膜生物反应器封闭循环发酵残液特性及处理技术研究

论文摘要

在工业中，以玉米、小麦、薯类等含淀粉质植物及蜜糖为原料，经糖化、发酵和蒸馏的工艺制取工业乙醇，再将工业乙醇中的少量水脱除后进一步制得燃料乙醇。燃料乙醇可看成一种生物转化的太阳能，是一种取之不尽用之不竭的可再生能源。大力发展燃料乙醇能节约石油，确保国家能源安全，净化空气质量，改善环境。燃料乙醇生物发酵生产的传统工艺，由于微生物的产物抑制特性，存在高能耗、高水耗和高污染的问题。在能源和水资源成本日益高涨、环境问题越来越受到人们关注的情况下，降低能耗、水耗和减少污染成为必须面对和解决的问题。本研究基于自己构建的硅橡胶(PDMS)复合膜生物反应器封闭循环发酵系统，利用PDMS膜渗透汽化对乙醇的选择性分离特性，在发酵过程中实现对发酵液中产物乙醇的原位分离，减少乙醇对酵母细胞的抑制。该系统能长时间平稳运行，发酵罐中乙醇浓度、酵母浓度和乙醇产率维持稳定，乙醇产率较传统间歇发酵可提高4.5倍。但系统长期运行的周期受制于酵母细胞的老化。目前的实验连续运行记录是500小时。本文对PDMS膜生物反应器封闭循环发酵系统发酵残液性态进行了分析研究。在系统封闭循环连续运行时，由于发酵液中作为营养物质加入的没有被完全消耗的无机盐、PDMS渗透汽化不能分离除去的发酵副产物和死细胞的长期累积，使发酵微生物的生长环境恶化，当系统运行周期结束时，发酵罐中的残液成为需要处理的发酵废弃物，其总量约为传统间歇发酵工艺的1／6，但性态差别很大。发酵残液的总固体质量为76.71g／L，固含量为7.52％，含约2％(w％)的乙醇，残液COD为1.2×10~5mg／L。发酵残液中除含有酵母细胞外，还含有蛋白质、纤维素、糖类物质、甘油、脂类、杂醇油、有机酸等很有价值的副产物。对此种残液进行后处理，有效利用废弃物并实现发酵工艺的废液零排放，成为该系统的又一主要工艺技术问题。本文对PDMS膜生物反应器封闭循环发酵系统发酵残液的处理工艺路线和设备进行了研究。提出利用玉米酒精糟制取全蛋白饲料(DDGS)工艺作为处理PDMS膜生物反应器封闭循环乙醇发酵残液工艺的设想。残液处理回收的物质部分回到发酵罐作为培养基，部分被用于生产蛋白饲料。设想的工艺技术路线中的主要设备卧式螺旋卸料沉降离心机、多效减压浓缩蒸发器、离心喷雾干燥塔等在高浓度有机废水处理当中普遍应用，是成熟的技术设备。结合在实验室进行的实验和分析，该工艺技术设想具有一定合理性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 概论
• 1.1 燃料乙醇概论
• 1.1.1 发展可再生能源的意义
• 1.1.2 清洁能源与燃料乙醇
• 1.1.3 燃料乙醇的定义
• 1.1.4 燃料乙醇的意义
• 1.1.5 燃料乙醇的发展历史、现状及趋势
• 1.1.6 燃料乙醇发展的不利因素
• 1.2 燃料乙醇的生产
• 1.2.1 生产燃料乙醇的原料
• 1.2.2 燃料乙醇的经济性分析
• 1.2.3 燃料乙醇生产工艺及技术
• 1.2.3.1 传统乙醇生产工艺
• 1.2.3.2 乙醇生产新技术
• 1.2.3.3 乙醇工业中存在的问题
• 1.3 本研究任务
• 第二章 膜生物反应器封闭循环发酵
• 2.1 乙醇发酵
• 2.1.1 乙醇发酵机理及过程
• 2.1.2 提高发酵效率的方法
• 2.1.2.1 酵母的选择
• 2.1.2.2 发酵工艺的改进
• 2.2 PDMS膜生物反应器封闭循环发酵系统
• 2.2.1 膜分离技术简介
• 2.2.1.1 膜技术优势
• 2.2.1.2 膜的分类
• 2.2.1.3 膜材料及膜结构
• 2.2.1.4 膜技术与生物工程
• 2.2.2 渗透汽化
• 2.2.2.1 渗透汽化简介
• 2.2.2.2 渗透汽化的经济性
• 2.2.3 PDMS膜生物反应器系统
• 2.3 PDMS膜生物反应器封闭循环发酵系统的建立
• 2.3.1 膜生物反应器封闭循环发酵系统概念
• 2.3.2 实验系统用膜及膜组件
• 2.4 酵母细胞的循环利用
• 2.5 微生物的产物抑制和发酵产物原位分离
• 2.6 发酵终止
• 2.7 小结
• 第三章 PDMS膜生物反应器系统的发酵残液性态分析研究
• 3.1 实验方案
• 3.2 发酵动力学
• 3.2.1 影响因素
• 3.2.2 本实验发酵动力学
• 3.3 发酵液特征
• 3.3.1 宏观特征
• 3.3.2 微观特征
• 3.4 残液的取得
• 3.5 残液分析测量方法
• 3.5.1 分析仪器
• 3.5.2 化学耗氧量（COD）的测定
• 3.5.3 酵母细胞密度的测定
• 3.5.4 乙醇浓度的测定
• 3.5.5 糖度的测定
• 3.5.6 总固形物（TS）的测定
• 3.5.7 色度
• 3.5.8 pH值的测定
• 3.6 残液性质
• 3.6.1 残液体积
• 3.6.2 残液基本物性参数
• 3.7 结果与讨论
• 3.7.1 实验系统
• 3.7.1.1 膜及膜器的评价
• 3.7.1.2 发酵
• 3.7.1.3 产品
• 3.7.2 副产物抑制
• 3.7.2.1 副产物的形成
• 3.7.2.2 细胞代谢产物及副产物的影响
• 第四章 PDMS膜生物反应器系统的发酵残液处理工艺设想和分析
• 4.1 残液处理的必要性
• 4.2 处理技术
• 4.2.1 厌氧生物处理技术
• 4.2.2 活性污泥工艺
• 4.2.3 生物膜处理工艺
• 4.2.4 新技术进展
• 4.3 玉米原料发酵生产乙醇残液综合利用
• 4.3.1 玉米酒精糟液制取全干燥蛋白饲料（DDGS）
• 4.3.1.1 概述
• 4.3.1.2 工艺流程
• 4.3.1.3 DDGS主要设备
• 4.3.1.4 DDGS饲料的组分含量及特点
• 4.3.1.5 DDGS工艺的优缺点
• 4.3.2 其它处理方法
• 2的回收利用'>4.4 发酵中CO₂的回收利用
• 4.5 小结
• 第五章 结论
• 5.1 研究结论
• 5.2 PDMS膜生物反应器封闭循环发酵系统的工业化展望
• 参考文献
• 发表论文
• 致谢