劉海軍，惠繼星，張德勝，胡世洋，岳 軍，王繼艷，徐友海，肖乃仲，肖天雄

(1.中國(guó)石油吉林石化公司 研究院，吉林 吉林 132021；2.中國(guó)石油吉林石化公司 科技與規(guī)劃發(fā)展處，吉林 吉林 132022；3.天津大學(xué) 化工學(xué)院，天津 300072)

以生物質(zhì)為原料生產(chǎn)乙醇不但可替代化石能源，緩解能源供給壓力，而且可減少對(duì)環(huán)境的污染，這已在世界范圍內(nèi)達(dá)成了共識(shí)[1]。目前，在世界燃料乙醇生產(chǎn)中，95 %以上采用發(fā)酵法[2-3]。傳統(tǒng)乙醇發(fā)酵過(guò)程中，存在明顯的產(chǎn)物抑制現(xiàn)象，嚴(yán)重制約了燃料乙醇生產(chǎn)強(qiáng)度的提高和成本的降低[4-5]。乙醇發(fā)酵與產(chǎn)物分離的耦合可有效解決上述難題，是目前世界上一項(xiàng)前景十分廣闊的技術(shù)[6]。有關(guān)乙醇發(fā)酵與產(chǎn)物分離耦合方面的文獻(xiàn)較多，但是針對(duì)乙醇發(fā)酵與蒸汽滲透的耦合報(bào)道較少。

乙醇發(fā)酵與蒸汽滲透的耦合具有分離效率高、膜壽命長(zhǎng)、流程簡(jiǎn)單、操作方便、對(duì)微生物菌種無(wú)毒害等特點(diǎn)，在構(gòu)造乙醇連續(xù)發(fā)酵生物反應(yīng)器方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[7]。

作者在前期乙醇/水體系蒸汽滲透性能研究的基礎(chǔ)上，采用PDMS復(fù)合膜，對(duì)乙醇發(fā)酵蒸汽滲透耦合過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)研究，得出最適宜操作條件[8]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

聚二甲基硅氧烷(PDMS)復(fù)合膜由中科院大連化物所提供，厚度為130 μm，其中硅橡膠皮層部分厚度為59 μm，膜有效面積為0.028 3 m2。發(fā)酵菌種選用湖北安琪酵母公司生產(chǎn)的超級(jí)釀酒高活性干酵母，此酵母適用于酒精發(fā)酵，具有耐高糖分、耐高濃度酒精等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)所用培養(yǎng)基組成見表1。

表1 培養(yǎng)基配方

其中葡萄糖為食品級(jí)，其它化學(xué)試劑為分析純，培養(yǎng)基滅菌溫度為110 ℃，滅菌時(shí)間為30 min，冷卻至室溫后備用。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與分析儀器

發(fā)酵罐：BIOCTECH-5BG 5 L，上海保興生物設(shè)備工程有限公司；膜器：平板結(jié)構(gòu)，自行加工；微型真空泵：VBH2506-24V，成都新為誠(chéng)科技有限公司；旋片式真空泵：2XZ-4B，上海尚真真空設(shè)備有限公司；三通道生物傳感分析儀：SBA-40X，山東省科學(xué)院生物研究所；氣相色譜儀：GC-2010Plus，日本島津公司。蒸汽滲透耦合實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。

圖1 蒸汽滲透耦合實(shí)驗(yàn)裝置流程圖

1.3 操作過(guò)程

將配好的發(fā)酵液加入發(fā)酵罐內(nèi)進(jìn)行滅菌，滅菌溫度110 ℃，滅菌時(shí)間30 min，滅菌完畢后，待發(fā)酵罐溫度降至室溫后，設(shè)定發(fā)酵罐溫度35 ℃，攪拌轉(zhuǎn)速300 r/min，待發(fā)酵罐溫度和轉(zhuǎn)速恒定后，稱量適量安琪干酵母，經(jīng)復(fù)水活化30 min后，投入發(fā)酵罐中開始發(fā)酵。發(fā)酵15 h，開啟氣體循環(huán)泵、真空泵和低溫恒溫浴槽，循環(huán)氣體流量設(shè)定為9 L/min，真空度為0.093 MPa，低溫恒溫浴槽溫度設(shè)定為-20 ℃。實(shí)驗(yàn)每隔3 h分析發(fā)酵液中ρ(乙醇)、ρ(殘?zhí)?，滲透液中ρ(乙醇)。

1.4 分析方法

1.4.1 乙醇

ρ(乙醇)的檢測(cè)儀器為日本島津GC-2010plus氣相色譜儀，采用FID檢測(cè)器。色譜柱為Stabilwax-Da石英毛細(xì)管，柱規(guī)格0.53 mm×30 m×1.0 μm，柱溫80 ℃；汽化室和檢測(cè)器溫度均為300 ℃，尾吹氣(N2)流量30 mL/min，H2流量40 mL/min，空氣流量400 mL/min，柱流量3.0 mL/min，進(jìn)樣量1.0 μL，采用外標(biāo)法。

1.4.2 葡萄糖

ρ(葡萄糖)的檢測(cè)儀器采用SBA-40E型生物傳感分析儀，測(cè)量范圍為0～100 mg/100 mL。

2 結(jié)果與討論

2.1 流加對(duì)乙醇發(fā)酵的影響

流加發(fā)酵實(shí)驗(yàn)利用5 L發(fā)酵罐，料液體積為2 L，ρ(初糖)=200 g/L，ρ(接種)=4 g/L，發(fā)酵溫度35 ℃，攪拌轉(zhuǎn)速300 r/min。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行16 h開始流加，流加液中ρ(葡萄糖)=800 g/L。發(fā)酵液中ρ(乙醇)和ρ(殘?zhí)?以及流加速率隨時(shí)間的變化見圖2。

t/h圖2 ρ(乙醇)、ρ(殘?zhí)?和流加速率隨時(shí)間的變化

由圖2可見，流加可使發(fā)酵液中ρ(殘?zhí)?維持在50～100 g/L，為酵母的生長(zhǎng)提供充足的碳源；當(dāng)發(fā)酵液中ρ(乙醇)>70 g/L，乙醇對(duì)酵母的抑制作用明顯增強(qiáng)，殘?zhí)窍乃俾氏鄳?yīng)減慢，流加速率急劇減??；發(fā)酵61 h，ρ(乙醇)停止上升，ρ(殘?zhí)?也停止下降，乙醇發(fā)酵趨于停止[9-10]。

2.2 蒸汽滲透耦合對(duì)乙醇分批發(fā)酵的影響

乙醇發(fā)酵-蒸汽滲透耦合實(shí)驗(yàn)與乙醇分批發(fā)酵對(duì)比實(shí)驗(yàn)在2個(gè)平行發(fā)酵罐中同時(shí)進(jìn)行，其中一個(gè)發(fā)酵至18 h開始蒸汽滲透耦合。二者發(fā)酵液中ρ(乙醇)和ρ(殘?zhí)?隨時(shí)間的變化見圖3，蒸汽滲透耦合發(fā)酵及其對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

t/h圖3 耦合實(shí)驗(yàn)與分批發(fā)酵對(duì)比實(shí)驗(yàn)的關(guān)系

表2 不同實(shí)驗(yàn)方式之間的對(duì)比

由圖3和表2可見，蒸汽滲透耦合可有效將發(fā)酵產(chǎn)物中的乙醇移除，降低產(chǎn)物抑制作用，使殘?zhí)堑玫匠浞掷?，同樣條件下相對(duì)于乙醇分批發(fā)酵，可使乙醇產(chǎn)率提高25.3%，糖轉(zhuǎn)化率提高18.3%，有利于發(fā)酵進(jìn)行。

2.3 V∶A對(duì)乙醇發(fā)酵蒸汽滲透耦合過(guò)程的影響

在ρ(初糖)=300 g/L，料液體積與膜面積之比V∶A分別為0.017、0.025、0.053 m的條件下，進(jìn)行了乙醇分批發(fā)酵蒸汽滲透耦合對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)酵液中ρ(乙醇)隨時(shí)間的變化見圖4，不同V∶A之間數(shù)據(jù)對(duì)比見表3。

t/h圖4 ρ(乙醇)隨時(shí)間的變化

表3 不同數(shù)據(jù)對(duì)比

由圖4可見，當(dāng)V∶A=0.053 m時(shí)，發(fā)酵32 h，發(fā)酵液中ρ(乙醇)趨于平穩(wěn)，表明乙醇移除速率與生成速率基本相等；當(dāng)V∶A=0.017 m和0.025 m時(shí)，發(fā)酵液中ρ(乙醇)呈下降趨勢(shì)，表明乙醇移除速率大于生成速率，料液體積與膜面積不匹配。由表3可見，當(dāng)V∶A=0.053 m時(shí)，ρ(乙醇)、乙醇產(chǎn)率以及乙醇得率均大于V∶A為0.017 m和0.025 m。綜上所述乙醇發(fā)酵蒸汽滲透耦合較佳V∶A=0.053 m。

2.4 蒸汽滲透耦合對(duì)乙醇流加發(fā)酵的影響

在ρ(初糖)=200 g/L，V∶A=0.053 m的條件下，進(jìn)行了乙醇流加發(fā)酵蒸汽滲透耦合實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行15 h，開始蒸汽滲透耦合和流加，流加液中ρ(葡萄糖)=800 g/L。發(fā)酵液中ρ(乙醇)和ρ(殘?zhí)?隨時(shí)間的變化見圖5，滲透液中ρ(乙醇)和通量隨時(shí)間的變化見圖6。

t/h圖5 發(fā)酵液中ρ(乙醇)和ρ(殘?zhí)?隨時(shí)間的變化

t/h圖6 滲透液中ρ(乙醇)和通量隨時(shí)間的變化

由圖5可見，通過(guò)流加和蒸汽滲透耦合分離乙醇，可使發(fā)酵液中ρ(殘?zhí)?=50 ～100 g/L，ρ(乙醇)<70 g/L，可實(shí)現(xiàn)乙醇發(fā)酵的長(zhǎng)周期連續(xù)運(yùn)行。由于膜組件是間歇工作，在PDMS膜組件停止工作期間，發(fā)酵液中乙醇累積，ρ(乙醇)升高，重新啟動(dòng)PDMS膜組件后，ρ(乙醇)逐漸降低，因此ρ(乙醇)呈現(xiàn)出波浪形變化。由圖6可見，耦合過(guò)程滲透液中ρ(乙醇)=30%～54%，通量為384.02～437.29 g/m2·h，分離效果顯著，性能穩(wěn)定，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程乙醇產(chǎn)率為2.52 g/L·h，相對(duì)于乙醇流加發(fā)酵，乙醇產(chǎn)率提高44%。

2.5 一級(jí)冷凝溫度對(duì)乙醇發(fā)酵蒸汽滲透耦合過(guò)程的影響

在真空下乙醇冷凝回收較難，為了降低乙醇損耗，提高乙醇回收率，在乙醇冷凝收集裝置前增加一級(jí)蛇管冷凝器，采用二級(jí)冷凝的方式對(duì)乙醇冷凝收集系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 一級(jí)冷凝溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的影響

由表4可見，一級(jí)冷凝溫度的降低并沒(méi)有影響發(fā)酵液中各成分含量的控制，但是降低一級(jí)冷凝溫度，有利于乙醇的回收，然而冷凝溫度的降低意味著能耗的增大，對(duì)工業(yè)化不利，因此一級(jí)冷凝溫度為-20 ℃。

3 結(jié) 論

在乙醇發(fā)酵過(guò)程中，當(dāng)發(fā)酵液中ρ(乙醇)>70 g/L時(shí)，乙醇產(chǎn)率明顯減緩，無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)化發(fā)酵；蒸汽滲透耦合可將發(fā)酵液中的乙醇移除，降低產(chǎn)物抑制，有利于發(fā)酵進(jìn)行，同樣條件下相對(duì)于分批發(fā)酵，可使乙醇產(chǎn)率提高25%；通過(guò)連續(xù)進(jìn)料和蒸汽滲透耦合分離乙醇，可實(shí)現(xiàn)乙醇發(fā)酵的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，同樣條件下相對(duì)于乙醇流加發(fā)酵，可使乙醇產(chǎn)率提高44%；乙醇發(fā)酵蒸汽滲透分離耦合最佳V∶A=0.053 m，一級(jí)冷凝溫度為-20 ℃。

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