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基于中空纤维膜的丙酮/丁醇发酵—渗透汽化分离耦合

陈雄  
【摘要】:本文首先制备了PDMS/PVDF中空纤维复合膜,并应用于丙酮-水、丁醇-水、乙醇-水和丙酮-丁醇-乙醇-水中有机物的分离,考察了料液浓度、温度和pH对膜渗透汽化分离性能的影响。结果表明,复合膜对丙酮、丁醇和乙醇有较好的分离效果,在40℃,自然pH条件下,对总溶剂浓度为2wt%的丙酮-丁醇-乙醇-水溶液中丙酮、丁醇和乙醇的分离因子分别为20.09、22.95和3.93。 随后筛选确定华南205木薯粉为发酵原料,用丙酮丁醇梭菌Clostridium acetobutylicum ATCC 824为发酵菌株进行分批发酵-分离耦合。结果表明,整个发酵过程平均生产强度为0.68gL-1h-1,最大的生产强度为1.55gL-1h-1,相比未耦合分离的发酵,分别提高了41.7%和44.9%。溶剂浓度提高了123.9%,淀粉利用率提高了69.3%。渗透液中丙酮和丁醇浓度分别达到50gL-1和100gL-1左右,总溶剂浓度达170gL-1以上。 然后对木薯粉的水解条件进行了优化,结果表明,以料水比1:1.5配料,按10Ug-1木薯粉的量添加α-淀粉酶,在自然pH、温度75℃条件下水解60min,可制备高浓度的木薯粉水解液。 以木薯粉水解液进行流加发酵,并对流加方式、耦合分离时机和5L发酵罐流加发酵-分离耦合进行了研究,结果表明,选择连续流加补料方式,控制发酵液中总糖浓度在60.0gL-1左右,当发酵液中丁醇浓度接近7.0gL-1时接入渗透汽化分离装置进行流加发酵-分离耦合操作,可得到较高的生产强度;5L发酵罐流加发酵-分离耦合操作,整个发酵过程平均生产强度为0.62gL-1h-1,补料阶段生产强度为0.90gL-1h-1,最大达到1.33gL-1h-1。发酵液中总溶剂浓度控制在11gL-1以下,丁醇浓度低于6gL-1,有效的控制了发酵液中丁醇的浓度,减小了丁醇的抑制作用。渗透液中总溶剂平均浓度达到220gL-1以上,最高为256.1gL-1,丁醇平均浓度126.6gL-1。 因此,制备的PDMS/PVDF中空纤维复合膜能够从水溶液中有效分离丙酮、丁醇和乙醇,并进行初步的浓缩。渗透汽化分离与ABE发酵过程耦合,能明显减轻丁醇的抑制作用,提高发酵强度。


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