随着对利用国内资源生成能源和化学品的重视日益增加，基于生物的技术的研发也在推动着国家能源安全的发展[1]。其中，异丁醇（IBA）作为SAF生产中的重要中间体而受到关注，它可作为从酒精到喷气燃料（ATJ）途径的可再生原料[2]。从IBA中产生的烷烃符合ASTM D7566标准，并被认证为与传统喷气燃料混合使用的成分[3]。IBA可以通过微生物（如酵母或细菌）生物合成，这些微生物通过类似于丙酮-丁醇-乙醇（ABE）工艺的改良发酵途径将淀粉或其他生物质中的糖转化为IBA[4],[5]。与基于生物的乙醇相比，IBA具有更高的能量密度和与现有燃料基础设施的兼容性[6],[7]。然而，由于IBA的浓度低（通常为0.5–2.0 wt%），其大规模商业化受到挑战[8]。常用的分离方法（如蒸馏）能耗高且对丁醇提取效果不佳，需要79.5 MJ/kg的能量，而丁醇的能量含量仅为36 MJ/kg[9]。已经开发了多种生物丁醇分离技术，但这些技术在选择性、简单性和成本方面存在权衡[10]。气提法成本低廉且简单，但对稀释液体的选择性较差。吸附法具有高选择性，但面临污染和再生问题。一种值得注意的方法是液-液萃取（LLE），其丁醇分离效率可达75–85%，能耗仅为25 MJ/kg，而吸附法则需要35–40 MJ/kg[9]。LLE是一种广泛应用于化学和生化过程的分离技术[11],[12],[13]。该方法依赖于化合物在两种不相溶液相中的溶解度差异，从而选择性地将目标分子从一相转移到另一相。
LLE已经使用了几十年，但它受到乳液形成、溶剂消耗量大以及过程强化困难等挑战[14],[15],[16]。膜溶剂萃取（MSE）是一种创新的分离技术，它结合了LLE和膜技术的原理。该方法使用多孔膜作为两种不相溶液相之间的屏障，促进目标化合物的选择性转移，同时防止相混合[8],[17],[18]。对于水相到有机相的溶质转移，通常使用疏水性膜。与传统LLE相比，MSE的主要优点包括更高的质量传递效率、更少的溶剂使用、更易于放大、更好的提取过程控制以及减少乳液形成[8],[18],[19]。这些特性使其适用于多种行业应用，例如从药物中提取活性成分、从废物中回收金属、从石化产品中分离芳烃和烷烃、从食品和饮料中提取风味成分和营养素，以及从发酵液中回收生物中间体[8],[20],[21],[22],[23],[24]。
已经证明MSE可以在单纤维[25]、管状[26]和平板膜[27],[28]配置中用于生物丁醇的回收。由于其高表面积与体积比、模块化和紧凑的占地面积，中空纤维（HF）模块更适用于工业规模操作。因此，要推进MSE在生物丁醇回收方面的应用，需要全面了解HF膜模块内的质量传递行为，其中高效分离受流动动力学、纤维排列和水相组成的控制。尽管有这一需求，但对HF配置中局部质量传递系数和个别传输阻力的详细量化仍然有限。特别是，基于MSE的生物IBA回收过程中，纤维填充和壳侧流体动力学的耦合效应尚未得到系统研究。大多数之前的横向流动模块的流体动力学模型是使用固定填充比例（φ）的商业卡盘开发的，并针对气提或香气提取进行了验证[29],[30],[31]。
为了解决这些不足，本研究采用了一种定制设计的小型HF膜接触器（mini HFMC），而不是商业卡盘。这种方法可以控制φ、流动条件和溶液化学性质，从而系统地研究它们对壳侧质量传递的影响。此外，与大型商业模块相比，mini HFMC还减少了溶剂和进料消耗，并支持快速的设计迭代。大多数用于估计壳侧质量传递系数（k_s）的经验关联式都是几十年前在固定或简化的填充假设下开发的，这些假设假定在经典的Reynolds-Schmidt框架内流动均匀。此外，先前的研究在使用经验关联式估计HF中的k_s时得出了不一致的结果，通常只考虑了一个因素，要么是φ[32]，要么是流动动力学[33],[34]，而没有考虑它们的综合效应。本研究提出了一种改进的经验关联式，该关联式在串联阻力模型中整合了填充几何形状、流体动力学和水物理化学性质，通过考虑填充引起的流体动力学效应来提高密集HF MSE模块的预测准确性。这种方法通过小型模块实验和机理建模得到了验证，扩展了生物IBA回收的经典关联式，并为优化基于HF的MSE系统提供了实际见解。
