化石燃料具有不可再生的特性,而且其燃烧带来了严重的环境问题,燃料乙醇等新型绿色可再生能源因其综合碳排放为零,成为各国的研究热点。目前全球95%的乙醇在工业上是利用发酵法进行生产的,其中70%以上以分批发酵的方式进行,但是此过程中乙醇产率通常只有1.0-2.5g-L-1.h-1,而研究者所提出的连续发酵过程尽管可以提高发酵效率,但存在高稀释率下细胞洗出的问题,且受到底物流失以及产物抑制作用等限制。通过将固定化细胞技术和渗透汽化技术同时用于上述过程中,不仅解决了细胞洗出的问题,还能够达到缓解产物抑制的效果。然而对于传统的乙醇发酵-渗透汽化耦合过程,胞内抑制性产物乙醇首先进入料液主体,之后扩散到渗透汽化膜表面进行分离,存在传质步骤多,传质距离长、传质阻力大的问题;更重要的是,真正对酵母产生抑制作用的是胞内的乙醇而并非料液主体中的乙醇,传统耦合过程通过移除料液主体的乙醇使胞内乙醇的逐渐向胞外扩散,但因受到传质阻力的限制,胞内抑制性产物乙醇难以快速扩散出细胞,残留的乙醇仍会对酵母的活性以及酵母繁殖的过程产生影响,从而导致乙醇连续发酵-渗透汽化耦合过程乙醇的瞬时产率逐渐下降,甚至发酵过程无法继续进行。针对上述问题,本研究提出了一种基于活性催化膜反应器技术提高细胞乙醇浓度梯度,从而促进胞内抑制性乙醇快速扩散,缓解产物抑制的方法。上述过程主要是基于固定化细胞技术将酵母固定于分离膜表面实现的,即制备包覆有活性酵母的复合催化膜,并在此基础上构筑活性催化膜反应器用于乙醇发酵过程。并且通过本技术有助于缓解发酵过程中的产物抑制,可有效提高酵母的生长繁殖与活性,促进乙醇连续发酵过程的高效稳定运行。本研究首先对乙醇发酵过程中的发酵参数以及操作条件进行优化,结果显示,稀释率以及初始葡萄糖浓度的增加会提高乙醇产率,但是存在最大比生长速率对稀释率的限制作用,而且会带来产物抑制以及底物抑制的问题。针对产物抑制问题,通过对底物、产物以及细胞自身对酵母生长的抑制作用进行系统的研究,建立了综合考虑底物、产物以及细胞对乙醇发酵过程产物抑制影响的动力学模型,并在此基础上结合物料衡算建立了关于乙醇连续发酵过程的动力学模型,模型的预测值与实验结果比较一致。其次,针对上述乙醇连续发酵过程中的产物抑制问题,通过外加乙醇的方法研究乙醇对酵母活性的影响,并在此基础上建立了乙醇对酵母活性影响规律的模型。通过调控发酵过程底物的浓度以得到不同浓度发酵生成的乙醇,从而更深入的讨论生成的乙醇对酵母活性的影响情况。此外,研究了发酵主要的副产物对酵母活性的影响,系统探讨了在发酵过程中影响酵母活性的主要物质及机理。酵母活性随着乙醇浓度的提高呈下降的趋势,乙醇浓度与酵母比死亡率之间呈指数关系,发酵产物中的酸性物质主要通过H+的作用影响酵母活性,而酵母活性并不受甘油的影响。之后,针对在发酵过程中乙醇对酵母活性以及酵母繁殖的影响,本研究在传统发酵-渗透汽化耦合技术的基础上提出一种将发酵过程生成的乙醇即时移除的方法,解决了传统耦合技术中胞内生成的乙醇需经过料液主体传递到膜表面进行分离的传质距离长以及阻力大的问题,强化了胞内抑制性乙醇扩散出酵母的过程,从而进一步缓解了乙醇对酵母活性以及繁殖过程的影响。制备固定化酵母的PES/PDMS活性催化膜,并对膜结构进行表征,评价其发酵性能以及分离能力。通过优化设计,使催化层的孔隙率高达79.1%,保证了固定化酵母的发酵性能与游离酵母相当,并且在高浓度底物的条件下表现出更优的发酵能力。所制备的活性催化膜分离层的渗透汽化性能与传统PDMS膜相当。针对在乙醇发酵-渗透汽化耦合过程中分离膜的渗透汽化性能随发酵过程进行出现劣化的问题,通过长达8000 h的间断性渗透汽化实验测试了发酵液中的主要物质对膜性能的影响程度,表明所制备的PDMS膜在长时间使用过程中表现出优异的稳定性。在上述研究的基础上,对活性催化膜的耦合性能进行探讨。结果表明对比于其他发酵过程,如分批发酵以及传统发酵-渗透汽化耦合过程,在活性催化膜反应器中进行的乙醇发酵过程具有最低的乙醇残留浓度,其乙醇产率(3.05 g.L-1.h-1)与分批发酵(2.26 g.L-1.h-1)相比提高35%。表明活性催化膜反应器技术可以有效移除酵母附近的乙醇,有利于生成的乙醇从酵母中扩散,从而更进一步缓解产物抑制,达到提高乙醇产率的目的。最后,基于上述关于活性催化膜反应器技术在乙醇发酵-渗透汽化耦合过程中的研究结果,提出了一种缓解乙醇发酵过程中因乙醇对酵母生长及活性的影响导致乙醇产率逐渐下降的方法。探讨在活性催化膜反应器中乙醇连续发酵过程参数的变化规律。在活性催化膜反应器中酵母浓度及活性均高于传统发酵-渗透汽化耦合过程,乙醇瞬时产率并无明显下降,乙醇体积产率与传统耦合过程相比提高了 21%。并且基于对乙醇连续发酵动力学以及产物抑制的研究,结合物料衡算建立了乙醇连续发酵-渗透汽化耦合过程的动力学模型,结果表明模型预测值与实验的结果比较一致,进一步说明活性催化膜反应器在用于乙醇连续发酵过程中的优势。