中文摘要：

本项目以丁醇发酵为研究对象，采用过程工程策略，发展新型的渗透汽化膜分离与传统发酵过程耦合技术，以解决传统发酵法生产丁醇存在的产物抑制造成发酵产率过低和产品发酵液分离困难的瓶颈性难题，为新型替代能源和化学品的生产提供新方法和新技术。重点研究发酵-渗透汽化耦合过程中的膜材料结构与膜性能关系、关键工艺参数对丁醇发酵的影响规律，以及膜污染机理及膜污染控制技术，建立具有普适性的渗透汽化膜材料设计理论、发酵-渗透汽化耦合过程控制理论和膜污染控制技术，建立发酵-耦合工艺动力学模型，制备高性能、低成本有机物优先透过渗透汽化膜，实现耦合过程优化，有效消除发酵过程中的反馈抑制，提高丁醇发酵的技术经济性，为发酵-渗透汽化耦合工艺规模化放大提供可靠的理论和实验依据以及技术条件。本项目中建立的理论方法可为渗透汽化膜制备以及发酵-膜分离耦合技术在其他生物产品中的应用提供必要的理论基础。

结论摘要：

本项目以丁醇发酵为研究对象，采用过程工程策略，发展新型的渗透汽化膜分离与传统发酵过程耦合技术，以解决传统发酵法生产丁醇存在的产物抑制造成发酵产率过低和产品发酵液分离困难的瓶颈性难题，为新型替代能源和化学品的生产提供新方法和新技术。主要研究内容和取得的重要结果如下(1) 对制膜用沸石的合成条件进行优化，获得了对醇类具有优先吸附性的全硅沸石。在1.0 wt%丁醇-水溶液中，沸石对丁醇的吸附可达95 mg butanol/g silicalite-1。同时，针对有机、无机界面两者不兼容的问题，采用乙烯基三甲氧基硅烷（VTMS）对沸石表面进行了疏水改性。通过NMR、TGA、FTIR、XRD等检测表明VTMS成功地接枝到了全硅沸石表面。（2）采用全硅沸石为填充材料，以PDMS为膜基质，制备了有机-无机杂化优先透醇均质膜。研究发现，在相同实验条件下，采用未改性沸石填充的PDMS杂化膜对丁醇/水的分离因子达到120，而采用改性沸石填充的PDMS杂化膜的分离因子则提高到了160。另外，为了提高渗透汽化膜的通量以满足后续发酵分离耦合过程的需求，制备了渗透汽化复合膜，重点考察了底膜种类、刮刀速度对渗透汽化膜的结构及分离性能的影响。研究表明Silicalite-1/PDMS/PAN膜表面沸石分布均匀，活性层与支撑层之间没有分层和气孔，选择性高，适合用于后续的发酵分离耦合过程。（3）设计和构建了丁醇发酵-渗透汽化耦合体系。在以葡萄糖为基质的分批发酵渗透汽化耦合过程中，葡萄糖的消耗速率和产率分别比传统分批发酵提高40%和28%。渗透汽化膜的通量在774-552 g/m2·h左右，丁醇分离因子在28-31之间；在连续发酵渗透汽化耦合过程中，当稀释率为0.0117 h-1时，最大产率和最大葡萄糖消耗速率分别比分批发酵高203% 和155%。膜的通量和选择性随着发酵液中溶剂浓度变化略有波动，但总体保持稳定；且整个操作过程中，膜污染不明显。以木薯为发酵底物，连续发酵渗透汽化耦合实验进行304 h，底物消耗速率、总产率和总得率比分批发酵分别提高58%，81%和15%，并能够节省11.85%的生产成本和34%的能耗。渗透液中丁醇浓度高达122.4 g/L，经相分离后，有机相中丁醇浓度达到501.1 g/L。本项目的实施为丁醇发酵-渗透汽化耦合工艺的规模化放大提供了可靠的理论和实验依据以及技术条件。