生物丁醇的制备及分离耦合技术

摘要

生物丁醇是一种具有高能量密度和高汽油混合度的新型生物液体燃料，具有十分广阔的应用前景。但是，通过传统的丙酮-丁醇-乙醇(ABE)发酵法生产生物丁醇，由于丁醇对发酵菌种存在毒性抑制，导致终产物浓度低以及生产效率低等问题。通过发酵分离耦合技术在线进行发酵产物丁醇的分离，既可以有效的解除产物抑制，提高生产效率，又可以降低分离成本。本研究主要内容包括：
　　⑴以涂覆法制备聚二甲基硅氧烷/碳纳米管(PDMS/CNTs)渗透汽化复合膜，测定该复合膜对含丁醇的水溶液和发酵液的分离性能。与不含碳纳米管的PDMS膜相比，PDMS/CNTs复合膜在丁醇分离过程中的总通量和分离因子均有显著地提高。疏水性的碳纳米管在复合膜中作为吸附位点，使得丁醇可以通过碳纳米管的空腔或侧壁透过复合膜，进而提高了复合膜的传质能力。碳纳米管添加量为10 wt％的PDMS/CNTs复合膜具有最优的分离性能，在80℃条件下分离丁醇水溶液，该复合膜在丁醇分离过程中的渗透通量和分离因子分别为244.3 g/m2·h和32.9。进一步考察了原料液温度和浓度对PDMS/CNTs复合膜分离性能的影响， PDMS/CNTs复合膜的丁醇通量和分离因子随温度和原料液浓度的升高而逐步提高，主要原因是高温促进了PDMS聚合物的链运动，而原料液浓度的升高增加了渗透汽化膜两侧的渗透压差，进而促进了丁醇的传质。
　　⑵通过相转化法制备聚二甲基硅氧烷/聚偏氟乙烯(PDMS/PVDF)渗透汽化复合膜，研究分别以丁醇水溶液、丙酮-乙醇-丁醇水溶液和发酵液为原料液时该复合膜的分离性能，并进一步进行了发酵-分离耦合实验。原料液温度为80℃时PDMS/PVDF复合膜的总通量和分离因子达到最大值，分别为769.6 g/m2·h和35.2。温度升高，PDMS/PVDF复合膜的总通量和分离因子同时升高;原料液浓度升高，复合膜总通量升高而丁醇分离因子降低。当原料液中含有丙酮和乙醇时，由于丙酮和乙醇在膜中的竞争性扩散，丁醇通量和分离因子略有降低。在批次发酵-渗透汽化耦合实验中，丁醇通量和分离因子维持在稳定的范围内，分别为13.3-16.3 g/m2·h和139.9-154.0 g/L。证明了PDMS/PVDF复合膜在发酵分离耦合实验中具有良好的渗透汽化性能。
　　⑶通过两步气提耦合固定化发酵技术进行丁醇的原位分离。考察了原料液丁醇浓度、温度、细胞密度、气体流速和冷凝温度对气提分离效率的影响。原料液中高丁醇浓度、低细胞密度和低冷凝温度有利于丁醇的回收，当气提温度从25℃升高到55℃时，冷凝回收的丁醇浓度也逐渐提高，继续升高温度丁醇的浓度逐渐降低。最佳的气体流速是1.6L/min，流速进一步提高导致冷凝水增加使得丁醇的浓度降低。经过气提条件的优化，气提偶联批次发酵最终可生产48.5 g/L丁醇(73.3 g/L ABE)。第一步气提冷凝液中丁醇和ABE浓度分别为147.2 g/L和199.0 g/L，第二步气提得到的丁醇和ABE浓度分别达到515.3 g/L和671.1 g/L，通过气提得到高浓度的浓缩丁醇有利于降低后续分离过程成本。
　　⑷本研究表明，在PDMS渗透汽化膜制备过程中，添加多孔性PVDF膜作为支撑层或碳纳米管与PDMS混合，均可以有效提高PDMS膜的渗透汽化性能。渗透汽化和气提偶联发酵技术进行丁醇在线分离对解除产物丁醇的毒性抑制，提高终产物浓度，降低分离成本具有显著的作用。丁醇发酵与分离耦合技术路线对提高丁醇生产的经济性具有潜在的应用价值。

目录

声明

摘要

引言

1 文献综述

1．1 丁醇的性质和用途

1．2 ABE发酵研究历史

1．3 ABE发酵法生产丁醇存在的问题

1．3．1 原料成本

1．3．2 丁醇耐受性

1．3．3 丁醇分离成本

1．4 渗透汽化

1．4．1 渗透汽化的原理

1．4．2 渗透汽化膜材料与膜制备

1．4．3 从ABE发酵液中回收丁醇的渗透汽化

1．5 气提

1．6 课题目的和意义

2 PDMS／CNTs复合膜制备及丁醇分离应用

2．1 引言

2．2 实验材料

2．2．1 主要实验仪器

2．2．2 主要实验试剂

2．3 实验方法

2．3．1 PDMS和PDMS／CNTs复合膜的制备

2．3．2 渗透汽化实验

2．3．3 分析与测定方法

2．4 结果与讨论

2．4．1 PDMS和PDMS／CNTs复合膜结构表征

2．4．2 PDMS和PDMS／CNTs膜的丁醇水溶液分离性能

2．4．3 PDMS和PDMS／CNTs膜在ABE溶液和发酵液中的分离性能

2．4．4 原料液温度和浓度对渗透汽化性能的影响

2．4．5 渗透汽化膜机械性能

2．5 本章小结

3 PDMS／PVDF复合膜用于丁醇分离

3．1 引言

3．2 实验材料

3．2．1 菌株

3．2．2 主要实验仪器

3．3 实验方法

3．3．1 培养基配制

3．3．2 PDMS均质膜和PDMS／PVDF复合膜制备

3．3．3 渗透汽化实验

3．3．4 ABE批次发酵-渗透汽化耦合实验

3．3．5 分析方法

3．4 结果与讨论

3．4．1 PDMS／PVDF复合膜结构表征

3．4．2 不同原料液体系PDMS和PDMS／PVDF膜性能对比

3．4．3 原料液温度和浓度对渗透汽化性能影响

3．4．4 PDMS／PVDF复合膜与ABE发酵耦合

3．5 本章小结

4 两步气提耦合丁醇发酵技术

4．1 引言

4．2 实验材料

4．2．1 菌株

4．2．2 主要实验仪器

4．2．3 主要实验试剂

4．3 实验方法

4．3．1 培养基和菌种培养

4．3．2 批次发酵与批次补料FBB固定化发酵

4．3．3 气提条件优化实验操作

4．3．4 两步气提耦合丁醇发酵实验

4．3．5 分析方法

4．4 结果与讨论

4．4．1 原料液丁醇浓度对气提的影响

4．4．2 原料液温度对气提的影响

4．4．3 发酵液中细胞含量对气提的影响

4．4．4 通气速率对气提的影响

4．4．5 冷却温度对气提的影响

4．4．6 气提耦合丁醇发酵实验

4．4．7 两步气提耦合丁醇发酵实验

4．5 本章小结

结论

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢