（化工过程机械专业论文）细胞循环硅橡胶膜生物反应器连续乙醇发酵动力学模型研究.pdf

y 6 5 3 5 5 2 摘要 细胞循环硅橡胶膜生物反应器连续乙醇发酵动力学模型研究 化工过程机械专业 研究生 伍勇指导教师 陈文梅 硅橡胶复合膜能选择性透过乙醇，且具有对微生物无毒害等特点，适合处 理实际发酵液。本研究基于细胞生长更新和产物原位分离的概念设计了细胞循 环硅橡胶膜生物反应器。通过把发酵过程与硅橡胶膜渗透汽化分离产物乙醇的 过程祸合，使发酵液中乙醇维持低浓度以减轻或消除产物抑制效应，同时通过 沉降分离使细胞持续生长而保持活性，从而实现微生物生长与产物代谢两个平 行反应的平衡。微生物采用耐高温酿酒活性千酵母 ( t h - a a d y ) ，在膜生物反 应器连续运行的3 0 0 小时内细胞、 葡萄糖和乙醇浓度保持相对稳定。 通过细胞生 长 补 偿， 在0 . 1 7 g -h - l - 的 细胞取出 率条 件下， 反应器内的 细胞浓 度维持 在 1 0 .0 21 3 .沁l - 1 ， 且 死亡细 胞的 比 例 低于 2 0 % 。 连 续发 酵的乙 醇 浓度由 膜分 离 保 持在5 6 .2 g l - 以下，乙醇平均产率达到3 .8 3 g -h - l - ，远高于分批发酵的 1 . 8 7 g -h - l - 。 对 应 平 均乙 醇 浓 度 为 3 1 .4 g -l - 的 发 酵 液， 膜 下 游 恒 速 冷 凝 收 集 到 平均浓度为1 7 . 9 w t % 的乙 醇渗 透溶液。 反应器内 的 p h 值在发酵一分离 祸合时会 自动稳定在4 .0 10 . 5 . 耐高温酿酒活性干酵母在硅橡胶膜生物反应器条件下发酵时，细胞浓度、 乙醇浓度和葡萄糖浓度的变化规律是一个相互影响的过程，产物抑制和细胞抑 制现象明显。由酵母细胞生长交叉实验的非线性回归分析，建立了同时包含细 胞、乙醇和葡萄糖对发酵规律影响的动力学方程。当培养基中葡萄糖充足 ( s ;l 6 g l - ) 时， 葡萄 糖 浓 度对发 酵 动力 学 行为的 影响 很小， 且 在 s 1 0 0 g l - 时没有出现基质抑制现象。酵母比生长率随着细胞浓度的增加而减小，理论上 细 胞自 由 生长的 最 大浓 度为1 5 .2 g -l - 。 酵 母比 生 长 率随 着乙 醇 浓度的 增 加 而 减 小 ， 理 论 上乙 醇 对 细 胞自 由 生 长 的 完 全 抑 制 浓 度 为 6 9 .6 g -l - i 。 通 过 发 酵 动力 学 分析发现，耐高温酿酒活性干酵母在膜反应器连续发酵条件下最大细胞生长率 为 。 .9 1 2 g -l - h - ， 最 大乙 醇 产 率 为 5 .4 3 g l - h - ， 最 大 葡 萄 糖 消 耗 率 为 1 2 .7 4 g l - h - 。 最 大 细 胞 生 长 率 和 最 大乙 醇 产 率 分 别 对 应 着不 同 的 操 作 参 数， 根 据 发 酵动力学的优化可以确定最佳工艺条件。 四川大学博 i s 论文 实验室自 制的p d ms 复合膜在分离乙醇水溶液和发酵液时具有稳定的通量 和分离因子，表现出相当高的分离性能。随着进料乙醇浓度的增加，乙醇水溶 液和发酵液的渗透通量都呈现增大趋势，但分离因子略有降低。在相近的进料 乙醇浓度条件下，分离实际发酵液时的总通量、乙醇通量和分离因子均显著高 于模型溶液。当温度和循环流量恒定时，分离不同进料浓度的乙醇水溶液时表 现出 稳定的乙醇传质系数 1 . 3 4 x 1 0 - b m -s， 此时边界层传质和膜内 传质都是渗 透汽化的控制因素。增加进料流量能提高边界层传质系数，对于相同的流量和 膜器形状，流动形态不同也会造成边界层传质系数的差异，螺旋流道流动比自 由涡旋转流动的边界层传质系数更高。分离真实发酵液的乙醇传质系数高于乙 醇 水 溶 液， 且随 着 活 性细 胞 浓 度的 增加 而 增 大。 在3 5 和1 0 0 l y 的 循环 流量 条 件下， 对 应 1 4 . 1 g -l - 的 细 胞 浓 度， 发 酵液的 乙 醇 总传 质系 数高 达2 .3 8 x 1 0 - i m - s - 1 ， 此时 膜内 传质是渗透汽化的 控制因 素。 分离发酵 液的 膜传质系数与 细胞浓度的关系可以用改进的幂函数来描述。 在发酵动力学和膜传质动力学基础上建立的祸合动力学数学模型反映了膜 生物反应器内基质、产物和细胞质量的动态变化规律。通过对祸合动力学模型 的分析发现，模型对反应器内的细胞浓度和乙醇浓度的预测较准确，而由于误 差积累的原因对葡萄糖浓度预测不够理想。反应器运行达到稳态后，细胞浓度 取决于发酵动力学常数以及操作参数葡萄糖补充速率和细胞排出速率，与渗透 汽化部分的操作无关。稳态乙醇浓度主要受到膜传质动力学常数和操作参数的 影响， 而与细胞生长常数无关。所有的动力学常数、结构参数、和操作参数都 会影响到稳态葡萄糖浓度的大小。为使反 应器稳态运行，细胞排除率和葡萄糖 补充率都有其操作范围的限制， 对其进行优化可以使反应器获得最佳乙醇产率。 在设计膜生物反应器时，膜面积应与反应器容积相匹配。膜面积过小可能导致 分离能力不足，反应器内乙醇浓度升高，乙醇产率降低。而膜面积大于某一极 限值a ， 后， 也起不到提高乙醇产率的作用， 出现膜通量小、 系统效率低的现象。 膜面积的设计值需要对膜的初始投资及运行成本进行经济性核算后作出。 关键词:膜生物反应器 硅橡胶复合膜 细胞循环乙醇发酵渗透汽化 动力学模型 摘要 ki n e t i c mo d e l s o f a s i l i c o n e r u b b e r b i o r e a c t o r wi t h c e l l r e c y c l i n g f o r c o n t i n u o u s e t h a n o l f e r m e n t a t i o n ab s t r a c t a c o m p o s i t e p o l y d i m e t h y l s i l o x a n e ( p d ms ) m e m b r a n e i s s u i t a b l e t o s e p a r a t e a c t u a l f e r m e n t a t i o n b r o t h d u e t o i t s s e l e c t i v i t y t o e t h a n o l a n d n o n t o x i c i t y t o m i c r o o r g a n i s m . a s i l i c o n e m e m b r a n e b i o r e a c t o r w i t h c e l l r e c y c l i n g w a s c o n s t r u c t e d b a s e d o n c o n c e p t s o f c e l l r e g e n e r a t i o n a n d p r o d u c t s e p a r a t i o n i n s it u . e q u i l ib r i u m s o f c e l l g r o w t h a n d e t h a n o l p r o d u c t io n w e re re a l i z e d b y g r a v i t a t i o n a l s e t t l i n g o f c e l l s a n d p e r v a p o r a t i o n o f e t h a n o l . c e l l , g lu c o s e a n d e t h a n o l c o n c e n t r a t i o n s i n t h e m e m b r a n e b i o r e a c t o r w e r e n e a r l y c o n s t a n t in t h e d u r a t i o n o f 3 0 0 h o p e r a t i o n w it h t h e m i c r o o r g a n i s m o f t h e r m o p h i l i c a l c o h o l a c t i v e d ry y e a s t ( t h - a a d y ) . c e l l c o n c e n t r a t i o n o f 1 0 .0 2 - 1 3 .2 g -l - 1 w a s a c h i e v e d u n d e r t h e c e ll d i s c h a r g e r a te o f 0 . 1 7 g -h - l - 1 a n d m o r ta li ty r a t i o o f c e l ls k e p t in th e b i o r e a c t o r w a s le s s t h a n 2 0 % . t h e a v e r a g e e t h a n o l y i e ld d u r i n g c o n t i n u o u s f e r m e n t a t io n w i t h e t h a n o l c o n c e n t r a t i o n u n d e r 5 6 .2 g -l - w a s 3 .8 3 g -h - l - , w h ic h w a s m u c h h ig h e r t h a n th a t o f a b a t c h f e r m e n t a t i o n . a c o n c e n t r a t e d e t h a n o l p e r m e a t e o f 1 7 .9 w % w a s c o l le c t e d d o w n s t r e a m t h e m e mb r a n e w h e n t h e e t h a n o l c o n c e n t r a t i o n i n t h e f e r me n t a t i o n b rot h w a s 3 1 .4 g -l - 1 . p h i n t h e b io re a c t o r w a s s t a b i l iz e d a t 4 .0 士 0 .5 b y a u to re g u la t i o n a ft e r t h e c o u p l i n g o f f e r m e n t a t io n a n d s e p a r a t i o n . c e l l s , e t h a n o l a n d g l u c o s e i n t e r a c t e d w i t h e a c h o t h e r w h e n t h e t h - a a d y me t a b o l i z e d i n t h e b i o r e a c t o r . p rod u c t i n h i b i t i o n a n d c e l l i n h i b i t i o n c o u l d n o t b e n e g l e c t e d u n d e r t h e c o n d i t i o n o f t h e b i o r e a c t o r . f e r m e n t a t i o n k i n e t i c s i n c l u d i n g e ff e c t s o f c e l l , p r o d u c t a n d s u b s t r a t e w e re s e t 即妙n o n l in e a r re g re s s i o n b a s e d o n o r th o g o n a l e x p e r i m e n t s o f m e t a b o l i s m . g l u c o s e a ff e c t e d k i n e t i c p e r f o r m a n c e w e a k ly w h e n i t w a s s u ff i c i e n t ( m u c h m o r e t h a n 1 .6 g -l - 1 ) a n d t h e s u b s t r a te i n h ib it io n d id n t a p p e a r w h e n g lu c o s e c o n c e n t r a t i o n w a s u n d e r 1 0 0 g -l - l . t h e s p e c ifi c g ro w th r a t e o f c e l l s d e c rea s e d wi t h c e l l c o n c e n t r a t i o n o r e t h a n o l c o n c e n t r a t i o n . t h e m a x im u m c o n c e n t r a t i o n s o f c e l l a n d e t h a n o l a t w h i c h c e l l s a r e c a p a b l e o f 四川大学博 卜 论文 c o n t in u o u s p r o p a g a t io n t h e o r e t i c a l ly a r e 1 5 .2 a n d 6 9 .6 g -l - . t h e m a x im u m c e l l g r o w t h r a t e , e t h a n o l 外 e l d r a t e a n d g l u c o s e c o n s u m p t i o n r a t e u n d e r t h e c o n d it i o n o f b i o r e a c t o r a r e 0 .9 1 2 , 5 .4 3 a n d 1 2 .7 4 g -l - h - 1 r e s p e c t i v e l y . a n o p t i m i z a t io n o f o p e r a t i n g p a r a m e t e r s c o u l d g iv e a p p r o p r i a t e t e c h n o l o g y f o r c e l l c u l t u r e o r e t h a n o l p r o d u c t i o n . t h e c o m p o s i t e p d ms m e m b r a n e p r e p a r e d i n t h e l a b o r a t o ry e x h i b i t e d s t a b l e fl u x a n d s e l e c t i v i ty i n t h e p e r v a p o r a t i o n o f a q u e o u s e t h a n o l s o l u t i o n ( m o d e l s o l u t i o n ) a n d f e r me n t a t i o n b r o t h . f l u x e s i n c r e a s e d wi t h f e e d e t h a n o l c o n c e n t r a t i o n b u t s e l e c t i v i t i e s d e c r e a s e d w it h f e e d c o n c e n t r a t i o n s l i g h t l y . t h e t o t a l fl u x e s a n d s e l e c t i v i t i e s r e s u l t i n g f r o m f e r m e n t a t i o n b r o t h w e r e m u c h h ig h e r t h a n t h o s e c h a r a c t e r i z e d wi t h mo d e l s o l u t i o n u n d e r s i mi l a r f e e d c o n c e n t r a t i o n s . t h e o v e r a l l t r a n s f e r c o e ff i c i e n t o f e t h a n o l f o r m o d e l s o l u t i o n c h a n g e d l itt l e u n d e r v a r i o u s f e e d c o n c e n t r a t i o n s a s l o n g a s t e m p e r a t u re a n d fl o w r a t e w e r e c o n s t a n t . t h e t r a n s f e r c o e ff i c i e n t o f 1 .3 4 x 1 0 - 6 m -s - 1 in t h e c e rt a in e x p e r i m e n t i n d ic a t e d t h a t e ff e c t s o f b o u n d a ry l a y e r re s i s t a n c e a n d m e m b r a n e r e s i s t a n c e o n t h e e t h a n o l t r a n s f e r w e r e a l m o s t e q u i v a l e n t . t h e b o u n d a ry l a y e r t r a n s f e r c o e ff i c i e n t i n c r e a s e d w it h c i r c u l a t i n g fl o w r a t e a n d a l s o c h a n g e d w it h c o n f i g u r a t i o n o f a m e m b r a n e m o d u l e . a t t h e s a m e fl o w r a t e , a b o u n d a ry l a y e r t r a n s f e r c o e f f i c ie n t i n a s p i r a l c h a n n e l m o d u l e w a s h i g h e r t h a n t h a t i n a f r e e v o rt e x m o d u l e . t h e o v e r a l l t r a n s f e r c o e ffic i e n t s o f e t h a n o l f o r f e r m e n t a t i o n b r o t h w e re h i g h e r t h a n m o d e l s o l u t i o n a n d in c re a s e d w i t h a c t i v e c e l l c o n c e n t r a t i o n s . at 3 5 c t h e o v e r a l l t r a n s f e r c o e f f i c i e n t f o r f e r me n t a t i o n b r o t h w a s 2 .3 8 x 1 0 7 6 m -s - c o r r e s p o n d i n g t o c e l l c o n c e n t r a t i o n o f 1 4 . 1 g -l - 1 a n d fl o w r a t e o f l 0 0 l -h - 1 , w h i c h in d ic a t e d t h a t th e m e m b r a n e t r a n s f e r w a s a d o m in a t i n g f a c t o r in p e r v a p o r a t i o n . t h e c o r r e l a t i o n o f t h e o v e r a l l t r a n s f e r c o e ff i c i e n t a n d t h e a c t i v e c e l l c o n c e n t r a t i o n c o u l d b e c h a r a c t e r i z e d b y a m o d i f i e d p o w e r l a w . k i n e t i c m o d e l s b a s e d o n a n a l y s i s o f t h e f e r m e n t a t i o n a n d t h e m e m b r a n e t r a n s f e r g i v e m a s s b a l a n c e s o f s u b s t r a t e , p r o d u c t a n d c e l l s . t h e c e l l a n d e t h a n o l c o n c e n t r a t i o n s p re d ic t e d b y t h e m o d e l s a g r e e w i t h e x p e r i m e n t a l o b s e r v a t i o n s b u t t h e p re d i c t e d g l u c o s e c o n c e n t r a t i o n i s n o t s a t i s f a c t o ry f o r t h e a c c u m u l a t i o n o f e r ro r s . 摘要 wh e n t h e b io re a c t o r r e a c h e s t h e s t a b le s t a t u s , t h e c e l l c o n c e n t r a t i o n i s d e p e n d e n t o n t h e k i n e t i c c o n s t a n t s o f f e r m e n t a t i o n a n d o p e r a t i n g p a r a m e t e r s w h i l e i n d e p e n d e n t o n p e r v a p o r a t i o n . t h e s t a b l e e t h a n o l c o n c e n t r a t io n i s d e p e n d e n t o n t h e t r a n s f e r c o n s t a n t s o f t h e m e m b r a n e a n d o p e r a t i n g p a r a m e t e r s w h i l e i n d e p e n d e n t o n t h e c o n s t a n t s o f c e l l g r o w t h . t h e a l l k i n e t ic c o n s t a n t s , c o n f i g u r a t io n p a r a m e t e r s a n d o p e r a t i n g p a r a m e t e r s i n fl u e n c e t h e s t a b l e g l u c o s e c o n c e n t r a t i o n . a n o p t i m i z a t i o n o f c e l l d i s c h a r g e r a t e a n d g l u c o s e i n p u t r a t e c o u l d r e s u l t i n t h e m a x i m u m e t h a n o l y i e ld i n t h e m e m b r a n e b i o re a c t o r . h o w e v e r m i s m a t c h o f t h e t w o p a r a m e t e r s w o u l d m i s s t h e s t a b l e c o n d it i o n s . me m b r a n e a r e a s h o u l d b e s o s i g n e d t o fi t f e r m e n t a t i o n v o l u m e . i f t h e m e m b r a n e a r e a i s t o o s m a l l , e t h a n o l c o n c e n t r a t i o n i n t h e b i o r e a c t o r w o u l d c l i m b t o a l e v e l i n h i b i t i n g f e r m e n t a t i o n s i g n i f i c a n t l y . n e v e r t h e l e s s , o v e r m u c h m e m b r a n e a r e a i s n o t b e n e f i c i a l t o t h e s y s t e m e ffic i e n c y b e c a u s e e t h a n o l fl u x w o u ld d e c r e a s e w i t h m e m b r a n e a r e a . m e m b r a n e c a p i ta l c o s t a n d o p e r a t i n g c o s t s h o u l d b e e v a l u a t e d t o d e t e r mi n e t h e s u i t a b l e me mb r a n e a r e a . k e y w o r d s : c o m p o s i t e s i l i c o n e r u b b e r m e m b r a n e , c e l l r e c y c l i n g , e t h a n o l f e r m e n t a t i o n , p e r v a p o r a t i o n , k i n e t i c m o d e l s _一一;a - 过 i1: 一 第 一 章 概 论 1 . 1乙醇与清洁燃料 1 . 1 . 1燃料乙醇的能源与环保意义 依赖于石油而发展的现代工业社会正在面临越来越严峻的能源和环境问 题。由 于石油为不可再生资源， 有限的 储量无法支撑日 益扩张的市场需求， 其 供应必将走向 枯竭。另一方面， 使用石油产品作为 燃料是引发温室效应的 主要 原因之一。1 9 9 7 年在日 本京都召开的联合国气候大会上通过的 京都议定书 规定， 2 0 0 8 年至2 0 1 2 年期间发达国家的温室气体排放量要在 1 9 9 0 年的基础上 平均削减5 .2 %。 各国都在积极寻求除化石以外的新型燃料， 除太阳能、 风能等 一些对地理环境有要求的自 然能源外， 燃料电池和乙 醇被认为是非常有发展前 途的替代能源。 以发酵法生产的燃料乙醇，具有和矿物燃料相似的燃烧性能，而其生产原 料为生物源， 是一种可再生能源。乙醇燃烧过程所产生的c o : 与原料的生物源 生长所消耗的c 0 2 数量上基本持平， 这对减少大气的污染及抑制 “ 温室效应” 意义重大， 燃料乙醇也因此被称为“ 清洁燃料” 。 将乙醇按一定比例添加到汽油 中所调和的汽油醇 ( g a s o h o l )也是一种品质优良 的嫩料。在这种燃料中， 乙醇既是一种能源，又是一种良 好的汽油增氧剂和高辛烷值调和组分 ( 调和辛 烷值高于 1 2 0 )，用以代替四乙基铅和甲 基叔丁基醚 ( mt b e )。汽油醇由于 增加了 氧含量而燃烧更加完全， 汽车尾气中c h和c o均有不同程度降低， n o , 略有上升，乙 醛含量有 所增加， 但总体 环境效果 优于 普 通汽油d 1 1 . 1 . 2燃料乙醇的应用 早在 1 9 0 8 年亨利 福特设计了以 酒精为燃料的车型，2 0 0 0 年福特、马自 达、 g m等公司设计了8 种型号使用含8 5 % 酒精、1 5 % 汽油混合燃料 e 8 5 )发 动机的皮卡车、 轿车和小型汽车2 1 。 巴 西是乙 醉燃料开发应用最有特色的国家， 实施了世界上规模最大的乙醇开发计划，目前乙醇燃料己占该国汽车燃料消费 量的5 0 % 以 上 l3 1 。 美国 是 一 个 燃料乙 醇的 生 产 大国 ， 2 0 0 0 年 全美 国 的 乙 醉 产 量 为2 0 亿加仑。 2 0 0 0 年， 美国消耗的燃料乙醇约为1 5 亿加仑， 约有3 5 0 0 0 辆车 u 日 川大学博 卜 论文 使用 e 8 5 和 e 9 5 做燃料。预计到 2 0 0 5 年乙醇消耗会达到 2 6 亿加仑，到 2 0 2 0 年达到3 3 亿加仑口 世界酒精的2 / 3用于燃料，而作为亚洲第一大酒精生产国也是世界酒精生 产大国的中国却一直未在燃料方面应用。 从 1 9 9 3 起我国己由石油输出国变成石 油净进口国。 2 0 0 0 年我国进口石油 7 0 0 0 万吨， 预计2 0 0 5 年石油进口量将超过 1 亿吨，2 0 1 0 年进口量将占我国石油总消耗量的5 0 % .因此，我国在 国民经 济和社会发展第十个五年计划纲要中对使用乙醇汽油提出了明确要求，目前 国家有关部门己将其作为调整和优化产业结构的重点工作。我国在颁布 变性 燃料乙 醇 的同时也颁布了 车用乙 醇汽油 ( g b 1 8 3 5 1 -2 0 0 1 ) 国家标准， 并于 2 0 0 1 年4 月1 5日 开始实施4 1 1 . 1 . 3燃料乙醇的经济性 将乙醇汽油作为车用燃料， 只有当燃料乙醇的价格低于汽油的销售价格时， 才具有经济可行性。由于原料及生产工艺的限制，传统分批发酵配合蒸馏生产 酒精的成本目 前仍然高于化石燃料。在美国，1 9 9 9年乙醇的出厂价为 1 0 3 / 加仑.而汽油的出厂价为 4 6 0 / 加仑。为刺激燃料乙醇的生产和使用，美国政 府对用于生产汽车燃料的乙 醇免税，使乙醇的实际价格变为 5 0 iz / 加仑， 但仍 略高于汽油价格1 5 1 。 我国采用粮食发酵法生产乙醉的 成本为3 8 0 0 元/ 吨， 远高 于国内普通汽油的出厂价，比美国的乙醉价格约高 4 0 % 。现在是靠国家扶持、 政府补贴，才使乙醇汽油与同标号的普通汽油执行同一价格水平，并随普通汽 油价格变化作相应调整.因此，要推广燃料乙醇的使用必需寻求低成本的乙醇 生产工艺。 1 . 2乙醇连续发酵 工业上生产乙醇的方法包括发酵法、木材水解法、亚硫酸盐法、乙 烯间接 水合法、乙烯直接水合法、乙醛加氢法、c o和h z 拨基合成法等。发酵法生产 乙醉的工艺简单，原料充足，故全球发酵乙 醇的产量占 有绝对优势。目 前乙醇 发酵使用的主要原料是农作物，如玉米、高粱、小麦、大麦、搪蜜、果汁等， 其中6 0 % 为甘蔗或甜菜( 糖汁或糖蜜 )原料， 3 3 % 为以 玉米为主的 谷物原 料6 1 第 一 章 概 论 同 的 稀 释 率 下 细 胞 循 环 使 反 应 器中 的 细 胞 浓 度 从5 g -l - ， 上 升 到l o g -l - 1 ， 乙 醇 浓 度 稳 定 在3 5 - 4 0 g -l - ( , 乙 醇 产 率 达 到9 - i o g -h - 1l _ 1 补料f ( s ) 细胞分离器 图1 -2 细胞循环连续发 酵 f i g . 1 一t h e c o n t i n u o u s f e r m e n t a t io n w i t h c e l l re c y c l i n g 1 . 2 . 2乙 醇发醉与分离的祸合 传统的发酵模式都没有在发酵的同时对产物乙醇进行有效的分离，因此无 法实 现长期高效的发酵操作。改变现有的发酵工艺 和产品分离技术以降低或消 除产物抑制效应对于降低乙醇生产成本具有重要的意义。许多分离技术，包括 渗 透 汽 化 15 1 、汽提 1 16 1 、吸 附 d 7 1 、反 渗 透 1 8 1 . 溶 剂 萃 取 19 1 , c 氏超临界 萃 取 2 0 1渗 透萃 取 2 1 1 、 气膜 萃 取 2 2 1 、 和 膜 蒸 馏 2 3 1等 都 被 尝 试 用于 发 酵 过 程以 减 小 产 物 抑 制 效 应 。 i k e g a m i 2 4 1等 用 沸 石 做 吸 附 剂 在 分 批 发 酵 中 吸 收 乙 醇 以 降 低 发 酵 液 中的乙醇浓度，结果使发酵强度增加了 1 .4倍。而采用各种乙醇分离技术与发 酵工艺相结合就可以构造出不同的连续生物反应器。 膜蒸馏是采用疏水性多孔膜利用温差分离挥发性物质的一种分离技术。 。 吵2 5 等 构 造 的 膜 蒸 馏 生 物 反 应 器 如 图1 - 3 所 示 。 该 反 应 器 的 工 作 体 积 为5 .5 升， 置于一恒温槽中， 通过一个循环泵间歇地将发酵液引入膜蒸馏组件中 将乙 醇蒸馏分离。 膜组件中的毛细管外径和内径分别为2 .6 m m和1 .8 m m , 整个 膜组 件的 有效面积达到4 9 0 c m 2 o 膜由 多 孔聚丙 烯构造， 公 称孔径和 最大孔径分 别为 0 .2 2 1 a m 和0 .6 p m ， 孔 隙 率 为7 3 % 。 采 用 千 酵母 ( s a c c h a r o m y c e s c e r e v is ia e -b c 1 6 a ) 5 四川大学博 卜 论文 对葡萄糖在3 6 下进行发酵。 连续发酵在膜蒸馏的配合下进行了3 天， 反应器 中 的乙 醇浓 度 控制 在4 0 g -l - ， 以 下， 获 得的乙 醇 产率 为2 .5 - 4 g -h - l - , 高 于 对比 组的分批发酵产率。 恒温栖 图 卜3 膜蒸馏连续发醉 f i g . 1 - 3 t h e c o n t i n u o u s f e r m e n t a t io n w i t h m e m b r a n e d i s t i l l a t i o n t a y l o t 1 z 6 1等构 造 的 汽 提 连 续 生 物 反 应 器 如图1 - 4 所示。 发 酵 罐 体 积为1 4 升， 其中的发酵液用一循环泵输送到填料塔顶部进行汽提分离，由塔顶汽提的 乙醇蒸汽经冷凝后由泵送走，而汽提后的发酵液返回发酵罐后继续发酵。填料 塔直径为 l 0 c m,高1 5 2 c m，内装尺寸为5 c m的塑料t e l l e re tt e 填料。通过每隔 冷却器 图1 一汽提连续发酵 f i g . 1 - 4 t h e c o n t i n u o u s f e n n e n t a t io n w i t h g a s s t r i p p i n g 第 一 章 概 论 3 - 6天的定期冲洗以防止细胞附着在填料上而使汽提效率降低。用酿酒酵母 ( s a c c h a r o m y c e s c e r e v i s i a , a t c c 4 1 2 6 ) 对葡萄糖在3 4 下进行发酵。 在汽提 操作的配合下，连续发酵时间超过了 1 0 0天，发酵罐内的细胞浓度维持在 2 5 .2 - 3 2 .2 g -l - ， 乙 醇 浓 度 控 制 在3 5 .5 . 5 3 .6 g -l - ， 乙 醇 产 率 高 达8 .5 - 1 5 . 1 g -h - l - . 渗透萃取 ( 膜萃取)是利用疏水性微孔膜进行液液萃取的一种分离技术。 m a t s u m u r a 2 7 1等构造的渗透萃取连续生物反应器如图1 -5 所示。 发酵罐的工 作 体积为 1 .2升，酵母细胞被固定在凝胶球体上。通过蠕动泵将发酵液引入中空 纤维膜组件中对乙醇进行渗透萃取，被萃取乙醇的发酵液又重新返回发酵罐继 续发酵。中空纤维膜采用铜氨尼龙制成， 有效接触面积为 i m 2 。 用酿酒酵 母 ( s a c c h a r o m y c e s c e r e v is ia , a t c c 2 6 6 0 3 ) 对 葡 萄 糖在3 0 下 进行 发 酵。 在 渗 透 萃取配合下，连续发酵时间超过 4 0 0小时，发酵罐内的乙醇浓度控制在 2 0 - -4 0 g -l - ， 乙 醇 产率 可 达到5 0 g -h - l - . 胶 体。 图1 - 5 渗透萃取连续发醉 f i g . 1 - 5 t h e c o n t i n u o u s f e n n e n t a t i o n w i t h p e r s t r a c t i o n n o m u r a 12 8 1等 构造的 渗 透 汽 化 膜生 物 反 应 器 如 图1 -6 所示。 膜内 置 在 反 应 器的 底部，发酵液不需要循环， 通过真空泵提供的负压为推动力直接从反 应器 中分离出乙醇。反应器的体积为0 . 5 升， 通过夹套保持恒定的温度。 膜材料采 用 硅 沸石， 有效 面 积为 1 2 .6 c m 2 ， 有效 厚 度为 1 o h m 。 用 干 酵 母 对 葡 萄 糖在3 0 7 四川大学博 卜 论文 下进行发酵。 醇浓度控制在 膜表面的沉积， 以恢复其性能。 在渗透汽化的配合下， 连续发酵时间达3 0 0 0 小时， 反应器内乙 5 0 g -l - ， 以 下， 乙 醇 产 率 为0 .2 5 g -h - l - 。 由 于 发 酵 液中 不 溶 物 在 膜分离因子在 4 8 小时后会急剧下降， 此时需要在 5 0 0 下锻烧 硅沸石膜 图1 - 6 渗透汽化连续发酵 f i g . 1 - 6 t h e c o n t i n u o u s f e n n e n t a t i o n w i t h p e rv a p o r a t i o n 各学者连续发酵实验获得的乙 醇产率差别较大， 这除了与采用的分离技术 有关 外， 还主 要取决 于 研究 所 选用的 酵 母 菌种。 t a y l o r 和 m a t s u m u r a 采 用美 国 典 型 培 养 物保 藏中 心 a t c c ( a m e r ic a n t y p e c u lt u re c o l le c t i o n ) 的 专 利培 养 酵母 进 行 连 续发 酵时 获 得的乙 醇 产 率 较高， 而 g ry t a 和 n o m u r a 采 用干酵 母连 续发 酵 获 得的乙醇产率则要低一些。 在用于发酵液乙 醇分离的技术中，分离装置 对发酵 液中的组成成分 ( 酵母细胞、 葡萄糖、 c o z 等)的敏感性将会影响到分离 操作 的 稳定性。 如 t a y l o r 的 汽提连 续发酵中 需要对填料塔进行定期冲洗， n o m u r a 的 渗透汽化连续发酵中需要对沸石膜定期锻烧，从而减轻酵母细胞对分离传质的 影响。乙醇分离技术与发酵过程完全祸合对于操作的简便性和和分离性能的可 靠性提出了要求。 1 . 3硅橡胶膜生物反应器 1 . 3 . 1渗透汽化 第 一 章 概 论 渗透汽化 ( p e r v a p o r a t i o n ) 是一种有相变的膜分离过程。 膜上游物料为液 体混合物，下游透过侧为蒸汽。原料液从上游侧流过膜面，而在膜下游侧保持 低压( 真空) 。 由于原料液组分在膜上下游侧的化学位 ( 直观表现为组分的蒸汽 压) 不同，上游侧组分的化学位 ( 蒸汽压) 高， 下游侧组分的化学位 ( 蒸汽压) 低，所以原料液中各组分将通过膜向膜下游渗透。因为膜下游处于低压，组分 通过膜后即汽化成蒸汽，蒸汽用真空泵抽走或用惰性气体吹扫等方法除去， 使 渗透过程不断进行。根据原料液中各组分通过膜的速率不同，透过膜快的组分 就可以从原料液中分离出来，从膜上游流出的残余液可以是纯度较高的透过速 率慢的组分。对于一定的混合液来说，渗透速率主要取决于膜的性质。透过速 率快的组分可以是蒸汽压高 ( 沸点低)的组分，也可以是蒸汽压低 ( 沸点高) 的组分.采用适当的膜材料和制造方法可以制得对一种组分透过速率快，对另 一组分的渗透速率相对很小、 甚至近于零的膜。 因此渗透汽化过程可以高 效地 分离液体混合物。按照形成膜两侧蒸汽压差的方法，渗透汽化操作可以分为 3 种:1 .真空渗透汽化:膜透过侧用真空泵