一、 本研究概况

化石燃料对人类社会的进步具有至关重要的作用，但由于其不可再生且燃烧后会造成严重的污染，通过生物质发酵生产的醇类物质作为可代替化石燃料的绿色、清洁可再生能源受到研究者的广泛关注。

在发酵法生产醇类物质的过程中，因受产物抑制作用的影响导致醇类产品的产率不高，采用原位分离技术可以在发酵过程进行的同时及时移除生成的醇类物质，从而消除产物抑制作用，提高发酵效率。可用的分离技术主要包括精馏、气提、溶剂萃取以及渗透汽化技术等，但上述技术存在如能耗较高、发酵效率低、外加物质抑制细胞生长以及膜污染等问题，其工业应用受到限制。

蒸汽渗透技术是一种新型的膜分离技术，其分离原理与渗透汽化相同，均是利用组分在膜内溶解扩散性能的不同实现分离，其推动力为膜两侧的化学位差。与渗透汽化技术相比，蒸汽渗透不仅具有能耗低、装置简单、分离效率高以及过程不受汽液平衡限制等特点，而且将其用于发酵过程中具有如下优势：

1. 由于在蒸汽渗透过程中与膜接触的是洁净的蒸汽，有效避免了因发酵液中的物质与膜接触所造成的膜污染；

2. 由于发酵过程始终在发酵罐中进行，其本身染菌可能性相对较小，而且发酵部分与分离部分完全分开进行，增大膜面积不会对发酵过程产生影响，易于实现工业放大；

3. 由于只是洁净的蒸汽在发酵罐与膜器之间进行循环，发酵过程与分离过程可以分开进行，互不影响，因此分离过程的温度等参数可以自由调控而不会影响发酵过程的正常进行。

发酵-蒸汽渗透耦合过程示意图如图1所示：
 

综上所述，本研究提出将蒸汽渗透技术用于发酵过程中，实现醇类物质的原位分离，消除产物抑制作用，提高产品产率

二、 实验室研究内容、战略目标与研究方向

 本实验室针对发酵-渗透汽化耦合技术中存在的膜污染问题，提出将蒸汽渗透技术与发酵过程结合，形成发酵-蒸汽渗透耦合技术。目前主要对乙醇发酵-蒸汽渗透耦合和ABE（丙酮、丁醇、乙醇）发酵-蒸汽渗透耦合两部分内容进行研究，发酵-蒸汽渗透耦合实验所用装置流程图如图2所示。
 

 通过对乙醇发酵-蒸汽渗透耦合过程进行研究，优化了此过程的工艺参数，。实验结果表明，在上述条件下乙醇产率比间歇发酵提高77%。现已进行中试放大研究，中试装置如图3所示：

 利用上述装置进行了长周期乙醇流加发酵-蒸汽渗透耦合实验，实验结果如图4所示。

实验结果表明，乙醇流加发酵-蒸汽渗透耦合过程可稳定运行120h，发酵液中乙醇、残糖及菌种浓度均无大的波动，乙醇产率比单纯流加发酵提高47%。

 另外，本研究将蒸汽渗透技术用于ABE发酵过程中。采用自制的二氧化硅填充PDMS膜，进行长周期ABE流加发酵-蒸汽渗透耦合实验，结果如图5所示：
 

图5 长周期ABE流加发酵-蒸汽渗透耦合实验

 

ABE流加发酵-蒸汽渗透耦合实验稳定运行93h。实验结果显示，蒸汽渗透分离过程可以快速移除发酵液中的产物，减轻发酵产物对菌种的抑制作用。过程中膜性能稳定，ABE产率相比间歇发酵过程提高了276%。

三、 研究成果：

Weidong Zhang*, ChunjieXia, Linlin Li, Zhongqi Ren*, Junteng Liu, Xianxue Yang. Preparation and applicationof a new ethanol perm-selective poly(vinyltriethoxysilane) membrane. RSC Advances, 2014

张卫东等.一种利用膜分离技术原位分离乙醇的方法.2012.9.28, 201210367674.6

张卫东等.一种类型优先透醇膜的制备方法.2012.10.30, 201210424902.9

四、 研究方向：

1.新型优先透醇膜材料的开发；

2.发酵-蒸汽渗透耦合过程的操作条件优化； 

3.发酵-蒸汽渗透耦合过程中的膜污染及膜使用寿命。