用于乙醇生产的同步闪蒸汽提发酵过程研究

论文摘要

乙醇是用途广、需求量大的化学品之一。随着农业生产的发展及环保的要求,石油资源的枯竭,可再生清洁能源受到了广泛的重视。其中燃料乙醇是当今研究的热点。目前燃料乙醇成本过高还无法与汽油竞争,优化工艺,强化过程是降低成本的重要途径之一。乙醇发酵是典型的产物抑制过程,发酵分离耦合技术,即在发酵过程中同时不断移出产物乙醇,是提高发酵强度的有效手段。为了提高乙醇的在位分离能力,从而提高发酵强度,本文集成闪蒸发酵和汽提发酵两种过程,提出了用于生产乙醇的同步闪蒸汽提发酵过程。实验和理论分析表明,同步闪蒸汽提发酵过程相比汽提发酵和闪蒸发酵,其发酵强度有明显的提高,而且可实现高底物浓度进料,从而节约用水和降低废水处理成本。另外,提高通气量、闪蒸罐进料速度等有关乙醇分离的操作参数,有利于提高发酵强度。实现高温发酵,更有利于显示该过程的优越性。为了实现同步闪蒸汽提发酵过程,本文设计了侧环式反应器,通过增加侧臂,解决闪蒸罐进料液体脱气的问题。本文还对微生物反应动力学进行研究,通过催化反应机理阐述Monod方程的物理意义,并由此引申提出新的细胞生长动力学模型。实验结果表明,新模型与实验值很好的吻合。基于新的动力学模型,建立了同步闪蒸汽提发酵的过程模型,包括对汽提过程的计算进行改进。由实验中发现,通气量的增大对细胞生长呈现先促进后抑制的现象,为此本文提出通气量因子的概念及表达形式,修正存在汽提条件下的细胞生长动力学方程,较好地解决了通气量对过程影响的准确预测问题。本文通过实验,实现了同步闪蒸汽提发酵过程的连续化,利用以上的方法进行计算,模拟预测的结果与连续同步闪蒸汽提发酵的实验值相一致。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 乙醇生产重要意义
• 1.2 乙醇发酵生产概况
• 1.3 乙醇发酵过程研究的进展
• 1.3.1 传统工艺的改进
• 1.3.2 生料发酵技术
• 1.3.3 菌种的改良
• 1.3.4 细胞循环和固定化技术
• 1.3.5 固态发酵技术
• 1.3.6 乙醇发酵－分离耦合技术
• 1.4 发酵动力学研究的现状
• 1.4.1 菌体生长动力学
• 1.4.2 产物生成动力学
• 1.4.3 底物消耗动力学
• 1.5 本文的研究重点
• 1.6 小结
• 第二章 实验材料和方法
• 2.1 实验材料和实验设备
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 发酵培养基
• 2.1.3 主要实验设备
• 2.2 实验和检测方法
• 2.2.1 实验方法
• 2.2.2 检测方法
• 2.3 实验流程
• 第三章 生物反应器的研究
• 3.1 侧环式生物反应器的结构
• 3.2 侧环式生物反应器的CFD模拟
• 3.3 小结
• 第四章 同步闪蒸汽提发酵实验研究
• 4.1 普通间歇发酵实验结果
• 4.2 不同发酵方式的比较
• 4.3 进气量对于同步闪蒸汽提发酵的影响
• 4.4 温度对于同步闪蒸汽提发酵的影响
• 4.5 闪蒸罐进料流速对同步闪蒸汽提发酵的影响
• 4.6 不同气体对于发酵的影响
• 4.7 小结
• 第五章 微生物反应动力学模型研究
• 5.1 微生物反应新动力学方程的提出
• 5.2 模型的验证和比较
• 5.3 考虑底物抑制模型改进
• 5.4 小结
• 第六章 同步闪蒸汽提发酵过程模拟
• 6.1 汽提作用的计算
• 6.1.1 本文处理方法
• 6.1.2 计算结果比较
• 6.2 通气量对发酵的影响
• 6.2.1 通气因子的提出
• 6.2.2 间歇过程汽提发酵实验
• 6.3 闪蒸过程计算
• 6.3.1 活度系数方程的比较
• 6.4 同步闪蒸汽提连续发酵过程模拟
• 6.5 小结
• 第七章 同步汽提闪蒸连续发酵过程分析
• 7.1 过程数学模型
• 7.1.1 动力学方程
• 7.1.2 闪蒸气液平衡的计算
• 7.1.3 汽提作用的计算
• 7.2 模拟结果与讨论
• 7.2.1 通气量对于同步闪蒸发酵过程的影响
• 7.2.3 液体循环比对同步闪蒸汽提发酵的影响
• 7.2.4 进料浓度对同步闪蒸汽提发酵的影响
• 7.4 小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 展望
• 符号说明
• 参考文献
• 发表论文情况
• 致谢