生物发酵-分离耦合过程近年来的研究进展【华东理工大学-分离工程课程论文】

1、生物发酵-分离耦合过程近年来的研究进展摘 要：发酵和分离耦合过程是近代生物化工领域的热点之一。本文介绍了近年来一些采用吸附、气提、液液萃取和渗透汽化等分离耦合方法在生物发酵中研究进展及最新的应用动态，简单分析了上述几种方法在生物发酵方面应用的优点和不足，并对分离耦合的方向进行了展望。关键词：生物发酵，分离耦合，吸附，气提，液液萃取，渗透汽化1 前言目前煤、石油、天然气资源的日趋匮乏，为了减少利用这些资源生产化学产品，新型生物能源的开发越来越受到人们的重视1。工业发酵过程中，许多发酵过程都受到高产物浓度的反馈抑制作用，从而限制了产量和原料转化率的提高。如果在发酵的同时，把部分发酵的终产物分离出去

2、，就可能解除终产物的反馈抑制效应，简化产物后处理过程，缩短生产周期，增大单位生产率等。2 发酵分离耦合2.1 发酵-吸附分离耦合发酵-吸附分离耦合工艺主要包括间歇发酵、吸附-间歇发酵耦合、吸附-单循环流加发酵耦合、吸附-多循环流加发酵耦合四种工艺过程。其总溶剂的产量依次增加，吸附-发酵耦合工艺对与发酵过程的高产量、高产率，原料的高利用与具有较明显的作用2。另外，发酵-吸附分离耦合工艺可以降低传统发酵分离工艺的能耗。吸附主要以硅藻土、活性炭、聚乙烯吡咯烷酮作为吸附剂1。活性碳对乳酸菌的吸附作用极为明显，但是活性炭仅对乳酸发酵液的效果较为明显。这主要是由于材料含有宽的气孔分布的结构造成的。这种内部

3、结构可以通过各种尺寸的分子，直到吸附完全。这种竞争使得烃的选择性降低。硅分子筛吸附剂，孔尺寸适合乳酸的吸附，而且可以排除发酵液中像蛋白质一类分子尺寸较大的物质3。发酵-吸附分离耦合工艺虽使发酵过程的各性能参数大幅提高，但由于产物在置换相中浓度较低，仍需进一步通过精馏等手段对产物进行提浓。同时由于溶剂与吸附剂之间的相互作用及吸附平衡关系通常是非线性的，因此设计比较复杂，实验的工作量较大2。2.2 发酵-气提分离耦合气提发酵是真空发酵的一种改进4。是一种不需要昂贵设备，不损害细胞组织，不需要移除反应中间体的简单的技术5。为了改进因负压操作所造成发酵罐易感染菌的缺点，采用惰性气体氮气、氢气或二氧化碳

4、等将发酵罐中挥发性大于水的产物气提带出，含产物的气体经冷凝、吸附或吸收法分离出产物后，再经过压缩返回发酵罐，如此循环气提2。因而，气提能与底物预处理、发酵及产物移除等过程相耦合以降低能耗，同时大大提高发酵产率及底物的利用率等但是，气提-发酵耦合工艺的性能受到发酵的操作方式、载气速率、底物种类等因素的影响。以乙醇发酵为例，p.k.walsh6等人提出了以发酵过程中生产的二氧化碳作为载气进行循环，将发酵液中的乙醇以蒸汽的方式抽提出来的酬酢方式。发酵液中的乙醇在发酵的同时被载气带走，发酵液中的产物可以保持较低水平，从而消除产物抑制。满足了发酵所要求的较低温度和蒸馏所需的较大汽化量，从而使耦合过程得以

5、实现7。2.3 发酵-萃取分离耦合发酵-萃取分离耦合的原理主要是非水溶性有机萃取剂与发酵液混合，产物在萃取剂中的溶解度比在发酵液中的溶解度要大，因此，产物在有机相中被选择性的分离浓缩，实现产物从发酵液中脱除出来，同时不移除底物，以提高发酵产率、产量及原料的利用率2。发酵-萃取分离耦合工艺中一个重要的影响因素是萃取剂的毒性，为了避免毒性产物向萃取液相的移动，可以添加表面活性剂可以强化发酵溶剂产物从水相到萃取相的移除速度，缩短发酵产物在油水两相中达到平衡的时间，有利于提高发酵生产强度8。目前研究较多的萃取剂有油醇、苯甲酸苄酯、邻苯二甲酸二丁酯、生物柴油等。从上述文献报道中可以得出，液液萃取-发酵耦

6、合工艺受到萃取剂的种类、添加时问、稀释率和发酵的操作方式等因素的影响，液液萃取法目前也已经成功应用于发酵分离耦合体系中，它消除了产物的抑制作用，提高了产量，浓缩了产物的浓度，但由于萃取剂易流失，对发酵菌体具有一定的毒害作用及易造成发酵液的污染，其应用受到了一定的限制，就目前工业所应用萃取剂而言,油醇萃取剂最具有应用前景9。2.4 发酵-渗透汽化耦合渗透汽化对于从水尤其是发酵液中移除挥发性有机化合物有着比较高的效率10。在渗透汽化系统中，发酵液连续通过渗透汽化分离装置的一侧，在膜的另外一侧保持真空并使产物及时分离出去，而发酵残液和微生物细胞返回发酵罐中继续发酵，以解除产物抑制效应11。驱动力为膜

7、两侧的压力差。所有膜分离发酵装置均是按发酵产物分子尺寸大小而设计的，由于微生物细胞脱离产物系统，所以终产物抑制作用甚小，发酵效率高，产物容易回收。渗透汽化膜分离技术的特点是对挥发性的有机物具有选择透过性，相对于蒸馏具有操作温度温和的优点，是避免热敏性物质破坏的有效途径12。膜在使用久后会出现膜污染现象，从而导致膜破裂原料液泄漏，因此有机溶剂的毒性一直是一个很重要的问题。虽然这个问题可以通过细胞固定来解决，但是当细胞暴露在萃取剂中的时候问题仍然没有得到解决3。当膜面产生浓差极化而造成堵塞后，发酵效率降低，导致发酵时间过长从而造成微生物死亡13。3 各类分离耦合方法的比较通过综合对比发现，吸附-发

8、酵耦合成本较高、操作复杂、选择性差且易受发酵液污染，能耗较高、选择性较差。而渗透汽化选择性能好、易操作、能耗低，但其可选择的膜种类较少，通量低，相比于气提和液液萃取易受发酵液颗粒的污染和堵塞2。目前，渗透汽化-发酵耦合工艺的研究是广大科研工作者最为关注的技术之一。综上所述，发酵和分离过程的耦合，使生物发酵摆脱了间歇式生产的模式，实现连续性生产，发酵产率和速率都有很大的提高。尽管有些耦合过程还处于科研或准工业阶段，它们仍不失为一种很有前途的生物化工技术。4 参考文献1 ranjan r, thust s, gounaris c e, et al. adsorption of fermentati

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