门冬氨酸钾是临床上常见的氨基酸类药物，具有广泛的药理作用。近日，制药膜分离团队成员针对药用门冬氨酸钾传统制备过程中的酸碱消耗量大，工艺流程长，制备效率低等问题，提出一种置换电渗析工艺（图1），仅以门冬氨酸铵和无机钾盐为原料一步法直接制备药用门冬氨酸钾和铵盐（副产物可用于肥料），实现了在常规条件下无法自发产生的两种盐之间的离子置换反应（AB+CD→AD+CB）。在最优条件下，采用置换电渗析制备门冬氨酸钾的能耗低至0.14 kWh/kg，产物纯度高达99.8%。2024年4月9日，该成果以“Direct conversion of monopotassium L-aspartate by electrodialysis metathesis: Stack resistance, co-ion transport, and concentration polarization”为题发表在国际化工领域顶刊《Chemical Engineering Science》（IF=4.7，中科院二区TOP期刊）。

图1. 采用置换电渗析直接转化门冬氨酸钾

研究团队为了提高产物纯度并降低能耗，以投料的钾盐类型（KCl、K₂SO₄、K₃PO₄）和离子膜类型（CMX/AMX、CIS/AIS、SYMC/SYMA）为切入点，针对置换电渗析过程中的膜堆电阻变化、共离子迁移和浓差极化进行了系统地研究，从传质基础出发来提升分离性能。主要内容及成果包括：

1、针对膜对电压变化导致的能耗差异，本研究中基于膜堆构型建立了包括溶液电阻、膜电阻和非欧姆电阻在内的模型（图2），根据该模型对比分析实验过程中引起膜堆电压变化的关键因素并针对性的进行优化。结果表明，在实验初始阶段内（0-5 min），∑R(cell,sol) 是膜堆电压变化的主要因素；此后,∑R(cell,mem) +R(cell,non-ohm)快速上升并成为膜堆电压的主要影响因素。在K₂SO₄体系下，并采用CIS/AIS时,∑R(cell,mem) +R(cell,non-ohm)最低，能耗最低。

图2. 膜堆电阻模型

2、针对置换电渗析过程中由离子膜的非100%选择性导致的共离子迁移现象，本研究中对共离子迁移驱动力做出详细分析并通过检测产物室中的杂质离子浓度优化实验条件。结果发现，共离子可通过两条路径向产物室发生迁移，并以浓差驱动和电场驱动同向耦合作用形成的迁移路径为主（图3）。此外，由于阳离子交换膜对不同价态阴离子的Donnan排斥作用以及离子自身水合自由能的差异，SO₄^2-和PO₄^3-的共离子迁移量显著低于Cl^-。

图3. 膜堆中的共离子迁移

3、针对门冬氨酸阴离子迁移造成的浓差极化现象，本研究中结合离子自身性质和膜的性质深入的讨论了浓差极化的机理以及膜污染的形成机制（图4）。通过膜面电阻和无电场条件下的离子扩散通量分析，结果发现，使用厚度较薄、水含量较高的AIS时可以显著降低极化现象。

图4. 浓差极化现象和产生机制

综上，本研究开发了一种将低价值盐转化为高附加值高纯度药物的置换电渗析工艺，该工艺不依赖酸碱，无高盐废水排放，操作简单，易于集成，具有重要的应用价值和市场竞争力，并有望拓展到其他氨基酸类药物的制备过程。

本课题已申请国家发明专利3项。此外，团队成员依托本课题荣获“智汇少荃”一等奖、第九届中国“互联网+”大学生创新创业大赛国赛铜奖，并成功获批2023年国家级创新训练项目1项。研究成果得到国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金青年科学基金、安徽省高校优秀青年科研项目、安徽中医药大学校级人才支持计划重大项目、大学生创新创业训练计划项目等支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ces.2024.120113