發酵-滲透汽化-蒸汽分離集成工藝生產乙醇

鄧情，姚佩娜，樊森清，張燕，李偉佳，肖澤儀，陳春燕

（1.四川大學化工學院，四川成都610065；2.西南石油大學化學化工學院，四川成都610500）

發酵-滲透汽化-蒸汽分離集成工藝生產乙醇

鄧情1，姚佩娜1，樊森清1，張燕1，李偉佳1，肖澤儀1，陳春燕2

（1.四川大學化工學院，四川成都610065；2.西南石油大學化學化工學院，四川成都610500）

發酵的低效率和產物分離的高能耗是目前燃料乙醇生產的主要技術瓶頸。采用發酵-PDMS膜滲透汽化-乙醇蒸汽二次分離集成工藝進行乙醇的發酵實驗。發酵與滲透汽化膜分離操作連續耦合，用常溫水對膜下游的滲透蒸汽進行部分冷凝，未冷凝的高濃度乙醇蒸汽經真空泵輸送到大氣條件下自然冷凝，實現了滲透蒸汽的二次分離。發酵實驗持續264 h，得到細胞的平均濃度為19.8 g／L，葡萄糖的平均消耗速率為6.09 g／（L·h），乙醇的平均體積產率為2.31 g／（L·h），乙醇的得率系數為0.38，發酵液的乙醇累積產量達610 g／L。能耗分析表明，采用這種集成工藝生產乙醇的蒸汽輸送段能耗僅為傳統低溫冷凝段能耗的26%。

發酵；乙醇；膜分離；滲透汽化；自然冷凝；二次分離

生物發酵產乙醇已成為生物質燃料和原料的主要發展領域之一［1?5］，而發酵工藝則是重要的研究課題。在目前采用批發酵生產燃料乙醇的工藝中，發酵液中不斷累積的乙醇會對微生物細胞產生嚴重的抑制作用，導致發酵效率低、產物提純能耗大和廢液處理量大等缺點［6?8］。為消除乙醇的抑制作用、提高乙醇產率和降低生產成本，將乙醇從發酵液中原位分離并與發酵過程耦合被認為是最有效的解決方案，這已成為現階段生物乙醇發酵工藝的研究熱點。目前所采用的分離技術有氣提、萃取、吸附、蒸餾以及滲透汽化等［9］，其中發酵與滲透汽化耦合操作的工藝被認為是最具前景的。聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）膜生物反應器是目前研究最多的發酵-滲透汽化耦合生產乙醇的系統［10?11］。PDMS滲透汽化膜用于發酵-分離耦合工藝，可以實現發酵產物的同步原位分離，有效避免或減輕發酵產物的抑制作用，使發酵工藝系統能夠連續、穩定和高效率操作；透過膜的分離產物是濃度較高的乙醇粗產品，有利于后續工藝中產品的濃縮和精制。O'Brien證明了PDMS膜生物反應器系統在發酵過程的優越性，但也指出由于在滲透汽化工藝系統中使用低溫制冷設備收集膜下游的低濃度乙醇蒸汽，使得采用傳統的滲透汽化工藝系統生產乙醇的能源費用高于傳統的批發酵［12］。

在前期工作中，采用間斷的發酵-滲透汽化耦合方式實現了500 h連續發酵操作，但因產物分離的間斷同步使得乙醇的發酵性能在滲透汽化膜生物反應器中波動大，導致整個發酵過程的平均產率低，未能全面體現滲透汽化膜生物反應器用于乙醇發酵的優勢［13］。本文改進了滲透汽化分離的工藝，采用常溫自來水冷凝膜下游的部分

滲透蒸汽，未冷凝的高濃度乙醇蒸汽采用真空泵輸送至大氣環境下的冷凝器中使其自然冷凝為液體，成功實現了PDMS膜生物反應器系統中發酵-滲透汽化操作的連續耦合，顯著提高系統的發酵性能、能量效率和運行穩定性。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗菌株和培養基

菌株：湖北安琪酵母公司生產的工業用耐高溫活性干酵母（TH?AADY），取5 g活性干酵母在溫度為35～40℃的自來水中溶解并復活15～20 min，然后將其投入發酵罐中進行發酵，無需對其進行純培養過程。

培養基組成：葡萄糖100 g／L、CaCl20.15 g／L、酵母膏8 g／L、MgSO4·7H2O0.55 g／L、KH2P041.5 g／L、（NH4）2S045.0 g／L，自來水補充至1 L。其中除葡萄糖為工業級外，其余試劑均為分析純。培養基在溫度為115℃的高壓滅菌鍋滅菌30 min后冷卻至室溫備用。

1.2 膜和膜組件

本實驗采用的是自制的聚二甲基硅氧烷（PDMS）復合平板膜［14］，單張有效膜面積為0.08 m2，膜器結構為板框式，尺寸為300 mm×300 mm，共2張膜。

1.3 實驗流程

PDMS膜生物反應器封閉循環系統生產乙醇的流程如圖1所示。這個系統與以前所采用的系統［11，13］最主要區別是在滲透蒸汽冷凝回收段省去了低溫制冷裝置。在發酵開始前，使用75%的乙醇溶液將管路、發酵罐3、循環泵4和膜組件6組成的循環系統（流程中虛線所圍部分）清洗滅菌，然后用蒸餾水反復沖洗以消除殘留乙醇。初始培養液和種子液混合形成6 L發酵液，裝入發酵罐3中啟動發酵操作；發酵液溫度由恒溫槽1控制在35±1℃；發酵液PH值，用氨水控制在3.5±0.5。在發酵初期的4 h向發酵罐內通入空氣進行有氧發酵，使酵母細胞快速生長。當系統運行24 h后，發酵液中的乙醇濃度達到約70 g／L時，開啟循環泵4，進行乙醇的滲透汽化原位分離，循環泵的流量為80 L／h。發酵液在發酵罐、循環泵和膜組件之間進行封閉循環，膜下游得到乙醇-水混合蒸汽，大部分水和少部分乙醇蒸汽在自來水循環冷凝器7中冷凝并收集于錐形瓶8中，剩余部分含高濃度乙醇的蒸汽被真空泵9吸入并壓縮輸送到大氣環境中自然冷凝為液體并收集于圓形瓶10中。

從24～264 h進行了240 h的發酵與滲透汽化的連續耦合操作，在系統連續運行至264 h（12 d）時，細胞存活率降至25%，發酵液中的乙醇濃度降至23.5 g／L，葡萄糖消耗率也明顯下降，整個發酵過程結束。

圖1 PDMS膜生物反應器集成系統流程Fig.1 The PDMS membrane bioreactor integration process

1.4 分析方法

細胞的存活率使用血球計數板，通過熒光顯微鏡（BI～220ASCMOTIC）數數并計算獲得，活細胞通過呂氏堿性美藍液染色判定。細胞濃度通過電子天平稱量細胞干重獲得。冷凝收集的乙醇溶液濃度通過密度儀DMA4500測定。由于乙醇的揮發性很大，發酵罐中乙醇濃度的測量采用蒸餾方法將其蒸出，冷凝并加蒸餾水至原體積，使用密度儀測定。發酵液中糖濃度采用Somogyi?Nelson比色法測定［15］。

真空泵（PC201，德國）的抽氣能耗采用氣體壓縮過程的能耗分析辦法［16］：

式中：E為能耗，Q為總摩爾流量，T為溫度，R為理想氣體常數，γ為下游混合物的絕熱膨脹系數，P0為真空泵的出口壓力，P為膜下游壓力。

2 結果與討論

2.1 細胞的生長情況

圖2所示是發酵液中乙醇濃度和細胞濃度的時間過程曲線。由圖2可以看出，在整個發酵過程中細胞生長可分為以下5個不同的階段：快速生長期、抑制期、二次生長期、穩定期和衰亡期。在發酵過程中只有葡萄糖、蒸餾水的添加和產物乙醇的分離，產物乙醇的及時分離使發酵液中的乙醇濃度處于較低水平。在整個過程中細胞的平均濃度為19.8 g／L。

在0～12 h時間段細胞處于快速生長期，由于發酵液中低濃度的乙醇和充足的營養物質，細胞快速生長。當發酵液中乙醇濃度到達一定值時，細胞生長趨勢減緩。

在12～36 h時間段細胞處于抑制期，發酵液中乙醇濃度達到70 g／L，使得細胞生長受到產物乙醇的抑制作用，細胞濃度約為9.21 g／L。在24 h時啟動循環泵，開始滲透汽化分離的連續操作。在滲透汽化分離開啟的最初12 h，細胞生長慣性減緩；若此時刻后為傳統批發酵，細胞生長受到乙醇的強抑制作用，細胞濃度一直下降（圖2中短虛線所示），發酵過程將難以長期運行下去。

在36～156 h時間段細胞處于二次生長期，由于產物乙醇的滲透汽化持續分離，對細胞的抑制作用明顯減弱，細胞發生了二次生長，最高濃度達到26.8 g／L，約為傳統批發酵的3倍。

在156～204 h時間段細胞處于穩定期，由于細胞的適應性生長，此階段的新生細胞量與死亡并溶解的細胞量達到平衡。在發酵的中后期，發酵的次級代謝產物和死細胞持續累積，發酵液環境狀況惡化，成為抑制細胞生長的主要因素。

在204～264 h時間段細胞處于衰亡期，細胞總濃度呈下降趨勢，表明死亡并溶解的細胞量超過新生的量。

圖2 發酵液中乙醇濃度和細胞濃度的時間過程曲線Fig.2 The time process curves of ethanol concentra?tion and cell concentration in the fermentation broth

2.2 葡萄糖消耗和乙醇生產

葡萄糖消耗速率和乙醇體積產率的時間過程曲線如圖3所示。從圖中可以看出，在整個發酵過程中，葡萄糖消耗速率和乙醇體積產率均有2個上升階段和2個下降階段。

在0～12 h時間段內細胞快速生長，葡萄糖消耗率和乙醇產率迅速上升，并分別達到最大值9.78 g／（L· h）和3.48 g／（L·h）。當發酵液中乙醇含量達到一定值，細胞生長受到抑制，葡萄糖消耗速率迅速下降，乙醇產率也隨之下降。在24 h時開啟滲透汽化操作，糖耗速率的下降趨勢減緩，當發酵液中乙醇含量降至抑制濃度范圍外時，細胞又開始迅速生長，糖耗速率和乙醇產率再次上升并達到二次峰值，分別為9.29 g／（L· h）和3.26 g／（L·h）。由于發酵液中環境的變化，二次峰值較一次峰值低，且在此時刻后雖然總體發酵性能往減弱方向發展，但整體維持在較高水平。在84 h后，糖耗速率和乙醇產率持續下降直至發酵過程結束。

在264 h發酵過程中，不計發酵液中葡萄糖的基質抑制效應，葡萄糖平均消耗速率為6.09 g／（L·h），乙醇平均體積產率為2.31 g／（L·h）；此外，糖耗速率曲線變化趨勢和乙醇的體積產率曲線變化趨勢保持一致，表明葡萄糖的轉化率保持一定水平并相對穩定，乙醇的生產速率與葡萄糖的消耗速率密切相關。

圖3 葡萄糖消耗速率和乙醇體積產率的時間過程曲線Fig.3 The time process curves of glucose consumption rate and ethanol volume production rate

2.3 滲透蒸汽的二次分離

如圖4所示是滲透蒸汽的二次分離時間過程曲線。一次分離的乙醇溶液收集于錐形瓶中，二次分離的乙醇溶液收集于圓形瓶中，平均乙醇濃度為錐形瓶和圓形瓶中乙醇溶液的濃度平均值。經過前期工作的反復驗證，在膜下游的乙醇滲透蒸汽經過冷凝可收集完全。

從圖中可以看出，下游乙醇濃度隨著發酵時間的延長而降低，其濃度變化趨勢與發酵液中濃度變化趨勢一致，表明在耦合操作過程中乙醇的生產速率和滲透汽化速率處于動態平衡狀態。在24～264 h時間段，發酵液中乙醇濃度在60～23 g／L，而二次分離后的乙醇濃度在517～338 g／L，相應上游乙醇濃度濃縮了至少9倍；下游平均乙醇濃度在382.91～188.52 g／L，相應于上游濃縮了約7倍。二次分離后乙醇溶液濃度最高值達到517 g／L，一次分離的乙醇溶液濃度的最高值只有81 g／L，僅為二次分離乙醇濃度的1／6，表明在真空泵出口通過空氣自然冷凝可收集到大部分高濃度乙醇溶液，這體現了PDMS膜生物反應器與滲透汽化連續耦合操作在發酵工藝中產物分離部分的巨大優勢。

圖4 滲透蒸汽的二次分離時間過程曲線Fig.4 The time process curves of permeated vapor refinement

2.4 3種乙醇發酵工藝的比較

滲透汽化發酵間歇耦合過程的糖耗速率和乙醇產率時間過程曲線繪制如圖5所示。鋸齒形的曲線反映了滲透汽化操作開與關對發酵的影響，這種形態與滲透汽化發酵連續耦合相比（圖3），其差別極為明顯。

由圖5可以看出，間歇耦合發酵過程前期，糖耗和乙醇產率的來回波動極大，這反映了發酵與分離的非穩定性和非連續性；而在發酵過程的中后期，滲透汽化操作的開與關對糖耗和乙醇產率的影響不明顯，這兩者導致了乙醇的平均產率低且難以更好體現發酵與滲透汽化耦合生產乙醇的優勢。由圖3可以看出，在連續耦合滲透汽化發酵過程中，平滑的糖耗曲線和乙醇產率曲線反映了發酵過程的穩定和連續性，有利于發酵過程的進行。傳統批發酵、發酵-滲透汽化間歇耦合和發酵-滲透汽化連續耦合3種工藝生產乙醇的主要性能參數如表1所示。

圖5 間歇耦合發酵過程中糖耗速率和乙醇產率圖Fig.5 The glucose consumption rate and ethanol production

表1 3種乙醇發酵工藝性能參數的比較Table1 The comparison of three kinds of ethanol fermen?tation performance parameters

由表1中可以出，在連續耦合過程中乙醇的平均體積產率為2.31 g／L，約為傳統批發酵和間歇耦合發酵的2倍；葡萄糖消耗率為傳統批發酵的2倍，間歇耦合的1.8倍。表明發酵液中乙醇的及時分離大大提高了葡萄糖消耗率和乙醇體積產率；此外，與傳統批發酵相比可大大減少廢液的排放量，減少資源浪費且節約成本。

在連續耦合過程中，滲透液中乙醇平均濃度較間歇耦合提高了49%，表明采用新的下游冷凝分離工藝有利于產品的分離濃縮，這再次證明了發酵-滲透汽化連續耦合生產工藝大大優于傳統批發酵工藝，同時也證明連續耦合操作較間歇耦合操作的生產效率要高。2.5 能耗評價

在之前研究的發酵-滲透汽化間歇耦合工藝中，乙醇的滲透蒸汽在真空條件下露點低，需要在-10℃～-30℃的冷阱中冷凝［13］，能耗大。而在本實驗中，通過使用真空泵將大部分高濃度的乙醇滲透蒸汽輸送至大氣環境中時壓力增大，露點升高，這便使得滲透蒸汽在常壓下實現冷凝。改進后的下游冷凝工藝中以真空泵輸送并壓縮滲透蒸汽為能耗的主要部分。以水蒸氣的冷凝為例，傳統的滲透蒸汽冷凝過程中所消耗的能量主要是水蒸氣冷凝時釋放的潛熱和顯熱，而顯熱值遠小于潛熱，估算時可忽略，以潛熱表示主要能量消耗。在改進后的下游產品回收工藝中，以溫度為40℃，絕對壓力為35 mmHg的水蒸氣在真空泵中絕熱壓縮后冷凝估算其能量消耗。在此條件下，水蒸氣的潛熱為2 422.8 kJ／kg，絕熱壓縮系數γ為1.3。由式（1）計算可得，壓縮單位質量水蒸氣真空泵所消耗的能量為632.2 kJ／kg，僅僅是傳統低溫冷凝能耗的26%，節能顯著。

3 結束語

采用發酵-滲透汽化-滲透蒸汽二次分離集成工藝可連續進行乙醇發酵實驗，且結果表明該系統具有高效、簡約、節能的優點。乙醇的原位連續分離，消除了產物乙醇對細胞的抑制，延長了發酵時間并增強了發酵性能。采用真空泵將膜下游未冷凝的蒸汽輸送至大氣環境中冷凝，省去了制冷單元，簡化了工藝系統和設備，降低了過程能耗。滲透蒸汽的二次分離，膜下游乙醇得到進一步的濃縮，對乙醇的后續分離有利。

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Ethanol production with fermentation?pervaporation?permeated vapor recovery and refinement

DENG Qing1，YAO Peina1，FAN Senqing1，ZHANG Yan1，LI Weijia1，XIAO Zeyi1，CHEN Chunyan2
（1.School of Chemical Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China；2.School of Chemistry and Chemical Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China）

The low efficiency of fermentation and high energy consumption of product separation are the main techni?cal bottlenecks of fuel ethanol production.An integrated process system for ethanol production with fermentation?PDMS membrane pervaporation?permeated vapor secondary refinement was proposed and an ethanol fermentation experiment was carried out.In the system，fermentation was continuously coupled with pervaporation and membrane separation，the permeated vapor was partially condensed by water at room temperature，and the remaining vapor mixed with enriched ethanol was sucked and transported to a position in the atmospheric conditions by a vacuum pump，where it became liquid naturally.It realizes the second refinement of the permeated vapor.The fermentation experiment lasted 264 hours and achieved the average cell concentration of 19.8 g／L，average glucose consumption rate of 6.09 g／（L·h），average ethanol productivity of 2.31 g／（L·h），ethanol yield coefficient of 0.38 and total ethanol production of 610 g／L.An energy consumption evaluation showed that the energy consumption of integrated process for ethanol production was only 26%of that involved with a refrigerating unit.

fermentation；ethanol；membrane separation technology；pervaporation；natural condensation；seconda?ry refinement

10.3969／j.issn.1006?7043.201311031

http：／／www.cnki.net／kcms／detail／23.1390.U.20150109.1529.015.html

TQ920.6

A

1006?7043（2015）03?0418?05

2013?11?11.網絡出版時間：2015?01?09.

國家自然科學基金資助項目（20776088）.

鄧情（1989?），女，碩士研究生；肖澤儀（1960?），男，教授，博士生導師.

肖澤儀，E?mail：mgch＠scu.edu.cn.