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        乙醇發(fā)酵膜生物反應(yīng)器PDMS膜性能衰減問題

        2018-04-26 05:46:20劉敬蕓周雯燦肖澤儀樊森清
        釀酒科技 2018年4期
        關(guān)鍵詞:膜分離復(fù)合膜發(fā)酵液

        雷 許,劉敬蕓,周雯燦,肖澤儀,樊森清

        (四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,四川成都610065)

        乙醇工業(yè)中,生物發(fā)酵法相較化工合成法有更明顯的優(yōu)勢[1]。但生物發(fā)酵的缺點同樣突出,產(chǎn)物抑制極大限制了糖的轉(zhuǎn)化率和乙醇產(chǎn)量。運(yùn)用高性能的PDMS膜組件在發(fā)酵罐中原位分離乙醇是減輕產(chǎn)物抑制、延長發(fā)酵周期、提高乙醇產(chǎn)量的重要解決辦法。連續(xù)封閉循環(huán)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇工藝被驗證是高效節(jié)能可行的[2-3]。

        眾多學(xué)者對膜分離性能及其影響因素進(jìn)行了深入的研究,鐘月華[4]通過在乙醇-水模型溶液中添加干酵母的方法研究發(fā)現(xiàn)一定細(xì)胞堆積對傳質(zhì)有促進(jìn)作用,樊森清[5]研究了發(fā)酵二次產(chǎn)物在膜生物反應(yīng)器的累積及其對膜分離性能的影響,還有學(xué)者對脂肪酸對膜分離性能的影響做了相關(guān)報道[6-7],S.S.Gaykawad等[8]指出發(fā)酵液組分中,脂對膜污染貢獻(xiàn)最大,其次是蛋白質(zhì)。徐玲芳[9]、曹中琦[10]等亦探究了發(fā)酵液中各組分(葡萄糖、琥珀酸、甘油、無機(jī)鹽等)對膜性能的影響。但對作為分離系統(tǒng)的核心部件——膜的使用狀況缺少應(yīng)有的關(guān)心,復(fù)合膜在使用前后的性能衰減,這涉及到膜的使用壽命和合適的更換周期問題,必須加以重視。

        預(yù)測高分子材料服役壽命的方法[11]主要有3類:傳統(tǒng)的人工老化試驗[12],宏觀力學(xué)變化和微觀分子量變化等,并建立相關(guān)老化模型來預(yù)測材料壽命。工業(yè)應(yīng)用中,王曉爽等[13]采用膜性能檢測的方法對某MBR工藝再生水廠中膜壽命進(jìn)行預(yù)測,檢測項目包括膜表面形態(tài)(內(nèi)外表面、斷面及膜孔結(jié)構(gòu))純水透過性能和機(jī)械拉伸強(qiáng)度,證明預(yù)測可行。

        因此,進(jìn)行了乙醇生物發(fā)酵滲透汽化耦合實驗,在研究膜組件分離乙醇性能的同時,運(yùn)用接觸角分析儀,掃描電鏡對使用前后的膜進(jìn)行了表征測試,從分離因子、接觸角、膜厚度及膜壽命的角度,力圖揭示更多關(guān)于膜在工程實際使用過程中性能衰減問題。

        1 材料和方法

        1.1 實驗裝置

        實驗裝置參見實驗室之前工作[3,14-16],發(fā)酵底物在發(fā)酵罐-循環(huán)泵-膜組件通路中循環(huán),酵母細(xì)胞在發(fā)酵液中消耗葡萄糖產(chǎn)生乙醇;在下游真空泵驅(qū)動下,乙醇從PDMS膜優(yōu)先滲透汽化,并在冷凝管及真空泵放空處冷凝成低、高濃度冷凝液[17]。

        1.2 實驗材料

        實驗所采用的膜是自制的高性能PDMS-PA膜[18],在尼龍微孔膜(PA)表層澆鑄約8 μm厚度的PDMS膜層,室溫交聯(lián)后在真空干燥箱中固化制得,為不對稱膜,膜有效面積為0.08 m2。本實驗采用兩張膜并聯(lián)布置;菌種為安琪工業(yè)用耐高溫釀酒活性干酵母(TH-AADY);培養(yǎng)基[19]組成為:葡萄糖100 g/L、酵母膏 16 g/L、(NH4)2SO45 g/L、KH2PO41.5 g/L、Mg-SO4?7H2O 0.55 g/L、CaCl20.15 g/L,其中葡萄糖為優(yōu)級品,其他試劑均為分析級,使用去離子水進(jìn)行配制,并經(jīng)121℃高溫滅菌15 min。

        1.3 膜性能的測試與表征

        膜的分離性能使用分離因子α及乙醇通量表示;經(jīng)過氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)檢測滲透液有機(jī)組分,發(fā)現(xiàn)乙醇含量在91%以上,僅存在少量的縮醛(4.36%)和異丁醇(2.58%),因此可以在計算時假定滲透液中只有水和乙醇兩種組分,乙醇通量J乙醇及分離因子α可定義為[14]:

        式中:J乙醇—乙醇的滲透通量g/m2·h;Q—一段時間間隔內(nèi)收集到的乙醇總質(zhì)量,kg;A—膜的有效面積;t—膜工作時間,h;Cv—滲透側(cè)乙醇質(zhì)量濃度,m%;Cb—原料側(cè)乙醇質(zhì)量濃度,m%。

        取同規(guī)格未使用膜,命名0#原膜;取稀乙醇-水溶液膜分離實驗后膜樣,命名1#乙醇膜;在膜實際使用中,由于流道的設(shè)計、膜組件安裝等因素不可避免地存在急流區(qū)和緩流區(qū),考查這兩個不同區(qū)域膜表面疏水性是必要的,在膜中心區(qū)取樣,命名2#中心區(qū);另在膜的邊側(cè)取樣,命名3#緩流區(qū)。取樣位置如圖3所示,所有的膜樣品均經(jīng)過去離子水沖洗、真空干冷預(yù)處理,再經(jīng)接觸角測試儀得到固液接觸角。

        膜樣品置于真空冷凍干燥機(jī)中24 h,液氮中脆斷后在斷面鍍金,經(jīng)掃描電鏡表征,得到膜厚度及膜微觀變化。

        2 實驗結(jié)果與討論

        在進(jìn)行長達(dá)月余的生物乙醇發(fā)酵-滲透汽化耦合實驗后,為了解膜在使用后的性能及結(jié)構(gòu)的變化,擬從滲透通量及分離因子、膜表面疏水性和PDMS分離膜層厚度三方面進(jìn)行討論。

        2.1 膜滲透通量及分離因子變化(圖1)

        圖1 生物乙醇發(fā)酵中膜滲透通量及分離因子變化

        如圖1所示,生物乙醇發(fā)酵膜分離實驗進(jìn)行了35 d,總通量在第4天出現(xiàn)峰值,為507.630 g/m2?h,均值為431.506 g/m2?h,保持了很高的水平,PDMS膜在發(fā)酵-滲透汽化耦合實驗中表現(xiàn)出優(yōu)異性能。

        分離因子α在發(fā)酵第8天達(dá)到峰值11.02,之后不斷下降,并在結(jié)束時降為1.417,整個發(fā)酵周期內(nèi)均值為6.01。在整個發(fā)酵過程中,發(fā)酵液中乙醇體積濃度大致維持在5%左右,但分離因子逐步降低,表明該膜在使用過程中分離性能發(fā)生衰減。相較于膜分離稀乙醇-水溶液時所得分離因子α=8.45,本實驗中由于發(fā)酵液組分復(fù)雜,流動傳質(zhì)狀況較差,影響了膜的分離性能。

        2.2 接觸角-疏水性變化

        接觸角測試儀中存在兩種界面擬合方程,其中方法1以圓為基準(zhǔn)做切線,適合疏水性較高的材料,而方法2以橢圓為基準(zhǔn),在接觸角較小時有更大的精確度,膜使用前后接觸角變化情況見圖2。從圖2可看出,方法1在疏水性較高時有更小的誤差。

        圖2 膜使用前后接觸角變化

        由圖2可知,使用后膜接觸角均有略微降低,與1#乙醇膜相比,接觸角降低更為明顯,體現(xiàn)發(fā)酵液中復(fù)雜組分對膜表面疏水性有更大的影響。表面粗糙性、吸附作用等均會影響膜接觸角[20],鑒于PDMS的致密性不考慮吸附作用。根據(jù)Wenzel方程[21],在θ<90°時,粗糙因子r越大接觸角越小,3#膜表面沉積了較多的其他物質(zhì),在沖洗過程中難以清除,進(jìn)而降低了接觸角,參考價值不大。

        A Shafaamri等[22]運(yùn)用納米氧化鋅填充PDMS膜,提高了膜的疏水性,唐怡然、王任等[23-24]分別運(yùn)用納米二氧化硅和疏水白炭黑填充PDMS膜,發(fā)現(xiàn)總滲透通量增大,且分離因子基本不變。因此膜疏水性可以代表膜對有機(jī)相的選擇透過性,實驗結(jié)果中分離因子的降低亦印證了接觸角的減小。

        2.3 PDMS膜層厚度變化

        在膜的使用過程中不可避免地會出現(xiàn)磨損減薄現(xiàn)象,其微觀表現(xiàn)是高分子材料摩爾質(zhì)量的減小。K.A.Chaffin等[25-26]運(yùn)用pH值為7.4,溫度為85℃±2℃的磷酸鹽緩沖液浸泡處理聚氨酯改性PDMS,時間為80周,多角度激光光散射儀和尺寸排阻色譜法聯(lián)用(MALLS-SEC),觀測到PDMS的摩爾質(zhì)量的減少,通過磨損實驗和拉伸試驗,發(fā)現(xiàn)材料的機(jī)械性能(耐磨、耐疲勞性能)隨摩爾質(zhì)量的下降而下降。在整個發(fā)酵(35 d)結(jié)束后,將PDMS膜卸載,取膜中心區(qū)標(biāo)號1#中心區(qū),在膜的流動較緩邊緣取樣,標(biāo)號2#緩流區(qū),其直觀表現(xiàn)為沉積物較多,膜本身顏色泛黃,結(jié)果見圖3。

        圖3 乙醇發(fā)酵后膜表面及取樣位置

        為觀測PDMS膜使用前后的厚度,及探究影響膜使用壽命的主要因素,設(shè)計了一系列簡化試驗,如圖4,以旋動的水流模擬膜表面液體流動,著重驗證浸泡液及流速對膜厚度減薄的影響,其中模擬液是按照后期發(fā)酵液組分比例[5]配制而成。實驗溫度為室溫,持續(xù)時間為1周,實驗條件及結(jié)果見表1。

        圖4 PDMS膜老化試驗簡圖

        從厚度結(jié)果上看,PDMS膜經(jīng)長達(dá)1個月乙醇發(fā)酵分離實驗后,PDMS膜中心區(qū)有很明顯的減薄現(xiàn)象,從7.20 μm降至5.45 μm,減薄24.3%。而當(dāng)膜處于緩流區(qū),因流速較慢,沉積有細(xì)胞、胞外聚合物(EPS)和其他固相物質(zhì)形成保護(hù)層,因而其厚度僅降低了6.25%。同樣在模擬實驗中,我們觀測到,隨著液體流速增大,PDMS膜層減薄現(xiàn)象越明顯。PDMS膜厚度及表面變化情況見圖5。

        表1 發(fā)酵及實驗條件下PDMS膜厚度

        圖5 PDMS膜厚度及表面變化

        如圖5所示,6#膜樣經(jīng)去離子水浸泡沖刷1周以后,其致密膜層如圖5中d所示,表面粗糙不平,侵蝕現(xiàn)象明顯,而浸泡在發(fā)酵液和模擬液中的a、b、c 3個樣品,表面十分平整,厚度分布顯得均勻而致密。相對于混有大量有機(jī)酸、甘油、乙醇的發(fā)酵液,去離子水對膜的磨損減薄作用更加明顯,其機(jī)理可能是濃差極化,膜表面附近疏水性物質(zhì)如甘油,濃度更高,形成一種降低水流對膜表面的沖刷作用的保護(hù)膜。由此看出,相比于分離稀乙醇-水溶液,當(dāng)用于分離發(fā)酵液時,PDMS復(fù)合膜將擁有更長的使用壽命。在工業(yè)應(yīng)用中,對沖洗劑緩沖液的選用有啟示作用。

        2.4 PDMS復(fù)合膜壽命探討

        在PDMS復(fù)合膜的使用過程中,總滲透通量基本不變,分離因子下降的主要原因是生發(fā)酵到達(dá)末期,酵母產(chǎn)生乙醇能力大為降低,因此通過分離因子只能判斷發(fā)酵終點而與膜壽命關(guān)系不大,PDMS分離層是復(fù)合膜中最重要的功能性膜層,其厚度直接影響到膜分離效率和使用壽命,膜層過厚,傳質(zhì)阻力增大,分離因子減小,系統(tǒng)能耗增大;膜過薄,膜的正常使用壽命無法保證。借鑒醋酸纖維膜壽命評價方法,即在反滲透過程中,其壽命由膜的透鹽系數(shù)B值增加一倍所消逝的時間定義,由此可在采用膜厚降低到一半的時間作為膜壽命。在本實驗條件下,經(jīng)過35 d發(fā)酵分離耦合實驗后,膜厚度由7.20 μm降低至5.45 μm,可預(yù)測膜使用壽命為72 d。

        膜厚減薄僅僅是影響膜使用的一方面,還有其他方面的影響也會極大影響膜壽命,例如膜制作工藝導(dǎo)致的缺陷,膜組件結(jié)構(gòu),安裝方法,極端工況等。由于缺少相關(guān)膜性能指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn),本實驗裝置的特殊性及取樣代表性的限制,膜厚判據(jù)只能作為膜壽命判據(jù)的輔助方法,在未來實際使用過程中需采集較大量的數(shù)據(jù),建立失效與膜厚之間的關(guān)系,才可能得到適合該P(yáng)DMS膜使用壽命的評價與管理方法。

        3 結(jié)論

        3.1 PDMS/PA復(fù)合膜應(yīng)用于分離發(fā)酵液中的乙醇,乙醇產(chǎn)量和膜分離效率較高,表明該硅橡膠膜適用于生物乙醇分離;分離因子隨著長時間的發(fā)酵而逐漸衰減。

        3.2 膜接觸角測試結(jié)果顯示,其疏水性在使用過程中有輕微的降低;通過測量PDMS膜層使用前后的厚度,表明PDMS膜層在使用過程中存在較嚴(yán)重的減薄現(xiàn)象;相對于含有有機(jī)組分的模擬發(fā)酵液,去離子水對膜的侵蝕損害更大。

        3.3 采用膜分離層減薄一半的時間為膜壽命,預(yù)估自制分離膜的壽命約為72 d。但需相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)支撐及大量數(shù)據(jù)支撐,此膜評價方法可作為輔助判據(jù)。

        參考文獻(xiàn):

        [1]NIGAM P S,SINGH A.Production of liquid biofuels from renewable resources[J].Progress in energy and combustion science,2011,37(1):52-68.

        [2]O’BRIEN D J,ROTH L H,MCALOON A J.Ethanol production by continuous fermentation-pervaporation:a preliminary economic analysis[J].Journal of membrane science,2000,166(1):105-111.

        [3]CHEN C,TANG X,XIAO Z,et al.Ethanol fermentation kinetics in a continuous and closed-circulating fermentation system with a pervaporation membrane bioreactor[J].Bioresource technology,2013,128(3):246-251.

        [4]鐘月華,肖澤儀,黃衛(wèi)星,等.細(xì)胞對硅橡膠復(fù)合膜滲透蒸發(fā)分離性能的影響[J].膜科學(xué)與技術(shù),2005,25(5):50-53.

        [5]FAN S,XIAO Z,TANG X,et al.Inhibition effect of secondary metabolites accumulated in a pervaporation membrane bioreactor on ethanol fermentation ofSaccharomyces cerevisiae[J].Bioresource technology,2014,162(6):8-13.

        [6]FADEEV A G,MEAGHER M M,KELLEY S S,et al.Fouling of poly[-1-(trimethylsilyl)-1-propyne]membranes in pervaporative recovery of butanol from aqueous solutions and ABE fermentation broth[J].Journal of membrane science,2000,173(1):133-144.

        [7]OFFEMAN R D,LUDVIK C N.Poisoning of mixed matrix membranes by fermentation components in pervaporation of ethanol[J].Journal of membrane science,2011,367(1):288-295.

        [8]GAYKAWAD S S,VAN DER WIELEN LA M,STRAATHOF A J J.Effects of yeast-originating polymeric compounds on ethanol pervaporation[J].Bioresource technology,2012,116:9-14.

        [9]徐玲芳,相里粉娟,陳祎瑋,等.模擬的發(fā)酵液組分對聚二甲基硅氧烷/陶瓷復(fù)合膜滲透汽化性能的影響[J].化工學(xué)報,2007,58(6):1466-1472.

        [10]曹中琦.乙醇發(fā)酵—滲透汽化耦合過程膜劣化的機(jī)理研究[D].北京:北京化工大學(xué),2015.

        [11]祈黎,王俊.高分子材料服役壽命預(yù)測方法最新進(jìn)展[J].環(huán)境技術(shù),2014(5):62-64.

        [12]鄭有婧,黃正安,劉立榮.硅橡膠老化性能研究及壽命預(yù)測[J].塑料工業(yè),2015,43(8):61-65.

        [13]王曉爽,高金華,艾冰,等.再生水廠MBR工藝的膜壽命評價[J].凈水技術(shù),2014,33(5):24-27.

        [14]肖澤儀,湯明,黃衛(wèi)星,等.PDMS復(fù)合膜薄層流動膜組件中的滲透蒸發(fā)傳質(zhì)動力學(xué)[J].四川大學(xué)學(xué)報(工程科學(xué)版),2005,37(6):46-51.

        [15]湯曉玉,王維慧,胡世文,等.膜生物反應(yīng)器蘋果原汁發(fā)酵研究(Ⅱ)——產(chǎn)物特性和膜器放大[J].四川大學(xué)學(xué)報(工程科學(xué)版),2007,39(5):86-91.

        [16]陳春燕,張俊青,崔海娣,等.PDMS膜生物反應(yīng)器封閉循環(huán)連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)ABE[J].高?;瘜W(xué)工程學(xué)報,2013,27(3):469-475.

        [17]FAN S,XIAO Z,ZHANG Y,et al.Enhanced ethanol fermentation in a pervaporation membrane bioreactor with the convenient permeate vapor recovery[J].Bioresource technology,2014,155(4):229-234.

        [18]TANG X,WANG R,XIAO Z,et al.Preparation and pervaporation performances of fumed-silica-filled polydimethylsiloxane-polyamide(PA)composite membranes[J].Journal of applied polymer science,2010,105(5):3132-3137.

        [19]丁文武,湯曉玉,傅晟偉,等.適合硅橡膠膜生物反應(yīng)器乙醇發(fā)酵的酵母選育[J].四川大學(xué)學(xué)報(工程科學(xué)版),2011,43(2):161-165.

        [20]趙振國.接觸角及其在表面化學(xué)研究中的應(yīng)用[J].化學(xué)研究與應(yīng)用,2000,12(4):370-374.

        [21]WENZEL R N.Resistance of solid surfaces to wetting by water[J].Industrial&engineering chemistry,1936,28(8):988-994.

        [22]SHAFAAMRI A,KASI R,BALAKRISHNAN V,et al.Amelioration of anticorrosion and hydrophobic properties ofepoxy/PDMS composite coatings containing nano ZnO particles[J].Progress in organic coatings,2016,92:54-65.

        [23]唐怡然,鄒慶.硅溶膠填充改性PDMS-PA復(fù)合膜[J].過濾與分離,2009,19(1):1-4.

        [24]王任,湯曉玉,楊晶,等.疏水白炭黑填充PDMS-PA復(fù)合膜的滲透汽化性能[J].有機(jī)硅材料,2007,21(2):61-64.

        [25]CHAFFIN K A,WILSON C L,HIMES A K,et al.Abrasion and fatigue resistance of PDMS containing multiblock polyurethanes after accelerated water exposure at elevated temperature[J].Biomaterials,2013,34(33):8030-8041.

        [26]CHAFFIN K A,BUCKALEW A J,SCHLEY J L,et al.Influence of water on the structure and properties of PDMS-containing multiblock polyurethanes[J].Macromolecules,2012,45(22):9110-9120.

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