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。     

PDMS膜生物反应器封闭循环连续发酵生产ABE

采用PDMS膜生物反应器和丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum,CICC8012),通过发酵反应与产物渗透汽化原位分离的耦合,实现了丙酮、丁醇和乙醇混合物(ABE)的连续发酵生产。进行了2轮操作持续时间分别为274 h和300 h的发酵实验,分别为间断耦合和连续耦合的操作方式。以连续耦合发酵为例,细胞平均干重为1.68 g L 1,丁醇产量为61.43 g L 1,葡萄糖消耗率为1.12 g L 1 h 1,丁醇的体积产率为0.205 g L 1 h 1,比产率为0.122 h 1,转化率为0.183 g g 1。第二轮连续封闭循环发酵的平均葡萄糖消耗率和丁醇产率,都几乎是第一轮的2倍。两轮发酵的细胞生长、产物浓度、葡萄糖消耗和丁醇生成曲线都出现至少2个峰值,表明丙酮丁醇梭菌能适应这种长期发酵模式并且出现再生长。结果表明,PDMS膜生物反应器封闭循环连续发酵生产ABE(特别是丁醇)的操作模式具有可行性和优越性。     

膜生物反应器封闭循环乙醇发酵残液的处理技术研究

硅橡胶膜生物反应器封闭循环乙醇发酵系统能长时间平稳运行,发酵罐中乙醇浓度、酵母浓度和乙醇产率维持稳定,乙醇产率较传统间歇发酵可提高4．5倍,但系统长期运行的周期受制于酵母细胞的老化。我们目前的实验连续运行记录是500h。系统运行周期结束时,发酵罐中的残液成为需要处理的发酵废弃物,其总量约为传统间歇发酵工艺的1／6,但性态差别很大。对残液进行后处理,有效利用废弃物并实现发酵工艺的废掖零排放,成为该系统的又一主要工艺技术问题。本文对系统运行及工艺技术、残液性态、残液处理工艺路线和设备进行了研究,提出了解决方案。     

硅橡胶膜生物反应器在苹果原汁发酵过程中的膜分离性能

利用硅橡胶膜生物反应器进行了苹果原汁发酵-渗透汽化分离实验,研究了苹果发酵液中的主要风味成分及其渗透汽化分离性能。发酵液中的主要芳香成分与传统苹果酒接近,但酯类物质的含量较低。硅橡胶膜对发酵液中的挥发性轻组分表现出良好的选择透过性,高级醇、酯类和醛类的分离率分别达到90%、76%和67%;而乳酸乙酯、β-苯乙醇和乙酸被不同程度地截留。非挥发性有机酸被截留在膜上游发酵液中。草酸、乙酸、柠檬酸和琥珀酸得到不同程度地浓缩;苹果酸、酒石酸和乳酸在分离过程中可能被微生物细胞所消耗,其含量有所降低。硅橡胶复合膜在选择性地分离挥发性轻组分的同时有效地保护了发酵液中的有机酸等非挥发性营养成分,研究结果进一步证明了采用硅橡胶膜生物反应器同时生产苹果白兰地和果汁发酵饮料的可行性。     

酿酒酵母在硅橡胶膜生物反应器中连续发酵的生长动力学

实验研究了酿酒酵母在硅橡胶膜生物反应器中的细胞生长速率与操作参数之间的关系。在三水平正交实验基础上,用Gauss Newton非线性最小二乘法拟合了细胞比生长率与葡萄糖浓度、乙醇浓度和细胞浓度3变量之间的关系式,得到硅橡胶膜生物反应器乙醇连续发酵的细胞最大比生长率、饱和常数、产物抑制常数和群聚抑制常数等基本动力学参数,表明当细胞浓度达到15g/L或乙醇浓度达到70g/L时细胞生长受到完全抑制。连续发酵实验验证了硅橡胶膜生物反应器中的细胞生长动力学满足拟合模型的规律。     

乙醇连续发酵-渗透汽化耦合系统发酵动力学研究

利用自制硅橡胶平板复合膜构造乙醇连续发酵-渗透汽化耦合系统,研究了系统长期运行中发酵反应动力学问题,并分析了连续发酵过程中细胞比生长率的变化。系统稳定运行了269h。由于渗透汽化的进行,发酵液中乙醇浓度控制在35—45g·L-1,酿酒酵母浓度维持在20—25g·L-1,在发酵与渗透汽化耦合阶段,乙醇产率达到3.4g·h-1L-1,是间歇发酵时的4.5倍。乙醇得率系数为0.46,乙醇的转化率达到91%。膜下游冷凝收集液的浓度可达28.2—16.5%(wt),总渗透通量达到1226—707g·m-2h-1,乙醇渗透通量为293—117g·m-2h-1,分离因子为8.5—4.9。     

膜生物反应器封闭循环发酵燃料乙醇生产系统的工艺设计及安全分析

基于最新的试验结果,对该工艺的工业化流程进行了初步设计和分析,将系统分为原料处理、发酵、PDMS膜分离、精馏浓缩、产品贮存和发酵残液处理等6个单元,运用蒙德火灾、爆炸、毒性指数评价法对系统进行了安全分析评价,确定了各个单元的危险等级.分析表明,原料处理和发酵单元危险性属于较缓和等级,应侧重工艺参数控制分析及设备的安全设计;PDMS膜分离、精馏浓缩单元和贮存单元分别属于重和高度灾难性等级,而国内外有关乙醇贮存单元的相关研究已较为成熟,此项研究着重对负压操作的PDMS膜分离和精馏浓缩单元爆炸极限等爆炸参数进行了定量安全分析,并制定了相应的安全措施.最后采用蒸气云爆炸模型贮存单元进行了事故模拟.     

硅橡胶膜用于工业化乙醇连续发酵的实验研究

对本实验室自制硅橡胶膜的分离性能进行了一系列实验研究,探讨其用于工业化乙醇连续发酵的可行性。研究表明,在分离4％～8％的乙醇-水溶液(35℃)时,该膜的平均渗透通量为1100g·(m~2·h)~(-1),最高通量可达1300g·(m~2·h)~(-1),分离因子为6.2～6.8;在连续发酵过程中,该膜表现出良好的性能稳定性,经连续运转300多个小时后,仍无堵塞、无破损,具有很高的机械性能和抗污染能力。连续发酵过程中,发酵工艺条件和膜组件结构对膜的分离性能有一定影响,应注意在这两方面加以改进。     

乙醇发酵反应器的研究进展

主要介绍了气升式反应器、固定化细胞反应器及膜生物反应器在乙醇发酵生产酒精的应用,讨论了各反应器的优缺点,探讨了其工业化应用的可能性,最后分析了各反应器设计的发展方向。     

膜生物反应器连续发酵生产胞外灵芝多糖

产物灵芝多糖在间歇深层发酵稳定期存在浓度下降现象，采用膜生物反应器系统能够及时分离产物，控制产物的积累，有效防止灵芝多糖的消耗，而灵芝菌丝体在反应器中不断循环，浓度得到进一步提高，并不断分泌灵芝胞外多糖，可延长产多糖时间，从而提高了胞外多糖的总产量，研究了不同稀释率0－0．2hr^-1下连续发酵的多糖生成和菌丝体生长状况；连续发酵时发酵液中灵芝多糖的浓度比间歇发酵要低，并随稀释率的增大而下降，菌丝体浓度则随稀释率的增大而增大，总的菌丝体干重可比间歇发酵增加20％以上，多糖总产量可达到间歇发酵的5倍以上，连续发酵也有利于灵芝多糖与菌丝体的分离，结果表明利用膜生物反应器进行液体连续发酵是生产和分离胞外灵芝多糖的一条有效途径，并可为其它真菌胞外多糖的深层发酵生产提供借鉴。     

膜生物反应器 CCCF 过程中酵母细胞生长特性研究

渗透汽化膜生物反应器CCCF过程乙醇发酵中酵母细胞的生长表现出五个不同的阶段,即：快速生长期、乙醇抑制期、二次生长期、平衡期和衰亡期。采用摇瓶实验对发酵副产物（主要为有机酸和甘油）的抑制行为进行检测,结果表明随着副产物浓度的增加,抑制作用越来越强,细胞生长表现出较长的迟滞期和较低的细胞浓度。当副产物浓度达到膜生物反应器中发酵后期的浓度时,细胞的比生长速率和得率仅分别为0．061和0．024。     

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.     

与膜耦合的细胞固定化串联发酵制乙醇的研究

利用植物纤维作为廉价的糖源生产燃料乙醇是解决世界能源危机的最有效途径.今研究采用海藻酸钙固定普通酿酒酵母细胞和嗜鞣管囊酵母细胞于两个串联的发酵罐内,连续发酵葡萄糖和木糖组成的糖液并与膜耦合来制取酒精.通过硅橡胶膜(PDMS)的渗透蒸发过程,将产品乙醇从发酵液中移出,减少了产物乙醇对发酵的抑制作用.实验结果表明,这套采用海藻酸钙固定酵母细胞进行连续发酵并与膜耦合的生物反应器系统,在稀释率为0.321 h-1下稳定运行,剩余葡萄糖和木糖浓度分别为0.134、4.921 g·L-1,乙醇得率为O.457 g(乙醇)·g-1(糖),是理论得率的92.64%.生产能力达到10.996 g·L-1·h-1.与其它发酵方式相比较,用海藻酸钙来固定细胞并与膜耦合的发酵过程可增大酵母细胞浓度,明显降低乙醇对酵母的抑制作用,并提高糖的转化率.     

硅橡胶复合膜用于新型白酒风味成分渗透汽化分离

用自制硅橡胶PDMS平板复合膜,分别在30、35、40℃和1325Pa膜下侧压力的条件下,渗透蒸发分离50°新型白酒中的风味物质。实验结果表明,PDMS复合膜对新型白酒风味物质具有良好的选择分离性能:5种酯类(乳酸乙酯除外)和乙缩醛的分离脱除率达100%,对高级醇也有良好的分离表现,乙醛的脱除率也超过87%。将分离后的酒液进行重组,得到较原酒品质更高的新酒,其感官评价大大好于原酒。膜在高浓度乙醇中能保持良好的稳定性,30、35和40℃时,对新型白酒的平均总渗透通量分别可达2297g/(m2·h)、2753g/(m2·h)和3539g/(m2·h),平均分离因子(均按乙醇-水体系计算)分别为5 22、5 22和5 32。     

硅橡胶膜在渗透汽化分离中的应用及研究进展

综述了硅橡胶膜在渗透汽化分离(有机废水处理、生物发酵分离)中的应用及其制备技术(无机物填充改性、共缩聚或引入侧链基团改性)的最新研究进展.