硅橡胶膜生物反应器乙醇发酵与渗透汽化耦合实验及系统下游产品精馏设计

论文摘要

本文围绕膜生物反应器乙醇发酵生产技术的开发,在有效容积4L、装配膜面积0.08m2的新型硅橡胶膜生物反应器（SMBR）系统上,对乙醇连续发酵-渗透汽化耦合过程进行了系统的实验研究,同时针对系统工艺过程改进,提出采用精馏操作浓缩膜下游产品,进行了相应的方案设计及经济性分析。实验采用酿酒干酵母为发酵微生物,所用碳源为工业级葡萄糖,实验操作温度35℃（工业发酵生产温度）,测定了连续发酵过程中膜上游发酵液和下游渗透冷凝液的组分变化及其膜的分离性能;通常,发酵过程由于产物抑制作用在乙醇浓度达到68g/L时就趋于停滞,而经耦合渗透汽化膜后,发酵罐内的乙醇浓度降低并维持在抑制浓度之下,从而使得发酵反应可以连续稳定地进行。在SMBR运行达到稳态后,乙醇的体积产率为4.02g/（L·h）,发酵液的乙醇浓度维持在20～63g/L之间;PDMS膜的总渗透通量为800～1220g/（m2·h）,乙醇通量为150300g/（m2·h）,分离因子为5～9.2。与传统发酵和分离相同进料浓度的乙醇水溶液相比,发酵和渗透汽化的相互耦合使乙醇生产过程得到强化,系统运行性能稳定。为提高产品乙醇质量浓度,对硅橡胶膜生物反应器（SMBR）下游收集系统进行改进,提出了两种精馏操作方案,并进行了相应的工艺设备设计计算和能耗分析;方案A利用实验系统既有的真空条件,在渗透汽化膜下游引入真空精馏塔,方案B则利用真空泵将经过一级冷凝的乙醇蒸汽抽出,送入常压精馏塔提纯。二者比较,前者单位能耗较后者高,但产量较高、且设备成本较低,而后者虽然较为节能,但产量较低,设备成本较高。论文研究工作对膜生物反应器乙醇发酵生产系统的过程优化、技术经济评价以及工业化中试系统的设计有参考价值和指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 研究概论
• 1.1 传统乙醇生产方式及存在问题
• 1.2 乙醇连续发酵硅橡胶膜生物反应器
• 1.3 膜生物反应器
• 1.3.1 膜生物反应器的构型
• 1.3.2 膜生物反应器的类型
• 1.3.3 膜材料
• 1.4 渗透汽化
• 1.4.1 渗透汽化的定义
• 1.4.2 评价渗透汽化膜分离性能的主要参数
• 1.4.3 研究和应用成果
• 1.5 本课题的研究内容与目的
• 1.5.1 研究课题的提出
• 1.5.2 本课题的研究内容及目的
• 第二章 实验装置及分析测试方法
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 渗透汽化膜
• 2.1.2 酵母
• 2.1.3 发酵液
• 2.2 实验流程和装置
• 2.2.1 实验流程及控制条件
• 2.2.2 实验及分析装置
• 2.2.3 实验步骤
• 2.3 实验分析方法
• 2.3.1 乙醇含量的测定
• 2.3.2 酵母细胞的测定
• 2.3.3 葡萄糖质量浓度的测定
• 2.4 实验数据计算方法
• 第三章 实验结果及讨论
• 3.1 连续发酵过程中发酵液及渗透液的性能参数变化
• 3.1.1 发酵液中各组分质量浓度的变化
• 3.1.2 渗透液质量浓度的变化
• 3.2 PDMS 膜在发酵过程中的分离性能
• 3.3 三种不同规模系统的比较
• 3.4 小结
• 第四章 发酵-渗透汽化系统下游的精馏设计
• 4.1 蒸馏基本原理
• 4.1.1 理想溶液的汽液相平衡——拉乌尔定律[45]
• 4.1.2 汽液相平衡图[46]
• 4.2 基本方案
• 4.3 乙醇发酵-渗透汽化耦合系统的进一步提纯设计（方案A）
• 4.3.1 精馏设计的基本假设
• 4.3.2 乙醇-水连续精馏塔的设计计算
• 4.4 乙醇发酵-渗透汽化耦合系统的进一步提纯设计（方案B）
• 4.5 两种设计方案的对比
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 在攻读硕士学位期间发表的论文