CN101768543B - 一种用于纤维素发酵挥发性醇的蠕动固态发酵反应器及其发酵方法 - Google Patents

一种用于纤维素发酵挥发性醇的蠕动固态发酵反应器及其发酵方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于纤维素发酵挥发性醇的蠕动固态发酵反应器及其发酵方法，该反应器包括仿生蠕动发酵反应器(1)，蠕动驱动装置(7，8)，循环气提装置(13，14)，热泵分离装置(9、10、11、12)。蠕动发酵反应器内安装有同心圆分布的轴，轴上等间距分布有圆球，轴带动球体作上下运动，实现对固态料的来回推动；纤维素发酵挥发性醇步骤：向罐体内加入纤维素、纤维素酶与发酵微生物进行固态发酵，利用循环载气气提带出发酵产物，在热泵蒸发器处被冷凝收集。本发明的优点是球体带动固态料的运动，强化了传质、传热效果，球体对固态料的推动力属于法向作用力，可解决搅拌剪切力对微生物细胞损伤的问题。

Description

一种用于纤维素发酵挥发性醇的蠕动固态发酵反应器及其发酵方法
技术领域
本发明属于纤维素发酵工业技术领域，特别涉及一种用于纤维素发酵挥发性醇的蠕动固态发酵反应器及其发酵方法。
背景技术
自上个世纪以来，随着世界人口的增加及更多国家的工业化，能源消耗也日趋增加。许多专家估计，世界上已知的石油储存量大约30年内将被消耗完，所以世界各国纷纷开展了对新能源的研究与开发。太阳能是人类取之不尽、用之不竭的可再生能源，植物高效利用太阳能合成的木质纤维素，是巨大的可再生资源。据估计，作为植物生物质的主要成分——木质素和纤维素每年以约1640亿吨的速度不断再生，如以能量换算，相当于目前石油年产量的15倍～20倍。如果这部分资源能得到利用，人类相当于拥有了一个取之不尽、用之不竭的资源宝库。随着石油资源的日益减少，纤维素原料用于生产燃料的意义日益突出，利用纤维素原料发酵挥发性醇类，比如乙醇、丁醇，是现在的研究热点。
纤维素发酵方式分为液态发酵和固态发酵两种方式，若纤维素发酵挥发性醇采用液态发酵的方式，由于用水量大，造成发酵产物浓度过低，产物分离成本太高，使得纤维素液态发酵挥发性醇缺乏经济性。另外为了强化传质、传热效果，液态发酵一般采用机械搅拌的方式，而机械搅拌存在剪切力，会损伤发酵微生物细胞的活性，甚至造成微生物细胞的死亡。
固态发酵是指培养基呈固态，虽然含水丰富，但在没有或几乎没有自由流动水的状态下进行的一种或多种微生物发酵过程。由于固态发酵用水量少，能提高发酵产物的浓度，降低产物分离成本，但是固态发酵又普遍存在传质、传热困难的问题，尤其在大规模工业化生产中问题更突出。
发明内容
本发明的目的是针对现有的纤维素发酵挥发性醇反应器无法解决传质、传热问题，或者采用搅拌强化传质、传热带来搅拌剪切力损伤微生物细胞的问题，提出一种用于纤维素发酵挥发性醇的蠕动固态发酵反应器及其发酵方法，利用上下运动的球体模仿小肠蠕动方式，实现对固态料的来回推动，强化传质、传热效果，球体对固态料的推动力属于法向作用力，可解决搅拌剪切力对微生物细胞损伤的问题，并且利用气提实现挥发性醇的在线分离，减除发酵过程的产物抑制。
本发明的技术方案如下：
本发明提供的一种用于纤维素发酵挥发性醇的蠕动固态发酵反应器，其特征在于，该反应器包括：仿生蠕动发酵反应器(1)，蠕动驱动装置(7，8)，循环气提装置(13，14)，热泵分离装置(9、10、11、12)；
所述的发酵反应器包括圆筒形罐体(1)、倒锥形罐底(5)、上部封头(6)、气体分布器(4)，圆筒形罐体(1)上端安装上部封头(6)，下端与倒锥形罐底(5)相连，连接处安装气体分布器(4)，气体分布器(4)还起到支撑物料的作用。
上部封头(6)开有通气孔，通过管道A与热泵蒸发器(9)的下端相连通；倒锥形罐底(5)侧面开有通气孔，通过管道B与热泵蒸发器(9)的上端相连通，该管道B上安装有气体循环泵(13)和阀门(14)；热泵冷凝器(10)不与整个系统相连，产生热量可作它用；
罐内有上下运动的球体(2、3)固定在垂直轴(7)上，球体(2、3)在轴(7)上等间距分布，轴(7)在罐内呈同心圆分布；轴(7)垂直穿过上部封头(6)与气体分布器(4)安装，不能水平运动，只能带动球体(2、3)上下运动，轴(7)的上下运动由电机的旋转运动通过曲轴、连杆(8)实现；靠近罐壁的轴(7)上的球体为半球(2)，罐内轴(7)上的球体为完整球体(3)；罐体材料为刚性材料，在靠近罐壁处还有一层柔性材料(15)，靠近罐壁的轴(7)以及半球(20都被夹在罐体(1)与柔性材料(15)之间，罐内轴(7)以及轴(7)上球体(3)外面也包裹一层柔性材料(15)，柔性材料(15)固定位置不动。
所述的主发酵罐(1)的高径比为1～15。
所述的球体(2、3)与主发酵罐(1)的直径比为1∶2～50。
所述的球体(2、3)的直径与球体(2、3)在轴(7)上的间距之比为1∶1～10。
所述的轴(7)分布的同心圆圈数为1～50。
所述的相邻同心圆上的轴(7)上下运动的方向可以相同，也可以相反；
使用本发明的反应器用于纤维素发酵挥发性醇的步骤如下：
a、向主发酵罐罐体内加入经灭菌的纤维素原料和纤维素酶，并无菌接种发酵微生物，在30～40℃下进行发酵；
b、开启轴上电机，使轴带动球体上下运动，推动固态料来回运动；
c、开启倒锥形罐底与热泵蒸发器连通管道上的气体循环泵和阀门，利用气体夹带出发酵产物；
d、循环气经过热泵蒸发器后被降温，部分发酵产物冷凝出来，浓度得到提高，进行收集得到浓缩后的发酵产物；
e、随着发酵与气提过程的不断进行，发酵产物就都被收集下来。
本发明具有以下优点：
(1)利用纤维素固态发酵挥发性醇，提高了产物浓度；
(2)采用球体蠕动方式，解决了纤维素固态发酵挥发性醇传质、传热的问题；
(3)球体蠕动方式为法向作用力，解决了搅拌剪切力对发酵微生物细胞损伤的问题；
(4)利用气提实现产物的在线分离，减除了产物抑制，可提高发酵效率；
附图说明
图1为本发明的结构示意图
图2为蠕动发酵反应器的俯视图
图1图面说明如下：
1蠕动发酵反应器，2半球体，3完整球体，4气体分布器，5倒锥形罐底，6上部封头，7轴，8曲轴连杆机构，9热泵蒸发器，10热泵冷凝器，11热泵压缩机，12热泵节流阀，13气体循环泵，14阀，15柔性材料，16进料口，17出料口
具体实施方式
实施例1
本实施例的一种用于纤维素发酵挥发性醇的蠕动固态发酵反应器，其高径比为3，总设计容积为50L，轴的上下往复运动由电机组合曲轴连杆实现。
其发酵操作步骤如下：以含水量50％，纤维素含量35％的粉碎汽爆玉米秸秆为原料，使用0.1Mpa的高压蒸汽灭菌，纤维素酶用量为20IU滤纸酶活/g预处理纤维素原料，纤维素酶使用0.45μm超滤膜过滤除菌，将40L的纤维素原料与纤维素酶一起加入发酵罐内，接种安琪高活性酿酒干酵母(接种量0.2％)，并添加营养盐(0.1％(NH4)2SO4、0.1％KH2PO4)，调整pH为4.8～5.0，控制发酵罐内温度在35℃，开启轴上电机，使轴带动球体上下运动，推动固态料来回运动，用CO2置换系统内空气，置换结束后开启倒锥形罐底与热泵蒸发器连通管道上的气体循环泵和阀门，CO2流量控制在2m3/h，利用CO2夹带出乙醇和水，带有乙醇和水蒸汽的CO2经过热泵蒸发器后被降温，部分乙醇和水冷凝出来，间隔从热泵蒸发器底部收集粗乙醇，共发酵24h，最终共收集到乙醇溶液1800ml，其乙醇体积分数18％，总乙醇得率为12.9g/100g玉米秸秆。
实施例2
本实施例采用实施例1的发酵反应器，其发酵操作步骤如下：以含水量50％，纤维素含量35％的粉碎汽爆玉米秸秆为原料，使用0.1Mpa的高压蒸汽灭菌，纤维素酶用量为20IU滤纸酶活/g预处理纤维素原料，纤维素酶使用0.45μm超滤膜过滤除菌，将40L的纤维素原料与纤维素酶一起加入发酵罐内，接种丙酮丁醇梭菌(C.acetobutylicum AS1.132)，接种量10％，并添加营养盐(0.2％(NH4)2SO4、0.2％酵母提取物，0.05％KH2PO4，0.05％K2HPO4)，调整pH为6.5～7.0，控制发酵罐内温度在37℃，开启轴上电机，使轴带动球体上下运动，推动固态料来回运动，用CO2置换系统内空气，置换结束后开启倒锥形罐底与热泵蒸发器连通管道上的气体循环泵和阀门，CO2流量控制在2m3/h，利用CO2夹带溶剂(丁醇，丙酮，乙醇)和水，带有溶剂和水蒸汽的CO2经过热泵蒸发器后被降温，部分溶剂和水冷凝出来，间隔从热泵蒸发器底部收集粗溶剂，共发酵72h，最终共收集到总溶剂1570ml，其中丁醇体积分数4％，总丁醇得率为10.1g/100g玉米秸秆。

Claims (7)

1.一种用于纤维素发酵挥发性醇的蠕动固态发酵反应器，其特征在于，该反应器包括：圆筒形罐体(1)，蠕动驱动装置(7，8)，循环气提装置(13，14)，热泵分离装置(9、10、11、12)，倒锥形罐底(5)、上部封头(6)、气体分布器(4)，圆筒形罐体(1)上端安装上部封头(6)，下端与倒锥形罐底(5)相连，连接处安装气体分布器(4)；上部封头(6)开有通气孔，通过管道A与热泵蒸发器(9)的下端相连通；倒锥形罐底(5)侧面开有通气孔，通过管道B与热泵蒸发器(9)的上端相连通，该管道B上安装有气体循环泵(13)和阀门(14)；罐内有上下运动的球体(2、3)固定在垂直轴(7)上，球体(2、3)在轴(7)上等间距分布，轴(7)在罐内呈同心圆分布；轴(7)垂直穿过上部封头(6)与气体分布器(4)安装，不能水平运动，只能带动球体(2、3)上下运动，轴(7)的上下运动由电机的旋转运动通过曲轴、连杆(8)实现；靠近罐壁的轴(7)上的球体为半球(2)，罐内轴(7)上的球体为完整球体(3)；罐体材料为刚性材料，在靠近罐壁处还有一层柔性材料(15)，靠近罐壁的轴(7)以及半球(20都被夹在圆筒形罐体(1)与柔性材料(15)之间，罐内轴(7)以及轴(7)上球体(3)外面也包裹一层柔性材料(15)，柔性材料(15)固定位置不动。
2.如权利要求1所述的一种用于纤维素发酵挥发性醇的蠕动固态发酵反应器，其特征在于，圆筒形罐体(1)的高径比为1～15∶1。
3.如权利要求1所述的一种用于纤维素发酵挥发性醇的蠕动固态发酵反应器，其特征在于，球体(2、3)与圆筒形罐体仿生蠕动发酵反应器(1)的直径比为1∶2～50。
4.如权利要求1所述的一种用于纤维素发酵挥发性醇的蠕动固态发酵反应器，其特征在于，球体(2、3)的直径与球体(2、3)在轴(7)上的间距之比为1∶1～10。
5.如权利要求1所述的一种用于纤维素发酵挥发性醇的蠕动固态发酵反应器，其特征在于，轴(7)分布的同心圆圈数为1～50。
6.如权利要求1所述的一种用于纤维素发酵挥发性醇的蠕动固态发酵反应器，其特征在于，相邻同心圆上的轴(7)上下运动的方向可以相同，也可以相反。
7.采用权利要求1～6中的任意一项所述的蠕动固态发酵反应器进行纤维素发酵挥发性醇的蠕动固态发酵方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、向蠕动固态发酵反应器内加入经灭菌的纤维素原料和纤维素酶，并无菌接种发酵微生物，在30～40℃下进行发酵；
b、开启轴上电机，使轴带动球体上下运动，推动固态料来回运动；
c、开启倒锥形罐底与热泵蒸发器连通管道上的气体循环泵和热泵节流阀，利用气体夹带出发酵产物；
d、循环气经过热泵蒸发器后被降温，部分发酵产物冷凝出来，浓度得到提高，进行收集得到浓缩后的发酵产物；
e、随着发酵与气提过程的不断进行，发酵产物就都被收集下来。
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