吳涵竹，司志豪，秦培勇

（北京化工大學生命科學與技術學院，北京 100029）

為了應對環(huán)境惡化及全球變暖的現(xiàn)狀，世界主要經濟體提倡用可再生生物燃料替代傳統(tǒng)非再生化石燃料，實現(xiàn)可持續(xù)化發(fā)展。據相關研究報道，可再生生物燃料的全球市場約為260億美元，而其中生物乙醇占據市場的主導地位，有著極大的發(fā)展?jié)摿?。生物乙醇熱值低，汽化潛熱高，用作添加劑時可顯著減少混合燃料使用過程中的NO排放，大幅度減少顆粒物的形成，從源頭上降低煙霧污染，對環(huán)境起到保護作用。美國環(huán)境保護部門于2010 年預計，到2022 年，使用玉米發(fā)酵的乙醇的溫室氣體排放量比同等能量的汽油低21%；2018 年，美國農業(yè)部門根據科學研究、技術報告等評估了自2010 年以來玉米乙醇目前的溫室氣體排放狀況，比汽油低39%～43%，遠高于21%的預估值。由此可見，使用生物燃料乙醇對減少碳排放、優(yōu)化能源結構和促進可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。早期工業(yè)生物乙醇主要由糖基或淀粉基物質生產，為減少對食物的額外消耗，科研人員研究出了利用木質素發(fā)酵生物乙醇的新工藝。然而受制于發(fā)酵液中產物對酵母細胞的高度抑制、戊糖的無效轉化和生物質分離難度高等問題，纖維素乙醇工藝仍需要進一步深入研究。

降低生產成本是提高生物乙醇市場競爭力的有效方式，其中降低下游分離過程的能耗起到重要作用。作為生物乙醇生產過程中能耗最高的單元，分離過程中由于乙醇和水形成共沸物，需要消耗額外能量除去大量水分。蒸餾法是目前工業(yè)上主流的分離技術，盡管其溶劑回收率高，但仍受到很大限制。例如，蒸餾所需的高溫會使酵母細胞和蛋白質酶等大量失活，導致其生產過程連續(xù)性差，進一步降低了生產效率，提高了生產成本。因此，開發(fā)低細胞毒性及高連續(xù)性的分離技術尤為重要。為保證細胞及蛋白質的活性，采用無加熱過程的分離技術進行非原位分離（ESPR），產品的連續(xù)有效分離仍然受到限制。

相比于ESPR，通過原位分離（ISPR）從發(fā)酵液中直接進行乙醇分離具有明顯優(yōu)勢。通過原位分離將發(fā)酵液中的乙醇排出收集，可以降低發(fā)酵液中乙醇的濃度，減少其對酵母細胞的毒害作用，從而提高了底物的轉化率，使產量增加。同時分離而得的液體中乙醇濃度高，可以降低后續(xù)提純分離所需能耗，減少生產分離過程碳排放的同時節(jié)省了分離成本。此外，可通過連續(xù)發(fā)酵或分批補料使發(fā)酵過程的連續(xù)性得到加強，并且減少反應廢水的排放，降低廢水處理成本。

本文總結了生物乙醇生產中不同類型ISPR 技術的基本原理及工業(yè)相關領域中的實際應用，比較和討論了所述ISPR 技術的優(yōu)缺點，同時綜述了用于強化生物乙醇分離的多級耦合ISPR 技術的最新進展，對ISPR 技術應用于乙醇工業(yè)制備的應用前景進行了展望。

1 生物乙醇分離技術

1.1 基于氣液平衡的生物乙醇分離方法

1.1.1 真空發(fā)酵

真空發(fā)酵是在壓力低于大氣壓的環(huán)境下進行（約為10kPa 以下），氣液平衡發(fā)生改變，迫使乙醇向氣相轉變，發(fā)酵過程中生產的乙醇可以不斷地被蒸發(fā)脫除，以達到連續(xù)分離乙醇的效果，具體裝置圖如圖1所示。該工藝在去除乙醇的同時刺激酵母細胞的生長，糖發(fā)酵規(guī)模擴大，乙醇產量得到有效提升。

圖1 真空發(fā)酵裝置圖[24]

1977 年，Cysewski 和Wilke 開發(fā)了針對乙醇連續(xù)生產周期的真空發(fā)酵系統(tǒng)，乙醇產率較傳統(tǒng)連續(xù)發(fā)酵提高了12 倍，廢水排放量也顯著減少。Nguyen等分別研究了常壓和真空狀態(tài)下連續(xù)發(fā)酵生產乙醇的區(qū)別，真空狀態(tài)下乙醇在接近環(huán)境溫度時沸騰，發(fā)酵過程中產生的乙醇通過蒸發(fā)即可被連續(xù)去除。該乙醇-水蒸氣在填料發(fā)酵分離柱中與入口冷進料流逆流，揮發(fā)性較小的成分被冷凝，從而提高了柱頂部的乙醇濃度。結果顯示，真空狀態(tài)下細胞干質量接近常壓狀態(tài)的兩倍，且葡萄糖濃度明顯降低，出口處乙醇含量增加，表明產物抑制作用明顯下降，真空發(fā)酵工藝可用于提高乙醇連續(xù)生產效率。選用合適的微生物進行發(fā)酵生產仍是產業(yè)化的重點，Lee等對真空發(fā)酵系統(tǒng)進行了性能評估，發(fā)現(xiàn)使用纖維素乙醇生產菌真空發(fā)酵后克服了傳統(tǒng)釀酒酵母發(fā)酵過程中的高污染問題，且生產效率與釀酒酵母相近。Huang 等利用真空發(fā)酵回收系統(tǒng)，從高固體含量的食物廚余中發(fā)酵生產乙醇，克服了發(fā)酵過程中高濃度黏稠糖漿對酵母的抑制，發(fā)酵液中的乙醇濃度被控制在100g/L 以下，降低了乙醇對酵母的抑制作用，同時葡萄糖能夠完全被利用，發(fā)酵的產率高于常規(guī)。目前的蒸餾廠中主要能耗集中在脫水和純化步驟，需開發(fā)低能耗的分離方法提高能源利用率，減少溫室氣體排放，Palacios-Bereche等在強化生物乙醇過程中采用熱集成技術進行了過程熱評估，結果表明乙醇產量增加了3.3%～4.8%的同時，蒸汽消耗減少高達36%，證實了真空發(fā)酵的節(jié)能效果。

盡管真空發(fā)酵可以有效降低污染，提升乙醇產量，但仍舊存在限制。Dias等的研究證明，真空發(fā)酵工藝的蒸汽消耗相比于傳統(tǒng)發(fā)酵蒸餾工藝更低，但是真空發(fā)酵對電力需求略有增加。傳統(tǒng)發(fā)酵工藝剩余電力約為38kWh/t，低溫發(fā)酵下的剩余電力約為63kWh/t，但蒸汽消耗增加，真空萃取發(fā)酵剩余電力約為26kWh/t，但對蒸汽消耗要求相對較低。結果表明，萃取發(fā)酵過程與真空閃蒸相結合，蒸汽消耗最低，產生的剩余木質纖維材料比其他工藝多，但電力需求也最高。此外，真空發(fā)酵過程中，細胞的形態(tài)與行為會受到明顯影響，也增加了厭氧菌感染的風險，限制了真空發(fā)酵的進一步發(fā)展。

1.1.2 氣提

氣提本質與真空發(fā)酵類似，生物乙醇因其強揮發(fā)性，通過氣液平衡傾向于從發(fā)酵液中轉移至氣相中，達到分離的目的。簡而言之，載氣從發(fā)酵反應器底部進入，與發(fā)酵液充分接觸傳質，易揮發(fā)的乙醇會被載氣攜帶從發(fā)酵液中分離出來，接著通過冷凝裝置進行乙醇的濃縮收集，過程中的剩余氣體可通過循環(huán)進入下一裝置中。實驗裝置如圖2。

圖2 氣提的細胞固定化發(fā)酵過程的實驗裝置[17]

氣提對能量需求低，并易于與發(fā)酵過程集成，能夠進一步減少產物抑制作用，同時氣提操作簡單、不需要昂貴的設備支持、不損害培養(yǎng)物細胞、不去除養(yǎng)分和反應中間體、糖類底物利用效率高，因此被視為最有潛力的分離方式之一。此外，由于鼓泡的散熱作用，氣提分離也顯著降低了對冷卻能量的需求，將發(fā)酵過程與氣提耦合后，可減少63.1%的冷凝水消耗。

氣提生產生物乙醇的ISPR 技術已經被廣泛研究。傳質和傳熱效率低限制了傳統(tǒng)靜態(tài)固態(tài)發(fā)酵乙醇的大規(guī)模集約化生產，為實現(xiàn)連續(xù)化生產和提高轉化率，耦合氣提分離技術在線分離乙醇，消除了對單獨反應器的需求，簡化了生物乙醇的生產過程。相同條件下，氣提固態(tài)發(fā)酵技術較傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵產率提升6%～10%，實現(xiàn)了生物乙醇的連續(xù)性轉化與分離，減少下游設備投資，滿足了生物乙醇工業(yè)生產高產高效的要求。Ponce 等在分批發(fā)酵中耦合氣提從甘蔗發(fā)酵液中原位分離乙醇，從高度濃縮糖溶液中有效去除揮發(fā)性物質，發(fā)酵過程中乙醇濃度始終低于毒性閾值，最大限度降低了產物抑制作用。此外，發(fā)酵過程中產生的CO可用作載氣，分離成本降低；發(fā)酵液濃度增加，反應和分離裝置尺寸可相應減小，降低了生產過程中的能耗需求。雖然CO作為氣提氣具有上述優(yōu)點，但需要適配有效且效益高的方法回收氣相中的乙醇。Rodrigues等評估了水、乙二醇和二甘醇作為溶劑從氣相中回收乙醇的效率，其中應用乙二醇的回收產率最高達93.1%，表明使用乙二醇等有機溶劑回收乙醇是一種具有前景的發(fā)展策略，為CO氣提法從發(fā)酵液中分離乙醇提供了后續(xù)處理思路。

雖然氣提法原位分離乙醇具有熱量要求低等優(yōu)勢，但其大規(guī)模開發(fā)應用仍存在挑戰(zhàn)。由于加壓二氧化碳或氮氣的供應及回收成本較高，導致氣提與傳統(tǒng)蒸餾工藝相比成本幾乎相同，并且氣提效率受到氣體流速和發(fā)酵液中乙醇濃度影響，這也導致氣提效率往往低于預期。為此，Schl?fle等提出將空氣作為氣提氣體，同時循環(huán)使用為發(fā)酵罐中的酵母提供足夠的氧氣，若是使用無菌氣體則無需額外通風，為生物乙醇氣提分離工藝提供了新的可能性。

1.2 基于相轉移的生物乙醇分離方法

1.2.1 萃取

萃取是最節(jié)能的分離方法之一，與蒸餾相比能夠減少大量能耗，配置簡單，符合發(fā)酵耦合分離技術的要求。通常根據萃取劑與待萃取物質之間的溶解度不同進行液-液萃取，具有很強的預濃縮能力。萃取發(fā)酵降低了發(fā)酵液中的乙醇濃度，具有較高的乙醇產率，其中保證萃取劑與微生物之間的生物相容性是關鍵，具體裝置圖如圖3所示。

圖3 萃取發(fā)酵裝置示意圖[42]

萃取發(fā)酵通過移除發(fā)酵液中的乙醇來降低產物抑制作用，然而這項技術要求采用無毒且廉價的萃取劑與發(fā)酵液接觸，因此該工藝規(guī)?；糯笾塾诓捎煤线m的萃取劑進行分離，并降低回收能耗減少成本。為篩選生物相容性高的萃取劑，著眼于無毒的植物油，且植物油生產規(guī)模大，成本較低，易于工業(yè)化使用。Lemos 等測試了無毒有機溶劑蓖麻油和油酸的乙醇提取能力，評估了不同規(guī)模下使用這些溶劑進行液-液萃取發(fā)酵的乙醇生產率，乙醇產率高達10.5kg/(m·h)，與傳統(tǒng)不分離乙醇的工藝相比提升17%，克服了傳統(tǒng)乙醇發(fā)酵的低容積生產率，表現(xiàn)出更高的性能。萃取發(fā)酵工業(yè)化要求萃取劑易于回收，采用油基醇、異十八醇等不溶于水的有機溶劑進行連續(xù)原位萃取，測試得使用這些溶劑后，最終生物質濃度、葡萄糖消耗量與乙醇產量均有所提升，提高了乙醇的產率。現(xiàn)階段工業(yè)乙醇萃取發(fā)酵以分批發(fā)酵為主流，Badino等在工業(yè)條件運作下的非傳統(tǒng)滴柱生物反應器（DCB）中萃取分批發(fā)酵生產乙醇，使用油酸作為萃取劑，取得了較高的生產效率。同時結合Andrews-Levenspiel 方程和乙醇分散系數建立了模型，較好地描述了萃取發(fā)酵的過程。隨后，Badino等使用補料分批萃取發(fā)酵乙醇，不斷調節(jié)發(fā)酵過程中的底物濃度并在生產過程中不斷去除產品，萃取發(fā)酵中的總乙醇濃度范圍為100.3～139.8kg/m，比不原位去除乙醇的傳統(tǒng)工藝高19.9%～67.2%。此外，該工藝廢水排放量少，乙醇回收耗能低，在提升乙醇產量的同時減少了碳排放，實現(xiàn)了對環(huán)境友好的目標。

1.2.2 吸附

吸附是常見的分離技術之一，在乙醇生產過程中，吸附劑與發(fā)酵液接觸，從而將乙醇吸附濃縮。研究表明，較之其他分離技術，吸附所需的能量更少，同時，選擇快速吸附、易于解吸與再生的吸附劑可以使吸附的效率更高。吸附發(fā)酵裝置如圖4所示。

圖4 吸附發(fā)酵裝置示意圖[48]

與其他分離技術相比，吸附對微生物的傷害較低，生物相容性好。吸附分離技術的核心是選擇性能最優(yōu)的吸附劑，同時要考慮其生物相容性以及可重復利用性，其中活性炭和沸石因為具有吸附性能良好、成本低等優(yōu)勢被廣泛利用。Jones等使用活性炭進行原位吸附耦合乙醇發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵培養(yǎng)基濃度低于20～30g/L 時可提高乙醇產量，在180h內進行3次循環(huán)后，與對照實驗相比額外產生了80%的乙醇，但培養(yǎng)基的pH持續(xù)下降，可通過添加NaOH 調節(jié)pH 使之保持在有利于乙醇生產的水平，該實驗證明原位吸附可提高葡萄糖利用率，同時通過間歇式提取產品可進一步提升乙醇的產量，為工業(yè)化提升乙醇產量和純度提供調整思路。

雖然吸附發(fā)酵成本較低，仍有限制性因素制約其發(fā)展。首先，為實現(xiàn)工業(yè)化生產乙醇，需要大量的吸附劑。其次，非特異性吸附造成吸附劑在使用過程中會吸附蛋白質、副產物、細胞碎片等雜質，降低了吸附劑的吸附效率和使用壽命，同時增加了吸附劑再生的能耗和工藝難度。

2 生物乙醇膜分離技術

2.1 滲透汽化

滲透汽化是一種基于膜分離從發(fā)酵液中分離生物乙醇的技術，溶解擴散模型能夠較好地解釋料液中各組分選擇性透過膜的原理。在該模型中，滲透汽化共分為三個步驟：①揮發(fā)性組分從進料液中選擇性吸附到膜表面；②分子通過選擇層擴散；③分子在低壓側從選擇層中解吸（圖5）。滲透分子吸附擴散的選擇性是否良好，關鍵在于其與膜材料之間的相互作用以及膜層的傳輸通道是否匹配。吸附選擇性由膜和滲透劑的溶解度參數確定，受強相互作用正向影響。自由體積和填充物質決定了膜的傳輸通道，進而影響了擴散選擇性。

圖5 滲透汽化原理示意圖[64]

作為迅速崛起的分離技術，滲透汽化具有與發(fā)酵過程耦合的巨大潛力，其操作過程對微生物傷害小，對乙醇具有更高的選擇性，能耗低。相較于其他分離工藝，滲透汽化操作溫度適合微生物生長，且不需要添加額外的化學試劑。根據美國O’Brien 團隊等對商業(yè)規(guī)模燃料乙醇生產經濟衡算要求，滲透汽化分離乙醇的分離因子需達到10以上，通量150g/(m·h)以上，對滲透汽化應用于工業(yè)化規(guī)模生產具有指導性意義。

選擇層的材料在一定程度上決定著滲透汽化的效率。聚二甲基硅氧烷（PDMS）制備的滲透汽化膜具有制備簡單、成本低、分離性能好和穩(wěn)定性強等優(yōu)勢，是廣泛使用的一種乙醇滲透氣化分離膜。Fu等使用PDMS膜進行滲透汽化，與連續(xù)發(fā)酵相結合可提高乙醇產量，在滲透液中可獲得446.3g/L的高濃度乙醇產量，該過程均在膜的滲透側進行，一體化工藝節(jié)能環(huán)保，具有良好的發(fā)展前景。Yong等的研究表明，復合PDMS膜分離乙醇效果優(yōu)越，發(fā)酵液的傳遞系數最高，其中分離因子為7.7，通量為406g/(m·h)。

除PDMS 之外的其他有機膜材料也受到研究，如聚甲基苯基硅氧烷、聚(1-三甲基硅基-1-丙炔)等。但是，由于高效擴散通道較少，有機膜的滲透性較低，始終與膜成本呈負相關。額外增加膜的傳輸通道為滲透汽化膜的制備提供了新的思路。研究表明，通過在有機基質中填充多孔材料，利用其特殊傳輸性能，可以有效地提升有機滲透汽化膜的分離性能。Hu 等利用硅分子篩-1制備PDMS混合基質膜，開發(fā)了與滲透汽化耦合的固定化乙醇發(fā)酵。在長期運行中，滲透汽化原位分離耦合發(fā)酵工藝的乙醇產率、分離因子、總通量和滲透乙醇濃度相較于傳統(tǒng)發(fā)酵都大幅度提高。如共價有機框架（COF）和金屬有機框架（MOF）等其他類型的填充材料，也被廣泛應用到混合基質膜中。除有機膜和混合基質膜外，無機膜也受到廣泛關注。Si 等以ZIF-8 獨特的孔結構和高比表面為基礎，為進一步提升其實際應用的穩(wěn)定性，采用直接碳化法制備了具有較高疏水性的ZIF-8衍生多孔炭，應用于混合基質膜中，克服了酸性溶液對材料的侵蝕，提高了膜的使用壽命，在發(fā)酵回收ABE的過程中穩(wěn)定性良好。Shu 等在基底為釔穩(wěn)定的氧化鋯空心纖維上制備了Silicalite-1膜，在優(yōu)化晶種大小、合成參數和底物后，得到了7.4kg/(m·h)的高通量和47 的分離因子，為從多個參數入手提升混合基質膜的性能提供了參考。本綜述列舉了混合基質膜應用于分離乙醇的性能總結，如表1。

表1 混合基質膜應用于乙醇分離的性能總結表

與已開發(fā)的商用乙醇脫水親水膜相比，優(yōu)先透

醇膜的制備和應用仍存在瓶頸，仍然有待進一步研究和優(yōu)化。例如，Li等建立了一個描述涂料混合物與時間關系的模型，通過研究對溫度、催化劑、水等對PDMS涂布前后黏彈性的影響，預測了涂層混合物的涂覆時間。同時提出一種壓印法確定了膜收卷時間，通過控制涂層混合物的組成成分和交聯(lián)條件建立了連續(xù)制備工藝，其中涂布PDMS的時間窗口和卷繞持續(xù)時間分別為88.3min 和11min，實現(xiàn)了快速、連續(xù)、大規(guī)模制備PDMS 膜。PDMS膜雖然被應用于分離發(fā)酵液中的乙醇，但據報告，PDMS固化時間通常大于180min，嚴重限制了此類膜的工業(yè)化制備。因此，Si等開發(fā)了紫外光引發(fā)聚合制備PDMS 膜，固化時間縮短至30～200s，比傳統(tǒng)的熱交聯(lián)快2～3個數量級。膜制備過程中有機溶劑的揮發(fā)增加了操作難度和生產成本，且會對環(huán)境造成危害。在長期滲透汽化過程中，膜污染會導致膜性能暫時或永久性地下降，并最終縮短膜壽命。氟化PDMS 膜具有顯著的抗污染性能，與傳統(tǒng)PDMS膜相比，極化率低，氟烷基與發(fā)酵液中微生物的相互作用較弱，膜表面能下降，生物污染受到抑制。引入含氟單體，作為稀釋劑取代傳統(tǒng)有機溶劑，同時利用紫外光交聯(lián)實現(xiàn)膜的快速制備，并且加入氟單體使膜的疏水性和抗污染性能同時提升，進一步優(yōu)化了分離乙醇的性能，獲得了9.2的分離因子和849.3g/(m·h)的通量。

2.2 膜蒸餾

膜蒸餾以蒸氣壓差作為驅動力，蒸氣分子在熱驅動下通過微孔疏水膜。采用疏水膜可以防止水溶液通過，只有進料液中的揮發(fā)性成分才能過膜。膜蒸餾理論上可100%截留大分子、膠體、細胞和其他非揮發(fā)物，工作溫度低于傳統(tǒng)蒸餾，同時工作壓力也低于傳統(tǒng)壓力驅動的膜分離技術。

Tomaszewska 等在直接接觸膜蒸餾（MDBR）反應器中利用乳清進行生物乙醇發(fā)酵，進料與膜直接接觸，滲透液在膜表面被冷凝，而非揮發(fā)性物質則被保留在反應器中。使用濃縮乳清進行發(fā)酵可產生高濃度乙醇，并降低乙醇分離的蒸餾成本，轉化為乙醇的效率接近理論值，比無膜蒸餾的反應器中進行的發(fā)酵過程提升1.9 倍。Loulergue等使用空氣間隙膜蒸餾法（AGMD）從復雜混合物中提取乙醇，獲得了含有高濃度乙醇的滲透液，而其他化合物則被膜截留，最大限度地提升了選擇性和生產效率，同時在一定程度上提高了膜的抗污染性能。Lewandowicz 等使用膜蒸餾技術對發(fā)酵液進行了分離，乙醇產量增加了15.5%。當乙醇通過選擇性膜時，酵母細胞、底物和其他營養(yǎng)物質保留在料液側，而乙醇被提純和濃縮，糖被消耗殆盡，降低了發(fā)酵液的滲透壓，活性酵母細胞的數量增加。

然而在經濟效益上膜蒸餾仍未達到預期。與其他分離工藝相比，因膜蒸餾膜內滯留空氣增大了傳質阻力，滲透通量低，單位時間的處理能力有限。此外，由于傳導而損失的熱量較大，能耗有所提升。Rosentrater 等對比了膜蒸餾與傳統(tǒng)蒸餾系統(tǒng)的性能，發(fā)現(xiàn)膜蒸餾的乙醇最低售價低于傳統(tǒng)蒸餾，認為在商業(yè)規(guī)模的乙醇生產中采用膜蒸餾經濟效益較低。

3 多級耦合分離工藝

盡管在生產生物乙醇方面使用上述分離技術直接從發(fā)酵液中分離乙醇有著巨大前景，但仍需提升工藝的選擇性和可操作性，降低能耗和工業(yè)成本，實現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產。因此，多級ISPR 技術近年來得到越來越多的關注。將萃取與蒸餾相結合的強化分離工藝是最常用的多級ISPR 技術，該過程大大降低了對能量的需求。在混合溶液中加入萃取劑后，可以打破乙醇-水共沸體系的束縛，直接脫水生產乙醇。實現(xiàn)成功耦合的關鍵科學問題是兼顧上下游過程的銜接以及各級分離工藝之間的銜接，以期達成節(jié)能高效的目的。

氣提-吸附是另一種具有潛力的多級分離技術。在氣提-吸附過程中，乙醇首先被載氣收集濃縮，繼而被吸附劑吸附。發(fā)酵液中的低揮發(fā)性與非揮發(fā)性雜質不與吸附劑直接接觸，可以降低對吸附劑的污染，進一步提升乙醇的分離效率。Hashi等評估了不同吸附劑進行乙醇回收時的性能，發(fā)現(xiàn)活性炭（WV-B 1500）具有較高的乙醇吸附能力，而且相對水和二氧化碳而言優(yōu)先吸附乙醇。在其他研究中通過冷凝回收乙醇，冷凝器在低于0℃的溫度下運行產生大量能耗，阻礙了大規(guī)模應用。添加的酵母數量和最終乙醇濃度等因素在實際生產中影響著燃料乙醇發(fā)酵罐的生產率，即使在工廠級別連續(xù)級聯(lián)發(fā)酵罐中，其產量也不超過2g/(L·h)，但實驗表明，在工業(yè)二氧化碳氣提發(fā)酵中，乙醇的產率可提高到15.8g/(L·h)。

以氣提為第一級的多級分離技術還有氣提-蒸汽滲透（GSPV），原理與傳統(tǒng)滲透汽化類似，區(qū)別在于使用氣提后的氣相通過膜組件，避免了由發(fā)酵液直接接觸膜所造成的膜污染，同時顯著提升了受氣液平衡限制的分離效率。Si 等通過GSVP解決了發(fā)酵液的分離問題，該方法無需引入任何蒸氣，且進料側蒸氣冷凝不消耗額外能量。通過進一步研究氣體流量、進料溫度和濃度對GSVP工藝的影響評估GSPV 應用于乙醇發(fā)酵分離的潛力，在65℃時分離6%的乙醇溶液，獲得48的高分離因子和0.886kg/(m·h)的高通量，同時，GSPV 工藝的蒸發(fā)能量需求較傳統(tǒng)蒸餾和滲透汽化工藝分別至少低54%和57%。Xue 的團隊采用氣提-蒸汽滲透耦合技術從稀釋后的發(fā)酵液中分離丙酮-丁醇-乙醇（ABE），使用纖維素水解物進行發(fā)酵，采用新型混合基質膜進行分離，可以有效減少廢水的排放。Rochón 等將間歇式異丙醇-丁醇-乙醇（IBE）發(fā)酵與GSPV 耦合，濃縮后的IBE 濃度達到712g/L。然而，在基于GSVP的ISPR工藝中，發(fā)酵過程的廢氣需要妥善處理，否則反應器內壓力的變化會對傳質造成不良影響。

膜輔助氣提法（MAVS）是發(fā)酵耦合分離的另一種高效方法。在MAVS工藝中，乙醇水溶液中的水在親水膜的分離作用下被脫除，濃縮后的乙醇通過冷凝回收，對能量需求降低至2.2MJ/kg，遠低于傳統(tǒng)蒸餾過程。

4 結語

本文重點綜述了原位分離乙醇生產工藝的研究進展，介紹并回顧了7種從發(fā)酵液中有效分離生物乙醇的ISPR 技術。ISPR 與生物乙醇發(fā)酵的耦合可顯著提高乙醇的分離效率、生產率和產量，從而提高生物乙醇的經濟競爭力。然而，ISPR 在工業(yè)大規(guī)模生產中的應用仍面臨很多的限制和挑戰(zhàn)，有待進一步的研究開發(fā)，以提高ISPR 技術在工業(yè)化方面的可行性和競爭力。應用多級耦合ISPR 工藝彌補單級分離技術的缺陷是近年來發(fā)展的熱點，其中以膜分離技術為基礎耦合其他分離技術的多級耦合工藝因具有低成本、高效率的特點，表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿Α，F(xiàn)階段生物乙醇生產仍受工業(yè)成本和規(guī)模制約，但工藝經過不斷改進和發(fā)展，工業(yè)化反應裝置更加精簡，可循環(huán)化過程產物代替額外投入物料，分離所需能量成本下降，生物乙醇工業(yè)化生產工藝的成本將逐步降低。工業(yè)化乙醇生產規(guī)模擴大依托于一方面可結合多級耦合工藝提升工業(yè)生產效率、降低生產成本，另一方面不斷完善反應裝置及上下游反應分離過程符合工業(yè)化放大要求。隨著ISPR技術的不斷完善與發(fā)展，生物乙醇行業(yè)將進一步得到開發(fā)與推廣，有效減少碳排放以改善環(huán)境并優(yōu)化能源結構，為綠色低碳事業(yè)做出巨大貢獻。