Термопервапорационное выделение бутанола из модельных ферментационных смесей

• Автор: Борисов, Илья Леонидович
• Шифр специальности: 05.17.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 128 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Е ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1. ПЕРВАПОРАЦИЯ - МЕТОД РАЗДЕЛЕНИЯ ЖИДКИХ СМЕСЕЙ
1.2. БУТАНОЛ - ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
1.3. Способы выделения биобутанола из ферментационных смесей
1.4. Мембраны и мембранные материалы для первапорационного выделения БУТАНОЛА ИЗ ФЕРМЕНТАЦИОННЫХ СМЕСЕЙ
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2.1. Объекты исследования
2.2. Аппаратурное оформление и методика проведения эксперимента
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
3.1. Факторы, влияющие на процесс термопервапорации
3.2. Результаты моделирования термопервапорации
3.3. Вакуумная первапорация через мембраны ПТМСП/ПДМСМ
3.4. Газопроницаемость ПТМСП/ПДМСМ- мембран
3.5. Термопервапорация ферментационной смеси через мембраны ПТМСП/ПДМСМ

3.6. Сравнение вакуумной первапорации и термопервапорации
ВЫВОДЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Мировое производство 1-бутанола (далее бутанол) составляет более 1,5 миллионов тонн в год, причем, РФ занимает четвертое место в списке его производителей. Тем не менее, в настоящее время дефицит бутанола на российском рынке составляет 35-45 тыс. тонн в год и, как прогнозируется, эта цифра будет только расти.
Во всех развитых странах ведутся интенсивные исследования по созданию экономичного процесса производства бутанола из биомассы (т.н., биобутанола), обеспечивающего снижение себестоимости продукта по сравнению с существующими процессами получения синтетического бутанола на основе ископаемого сырья. Это связано, прежде всего, с перспективами использования биобутанола в качестве альтернативного топлива.
Разработка конкурентоспособных процессов переработки биомассы в бутанол идет по пути создания непрерывного процесса экстрактивной ферментации, когда бутанол непрерывно удаляется из ферментера каким-либо технически приемлемым способом. Первапорационный мембранный биореактор рассматривается как наиболее эффективный процесс непрерывного извлечения бутанола из смесей ацетон-бутанол-этанольной (АБЭ) ферментации.
Сегодня в промышленных масштабах реализована лишь вакуумная первапорация, когда пониженное давление паров пермеата создается и поддерживается с помощью вакуума. Важно подчеркнуть, что в таких системах вакуумные насосы включаются периодически для откачки неконденсирующихся газов. Всё остальное время пониженное давление паров веществ, проникающих через мембрану, достигается за счет их конденсации в холодильнике, где поддерживается температура ниже О °С. К сожалению, вакуумная первапорация оказывается экономически неприемлемым подходом в случае первапорационного выделения биобутанола из АБЭ ферментационных смесей ввиду постоянного образования неконденсирующегося и хорошо

проникающего через мембрану побочного продукта диоксида углерода, что требует непрерывной работы вакуумного насоса.
В этой связи представляет, на наш взгляд, интерес наименее изученный вариант первапорации - термопервапорация (ТПВ). В случае ТПВ конденсация пермеата осуществляется на холодной стенке непосредственно в мембранном модуле при атмосферном давлении. Этот термоградиентный способ первапорационного разделения жидкостей может обеспечить достаточную движущую силу процесса выделения биобутанола путем снижения расстояния от мембраны до поверхности конденсации даже при относительно небольшой разнице в температурах жидкого сконденсированного пермеата и разделяемой смеси.
Однако, поскольку движущая сила в ТПВ все же ниже, чем в вакуумной первапорации, для успешной реализации этого подхода необходимо создание нового поколения высокопроизводительных термопервапорационных мембран, эффективных в термоградиентных процессах разделения. Высокопроницаемый стеклообразный полимер поли(1-триметилсилил-1-пропин) (ПТМСП) рассматривается как один из наиболее перспективных материалов для выделения биобутанола из АБЭ ферментационных смесей.

Таблица № 1.4. Промышленно производимые в Европе и США гидрофобные
мембраны.
Марка мембраны Структура Комментарии
PERVAP 1060 Сшитый ПДМС/ ПАН
PERVAP 1070 Сшитый ПДМС+силикалит/ ПАН Рекомендуется для полярной органики
PERVAP 4060 Сшитый ПДМС/ пористая подложка Для удаления лекголетучей органики и ароматических веществ из водных растворов
Pervatech PDMS Сшитый ПДМС/ пористая подложка
MTR 100 Сшитый ПДМС/ пористая подложка
MTR 200 ЭПДМ/сшитый ПДМС/ пористая подложка Двухслойный селектийный слой
GKSSРЕВА ПЭБА/ пористая подложка Удаление фенола
GKSS PDMS Сшитый ПДМС/ пористая подложка
GKSS PMOS Сшитый ПМОС/ПАН
Выделение тетрахлороэтилена из стоков прачечных химчистки, с
применением разделительной первапорационной установки фирмы GFT, стало одним из первых примеров реализации гидрофобной первапорации на практике. MTR также внедрила в промышленность несколько систем для выделения летучих органических соединений из воды [76].
1.4.2.Первапорационные мембранные материалы для выделения бутанола из ферментационных смесей
Для первапорационного выделения спиртов из ферментационных смесей требуются гидрофобные мембраны с повышенным сродством к
органическим веществам, т.е. более проницаемые по целевым органическим компонентам, чем по воде. Так как размеры молекул органических веществ больше размера молекулы воды, то предпочтительный перенос органических компонентов через мембрану может осуществляться только в случае реализации сорбционного механизма разделения, т.е. селективность растворимости должна быть больше селективности диффузии. Разделение происходит по принципу термодинамического сродства между молекулами компонентов жидкой смеси и материалом мембраны.