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。     

发酵-渗透汽化连续耦合生产ABE的动力学研究

采用PDMS膜生物反应器和丙酮丁醇梭菌进行了生产ABE的封闭循环连续发酵实验,研究了发酵和渗透汽化分离连续耦合条件下的发酵动力学行为。发酵-分离连续耦合实验运行持续时间长达 192 h。运行过程中,细胞浓度维持在 0.84~4.00 g/L,发酵液中ABE的总浓度为5.14~17.54 g/L,葡萄糖浓度大约为16.08~35.15 g/L,总体积产率为0.36 g/(L?h)。实验结果表明,膜生物反应器系统运行稳定,发酵-渗透汽化分离连续耦合生产ABE的操作模式具有可行性和优越性。     

发酵-渗透汽化连续耦合合成ABE的动力学

采用PDMS膜生物反应器和丙酮丁醇梭菌进行了生产ABE的封闭循环连续发酵实验,研究了发酵和渗透汽化分离连续耦合条件下的发酵动力学行为。发酵-分离连续耦合实验运行持续时间长达192 h。运行过程中,细胞质量浓度维持在0.84～4.00 g/L,发酵液中ABE的总质量浓度为5.14～17.54 g/L,葡萄糖质量浓度大约为16.08～35.15 g/L,总体积产率为0.36 g/(L.h)。结果表明,膜生物反应器系统运行稳定,发酵-渗透汽化分离连续耦合生产ABE的操作模式具有可行性和优越性。     

PDMS膜在ABE连续发酵中的渗透汽化性能研究

构建了膜生物反应器封闭循环ABE连续发酵系统,研究了系统中PDMS膜的渗透汽化性能.实验共进行2轮,第一轮进行274 h,采用发酵-渗透汽化间歇耦合的方式;第二轮进行312 h,前196 h采用发酵-渗透汽化连续耦合,之后实行间歇耦合.间歇耦合操作模式下,2轮的丁醇分离因子分别为11.00和12.94,总通量分别为711.07和579.98 g/(m2·h);连续耦合操作模式下,第二轮丁醇分离因子为5.54,总通量为555.80g/(m2·h).实验中膜性能稳定,分离性能良好,未出现膜堵塞和膜破损现象.     

应用沉浸式膜生物反应器连续培养虫草

设计了一种新型沉浸式膜生物反应器(SMBR),并首次将SMBR应用于虫草连续培养过程中。实验表明,间歇发酵7天后转为连续发酵;持续进行6天后,发酵液内菌丝体干重达到33.2g/L,多糖浓度5.4g/L,多糖产率为312mg/(L·h),是间歇发酵的10倍。由此表明,利用本课题组设计的膜生物反应器系统有利于胞外多糖和菌丝体的分离,是生产分离胞外虫草多糖的一条有效途径。     

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。     

硅橡胶膜生物反应器封闭循环连续发酵制造乙醇放大实验及该发酵系统的基本性能

设计构建了发酵罐体积为5 L,单张膜有效面积为0.08 m2的平板硅橡胶膜生物反应器封闭循环连续发酵系统,实验研究了该系统在长期运行过程中的发酵反应动力学参数和膜传质动力学参数等基本性能.当发酵罐中乙醇浓度在30～60 g·L-1时,得质量浓度为17% ～28%的冷凝渗透液.在连续运行中,细胞浓度维持在10～24.8 g·L-1,料液罐中葡萄糖浓度大约为30～50 g·L-1,乙醇的体积产率为2.33～3.99 g·L-1·h-1,膜的渗透通量和分离因子分别为800～1050 g·m-2·h-1和5.1～8.6. 在连续269 h运行中,得到乙醇1999 g,基质转化率为87.2%,碳回收率为89.5%,产生的废液量大约为传统间歇发酵过程的22.2%左右.     

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。     

利用蒸汽渗透技术实现发酵过程中乙醇的原位分离

正吉林石化研究院和北京化工大学合作承担的利用蒸汽渗透技术实现生物质燃料乙醇的原位发酵-分离过程研究项目通过了中国石油科技管理部组织的专家验收。采用该项目成果建设的乙醇发酵-蒸汽渗透耦合中试装置评价表明:渗透液中乙醇浓度在340~480g/L,发酵液中乙醇浓度保持在54~66g/L,分离性能稳定,效果显著,各项指标均达到要求。该项目组在国内首次提出了一种利用蒸汽渗透技术原位分离乙醇的方法,将生物乙醇发酵过程与蒸汽渗透技术相     

无纺布膜临界通量及其在洗浴废水处理中的应用研究

以无纺布平板膜生物反应器为试验装置,采用通量阶梯式递增法的临界通量进行了测定,研究了混合液污泥浓度(MLSS)对无纺布膜临界通量的影响,考察了膜通量对无纺布平板膜生物反应器长期运行的影响。试验结果表明,无纺布膜的临界通量与MLSS浓度成反比,当MLSS的质量浓度从3 g/L增长到9 g/L时,无纺布膜临界通量从17 L/(m2·h)下降到13 L/(m2·h)。在MLSS的质量浓度控制为5 g/L,膜通量低于临界通量15 L/(m2·h)的条件下,无纺布平板膜生物反应器可连续稳定运行130 d,且反应器出水各项指标均可满足GB/T 18920—2002《城市污水再生利用城市杂用水水质》标准的要求。     

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。     

A Novel Sponge‐Submerged Membrane Bioreactor (SSMBR) for Wastewater Treatment and Reuse

Abstract

Membrane fouling has been regarded as one of the biggest challenges to widespread application of membrane bioreactor (MBR). This study focuses on minimizing the membrane fouling and improving the performance of submerged membrane bioreactor (SMBR) by porous sponge addition. The effects of sponge addition on sustainable flux and membrane fouling were investigated. Acclimatized sponge could significantly increase the suspended growth in SMBR with biomass of 16.7 g/L_(sponge). With the sponge volume fraction of 10%, SSMBR could enhance sustainable flux up to 50 L/m² · h compared with sustainable flux of SMBR (only 25 L/m² · h). SSMBR also exhibited excellent results in terms of DOC removal (over 95%), COD removal (over 97%), lower transmembrane pressure development, and oxygen uptake rate. Over 89% of NH₄‐N and 98% of PO₄‐P were removed when SSMBR was operated with a MLSS concentration of 15 g/L.     

二段淹没式膜生物反应器处理城市污水的研究

采用九保田板式膜,设计了二段淹没式膜生物反应器处理城市生活污水。运行结果显示,二段淹没式膜生物反应器能够增强高能级生物体蠕虫生长与少产污泥的目的。在污泥负荷为0.35~0.65g[COD]/(g[SS]·d)和容积负荷为2~5g[COD]/(L·d)的条件下,反应器出水COD和NH3-N的质量浓度分别为18.67mg/L和0.24mg/L,污泥产率为0.1kg[SS]/kg[COD]。     

一体式平片膜生物反应器处理抗生素废水研究

以抗生素发酵废水为处理对象,对一体式平片膜生物反应器在运行过程中膜的性能进行了研究。研究结果表明,膜的截留作用使反应器活性污泥的质量浓度达15g/L,CODCr去除率达到86%。运用RIS阻力模型对在线海绵擦洗的效果进行了初步研究,认为在线海绵擦洗对恢复膜通量和防止各种阻力因素的累积具有积极的实践意义。     

聚乙烯醇丝固定化米根霉发酵产L（+）-乳酸

以聚乙烯醇(PVA)丝为吸附材料的立体载体,固定化米根霉菌种As3.3462发酵生产乳酸。与游离发酵相比,摇瓶单批固定化发酵乳酸的最终质量浓度提高了25%,发酵时间缩短了33%。分别在摇瓶和鼓泡式反应器中进行了载体的稳定性研究,摇瓶中可稳定发酵10批次,平均转化率为65%,平均产率为1.1g/(L.h);1L鼓泡式生物反应器的放大实验中进行了9批半连续发酵实验,乳酸质量浓度最高达到55.68g/L,转化率69.60%。     

Reliable production of highly concentrated bioethanol by a conjunction of pervaporation using a silicone rubber sheet‐covered silicalite membrane with adsorption process

For the production of highly concentrated bioethanol by pervaporation using an ethanol‐permselective silicalite membrane, pervaporation performance was investigated using a silicalite membrane entirely covered with a silicone rubber sheet to prevent direct contact with acidic compounds. By using a resistance model for membrane permeation, the separation factor of the covered silicalite membrane towards ethanol can be estimated from the individual pervaporation performances of the silicalite membrane and the silicone rubber sheet. No decrease in the ethanol concentration through the silicone rubber sheet‐covered membrane was caused when ethanol solutions containing succinic acid were supplied. By directly passing the permeate‐enriched ethanol vapor mixed with water vapor through a dehydration column packed with a molecular sieve of pore size 0.3 nm, highly concentrated bioethanol up to 97% (w/w), greater than the azeotropic point in the ethanol/water binary systems, can be obtained from 9% (w/w) fermentation broth. Copyright © 2004 Society of Chemical Industry     

Improving docosahexaenoic acid production by Schizochytrium sp. using a newly designed high‐oxygen‐supply bioreactor

A sufficiently high oxygen supply is crucial for high‐cell‐density cultivation of aerobic microorganisms, including Schizochytrium sp. We, therefore, designed a novel bioreactor enabling high‐level oxygen supply, and its relevant process parameters and fermentation‐stage characteristics were investigated. The real‐time changes of pH and nonoil biomass were monitored as proxies for the consumption of nitrogen and lipid accumulation status, which was first applied to divided fermentation process with three stages. The experimental results showed that the biomass in this porous‐membrane‐impeller bioreactor was higher than in conventional bioreactor, while docosahexaenoic acid (DHA) percentage in total lipids was lower than in conventional bioreactor. A multistage control strategy is subsequently implemented for the porous‐membrane‐impeller bioreactor, and the maximum biomass, DHA concentration, DHA percentage in biomass and DHA productivity reached 151.0 g/L, 44.3 g/L, 29.33%, 369.08 mg/(L·h), respectively. This study thus provides a highly efficient and economic bioreactor for the production of DHA by Schizochytrium sp. © 2017 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 63: 4278–4286, 2017