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纳滤(NF)/反渗透(RO)分离和浓缩木质纤维素模型水解液的实验研究

周方磊  
【摘要】:生物质能源,作为新能源中来源最为广泛、发展前景最为广阔的一种可再生清洁能源,已被大量的科学工作者们进行了深入而又全面的探索和应用研究,用以代替因消耗过度、需求上升、储量不足和环境污染等所制约的化石能源。木质纤维素生物质通过生物转化过程制取生物燃料是获取生物质能源的一条重要途径,而转化过程中最为关键的步骤是木质纤维素原料的水解过程。稀酸水解或稀酸预处理后酶水解是目前应用最为广泛的水解技术,但稀酸处理后的木质纤维素水解液中含有大量的由高温高压降解而产生有毒物质,严重地抑制了后续微生物的发酵过程,并降低了终产物(生物乙醇)的产量和得率,因此这些发酵抑制物需要在发酵之前去除掉以保证资源的高效利用。本文以木质纤维素模型水解液为研究对象,通过纳滤(NF)和反渗透(RO)膜分离技术对水解液中一种高含量高毒性的发酵抑制物——乙酸的分离进行了全面的考察,并探索了利用膜技术同步分离乙酸和浓缩单糖的可行性,主要研究结果如下: (1)通过考察溶液pH值、跨膜压力、操作温度和料液浓度的影响,确定了在较优实验参数下,NF膜能够达到85%-90%的单糖截留率和0%-5%的乙酸截留率;RO膜能够达到高于99.5%的单糖截留率和40%左右的乙酸截留率。NF的乙酸去除效果要好于RO,RO的单糖截留效果要好于NF。 (2)乙酸相对于木糖分离系数为:8.87(NF)和223.2(RO);乙酸相对于葡萄糖分离系数为:56.5(NF)和348.7(RO)。RO过程中乙酸相对于单糖的分离系数远远高于NF过程。 (3)通过文献总结,水解液中高浓度的乙酸会严重抑制微生物的发酵,但是低浓度的乙酸反过来也能够促进微生物生长和提高乙醇产量。因此在水解液中保留低浓度乙酸是更加经济高效的解毒方法,同时为了尽可能地保留可发酵糖,RO膜更适合于水解液中的乙酸分离过程。 (4)对所选四种膜中最佳膜(RO98pHt膜)进一步的操作条件优化实验得出本研究中的最佳分离参数,即溶液pH值2.93(原始pH值)、操作温度40℃、跨膜压力20bar。 (5)木质纤维素模型水解液的实际四倍浓缩操作实验得出的结果是:单糖含量回收99.61%(木糖)和99.69%(葡萄糖),乙酸总量去除了66.76%。三倍浓缩模型水解液进一步渗滤操作得出的结果是:当渗滤系数达到4时,单糖含量回收99.09%(木糖)和99.22%(葡萄糖),乙酸浓度下降75.46%,已达到有利于发酵过程的乙酸浓度范围。 以上结果说明RO98pHt膜的分离过程能够有效同步地分离出水解液中的高含量乙酸并回收和浓缩99%以上的单糖。


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