乙醇發(fā)酵--蒸汽滲透耦合過(guò)程的實(shí)驗(yàn)與理論研究.pdf

1、由于不可再生的化石燃料引起的能源危機(jī)及其使用過(guò)程中產(chǎn)生的環(huán)境污染，生物乙醇作為可再生能源越來(lái)越受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)生物乙醇發(fā)酵過(guò)程受產(chǎn)物抑制作用導(dǎo)致乙醇時(shí)空產(chǎn)率低、生產(chǎn)成本高等缺點(diǎn)，目前最常用最有效的方法是原位產(chǎn)物移除技術(shù)(In situ productremoval，簡(jiǎn)稱ISPR)，其可將發(fā)酵液中的乙醇及時(shí)移除，消除產(chǎn)物抑制?，F(xiàn)有的ISPR技術(shù)（真空抽提、氣提、萃取、膜分離技術(shù)等）用于乙醇發(fā)酵過(guò)程時(shí)都存在一些問(wèn)題，而其中滲透汽

2、化(pervaporation，簡(jiǎn)稱PV)被認(rèn)為是比較有前景的一種ISPR技術(shù)，但在PV-發(fā)酵耦合過(guò)程中由于膜與發(fā)酵液直接接觸，其中某些組分會(huì)引起膜污染，因此限制了其工業(yè)化應(yīng)用。
　　蒸汽滲透(vapor permeation，簡(jiǎn)稱VP)技術(shù)是一種新型膜分離技術(shù)，其與PV過(guò)程的區(qū)別在于其進(jìn)料是潔凈的蒸汽。因此本文提出將VP技術(shù)與發(fā)酵過(guò)程耦合，可有效避免膜污染，極大地延長(zhǎng)膜的使用壽命及提高過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)對(duì)比間歇發(fā)酵、PV-發(fā)酵及

3、內(nèi)置式VP-發(fā)酵耦合三個(gè)過(guò)程的結(jié)果表明內(nèi)置式VP-發(fā)酵耦合過(guò)程膜污染明顯減輕，其乙醇時(shí)空產(chǎn)率高于間歇發(fā)酵;同時(shí)外置式VP-發(fā)酵的效果優(yōu)于內(nèi)置式VP-發(fā)酵耦合過(guò)程。
　　本文首先針對(duì)目前最常用的膜材料-聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，簡(jiǎn)稱PDMS)分子量大，由其制備的膜通量低等缺點(diǎn)，提出了以小分子硅烷(乙烯基三乙氧基硅烷(VTES)、二甲基二乙氧基硅烷(DMDES)、羥基硅油(HSO))自聚或共聚來(lái)制備超薄

4、膜，其活性層厚度在1μm左右。其通量(5000-8500 g·m-2·h-1)比PDMS膜(20-1000g·m-2·h-1)高10倍以上，分離因子與之相當(dāng)。同時(shí)表征了膜表面及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并分析了膜的結(jié)構(gòu)與PV性能的關(guān)系。PVTES-HSO膜可用于VP-發(fā)酵耦合過(guò)程，且由于其通量高，耦合時(shí)間比PDMS膜大大縮短。
　　其次，對(duì)乙醇發(fā)酵及VP過(guò)程分別進(jìn)行了條件優(yōu)化，綜合過(guò)程經(jīng)濟(jì)性及能耗，最終確定最優(yōu)操作條件:膜器溫度為35-45℃;循

5、環(huán)蒸汽流量為1.3 L·min-1;膜后側(cè)真空度為0.097 MPa; V/A為0.035-0.053之間比較合適。在此條件下進(jìn)行連續(xù)發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，證明了連續(xù)發(fā)酵-VP過(guò)程的可行性。
　　再者，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了多組分（乙醇，水，CO2及N2）混合蒸汽在膜中的傳質(zhì)行為，結(jié)果表明，CO2對(duì)PDMS膜有塑化作用;在水活度較低（0-0.3）時(shí)，其對(duì)乙醇在膜內(nèi)的滲透影響較小。并結(jié)合溶解-擴(kuò)散機(jī)理，采用UNIQUAC-HB及改進(jìn)后的Long's

6、模型建立了多組分蒸汽滲透模型，結(jié)果表明該模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值吻合較好。
　　在乙醇在膜中傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)和乙醇發(fā)酵動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上建立了乙醇發(fā)酵-蒸汽滲透耦合動(dòng)力學(xué)模型。模型對(duì)葡萄糖濃度和菌種濃度的預(yù)測(cè)較準(zhǔn)確，而對(duì)乙醇濃度預(yù)測(cè)偏低，主要是由于VP耦合初期的不穩(wěn)定性造成的。
　　最后根據(jù)小試的結(jié)果，對(duì)乙醇發(fā)酵-蒸汽滲透耦合過(guò)程進(jìn)行中試放大設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了中試研究，耦合發(fā)酵120 h，整個(gè)過(guò)程發(fā)酵液中乙醇濃度菌種濃度，葡萄糖濃度都比較穩(wěn)定，其