论文部分内容阅读
由于不可再生的化石燃料引起的能源危机及其使用过程中产生的环境污染,生物乙醇作为可再生能源越来越受到世界各国的广泛关注。传统生物乙醇发酵过程受产物抑制作用导致乙醇时空产率低、生产成本高等缺点,目前最常用最有效的方法是原位产物移除技术(In situ product removal,简称ISPR),其可将发酵液中的乙醇及时移除,消除产物抑制。现有的ISPR技术(真空抽提、气提、萃取、膜分离技术等)用于乙醇发酵过程时都存在一些问题,而其中渗透汽化(pervaporation,简称PV)被认为是比较有前景的一种ISPR技术,但在PV-发酵耦合过程中由于膜与发酵液直接接触,其中某些组分会引起膜污染,因此限制了其工业化应用。蒸汽渗透(vapor permeation,简称VP)技术是一种新型膜分离技术其与PV过程的区别在于其进料是洁净的蒸汽。因此本文提出将VP技术与发酵过程耦合,可有效避免膜污染,极大地延长膜的使用寿命及提高过程的经济性。通过对比间歇发酵、PV-发酵及内置式VP-发酵耦合三个过程的结果表明内置式VP-发酵耦合过程膜污染明显减轻,其乙醇时空产率高于间歇发酵；同时外置式VP-发酵的效果优于内置式VP-发酵耦合过程。本文首先针对目前最常用的膜材料-聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,简称PDMS)分子量大,山其制备的膜通量低等缺点,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)、羟基硅油(HSO))自聚或共聚来制备超薄膜,其活性层厚度在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,分离因子与之相当。同时表征了膜表面及内部结构,并分析了其与PV性能的关系。其中性能较优的PVTES-HSO膜可用于VP-发酵耦合过程,由于其通量高,耦合时间比PDMS膜大大缩短。其次,对乙醇发酵及VP过程分别进行了条件优化,综合过程经济性及能耗,最终确定最优操作条件：膜器温度为35-45℃；循环蒸汽流量为1.3 L·min-1;膜后侧真空度为0.097 MPa; V/A为0.035-0.053之间比较合适。在此条件下进行连续发酵实验,证明了连续发酵-VP过程的可行性。再者,本文通过实验研究了多组分(乙醇,水,C02及N2)混合蒸汽在膜中的传质行为,结果表明,CO,对PDMS膜有塑化作用；在水活度较低(0-0.3)时,其对乙醇在膜内的渗透影响较小。结合溶解-扩散机理,采用UNIQUAC-HB及改进后的Long’s模型建立了多组分蒸汽渗透模型,结果表明该模型计算值与实验值吻合较好。在乙醇在膜中传质动力学和乙醇发酵动力学基础上建立了乙醇发酵-蒸汽渗透耦合动力学模型。模型对葡萄糖浓度和菌种浓度的预测较准确,而对乙醇浓度预测偏低,主要是由于VP祸合初期的不稳定性造成的。最肝根据小试的结果,对乙醇发酵-蒸汽渗透耦合过程进行中试放大设计,并进行了中试研究,祸合发酵120h,整个过程发酵液中乙醇浓度菌种浓度,葡萄糖浓度都比较稳定,其乙醇产率高于间歇发酵过程。