生物丁醇的制備及分離耦合技術(shù).pdf

1、生物丁醇是一種具有高能量密度和高汽油混合度的新型生物液體燃料，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。但是，通過傳統(tǒng)的丙酮-丁醇-乙醇(ABE)發(fā)酵法生產(chǎn)生物丁醇，由于丁醇對發(fā)酵菌種存在毒性抑制，導(dǎo)致終產(chǎn)物濃度低以及生產(chǎn)效率低等問題。通過發(fā)酵分離耦合技術(shù)在線進行發(fā)酵產(chǎn)物丁醇的分離，既可以有效的解除產(chǎn)物抑制，提高生產(chǎn)效率，又可以降低分離成本。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、乓酝扛卜ㄖ苽渚鄱谆柩跬?碳納米管(PDMS/CNTs)滲透汽化復(fù)合膜，測定該

2、復(fù)合膜對含丁醇的水溶液和發(fā)酵液的分離性能。與不含碳納米管的PDMS膜相比，PDMS/CNTs復(fù)合膜在丁醇分離過程中的總通量和分離因子均有顯著地提高。疏水性的碳納米管在復(fù)合膜中作為吸附位點，使得丁醇可以通過碳納米管的空腔或側(cè)壁透過復(fù)合膜，進而提高了復(fù)合膜的傳質(zhì)能力。碳納米管添加量為10 wt％的PDMS/CNTs復(fù)合膜具有最優(yōu)的分離性能，在80℃條件下分離丁醇水溶液，該復(fù)合膜在丁醇分離過程中的滲透通量和分離因子分別為244.3 g/m2·

3、h和32.9。進一步考察了原料液溫度和濃度對PDMS/CNTs復(fù)合膜分離性能的影響， PDMS/CNTs復(fù)合膜的丁醇通量和分離因子隨溫度和原料液濃度的升高而逐步提高，主要原因是高溫促進了PDMS聚合物的鏈運動，而原料液濃度的升高增加了滲透汽化膜兩側(cè)的滲透壓差，進而促進了丁醇的傳質(zhì)。
　?、仆ㄟ^相轉(zhuǎn)化法制備聚二甲基硅氧烷/聚偏氟乙烯(PDMS/PVDF)滲透汽化復(fù)合膜，研究分別以丁醇水溶液、丙酮-乙醇-丁醇水溶液和發(fā)酵液為原料液時該

4、復(fù)合膜的分離性能，并進一步進行了發(fā)酵-分離耦合實驗。原料液溫度為80℃時PDMS/PVDF復(fù)合膜的總通量和分離因子達到最大值，分別為769.6 g/m2·h和35.2。溫度升高，PDMS/PVDF復(fù)合膜的總通量和分離因子同時升高;原料液濃度升高，復(fù)合膜總通量升高而丁醇分離因子降低。當原料液中含有丙酮和乙醇時，由于丙酮和乙醇在膜中的競爭性擴散，丁醇通量和分離因子略有降低。在批次發(fā)酵-滲透汽化耦合實驗中，丁醇通量和分離因子維持在穩(wěn)定的范圍內(nèi)

5、，分別為13.3-16.3 g/m2·h和139.9-154.0 g/L。證明了PDMS/PVDF復(fù)合膜在發(fā)酵分離耦合實驗中具有良好的滲透汽化性能。
　?、峭ㄟ^兩步氣提耦合固定化發(fā)酵技術(shù)進行丁醇的原位分離?？疾炝嗽弦憾〈紳舛取囟?、細胞密度、氣體流速和冷凝溫度對氣提分離效率的影響。原料液中高丁醇濃度、低細胞密度和低冷凝溫度有利于丁醇的回收，當氣提溫度從25℃升高到55℃時，冷凝回收的丁醇濃度也逐漸提高，繼續(xù)升高溫度丁醇的濃度逐漸

6、降低。最佳的氣體流速是1.6L/min，流速進一步提高導(dǎo)致冷凝水增加使得丁醇的濃度降低。經(jīng)過氣提條件的優(yōu)化，氣提偶聯(lián)批次發(fā)酵最終可生產(chǎn)48.5 g/L丁醇(73.3 g/L ABE)。第一步氣提冷凝液中丁醇和ABE濃度分別為147.2 g/L和199.0 g/L，第二步氣提得到的丁醇和ABE濃度分別達到515.3 g/L和671.1 g/L，通過氣提得到高濃度的濃縮丁醇有利于降低后續(xù)分離過程成本。
　　⑷本研究表明，在PDMS滲透