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用于乙醇生产的同步闪蒸汽提发酵过程研究

作　者: 刘振
导　师: 袁希钢；曾爱武
学　校: 天津大学
专　业: 化学工程
关键词: 乙醇发酵 汽提 闪蒸 耦合过程 过程强化 发酵动力学 反应器 计算流体力
分类号: TQ223.122
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
下　载: 316次
引　用: 2次
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内容摘要


乙醇是用途广、需求量大的化学品之一。随着农业生产的发展及环保的要求,石油资源的枯竭,可再生清洁能源受到了广泛的重视。其中燃料乙醇是当今研究的热点。目前燃料乙醇成本过高还无法与汽油竞争,优化工艺,强化过程是降低成本的重要途径之一。乙醇发酵是典型的产物抑制过程,发酵分离耦合技术,即在发酵过程中同时不断移出产物乙醇,是提高发酵强度的有效手段。为了提高乙醇的在位分离能力,从而提高发酵强度,本文集成闪蒸发酵和汽提发酵两种过程,提出了用于生产乙醇的同步闪蒸汽提发酵过程。实验和理论分析表明,同步闪蒸汽提发酵过程相比汽提发酵和闪蒸发酵,其发酵强度有明显的提高,而且可实现高底物浓度进料,从而节约用水和降低废水处理成本。另外,提高通气量、闪蒸罐进料速度等有关乙醇分离的操作参数,有利于提高发酵强度。实现高温发酵,更有利于显示该过程的优越性。为了实现同步闪蒸汽提发酵过程,本文设计了侧环式反应器,通过增加侧臂,解决闪蒸罐进料液体脱气的问题。本文还对微生物反应动力学进行研究,通过催化反应机理阐述Monod方程的物理意义,并由此引申提出新的细胞生长动力学模型。实验结果表明,新模型与实验值很好的吻合。基于新的动力学模型,建立了同步闪蒸汽提发酵的过程模型,包括对汽提过程的计算进行改进。由实验中发现,通气量的增大对细胞生长呈现先促进后抑制的现象,为此本文提出通气量因子的概念及表达形式,修正存在汽提条件下的细胞生长动力学方程,较好地解决了通气量对过程影响的准确预测问题。本文通过实验,实现了同步闪蒸汽提发酵过程的连续化,利用以上的方法进行计算,模拟预测的结果与连续同步闪蒸汽提发酵的实验值相一致。

全文目录


中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章 文献综述  9-27
  1.1 乙醇生产重要意义  9-10
  1.2 乙醇发酵生产概况  10-12
  1.3 乙醇发酵过程研究的进展  12-19
    1.3.1 传统工艺的改进  12
    1.3.2 生料发酵技术  12-13
    1.3.3 菌种的改良  13
    1.3.4 细胞循环和固定化技术  13-14
    1.3.5 固态发酵技术  14
    1.3.6 乙醇发酵－分离耦合技术  14-19
  1.4 发酵动力学研究的现状  19-24
    1.4.1 菌体生长动力学  20-23
    1.4.2 产物生成动力学  23
    1.4.3 底物消耗动力学  23-24
  1.5 本文的研究重点  24-26
  1.6 小结  26-27
第二章 实验材料和方法  27-31
  2.1 实验材料和实验设备  27
    2.1.1 实验原料  27
    2.1.2 发酵培养基  27
    2.1.3 主要实验设备  27
  2.2 实验和检测方法  27-29
    2.2.1 实验方法  27-28
    2.2.2 检测方法  28-29
  2.3 实验流程  29-31
第三章 生物反应器的研究  31-40
  3.1 侧环式生物反应器的结构  31-32
  3.2 侧环式生物反应器的CFD模拟  32-39
  3.3 小结  39-40
第四章 同步闪蒸汽提发酵实验研究  40-53
  4.1 普通间歇发酵实验结果  40-41
  4.2 不同发酵方式的比较  41-44
  4.3 进气量对于同步闪蒸汽提发酵的影响  44-46
  4.4 温度对于同步闪蒸汽提发酵的影响  46-48
  4.5 闪蒸罐进料流速对同步闪蒸汽提发酵的影响  48-49
  4.6 不同气体对于发酵的影响  49-52
  4.7 小结  52-53
第五章 微生物反应动力学模型研究  53-66
  5.1 微生物反应新动力学方程的提出  54-57
  5.2 模型的验证和比较  57-63
  5.3 考虑底物抑制模型改进  63-65
  5.4 小结  65-66
第六章 同步闪蒸汽提发酵过程模拟  66-89
  6.1 汽提作用的计算  66-72
    6.1.1 本文处理方法  67-69
    6.1.2 计算结果比较  69-72
  6.2 通气量对发酵的影响  72-81
    6.2.1 通气因子的提出  72-76
    6.2.2 间歇过程汽提发酵实验  76-81
  6.3 闪蒸过程计算  81-84
    6.3.1 活度系数方程的比较  83-84
  6.4 同步闪蒸汽提连续发酵过程模拟  84-88
  6.5 小结  88-89
第七章 同步汽提闪蒸连续发酵过程分析  89-105
  7.1 过程数学模型  89-92
    7.1.1 动力学方程  90-91
    7.1.2 闪蒸气液平衡的计算  91
    7.1.3 汽提作用的计算  91-92
  7.2 模拟结果与讨论  92-104
    7.2.1 通气量对于同步闪蒸发酵过程的影响  92-96
    7.2.3 液体循环比对同步闪蒸汽提发酵的影响  96-100
    7.2.4 进料浓度对同步闪蒸汽提发酵的影响  100-104
  7.4 小结  104-105
第八章 总结与展望  105-108
  8.1 总结  105-106
  8.2 展望  106-108
符号说明  108-111
参考文献  111-120
发表论文情况  120-121
致谢  121

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 基本有机化学工业 > 脂肪族化合物（无环化合物）的生产 > 脂肪族醇（醇、羟基化合物）及其衍生物 > 脂肪族醇 > 饱和一元醇 > 乙醇（酒精）
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