蒸汽渗透技术在乙醇发酵原位分离耦合过程中的应用研究*

刘海军，惠继星，张德胜，胡世洋，岳 军，王继艳，徐友海，肖乃仲，肖天雄

(1.中国石油吉林石化公司 研究院，吉林 吉林 132021；2.中国石油吉林石化公司 科技与规划发展处，吉林 吉林 132022；3.天津大学 化工学院，天津 300072)

以生物质为原料生产乙醇不但可替代化石能源，缓解能源供给压力，而且可减少对环境的污染，这已在世界范围内达成了共识[1]。目前，在世界燃料乙醇生产中，95 %以上采用发酵法[2-3]。传统乙醇发酵过程中，存在明显的产物抑制现象，严重制约了燃料乙醇生产强度的提高和成本的降低[4-5]。乙醇发酵与产物分离的耦合可有效解决上述难题，是目前世界上一项前景十分广阔的技术[6]。有关乙醇发酵与产物分离耦合方面的文献较多，但是针对乙醇发酵与蒸汽渗透的耦合报道较少。

乙醇发酵与蒸汽渗透的耦合具有分离效率高、膜寿命长、流程简单、操作方便、对微生物菌种无毒害等特点，在构造乙醇连续发酵生物反应器方面具有独特的优势[7]。

作者在前期乙醇/水体系蒸汽渗透性能研究的基础上，采用PDMS复合膜，对乙醇发酵蒸汽渗透耦合过程进行了系统研究，得出最适宜操作条件[8]。

1 实验部分

1.1 实验原料

聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合膜由中科院大连化物所提供，厚度为130 μm，其中硅橡胶皮层部分厚度为59 μm，膜有效面积为0.028 3 m2。发酵菌种选用湖北安琪酵母公司生产的超级酿酒高活性干酵母，此酵母适用于酒精发酵，具有耐高糖分、耐高浓度酒精等特点。实验所用培养基组成见表1。

表1 培养基配方

其中葡萄糖为食品级，其它化学试剂为分析纯，培养基灭菌温度为110 ℃，灭菌时间为30 min，冷却至室温后备用。

1.2 实验装置与分析仪器

发酵罐：BIOCTECH-5BG 5 L，上海保兴生物设备工程有限公司；膜器：平板结构，自行加工；微型真空泵：VBH2506-24V，成都新为诚科技有限公司；旋片式真空泵：2XZ-4B，上海尚真真空设备有限公司；三通道生物传感分析仪：SBA-40X，山东省科学院生物研究所；气相色谱仪：GC-2010Plus，日本岛津公司。蒸汽渗透耦合实验装置见图1。

图1 蒸汽渗透耦合实验装置流程图

1.3 操作过程

将配好的发酵液加入发酵罐内进行灭菌，灭菌温度110 ℃，灭菌时间30 min，灭菌完毕后，待发酵罐温度降至室温后，设定发酵罐温度35 ℃，搅拌转速300 r/min，待发酵罐温度和转速恒定后，称量适量安琪干酵母，经复水活化30 min后，投入发酵罐中开始发酵。发酵15 h，开启气体循环泵、真空泵和低温恒温浴槽，循环气体流量设定为9 L/min，真空度为0.093 MPa，低温恒温浴槽温度设定为-20 ℃。实验每隔3 h分析发酵液中ρ(乙醇)、ρ(残糖)，渗透液中ρ(乙醇)。

1.4 分析方法

1.4.1 乙醇

ρ(乙醇)的检测仪器为日本岛津GC-2010plus气相色谱仪，采用FID检测器。色谱柱为Stabilwax-Da石英毛细管，柱规格0.53 mm×30 m×1.0 μm，柱温80 ℃；汽化室和检测器温度均为300 ℃，尾吹气(N2)流量30 mL/min，H2流量40 mL/min，空气流量400 mL/min，柱流量3.0 mL/min，进样量1.0 μL，采用外标法。

1.4.2 葡萄糖

ρ(葡萄糖)的检测仪器采用SBA-40E型生物传感分析仪，测量范围为0～100 mg/100 mL。

2 结果与讨论

2.1 流加对乙醇发酵的影响

流加发酵实验利用5 L发酵罐，料液体积为2 L，ρ(初糖)=200 g/L，ρ(接种)=4 g/L，发酵温度35 ℃，搅拌转速300 r/min。实验运行16 h开始流加，流加液中ρ(葡萄糖)=800 g/L。发酵液中ρ(乙醇)和ρ(残糖)以及流加速率随时间的变化见图2。

t/h图2 ρ(乙醇)、ρ(残糖)和流加速率随时间的变化

由图2可见，流加可使发酵液中ρ(残糖)维持在50～100 g/L，为酵母的生长提供充足的碳源；当发酵液中ρ(乙醇)>70 g/L，乙醇对酵母的抑制作用明显增强，残糖消耗速率相应减慢，流加速率急剧减小；发酵61 h，ρ(乙醇)停止上升，ρ(残糖)也停止下降，乙醇发酵趋于停止[9-10]。

2.2 蒸汽渗透耦合对乙醇分批发酵的影响

乙醇发酵-蒸汽渗透耦合实验与乙醇分批发酵对比实验在2个平行发酵罐中同时进行，其中一个发酵至18 h开始蒸汽渗透耦合。二者发酵液中ρ(乙醇)和ρ(残糖)随时间的变化见图3，蒸汽渗透耦合发酵及其对比实验结果见表2。

t/h图3 耦合实验与分批发酵对比实验的关系

表2 不同实验方式之间的对比

由图3和表2可见，蒸汽渗透耦合可有效将发酵产物中的乙醇移除，降低产物抑制作用，使残糖得到充分利用，同样条件下相对于乙醇分批发酵，可使乙醇产率提高25.3%，糖转化率提高18.3%，有利于发酵进行。

2.3 V∶A对乙醇发酵蒸汽渗透耦合过程的影响

在ρ(初糖)=300 g/L，料液体积与膜面积之比V∶A分别为0.017、0.025、0.053 m的条件下，进行了乙醇分批发酵蒸汽渗透耦合对比实验，发酵液中ρ(乙醇)随时间的变化见图4，不同V∶A之间数据对比见表3。

t/h图4 ρ(乙醇)随时间的变化

表3 不同数据对比

由图4可见，当V∶A=0.053 m时，发酵32 h，发酵液中ρ(乙醇)趋于平稳，表明乙醇移除速率与生成速率基本相等；当V∶A=0.017 m和0.025 m时，发酵液中ρ(乙醇)呈下降趋势，表明乙醇移除速率大于生成速率，料液体积与膜面积不匹配。由表3可见，当V∶A=0.053 m时，ρ(乙醇)、乙醇产率以及乙醇得率均大于V∶A为0.017 m和0.025 m。综上所述乙醇发酵蒸汽渗透耦合较佳V∶A=0.053 m。

2.4 蒸汽渗透耦合对乙醇流加发酵的影响

在ρ(初糖)=200 g/L，V∶A=0.053 m的条件下，进行了乙醇流加发酵蒸汽渗透耦合实验。实验运行15 h，开始蒸汽渗透耦合和流加，流加液中ρ(葡萄糖)=800 g/L。发酵液中ρ(乙醇)和ρ(残糖)随时间的变化见图5，渗透液中ρ(乙醇)和通量随时间的变化见图6。

t/h图5 发酵液中ρ(乙醇)和ρ(残糖)随时间的变化

t/h图6 渗透液中ρ(乙醇)和通量随时间的变化

由图5可见，通过流加和蒸汽渗透耦合分离乙醇，可使发酵液中ρ(残糖)=50 ～100 g/L，ρ(乙醇)<70 g/L，可实现乙醇发酵的长周期连续运行。由于膜组件是间歇工作，在PDMS膜组件停止工作期间，发酵液中乙醇累积，ρ(乙醇)升高，重新启动PDMS膜组件后，ρ(乙醇)逐渐降低，因此ρ(乙醇)呈现出波浪形变化。由图6可见，耦合过程渗透液中ρ(乙醇)=30%～54%，通量为384.02～437.29 g/m2·h，分离效果显著，性能稳定，整个实验过程乙醇产率为2.52 g/L·h，相对于乙醇流加发酵，乙醇产率提高44%。

2.5 一级冷凝温度对乙醇发酵蒸汽渗透耦合过程的影响

在真空下乙醇冷凝回收较难，为了降低乙醇损耗，提高乙醇回收率，在乙醇冷凝收集装置前增加一级蛇管冷凝器，采用二级冷凝的方式对乙醇冷凝收集系统进行了优化，实验结果见表4。

表4 一级冷凝温度对实验过程的影响

由表4可见，一级冷凝温度的降低并没有影响发酵液中各成分含量的控制，但是降低一级冷凝温度，有利于乙醇的回收，然而冷凝温度的降低意味着能耗的增大，对工业化不利，因此一级冷凝温度为-20 ℃。

3 结 论

在乙醇发酵过程中，当发酵液中ρ(乙醇)>70 g/L时，乙醇产率明显减缓，无法实现连续化发酵；蒸汽渗透耦合可将发酵液中的乙醇移除，降低产物抑制，有利于发酵进行，同样条件下相对于分批发酵，可使乙醇产率提高25%；通过连续进料和蒸汽渗透耦合分离乙醇，可实现乙醇发酵的长周期稳定运行，同样条件下相对于乙醇流加发酵，可使乙醇产率提高44%；乙醇发酵蒸汽渗透分离耦合最佳V∶A=0.053 m，一级冷凝温度为-20 ℃。

[ 参 考 文 献 ]

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