渗透气化膜分离技术如何在燃料乙醇的生产中发挥作用

渗透气化作为一种新型的膜分离技术应用于发酵法制备燃料乙醇具有显著的优势.本文对渗透气化在发酵法制备燃料乙醇中的应用现状和存在问题进行了详细的综述,并对发展趋势作了展望.     

用膜分离技术生产乙醇的探讨

发酵法制备燃料乙醇是一种相当传统的工艺,但由于原材料的问题,迟迟不能大范围的推广。由于世界能源危机的加剧,针对这个问题引发了诸多先进的生物技术,其中,膜分离技术的诸多优点,得到了及大的关注,而渗透汽化膜分离法具有节能的重要特点,使其成为了研究的重要方向。     

燃料乙醇制备方法研究进展

综述了燃料乙醇制备方法的研究进展。介绍了溶盐精馏法、萃取精馏法、加盐萃取精馏法、吸附法及渗透汽化法等多种乙醇脱水提纯的方法,并对上述方法作用机理及特点进行对比。其中,吸附法能在常温常压下吸附脱除乙醇中的水,如能通过研究,进一步降低再生成本,是一项具有广阔前景的燃料乙醇制备技术。     

发酵法制乙醇的研究现状及展望

当今,石油、煤等传统化石能源日渐匮乏,并且由之带来了环境污染问题,使得全球都在寻找清洁可再生能源替代传统能源。燃料乙醇具有清洁、可再生的特点,并且制备燃料乙醇的原料易得,所以,燃料乙醇的研究已逐渐成为热点。主要介绍了全球燃料乙醇发展现状,综述了用发酵法制备燃料乙醇的研究现状及适宜的工艺条件,总结了制备燃料乙醇存在的问题及解决方法,并且对未来燃料乙醇的发展进行了展望。     

渗透汽化技术在生物丁醇生产中的应用进展

渗透汽化作为一种膜分离技术应用于生物燃料丁醇生产过程,可减少产物对微生物的抑制,提高发酵效率．制备高纯度丁醇．具有广阔的应用前景。综述了国内外渗透汽化技术应用于生物质发酵制备燃料丁醇过程中所涉及的膜材料、应用和耦合过程的研究进展,指出了渗透汽化存在的问题,展望了该技术今后的发展趋势。     

生物乙醇原位分离技术的研究进展

生物乙醇是一种重要的可再生生物燃料,使用生物乙醇可大幅减少温室气体排放。为了建立更高效低能耗的生物乙醇回收工艺,原位分离（ISPR）技术应运而生。本文综述了近年来乙醇原位分离的研究进展,从原理及应用等进行多方面详细地介绍,包括气提、真空发酵、吸附、液-液萃取、渗透汽化、膜蒸馏等分离技术。针对分离性能、能耗成本等问题分析了不同分离技术耦合发酵过程的优势及不足,重点回顾了以渗透汽化为代表的膜分离技术,总结了渗透汽化膜材料的选择以及膜的制备方法,旨在提升乙醇分离膜性能优化乙醇分离工艺。为整合不同分离技术的特点及优势,聚焦多级耦合分离系统的开发对各级分离技术联用的性能及潜力进行剖析与评价,并在此基础上研判其发展前景。     

渗透汽化分离乙酸的研究进展

渗透汽化作为一种新型的膜分离技术应用于乙酸的分离,可以优先透水或乙酸。特别是应用在发酵法制备乙酸等低酸含量溶液的分离中,可以优先透酸制备高纯度的乙酸,具有显著的优势。本文综述了渗透汽化技术在分离纯化乙酸中所涉及的膜材料、耦合工艺及其应用现状,并展望了其发展趋势。     

细菌纤维素膜渗透汽化分离二元有机物水溶液

采用动静结合的方式制备出了细菌纤维素膜。以乙醇水溶液、丙酮水溶液、乙酸水溶液为研究对象,研究了渗细菌纤维素膜的吸附性能,并讨论了透汽化过程中原料液浓度、温度对分离效果的影响及渗透汽化过程中可能的分离机理。结果表明,细菌纤维素膜能够优先透水,在渗透汽化分离乙醇和丙酮时,渗透通量随浓度的上升呈下降的趋势,温度对渗透通量的影响基本符合Arrhenius方程渗透汽化分离二者时,分离因子随浓度的增加先增加后减小。渗透汽化分离乙酸时,渗透通量随浓度的上升呈先上升后下降的趋势,分离因子变化不明显,温度对渗透通量的影响偏离Arrhenius方程较明显。     

模拟的发酵液组分对聚二甲基硅氧烷/陶瓷复合膜渗透汽化性能的影响

对所制备的聚二甲基硅氧烷（PDMS）/陶瓷复合膜进行了渗透汽化性能表征。通过在乙醇-水混合体系中添加不同的模拟发酵液组分;如葡萄糖（多羟基醛）、甘油（多元醇）、丁二酸（有机酸）、KCl（无机盐）;考察了各组分对复合膜渗透汽化性能的影响。研究发现：在333 K下;在乙醇浓度为65 g·L-1的混合物中添加不同浓度的第三组分;有机添加物对膜的渗透汽化性能没有明显影响;而无机盐的加入使膜的分离因子稍有提高。所制备的PDMS/陶瓷复合膜;在上述渗透汽化过程中表现出良好的稳定性和对乙醇的优先选择性;渗透通量和分离因子（醇/水）分别在4.5～4.7 kg·m^-2·h^-1、8.3～10.3之间。     

细菌纤维素膜渗透汽化分离二元有机物水溶液

采用动静结合的方式制备出了细菌纤维素膜。以乙醇水溶液、丙酮水溶液、乙酸水溶液为研究对象,研究了渗细菌纤维素膜的吸附性能,并讨论了透汽化过程中原料液浓度、温度对分离效果的影响及渗透汽化过程中可能的分离机理。结果表明,细菌纤维素膜能够优先透水,在渗透汽化分离乙醇和丙酮时,渗透通量随浓度的上升呈下降的趋势,温度对渗透通量的影响基本符合Arrhenius方程渗透汽化分离二者时,分离因子随浓度的增加先增加后减小。渗透汽化分离乙酸时,渗透通量随浓度的上升呈先上升后下降的趋势,分离因子变化不明显,温度对渗透通量的影响偏离Arrhenius方程较明显。     

A review of pervaporation for product recovery from biomass fermentation processes

Although several separation technologies are technically capable of removing volatile products from fermentation broths, distillation remains the dominant technology. This is especially true for the recovery of biofuels such as ethanol. In this paper, the status of an emerging membrane‐based technology, called pervaporation, for this application is reviewed. Several issues and research priorities which will impact the ability of pervaporation to be competitive for biofuel recovery from fermentation systems are identified and discussed. They include: increased energy efficiency; reduction of capital cost for pervaporation systems; longer term trials with actual fermentation broths; optimized integration of pervaporation with fermentor; synergy of performing both alcohol recovery and solvent dehydration by pervaporation with dephlegmation fractional condensation technology; and updated economic analyses of pervaporation at various biofuel production scales. Pervaporation is currently viable for biofuel recovery in a number of situations, but more widespread application will be possible when progress has been made on these issues. Published in 2005 for SCI by John Wiley & Sons, Ltd.     

蒸汽渗透技术在燃料乙醇生产中的应用研究进展

蒸汽渗透作为一种新型膜分离技术,可有效解决生物燃料乙醇生产中发酵产物浓度低、能源消耗量大、污染环境等诸多瓶颈问题。与渗透蒸发相比,蒸汽渗透技术具有分离性能好、进料清洁、能量损耗低、操作弹性大等优点,在燃料乙醇生产领域具备更广阔的应用前景。本文在比较渗透蒸发和气体分离技术的基础上,简述了蒸汽渗透过程的机理和特点。介绍了优先透水膜和优先透醇膜两类应用于燃料乙醇生产不同阶段的蒸汽渗透膜和这两类膜材料当前的研究进展,重点阐述了有机/无机杂化膜在成膜方法、杂化材料选择等方面的最新成果。回顾了蒸汽渗透在乙醇脱水方面的工业应用成果,指出该技术在发酵原位分离乙醇和替代精馏工艺方面所具有的优势,探讨了与固态发酵技术相结合进行一次相变生产燃料乙醇工艺实现的可能性,并提出未来亟待研究和解决的问题,为蒸汽渗透技术在燃料乙醇生产领域大规模发展提供参考。     

A Review of Membrane Materials for Ethanol Recovery by Pervaporation

Due to an emerging scarcity of oil resources and an associated increase of oil prices, biofuels (e.g., ethanol) play an important role in the energy crisis. Fermentation is a common process for producing ethanol from renewable biomass. Pervaporation is an attractive technique for the recovery of ethanol from the fermentation systems. Separation membrane is the key element in the pervaporation separation equipments. In this article, the pervaporation performances of ethanol-permselective membranes presented in the recovery of ethanol from dilute ethanol aqueous solution are reviewed. An analytical overview on the challenges and opportunities, and the prospect of ethanol-permselective membranes by pervaporation is also discussed.     

生物乙醇提浓工艺中渗透蒸发膜材料的研究进展

渗透蒸发膜分离技术具有分离效率高、低能耗、易于和发酵装置耦合等优势,在生物乙醇的分离、提浓工艺中得到广泛应用。结合国内外生物乙醇的研究现状,综述了渗透蒸发膜分离技术的研究进展,并对渗透蒸发膜分离技术的核心材料--膜材料的制备与应用进行详细介绍,展望了生物乙醇的渗透蒸发膜分离技术的发展前景。     

Drastic improvement of bioethanol recovery using a pervaporation separation technique employing a silicone rubber‐coated silicalite membrane

A coupled fermentation/pervaporation process for reliable production of concentrated ethanol was studied using ethanol permselective silicalite membranes coated with two types of silicone rubber, KE‐45 and KE‐108, as a hydrophobic material. Ethanol recovery was greatly improved by using a membrane coated with KE‐45 silicone rubber. The recovered ethanol concentration in the permeate was 67% (w/w), and the amount of recovered ethanol from the broth was more than 10 times higher than that using a non‐coated membrane. Succinic acid and glycerol, by‐products created during fermentation, interfered with the pervaporation performance of the coated membrane when used to separate an ethanol/water solution. Copyright © 2003 Society of Chemical Industry     

硅橡胶膜生物反应器中乙醇发酵与渗透汽化的耦合

用硅橡胶膜生物反应器(SMBR)实验研究连续发酵-渗透汽化的耦合性能。发酵微生物采用酿酒干酵母,所用碳源为工业级葡萄糖。发酵过程由于产物抑制作用,在乙醇质量浓度达到73 g/L时趋于停滞,而耦合渗透汽化膜后,发酵罐内的乙醇质量浓度降低并维持在40 g/L,使发酵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4.02 g/(L.h)。发酵液中乙醇质量浓度维持在20~63 g/L,聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜的总渗透通量为1 220~800 g/(m2.h),分离因子为5~9.2。与传统发酵和分离相同进料质量分数的乙醇溶液相比,乙醇发酵和渗透汽化在硅橡胶膜生物反应器中能相互耦合并得到强化。与较小规模耦合系统(发酵体积1 L和2 L)比较,性能稳定良好。     

乙醇发酵与渗透汽化在硅橡胶膜生物反应器中的耦合强化

用硅橡胶膜生物反应器(SMBR)实验研究了发酵-渗透汽化的耦合性能。发酵微生物采用酿酒活性干酵母,所用的碳源为工业级葡萄糖。间歇发酵过程由于产物抑制作用在乙醇浓度达到90g稬-1时就趋于停滞,而经耦合渗透汽化膜分离后,发酵罐内的乙醇浓度迅速降低并维持在40g稬-1,且发酵在此浓度下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1.5gL-1h-1。SMBR中所用的聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合膜由实验室自行制备,它能稳定分离含有酵母细胞的发酵液。当发酵液中乙醇浓度为92.7~49.5g稬-1时,PDMS复合膜的总通量为1490~1164g穖-2h-1,分离因子为6.9~7.8,与分离相同进料浓度的清洁模型溶液相比分别平均高出31%和14%。乙醇发酵和渗透汽化在硅橡胶膜生物反应器中能够相互耦合并得到强化。     

Stabilization of bioethanol recovery with silicone rubber‐coated ethanol‐permselective silicalite membranes by controlling the pH of acidic feed solution

In order to produce highly concentrated bioethanol by pervaporation using an ethanol‐permselective silicalite membrane, techniques to suppress adsorption of succinic acid, which is a chief by‐product of ethanol fermentation and causes the deterioration in pervaporation performance, onto the silicalite crystals was investigated. The amount adsorbed increased as the pH of the aqueous succinic acid solution decreased. The pervaporation performance also decreased with decreasing pH when the ternary mixtures of ethanol/water/succinic acid were separated. Using silicalite membranes individually coated with two types of silicone rubber, pervaporation performance was significantly improved in the pH range of 5 to 7, when compared with that of non‐coated silicalite membranes in ternary mixtures of ethanol/water/succinic acid. Moreover, when using a silicalite membrane double‐coated with the two types of silicone rubber, pervaporation performance was stabilized at lower pH values. In the separation of bioethanol by pervaporation using the double‐coated silicalite membrane, removal of accumulated substances having an ultraviolet absorption maximum at approximately 260 nm from the fermentation broth proved to be vital for efficient pervaporation. Copyright © 2005 Society of Chemical Industry     

有机/无机杂化渗透汽化优先透醇膜研究进展

渗透汽化优先透醇膜分离技术可有效解决燃料乙醇和丁醇生产中发酵产率较低的瓶颈问题,受到广泛关注。膜材料的选择与改性以及膜结构的构建是提高透醇性能的关键。有机/无机杂化膜可以实现有机和无机材料的优势互补,被认为是未来分离膜领域最重要的发展方向之一。本文扼要回顾了用于优先透醇渗透汽化分离的有机无机杂化材料,结合本文作者课题组的研究工作,重点阐述了杂化粒子的结构、粒径、界面相容性、纳微分散、负载量等因素对渗透汽化传递过程的作用机制,进一步对近年来发展的成膜新方法进行了总结。在此基础上,提出今后有机/无机杂化渗透汽化优先透醇膜研究的主要方向是发展新型纳米级、超疏水并与有机聚合物具有高度界面相容性的无机粒子,以及构建高负载量的纳微结构与超亲醇表面。