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硅橡胶(PDMS)复合膜结构及渗透蒸发应用研究

石尔  
【摘要】: 渗透蒸发是一种新型膜分离技术,对共沸或近沸混合体系的分离,微量水或有机物的脱除以及有机-有机混合物的分离等具有独特的优越性,在石油化工、制药、食品、环境、生物、能源等工业领域中具有广阔的应用前景。硅橡胶(PDMS)膜作为迄今研究最多的有机相渗透蒸发分离膜材料之一,对其结构和性能进行深入研究,剖析其分离性能的传递机理,对于优化制膜技术和高性能膜的开发及工业应用,具有重要的理论和实际意义。 本论文对硅橡胶复合膜结构及其渗透蒸发性能展开了较为系统的研究,同时进行了PDMS膜用于渗透蒸发过程对白酒风味成分重整、苹果原汁发酵制造白兰地和酸性饮料产品、连续发酵生产燃料乙醇三方面的应用研究。主要工作分为四个部分: 1.活性皮层和支撑层之间的界面层对PDMS复合膜渗透性能的影响 用两种分别具有聚砜(PSF)和聚酰胺(PA)支撑层材料的PDMS复合膜对低浓度乙醇-水溶液进行渗透蒸发性能实验,对不同操作条件下,两种膜的渗透性能进行实验研究发现:PDMS-PA复合膜的比渗透率超过PDMS-PSF复合膜至少7倍。应用串联阻力模型定义各段阻力对渗透物的传递方程,分析了活性皮层和支撑层之间的界面层对PDMS复合膜渗透性能的影响。通过复合膜断面的SEM分析和元素分布的EDS分析,发现PDMS材料作为顶部分离活性层与不同支撑层材料复合时表现出不同的结构形态。PDMS侵入PSF支撑层约2μm,但对复合膜分离性能产生显著影响,该侵入层产生的阻力超过了PDMS侵入PA支撑层的阻力,也超过了PDMS固有阻力。表明界面层处膜的材料组合和物理结构是影响膜性能的关键因素之一。 2.PDMS膜渗透蒸发过程用于改进中国新型白酒品质的研究 采用自行研制的PDMS平板复合膜,对中国新型白酒在30℃,35℃和40℃和10mmHg的下游侧压力下进行渗透蒸发分离实验,通过渗透液和渗余液中的芳香物质的气相色谱分析发现PDMS复合膜对白酒中的风味成分表现出良好的选择透过性。原酒中5种酯类(乳酸乙酯除外)和乙缩醛的分离效率达到100%,其他醇类(除甲醇)的分离效率为80%,乙醛的分离效率超过87%。40℃时乙醇的平均渗透通量达到了3539g/m~2·h。对分离得到的酒液进行感官分析显示重新组合的新酒的感官质量大大优于原酒。研究表明渗透蒸发用于改进白酒品质是一项有前景的技术。 3.硅橡胶膜生物反应器苹果原汁发酵生产白兰地和低醇酸性饮料研究 构建了一套有效体积为5L、膜面积为0.08m~2的实验装置,采用专门培养的菌株,在25℃进行发酵实验,确定了硅橡胶膜生物反应器苹果原汁发酵技术的稳定工艺模式。通过高效和选择性地分离苹果原汁发酵液中的乙醇及其他芳香物质,实现了挥发性发酵产物的原位分离,减轻了产物抑制,提高了糖酒转化率,缩短了生产周期。通过对发酵液和分离产物的初步分析,发现膜下游侧收集的渗透冷凝液能制成高品质的白兰地原料酒,而上游的渗余液则可用于制成苹果原汁酸性发酵饮料。研究结果为PDMS膜生物反应器系统用于苹果汁发酵、加工生产具有高附加值产品提供了实验依据。 4.硅橡胶膜生物反应器封闭循环连续发酵制造燃料乙醇放大系统研究 在装配膜面积为0.08m~2的硅橡胶膜生物反应器系统上进行乙醇连续发酵燃料乙醇生产的放大实验研究。以安琪工业酵母作为发酵微生物和工业葡萄糖作为碳源基质,实验研究了该系统在长期运行过程中的发酵反应动力学参数和膜传质动力学参数等基本性能。当发酵罐中乙醇浓度为30-60g/L时,得到质量浓度为17%-28%的冷凝渗透液。在连续运行中,细胞浓度维持在10-24.8g/L,料液罐中葡萄糖浓度大约为30-50g/L,乙醇的体积产率为2.33-3.99g/(L·h),膜的渗透通量和分离因子分别为800-1050g/(m~2·h)和5.1-8.6。在连续269 h运行中,得到乙醇1999 g,基质转化率为87.2%,碳回收率为89.5%,产生的废液量大约为传统间歇发酵过程的22.2%左右。 进行了酿酒酵母连续发酵生成乙醇和产物原位分离的耦合动力学研究。建立了耦合过程中细胞生长、产物合成和基质消耗随时间变化的数学模型。该模型计算结果与实验值吻合良好,可较好地预测膜生物反应器稳定操作参数,对该类膜生物反应器的开发设计和操作具有指导意义。


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