制备乙醇的发酵与渗透汽化集成过程的设计与优化

论文摘要

乙醇是用途广泛、可再生的发酵工业产品,而燃料乙醇显示出强烈的可替代石油类燃料的趋势,因此先进的乙醇发酵工艺是当今世界的研究热点。在发酵制备燃料乙醇的过程中,需要及时将发酵液中的低浓度乙醇分离出来,以降低产物抑制作用维持发酵的连续进行。传统的分离方法有蒸馏法、吸附法、萃取法等,但存在着能耗高、污染大、投资高、经济效益低等不足。渗透汽化是一种新型的膜分离技术,在分离恒沸近沸体系等方面具有明显优势,尤其在低浓度乙醇水溶液的分离中也有着广泛的应用前景。本文自制渗透汽化复合膜,与发酵系统集成起来,并对此过程进行全面优化,通过研究得到以下主要结论:（1）选用耐高温酿酒高活性干酵母（alcohol active dry yeast）,并以葡萄糖作为底物进行间歇发酵条件的优化。利用正交表L9（34）安排,以乙醇得率为目标参数,重点讨论对发酵影响最明显的三个外部因素,即底物浓度、发酵温度和pH值,对乙醇得率的影响。结果表明,对乙醇得率影响最大的参数为葡萄糖浓度,其次为发酵温度,pH值的影响则相对较小。同时得到发酵最优水平组合为:150g/L初始葡萄糖,pH=4,发酵温度为35℃。在该条件下进行间歇发酵,乙醇得率为0.257,大于以上9组条件下的得率,后续的连续发酵也采用该优化条件。（2）以聚二甲基硅氧烷（PDMS）为活性层材料,分别以乙酸纤维素（CA）、聚丙烯腈（PAN）、聚砜（PS）和聚偏氟乙烯（PVDF）为支撑层材料,制备了PDMS复合膜,用于乙醇/水体系的渗透汽化研究。结果表明PDMS复合膜的分离性能与支撑膜有很大关系。总通量和乙醇通量最大的是以疏水性最强的PVDF为支撑层的PDMS复合膜,而以亲水性最强的CA为支撑层的PDMS复合膜总通量和乙醇通量最小。乙醇选择性顺序则相反。在考察操作条件对复合膜渗透汽化性能的影响时发现:随着料液温度的升高,4种复合膜的渗透通量均大幅度增加,分离因子却随之下降;当料液浓度增大时,4种复合膜的渗透通量都增加,分离因子有所降低;当增加料液流速时,4种复合膜的渗透通量和分离因子均有所提高,但分离因子增加的幅度不大。在后续的集成过程中,选择分离性能相对较好的PDMS/PVDF复合膜。（3）在筛选出的最佳复合膜基础上,构建了渗透汽化膜—发酵集成系统用于乙醇连续发酵。发酵器选用全混流反应器。考察渗透汽化温度和集成过程的循环流速对发酵液中各组分浓度和PDMS复合膜分离性能的影响,结果发现:温度较高时,发酵液中细胞浓度和乙醇浓度较低,但渗透通量较高,分离因子也较低;循环流速大时,发酵液中细胞浓度大,但乙醇浓度与循环流速小时无明显差异,同时大的循环流速使PDMS复合膜的渗透通量和分离因子均有所提高。在集成系统中,PDMS复合膜的渗透通量为400-700g/（m2·h）,分离因子6-12。透过侧乙醇质量分数基本稳定在30%（w/w）左右,最高可达42%（w/w）,表明PDMS复合膜的分离性能稳定,并且可以得到较高浓度的乙醇溶液。渗透物中几乎不含任何细胞及其他无机盐成分,有利于后续生产更高浓度的乙醇产品。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 燃料乙醇
• 1.1.1 燃料乙醇的概念
• 1.1.2 发展燃料乙醇的意义
• 1.1.3 燃料乙醇的发展
• 1.1.4 传统乙醇发酵的现状
• 1.2 渗透汽化膜分离技术
• 1.2.1 渗透汽化简介
• 1.2.2 渗透汽化传质分离原理
• 1.2.3 渗透汽化膜
• 1.2.4 渗透汽化分离技术的应用
• 1.3 乙醇发酵—渗透汽化集成过程的研究现状和存在的问题
• 1.3.1 乙醇发酵—渗透汽化集成过程的研究现状
• 1.3.2 乙醇发酵—渗透汽化集成过程存在的问题
• 1.4 本课题的研究任务
• 第二章 间歇发酵条件的优化
• 2.1 前言
• 2.2 实验材料
• 2.2.1 酵母
• 2.2.2 实验试剂
• 2.2.4 培养基
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 细胞浓度的测定
• 2.3.2 乙醇含量的测定
• 2.3.3 葡萄糖含量的测定——DNS 法
• 2.4 实验设计及结果分析
• 2.4.1 实验设计
• 2.4.2 实验结果及分析
• 2.4.3 最优条件下酵母细胞发酵能力的分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 支撑层对复合膜渗透汽化性能的影响
• 3.1 引言
• 3.2 实验所用膜材料的物化性质
• 3.2.1 醋酸纤维素
• 3.2.2 聚丙烯腈
• 3.2.3 聚砜
• 3.2.4 聚偏氟乙烯
• 3.2.5 聚二甲基硅氧烷
• 3.3 PDMS 复合膜的制备、表征及性能
• 3.3.1 原料、试剂及仪器设备
• 3.3.2 复合膜的制备
• 3.3.3 PDMS 复合膜的表征
• 3.3.4 渗透汽化实验装置
• 3.4 实验结果与讨论
• 3.4.1 PDMS 复合膜的表征
• 3.4.2 PDMS 复合膜的渗透汽化性能
• 3.4.2.1 不同支撑层材料对PDMS 复合膜分离性能的影响
• 3.4.2.2 操作温度对4 种PDMS 复合膜分离性能的影响
• 3.4.2.3 料液浓度对4 种PDMS 复合膜分离性能的影响
• 3.4.2.4 循环流速对4 种PDMS 复合膜分离性能的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 发酵—渗透汽化集成过程的设计与优化
• 4.1 引言
• 4.2 实验试剂与仪器
• 4.3 集成反应器结构设计
• 4.3.1 发酵反应器选型
• 4.3.2 膜组件
• 4.3.3 实验装置和流程
• 4.4 实验结果与讨论
• 4.4.1 渗透汽化温度对集成过程的影响
• 4.4.1.1 渗透汽化温度对发酵液中组份浓度的影响
• 4.4.1.2 渗透汽化温度对膜性能的影响
• 4.4.2 循环流速对集成过程的影响
• 4.4.2.1 循环流速对发酵液中组份浓度的影响
• 4.4.2.2 循环流速对膜性能的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文