乙醇工藝化學(xué)工程論文
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1發(fā)酵工程的分析
所謂多場分布，就是指發(fā)酵生物反應(yīng)器中受到的多種物理因素影響，導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)基質(zhì)、產(chǎn)物等在濃度和溫度上發(fā)生改變，從而對反應(yīng)速率產(chǎn)生極大的影響，這些物理因素即為溫度分布、速度分布和濃度分布。以發(fā)酵液中的反應(yīng)為例，其反應(yīng)的最終結(jié)果都與這些多場分布因素有關(guān)，如氧的傳質(zhì)速率、菌絲團以及菌體的內(nèi)反應(yīng)組分傳質(zhì)，還有固定化酶等等，都是主要的影響因素。在很多情況下，這些影響因素在影響反應(yīng)過程的同時，還會起到主導(dǎo)反應(yīng)的作用，即為發(fā)酵罐內(nèi)反應(yīng)的控制環(huán)節(jié)。所以，在發(fā)酵罐中的各項反應(yīng)中，傳遞特性的作用十分關(guān)鍵，它的研究對于發(fā)酵罐內(nèi)化學(xué)工程的研究來說具有良好的現(xiàn)實意義，并且為以后的發(fā)酵過程控制理論的完善奠定了基礎(chǔ)。
乙醇提純的主要工藝方法在進行乙醇的發(fā)酵工藝時，水是反應(yīng)中必須要產(chǎn)生的物質(zhì)之一，于是乙醇的提純工藝就落到了水與乙醇的分離工藝上?；诨瘜W(xué)原理上分析，這種提純工藝可以采用精餾法，可以采用吸附法、共沸精餾、萃取精餾，也可以采用滲透氣化膜分離法等等。一般來說，乙醇在發(fā)酵液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%到12%之間，但是工業(yè)用乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)卻在90%以上，那么這就給乙醇的提純工藝提出了一定的挑戰(zhàn)，采用傳統(tǒng)的精餾方法已經(jīng)無法滿足工業(yè)的要求。由此，可以將發(fā)酵液中的乙醇混合物分兩步進行提純，首先，利用普通的精餾提純方法得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為92.4%的乙醇，然后再利用萃取、共沸、吸附等精餾方法得到高純度的工業(yè)乙醇。精餾這種乙醇提純方法已經(jīng)發(fā)展多年，其工藝與流程也比較成熟，然而在這種精餾過程中由于產(chǎn)生很高的熱量，造成的能耗很高，并且在此過程中對于回流的要求也越來越高，大大增加了精餾成本。綜上，在傳統(tǒng)的乙醇提純工藝上還具有很大的發(fā)展與創(chuàng)新空間，可以從設(shè)備配置、生產(chǎn)效率以及工程理論上進一步研究，得出更適合現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的有效方法。目前，這種工藝方法已經(jīng)有所突破，如分類與反應(yīng)過程耦合的方法，就是創(chuàng)新的代表。在燃料乙醇方面，乙醇的純化可以采用的方法為多塔精餾，同時結(jié)合向乙醇混合液中增加原有體系分離因子的萃取精餾等，也可以利用膜蒸發(fā)分離的辦法，其優(yōu)點是降低能耗，避免污染環(huán)境。此外，吸附的辦法在燃料乙醇純化工藝中還沒有很成熟的使用，需要進一步的探討?，F(xiàn)階段，燃料乙醇生產(chǎn)工藝的研究，主要集中于單一操作過程，如吸附脫水共沸物、滲透蒸發(fā)、萃取精餾等，將這些單一過程組合研究的文章不多。實際的燃料乙醇純化研究中，計算機仿真的應(yīng)用開始不斷增多，它在進行不同單元組合的反應(yīng)規(guī)律研究上十分有利。此外人工智能方面在乙醇純化工程模擬中也有很多的應(yīng)用，對于條件限定后的每個單元操作以及分離流程耦合的篩選等都是工程模擬中的主要內(nèi)容。由此可見，流程組合的研究已經(jīng)上升到計算機時代，不再需要傳統(tǒng)的憑經(jīng)驗進行流程與工藝的確定了。
3生物發(fā)酵反應(yīng)與分離耦合反應(yīng)
就目前的燃料乙醇工藝研究而言，主要為基礎(chǔ)研究工作，如過程放大、生物反應(yīng)與分析過程耦合、流程創(chuàng)新、工藝流程創(chuàng)新等。生物發(fā)酵反應(yīng)與分離耦合。不是兩者的簡單結(jié)合，而是一種流程耦合，屬于一種創(chuàng)新的技術(shù)和理論。如果化學(xué)反應(yīng)結(jié)束后就可以直接得到產(chǎn)品，那么反應(yīng)過程就是相應(yīng)的過程，而在工程上所說的反應(yīng)過程則是綜合性的過程，包括方法、設(shè)備以及問題處理的過程。這其中形成了分離工程，利用能量與物質(zhì)的傳遞、化學(xué)反應(yīng)以及流體力學(xué)等相關(guān)知識，由此說明耦合問題可以進行，并且能夠完成相關(guān)問題的解決，并且可以將生物發(fā)酵看作是耦合過程，用于提高發(fā)酵與分離效率，這種方法大大促進了燃料乙醇工藝的發(fā)展。它利用了工藝改善，采用了創(chuàng)新的方法，實現(xiàn)了工藝過程最優(yōu)化，這是化學(xué)工程發(fā)展的最新契機，多場耦合的研究意義重大，為未來的發(fā)展與進步指明了方向。
4結(jié)語
燃料乙醇過程的進展取決于多種因素，其中最為重要的因素之一就是在此過程中存在的流體流動、質(zhì)量傳遞、發(fā)酵生物化學(xué)反應(yīng)以及熱量傳遞等。發(fā)酵工程的未來研究方向，應(yīng)該從傳統(tǒng)的工藝本身研究抽身而出，致力于同步糖化發(fā)酵背后的一些工程問題，并且開始采用創(chuàng)新的多尺度問題研究方式，同時結(jié)合人工智能、新型分離發(fā)酵裝置等，利用多場耦合，開辟燃料乙醇領(lǐng)域進展的新篇章。與此同時，在未來的化學(xué)工程學(xué)理論研究上，也應(yīng)該加大對生物反應(yīng)工程、流程創(chuàng)新以及工程放大的理論研究，將經(jīng)驗上升為理論。
作者：陳葉濤 單位：武昌工學(xué)院