中国报告大厅网讯，在2025年的食品添加剂领域，谷氨酸钠作为味精的主要成分，依然占据着极为重要的地位。我国乃至东亚地区对味精的需求持续稳定，推动着谷氨酸钠产量不断攀升，目前已达 3Mt/a 。传统的谷氨酸钠生产主要依赖微生物发酵法，该方法虽历经多年发展，但在等电点结晶及酸碱中和阶段存在显著弊端。大量酸碱的消耗不仅增加了生产成本，还产生了大量高浓度、难降解的有机废水，成为制约味精行业绿色可持续发展的瓶颈。在此背景下，新型生产工艺的研发迫在眉睫，复分解电渗析(EDM)技术应运而生，为谷氨酸钠的制备带来了新的希望与变革。
复分解电渗析是在常规电渗析基础上发展起来的先进技术。其膜堆内部由两对阴、阳离子交换膜交替排列，构建出 2 个原料室和 2 个产品室。在外部电场的作用下，原料液室中的离子能够依据阴、阳离子交换膜的选择透过性进行定向迁移，从而实现盐的转化。这种独特的工作原理使得复分解电渗析在无机盐制备以及高盐废水资源化等领域展现出巨大的应用潜力，为谷氨酸钠的清洁制备提供了新的技术路径。
在利用复分解电渗析制备谷氨酸钠的过程中，谷氨酸铵(NH4GA)发酵液和Na2SO4溶液分别被引入原料室和置换室。在电场力的驱动下，溶液中的阴、阳离子开始活跃起来。来自原料室的GA−离子和置换室的Na+离子如同受到召唤一般，穿过相应的离子交换膜，纷纷进入主产品室，二者在此结合，成功生成谷氨酸钠(NaGA);与此同时，原料室的NH4+离子和置换室的SO42−离子也朝着副产品室 C2 迁移，最终形成副产品(NH4)2SO4。从内部水流程来看，存在一级一段式和一级两段式两种模式。一级一段式中，各隔室溶液流速完全取决于进料流量;而一级两段式则通过在膜堆中间位置设置水流转向隔板，巧妙地实现了膜堆内部腔室流速的加倍，或者在膜堆加倍重复单元后仍能保持腔室流速处于优选值，为优化工艺性能提供了更多可能。
实验所采用的膜堆具有特定的尺寸规格。隔板尺寸为 150mm×300mm ，有效膜面积达234cm2(116mm×202mm)。产品室采用厚度为 1mm 的薄隔板，而原料室则使用厚度为 3mm 的厚隔板，以便进行树脂填充，增强传质效果。电极板材质选用钛涂钌，离子交换膜为合金离子交换膜，其膜电阻≤9Ω⋅cm2。在原料室中，精心填充了混合离子交换树脂，其中 D001 阳离子交换树脂与 D296 阴离子交换树脂的体积比设定为 3∶2 。
模拟工业实际情况，制备了质量分数为 10% 的NH4GA模拟发酵液。具体制备过程为：将 L - 谷氨酸加入 95L 纯水中，充分搅拌使其均匀分散，随后缓慢且均匀地加入氨水，同时密切监测 pH 值，将其调节至 6 - 7 左右，最后添加纯水至溶液总体积为 100L，至此成功配制成符合实验要求的模拟发酵液。置换室 D2 采用浓度为 0.5mol/L 的Na2SO4溶液，其浓度略高于原料液，以确保原料液能够充分转化。主产品室 C1 和副产品室 C2 分别采用浓度为 0.04mol/L 的 NaGA 和 0.05mol/L 的(NH4)2SO4溶液，这两种溶液提供了一定的初始盐浓度，有助于降低 EDM 膜堆的溶液电阻，为实验的顺利进行创造有利条件。
《2025-2030年全球及中国谷氨酸钠行业市场现状调研及发展前景分析报告》指出，实验过程中，运用了多种检测仪器和方法来获取关键数据。进水和产水电导率通过雷磁 DDS - 307A 型电导率仪进行精确测定，进水和产水 pH 值则借助梅特勒 FE28 型 pH 计实时监测。进水流量由 LM60A - YZ1515X 3B 型蠕动泵精确控制，产品流量通过多次计时测量取平均值的方式计算得出。
对于产品室和原料室中GA−浓度的测定，采用了旋光法。谷氨酸分子结构中含有一个不对称碳原子，这一独特结构赋予了它光学活性，能够使偏振光面旋转一定角度。在盐酸浓度为 2mol/L 的特定环境中，其比旋光度为定值。基于此原理，通过测定溶液的旋光度，并利用公式C=L×147.13×[32+0.06×(20−t)]5000×α(其中 C 为GA−浓度，mol/L;α为测得的旋光度;L 为旋光管长度，dm;t 为测量时温度，℃;147.13 为谷氨酸相对分子质量;32 为纯谷氨酸 20℃时的比旋光度;0.06 为谷氨酸比旋光度的温度校正系数)，即可准确换算得到溶液中GA−的浓度。
在不同电流密度下，通过一系列公式对离子迁移速率、转化率、能耗等关键指标进行表征和计算。离子迁移速率MR=N×SeCcl×VCl−CCl,0×VCl,o(其中MR为离子迁移速率，mol/(m2⋅h);N 为重复单元数;Se为膜有效面积，0.0234m2;CCl,0、CCl分别为产品室进料浓度、出水浓度，mol/L;VCl,O、VCl分别为产品室进料流量、出水流 量，L/h);原料液转化率CR=CD1,0×VD1,0CC1×VC1−CC1,0×VC1,0×100%(其中CR为原料液转化率，%;CDU,0、CD1分别为原料室进料浓度、出水浓度，mol/L;VD1,0、VDI分别为原料室进料流量、出水流量，L/h);系统单位能耗E=CCl×VCl−CCl,0×VCl,0U×I(其中 E 为系统单位能耗，kWh/kgNaGA;U 为操作电压，V;I 为膜堆电流，A);电流密度CD=10×SeI(其中CD为电流密度，mA/cm2)。这些精确的检测和计算方法为深入研究复分解电渗析制备谷氨酸钠工艺提供了坚实的数据支撑。
EDM 连续制备谷氨酸钠行业的工艺过程犹如一场精心编排的 “离子舞蹈”。4 台蠕动泵按照设定好的流量，有条不紊地将原料液、置换液和 2 种低浓度产品液分别泵入 EDM 的 4 个隔室。在电场的作用下，离子们在隔室内进行着定向迁移和转化，随后一次排出系统。此时，得到的产物包括 NaGA 产品液、(NH4)2SO4副产品液以及NH4GA、Na2SO4脱盐水。电极液流量设定为闭路循环，其中NH4GA脱盐水可回用至发酵工序，实现资源的循环利用;Na2SO4脱盐水则可返回置换液用于继续配制硫酸钠溶液，进一步提高了原料的利用率。在整个实验过程中，利用电导率仪和 pH 计实时监测产品室和原料室的电导率、pH 值，以便及时掌握实验进程和反应情况，为后续的数据收集和分析提供依据。
进水流量如同一个 “调节阀”，对连续式 EDM 工艺性能有着至关重要的影响。在不同进水流量下，一级一段 EDM 在不同电流密度下系统稳态电压呈现出有趣的变化规律。在较低电流密度时，3 种进水流量对应的稳态电压较为接近，但随着电流密度逐渐增加，系统电压开始线性升高。当电流密度进一步提高时，不同进水流量对应的稳态电压差异性逐渐显现出来。从GA−离子迁移速率来看，随着电流密度增加，进水流量越大，GA−离子迁移速率随电流密度增加越稳定。这是因为增大进水流量提高了原料室离子浓度，为离子迁移提供了更多的 “动力”，促使离子迁移速率得到一定提升。然而，增大进水流量对 NaGA 产品液的浓缩却并不利。当进水流量从 1L/h 逐渐提高到 2L/h 时，NaGA 浓度从 0.44mol/L 降低至 0.29mol/L(电流密度35mA/cm2)。这是由于增大进水流量使得产品液在膜堆的停留时间减少，停留在产品室内的离子被快速稀释。在系统转化率与运行能耗方面，转化率的提高需要提供更大的离子驱动力来对抗低浓度下的离子迁移阻力，这必然伴随着系统能耗的增大。综合考虑，进水流量为 1.5L/h 时，虽然转化率和能耗并非处于绝对最优，但在防止因溶液 pH 值过低导致谷氨酸到达等电点而在膜表面结垢方面具有优势，因此选择 1.5L/h 作为 EDM 系统适宜的进水流量。
在连续进、出料的原料室转化过程中，当处理量一定时，通过改变产品室进水流量(即调整产品室 / 原料室流量比例)，可以如同调整 “时间控制器” 一般，调控产品溶液在各自腔室的停留时间，从而在提升产品浓度的同时，进一步实现转化率和能耗的优化。在相同电流密度下(45mA/cm2)，保持原料室流量不变，改变产品室流量进行实验。结果发现，降低流量比可增加产品液停留时间，这不仅使其浓度得到提升，还能降低产品室电阻，进而降低系统电压。此外，较大的产品室流量会促进由原料室迁移至产品室的GA−离子由膜界面快速向主体溶液扩散，降低边界层厚度，促使GA−迁移速率得到一定提升。GA−转化率变化趋势与离子迁移速率的变化基本一致，当产品室 / 原料室流量比为 0.6 时，转化率最高，达到 73.35%，此时对应的系统能耗也最低，为 1.41kWh/kg NaGA。因此，产品室 / 原料室流量比为 0.6 较为适宜，即产品室流量 0.9L/h、原料室流量 1.5L/h，这一比例为一级一段 EDM 工艺的优化提供了关键参数。
在前期研究中，采用 2 个单元的 EDM 系统在优化水流条件下，NH4GA转化率仍未达到理想的较高水平。为了进一步提升转化能力，考虑增加 EDM 系统重复单元数量。鉴于初步优化的进水流量及产品室 / 原料室流量比为各隔室的膜面流速选择提供了重要参照，为使增加重复单元后的 EDM 系统各隔室料液膜面流速维持在较优范围，将 EDM 系统的重复单元数增加至 4 个，并借鉴苦咸水电渗析的级段分布策略，通过在 EDM 膜堆中段设置折流板，构建了一级两段式 EDM 内部水流工艺。
在新构建的一级两段式 EDM 工艺中，电压随电流密度增加呈现线性升高的趋势。GA−离子迁移速率随着电流密度增加而加快，且一级两段过程较一级一段过程迁移更快。这是因为在相同进料流量下，一级两段的组装方式巧妙地加快了溶液的膜面流速，有效削弱了膜表面的边界层厚度，强化了过程传质。从不同电流密度条件下 EDM 系统达到稳态时 C1 室与 D1 室GA−离子浓度的变化来看，随着电流密度升高，C1 室GA−离子浓度上升，D1 室GA−离子浓度下降。在30mA/cm2电流密度时，一级两段过程中 D1 室GA−浓度已降到较低水平(0.09mol/L)，但一级一段式 EDM 系统原料室中仍有 0.16mol/L 原料液未被转化。在能耗与转化率关系方面，系统能耗随着转化率呈非线性上升趋势。对于一次式的电驱动膜工艺而言，原料液离子浓度随着水流程持续降低，离子在较高电流密度驱动下虽能快速实现跨膜迁移，但迁移至产品室的离子反向浓差扩散程度也随着水流程及电流密度增加而逐渐提升，导致系统能耗与转化率之间呈现非线性关系。在相同重复单元数条件下，与一级一段过程相比，一级两段式 EDM 过程耗能更低。在一级两段式 EDM 中，当转化率达到 89.2%(30mA/cm2电流密度)时，系统能耗为 2.01kWh/kgNaGA，在近似转化率条件下比前期的间歇过程能耗(2.98kWh/kgNaGA)降低 32.6%;而在同一操作条件下，一级一段过程转化率仅为 80.0%，单位能耗达 2.16kWh/kgNaGA。因此，所构建的一级两段 EDM 系统的一次式连续运行工艺在保持较高转化率的同时，有效降低了系统能耗，成功达到了连续运行、节能降耗的预期目标。
采用一级两段工艺，在30mA/cm2电流密度、1.5L/h 原料室进水流量、产品室 / 原料室进水流量比 0.6 的参数下进行 NaGA 生产。将得到的产品液进行蒸发结晶，分别得到固体产品 NaGA 和副产品(NH4)2SO4，并对其质量进行严格分析。参照相关标准，NaGA 纯度达到了增鲜味精(谷氨酸钠质量分数≥97.0%)的行业标准要求;(NH4)2SO4产品纯度达到了肥料级硫酸铵 Ⅱ 级的标准要求，与 Ⅰ 级标准要求接近(S 含量与标准相比低 0.03%)。这表明该工艺不仅在转化率和能耗方面表现出色，所生产的产品质量也完全符合行业标准，为谷氨酸钠的工业化生产提供了有力的技术保障。
本文围绕复分解电渗析技术制备谷氨酸钠展开了深入研究。从传统谷氨酸钠行业生产工艺的弊端出发，详细阐述了复分解电渗析技术的原理，并通过精心设计的实验，全面探究了一次式 EDM 运行工艺策略。研究了进水流量、产品室 / 原料室流量比等参数对工艺性能的影响规律，在此基础上成功构建了一级两段式 EDM 内部水流工艺。实验结果清晰地表明，对于一级一段式 EDM 连续运行工艺，在45mA/cm2电流密度下，当进水流量为 1.5L/h、产品室 / 原料室流量比为 0.6 时，原料液转化率可达 73.35%，系统能耗为 1.41kWh/kgNaGA，取得了较好的工艺效果。进一步构建的一级两段式 EDM 系统连续运行工艺，转化率可高达 90% 左右，显著高于同等规模下一级一段式 EDM 系统的转化率，且达到了间歇式 EDM 的 NaGA 转化水平。同时，其系统能耗仅为 2.01kWh/kgNaGA，较间歇式 EDM 降低了 32.6%，在节能降耗方面成效显著。此外，所生产的 NaGA 产品纯度达到行业标准要求，(NH4)2SO4副产品纯度也符合相关标准。复分解电渗析连续化制备谷氨酸钠工艺展现出了巨大的优势和潜力，有望为谷氨酸钠行业带来新的发展契机，推动整个行业朝着绿色、高效的方向迈进，在2025年及未来的谷氨酸钠生产领域发挥重要作用，为解决传统生产工艺的困境提供切实可行的方案。
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