CN103555560B - 一种丙酮丁醇发酵偶联分离纯化制备丁醇的装置和方法 - Google Patents

一种丙酮丁醇发酵偶联分离纯化制备丁醇的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种丙酮丁醇发酵偶联分离纯化制备丁醇的装置，搅拌式生物反应器通过管道与种子培养罐连通；搅拌式生物反应器底部内置气体分布器；搅拌式生物反应器、冷却装置、固定化装置、菌液分离装置依次顺序连通，并形成循环回路；且搅拌式生物反应器依次顺序与气提提冷凝管、储罐连通，储罐置于低温循环恒温槽内，且储罐通过管道与冷凝液收集器连通。本发明还公开了利用上述装置进行丙酮丁醇发酵偶联分离纯化制备丁醇的方法。本发明除了有效消除糖和丙酮丁醇发酵产物的抑制作用、提高丙酮丁醇发酵产物产量和原料利用效率以外，还可以有效降低生产能耗和成本，给目前以生物法生产丁醇和丙酮及产物分离纯化提供了新的技术支持。

Description

一种丙酮丁醇发酵偶联分离纯化制备丁醇的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种丙酮丁醇发酵偶联分离纯化制备丁醇的装置和方法，属于生物化工领域。
背景技术
随着石油类的非可再生资源的大量消耗，使其价格的不断上涨，世界许多公司开始进行战略调整，用生物发酵可再生资源代替非可再生资源，用生物技术路线代替化学技术路线的生产。一种新生的生物能源——丁醇，进入人们的视野，它是一种极具潜力的新型燃料，被称为第二代生物燃料。相比其他生物燃料，生物丁醇的燃烧值和辛烷值都与汽油最接近，在燃料性能和经济性方面具有明显的优势。丁醇与汽油的配伍性更好，能够与汽油达到更高的混合比，在不对汽车发动机进行改造的情况下，乙醇与汽油混合比的极限为10%，而汽油中允许调入的丁醇可以达到20%。其次丁醇具有较高的能量密度。丁醇分子结构中含有的碳原子数比乙醇多，单位体积能储存更多的能量，测试表明丁醇能量密度接近汽油，而乙醇的能量密度比汽油低35%。而且丁醇的蒸汽压力低，能通过管道流动，并且在与汽油混合时对水作为杂质的宽容度大，这使其比乙醇更适合在现有的汽油供应和分销系统中应用(Durre P(2007)Biobutanol:an attractive biofuel.Biotechnol J2:1525–1534)。但是，用生物法生产丁醇时，发酵产物丁醇对菌种有毒害作用，发酵终点的丁醇浓度通常不超过1.5%(w/v)，导致其分离成本很高，很难实现工业化生产(Demain A L.Biosolut ions to the energy problem[J].J Ind Microbiol Biotechnol,2009,36:319-332.)。
由于丁醇的沸点为117.7℃，高于水的沸点100℃，且发酵中丁醇浓度通常低于2%(w/v)，因此，如果利用传统的精馏或蒸馏分离法，其分离成本极高，经济上是不可行的，很难实现工业化生产(García V,J,Ojamo H,et al.Challenges in biobutanolproduction:how to improve the efficiency?[J].Renewable and sustainable energy reviews,2011,15(2):964-980.)。
在线发酵偶联分离技术如液液萃取、吸附、气提、渗透汽化等，可以通过在发酵过程中不断移除并回收对细胞产生抑制作用的丁醇，提高发酵效率，是提高生物法生产丁醇的有效技术。其中相比其他分离方法，气提耦合发酵对培养基无害，也不需要移出营养物质和中间产物，不需要昂贵的萃取剂，操作简单，分离产品清洁无渣质，它的优势是显而易见的。除此以外，气提法还能适用于不同的底物、不同的发酵方式，适用范围广（Qureshi N,Blaschek H P.Recovery of butanol from fermentation broth by gasstripping[J].Renewable Energy,2001,22(4):557-564.）。然而，传统的气提分离技术使用的气提原料液为菌液混合液并且原料液的温度为发酵温度，在发酵过程中菌体浓度会升高使丁醇的气提效率降低，丁醇沸点较高在发酵温度下不易带出且带出的丁醇浓度较低，导致气提效率低，能耗大。例如，目前关于丁醇气提的文献中，气提得到的丁醇浓度都低于其在水中的溶解度7.8%（w/w）（20℃），在气提冷凝液中仍然有大量的水存在，不但使气提过程中大部分能量消耗在冷凝液中的水上，并且导致后续分离成本很高。而本发明可以解除菌体对发酵的影响，能快速的把丁醇移除并冷凝（Ezeji T C,Karcher P M,Qureshi N,et al.Improving performance of a gas stripping-based recovery system to removebutanol from Clostridium beijerinckii fermentation[J].Bioprocess and biosystems engineering,2005,27(3):207-214.）。到目前为止，未见使用渗透-加热-气提耦合的气提提纯法对丁醇和丙酮进行分离纯化的报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高效一种丙酮丁醇发酵偶联分离纯化制备丁醇的装置和方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种丙酮丁醇发酵偶联分离纯化制备丁醇的装置，它包括种子培养罐、搅拌式生物反应器、冷却装置，固定化装置，菌液分离装置，气提冷凝管，储罐、低温循环恒温槽和冷凝液收集器；其中，搅拌式生物反应器通过管道与种子培养罐连通；搅拌式生物反应器底部内置气体分布器；搅拌式生物反应器、冷却装置、固定化装置、菌液分离装置依次顺序连通，并形成循环回路；且搅拌式生物反应器依次顺序与气提提冷凝管、储罐连通，储罐置于低温循环恒温槽内，且储罐通过管道与冷凝液收集器连通。
其中，气体分布器上附着有金属模，金属膜上有数个孔径为0.5～1μm的小孔。气提的原料液为经菌液分离装置分离后的发酵液（不含菌体），气体在一定流速下通过发酵系统中的分布器变成微米尺度的气泡进入发酵系统中进行气提。
其中，固定化装置中的固定化材料为甘蔗渣、木屑、毛巾、竹炭纤维、树脂、活性炭、沸石、纳米纤维、细菌纤维素膜和聚酯纤维素膜中的任意一种或几种的组合。
其中，菌液分离装置采用微滤膜组件。菌液分离装置的流出液连通至搅拌式生物反应器中，菌液分离装置的截留液回流至固定化装置中。
其中，气提冷凝管为直形或蛇形冷凝管。
利用上述装置进行丙酮丁醇发酵偶联分离纯化制备丁醇的方法，将丁醇生产菌接种至种子培养罐中进行种子培养；之后泵入搅拌式生物反应器中发酵，发酵过程中通过泵将发酵液从搅拌式生物反应器中抽出泵入冷却装置降低发酵液温度，继续泵入固定化装置实现菌株的固定化，再泵入菌液分离装置，菌液分离装置的截留液返回固定化装置中，菌液分离装置的流出液回到搅拌式生物反应器中；菌体的固定化完成之后，保证固定化装置的温度为30～40℃，搅拌式生物反应器的温度为70℃；开启气体分布器，利用气提法从发酵液在线分离纯化丁醇，丁醇经气提冷凝管冷凝至储罐中，最终泵入冷凝液收集器中。
其中，所述的丁醇生产菌为丙酮丁醇梭菌、拜氏梭菌、大肠杆菌或酪丁酸梭菌。
其中，气体分布器所用的气体为发酵过程中丁醇生产菌产生的气体；气体分布器间歇通入气体或者连续通入气体；间歇通入气体时，当搅拌式生物反应器中的发酵液的丁醇浓度大于等于8g/L时通入气体，当搅拌式生物反应器中的发酵液的丁醇浓度低于8g/L时停止通入气体；连续通入气体时，当搅拌式生物反应器中的发酵液的丁醇浓度大于等于8g/L时通入气体直至发酵结束。
其中，气体分布器的气流速度为每升发酵液中通入0.5～10L/min，气体流动方向为向上或向下。
其中，气提冷凝管（6）的温度为-20～20℃。
有益效果：本发明方法，在不增加设备投资和节省能耗的前提下，有效的提高了丁醇和丙酮的生产和分离纯化的效率，给目前以生物法生产丁醇和丙酮及产物分离纯化提供了新的技术支持。
附图说明
图1为本发明中用于丁醇生产和分离纯化的装置结构示意图。
图2为发酵系统中的搅拌式生物反应器的气体分布器和分布器上包裹的金属膜示意图。
图3为在37和70℃下气提过程中冷凝液和发酵液中丁醇浓度的关系图。
图4为在37和70℃下气提过程中丁醇的气提速率和发酵液中丁醇浓度的关系图。
图5为发酵液在有无细胞两种条件下气提过程中冷凝液和发酵液中丁醇浓度的关系图。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
实施例1：
图1为本发明装置的示意图。由图1可知，本发明的丙酮丁醇发酵偶联分离纯化制备丁醇的装置，它包括种子培养罐1、搅拌式生物反应器2、冷却装置3，固定化装置4，菌液分离装置5，气提冷凝管6，储罐7、低温循环恒温槽8和冷凝液收集器9；其中，搅拌式生物反应器2通过管道与种子培养罐1连通；搅拌式生物反应器2底部内置气体分布器；搅拌式生物反应器2、冷却装置3、固定化装置4、菌液分离装置5依次顺序连通，并形成循环回路；且搅拌式生物反应器2依次顺序与气提提冷凝管6、储罐7连通，储罐7置于低温循环恒温槽8内，且储罐7通过管道与冷凝液收集器9连通。
由图2可见，气体分布器上附着有金属模，金属膜上有数个孔径为0.5～1μm的小孔。
固定化装置4中的固定化材料为甘蔗渣、木屑、毛巾、竹炭纤维、树脂、活性炭、沸石、纳米纤维、细菌纤维素膜和聚酯纤维素膜中的任意一种或几种的组合。
菌液分离装置5采用微滤膜组件。菌液分离装置5的流出液连通至搅拌式生物反应器2中，菌液分离装置5的截留液回流至固定化装置4中。
气提冷凝管6为直形或蛇形冷凝管。
实施例2：
将丁醇生产菌接种至种子培养罐1中进行种子培养；之后通过泵10泵入搅拌式生物反应器2中发酵，发酵过程中通过泵11将发酵液从搅拌式生物反应器2中抽出泵入冷却装置3降低发酵液温度，继续泵入固定化装置4实现菌株的固定化，再泵入菌液分离装置5，菌液分离装置5的截留液返回固定化装置4中，菌液分离装置5的流出液通过泵12泵回到搅拌式生物反应器2中，以此实现菌株细胞的固定化。细胞固定化的作用如下：①大部分细胞被吸附固定化材料吸附，小部分细胞悬浮在发酵液中，因此发酵液中的细胞密度降低，进而使发酵液粘度降低，有利于菌液分离，有利于对发酵液中丁醇和丙酮的气提，从而提高气提效率；②细胞被吸附材料吸附后，菌体在吸附材料表面形成膜状结构，有助于提高菌体对丁醇和丙酮的抗性；③每次非细胞固定化发酵之前都需要重新接入种子液（菌体液），而细胞固定化后，发酵前不需要接种，可以反复使用之发酵。
菌体的固定化完成之后，保证固定化装置4的温度为30～40℃，搅拌式生物反应器的温度为70℃；开启气体分布器，利用气提法从发酵液在线分离纯化丁醇，丁醇经泵13泵入气提冷凝管6再冷凝至储罐7中，最终通过泵14泵入冷凝液收集器9中。
所述的丁醇生产菌为丙酮丁醇梭菌、拜氏梭菌、大肠杆菌或酪丁酸梭菌，优选丙酮丁醇梭菌。
气体分布器所用的气体为发酵过程中丁醇生产菌产生的气体；气体分布器间歇通入气体，当发酵液中的丁醇浓度大于等于8g/L时通入气体，当发酵液中的丁醇浓度低于8g/L时停止通入气体。
气体分布器的气流速度为每升发酵液中通入0.5～10L/min，气体流动方向为向上或向下。
气提冷凝管6的温度为-20～20℃。
种子培养基在使用之前，要在121℃灭菌15min,冷却到室温后，接入丁醇生产菌。优选将丁醇生产菌培养到生长最活跃的对数期。为了将丁醇生产菌培养到对数期，培养时间优选为10-15h,更优选为12h；培养温度优选为35-39℃，更优选为37℃。
发酵培养基是为丙酮丁醇生产菌提供营养（主要是碳源）的，葡萄糖可以作为发酵培养基的碳源，淀粉、糖蜜、甘蔗渣水解液、木薯水解液或纤维素水解液等也都可以作为发酵培养基的碳源。所述的发酵培养基在接入丙酮丁醇生产菌种子液之前，先在121℃灭菌15min后，通入氮气或其他惰性气体60-90min进行除氧处理，冷却至室温后，接入丙酮丁醇生产菌种子液。丙酮丁醇生产菌的接种量可根据发酵培养基的量和需要要进行适当调整，一般为5-15%（体积百分比）。
发酵温度为35-40℃，优选为37℃。发酵过程中的PH控制在4.5左右，使用氢氧化钠溶液和盐酸溶液作为PH调节剂。当葡萄糖浓度低于一定浓度时，补加高浓度的糖（600g/L），使其继续发酵。
本发明方法首先利用微滤膜的性质，使用微滤膜组成的菌液分离装置5把菌体和发酵液分离开来；再利用搅拌式生物反应器2对发酵液进行加热，加热到70℃；然后利用丁醇、丙酮的挥发性和丁醇、丙酮在气提中的扩散性原理，通过气提法从发酵液中在线分离纯化丁醇和丙酮，即一边进行发酵产生丁醇和丙酮，一边从发酵液中分离纯化丁醇和丙酮，从而使发酵液中丁醇和丙酮不断被移取，降低丁醇和丙酮对细胞的毒害作用，延长了菌体存活时间和高速丁醇和丙酮发酵时间；剩余的发酵液经泵11泵入冷却装置3中，使发酵液冷却到发酵温度37℃，通入到固定化发酵装置4中继续发酵。
气提原料液为经菌液分离装置分离后的发酵液（不含菌体），气提时所用气体优选为发酵过程中丁醇生产菌产生的气体，通常是二氧化碳和氢气，根据需要，可适当通入少量外援气体（氮气或其他惰性气体），这样既可以节省成本又可以提高气提效率。其中，气体在一定流速下通过发酵系统中的分布器变成毫米或微米尺度的气泡进入发酵系统中进行气提，分布器的孔径根据气提需要变化。
如上所述，本发明的方法实现了对发酵过程中毒性抑制产物丁醇和丙酮的在线的不断移除和有效回收与浓缩的双重目的，提高了丁醇和丙酮的生产效率，降低了丁醇和丙酮的回收成本，给目前以生物法生产丁醇和丙酮及产物分离纯化提供了新的技术支持，提高了发酵法生产丁醇和丙酮的经济效益，适合于应用推广。
实施例3：
丙酮丁醇生产菌：丙酮丁醇梭菌（Clostridium acetobutylicum strain），购买于中国普通微生物保藏管理中心（CGMCC5234）
种子培养基：酵母粉3g/L，蛋白胨5g/L，葡萄糖10g/L(常用葡萄糖有一分子的结晶水，实际要多称10%)，乙酸铵2g/L，氯化钠2g/L，七水合硫酸镁3g/L，磷酸二氢钾1g/L，磷酸氢二钾1g/L，七水合硫酸亚铁0.1g/L。
发酵培养基：碳源（葡萄糖60g/L）、磷酸盐缓冲液（磷酸二氢钾0.5g/L，磷酸氢二钾0.5g/L）、乙酸铵2.2g/L、维生素（对氨基苯甲酸1mg/L,硫胺1mg/L，生物素0.01mg/L）、矿物盐(一水合硫酸锰0.01g/L,氯化钠0.01g/L,七水合硫酸镁0.2g/L,七水合硫酸亚铁0.01g/L)。
丁醇生产菌的培养和发酵：种子培养基在配好后，要通氮气除氧5-8min，再在121℃下灭菌15min，冷却至室温后，才能接入生产菌进行种子培养。将丁醇生产菌在种子罐1中与37℃的条件下培养12h后，接入发酵培养基中。发酵培养基配好后，在121℃下灭菌20min，再通入氮气除氧30分钟，冷却至室温后，通过泵10把种子罐1中的含有丁醇生产菌的种子液（发酵培养基体积的5%-15%）泵入搅拌式生物反应器2中，在37℃的条件下开始发酵，发酵15h后，启动泵11、泵12使含有丁醇生产菌的发酵培养基在冷却装置3、细胞固定化装置4（使用棉纤维作为吸附材料）、菌液分离装置5和搅拌式生物反应器2中循环，实现细胞固定化。发酵培养基初始不调节PH值，当发酵PH低于4.5后，自动流加氢氧化钠溶液或盐酸溶液，将PH控制在4.5左右。
丁醇和丙酮的分析使用常规的气相色谱法，葡萄糖的浓度测定使用常规液相色谱法或DNS法。
气体后分离得到的冷凝液中丁醇浓度可提高到515.2g/L。
丁醇和丙酮的冷凝液在冷凝液储罐7中静止分为上下两层，上层为富集的丁醇有机相，丁醇浓度在758.5g/L左右，下层为水相，丁醇浓度在78.6g/L左右。
对比例1：无分离操作的丁醇和丙酮的发酵（分批发酵）。
按上述方法进行丁醇生产菌的培养和发酵。通过泵10把种子罐1中的含有丁醇生产菌的种子液（发酵培养基体积的5%-15%）泵入搅拌式生物反应器2中，在37℃的条件下开始发酵，发酵15h后，启动泵11、泵12使含有丁醇生产菌的发酵培养基在冷却装置3、细胞固定化装置4（使用棉纤维作为吸附材料）、菌液分离装置5和搅拌式生物反应器2中循环，实现细胞固定化同时发酵，直到结束。结果如表1所示，丁醇在发酵液中的终点浓度为15.1g/L。
对比例2：传统的气提法分离。
按上述方法进行丁醇生产菌的培养和发酵。把种子罐1中的含有丁醇生产菌的种子液接入搅拌式生物反应器2中发酵，当丁醇浓度达到8g/L左右，开始气提同时冷凝，直到发酵结束。对气提得到的冷凝产物进行收集、静置，冷凝液没有分层。传统气提法进行气提，采用发酵与气提同时进行，并且无细胞固定化装置4和菌液分离装置5；另外，传统法也未联合其他分离方法。除此之外，传统气提法均与实例1相同。结果如表所示。结果表明传统气提法的气提效率和丁醇回收浓度都很低，冷凝液中回收到的丁醇浓度为65.6g/L。
对比例3：传统的固定化发酵与气提耦合的方法分离。
按上述方法进行丁醇生产菌的培养和发酵。传统的固定化发酵与气提耦合的方法分离丁醇时，在发酵装置和固定化装置之间没有接入微滤膜组成的菌液分离装置，即没有先将发酵液中的细胞与发酵液分离，把发酵液加热到70℃再气提，因此，发酵过程中菌体浓度会升高，导致气提效率降低，而且在37℃丁醇挥发性不高，气提耗费时间长，气提冷凝的丁醇浓度不高。结果如表1所示。结果表明传统的固定化发酵与气提耦合的方法分离丁醇的浓度为134.4g/L。
对比例4：固定化发酵与气提耦合（菌液分离）在37℃下分离纯化丁醇。
按上述方法进行丁醇生产菌的培养和发酵。通过泵10把种子罐1中的含有丁醇生产菌的种子液（发酵培养基体积的5%-15%）泵入搅拌式生物反应器2中，在37℃的条件下开始发酵，发酵15h后，启动泵11、泵12使含有丁醇生产菌的发酵培养基在冷却装置3、细胞固定化装置4（使用棉纤维作为吸附材料）、菌液分离装置5和搅拌式生物反应器2中循环，实现细胞固定化同时发酵，当丁醇浓度达到8g/L左右，开启启动低温循环恒温槽8为气提冷凝管6提供低温冷凝液，启动泵12开始气提。发酵-气提过程中，当糖浓度低于一定浓度时，开始补加高浓度的糖，控制补加的量使其不达到丁醇生产菌最高耐糖浓度，避免糖抑制的发生。结果见表1。
对比例5：以丁醇和水的混合物为原料液在37℃下气提分离纯化丁醇。
通常发酵液中丁醇浓度小于15g/L。本发明分别以丁醇在水中的浓度为6g/L、10g/L、12g/L为原料液，在37℃下对原料液中的丁醇通过气提法进行分离纯化。气提装置与对比例4相同。结果见表2。
实施例4：固定化发酵与气提耦合（菌液分离）在70℃下分离纯化丁醇。
按上述方法进行丁醇生产菌的培养和发酵。通过泵10把种子罐1中的含有丁醇生产菌的种子液（发酵培养基体积的5%-15%）泵入搅拌式生物反应器2中，在37℃的条件下开始发酵，发酵15h后，启动泵11、泵12使含有丁醇生产菌的发酵培养基在冷却装置3、细胞固定化装置4（使用棉纤维作为吸附材料）、菌液分离装置5和搅拌式生物反应器2中循环，实现细胞固定化同时发酵，当丁醇浓度达到8g/L左右，对搅拌式生物反应器2进行加热，加热的同时开启启动低温循环恒温槽8为气提冷凝管6提供低温冷凝液，加热到70℃时，启动泵12开始气提。发酵-气提过程中，当糖浓度低于一定浓度时，开始补加高浓度的糖，控制补加的量使其不达到丁醇生产菌最高耐糖浓度，避免糖抑制的发生。结果见表1。
实施例5：以丁醇和水的混合物为原料液在70℃下气提分离纯化丁醇。
通常发酵液中丁醇浓度小于15g/L。本发明分别以丁醇在水中的浓度为6g/L、10g/L、12g/L为原料液，在70℃下对原料液中的丁醇通过气提法进行分离纯化。气提装置与实施例4相同。结果见表2。
表1
从表1的结果可知，固定化发酵明显快于游离发酵；气提过程促进菌体发酵；去除菌体明显提高气提效率；在70℃比在37℃气提效率更高。通过本发明的方法，可以得到丁醇浓度在515.2g/L的高浓度丁醇混合液，与固定化发酵与气提耦合（菌液分离）在37℃下分离纯化丁醇相比，获得的丁醇混合液的浓度提高2倍以上；与传统的固定化发酵与气提耦合的方法分离丁醇相比，获得的丁醇混合液的浓度提高3.5倍以上；与传统的气提法分离相比，获得的丁醇混合液的浓度提高7.5倍以上。
从表2的结果可知，原料液中的丁醇浓度越高，气提得到的冷凝液中的丁醇浓度越高，气提速率越大；在70℃比在37℃气提效率更高。在同一原料液浓度情况下，气提速率在70℃是在37℃的1.5倍以上。
表2
由上可知，传统不耦合分离的丙酮丁醇发酵，得到的发酵液中丁醇为15.1g/L。传统的气提法分离丁醇得到的冷凝液中的丁醇浓度为65.6g/L。传统的固定化发酵与气提耦合的方法分离丁醇得到的冷凝液中的丁醇浓度为134.4g/L。固定化发酵与气提耦合（菌液分离）在37℃下分离纯化丁醇得到的冷凝液中的丁醇浓度为134.4g/L。通过本发明的方法得到的冷凝液中的丁醇浓度为515.2g/L。由于通过本发明的方法得到的冷凝液中含有极高浓度的丁醇，极易通过简单的处理如精馏、蒸馏或膜分离获得纯丁醇。本发明的渗透-加热-气提耦合分离纯化法对提高丁醇提取效率、提高丁醇提纯浓度，降低整个发酵分离工艺的能耗极为重要。和传统的发酵液直接精馏相比，本发明的渗透-加热-气提耦合分离纯化法需要消耗的能量为传统的发酵液直接精馏的35%左右，并且保证后续丁醇的纯化分离可以在含有极高丁醇浓度的溶液中低能耗、高效率进行。因此，本发明除了有效消除糖和丙酮丁醇发酵产物的抑制作用、提高丙酮丁醇发酵产物产量和原料利用效率以外，还可以有效降低生产能耗和成本，给目前以生物法生产丁醇和丙酮及产物分离纯化提供了新的技术支持，具有很大的工业应用价值。

Claims (9)

1.一种丙酮丁醇发酵偶联分离纯化制备丁醇的装置，其特征在于，它包括种子培养罐(1)、搅拌式生物反应器(2)、冷却装置(3)，固定化装置(4)，菌液分离装置(5)，气提冷凝管(6)，储罐(7)、低温循环恒温槽(8)和冷凝液收集器(9)；其中，搅拌式生物反应器(2)通过管道与种子培养罐(1)连通；搅拌式生物反应器(2)底部内置气体分布器；搅拌式生物反应器(2)、冷却装置(3)、固定化装置(4)、菌液分离装置(5)依次顺序连通，并形成循环回路；且搅拌式生物反应器(2)依次顺序与气提冷凝管(6)、储罐(7)连通，储罐(7)置于低温循环恒温槽(8)内，且储罐(7)通过管道与冷凝液收集器(9)连通； 
菌液分离装置(5)采用微滤膜组件，菌液分离装置(5)的流出液连通至搅拌式生物反应器(2)中，菌液分离装置(5)的截留液回流至固定化装置(4)中。 
2.根据权利要求1所述的丙酮丁醇发酵偶联分离纯化制备丁醇的装置，其特征在于，气体分布器上附着有金属膜，金属膜上有数个孔径为0.5～1μm的小孔。 
3.根据权利要求1所述的丙酮丁醇发酵偶联分离纯化制备丁醇的装置，其特征在于，固定化装置(4)中的固定化材料为甘蔗渣、木屑、毛巾、竹炭纤维、树脂、活性炭、沸石、纳米纤维、细菌纤维素膜和聚酯纤维素膜中的任意一种或几种的组合。 
4.根据权利要求1所述的丙酮丁醇发酵偶联分离纯化制备丁醇的装置，其特征在于，气提冷凝管(6)为直形或蛇形冷凝管。 
5.利用权利要求1所述装置进行丙酮丁醇发酵偶联分离纯化制备丁醇的方法，其特征在于，将丁醇生产菌接种至种子培养罐(1)中进行种子培养；之后泵入搅拌式生物反应器(2)中发酵，发酵过程中通过泵将发酵液从搅拌式生物反应器(2)中抽出泵入冷却装置(3)降低发酵液温度，继续泵入固定化装置(4)实现菌株的固定化，再泵入菌液分离装置(5)，菌液分离装置(5)的截留液返回固定化装置(4)中，菌液分离装置(5)的流出液回到搅拌式生物反应器(2)中；菌体的固定化完成之后，保证固定化装置(4)的温度为30～40℃，搅拌式生物反应器的温度为70℃；开启气体分布器，利用气提法从发酵液在线分离纯化丁醇，丁醇经气提冷凝管(6)冷凝至储罐(7)中，最终泵入冷凝液收集器(9)中。 
6.根据权利要求5所述的丙酮丁醇发酵偶联分离纯化制备丁醇的方法，其特征在于，所述的丁醇生产菌为丙酮丁醇梭菌、拜氏梭菌、大肠杆菌或酪丁酸梭菌。 
7.根据权利要求5所述的丙酮丁醇发酵偶联分离纯化制备丁醇的方法，其特征在 于，气体分布器所用的气体为发酵过程中丁醇生产菌产生的气体；气体分布器间歇通入气体或者连续通入气体；间歇通入气体时，当发酵液中的丁醇浓度大于等于8g/L时通入气体，当发酵液中的丁醇浓度低于8g/L时停止通入气体；连续通入气体时，当发酵液中的丁醇浓度大于等于8g/L时通入气体直至发酵结束。 
8.根据权利要求5所述的丙酮丁醇发酵偶联分离纯化制备丁醇的方法，其特征在于，气体分布器的气流速度为每升发酵液中通入0.5～10L/min，气体流动方向为向上或向下。 
9.根据权利要求5所述的丙酮丁醇发酵偶联分离纯化制备丁醇的方法，其特征在于，气提冷凝管(6)的温度为-20～20℃。 
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