基于中空纤维膜的丙酮/丁醇发酵-渗透汽化分离耦合

摘要

本文首先制备了PDMS/PVDF中空纤维复合膜，并应用于丙酮-水、丁醇-水、乙醇-水和丙酮-丁醇-乙醇-水中有机物的分离，考察了料液浓度、温度和pH对膜渗透汽化分离性能的影响。结果表明，复合膜对丙酮、丁醇和乙醇有较好的分离效果，在40℃，自然pH条件下，对总溶剂浓度为2wt％的丙酮-丁醇-乙醇-水溶液中丙酮、丁醇和乙醇的分离因子分别为20.09、22.95和3.93。.
　　 随后筛选确定华南205木薯粉为发酵原料，用丙酮丁醇梭菌Clostridium acetobutylicum ATCC824为发酵菌株进行分批发酵-分离耦合。结果表明，整个发酵过程平均生产强度为0.68gL-1h-1，最大的生产强度为1.55gL-1h-1，相比未耦合分离的发酵，分别提高了41.7%和44.9%。溶剂浓度提高了123.9%，淀粉利用率提高了69.3%。渗透液中丙酮和丁醇浓度分别达到50gL-1和100gL-1左右，总溶剂浓度达170gL-1以上。
　　 然后对木薯粉的水解条件进行了优化，结果表明，以料水比1:1.5配料，按10Ug-1木薯粉的量添加α-淀粉酶，在自然pH、温度75℃条件下水解60min，可制备高浓度的木薯粉水解液。
　　 以木薯粉水解液进行流加发酵，并对流加方式、耦合分离时机和5L发酵罐流加发酵-分离耦合进行了研究，结果表明，选择连续流加补料方式，控制发酵液中总糖浓度在60.0gL-1左右，当发酵液中丁醇浓度接近7.0gL-1时接入渗透汽化分离装置进行流加发酵-分离耦合操作，可得到较高的生产强度；5L发酵罐流加发酵-分离耦合操作，整个发酵过程平均生产强度为0.62gL-1h-1，补料阶段生产强度为0.90gL-1h-1，最大达到1.33gL-1h-1。发酵液中总溶剂浓度控制在11gL-1以下，丁醇浓度低于6gL-1，有效的控制了发酵液中丁醇的浓度，减小了丁醇的抑制作用。渗透液中总溶剂平均浓度达到220gL-1以上，最高为256.1gL-1，丁醇平均浓度126.6gL-1。
　　 因此，制备的PDMS/PVDF中空纤维复合膜能够从水溶液中有效分离丙酮、丁醇和乙醇，并进行初步的浓缩。渗透汽化分离与ABE发酵过程耦合，能明显减轻丁醇的抑制作用，提高发酵强度。