[发明专利]发酵耦合蒸汽渗透原位分离挥发性有机物的方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于化工与生物化工分离技术领域，涉及一种发酵耦合蒸汽渗透原位分离挥发性有机物的方法及装置。

背景技术

随着能源危机的加剧，通过生物炼制方法开发可再生生物质能源与化学品，用以替代原有不可持续的化石燃料和石化炼制工艺，是可再生能源开发的重要组成部分。经发酵工艺过程，可生产生物液体燃料，如乙醇、丙醇、丁醇，或生物化学品，如丙酮，异戊二烯等，均具有一定的挥发性。由于挥发性组分气相分压较大，导致在这类发酵过程中，发酵装置上部气相中富集高浓度的挥发性气体，影响液相中产品的收率。与此同时，一些发酵过程生成的挥发性产物如乙醇、丙酮、丁醇等，具有一定的细胞毒性。在发酵过程中，由于细胞毒性的存在，发酵醪液浓度一般维持在相对较低的水平，如果利用发酵液直接精馏加以纯化产物，所需的能量投入很大。

为降低挥发性发酵产物的细胞毒性，同时分离得到浓缩产物进行精馏，降低分离能耗，近年来提出的发酵原位耦合渗透汽化的方法以其选择性高，对发酵体系无毒性，连续性强，通量相对较大等诸多优点，受到科研人员及工业化生产的广泛关注与应用。然而，由于采用发酵醪液直接接触渗透汽化膜表面，发酵液中的活性细胞以及细胞碎片、离子、残留糖分等物质在接触过程中堵塞膜表面孔道和结构，造成膜污染，严重降低膜的使用效率和寿命。此外，由于渗透汽化过程组分发生相变，因此需要不断供给能量补充在分离过程中消耗的汽化潜热以，为防止料液温度降低。

中国专利201210375885公开了一种分离纯化丁醇和丙酮的装置及方法，该方法将丙酮-丁醇-乙醇（ABE）发酵过程与汽提装置耦合，原位分离得到丙酮丁醇浓缩液后，再利用渗透汽化装置进一步对分离后的浓缩液进行纯化，以获得高浓度的丙酮丁醇溶液。这一方法实际是对蒸汽渗透过程的分解。而经过上述分析，采用渗透汽化法相比蒸汽渗透有一定的劣势。同时，由于工艺过程分步进行，溶剂产物在回收过程中有损失。此外，该方法通过发酵罐内蒸汽经汽提冷凝分离，渗透汽化前加热，渗透汽化冷凝等工艺步骤，在热量传递过程中消耗大量能量，能量投入和经济成本较高。

蒸汽渗透技术，是近10年来快速发展的在渗透汽化的研究基础上发展起来的新型膜分离方法。该技术是以蒸汽进料，在混合物中各组分蒸气分压差的推动下，利用各组分在膜内溶解和扩散性能的差异来实现混合物分离的技术。蒸汽渗透过程具有三个特点，一是挥发性有机物是完全的气态，二是蒸汽渗透过程必须保持进料蒸汽处于过热状态。若操作温度低于进料蒸汽的露点温度，膜表面就会凝结料液使蒸汽渗透过程变成渗透汽化过程。同时，蒸汽的过热程度又因所选用膜材料的不同而有一定的限制。三是通常情况下，需要高温实现挥发性有机物的汽化。因此，蒸汽渗透技术常用于工业高温尾气废气中挥发性有机物的脱除。相比传统液体过膜的渗透汽化过程，由于蒸汽渗透原料侧为气态，气体与膜表面接触均匀，浓差极化现象较小。此外，由于蒸汽渗透过程无相变，能量损失少。同时，对于发酵过程而言，蒸汽渗透过程中，气相中对发酵醪液中的挥发性组分进行一定浓缩。因此，相比渗透汽化，由于初始浓度的增加，蒸汽渗透的分离效率更高。由于气相内相较渗透汽化过程，去除了易造成膜污染的细胞、细胞碎片、离子、残糖等杂质，同时在蒸汽渗透过程中膜的溶胀现象相比渗透汽化过程更小，因此，能够显著提高膜组件的使用寿命。但是传统的蒸汽渗透过程也存在一定的问题，例如，为保持进料蒸汽处于过热状态，蒸汽渗透过程的操作温度通常大于渗透汽化过程，对装置密闭性和保温性能要求极高，传质推动力小于渗透汽化过程等等。

因此，目前需要研究开发一种工艺简单，能耗低，且能高效分离发酵液中所富含的挥发性有机物的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供了一种发酵耦合蒸汽渗透原位分离挥发性有机物的方法。该方法包括从发酵罐中抽取由载气与其从发酵液中吹脱出来的待分离挥发性有机物组分形成的气液混合物送入蒸汽渗透膜组件的进料侧，通过蒸汽渗透膜组件分离出待分离挥发性有机物组分后，将蒸汽渗透膜组件渗余侧的渗余载气重新送回发酵罐循环使用，同时，在蒸汽渗透膜组件的透过侧浓缩并收集待分离挥发性有机物组分的液体。本发明的优点在于原位分离挥发性组分，操作简单，效率高，无污染，同时载气无需冷凝和预热，且能够重复利用，达到高效分离和节能减排的目的。

本发明还提供了一种发酵耦合蒸汽渗透原位分离挥发性有机物的方法，其包括：

步骤L，从发酵罐中抽取气液混合物送入蒸汽渗透膜组件的进料侧，所述汽液混合物包括载气和所述载气中所携带的、来自发酵液的待分离挥发性有机物组分；