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燃料乙醇是绿色可再生能源,发展燃料乙醇对保护环境和实施可持续发展战略具有重要意义。传统上采用发酵法生产燃料乙醇,但该过程为典型的产物抑制过程,为减小产物抑制作用,提高发酵效率,必须及时分离出生成的乙醇。本课题组提出了外置式蒸汽渗透技术原位分离发酵产生的乙醇,研究结果表明,蒸汽渗透与汽提集成技术应用于乙醇发酵过程,可以克服传统工艺的缺陷,提高乙醇产率,在生物乙醇的生产利用领域具有广阔的发展前景。前期研究发现,外置式蒸汽渗透-乙醇发酵耦合过程中,由于膜后侧采用抽真空的方式提供蒸气分压差,这样会造成发酵罐侧压力为负压,不利于设备加工和安全生产。因此,本文提出向发酵罐中通入惰性气体N2来维持膜前侧压力,从而实现外置式蒸汽渗透-乙醇发酵耦合过程的稳定运行。在此基础上研究了聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜内多组分之间的传质行为。并基于溶解-扩散机理和传质行为,建立了多组分蒸汽渗透模型,最后对模型进行了验证。首先,考察了N2对发酵过程的影响,进行了通入惰性气体N2的气相外循环蒸汽渗透-乙醇发酵耦合过程的可行性研究。结果表明,向发酵罐内通入的惰性气体N2对发酵过程基本无影响,证实通过该方式来保持系统稳定是可行的。随后,以乙醇/水为研究体系,考察了料液浓度、气体温度和循环气量对渗透性能的影响。结果表明,乙醇通量随着乙醇浓度、气相循环气量的增加显著增加,而气体温度对乙醇渗透性能的影响较小,乙醇通量随着气体温度的上升略有增加。综合考虑能耗等因素,气体循环气量控制在4.0L·min-1、气体温度为37℃较合适。进而,在此条件下进行了前侧通入N2的外置式蒸汽渗透过程耦合乙醇发酵实验,结果表明,相比于间歇发酵,乙醇产率和糖转化率均提高了30%左右,膜分离性能稳定,该技术适合连续乙醇发酵过程。在此基础上,为进一步理解乙醇发酵-蒸汽渗透过程中多组分混合气在PDMS膜内的传质行为,建立蒸汽渗透模型,为工业蒸汽渗透装置的设计参数和操作参数的优选提供理论依据。本文分别考察了N2/乙醇蒸汽体系、CO2/乙醇蒸汽体系、CO2/乙醇蒸汽/水蒸气体系,乙醇浓度和气体温度对乙醇渗透性能的影响。研究结果表明：在一定乙醇浓度下,CO2/乙醇蒸汽体系的乙醇通量大于N2/乙醇蒸汽体系,说明CO2对PDMS膜有增塑作用；在一定乙醇浓度下,三组份CO2/乙醇蒸汽/水蒸气体系的乙醇通量与CO2/乙醇蒸汽体系基本一致,说明水蒸气的存在对乙醇蒸汽的渗透性能基本无影响,因此可以忽略水蒸气对乙醇传质的影响,便于后续模型的简化。最后,根据溶解-扩散机理,结合多组分混合气在PDMS膜内的传质行为,采用UNIQUAC-HB和修正的Long’s模型建立了蒸汽渗透传质模型。并采用三组份CO2/乙醇蒸汽/水蒸气混合气蒸汽渗透实验结果以及乙醇发酵-蒸汽渗透耦合实验结果对模型进行了验证,模型计算值与实验数据吻合较好；进而,应用模型预测了不同操作条件对乙醇渗透性能的影响,有助于乙醇发酵-蒸汽渗透耦合过程的设计和优化。