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制备乙醇的发酵与渗透汽化集成过程的设计与优化

朱颖  
【摘要】:乙醇是用途广泛、可再生的发酵工业产品,而燃料乙醇显示出强烈的可替代石油类燃料的趋势,因此先进的乙醇发酵工艺是当今世界的研究热点。在发酵制备燃料乙醇的过程中,需要及时将发酵液中的低浓度乙醇分离出来,以降低产物抑制作用维持发酵的连续进行。传统的分离方法有蒸馏法、吸附法、萃取法等,但存在着能耗高、污染大、投资高、经济效益低等不足。渗透汽化是一种新型的膜分离技术,在分离恒沸近沸体系等方面具有明显优势,尤其在低浓度乙醇水溶液的分离中也有着广泛的应用前景。本文自制渗透汽化复合膜,与发酵系统集成起来,并对此过程进行全面优化,通过研究得到以下主要结论: (1)选用耐高温酿酒高活性干酵母(alcohol active dry yeast),并以葡萄糖作为底物进行间歇发酵条件的优化。利用正交表L9(3~4)安排,以乙醇得率为目标参数,重点讨论对发酵影响最明显的三个外部因素,即底物浓度、发酵温度和pH值,对乙醇得率的影响。结果表明,对乙醇得率影响最大的参数为葡萄糖浓度,其次为发酵温度,pH值的影响则相对较小。同时得到发酵最优水平组合为:150g/L初始葡萄糖,pH=4,发酵温度为35℃。在该条件下进行间歇发酵,乙醇得率为0.257,大于以上9组条件下的得率,后续的连续发酵也采用该优化条件。 (2)以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为活性层材料,分别以乙酸纤维素(CA)、聚丙烯腈(PAN)、聚砜(PS)和聚偏氟乙烯(PVDF)为支撑层材料,制备了PDMS复合膜,用于乙醇/水体系的渗透汽化研究。结果表明PDMS复合膜的分离性能与支撑膜有很大关系。总通量和乙醇通量最大的是以疏水性最强的PVDF为支撑层的PDMS复合膜,而以亲水性最强的CA为支撑层的PDMS复合膜总通量和乙醇通量最小。乙醇选择性顺序则相反。在考察操作条件对复合膜渗透汽化性能的影响时发现:随着料液温度的升高,4种复合膜的渗透通量均大幅度增加,分离因子却随之下降;当料液浓度增大时,4种复合膜的渗透通量都增加,分离因子有所降低;当增加料液流速时,4种复合膜的渗透通量和分离因子均有所提高,但分离因子增加的幅度不大。在后续的集成过程中,选择分离性能相对较好的PDMS/PVDF复合膜。 (3)在筛选出的最佳复合膜基础上,构建了渗透汽化膜—发酵集成系统用于乙醇连续发酵。发酵器选用全混流反应器。考察渗透汽化温度和集成过程的循环流速对发酵液中各组分浓度和PDMS复合膜分离性能的影响,结果发现:温度较高时,发酵液中细胞浓度和乙醇浓度较低,但渗透通量较高,分离因子也较低;循环流速大时,发酵液中细胞浓度大,但乙醇浓度与循环流速小时无明显差异,同时大的循环流速使PDMS复合膜的渗透通量和分离因子均有所提高。在集成系统中,PDMS复合膜的渗透通量为400-700g/(m~2·h),分离因子6-12。透过侧乙醇质量分数基本稳定在30%(w/w)左右,最高可达42%(w/w),表明PDMS复合膜的分离性能稳定,并且可以得到较高浓度的乙醇溶液。渗透物中几乎不含任何细胞及其他无机盐成分,有利于后续生产更高浓度的乙醇产品。


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