CN103233046A

CN103233046A - 一种生产脂肪酸的方法及所用装置

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Publication number: CN103233046A
Application number: CN2013101404154A
Authority: CN
Inventors: 曾建雄; 张放; 张岩; 陈曼; 褚培娜; 丁静; 申晓菲
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2013-04-22
Filing date: 2013-04-22
Publication date: 2013-08-07

Abstract

本发明提供了一种生产脂肪酸的方法，首先将生物质热裂解气化生产合成气，随后以中空纤维膜作为附着载体和原位供气装置，以所述合成气为原料，利用厌氧微生物发酵生产脂肪酸。本发明还提供了一种生产脂肪酸的装置。本发明采用中空纤维膜作为微生物的附着介质，可以减少微生物的流失；采用中空纤维膜丝原位提供合成气，提高了合成气扩散到微生物的传质效率，及其利用速率。采用本发明的反应器系统和方法，在较短时间内得到富集的利用合成气的微生物,生产出脂肪酸，尤其是中长链脂肪酸，如己酸和辛酸。

Description

一种生产脂肪酸的方法及所用装置

技术领域

本发明涉及微生物发酵技术领域，具体涉及一种生产脂肪酸的方法和所用的装置。

背景技术

能源是维持人类生活和促进社会经济发展的重要基础之一。随着化石能源的枯竭和人类对全球性环境问题的关注，采用可再生能源取代化石能源是当前关注和研究热点。而通过光合作用合成的生物质是惟一可再生并可替代化石能源的资源。例如：当前我国可利用的生物质达到209亿吨，相当于5.8亿吨标准煤。生物质的利用方法包括：化学方法和生物方法。生物质利用的主要化学方法之一是首先通过热化学方法将其气化生产合成气（包括CO、H₂和CO₂等），而后通过费托合成技术将该合成气转换成燃料以及其他化工原料或者产品。不过，反应温度高、合成气成分复杂导致催化剂失活等诸多不利因素限制了化学方法的广泛应用。

生物技术具有操作条件要求温和、底物利用速率快等优势。根据其利用生物质的方式，又可以分为直接发酵和间接发酵。直接发酵，即为混合菌群直接利用生物质生产生物燃料。由于生物质成分复杂，微生物不能完全利用。而间接发酵，则是利用上述合成气作为底物，可以合成包括乙酸、丁酸和乙醇等产物在内的脂肪酸和生物燃料，是一种具有潜质应用价值的生物质利用技术。

由于合成气中CO和H₂等在水中的溶解度较低，目前微生物间接发酵利用生物质的运行模式主要采用序批式反应器（SBR），并通过其高搅拌速率、合成气内循环等方式促进CO和H₂等在水中溶解以利于微生物利用。但是，上述操作均不能明显改善合成气在水中的溶解速率，同时造成反应器内剪切力过大，降低微生物活性，导致反应器的合成气利用速率较低。此外，这些操作的能耗较高，并不适于大规模应用。

发明内容

为了解决现有技术中合成气-反应器液相传质效率不高，合成气利用率不高，微生物活性低，反应器运行成本高等技术难题，本发明的目的是提供一种生产脂肪酸的方法。

本发明的另一目的是提供一种生产脂肪酸的装置。

为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是：

首先，本发明提供了一种生产脂肪酸的方法，首先将生物质热裂解气化生产合成气，随后以中空纤维膜作为附着载体和原位供气装置，以所述合成气为原料，利用厌氧微生物发酵生产脂肪酸。

优选的，所述方法的具体步骤如下：

（1）生物质热裂解气化生产合成气；

（2）将厌氧微生物和培养基加入到装有中空纤维膜的密闭装置中；

（3）将步骤（1）所述合成气通入到所述密闭装置中进行发酵，得到所需的脂肪酸。

优选的，所述生物质热裂解气化生产合成气，其生产方法是采用文献（Asadullah,M.,Ito,S.I.,Kunimori,K.,Yamada,M.and Tomishige,K.(2002)Energy efficient production of hydrogen and syngas from biomass:Development oflow-temperature catalytic process for cellulose gasification.Environmental Science&Technology36(20),4476-4481.）中报道的方法合成的。所述合成气主要指氢气和二氧化碳混合气，氢气和一氧化碳混合气，或氢气、二氧化碳和一氧化碳混合气。

优选的，所述合成气的压力和通气量以反应器顶空不能检测出合成气，能够实现合成气的完全利用为准。更优选的，所述合成气的压力为0.05～0.15Mpa。

优选的，所述厌氧微生物主要是指梭状芽孢杆菌类，如Clostridiumljungdahlii和Clostridium kluyveri等。

优选的，所述培养基为液体培养基，更优选的，所述液体培养基为能够供给厌氧类微生物生长所需的常量和微量元素的液体培养基，其用量为使中空纤维膜浸入到所述培养基中为准。所述液体培养基的配方没有特别的限制，本发明实施例中所述液体培养基具体组成如下（单位是：mg/L）NH₄Cl，500；KH₂PO₄，200；Na₂SO₄，40；KCl，50；CaCl₂，10；MgCl₂·6H₂O，70；MnCl₂·4H₂O，0.8；CoCl₂·2H₂O，1.2；FeSO₄·7H₂O，3.2；AlCl₃，0.5；NaMO₄·2H₂O，0.1；H₃BO₃，0.2；NiCl₂·6H₂O，0.5；CuCl₂·2H₂O，1.1；ZnSO₄·2H₂O，3.2；EDTA（Na⁺型)，3.0。

优选的，所述发酵条件包括：温度25-40℃，pH值4.0-8.0，连续流运行的水力学停留时间（HRT）为1-30天。

进一步地，本发明提供了一种生产脂肪酸的装置，包括：装有中空纤维膜的反应器，以及分别与该反应器贯通的合成气供应装置，培养基供应装置，反应物回收装置，测定反应器中反应体系的pH值检测装置；其中，所述反应器上设有进气口和出气口。

优选的，所述装置还包括反应体系循环系统，该系统与所述反应器贯通，该系统中设有循环泵。

优选的，所述pH值检测装置连接在所述反应体系循环系统上。

优选的，所述反应器上还设有取样口。

优选的，所述反应器上顶部和下底部分别装有法兰。

优选的，所述中空纤维膜是指由若干膜片单元组成的中空纤维膜堆，该中空纤维膜堆上端封闭，下端设有供合成气进入的开口，所述开口与所述进气口贯通。

相对于现有技术中的方案，本发明的优点是：

（1）采用中空纤维膜作为微生物的附着介质，可以减少微生物的流失；

（2）采用中空纤维膜丝可以原位提供合成气，提高了合成气扩散到微生物的传质效率，及其利用速率；

（3）采用本发明的反应器系统和方法，在较短时间内得到富集的利用合成气的微生物；

（4）采用本发明的反应器系统和方法，适于利用合成气生产脂肪酸，尤其是中长链脂肪酸，如己酸和辛酸。

附图说明

图1为本发明实施例利用生物质发酵生产脂肪酸的装置的结构示意图。

其中附图标记如下：

反应器1，中空纤维膜10，开口101，进气口11，和出气口12，取样口13，气体取样口14，法兰15、16，合成气供应装置2，稳压阀21，培养基供应装置3，进水泵31，反应物回收装置4，测定反应器中反应体系的pH值检测装置5，反应体系循环系统6，循环泵61。

具体实施方式

下面结合附图及其具体实施方式详细介绍本发明。但本发明的保护范围并不局限于以下实例，应包含权利要求书中的全部内容。

实施例1利用生物质发酵生产脂肪酸的装置

如图1所示，本发明提供了一种生产脂肪酸的装置，包括：装有中空纤维膜10的反应器1，以及分别与该反应器贯通的合成气供应装置2，培养基供应装置3，反应物回收装置4，测定反应器中反应体系的pH值检测装置5；其中，所述反应器1上设有进气口11和出气口12。

其中，所述合成气供应装置2中设有控制合成气压力的稳压阀21，该装置2与所述进气口11相连；所述培养基供应装置3中设有进水泵31。

为了使厌氧微生物更好的附着在中空纤维膜上，和增强物质之间的传递，所述装置还包括反应体系循环系统6，该系统与所述反应器1贯通，该系统中设有循环泵61。优选的，所述pH值检测装置5串联在所述反应体系循环系统6中。

为了便于测试样品，所述反应器侧壁上还设有取样口13。为了便于测试出气口中的合成气的存在，所述所述反应器1的顶部还设有气体取样口14。

为了便于安装中空纤维膜10，所述反应器1的上顶部和/或下底部分别装有法兰15、16。

其中，优选的，所述中空纤维膜10是指由若干膜片单元组成的中空纤维膜堆，该中空纤维膜堆上端封闭，下端设有供合成气进入的开口101，所述开口101与所述进气口11贯通。

实施例2中性pH值和间歇运行模式下，采用中空纤维膜反应器的混合菌群利用生物质间接发酵生产脂肪酸的新方法。

所用装置采用实施例1中的装置，如图1所示。本实施例中，中空纤维膜反应器1材质为有机玻璃。外壳内径3.5cm，高30cm。在距下端1cm，2cm，14cm，20cm，25cm处分别设有培养基供应装置3连接口，反应体系循环系统6进水口，取样口13，反应体系循环系统6循环口和反应物回收装置4连接口。中空纤维膜束10由30根聚乙烯中空纤维膜丝组成，膜丝有效长度为22cm，内径1mm，外径1.1mm，膜丝上端用环氧树脂封死，下端与下法兰15上的进气口11贯通。合成气成分为60%氢气和40%二氧化碳。合成气通过气体稳压阀21与进气口11相连，进气压力设置在0.1MPa。

间歇模式运行方法为：以葡萄糖为底物，向中空纤维膜反应器1中加入厌氧微生物，本实施例中所采用的厌氧微生物为任意包含Clostridium ljungdahlii和Clostridium kluyveri的厌氧微生物，其存在与任意厌氧发酵体系中，如文献所示，Steinbusch,K.J.J.,Hamelers,H.V.M.,Plugge,C.M.and Buisman,C.J.N.(2011)Biological formation of caproate and caprylate from acetate:fuel andchemical production from low grade biomass.Energy&Environmental Science4(1),216-224。所述厌氧微生物向反应器培养基中的接种体积比例为5%。所用培养基为维持微生物生长所必需的液体培养基，使得中空纤维膜丝完全浸没在该液体培养基中。所述液体培养基包括微生物生长所需的常量和微量元素，具体如下（单位是：mg/L）NH₄Cl，500；KH₂PO₄，200；Na₂SO₄，40；KCl，50；CaCl₂，10；MgCl₂·6H₂O，70；MnCl₂·4H₂O，0.8；CoCl₂·2H₂O，1.2；FeSO₄·7H₂O，3.2；AlCl₃，0.5；NaMO₄·2H₂O，0.1；H₃BO₃，0.2；NiCl₂·6H₂O，0.5；CuCl₂·2H₂O，1.1；ZnSO₄·2H₂O，3.2；EDTA（Na⁺型)，3.0。开启合成气供给气路上的稳压阀21和反应器的循环泵61，使得接种物逐渐附着在膜丝上。在此阶段，反应器1温度维持在30-35℃之间，pH值维持在6.0～6.5。根据反应器1顶气体取样口14中合成气的含量变化，通过调节稳压阀21控制合成气的供给量。这一过程进行5-15天，大部分接种物附着到中空纤维膜10丝外表面。

每天从取样口13取液相样品，检测脂肪酸的浓度；从气体取样口14取气体样品，检测气体含量的变化。7天后，中空纤维膜丝表面全部附着厌氧菌群。然后，按照在间歇条件下运行60天，乙酸、丁酸、己酸和辛酸的最高浓度分别达到7.4，1.8，0.98和0.42g/L。并且，在运行过程中，氢气的利用率也达到100%。生物膜的菌群分析（按照克隆文库分析法）表明，Clostridiumljungdahlii和Clostridium kluyveri的含量达到60%。

实施例3酸性pH值和连续流运行模式下，采用中空纤维膜反应器的混合菌群利用生物质间接发酵生产脂肪酸的新方法.

间歇模式运行方法为：以葡萄糖为底物，向中空纤维膜反应器1中加入厌氧微生物，本实施例中所采用的厌氧微生物为任意包含Clostridium ljungdahlii和Clostridium kluyveri的厌氧微生物，其存在与任意厌氧发酵体系中，如文献所示，Steinbusch,K.J.J.,Hamelers,H.V.M.,Plugge,C.M.and Buisman,C.J.N.(2011)Biological formation of caproate and caprylate from acetate:fuel andchemical production from low grade biomass.Energy&Environmental Science4(1),216-224。

所述厌氧微生物向反应器培养基中的接种体积比例为5%。在如下条件运行：温度35℃，pH值为4.5～5.0,合成气压力0.1MPa。合成气成分为60%氢气和40%二氧化碳。培养基包括微生物生长所需的常量和微量元素，具体如下（单位是：mg/L）NH₄Cl，500；KH₂PO₄，200；Na₂SO₄，40；KCl，50；CaCl₂，10；MgCl₂·6H₂O，70；MnCl₂·4H₂O，0.8；CoCl₂·2H₂O，1.2；FeSO₄·7H₂O，3.2；AlCl₃，0.5；NaMO₄·2H₂O，0.1；H₃BO₃，0.2；NiCl₂·6H₂O，0.5；CuCl₂·2H₂O，1.1；ZnSO₄·2H₂O，3.2；EDTA（Na⁺型)，3.0。每天从取样口取液相样品13，检测脂肪酸的浓度；从气体取样口14取气相样品，检测气体含量的变化。7天后，中空纤维膜丝表面全部附着厌氧菌群。然后，按照在间歇条件下运行25天，乙酸的最高浓度分别达到12.5g/L，而丁酸仅为0.1g/L，并且没有检测到其他的脂肪酸，所以乙酸的纯度达到99.2%。运行过程中，氢气的利用率达到100%。

之后，采用连续运行模式，HRT维持在10天时，反应器出水中乙酸的浓度约为3.3g/L，丁酸的浓度低于0.4g/L，并且没有检测到其他的脂肪酸。而HRT维持在3天时，反应器出水中乙酸的浓度约为1.0g/L，丁酸的浓度低于0.1g/L，同时也没有检测到其他的脂肪酸。在运行过程中，乙酸的纯度达到90%，同时氢气的利用率达到100%。生物膜的菌群分析（按照克隆文库分析法）表明，Clostridium ljungdahlii的含量达到70%。

上述实施例说明，在间歇式和连续流运行模式下，中空纤维膜表面均能形成生物膜，并且能够稳定的运行。同时，在中空纤维膜反应器中可以实现合成气的原位利用，其中，氢气的利用效率可以达到100%，并且生产多种脂肪酸，尤其是中长链脂肪酸。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种生产脂肪酸的方法，首先将生物质热裂解气化生产合成气，随后以中空纤维膜作为附着载体和原位供气装置，以所述合成气为原料，利用厌氧微生物发酵生产脂肪酸。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法的具体步骤如下：

（1）生物质热裂解气化生产合成气；

（3）将步骤（1）所述合成气通入到所述密闭装置中进行发酵，得所需的脂肪酸。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述合成气指氢气和二氧化碳混合气，氢气和一氧化碳混合气，或氢气、二氧化碳和一氧化碳混合气。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述培养基为液体培养基;所述厌氧微生物主要是指梭状芽孢杆菌类。

5.一种利用生物质发酵生产脂肪酸的装置，其特征在于，包括：装有中空纤维膜的反应器，以及分别与该反应器贯通的合成气供应装置，培养基供应装置，反应物回收装置，测定反应器中反应体系的pH值检测装置；其中，所述反应器上设有进气口和出气口。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括反应体系循环系统，该系统与所述反应器贯通，该系统中设有循环泵。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述pH值检测装置连接在所述反应体系循环系统上。

8.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述反应器上还设有取样口。

9.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述反应器上顶部和下底部分别装有法兰。

10.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述中空纤维膜是指由若干膜片单元组成的中空纤维膜堆，该中空纤维膜堆上端封闭，下端设有供合成气进入的开口，所述开口与所述进气口贯通。