细胞循环硅橡胶膜生物反应器连续乙醇发酵动力学模型研究

【摘要】：硅橡胶复合膜能选择性透过乙醇,且具有对微生物无毒害等特点,适合处理实际发酵液。本研究基于细胞生长更新和产物原位分离的概念设计了细胞循环硅橡胶膜生物反应器。通过把发酵过程与硅橡胶膜渗透汽化分离产物乙醇的过程耦合,使发酵液中乙醇维持低浓度以减轻或消除产物抑制效应,同时通过沉降分离使细胞持续生长而保持活性,从而实现微生物生长与产物代谢两个平行反应的平衡。微生物采用耐高温酿酒活性干酵母(TH-AADY),在膜生物反应器连续运行的300小时内细胞、葡萄糖和乙醇浓度保持相对稳定。通过细胞生长补偿,在0.17g?L(1h(1的细胞取出率条件下,反应器内的细胞浓度维持在10.02~13.2g?L(1,且死亡细胞的比例低于20%。连续发酵的乙醇浓度由膜分离保持在56.2g?L(1以下,乙醇平均产率达到3.83g?L(1h(1,远高于分批发酵的1.87 g?L(1h(1。对应平均乙醇浓度为31.4g?L(1的发酵液,膜下游恒速冷凝收集到平均浓度为17.9wt%的乙醇渗透溶液。反应器内的pH值在发酵—分离耦合时会自动稳定在4.0±0.5。 耐高温酿酒活性干酵母在硅橡胶膜生物反应器条件下发酵时,细胞浓度、乙醇浓度和葡萄糖浓度的变化规律是一个相互影响的过程,产物抑制和细胞抑制现象明显。由酵母细胞生长交叉实验的非线性回归分析,建立了同时包含细胞、乙醇和葡萄糖对发酵规律影响的动力学方程。当培养基中葡萄糖充足(S1.6g?L(1)时,葡萄糖浓度对发酵动力学行为的影响很小,且在S100g?L(1时没有出现基质抑制现象。酵母比生长率随着细胞浓度的增加而减小,理论上细胞自由生长的最大浓度为15.2g?L(1。酵母比生长率随着乙醇浓度的增加而减小,理论上乙醇对细胞自由生长的完全抑制浓度为69.6g?L(1。通过发酵动力学分析发现,耐高温酿酒活性干酵母在膜反应器连续发酵条件下最大细胞生长率为0.912g?L(1h(1,最大乙醇产率为5.43g?L(1h(1,最大葡萄糖消耗率为12.74 g?L(1h(1。最大细胞生长率和最大乙醇产率分别对应着不同的操作参数,根据发酵动力学的优化可以确定最佳工艺条件。 WP=3 实验室自制的PDMS复合膜在分离乙醇水溶液和发酵液时具有稳定的通量和分离因子,表现出相当高的分离性能。随着进料乙醇浓度的增加,乙醇水溶液和发酵液的渗透通量都呈现增大趋势,但分离因子略有降低。在相近的进料乙醇浓度条件下,分离实际发酵液时的总通量、乙醇通量和分离因子均显著高于模型溶液。当温度和循环流量恒定时,分离不同进料浓度的乙醇水溶液时表现出稳定的乙醇传质系数1.34×10(6m?s(1,此时边界层传质和膜内传质都是渗透汽化的控制因素。增加进料流量能提高边界层传质系数,对于相同的流量和膜器形状,流动形态不同也会造成边界层传质系数的差异,螺旋流道流动比自由涡旋转流动的边界层传质系数更高。分离真实发酵液的乙醇传质系数高于乙醇水溶液,且随着活性细胞浓度的增加而增大。在35℃和100L?h(1的循环流量条件下,对应14.1g?L(1的细胞浓度,发酵液的乙醇总传质系数高达2.38×10(6m?s(1,此时膜内传质是渗透汽化的控制因素。分离发酵液的膜传质系数与细胞浓度的关系可以用改进的幂函数来描述。 在发酵动力学和膜传质动力学基础上建立的耦合动力学数学模型反映了膜生物反应器内基质、产物和细胞质量的动态变化规律。通过对耦合动力学模型的分析发现,模型对反应器内的细胞浓度和乙醇浓度的预测较准确,而由于误差积累的原因对葡萄糖浓度预测不够理想。反应器运行达到稳态后,细胞浓度取决于发酵动力学常数以及操作参数葡萄糖补充速率和细胞排出速率,与渗透汽化部分的操作无关。稳态乙醇浓度主要受到膜传质动力学常数和操作参数的影响,而与细胞生长常数无关。所有的动力学常数、结构参数、和操作参数都会影响到稳态葡萄糖浓度的大小。为使反应器稳态运行,细胞排除率和葡萄糖补充率都有其操作范围的限制,对其进行优化可以使反应器获得最佳乙醇产率。在设计膜生物反应器时,膜面积应与反应器容积相匹配。膜面积过小可能导致分离能力不足,反应器内乙醇浓度升高,乙醇产率降低。而膜面积大于某一极限值At后,也起不到提高乙醇产率的作用,出现膜通量小、系统效率低的现象。膜面积的设计值需要对膜的初始投资及运行成本进行经济性核算后作出。