生物耦合技术

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生物耦合技术范文第1篇

关键词：截污纳管；排污口；河道生态治理；黑臭；复合处理方法与技术

中图分类号：TU992.25

文献标识码：A 文章编号：16749944（2017）10004903

1 引言

任由排污口污水不断排入河道显然不可取，在现今河道排污口及河道生态治理过程中有多种处理方法及技术，P者在各种水处理及河道水质修复治理的基础上，根据自身的经验与探索，对温州市瓯海经济开发区河道排污口及生态修复治理作了一整套的复合处理方法及技术总结。

2 排污口截污并管技术

由于瓯海经济开发区普遍存在河道两岸排污口较多，大多位于常水位以上30～80 cm的范围，少数排污口为半水下式，不排除水下存在不可见排污口。排污口现状如图1、2。

排污口截污并管技术：沿河两边各设一根污水总管，标高要低于每边最低排污口的标高。管道安装采用吊支架的方式，管道支架采用DN40镀锌钢管桩打入河岸侧壁的方式。河两边污水分别集中至河道下游排污口最低位置，在河道下游最低位置设集水井及污水提升泵，污水提升泵将污水提升至WS-AO预制玻璃钢曝气生物滤池。

3 排污口WS-AO 一体化玻璃钢生物滤池技术

河道排污口采用排污口截污并管技术后，在下游集

水井内污水经提升进入WS-AO一体化玻璃钢生物滤池，WS-AO一体化玻璃钢生物滤池为预制玻璃钢产品，外加镀锌钢管等防护结构（DN32镀锌钢管+石笼网+级配石英砂填充）。

该生物滤池采用玻璃钢一次手工制作成型。内部共分4仓，1、2仓为接触氧化池，接触氧化池内设组合填料+Φ215曝气器，池外设涡旋鼓风机，鼓风机通过气管向池内鼓风曝气。

接触氧化池内组合填料表面生长着吸附、降解有机污染物能力极强的由多种微生物组成的生物膜，污水中有机污染物经微生物膜，游离微生物等的吸附、降解等作用，CODcr、BOD5、NH3-N等大部分得以去除，CODcr去除率可达75%～85%，BOD5去除率可达90%～95%，NH3-N去除度可达50%～60%。由于生物膜上微生物的老化死亡，生物膜将会从滤料表面脱落下来，然后随着废水流出池外。由于生物膜的吸附作用，在它的表面往往附着一层薄薄的水层，水中的有机物被生物膜所氧化，其浓度要比滤池进水中有机物的浓度低得多，因此当废水在滤料表面流动时，有机物就会从运动着的废水中转移到附着在生物膜表面的水中去，并进一步被生物膜所吸附。同时，空气中的氧也将经过废水而进入生物膜。生物膜上的微生物在氧的参与、作用下对有机物进行分解和机体新陈代谢，产生了包括二氧化碳等无机物，它们又沿着相反的方向，即从生物膜经过附着水排到流动着的废水及空气中去；在此过程综合作用下，废水中有机物的含量大大减少，因而得到了净化。

在该池中发生的主要生物反应可描述为：

BOD+O2=CO2+H2O+新好氧污泥（1）

接触氧化池出水进入斜板沉淀池，沉淀池内设PP斜管，生物膜、固体悬浮物及多余污泥在沉淀池内沉淀除去，较消澈出水再进入砂滤池。砂滤池内设粒径为5～15 mm的石英砂，经过石英砂过滤的清洁出水进入下一级过滤。

该WS-AO预制玻璃钢曝气生物滤池有效解决了现今排污口污水污染河道的问题，且一体化玻璃钢预制曝气生物滤池整体安装简单，形体小，不占用河道面积，处理高效。经过复合人工湿地处理出水可达《污水综合排放标准》（GB8978-1996）Ⅱ类污染物中的一级排放标准后排入河道。

4 复合人工湿地净化技术

该复合人工湿地净化技术用于净化处理河道水质，河水中含有大量的有机污染物、固体悬浮物、N、P等污染物，严重污染河道，该人工湿地可直接放于河道内，采用毛竹桩防护结构。

该人工湿地包括竖流沉淀池、集水井、Ⅰ级复合湿地床、Ⅱ级复合湿地床及清水池。

此技术用于净化河道水质，河水通过进水口进入竖流沉淀池，在中心导流筒内泥水分离，清水沿着溢流堰流入集水井内，在集水井内，河水由潜污泵提升进入Ⅰ级复合湿地床及Ⅱ级复合湿地床，两级复合湿地床均由两道滤层组成，第一层滤层由过滤棉+密目钢丝网结构，第二层滤层由锰砂滤料组成，Ⅰ级复合湿地床锰砂粒径由1.2～2.0 mm组成，Ⅱ级复合湿地床锰砂粒径由0.6～1.2 mm组成，两级复合湿地床锰砂滤料即起到对污染物截留作用，同时，锰砂又有除铁、锰、砷的功能。最后出水在清水池内投加除藻剂（CuSO4），随清澈出水一起流入河道，有效杀灭河水中的藻类。

复合湿地床上可种植空心菜、水芹菜等水生蔬菜，亦可种植黄菖蒲、鸢尾等挺水植物品种。挺水植物可随季节收割。

集水井内污水提升和除藻剂投加计量泵均采用太阳能发电供电，因此，无需另外设动力提升。

该复合型人工湿地能有效改善河道水质，整体安装简单，形体小，不占用河道面积，处理高效，对于河道水质的长期净化与维持，效果显著。

5 太阳能生态浮岛组合修复技术

太阳能生态浮岛组合修复技术采用生态及生化技术用于净化处理河道水质，生态浮岛采用浮盆+UPVC外框架的形式，生态浮岛上种植挺水植物，利用挺水植物对各种植物的吸收和富集功能不同来净化河道水质，河道太阳能曝气板设于组合式生态浮岛的正中间，采用蓄电池蓄积太阳能，用于阴雨天时曝气使用。浮岛下方悬挂￠150×80 mm组合填料，填料下方悬挂￠65×1000 mm管式曝气器（三元乙丙橡胶材质）。

太阳能板收集的太阳能在蓄电池内收集并转化成电能，通过鼓风机至生态浮岛下方的管式微孔曝气器内，管式微孔曝气器产生1～2 mm的气泡，单根管式微孔曝气器充氧能力≥0.40 kg O2/h；

橡胶膜片在压缩空气的压力下撑开向水体充氧，释放的气泡直径约为1.0～2.0 mm，在曝气停止时微孔闭合，以达到防堵塞、防倒灌、防逆流的使用要求，确保污水不会进入曝气系统，并防止污泥堵塞。长时间的停止工作后，仍能正常地恢复曝气。

硅橡胶膜片套附在高强度的ABS支撑管的外壁上，二端采用不锈钢套环将膜片与支撑管固定。支撑管开孔处为整张膜片无孔区，确保在长时间运行后，不会发生膜片变形现象；同时当曝气停气时，由于水压的作用和膜本身的回弹作用，使膜片压于支撑管上，防止污水回流。

生态浮岛下方悬挂的组合填料表面生长着吸附、降解有机污染物能力极强的由多种微生物组成的生物膜，污水中有机污染物经微生物膜，游离微生物等的吸附、降解等作用，CODcr、BOD5、NH3-N等大部分得以去除，CODcr去除率可达75%～85%，BOD5去除率可达90%～95%，NH3-N去除率可达50%～60%。有效去除河水中的有机污染物。

6 微生物脱氮除磷及强化消解底泥技术

由于河道长期受周边生活污水及少量工业废水的污染，河水及河道底泥存在大量的N、P及有机物，采用ISSA PGPR原位生态修复处理技术强化消解底泥、脱氮除磷。

生物处理法是利用生物（即细菌、霉以及原生动物）的代谢作用处理各种废水的方法，而维持微生物代谢必需有各种营养物质和能量。

6.1 工艺流程

通过把激活原位ISSA PGPR微生物所需的各种营养物质（微量元素，蛋白质，酶及其他载体）通过纳米技术及微包覆技术制成生物材料，投放在人工建立的生物平台上，然后在生物平台的一边通过泵和水管将河流中的污水抽入生物平台内，利用缓释技术把颗粒溶解后在另一边通过水管流入到河流中，这些颗粒营养物质连续不断地激活水环境中的PGPR微生物，使之不断繁殖，然后通过微生物的有氧反硝化作用去氮，以及建立高效食物链来降低水体中的富营养物质如氮、磷等，从而达到降解的效果（图3）。

6.2 技术产品特征

（1）生物材料是一种聚羟基脂肪酸酯的有机高分子的材料，是很多微生物合成的一种细胞内聚酯。它具有良好的生物相容性能、生物可降解性和塑料的热加工性能，具有较好的水解稳定性的特点，还常作为一种性能优良的环保生物塑料，又具有许多可调节的材料性能，成本也很低，额外的附加值也很高。

（2）生物平台比较精美，方便运输，且运行成本较低。

（3）微生物的原位选择性激活：选择性的激活水环境中原有的PGPR微生物，无需另外投放微生物。

（4）污染物的原位理：就地把污染物转化为微生物及其他生物的“食物”，由传统的“转移对抗”变成“和谐利用” 。

（5）整体修复：不仅改善水质，恢复水体生态，而且可以降低淤泥中富营养物质，实现生物除淤（淤泥体积最高减量可达40%）。

（6）食物链：通过低端微生物的快速繁殖来加速食物链的形成并快速改善高端生物的生长环境，大大加速“食物链”的效果：氨氮和总磷的下降，透明度及溶氧的增加。

（7）植物促生作用：PGPR能很好地促进水生植物的生长。

（8）适用范围广：pH值范围4.5～10.5，水温不超过50℃，激活广谱的原位PGPR微生物，可修复不同类型的水体污染，并实现水环境的综合治理。

6.3 技术优势

（1）传统的生物处理是采用对抗处理法、针对特定的污染物投入特定的菌种，处理的污染物单一且效果不明显，污染物也只是相对地转移而已；生态修复技术是采用和谐处理法，投入生物材料后原位处理，激活很多微生物菌种，针对的污染物广泛，处理的污染物全面效果也很明显。

（2）传统的生物处理会产生大量的污泥，而污泥的处理有需要额外的物理法来处理；该生态修复技术将采用生物清淤的办法，直接通过微生物作用使底泥能够减少。

（3）传统的生物处理投入的菌种需要一定的适应期，成活率不高，对污染物的降解过程比较缓慢，降解率低，短时间内效果不明显；该生态修复技术是通过原位激活微生物，没有适应期，微生物快速繁殖，见效快，降解效果也很明显，2个月水质明显改善，一年内基本恢复水体生态，实现水质提升到五类甚至四类水质标准。

（4）传统的生物处理采用曝气的方法，成本高，需要大型的鼓风机和许多曝气机、安装工程量大、耗电量大、且在运行过程中会产生很大的噪音，严重影响周围的生活环境；生态修复技术成本低，只需要一台0.37 kW的小型泵，安装携带都方便，耗电量低，且无噪声。

（5）传统的生物处理后的水体自净能力差，且效果不保持；生态修复技术处理后的水体自净能力强，效果持续长久。

7 水生动植物长效修复技术

水生动植物的长效修复技术使人工干预净化向自然生态修复转化。

针对温州市瓯海经济开发区河水中N、P浓度普通在10 mg/L以上，N、P浓度普通较高。因此，在水生植物修复方面，选取抗逆性、适应性及对N、P浓度的富集性均较强、繁殖系数大、生长速度快，水肥吸收能力强，植株相对高大、对其他水生植物有强烈郁闭和侵扰作用，极易形成单一优势群落的挺水植物。在河道内较多的选择荷花、再力花、芦苇等观赏价值高且易种植的植物，以达到“曲院风荷”的效果。

向富营养化的水体中放养水生动物，如鱼、虾、螺、贝等，在水生态系统物质循环与流动中具有特殊的地位和作用。一方面，可以捕食底质中大量的有机质及腐败的水生植物残体等，大幅度降低底质中有机质含量及营养物质的释放；另一方面，大型螺类等释放的某些物质又是水体中天然的絮凝剂，可以降低水中的悬浮物颗粒并吸附大量的氮磷营养盐。通过建立水生动物群，能进一步恢复物种多样性，促进水体的微循环，为其他水生生物的生长创造更佳条件（图4）。

8 结语

通过工程治理过程实践总结的一些经验和技术，对温州市瓯海经济开发区河道污染严重的情况乃至全国的河道污染处理技术都还需要进一步的探索和研究，改进和创新。随着河道治理技术的不断成熟和发展，河道污染也将逐步改善，最终得以根治。

参考文献：

[1]

吴启堂，陈同斌.环境生物修复技术[M].北京：化学工业出版社，2006.

[2]吴启堂，高婷，蔡宏，曾曙才.水面植物生物膜循环推流式水处理方法：200410051449[P].2004-10-05.

[3]何俊仕.蒲河流域雨洪资源利用及河道水生态修复应用研究[M].北京：中国水利水电出版社，2001.

[4]刘灿灿，沈耀良.曝气生物滤池的工艺特性及运行控制[J].工业用水与废水，2008（13）.

[5]《河道治理设计》撰写委员会.河道治理设计[M].北京：中国水利水电出版社，2013.

生物耦合技术范文第2篇

（青岛大学化学科学与工程学院〈环境科学与工程学院〉，山东 青岛 266071）

【摘要】厌氧氨氧化反应在氮循环中起着非常重要的作用，对处理含高氨氮废水具有重大的潜在实际应用价值。高浓度有机碳源对厌氧氨氧化反应具有明显的抑制作用。如何在有机碳源存在的条件下实现厌氧氨氧化与反硝化的耦合，是实现厌氧氨氧化工程应用面临的巨大挑战。本文综述了有关厌氧氨氧化与反硝化耦合机理及环境影响因素研究进展，并对研究前景进行展望。

关键词 厌氧氨氧化；反硝化；耦合

厌氧氨氧化反应(ANAMMOX)是缺氧的条件下，以亚硝氮(NO2--N)为电子受体，将氨(NH4+-N)氧化为氮气(N2)的过程[1]。与传统的硝化和反硝化反应相比，厌氧氨氧化反应具有需氧量低、不需要外加碳源、脱氮效率高的优点[2]。近年来，厌氧氨氧化已经成为国内外研究开发的热点[3]。本试验室也对厌氧氨氧化反应器启动、稳定运行工况等方面进行了大量的研究工作。然而，上述研究大多未能考虑有机污染物的影响因素。在有机环境下，反应器系统中可能同时存在厌氧氨氧化与反硝化两种主要的厌氧脱氮反应[4]。因此，如能在同一反应器系统中实现厌氧氨氧化与反硝化脱氮的协同作用，则对生物脱氮技术的开发具有重要的意义。

1厌氧氨氧化与反硝化耦合原理

在有机环境下，可能同时存在氧氨氧化与反硝化两种厌氧脱氮反应。周少奇[4-5]讨论了有机环境下同一反应器中厌氧氨氧化与反硝化的协同作用，推导了厌氧氨氧化的电子计量学方程式，以及有机环境下以葡萄糖为有机碳源时反硝化脱氮的电子计量学方程式。有机环境下ANAMMOX过程的计量方程式：

式中：fs为电子供体用于细胞合成的分子量。

由式（1）可知，以NH4+为电子供体、以NO2-为电子受体的ANAMMOX反应需要以CO2为碳源，会产生一定量的NO3-，由于反应需要消耗H+，所以会引起pH升高。

反硝化反应的计量学方程式:

5C6H12O6+24NO-3=12N2+30CO2+18H2O+24OH-（2）

C6H12O6+8NO-2=4N2+6CO2+2H2O+8OH-（3）

可见，反硝化反应消耗COD和CO2，可为ANAMMOX提供无机碳源，实现协同作用。

2厌氧氨氧化与反硝化耦合影响因素

2.1水力负荷

吕绛等研究表明水力负荷会对 ANAMMOX 与反硝化协同脱氮反应器的运行性能造成较大影响[6]。随着水力负荷的增加氨氮、亚硝氮和COD的平均去除率均出现明显的下降，然而通过再次降低进水负荷，平均去除率大幅度回升。证明协同反应器对进水负荷的变化具有较强的抵抗能力。同时伴随着水力负荷的增大，氨氮在各阶段去除率的下降幅度明显大于亚硝氮与 COD，表明反应器中 ANAMMOX 菌对水力负荷变化的承受能力小于反硝化细菌。

2.2pH

pH对废水生物处理过程的影响主要表现在2个方面：（1）pH会影响细胞内的电解质平衡，影响微生物的活性（2）pH影响溶液中基质或抑制物的含量，影响微生物的活性[7]。田文婷等[8]研究表明，当pH控制在7.0~8.5时，厌氧氨氧化菌基本不受到影响。当pH在7.0~8.0时，反硝化菌受影响不大。可知，7.5为耦合反应的最佳pH。

2.3温度

温度对厌氧氨氧化菌和反硝化菌产生重要影响，杨洋等[9]认为，厌氧氨氧化的最适温度为30~35℃。反硝化菌的适宜温度在20~35℃，不合适的温度可能导致反硝化过程遗传表达的改变，影响底物消耗速率以及反硝化菌的世代时间。因此，厌氧氨氧化与反硝化耦合反应温度应控制在30~35℃ 之间，以发挥其最佳效果。

2.4C/N

在反硝化系统中，不管从技术角度还是从经济方面考虑，碳氮比都是一个非常重要的参数，有时依赖于外加碳源以实现完全反硝化，导致运行费用的增加，为此要选择一个适当的C/N。

李军等研究表明，随着C/N的增加，反硝化反应将逐渐成为主要反应，厌氧氨氧化反应未受到抑制，当C/N为1:2时耦合脱氮效果最佳。

3厌氧氨氧化与反硝化耦合研究展望

厌氧氨氧化与反硝化协同脱氮理论的发现，对生物脱氮新技术的开发具有重要意义。本文综述了有关厌氧氨氧化与反硝化耦合反应机理及环境影响因素等的最新研究进展，虽然厌氧氨氧化与反硝化协同脱氮理论具有良好的脱氮处理效果，但仍有很多问题都需要进一步的研究：（1） 研究厌氧氨氧化与反硝化协同脱氮反应在何种情况下进行，并且以哪种反应机制进行，运用化学计量学原理进行分析。（2）研究厌氧氨氧化菌和反硝化菌对底物的竞争以及反应产物对它们的抑制，确定其最佳生长条件。

参考文献

［1］MulderA., van de GraafA.A., Robertson L.A.,et al.Anaerobic ammonium oxidation discovered in a denitrifyingfluidized bed reactor[J]. FEMSMicrobio.l Eco.l,1995, 16:177-184.

［2］孙洪伟,彭永臻,王淑莹,等.厌氧氨氧化生物脱氮技术的演变、机理及研究进展[J].工业用水与废水,2008,39(1):7 -11.

［3］StrousM., Fuerst J.A., KramerE.H.M.,et al.Missinglitotroph identified as new planctomycete[J]. Nature,1999a,400: 446-449.

［4］周少奇.厌氧氨氧化与反硝化协同作用化学计量学分析[J].华南理工大学学报:自然科学版,2006,34(5):1-4.

［5］周少奇.氨氮厌氧氧化的微生物反应机理[J].华南理工大学学报:自然科学版,2000,28(11):16-19.

［6］吕绛,周少奇.水力负荷与低温对厌氧氨氧化与反硝化协同反应器的影响[J]. 化工进展,2010(10).

［7］杨洋,左剑恶,沈平,等.温度、pH和有机物对厌氧氨氧化污泥活性的影响[J].环境科学,2006,27(4):691-695.

［8］田文婷,李军,等.碳氮比及pH对厌氧氨氧化与反硝化耦合的影响[J].水处理技术,2010,36(9):45-48.

生物耦合技术范文第3篇

【关键词】燃料乙醇；化学工程；探究分析

乙醇作为一种燃料，不管是在生产过程中还是在燃烧过程中均不会产生污染物，属于一种清洁能源。早期的乙醇主要是通过淀粉、纤维素等经过长时间的发酵而来，然而燃料酒精由于其需求大，在生产过程中需要大规模的生产，在生产中涉及到一定的化学工程，了解这些化学工程是燃料乙醇生产的关键，同时也是该调整我国能源结构的重点。本文主要就燃料乙醇工艺的化学工程问题分析如下：

一、燃料乙醇发酵分析

1、燃料乙醇发酵的多尺度

燃料遗传在发酵过程中涉及到的工程领域较多，其中包括微生物工程、化学工程以及生物化学工程等，因此在实际的发酵过程中化学反应相对复杂，正是由于其发酵过程中的复杂性，在研究中仅仅从单一的角度去研究与实际要求不符，因此在生产过程中应该注重多尺度问题，也就是说从多个角度对燃料乙醇的发酵过程进行分析，这样才能更加全面的将乙醇复杂的发酵过程显现出来，因此对于燃料酒精发酵的研究应该涉及到生物学以及化学两个重要方面，这样的研究才更加符合实际研究需要。

2、发酵中的动力学与放大

乙醇在发酵前期需要进行相关的准备工作，其中主要与偶乙醇原料的液化以及糖化等，然后在乙醇发酵过程中应该做好相关特性的控制，也就是动力学问题，动力学是乙醇发酵是否可以顺利发酵的基础，其中涉及到两个方面的问题，一个是本征动力学，也就是从早期的原料到发酵微生物固有速率的问题，另外一个就是宏观动力学，这个具体的就是在发酵阶段乙醇的能量传递情况，现阶段对动力学研究应用主要模型是酶催化反应。

3、发酵中的发酵罐多场

在遗传发酵过程中需要一定的设备，发酵罐就是主要设备，由于乙醇发酵的复杂性，同时在发酵中还会受到外界环境温度、湿度等各方面因素的影响。这些因素的影响会造成发酵速度缓慢，影响发酵进程，也就是溢出发酵进程的不同在发酵罐内形成了不同的反应场，不同的反应场对于发酵罐正常的发酵造成影响，最终发酵质量也会造成影响，不过这种发酵场也有有利的一面，那就是工作人员可以在发酵中采取措施进行干预，使发酵质量向更高的程度靠近。

二、燃料乙醇提纯分析

乙醇在经过发酵后在发酵液中实际含有的乙醇含量非常低，据有关资料显示，这种含量通常只能达到5.0%―12.0%，这种低含量的乙醇基本不能满足燃料的需求，所以在发酵结束后通常还需要进行提纯，当然提纯也是乙醇生产中必不可少的，对于乙醇提纯的技术方法较多，应用较为广泛的主要是蒸馏技术，蒸馏提纯乙醇主要是将乙醇中大量的水分排出，当然在具体的提纯中需要多次提纯才能保证乙醇的含量，不过乙醇通过蒸馏能达到的最大含量约为90.0%，因此想要进一步提出就需要采用其它的提纯方法。在实际对乙醇的提纯中通常是先通过蒸馏的方法将乙醇提纯到一定程度，在达到一定含量后可继续使用萃取、吸附等提纯方法进一步提升乙醇的含量，最终达到工业乙醇要求或者实际需要的浓度[1]。

三、发酵与分离的耦合

乙醇在发酵过程中其发酵过程与早期乙醇的发酵过程有较多的相同点，因此其工艺研究内容也是一些基础性的东西。在发酵反应和分离过程中进行的耦合同样是一个复杂过程，因此在技术水平以及操作水平上都应该有严格的要求。

如果通过直接的化学反应就可以得到最终的成品，那么这个过程就是一个简单的反应过程，而在这个反应过程中采用的干预措施、采用的设备等就属于反应工程，在乙醇提纯中采用一定的方法将乙醇中不需要的一些水分或者杂质清除，在这个过程中采用的试剂、设备以及提纯中遇到的实际问题均属于分离工程。因此乙醇发酵与乙醇分离的耦合在理论上是可行的，当然通过实验证明在实践操作中也是可行的。在这方面也有较多的报道，比如有学者将液体的萃取以及发酵过程结合到了一起，在进行连续发酵过程中将油烯基乙醇作为萃取剂，最终结果表明通过这种方法提取的乙醇质量相对于早期的提纯明显提高。也就是说将生物发酵技术可以简单地看成是反应与分离技术的耦合，这样在工业乙醇生产过程中可大大的提高分离效率，促进乙醇含量的提升，当然对于大范围的推广乙醇生产具有重要意义。在乙醇发酵中可以将反应工程学的原理以及分离学工程理论结合起来，然后研究整个耦合过程，这样的研究对于推动整个燃料乙醇的工业生产起着关键性作用，不过当前大多数学者的报道中报道的内容更多的倾向于工艺条件、生物萃取剂以及膜材料等，但是涉及到多场耦合、传递特性等化学工程的研究却很少，这些在一定程度上抑制了燃料乙醇的工艺生产[2]。

在未来乙醇生产中新型发酵设备以及分离设备都需要多场耦合的指导，当然在后期的乙醇发酵中将会实现反应、分离以及其其它多种分离技术设备的耦合，也就是说通过一个连续的设备可实现乙醇发酵到成品，这样的设备不仅提高了生产效率，同时乙醇的质量也会得到明显提高。当然这种设备同样的可加快燃料乙醇作为新型能源的步伐。

结束语

燃料乙醇生产中过多的涉及到流体流动、热量传递以及发酵生化反应等，这个过程是一个复杂的过程，同时也涉及到多学科，因此在燃烧乙醇工艺的化学工程分析中应该从多个角度对其进行研究，在后期较长时间内的研究目标应该集中在生物发酵反应与提纯分离过程的耦合，这样的研究可以推进乙醇工艺生产的发展，有利于尽早的调整我国能源结构，实现环保绿色可持续发展。

参考文献

生物耦合技术范文第4篇

关键词：植株；重金属含量；测定方法；原理；研究现状

中图分类号：Q0657.31；O657.63 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2012）20-4449-04

随着现代科学技术及工业的发展，环境问题越来越突出，各种污染问题越来越严重，而重金属污染也是危害最大的污染问题之一。重金属具有毒性大、在环境中不易被清除、易被生物富集并有生物放大效应等特点，不但污染水环境，而且严重威胁人类和水生生物的生存。目前，人们对重金属污染问题已有相对深入的研究，同时采取了多种方法对重金属废水和被污染的水体进行处理和修复。如今，水体重金属污染已成为全球性的环境污染问题，并且严重影响着儿童和成人的身体健康乃至生命安全，儿童铅中毒、重金属致胎儿畸形、砷中毒等事件也常有发生，使重金属污染成为关系到人类健康和生命的重大环境问题。

本文介绍了现今植株中重金属含量的几种测定方法，主要有原子荧光光谱法（AFS）、原子吸收分光光度法（AAS）、电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-AES）、电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）。由于不同重金属适用的测定方法不同，所以植株中重金属测定机理的研究对重金属在植物中的迁移和转化、植物的修复以及寻找合理的方法处理重金属污染废水具有重大意义。

1 测定方法

1.1 原子荧光光谱法（AFS）

AFS是介于原子发射光谱和原子吸收光谱之间的光谱分析技术。此方法测量植株中重金属含量有较高的效率。植物经过消解，在一定条件下被还原剂还原成含某种待测重金属的挥发组分，用激发光源照射一定浓度待测元素的原子蒸气，原子的外层电子从基态或低能态跃迁到高能态，经8～10 s又跃迁至基态或低能态，同时以光辐射的形式发射出特征波长的荧光，测得原子荧光即可求得待测样品中该元素的含量。

杨景广等[1]在AFS测定植物样品中痕量镉的含量的研究中，采用微波消解仪器对植物样品消解，用AFS测定植物样品中镉的含量，取得了良好效果，测定出镉浓度为0.1～0.8 ng/mL时荧光强度与镉浓度呈显著的线性关系，此方法的检出限为0.001 8 ng/mL，精密度为1.64%，样品的回收率高达90.4%～92.1%。试验结果表明，此法在对植物样品中镉含量的检测中具有广阔的应用前景。范德芳等[2]在云南部分地区木香中重金属含量的测定试验中，对3个地区种植的木香中Cd、Pb、As、Hg 4种重金属离子采用AFS进行含量测定，结果显示：3个地区木香中检测出的重金属镉含量≤0.011 mg/kg，铅含量≤3.5 mg/kg，砷含量≤0.11 mg/kg，汞含量≤0.002 6 mg/kg，各元素线性关系良好，r≥0.999 3，回收率为99.10%～102.20%。试验表明，此法测定植株中重金属含量有较高的精确度。

AFS在环境科学、矿物生物制品、金属元素的测定等方面有广泛的应用，其优点明显：①有较低的检出限，灵敏度高，特别对Cd、Zn等元素有相当低的检出限。Cd可达0.001 ng/cm3，Zn为0.04 ng/cm3，现已有20多种元素的检出限优于原子吸收光谱法和原子发射光谱法。②干扰较少，谱线比较简单，采用一些装置可制成非色散原子荧光分析仪，其结构简单，价格便宜。③分析校准曲线线性范围宽，达3～5个数量级。④因原子荧光是向空间各个方向发射的，易制作多道仪器，可实现多元素同时测定。⑤可进行价态分析。同时也存在不足：荧光猝灭效应、散射光的干扰、用于复杂基体的样品测定时比较困难、在分析化学领域内发展较晚等原因，限制了此法的应用范围。

1.2 原子吸收分光光度法（AAS）

AAS是最早发展起来的一种方法。原子吸收分光光度法（AAS）是指从光源辐射出具有待测元素基态特征谱线的光，通过试样蒸气时试样蒸气中待测元素基态原子所吸收，原子的外层电子由一个较低能态跃迁到一个较高能态，由产生的辐射特征谱线光被减弱的程度来测定试样中待测元素的含量的一种仪器分析方法。原子吸收分析中主要有3种原子化法：火焰法、石墨炉法、冷原子法。火焰原子吸收光谱法可测得10-19～10-10 g/mL数量级。石墨炉原子吸收法可测得10-13～10-10 g/mL数量级，其氢化物发生器可对8种挥发性元素汞、砷、铅、硒、锡、碲、锑、锗等进行微量元素测定。AAS能测定几乎所有金属元素和一些类金属元素，它是测定痕量元素的有效方法，且该法操作简便、选择性好、快速、干扰较少、灵敏度高、准确可靠。应用范围大、仪器价格较低等优点使其已普遍应用于冶金、化工、地质、环境监测和生物机体中微量金属元素的测定，应用日益广泛。

等[3]在新墙河区草本植物重金属含量的测定试验研究中用混酸消解草本植物后，采用原子吸收光谱法测定样品中铅、砷、镉、铜、锌，结果表明铅、砷、镉、铜、锌的检出限分别为0.02、0.10、0.01、 0.60、0.06 mg/L，试验相对标准偏差0.8%～8.7%，表明该法用于草本植物重金属含量的测定灵敏、快速、重现性好。顾万红等[4]在20种甘肃地产药材中铅、砷、镉、铜的含量测定中采用石墨炉原子吸收分光光度法对铅、砷进行测定，火焰原子吸收光谱法对铜进行测定，氢化物发生原子吸收分光光度法对砷进行测定，结果表明因刺五加茎皮中镉含量达0.368 55 mg/kg而超标，其他药材中重金属铅、砷、镉、铜含量均低于限定值。

然而原子吸收光谱法的检出限比较低，尤其是石墨炉原子吸收光谱法，原子化效率低，只能液体进样，气态原子在火焰中停留时间短，原子吸收光谱分析法不能多元素同时分析，测定元素不同，必须更换光源灯，它测定难熔元素的灵敏度并不高，精密度比分光光度法差，标准工作曲线的线性范围窄，在高背景低含量样品测定任务中精密度差。

为了进一步提高灵敏度和降低干扰，扩大此法的使用范围，近年来国内外致力于研究激光在原子吸收分析的应用，用可协调激光代替空心阴极灯光源，用激光使样品原子化，经过多年的研究和试验，发现其效果明显，在各个领域具有广泛的应用前景。

1.3 电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-AES）

ICP-AES是以电感耦合等离子炬为激发光源的一类光谱分析方法。电感耦合等离子体（ICP）光源是利用高频感应加热原理，使流经石英管的工作气体（氩气）电离，在高频电磁场作用下由于高频电流的趋肤效应，在一定频率下形成环状结构的高温等离子体焰炬，称为高频耦合等离子体。试液经过蠕动泵的作用进入雾化器，被雾化的样品溶液以气溶胶的形式进入等离子体焰炬的通道中，经熔融、蒸发、解离等过程，实现原子化。组成原子都能被激发发射出其特征谱线。在一定的工作条件下，如入射功率、观测高度、载气流量等因素一定时，各元素的谱线强度与光源中气态原子的浓度成正比，即与试液中元素的浓度成正比。

ICP-AES是一种目前比较常用的技术，而测定植物中重金属含量的关键在于对样品的前处理，植物样品前处理的好坏可以直接影响分析结果的精密度和准确度[5-8]。通常的前处理方法有干灰化法和湿法消解两种。

干灰化法主要用于除去样品中的有机质，该法操作简单，可同时处理大量样品，且相对于湿法消解不需要使用大量试剂，空白值较小。适用于待测物含量较高（10-10～10-6 g/mL级）的生物样品。但由于挥发性待测元素（如汞、砷、硒等）在高温灰化过程中易挥发损失，因此简单的干灰化法不适用于含挥发性待测元素样品的前处理，此时需加入氧化剂作为灰化助剂以加速有机质的灰化并防止待测元素的挥发。但干灰化法对挥发性物质的损失比湿法消解大，且干灰化法时间较长常需过夜完成，值得注意的是，干灰化法还有可能与容器反应，被氧化或者被吸收，导致回收率降低。而钟闱桢等[9]在矿区植物重金属含量测定的两种前处理方法比较中通过采用酸消解法和干灰化法处理16种矿区植物，并用原子吸收分光光度法测定其中的Mn、Cd、Cr和Zn的含量。结果表明，除Cd外，两种处理方法对Mn、Cr、Zn的测定结果均有明显影响。测定植物组织Cd含量时，两种处理方法都可采用；测定Mn、Cr含量，采用酸消解法较为合适；测定Zn含量则宜采用干灰化法，并可适当延长木质部分（根、茎）的灰化时间。唐文杰等[10]在锰矿区植物中Pb、Cd和Cu含量的测定中比较酸消解法和干灰化法。结果表明，处理方法对Cu和Pb测定结果有明显影响，但对Cd则影响不大。在测定植物组织Cu含量时，采用干灰化法效果较好；测定Cd含量时，两种处理方法均可以采用。在叶组织Pb含量测定时，两种处理方法无明显区别，但木质组织Pb含量测定时采用干灰化法更为理想。

近年来，微波消解-电感耦合等离子体发射光谱法测定植物中重金属离子的方法的应用也越来越多。而微波消解是近年来发展较快的新兴技术，具有无温度梯度、无滞后、加热快而均匀等特点。乔爱香等[11]通过干灰化法和微波消解-电感耦合等离子体发射光谱法测定植物样品中22个主次量元素试验得出结论：选择适当的前处理方法可以较为准确地测定出植物样品中重金属离子的含量，用ICP-AES法测定植物样品中22个主次量元素具有良好的效果。

ICP-AES灵敏度高，选择性好，可分析种类较多，检出限为10-9 g/mL级，数量级为4～6，能用微量的试样同时进行数十种元素的定性和定量分析，且分析速度较快。直接分析固体试样时，多数元素的灵敏度接近1 μg/g，对液体试样能检出浓度为1 ng/mL的待测元素。它在地质、冶金、机械、环境、生命、医学等领域得到广泛的应用。但是它也存在不足之处，在经典分析中，影响谱线强度的因素较多，尤其是试样组分的影响较为显著，所以对标准参比的组分要求较高。在试样含量较大时，准确度较差，大多数非金属元素难以得到灵敏的光谱线，此法只能用于元素分析，不能进行结构、形态的测定，同时该方法的分析成本较高。

近年来ICP仪器功能的不断提高和普及，多道直读及单道高速扫描性能的提高和仪器性价比的不断优化，具有全谱特性的中梯光栅固体检测仪器的出现，ICP-AES法已经成为钢铁及其合金分析的常规手段。用ICP法进行钢铁合金样品的分析，操作十分简便，可在同一工作条件下用同一个溶液同时测定多个元素，测定这些元素的中低含量，测量精度完全达到冶金产品的质量监控要求。

1.4 电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）

ICP-MS是20世纪80年展起来的新型的元素和同位素分析技术，在ICP-MS中，ICP作为质谱的高温离子源（7 000 K）， 样品在通道中进行蒸发、解离、原子化、电离等过程。离子通过样品锥接口和离子传输系统进入高真空的MS部分，MS部分为四极快速扫描质谱仪，通过高速顺序扫描分离测定所有离子，扫描元素质量数范围为6～260，并通过高速双通道分离后的离子进行检测，浓度线性动态范围达9个数量级，10-15～10-3 g/mL级均可直接测定。

它具有动态线性范围极宽、检出限极低，为10-15～10-12 g/mL级、干扰少、分析精密度高、分析速度快，数量级为8～9，成本也最低，可提供同位素信息等优点，但也存在着信号波动、基因效应、多原子离子的干扰等问题。它以独特的接口技术将ICP-MS的高温（7 000 K）电离特性与四极杆质谱计的灵敏快速扫描的优点相结合而形成一种新型的元素和同位素分析技术，可分析地球上几乎所有元素。ICP-MS技术的分析能力不仅可以取代传统的无机分析技术如电感耦合等离子体光谱技术，石墨炉原子吸收进行定性、半定量、定量分析及同位素比值的准确测量等，现已被广泛地应用于环境、半导体、医学、生物、冶金、石油、核材料分析等领域。还可以与其他技术如HPLC、HPCE、GC联用进行元素的形态、分布特性等的分析，例如把HPLC与ICP-MS联用，可用于研究中草药、藻类、鱼类、人类等生物体内含Cd、Se、As、Cu、Zn、Pb等元素与多种氨基酸、多肽和蛋白质结合的机理以及某些元素对酶的位点的作用过程。随着ICP-MS联用技术的开发和发展，其出色的检测能力也得到了更大的提高，开创了一些如形态分析等新的分析方法，能更好地分析一些复杂样品以及为快速发展的材料科学、生命科学和环境科学服务。

李欣荣等[12]用ICP-MS测定海洋天然药物中5种重金属的含量，得到了较为准确的结果。ICP-MS可以检测所有的金属元素和绝大部分的非金属元素，该方法简洁、快速、准确。

王瑞敏[13]在ICP-MS测定植物中微量铅和镉的试验中得出结论：利用微波消解前处理样品，电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）检测植物中的微量铅和镉，具有准确度高、精密度高、检出限较低（最低检出限为铅0.010 μg/g，镉0.008 μg/g）、干扰较少等特点，能有效测定植物中的微量铅和镉。而黄旭等[14]用微波消解前处理，电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定烟草中的重金属，检出限均小于1 μg/g，该方法简便、快速、准确，适合用于测定烟草中的微量重金属元素。该方法可研究性较高，具有广阔的应用前景[15-17]。

2 问题与展望

当前植株中重金属含量的测定现状是测定方法比较多，实际应用中可选择性也较多，但实际测定时需要考虑的因素较多，例如AAS法，技术比较陈旧，可分析元素种类较少，而且灵敏度较低。利用不同的测定方法可测定出它们较易测定出的金属元素，比如原子吸收光谱法可以准确测定出植物中的铅、砷、镉、铜、锌等金属元素的含量。值得一提的是虽然ICP-MS是一种比较新的测定方法，但是该方法有着较大的优势，在环境领域也有着广阔的应用前景。因此，该方法的进一步研究是今后测定重金属含量的发展方向之一。

今后，测定重金属在植物体内的含量还有以下问题需要完善：①各种测定方法成本较高，实际应用起来可实施性不大。②实验室测定时，实际样品干扰程度较大，无法达到理想中的效果。③在微观和宏观水平方面，该领域的研究现状分析尚存在一些问题，重金属分析测定方法和技术有待实现新的突破。④目前由于原子吸收光谱仪、电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP—AES）以及各种色谱—质谱联用仪等的使用，重金属的分析测定方法越显方便和快捷。但是，将重金属从总量分析转变到分形态、价态，特别是生物有效态分析的研究是重金属分析方法发展的必然趋势，但对于分形态、价态的测定方法和技术往往需要多种仪器联用、对仪器精度要求高、操作复杂并且很多涉及微痕量分析等现状，使得重金属分析测定方法和技术有待改进并实现新的突破。

参考文献：

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生物耦合技术范文第5篇

关键词：燃料乙醇 工艺 创新

随着世界石化能源的日趋匮乏，石油类产品价格日益攀升，开发一种绿色可持续的能源已经变得相当急迫。乙醇作为一种生产工艺成熟、生产来源广泛的替代能源越来越受到人们的关注。

乙醇俗称酒精，它以玉米、小麦、薯类、糖蜜木质纤维素等为原料经发酵，蒸馏而制成。所谓燃料乙醇是指对浓度95%左右的乙醇进一步脱水，再加上5%体积分散（一般为无铅汽油或无铅的烃类）的变性剂使之成为水分小于0.8%，且不可食用的变性无水乙醇。燃料乙醇既是一种清洁能源，又是一种良好的汽油增氧剂和辛烷值调和组分，用以代替四乙基铅和甲基叔丁基醚（MTBE）或乙基叔丁基醚（ETBE），乙醇调入汽油对降低汽车尾气中的一氧化碳含量很有效，起到净化空气的效果，同时，乙醇用粮食制造，是一种生物转化的太阳能，是一种取之不尽，用之不竭的可再生能源，在汽油中加入一定比例的乙醇作燃料，能节约石油、净化空气，转化多余的粮食，为人类社会的可持续发展提供一条简单有效的途径。

目前，世界上燃料乙醇的生产方法有合成法（即乙烯水合法）和生物法两种。由于近年来受原油资源问题及乙烯价格上涨的制约，合成法被生物法所取代。生物法生产燃料乙醇，大部分是以甘蔗、玉为、薯干和植物秸杆与农产品或农林废弃物为原料酶解糖化发酵制造的，其生产工艺有酶解法、酵水解法及一步酶法工艺法等。这段工艺与食用乙醇的生产工艺基本相同，所不同的是需增加浓缩脱水后处理工艺，使其水的体积分数降到1%以下，由于乙醇生产过程中水的存在，使得乙醇与水形成二元共沸物，而采用普通精馏方法所得乙醇中水的体积分数约为5%，要想控制燃料乙醇水的体积分数达到1%以下就必须采用较新的脱水工艺（目前开发的脱水工艺主要有：渗透汽化、吸附蒸馏、特殊蒸馏、加盐萃取蒸馏、变压吸附和超临界萃取分离等），脱水后制成的燃料乙醇再加少量变性剂就成为变性燃料乙醇。

燃料乙醇生物法生产过程包含发酵生物化学反应与乙醇分离两大主要过程，其工艺流程与人们熟知的化学工程中的许多单元操作存在不少共同点，如传递和反应诸多化学工程问题，所不同的是这里反应是发酵生化反应。在理论上来说似乎是简单的过程，但要想在大规模水平上获得最大效率，却需要依靠生物学和化学工程的结合。

化学工程的核心仍是“三传一反”，即使在纳米尺度上，反应和传递两种因素的共同作用是造成形形式式物质结构的根本原因，目前发醇工艺的放大仍停留在经验阶段，并没有上升到理论水平，这与燃料乙醇发展的需求极不相称，因此，采用化学工程的成熟理论及先进技术来研究燃料乙醇工艺过程，并进行创新具有重要的理论及实际意义。

一、发酵过程的化学工程分析

1.多尺度问题

由于酒精发酵过程是一个综合了微生物学、生物化学以及化学工程等的复杂过程，因此，模拟市场计算该过程不能仅仅单一采用传统的生物学方法或化学工程的方法，而应对生物反应器中多尺度问题作综合考虑。在化学工程学角度看来，酒精发酵罐可以看做是反应器，理论上计算反应器的模型应可以适用于酒精发酵罐。

2.动力学与放大

乙醇发醇过程前沿课题主要集中在液化、糖化和发酵过程节能降耗，包括：耐高温、高糖浓度、高乙醇浓度的能力以及酵母高效发酵过程的基础研究；液化酶、糖化酶的作用机制及实际物系的动力学研究；同步糖化发酵动力学方面的研究。从化学工程角度看，上述问题涵盖发酵生物反应动力学及传递特性两个方面，动力学方法是发酵过程放大的理论基础。发酵动力学包括两个层次：一是本征动力学，它是指没有传递等工程因素影响时，发酵生物反应固有的速率；二是宏观动力学，它是指在反应器内所观测到的总反应速率及其形式和结构、操作方式、物料的流动与混合，传递与传热等。

在大多数情况下，只要体系物性、流场、流态与在实际操作（热态）时比较接近，往往可以用冷模的实验方法模拟在热态下的流体力学状态，这对大设备的放大规律的研究有帮助。因此，采用大型冷模研究在过程设备中流体的流体力学特性并与小型热模所进行的动力学研究相结合是研究发酵设备放大规律的一种有效方法。

3.发酵罐内多场分布

多场分布包括温度分布、浓度分布和速率分布。发酵生物反应器中的物理因素—传递特性将影响到反应器内基质和产物的浓度分布及温度分布，进而影响到反应器内某一组分的反应速率。因此，传递特性的研究是不可忽视的问题，研究发酵罐内传热、传质及传动将是化学工程领域的一项重要任务，同时也为更好地控制发酵过程提供了理论依据。

CFD模型在模拟反应器内的温度、浓度和速度分布上是一种十分重要的方法，应引起重视。

二、乙醇纯化过程中的化学工程问题

采用发酵的方法生产乙醇，同时不可避免地会生成水，要获得乙醇势必要对乙醇和水进行分离，从原理讲分离乙醇和水的方法有精馏、吸附、渗透汽化膜分离等方法，然后发酵液中乙醇质量分数一般为5%～12%，而燃料乙醇产品的纯度却要在99%以上。因而从发酵液中分离出乙醇所消耗费的能量占总能量的绝大部分。所以从发酵液中分离乙醇—水混合液一般分两步：先用普通精馏得到质量分数为92.4%的乙醇，再用共沸精馏、萃取精馏、液液萃取、吸附或其它方法得到无水乙醇。

精馏作为具有技术成熟度和应用成熟度较高的分离方法，是分离乙醇—水混合液最早，也是最普遍的方法，但需很高的能耗。现有3种方法替代精馏方法生产乙醇：萃取法、超临界流体法和渗透蒸发膜分离法，这部分工艺几乎等同于化学工程的分离工艺技术，可以应用。

三、生物发酵反应与分离过程耦合

现有燃料乙醇工艺的基础研究包括生产过程放大和流程创新、研究生物反应与分离过程耦合探索新的短流程工艺。

将生物发酵直接看作反应并与分离技术耦合来提高整个发酵及分离的效率，将推动燃料乙醇工艺的技术进步。

多场耦合对开发新型发酵与分离设备具指导意义，未来发展趋势必将是将反应与分离以及多种分离结合一起的设备。如精馏与吸附、发酵与精馏等通过一个设备操作实现两者完美结合，而目前的多塔生产工艺将会被逐渐淘汰而发展对应短流程工艺这方面研究及发展将极大地消减成本，同时也降低能耗，对改善反应与分离过程，提高效率具很大潜力。

贯穿于燃料乙醇生产过程的流体流动、热量传递、质量传递问题与发酵生化反应交织在一起，对燃料乙醇过程产生决定性的影响。发酵过程尤其是同步糖化发酵技术背后的物理、生物、化学机制及工程策略，发酵罐中流场、温度场及浓度场的多场耦合，对生物反应器中多尺度问题作综合考虑，采用人工智能研究流程优化组合分析工程策略，发展新型分离发酵设备等，都是目前急需研究的内容，是燃料乙醇领域的难点和热点问题。

采用化学工程学理论及方法研究燃料乙醇生物反应工程规律、工程放大及流程创新将是一种主要趋势。

参考文献

[1] 李静海.浅谈21世纪的化学工程[J]. 化工学报，2008，59（8）： 1879-1883.