CN102643870B - 吸附载体发酵丙酮丁醇的方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种吸附载体发酵制备丙酮丁醇的方法与装置，包括以下步骤：选择吸水性好、性质稳定、具有多孔结构的无毒载体，按照一定比例与丙酮丁醇液体培养基混合均匀、接种后进行吸附载体发酵。采用发酵装置为传统发酵罐，内设一个或多个多孔吸附载体筒以实现固液分相。发酵结束后，通过重力作用可实现发酵液与载体的直接分离。本发明提供的吸附载体发酵方式，提高了丙酮丁醇发酵的溶剂得率，降低了副产物乙醇的相对含量，并且载体可反复使用。

Description

吸附载体发酵丙酮丁醇的方法与装置
技术领域
本发明属于发酵工程技术领域，特别涉及一种将吸附载体应用于丙酮丁醇发酵的方法及装置。
背景技术
丁醇是一种重要的有机化工原料，可用作油漆和表面涂料的溶剂，同时作为一种极具潜力的新型生物燃料，与甲醇和乙醇相比，丁醇具有良好的水不溶性，低蒸汽压，高热值等特点，能够与汽油达到更高的混合比，更适合在现有的燃料供应和分销系统中使用。
由于发酵法生产丁醇具有原料可再生、不依赖石油等特点，发酵法制备丁醇逐渐成为生物能源的研究热点之一。近年来生物丁醇生产装置逐年增加，我国相关企业的生物丁醇总生产能力己超过20万吨/年。以Clostridium acetobutyliucm为代表的梭菌在其代谢中产生丙酮、丁醇、乙醇三种主要成分的混合物的过程称为丙酮-丁醇-乙醇(acetone-butanol-ethanol，ABE)发酵，也称丙酮丁醇发酵。目前影响丙酮丁醇发酵产率和得率的主要因素之一是严重的产物抑制，当丁醇浓度达到5~11g/L时，丁醇生产菌株的生长与代谢即会发生显著毒害甚至死亡。因此提高生物丁醇的产率和得率对于生物丁醇产业发展至关重要。
近年来己有相关专利涉及生物丁醇的高效制备技术。专利87103534公开了一种利用处于指数生长期的产丁醇梭菌菌液，通过瓷环吸附制成固定化细胞；专利200910076955.4公开了一种利用处于指数生长期的产丁醇梭菌菌液，通过秸秆吸附制成固定化细胞的方法，采用这些专利方法，发酵过程中细胞壁、细胞膜和载体都存在扩散限制作用，并且载体形成的孔隙大小还会影响高分子底物的通透性，同时需要容器分别实现细胞固定化与产物发酵。专利201010559493.4公开了一种固定床发酵分离耦合连续生产生物丁醇的方法，但该专利固定化方法比较复杂，需要增加填充床反应器，并需要发酵液在生物反应器和填充床之间的循环，增大了生产成本，并且增加了染菌机率。
以吸附载体为丙酮发酵过程的固相，微生物生长的营养为吸附在载体上的培养液，能够对培养基组分、产物组成进行合适的调节；微生物细胞所处微环境对微生物生长代谢产生着重要影响，其中微环境pH、底物和产物的种类与浓度、界面的性质、载体的多孔性等诸多因索都会对微生物的生长代谢产生重要的影响。另外，吸附载体表面往往含有烃基、氨基、羧基等极性基团，可以调节微环境水活度、pH和界面性质等。
本发明基于以上思路，提出吸附载体发酵方式制备丙酮丁醇的方法与装置，与液体发酵丙酮丁醇相比，溶剂总产量提高了20~60%，产率达到0.20~0.30g/(L·h)；同时，在三种溶剂组成上，保证丁醇比例（质量百分比）不变的前提下，丙酮比例由30%最高提高到39.2%，乙醇比例降至不足2%，鉴于丙酮的附加值高于乙醇，因而溶剂组成更具有经济性。
发明内容
本发明的目的是提供一种吸附载体发酵方法与装置，提高丙酮丁醇发酵产率和得率。
本发明的技术方案：
本发明所提出的吸附载体发酵丙酮丁醇的方法与装置，所采用的技术方案如下:
(1)将多孔吸附载体放置在发酵罐内置多孔筒内，接入丙酮丁醇发酵液体培养基，使多孔载体浸没于培养液中，灭菌；
(2)接种发酵菌株种子液于发酵罐中进行发酵，接种质量为液体培养基的质量的2~15%；
(3)发酵结束后，打开出料口分离发酵液，多孔载体仍可继续利用。
所述的吸附载体包括但不局限于海绵、纸浆、蛭石、无纺布、沸石、陶瓷、秸秆、预处理秸秆中的一种或多种。
所述的秸秆载体包括但不局限于小麦秸秆、玉米秸秆、水稻秸秆、甘蔗渣、玉米芯、大麻、棉秆、菠萝叶、皇竹草中的一种或多种；优选玉米秸秆，玉米芯，甘蔗渣或大麻中的一种或多种。
所述的预处理秸秆方法包括但不局限于碱处理、机械粉碎、蒸汽爆破、微波处理、超声波处理、辐射处理、冷冻处理、纤维素溶剂处理、有机溶剂处理、稀酸预处理、氧化处理、超临界萃取处理中的一种或多种方式的组合。
发酵罐中载体与接种后液体培养基比例为（质量体积比）1∶3~1∶20，培养基中总糖浓度为50~110g/L，底物糖种类包括但不局限于木糖，葡萄糖，甘露糖，半乳糖或其混合物。
用于本发明所述的吸附载体发酵丙酮丁醇的方法的装置，特征在于在发酵罐内设有一个或多个多孔吸附载体筒，载体填充于载体筒内，多孔筒浸没于液体培养基内，且固态发酵罐附有灭菌装置和通气装置，可实现在线灭菌与发酵过程中的氮气保护。
本发明的有益效果在于：
发酵过程中，微生物被吸附在吸附载体上，通过多孔筒的孔隙和载体的多孔实现底物与产物的传递，增加了发酵过程中微生物与底物的接触比表面，实现了丙酮丁醇的高效生产，提高了丁醇以及总溶剂的生产能力，并且改善了丙酮丁醇溶剂中三种溶剂的组成比例。
附图说明
附图1和2为本发明的装置结构示意图。
其中：1-种子罐  2-出料口  3-吸附载体  4-多孔筒  5-进料口
具体实施方式
下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
以80g/L葡萄糖为底物，以汽爆-脱木质素预处理玉米秸秆为载体，培养基灭菌后，接种Clostridium acetobutylicum ATCC 824，发酵72h，葡萄糖利用完全。发酵后打开出料口，得到发酵液。与对照液体发酵实验相比，吸附载体发酵中总溶剂产量提高了57%。
实施例2
以54g/L木糖为底物，以无纺布为载体，培养基灭菌后，接种Clostridiumacetobutylicum ATCC 824，发酵72h，木糖利用完全。发酵后打开出料口，分离发酵液与吸附载体。与对照液体发酵实验相比，吸附载体发酵中总溶剂产量提高了27%。
实施例3
以60g/L葡萄糖为底物，聚氨酯泡沫为载体，灭菌后，接种Clostridiumacetobutylicum ATCC 824，发酵72h，葡萄糖利用完全。发酵后打开出料口，得到发酵液。与对照液体发酵实验相比，吸附载体发酵中总溶剂产量提高了39%。
实施例4
以90g/L葡萄糖、甘露糖和木糖的混合物为发酵碳源，预处理甘蔗渣为载体，培养基灭菌后，接种Clostridium acetobutylicum ATCC 824，发酵72h，混合糖基本利用完全。发酵后分离发酵液与发酵载体。与相同条件液体发酵实验相比，吸附载体发酵中总溶剂产量提高了33%。
实施例5
以110g/L葡萄糖、半乳糖的混合物为发酵碳源，以纸浆为载体，培养基灭菌后，接种Clostridium acetobutylicum ATCC 824，发酵72h，混合糖基本利用完全。发酵后分离发酵液与发酵载体。与相同条件液体发酵实验相比，吸附载体发酵中总溶剂产量提高了42%。

Claims (2)

1.一种多孔吸附载体发酵丙酮丁醇的方法，包括下述步骤：
（1）将多孔吸附载体放置在发酵罐内置一个或多个多孔筒内，接入丙酮丁醇发酵液体培养基，使多孔吸附载体浸没于液体培养基中，灭菌；所述的多孔吸附载体为纸浆、无纺布、聚氨酯泡沫、预处理蔗渣、汽爆-脱木质素预处理玉米秸秆；
（2）接种发酵菌株种子液于发酵罐中进行发酵，接种质量为液体培养基质量的2-15%；其中发酵罐中多孔吸附载体与接种后液体培养基的质量体积比为1:3～1:20，培养基中总糖浓度为50～110g/L，底物糖种类为木糖、甘露糖、半乳糖或其混合物；
（3）发酵结束后，打开出料口，分离发酵液，多孔吸附载体仍可继续使用。
2.根据权利要求1所述的多孔吸附载体发酵丙酮丁醇的方法，其特征在于步骤（1）所述的预处理玉米秸秆的处理方法为碱处理、机械粉碎、蒸汽爆破、微波处理、超声波处理、冷冻处理、有机溶剂处理、稀酸预处理、氧化处理、超临界萃取处理中的一种或多种方式的组合。
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