h 原料室進水流量、產品室 / 原料室進水流量比 0.6 的參數下進行 NaGA 生產。將得到的產品液進行蒸髮結晶，分別得到固體產品 NaGA 和副產品(NH4)2SO4，並對其質量進行嚴格分析。參照相關標準，NaGA 純度達到了增鮮味精(穀氨酸鈉質量分數≥97.0%)的行業標準要求;(NH4)2SO4產品純度達到了肥料級硫酸銨 Ⅱ 級的標準要求，與 Ⅰ 級標準要求接近(S 含量與標準相比低 0.03%)。這表明該工藝不僅在轉化率和能耗方面表現出色，所生產的產品質量也完全符合行業標準，為穀氨酸鈉的工業化生產提供了有力的技術保障。
本文圍繞複分解電滲析技術製備穀氨酸鈉展開了深入研究。從傳統穀氨酸鈉行業生產工藝的弊端出發，詳細闡述了複分解電滲析技術的原理，並通過精心設計的實驗，全面探究了一次式 EDM 運行工藝策略。研究了進水流量、產品室 / 原料室流量比等參數對工藝性能的影響規律，在此基礎上成功構建了一級兩段式 EDM 內部水流工藝。實驗結果清晰地表明，對於一級一段式 EDM 連續運行工藝，在45mA/cm2電流密度下，當進水流量為 1.5L/h、產品室 / 原料室流量比為 0.6 時，原料液轉化率可達 73.35%，系統能耗為 1.41kWh/kgNaGA，取得了較好的工藝效果。進一步構建的一級兩段式 EDM 系統連續運行工藝，轉化率可高達 90% 左右，顯著高於同等規模下一級一段式 EDM 系統的轉化率，且達到了間歇式 EDM 的 NaGA 轉化水平。同時，其系統能耗僅為 2.01kWh/kgNaGA，較間歇式 EDM 降低了 32.6%，在節能降耗方面成效顯著。此外，所生產的 NaGA 產品純度達到行業標準要求，(NH4)2SO4副產品純度也符合相關標準。複分解電滲析連續化製備穀氨酸鈉工藝展現出了巨大的優勢和潛力，有望為穀氨酸鈉行業帶來新的發展契機，推動整個行業朝著綠色、高效的方向邁進，在2025年及未來的穀氨酸鈉生產領域發揮重要作用，為解決傳統生產工藝的困境提供切實可行的方案。
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