ZIF-L/PDMS混合基質(zhì)膜蒸氣滲透耦合發(fā)酵強(qiáng)化乙醇生產(chǎn)效率的研究

王艷芳，毛恒，蔡瑋瑋，張傲率，徐李昊，趙之平

（北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，北京 102488）

引 言

化石燃料的不斷消耗加劇了能源危機(jī)和環(huán)境污染[1-3]，生物乙醇因其自身具有可持續(xù)、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注[4]。但利用傳統(tǒng)技術(shù)發(fā)酵生產(chǎn)的乙醇因存在產(chǎn)物抑制導(dǎo)致乙醇濃度低[5-6]，增加了后續(xù)分離能耗。

膜分離技術(shù)可以原位分離發(fā)酵液中的乙醇，減輕產(chǎn)物抑制，提高乙醇產(chǎn)率[7-10]。其中，滲透汽化(PV)因具有分離效率高、能耗低、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛研究和應(yīng)用[11-13]。然而，PV過程中膜表面與發(fā)酵液直接接觸會(huì)造成膜污染，而且發(fā)酵液中的其他物質(zhì)(如糖類、酵母菌、副產(chǎn)物等)會(huì)使膜狀態(tài)惡化，影響膜的分離性能[14-15]。Fan等[16]發(fā)現(xiàn)隨著發(fā)酵的進(jìn)行及乙醇的不斷移除，發(fā)酵罐中二次代謝物的積累隨乙醇產(chǎn)量增加幾乎成正比增加，這進(jìn)一步加速了膜性能的惡化。

值得關(guān)注的是，蒸氣滲透(VP)進(jìn)料為氣態(tài)，幾乎不存在膜污染[17-22]，而且發(fā)酵釜內(nèi)料液汽化過程可以利用傳統(tǒng)發(fā)酵工藝大量的需要冷卻帶走的發(fā)酵熱，分離能耗低，與其他反應(yīng)耦合會(huì)具有更顯著的優(yōu)勢(shì)。然而，目前基于膜分離原位回收發(fā)酵液中乙醇的研究大多數(shù)集中在PV耦合，且多數(shù)僅停留在分離模擬的發(fā)酵液(乙醇/水溶液)。少數(shù)采用VP耦合發(fā)酵的聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜的通量和分離因子相對(duì)較低[14]。因此，研制分離性能優(yōu)異的膜用于分離實(shí)際發(fā)酵體系中的乙醇是生物乙醇生產(chǎn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。前期本課題組以二維沸石咪唑金屬有機(jī)框架ZIF-L為填充基質(zhì)，制備了ZIF-L/PDMS混合基質(zhì)膜，在分離丁醇時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的性能[23]。因此，本文擬研究高效提升發(fā)酵體系中乙醇生產(chǎn)效率的方法，通過系統(tǒng)探究ZIF-L/PDMS混合基質(zhì)膜與PDMS膜在真實(shí)發(fā)酵體系中的乙醇原位分離能力，減輕傳統(tǒng)發(fā)酵過程中存在的產(chǎn)物抑制現(xiàn)象，考察影響膜分離性能的因素，優(yōu)化VP膜分離操作條件，提升乙醇生產(chǎn)效率，為VP在生產(chǎn)生物乙醇的工業(yè)應(yīng)用方面提供重要基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 材料

聚二甲基硅氧烷(黏度5~50 Pa·s)購于北京化工廠；正庚烷(分析純)購于北京通廣精細(xì)化工公司；3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES，99%)購于上海麥克林生化有限公司；二月桂酸二丁基錫(DBTDL，純度>96%)購于天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所；正硅酸乙酯(TEOS，分析純)、2-甲基咪唑(Hmim，98%)、六水合硝酸鋅[Zn(NO3)2·6H2O，99.99%]均購于上海阿拉丁試劑有限公司；耐高溫高活性釀酒干酵母購于湖北安琪酵母股份有限公司；聚偏氟乙烯(PVDF，平均孔徑為176 nm)超濾膜由實(shí)驗(yàn)室自制。

1.2 膜的制備

PDMS膜的制備[24]：將PDMS分散到一定量的正庚烷中，攪拌溶解，以PDMS∶正庚烷∶TEOS∶DBTDL質(zhì)量比為1∶5∶0.2∶0.1加入交聯(lián)劑TEOS和催化劑DBTDL，靜置脫泡，通過實(shí)驗(yàn)室自制的平板刮膜裝置(刮刀高度，0.1 mm)，在PVDF基膜上刮膜，將所刮膜置于空氣中10 min以蒸發(fā)溶劑，然后放入高溫烘箱中120℃熱交聯(lián)3 h。

ZIF-L/PDMS混合基質(zhì)膜的制備[23]：首先在30℃下合成ZIF-L納米片，向100 ml蒸餾水中依次加入1.475 g Zn(NO3)2·6H2O，3.25 g Hmim，攪拌至完全溶解，快速將Zn(NO3)2·6H2O溶液倒入Hmim溶液中，攪拌4 h，離心(8000 r/min，10 min)收集反應(yīng)產(chǎn)物，反應(yīng)產(chǎn)物依次用水、乙醇反復(fù)清洗以除去未反應(yīng)的試劑，最后將清洗后的ZIF-L納米片放入真空烘箱，于60℃下真空干燥12 h。

稱取4.2847 g ZIF-L納米片加入40 g正庚烷中，低溫超聲處理1 h。所用PDMS總質(zhì)量為10 g，加入0.4285 g PDMS(相當(dāng)于ZIF-L質(zhì)量的10%)，攪拌4 h，向上述混合溶液加入剩余PDMS(9.5715 g)，攪拌12 h，隨后以PDMS∶APTES∶DBTDL∶正庚烷質(zhì)量比為1∶0.1∶0.05∶4加入交聯(lián)劑APTES和催化劑DBTDL，靜置脫泡。在PVDF基膜上刮膜(刮刀厚度，0.2 mm)，將膜置于空氣中10 min以蒸發(fā)溶劑，最后放入高溫烘箱中120℃熱交聯(lián)3 h。

1.3 膜材料的表征

通過掃描電鏡(SEM，JSM-7500F，日本JEOL公司)分析PDMS膜和ZIF-L/PDMS混合基質(zhì)膜的表面和橫截面形貌。通過接觸角測(cè)量儀(OCA-15，德國Data Physics儀器公司)測(cè)定膜表面的靜態(tài)接觸角，分析膜表面的親水性和親乙醇性。

1.4 發(fā)酵與分離實(shí)驗(yàn)

(1)單獨(dú)發(fā)酵。取一定量耐高溫高活性釀酒干酵母加入2%(質(zhì)量)的葡萄糖溶液中，37℃下活化30 min。之后加入盛有400 ml發(fā)酵液的發(fā)酵罐中，于35℃、100 r·min-1下進(jìn)行發(fā)酵。發(fā)酵液為菊粉水解液[25-26]，另外加入5 g·L-1酵母膏、5 g·L-1蛋白胨，發(fā)酵前用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)發(fā)酵液pH為4.5，然后在121℃下高壓滅菌15 min。發(fā)酵過程中每隔4~12 h取樣，測(cè)定乙醇濃度、還原糖濃度和細(xì)胞濃度。

(2)VP耦合發(fā)酵過程。膜滲透分離-發(fā)酵耦合的實(shí)驗(yàn)裝置原理圖如圖1所示，該裝置可以分別以VP和PV與發(fā)酵過程實(shí)施耦合。VP耦合發(fā)酵過程(VP-ferment)的實(shí)驗(yàn)操作如下，裝置在使用前先經(jīng)過75%的乙醇清洗，之后用無菌蒸餾水清洗。發(fā)酵過程在700 ml發(fā)酵罐中進(jìn)行，將400 ml發(fā)酵液加入發(fā)酵罐，通過加熱套加熱發(fā)酵液至35℃，待溫度穩(wěn)定后加入一定量活化的釀酒酵母，發(fā)酵12~13 h后，開啟VP膜分離，發(fā)酵液上方蒸氣通過氣體循環(huán)泵(PCF5015N，成都新為誠微型泵有限公司)以1.5 L·min-1的流量進(jìn)入膜組件中，有效膜面積為20 cm2，膜組件下側(cè)抽真空，真空度為95 kPa。為了減少冷凝，管路盡可能縮短，并使用加熱帶保持蒸氣溫度穩(wěn)定。滲透?jìng)?cè)組分通過冷阱收集，每隔2~4 h收集一次，稱重，測(cè)定乙醇濃度。發(fā)酵液每隔4~12 h取一次樣，測(cè)定乙醇濃度、還原糖濃度和細(xì)胞濃度。

在進(jìn)行VP-ferment之前，探究PDMS膜和ZIFL/PDMS混合基質(zhì)膜在VP(VP-PDMS、VP-ZIF-L/PDMS)和PV(PV-PDMS、PV-ZIF-L/PDMS)中的分離性能，實(shí)驗(yàn)中料液用模擬發(fā)酵液(乙醇水溶液)代替圖1發(fā)酵罐中的發(fā)酵液，料液溫度為35℃。在VP實(shí)驗(yàn)中，溶液上方蒸氣通過氣體循環(huán)泵進(jìn)入膜組件，在PV實(shí)驗(yàn)中，溶液通過液體循環(huán)泵從發(fā)酵罐底部泵送進(jìn)入膜組件(如圖1藍(lán)色線所示)。

圖1 膜滲透分離耦合發(fā)酵(VP-ferment、PV-ferment)裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of apparatus of membrane separation coupled with fermentation process

1.5 分析方法

通過氣相色譜(GC-7890Ⅱ，天美科學(xué)儀器有限公司)測(cè)定乙醇濃度。采用DNS法[27]測(cè)定還原糖濃度，通過紫外分光光度計(jì)(UV-6100，上海美普達(dá)儀器有限公司)，在540 nm波長下，測(cè)定其吸光度。采用比濁法來測(cè)定酵母的生長[16]，在600 nm下測(cè)定吸光度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線確定細(xì)胞濃度。

利用式(1)計(jì)算膜的通量(J)：

式中，m表示滲透?jìng)?cè)液體的質(zhì)量，g；A表示有效膜面積，m2；Δt表示收集時(shí)間，h。

在VP膜分離中，膜組件前側(cè)管路通過采用氣體循環(huán)泵實(shí)現(xiàn)汽提，從而提高蒸氣中乙醇濃度，因此，VP過程的分離因子(α)由汽提分離因子(α1)和膜分離因子(α2)兩部分組成[22]，本研究中PDMS膜和ZIF-L/PDMS混合基質(zhì)膜在VP膜分離及VP耦合發(fā)酵過程中的分離因子均指α，除非有特殊說明，α的計(jì)算公式如式(2)~式(4)：

式中，Ystrip,Ethanol、Ystrip,H2O分別表示膜上游蒸氣中乙醇和水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；YEthanol、YH2O分別表示滲透?jìng)?cè)乙醇和水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；XEthanol、XH2O分別表示料液中乙醇和水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

利用式(5)計(jì)算發(fā)酵過程中的乙醇產(chǎn)率(yethanol)：

式中，methanol、mreducingsugar分別表示總乙醇質(zhì)量和還原糖消耗量，g。

利用式(6)計(jì)算發(fā)酵過程中的時(shí)空產(chǎn)率(Qethanol)：

式中，V表示發(fā)酵液總體積，L；t表示還原糖消耗所需要的時(shí)間，h。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 SEM分析

PDMS/PVDF復(fù)合 膜 與ZIF-L/PDMS/PVDF混 合基質(zhì)膜的表面和截面電鏡圖如圖2所示。由圖2(a)、(b)可見，PDMS膜的表面平整致密，且無缺陷，PDMS膜的分離層厚度為9.22μm。由圖2(c)、(d)可見，ZIF-L均勻分散在PDMS中，沒有可觀察到的缺陷，表明ZIF-L與PDMS相容性良好。相比于PDMS膜，ZIF-L/PDMS混合基質(zhì)膜的表面更粗糙，可見，ZIFL的摻入增加了膜表面的粗糙度。由圖2(e)、(f)可知，ZIF-L/PDMS混合基質(zhì)膜分離層厚度為17.66 μm，在ZIF-L/PDMS混合基質(zhì)膜內(nèi)部無明顯缺陷，且ZIF-L/PDMS膜分離層與PVDF支撐層之間緊密連接，無明顯剝離。

圖2 PDMS膜表面(a)和截面(b)、ZIF-L/PDMS膜表面[(c)、(d)]和截面[(e)、(f)]的掃描電鏡圖Fig.2 SEM images of the surface(a)and cross-section(b)morphologies of pure PDMS membrane and the surface[(c),(d)]and cross-section[(e),(f)]morphologies of ZIF-L/PDMS mixed matrix membrane

2.2 接觸角分析

通過接觸角測(cè)試，對(duì)PDMS膜和ZIF-L/PDMS混合基質(zhì)膜的親水性和親乙醇性進(jìn)行了研究，結(jié)果如圖3所示。由圖3(a)可見，PDMS膜的水接觸角為112.1°，加入ZIF-L納米片后復(fù)合膜的水接觸角為140.8°，表明ZIF-L可顯著增強(qiáng)膜的疏水性能。由圖3(b)可見，當(dāng)向PDMS基質(zhì)中加入ZIF-L后，膜的乙醇接觸角從38.5°降到22.1°，下降了42.6%，這說明ZIF-L的存在可增強(qiáng)膜對(duì)乙醇的親和力。

圖3 PDMS膜和ZIF-L/PDMS混合基質(zhì)膜的水接觸角(a)和乙醇接觸角(b)Fig.3 Water contact angles(a)and ethanol contact angles(b)of PDMS and ZIF-L/PDMS membranes

2.3 操作條件對(duì)VP分離性能的影響

分離性能除了與膜結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有關(guān)外，也與操作條件有關(guān)[28]。為了實(shí)現(xiàn)更好的分離效果，采用乙醇水溶液，探究了料液濃度、蒸氣循環(huán)流量對(duì)PDMS膜VP性能的影響。

2.3.1 料液濃度的影響 不同料液濃度對(duì)PDMS膜VP性能的影響如圖4所示。滲透通量和滲透?jìng)?cè)乙醇濃度隨料液濃度的增大而增大，其中，乙醇通量的增加比水通量的增加更明顯，這是因?yàn)闅庀嘀幸掖紳舛入S料液濃度的增加而增加，增強(qiáng)了乙醇分子在膜表面的溶解和膜內(nèi)的擴(kuò)散概率，水通量由于乙醇分子和水分子間的氫鍵作用而略有提升。由圖4(b)可知，隨著料液濃度的增加，分離因子基本不變，這是乙醇濃度增加導(dǎo)致的膜溶脹與乙醇傳質(zhì)的增強(qiáng)共同作用的結(jié)果[29]。

圖4 不同料液濃度對(duì)PDMS膜VP分離性能的影響：通量(a)；滲透?jìng)?cè)乙醇濃度和分離因子(b)(操作條件:溫度35℃,蒸氣循環(huán)流量1.5 L·min-1,真空度0.095 MPa)Fig.4 Effect of feed concentration on flux(a),ethanol concentration in permeate and separation factor(b)of VP by PDMS membrane

2.3.2 蒸氣循環(huán)流量的影響 在VP膜分離過程中，由于存在氣液邊界層，乙醇分子從液相擴(kuò)散進(jìn)入氣相存在較強(qiáng)的阻力，通過使用氣體循環(huán)泵可以削弱氣液邊界層，降低傳質(zhì)阻力[30]。探究了蒸氣循環(huán)流量對(duì)VP膜分離性能的影響，結(jié)果如圖5所示。隨著蒸氣循環(huán)流量的增加，乙醇揮發(fā)速率加快，增大了乙醇跨膜蒸氣壓差，因此，滲透通量增大。同時(shí)，膜表面蒸氣流速增大，減小了濃差極化，滲透?jìng)?cè)乙醇濃度和分離因子均增加。當(dāng)蒸氣循環(huán)流量增加到1.5 L·min-1時(shí)，繼續(xù)增加蒸氣循環(huán)流量，分離因子和滲透?jìng)?cè)乙醇濃度幾乎不變，這可能是因?yàn)楫?dāng)蒸氣循環(huán)流量為1.5 L·min-1時(shí)，膜表面乙醇濃度接近飽和，繼續(xù)增加蒸氣循環(huán)流量，氣相中乙醇濃度變化很小。此外，較高的乙醇濃度會(huì)使膜發(fā)生溶脹，導(dǎo)致更多水分子進(jìn)入滲透?jìng)?cè)，有利驅(qū)動(dòng)(乙醇推動(dòng)力增加)和不利驅(qū)動(dòng)(膜溶脹)相互抵消，使得分離因子不再增加。

圖5 不同蒸氣循環(huán)流量對(duì)PDMS膜分離性能的影響：通量(a)；滲透?jìng)?cè)乙醇濃度和分離因子(b)（操作條件:溫度35℃,料液濃度5%(質(zhì)量),真空度0.095 MPa）Fig.5 Effect of the vapor cyclic flow on flux(a),ethanol concentration in permeate and separation factor(b)of VP by PDMS membrane

2.4 不同類型膜對(duì)乙醇水溶液的VP與PV性能對(duì)比

2.4.1 PDMS膜與ZIF-L/PDMS膜比較 不同類型膜的分離性能如圖6所示。為了消除不同膜厚度對(duì)分離性能的影響，將通量歸一化為10μm膜厚。由圖可知，當(dāng)ZIF-L/PDMS混合基質(zhì)膜用于PV(PVZIF-L/PDMS)時(shí)，總通量和乙醇通量分別為1200.88 g·m-2·h-1、486.48 g·m-2·h-1，均高于PDMS膜，分離因子達(dá)到12.94，比PDMS膜高5.26，VP-ZIF-L/PDMS分離時(shí)的總通量為1148.78 g·m-2·h-1，分離因子為19.14，也明顯優(yōu)于VP-PDMS，這表明ZIF-L基質(zhì)顯著增強(qiáng)了膜的分離性能。通量和分離因子增大的主要原因：(1)相比于PDMS膜，ZIF-L/PDMS混合基質(zhì)膜具有更強(qiáng)的乙醇吸附能力(圖3)，加快了乙醇分子的溶解擴(kuò)散；(2)ZIF-L是一種具有多孔結(jié)構(gòu)的MOF材料，其孔徑為0.34 nm[31]，將其加入PDMS基質(zhì)中，增大了自由體積，且ZIF-L獨(dú)特的柔性疏水孔結(jié)構(gòu)提供的滲透通道減小了乙醇分子在膜內(nèi)的擴(kuò)散阻力[32-33]，促進(jìn)了乙醇分子向膜滲透?jìng)?cè)擴(kuò)散。

2.4.2 VP與PV比較VP和PV膜分離性能的差異如圖6所示，對(duì)于同一種膜，VP通量小于PV，但分離因子較大，主要原因是在VP模式下，原料在與膜接觸之前已通過了一次汽化預(yù)先選擇，增大了進(jìn)料側(cè)乙醇濃度，分離因子增加，而料液與膜直接接觸的PV過程中膜溶脹程度更大[34-35]，導(dǎo)致大量水分子和乙醇分子進(jìn)入滲透?jìng)?cè)，使得通量上升，膜選擇性卻大幅下降，這與Okamoto等[36]的研究結(jié)果相一致。

圖6 不同膜類型的蒸氣滲透(a)和滲透汽化(b)性能（操作條件:溫度35℃,料液濃度5%(質(zhì)量),蒸氣循環(huán)流量1.5 L·min-1）Fig.6 Effect of different membrane on membrane performance in PV(a)and VP(b)processes

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于分離水溶液中的乙醇，ZIF-L/PDMS混合基質(zhì)膜表現(xiàn)出更好的反選擇性和滲透性權(quán)衡(trade-off)效應(yīng)，具有更高的膜通量和分離因子，將其用于具有更高乙醇選擇性的VP過程，表現(xiàn)出優(yōu)越的分離性能，在與其他反應(yīng)耦合過程中具有更大優(yōu)勢(shì)。

2.5 VP-ferment過程與單獨(dú)發(fā)酵過程的發(fā)酵性能比較

為了減輕發(fā)酵過程中的產(chǎn)物抑制，提高乙醇生產(chǎn)效率，將VP膜分離與發(fā)酵進(jìn)行耦合，并與傳統(tǒng)的單獨(dú)發(fā)酵過程進(jìn)行比較。不同發(fā)酵過程中發(fā)酵液的乙醇濃度、還原糖濃度、細(xì)胞濃度隨發(fā)酵時(shí)間的變化如圖7所示。在單獨(dú)發(fā)酵過程中，隨著發(fā)酵的進(jìn)行，乙醇濃度逐漸增加，32.5 h后基本維持在58.06 g·L-1，體系中還原糖濃度保持一個(gè)穩(wěn)定的水平。而在VP-ferment中，發(fā)酵液中的乙醇濃度隨發(fā)酵的進(jìn)行呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，還原糖被完全消耗，且細(xì)胞濃度持續(xù)增加，至發(fā)酵結(jié)束時(shí)，PDMS膜VP耦合發(fā)酵過程(VP-ferment-PDMS)和ZIF-L/PDMS膜VP耦合發(fā)酵過程(VP-ferment-ZIF-L/PDMS)中，細(xì)胞濃度分別是單獨(dú)發(fā)酵的1.38倍和1.57倍，這表明VP對(duì)發(fā)酵過程有明顯的促進(jìn)作用，主要原因是單獨(dú)發(fā)酵過程中較高的乙醇濃度會(huì)抑制關(guān)鍵酶及酵母細(xì)胞對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，導(dǎo)致還原糖不能被完全利用，發(fā)酵效率低[37]，VP膜分離可以及時(shí)將乙醇移出發(fā)酵體系，避免了乙醇在酵母細(xì)胞內(nèi)的積累，從而縮短了發(fā)酵時(shí)間，同時(shí)提高了還原糖的利用率。VP-ferment-PDMS過程與VPferment-ZIF-L/PDMS過程的比較將在后文做詳細(xì)討論。

圖7 不同發(fā)酵過程中乙醇濃度(a)、還原糖濃度(b)、細(xì)胞濃度(c)隨發(fā)酵時(shí)間的變化（操作條件:初始還原糖濃度150 g·L-1,發(fā)酵溫度35℃,蒸氣循環(huán)流量1.5 L·min-1）Fig.7 Variations of ethanol concentration(a),reducing sugar concentration(b)and cell concentration(c)in broth during fermentation processes

表1對(duì)比了單獨(dú)發(fā)酵、VP-ferment-PDMS和VP-ferment-ZIF-L/PDMS過程的發(fā)酵性能，由表可知，VP-ferment-PDMS和VP-ferment-ZIF-L/PDMS過程中的乙醇總產(chǎn)量、乙醇產(chǎn)率和乙醇時(shí)空產(chǎn)率均高于單獨(dú)發(fā)酵，其中，乙醇時(shí)空產(chǎn)率分別為2.61和3.07 g·L-1·h-1，是單獨(dú)發(fā)酵的1.46和1.72倍，表明VP膜分離與發(fā)酵耦合可以顯著提升乙醇生產(chǎn)效率。

表1 不同過程的發(fā)酵性能對(duì)比Table 1 Comparation of fermentation performance in different processes

2.6 VP-ferment-PDMS過程與VP-ferment-ZIF-L/PDMS過程比較

由2.5節(jié)可知，VP膜分離可以強(qiáng)化發(fā)酵效率，然而，如果膜的分離性能不足以將產(chǎn)生的乙醇及時(shí)從發(fā)酵體系中分離，那么乙醇生產(chǎn)效率也難有很大提升。本工作中，在發(fā)酵溫度為35℃，蒸氣循環(huán)流量1.5 L·min-1下，將PDMS膜和ZIF-L/PDMS混合基質(zhì)膜分別用于蒸氣滲透耦合乙醇發(fā)酵過程，分析二者對(duì)發(fā)酵過程的強(qiáng)化作用，以進(jìn)一步提高乙醇生產(chǎn)效率。

2.6.1 膜分離性能比較 由圖8(b)可知，VPferment-ZIF-L/PDMS過程中，水通量維持穩(wěn)定，乙醇通量先增加后減小，所以總通量先增加后減小。與VP-ferment-PDMS過 程[圖8（a）]相 比，VPferment-ZIF-L/PDMS過程中的乙醇通量和總通量更高，因此具有更大的乙醇移除速率(表2)，更有利于促進(jìn)酵母細(xì)胞的發(fā)酵和還原糖的快速消耗，進(jìn)一步提高發(fā)酵效率。由圖9可見，VP-ferment-ZIF-L/PDMS過程中，滲透?jìng)?cè)乙醇濃度在18 h達(dá)到45.65%(質(zhì)量)，分離因子高達(dá)19.47，二者均比PDMS膜高，此時(shí)，通量為675 g·m-2·h-1，膜性能高于文獻(xiàn)報(bào)道，這表明ZIF-L/PDMS混合基質(zhì)膜更適用于分離真實(shí)發(fā)酵液中的乙醇，優(yōu)異的分離性能可顯著降低生物乙醇的生產(chǎn)成本。圖9(b)中，分離因子的波動(dòng)與發(fā)酵液中乙醇濃度的變化有關(guān)[38]。

圖8 VP-ferment-PDMS(a)和VP-ferment-ZIF-L/PDMS(b)中通量隨發(fā)酵時(shí)間的變化Fig.8 Variations of flux during the VP-fermentation process of PDMS(a)and ZIF-L/PDMS(b)

圖9 VP-ferment-PDMS和VP-ferment-ZIF-L/PDMS過程中滲透?jìng)?cè)乙醇濃度(a)和分離因子隨發(fā)酵時(shí)間的變化(b)Fig.9 Variations of ethanol concentration in permeate(a)and separation factor(b)during the VP-fermentation process with PDMS membrane and ZIF-L/PDMS membrane

2.6.2 發(fā)酵效率比較 由圖7(a)、(b)可知，當(dāng)開啟VP后，發(fā)酵液中的乙醇濃度都呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，還原糖濃度在發(fā)酵結(jié)束時(shí)降為零。相比于VP-ferment-PDMS過 程，VP-ferment-ZIF-L/PDMS過程中還原糖消耗更快，當(dāng)發(fā)酵時(shí)間為20 h時(shí)還原糖幾乎被完全消耗，整個(gè)發(fā)酵過程比PDMS膜耦合過程縮短了4 h。此外，由圖7(c)可知，VP-ferment-ZIF-L/PDMS過程的細(xì)胞濃度隨發(fā)酵的進(jìn)行逐漸增加，且增長速度大于VP-ferment-PDMS過程，表2中，VP-ferment-ZIF-L/PDMS過程的最大乙醇移除速率為0.616 g·h-1，比VP-ferment-PDMS高0.203 g·h-1，這表明，不同的乙醇移除速率對(duì)發(fā)酵過程有不同程度的影響，ZIF-L/PDMS混合基質(zhì)膜具有更強(qiáng)的原位分離乙醇能力，因此對(duì)發(fā)酵的促進(jìn)作用更大。由表1可知，VP-ferment-ZIF-L/PDMS過程的乙醇時(shí)空產(chǎn)率比VP-ferment-PDMS高0.46 g·L-1·h-1，但乙醇總產(chǎn)量和產(chǎn)率略低于VP-ferment-PDMS，這主要是因?yàn)閂P-ferment-ZIF-L/PDMS過程中細(xì)胞生長繁殖消耗了更多的還原糖。也許在實(shí)際工業(yè)過程中，脫醇速率和乙醇產(chǎn)率之間需要進(jìn)一步優(yōu)化匹配，在發(fā)酵生產(chǎn)時(shí)間和產(chǎn)率中作權(quán)衡。

將不同類型膜耦合發(fā)酵過程中發(fā)酵性能和膜性能進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2所示，使用最多的PDMS膜通量和分離因子都比較低，限制了其在生物乙醇工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。PDMS/CNT-GO膜具有較高的分離因子，但通量低。相比之下，ZIF-L/PDMS混合基質(zhì)膜表現(xiàn)出良好的滲透性和選擇性之間的反權(quán)衡效應(yīng)，通量和分離因子高，乙醇移除速率大，極大地促進(jìn)了乙醇發(fā)酵，提高了乙醇生產(chǎn)效率。此外，VP-ferment過程幾乎不存在膜污染，且膜組件溫度可單獨(dú)控制，比如，對(duì)進(jìn)入膜組件之前的蒸氣適當(dāng)加熱，可以提高滲透性能。相比無機(jī)膜，ZIF-L/PDM混合基質(zhì)膜的價(jià)格更低，這為本研究的工業(yè)化應(yīng)用提供了更多的可能。

表2 不同類型膜耦合過程中發(fā)酵性能與膜性能的文獻(xiàn)對(duì)比Table 2 Comparation of fermentation and membrane performance under different membrane types

3 結(jié) 論

針對(duì)乙醇發(fā)酵過程中存在的產(chǎn)物抑制問題，通過VP膜分離與發(fā)酵過程耦合，并采用高性能的ZIF-L/PDMS膜，獲得了優(yōu)良的效果，所得結(jié)論如下。

(1)在35℃下，蒸氣循環(huán)流量為1.5 L·min-1、5%(質(zhì)量)乙醇水溶液、真空度為0.095 MPa時(shí)，ZIF-L/PDMS混合基質(zhì)膜比PDMS具有更好的分離性能，VP通量(歸一化)為1148.78 g·m-2·h-1，VP過程的分離因子高達(dá)19.14。

(2)與單獨(dú)發(fā)酵相比，VP耦合發(fā)酵可以有效減緩乙醇抑制，提高乙醇生產(chǎn)效率，VP-ferment-PDMS和VP-ferment-ZIF-L/PDMS過程的乙醇時(shí)空產(chǎn)率分別是單獨(dú)發(fā)酵的1.46和1.72倍。此外，由于VP模式下膜組件在發(fā)酵體系外，易于與其他工藝耦合，應(yīng)用范圍廣。

(3)相 比PDMS膜，ZIF-L/PDMS膜 用 于VPferment體系表現(xiàn)出更高的滲透性和選擇性，具有更好的乙醇移除效果，增強(qiáng)了發(fā)酵效率，乙醇時(shí)空產(chǎn)率高達(dá)3.07 g·L-1·h-1。

(4)與文獻(xiàn)報(bào)道的耦合發(fā)酵中其他分離膜相比，ZIF-L/PDMS混合基質(zhì)膜消除產(chǎn)物抑制效果更明顯，在分離發(fā)酵體系中的乙醇方面具有很大的應(yīng)用潛力。