外置式气相循环蒸汽渗透技术用于乙醇发酵原位分离的研究

摘要

随着化石燃料的日益枯竭，燃料乙醇作为可再生清洁能源受到人们越来越广泛的关注。在发酵法生成乙醇的过程中，产物抑制作用是影响乙醇连续发酵的主要因素之一。采用原位法分离乙醇是消除产物抑制的有效途径，不但可以提高发酵效率，同时可以简化分离和纯化工艺。为改进传统的乙醇发酵工艺，本文在前人研究的基础上，基于蒸汽渗透原理，提出了外置式气相循环蒸汽渗透技术用于原位分离乙醇的耦合工艺，该技术可以增加膜的使用面积，提高整个系统装置的利用率，从化工分离和发酵工程两方面着手强化单元操作特性，进一步提高在线分离乙醇效率，同时降低乙醇提取工艺中的能耗，并最终降低燃料乙醇的生产成本。本文主要研究内容如下：
　　 首先，以乙醇/水溶液为研究体系，进行外置式气相循环蒸汽渗透实验，分离因子在20左右，渗透侧乙醇浓度在50％-80％之间，证明了该过程的可行性，为后续真实发酵液的外置式气相循环实验提供理论基础及操作经验。
　　 其次，通过实验得到超级酿酒高活性干酵母菌的适宜发酵条件：发酵温度为35℃，适宜初始pH值为4-4.5，当初始葡萄糖浓度为100g·L-1，发酵30h后残余糖质量浓度降至0.1g·L-1，细胞浓度达到10.1g·L-1，乙醇质量浓度达到42.4g·L-1；根据发酵动力学原理，建立了乙醇分批发酵过程动力学模型。验证结果表明该模型计算结果与实验结果基本吻合。
　　 进行了以乙醇/水溶液为研究体系的汽提实验，考察了料液浓度、气体流量、料液粘度以及温度等参数对汽提过程的影响，得出了适宜的汽提实验条件；在对真实发酵液体系的汽提实验过程中，乙醇产率比单纯发酵提高了41％。
　　 外置式气相循环乙醇发酵一蒸汽渗透耦合实验中膜通量维持在200g·m-2·h-1，渗透侧乙醇浓度稳定在70％，乙醇产率达到3.28g·L-1·h-1，相比于单纯发酵提高了78％，提高了发酵强度。对于相同膜面积而言，料液体积增大会导致乙醇的脱除速率小于生成速率，因此进行的料液体积为50mL耦合实验时发酵强度好于400mL的发酵强度。
　　 进行的外置式气相循环蒸汽渗透流加糖发酵耦合实验过程渗透通量达到200g·m-2·h-1，分离因子维持在15左右，发酵液中糖浓度维持在10％，实验表明流加糖源的可行性，可实现外置式气相循环发酵耦合实验的长时间稳定地进行。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

声明

第一章文献综述

1.1燃料乙醇概述

1.1.1燃料乙醇生产意义

1.1.2燃料乙醇的发展

1.1.3燃料乙醇的生产

1.2膜生物反应器分离技术

1.2.1膜生物反应器构型

1.2.2外置式气相循环蒸汽渗透技术

1.3蒸汽渗透膜材料及结构

1.3.1蒸汽渗透膜的结构形态

1.3.2蒸汽渗透膜材料的选择

1.4本研究的目的和意义

第二章实验部分

2.1膜组件及实验材料

2.1.1膜及膜组件

2.1.2酵母菌

2.1.3培养基

2.2实验条件及其流程

2.2.1系统装置及流程

2.2.2仪器及试剂

2.3分析方法

2.3.1乙醇浓度的测定

2.3.2葡萄糖的测定

2.3.3菌种浓度的测定

2.4数据处理

第三章乙醇/水体系外置式气相循环蒸汽渗透实验

3.1乙醇/水体系的外置式气相循环VP实验

3.1.1料液浓度的影响

3.1.2料液温度的影响

3.1.3复合膜交联度的影响

3.1.4膜器温度的影响

3.2本章小结

第四章外置式气相循环蒸汽渗透乙醇发酵耦合实验

4.1超级酿酒高活性干酵母发酵性能研究

4.1.1分批发酵实验

4.1.2高活性干酵母分批发酵动力学研究

4.1.3流糖发酵性能的研究

4.2汽提过程实验研究

4.2.1乙醇/水体系汽提实验

4.2.2真实发酵液的汽提实验

4.2.3汽提发酵动力学研究

4.3外置式气相循环蒸汽渗透耦合过程对发酵的促进及分离作用

4.3.1不同实验方式下发酵性能对比

4.3.2不同料液体积与膜面积比对发酵耦合过程的影响

4.3.3外置式气相循环与内置式蒸汽渗透乙醇发酵耦合效果对比

4.3.4外置式气相循环流加糖源的可实施性

4.4本章小结

第五章结论

参考文献

致谢

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