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(tuán)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(shí)，還會(huì)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(xiàng)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(shí)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(jìn)行乙醇的發(fā)酵工藝時(shí)，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(jìn)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(jìn)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(shí)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(diǎn)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(jìn)一步的探討。現(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(shí)際的燃料乙醇純化研究中，計(jì)算機(jī)仿真的應(yīng)用開始不斷增多，它在進(jìn)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(gè)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(jì)算機(jī)時(shí)代，不再需要傳統(tǒng)的憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)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(shí)，由此說明耦合問題可以進(jìn)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(jìn)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(shí)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(jī)，多場耦合的研究意義重大，為未來的發(fā)展與進(jìn)步指明了方向。
4結(jié)語
燃料乙醇過程的進(jìn)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(dòng)、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(shí)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(jìn)展的新篇章。與此同時(shí)，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(yàn)上升為理論。
作者：陳葉濤 單位：武昌工學(xué)院