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《四川大学》 2003年
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新型硅橡胶膜生物反应器制造乙醇连续发酵动力学研究

钟月华  
【摘要】:硅橡胶膜作为一种均相聚合物材料无孔膜,具有不透无机盐成分、疏水性和对乙醇有较高的选择透过性等优点,已被研究用于构成连续发酵制造乙醇的膜生物反应器。在过去的十几年,硅橡胶膜生物反应器制造乙醇的连续发酵已被研究者们认为具有技术和经济的优越性,但相关的基础研究并没有取得显著进展。本文利用自制的硅橡胶复合膜构造了乙醇连续发酵膜生物反应器进行了系统的实验,对反应器系统中的发酵反应动力学和膜传质动力学及其相互关系进行了研究。 建立了适合无溢流的硅橡胶乙醇连续发酵膜生物反应反应器系统的细胞反应动力学模型。并利用耐高温活性干酵母作为发酵微生物,进行了乙醇连续发酵的影响因素分析,得到了对工业应用有一定指导意义的结果:较低的温度和分批补料更适合细胞生长和维持活性,从而有利于连续发酵;循环泵的选择是实现连续发酵过程的关键因素之一。实验证明了乙醇反应动力学符合Luedeking-Piret模型。首次在对膜无冲洗和更换的前提下,实现了500h的连续发酵实验,得到的发酵反应动力学曲线与所建立的模型十分吻合,显示了由新型PDMS复合膜构成的连续膜反应器系统具有全新的操作概念:加入原料糖,细胞代谢碳源基质生成乙醇,膜渗透蒸发原位分离产物使细胞维持长久的稳定性和生物活性,从而维持系统长时间连续稳定运行。连续发酵过程中硅橡 摘要 胶膜表现出了良好的分离性能,得到了平均浓度为犯%(w佃),最高浓度为38% (w/w)的乙醇产品,不含无机盐和细胞,对下游产品的处理和浓缩非常有利。 过程中葡萄糖的实际转化率为98%,乙醇体积产率为4一6.8吵.L。 基于硅橡胶膜的溶解一扩散传质机理和两段串联阻力模型,对乙醇连续发 酵过程中膜的渗透蒸发传质进行了计算,并对细胞生长、基质消耗与膜传质之 间的关系进行了分析和研究。研究了发酵液循环速率、发酵温度、膜面上不同 的流体流动形式对膜传质的影响:随着循环流速和温度的提高,膜的渗透通量 增加,温度与膜渗透通量的关系符合Arrhenius方程;温度对选择性影响较小。 通过对比实际发酵液和乙醇一水模型溶液的膜渗透蒸发分离表现,以及分析膜 组件切向进料和中间进料不同流动方式对膜分离性能的影响,发现细胞在膜面 上的活动有利于膜的传质;因为硅橡胶膜有效地减轻了乙醇产物对细胞的抑制 作用,使连续发酵实验稳定持续长达sooh,期间膜渗透通量和选择性都保持 相对稳定;细胞的旺盛代谢作用增进膜的传质,膜的总传质系数在发酵的前后 阶段从5.21 x 10一7耐s提高到7.94 x 10一7而s,增加率为52.4%。实验发现膜面 上沉积一定厚度的细胞层有利于膜的传质,但是超过一定厚度后又会出现堵塞 现象,膜的通量和分离因子都降低。这为膜组件的设计提供了一定的参考价值。 从动力学角度对乙醇连续发酵膜生物反应器的工业应用的操作进行了分析 和评述。对无溢流的硅橡胶膜生物反应器,可通过分批加料使系统达到动态平 衡,然而影响其连续性的最大问题是无机盐、死细胞、非挥发性代谢产物累积 对细胞活性的影响。对这些问题进行深入研究,是使硅橡胶膜生物反应器乙醇 连续发酵走向工程实际应用的技术关键之一。 关键词:膜生物反应器硅橡胶复合膜乙醇连续发酵渗透蒸发膜传质 动力学
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