中空纤维支撑液膜萃取头孢氨苄过程的传质研究

摘要

头孢氨苄是广泛应用的头孢菌素类广谱抗菌药，主要生产方法有化学合成法与酶法。其中酶法以其无毒、能耗低、溶剂使用量小且更加环保的特点受到许多学者的重视。然而发酵液中的头孢浓度很低，给分离纯化来带了许多困难。相比传统萃取技术，支撑液膜法作为一种新型的分离方法，具有高分离效率、低能耗、低操作成本的优势，近年来得到广泛应用。
　　本文针对中空纤维支撑液膜萃取头孢氨苄的传质过程进行了研究。实验部分，萃取体系选用Aliquat-336为载体，Isopar L为有机相，氯化钾溶液为反萃相，并将反萃相分散至壳程有机相中。建立了过程的总传质系数模型，利用实验结果对模型进行了求解，得到了各传质系数的值。同时对液膜制备过程进行了考察，确定了最佳的膜浸泡时间。
　　以实验为基础，采用计算流体力学（CFD）对头孢萃取过程进行了模拟。根据Happel自由表面模型假设，以单根膜丝为研究对象，建立了二维轴对称模型，使用有限元法（FEM）结合自适应网格技术求解了连续性方程和动量方程，得到了头孢在组件内的浓度分布情况以及壳程的速度分布。模型结果与实验值具有较好的一致性。借助模型，分别考察了萃取过程的操作参数与膜组件参数的影响。模拟结果表明：低的头孢进料浓度有助于管程的传质；载体 Aliquat-336浓度的增加能够提高萃取率，但浓度过高对反应不利；壳程的速度分布呈抛物线型，在入口处经历了短暂的发展段；组件的压降很小，可予以忽略；管程与壳程的流量对萃取过程的影响相反，管程低流量可增加溶质的停留时间，壳程高流量可减小壳程阻力，共同促进头孢的传质；在同一膜组件中，膜的内径、孔隙率与装填密度的比值的增加对过程的萃取率有一定的提升作用，但膜厚度的影响相反。膜丝装填数量决定了萃取传质的单元数，适当增加装填密度有助于萃取效果的提升。
　　本文所建立的流体力学模型适用于不同的膜组件操作，所得结论对中空纤维膜萃取头孢氨苄的过程操作与膜组件选用有较好的指导作用。

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第一章 绪论

1.1 头孢氨苄概述

1.2 液膜萃取技术

1.3 中空纤维膜萃取分离过程

1.4 中空纤维膜萃取过程的传质模型

1.5 本文的主要研究内容及意义

第二章 中空纤维膜萃取头孢氨苄过程的建模与实验研究

2.1 头孢氨苄传质过程的数学模型

2.2 中空纤维膜萃取头孢氨苄的实验研究

2.3 本章小结

第三章 中空纤维膜萃取头孢氨苄的数值模拟

3.1 概述

3.2 模型建立

3.3 模型求解

3.4 模型验证

3.5 结果讨论

3.6 本章小结

第四章 结论与展望

4.1 结论

4.2 展望

参考文献

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致谢