论文部分内容阅读
丙酸（Propionic acid,简称HA）作为一种重要的精细化工原料,应用十分广泛,丙酸及其盐是目前世界上最安全有效的食用性防腐剂。由于具备价格低廉、经济效益高以及条件温和等优点,生物发酵法生产丙酸受到了越来越普遍的关注。然而发酵液成分复杂且丙酸含量较少,常用的分离方法存在一定的弊端,如萃取方法需通过剧烈的机械搅拌才可获得高萃取率,但是剧烈的搅拌会破坏发酵液中蛋白质等生物大分子的结构从而造成乳化等现象,极大地影响了萃取性能。此外生物发酵法制备羧酸过程中分离的费用通常要占到总成本的40%以上,因此如何经济高效地实现发酵液中丙酸的分离回收意义重大。膜分散萃取方法是一种具有高效、快速分离、分相快等优点的分离方法,本论文首次采用温和搅拌辅助膜分散萃取方法对发酵液中丙酸进行分离回收。实验采用了自搭建的膜分散设备为研究模型,采用了玻璃砂芯为分离膜材料,三辛胺（Triocylamine,简称TOA）与磷酸三丁酯（Tributyl phosphate,简称TBP）作为萃取剂,正辛醇与磷酸三丁酯为稀释剂,并采用低速搅拌提供适宜的膜表面横向剪切力,避免了膜表面的物料堆积污染和发酵液乳化负影响。论文对膜分散行为,搅拌辅助膜分散萃取丙酸的热力学,动力学,传质机制以及膜反萃丙酸进行了研究。分析了萃取剂浓度、丙酸浓度、相比对萃取性能的影响,评估了萃取过程中的分配系数（Partition coefficient,简称KD）、负载率（loading rate,简称Z）、萃取效率（Extraction efficiency,简称E）。三辛胺-正辛醇体系,相比为1:1,VHA=1%,VTOA=40%,一级萃取效率几乎可高达100%。分别以传质平衡时间和总体积传质系数（Total volumetric mass transfer coefficient,简称Kta）作为参数对比了两种萃取方法的动力学性能,结果表明温和搅拌辅助膜分散萃取方法获得更小粒径的液滴（70-250μm）,相接触面积提升1.42-5.29倍,加快了传质平衡。应用G1玻璃砂芯温和搅拌辅助的膜分散萃取实验达到传质平衡的时间比机械搅拌萃取快2-10倍。温和搅拌膜分散方法的Kta始终大于搅拌方法,最大值可提升0.06 s-1,验证了温和搅拌辅助膜分散方法增强了丙酸萃取的动力学性能。通过分析萃取过程中的传质阻力揭示了膜分散萃取过程的传质机理,温和搅拌辅助的膜分散萃取过程的传质阻力小于机械搅拌萃取过程。丙酸及萃取剂浓度都对萃取过程的传质机制有一定的影响,例如VHA从1%增大到5%,萃取过程由有机相传质控制转变为由反应过程以及传质过程共同控制。VTBP从10%增大到80%,Ro从20%增加到75%左右,这意味着传质过程逐渐从反应过程的控制变为控制反应过程和传质过程,最后到传质过程控制。采用疏水性膜进行膜分散反萃实验,氢氧化钠水溶液作为分散相,含有丙酸的有机相作为连续相,通过膜分散的反萃过程实现了有机相的再生,三辛胺-正辛醇体系在最优实验条件下,多级反萃效率高达100%,总富集因子可达到25。反萃之后的有机相再次进行膜分散萃取丙酸实验,萃取性能几乎没有减弱。通过红外光谱分析证明了膜分散萃取以及膜分散反萃丙酸的性能。