CN103555572A - 一种高效气提耦合发酵制备丁醇的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效气提耦合发酵制备丁醇的装置和方法，装置包括温控循环水浴、发酵罐、树脂柱、补料罐、通气滤器、气体循环器、气体流量计、葛式冷凝器、收集器和气提罐；其中，气提罐通过管道与补料罐连通；气提罐底部内置气体分布器；葛式冷凝器内管顶部一方面通过管道依次顺序与气体流量计、气体循环器、气体分布器连通，另一方面通过管道与树脂柱连通；葛式冷凝器底部与收集器连通，收集器的另一个接口通过管道与气提罐连通收集气提罐内的气体；气提罐与发酵罐系统连通形成回路；发酵罐系统由2个以上并联的发酵罐组成，发酵罐内设置吸附材料用于固定化发酵菌株；发酵罐由温控循环水浴控制温度。
Description
技术领域
本发明涉及一种高效气提耦合发酵制备丁醇的装置和方法，属于发酵法生产丁醇技术。
背景技术
与传统燃料汽油和生物乙醇相比，作为第三代新型生物燃料的丁醇因其高能量密度、较低的饱和蒸汽压和高辛烷值等特性越来越成为研究的热点。随着化石性资源和能源的的日益枯竭和由此带来的环境污染，发酵法制备丁醇因其原料的可再生性、环境污染小从新回到人们的视野中。发酵法制备丁醇过程中，终产物丁醇对菌体正常发酵存在抑制作用，导致发酵液中丁醇最终浓度偏低（<12g/L），并且该过程中丁醇生产能力低，用水量大，分离能耗高，后期分离工艺复杂且不易控制，成本高。因此必须采用有效的方法将产物丁醇从发酵液中移除，降低产物抑制，从而提高发酵产率降低工业陈本。
为了解决上述问题，近些年来人们进行了微生物吸附固定化技术和实验室水平的丁醇发酵分离耦合技术，如萃取发酵、真空发酵、吸附发酵、渗透汽化发酵、气提发酵等工艺，在发酵的过程中，原位提取并提浓丁醇。然而萃取发酵过程中萃取剂对菌体有毒害作用；真空发酵不易操作控制，且真空环境的提供对发酵设备的要求高；吸附发酵由于发酵液菌浓高，易堵塞吸附柱；渗透汽化发酵对渗透汽化膜的通透性高，且膜的再生比较复杂。而气提发酵操作简单，易于控制，用丁醇发酵过程中的自产气体进行循环气提，无需外加其他介质，不存在堵塞问题，具有易于工业化的前景。气提与丙酮-丁醇发酵耦合分离丁醇提高发酵效率的原理主要是利用发酵自产气体通过气体分布器在发酵液中产泡，气泡截获丁醇，随后在一个冷凝器中冷凝回收，而冷凝后的自产气体通过气体循环泵重新打入气体分布器重新回收利用。传统的气提耦合发酵方法由于在线分离技术（气提）的应用，使得整个发酵工艺复杂、不易操作控制、易染菌。且气提过程是在37℃（最适发酵温度）进行的，丁醇移出效率低，为了增加丁醇移出率，解除发酵过程中产物抑制，一般采用增加载气流量，这样就导致气泡的增加，加大了消泡剂的用量，而过多的消泡剂对菌种的正常发酵过程具有副作用的，且37℃条件下气提，冷凝回收温度一般在-5℃左右。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高效气提耦合发酵制备丁醇的装置和方法，该方法具有发酵强度大，丁醇移出率高，操作简单、灵活多变，节能和省水的特点。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种高效气提耦合发酵制备丁醇的装置，它包括温控循环水浴、发酵罐、树脂柱、补料罐、通气滤器、气体循环器、气体流量计、葛式冷凝器、收集器和气提罐；
其中，
气提罐通过管道与补料罐连通；
气提罐底部内置气体分布器；
葛式冷凝器内管顶部一方面通过管道依次顺序与气体流量计、气体循环器、气体分布器连通，另一方面通过管道与树脂柱连通；葛式冷凝器底部与收集器连通，收集器的另一个接口通过管道与气提罐连通收集气提罐内的气体；
气提罐与发酵罐系统连通形成回路，使得发酵液可以在气提罐与发酵罐系统中循环流动；
发酵罐系统由2个以上并联的发酵罐组成，发酵罐内设置吸附材料用于固定化发酵菌株；发酵罐由温控循环水浴控制温度。
其中，所述的气体分布器为管式分布器或盘式分布器。
利用上述装置进行高效气提耦合发酵制备丁醇的方法，将菌株固定化在发酵罐中，将发酵液加入气提罐内，使得发酵液在气提罐和并联的发酵罐内循环流动，气提罐温度控制在37℃～55℃，发酵罐温度控制在35～37℃，补料罐用于补充新鲜的发酵液，开启气体循环器，控制气体流速，使得气泡不断从气体分布器鼓出，同时气提罐内产生的气体吸收至收集器中，树脂柱用于防止发酵自产气体夹带的丁醇溢出。
其中，控制气体流速使得发酵液中的丁醇浓度保持在6～9g/L。
其中，调节补料罐的补料流速，使得发酵液中糖浓度保持在15～25g/L。
其中，发酵罐系统中的发酵液体积和气提罐中发酵液体积之比为0.1～10：1。
其中，气体循环器所使用的气体为丁醇生产菌发酵过程的自产气体。
其中，菌株固定化在发酵罐中，采用分别对单个发酵罐实现固定化后再组装的方式，或者采用对并联的发酵罐同时实现固定化后再组装的方式。
本发明中丁醇生产菌可以是丙酮丁醇梭菌、酪丁酸梭菌或拜式梭菌等生产丁醇菌种。
在与气提罐耦合之前，内置固定化材料的发酵罐通过反复批次发酵将菌体吸附于固定化材料上，直至批次发酵稳定，再与气提罐耦合。使得菌体固定化过程简化，操作灵活、多变，且可根据实际情况决定发酵罐的体积大小及串联个数。
本发明的固定化材料多样化，例如陶瓷、纳米材料、蚕丝、海绵、棉花、活性炭、毛巾、树脂、木块、沸石和涤纶等。
本发明树脂柱中所使用的树脂为大孔吸附树脂KA-I（南京工业大学国家生化工程技术研究中心，南京，江苏）。
发酵系统和气提系统在不同的空间内进行且使用不同的温控系统，使得气提罐温度可以高于发酵罐温度（37℃），在一定温度范围（38℃～50℃）皆可，优选45℃，冷凝回收温度亦可适度提高，优选5℃-25℃，也可用自来水为冷凝剂。
气提系统中冷凝器为改进的葛式蛇形冷凝管，其内芯管是一只内径为20～40mm的螺旋形盘香管，冷却面积比球形大，适合回收气体中的夹带液。
在紧接冷凝管上方利用树脂柱回收被发酵自产气体（CO2和H2混合气）夹带的ABE，确保整个工艺的产物收率。
有益效果：本发明是在传统气提发酵的基础上，将内置固定化材料的发酵罐经过反复批次发酵，待菌体固定化稳定之后再与气提罐进行偶联，实现原位提取丁醇，解除发酵产物抑制。由于菌体固定化过程与气提罐并未偶联，使得整个工艺灵活、多变、高效，且发酵罐和气提罐可采用不同的温控系统，发酵系统和气提系统可以在不同的温度下进行，使得气提温度不再受发酵最适温度（37℃）的限制，提高原位提取产物丁醇的能力，减少载气流量及消泡剂用量，冷凝回收温度亦可适度提高。
附图说明
图1为本发明的装置示意图。其中，1温控循环水浴、2发酵罐、3树脂柱、4泵、5补料罐、6通气滤器、7气体循环器、8气体流量计、9葛式冷凝器、10收集器和11气提罐。
图2为批次发酵进行菌体吸附固定化示意图。
图3为批次发酵固定化稳定时的发酵动力学。
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：
由图1所示，本发明的高效气提耦合发酵制备丁醇的装置，它包括温控循环水浴1、发酵罐2、树脂柱3、补料罐5、通气滤器6、气体循环器7气体流量计8、葛式冷凝器9、收集器10和气提罐11；其中，气提罐11通过管道与补料罐5连通；气提罐11底部内置气体分布器；葛式冷凝器9内管顶部一方面通过管道依次顺序与气体流量计8、气体循环器7、气体分布器连通，另一方面通过管道与树脂柱3连通；葛式冷凝器9底部与收集器10连通，收集器10的另一个接口通过管道与气提罐11连通收集气提罐11内的气体；气提罐11与发酵罐系统连通形成回路，使得发酵液可以在气提罐11与发酵罐系统中循环流动；发酵罐系统由2个以上并联的发酵罐2组成，发酵罐2内设置吸附材料用于固定化发酵菌株；发酵罐2由温控循环水浴1控制温度。
其中，所述的气体分布器为管式分布器或盘式分布器。
利用上述装置进行高效气提耦合发酵制备丁醇的方法，将菌株固定化在发酵罐2中，将发酵液加入气提罐11内，使得发酵液在气提罐11和并联的发酵罐2内循环流动，气提罐11温度控制在38℃～55℃，发酵罐2温度控制在35～37℃，补料罐5用于补充新鲜的发酵液，开启气体循环器7，控制气体流速，使得气泡不断从气体分布器鼓出，同时气提罐11内产生的气体吸收至收集器10中，树脂柱3用于防止发酵自产气体夹带的丁醇溢出。
其中，控制气体流速使得发酵液中的丁醇浓度保持在6～9g/L。
其中，调节补料罐5的补料流速，使得发酵液中糖浓度保持在15～25g/L。
其中，发酵罐系统中的发酵液体积和气提罐11中发酵液体积之比为0.1～10：1。
其中，气体循环器7所使用的气体为丁醇生产菌发酵过程的自产气体。
其中，菌株固定化在发酵罐中，采用分别对单个发酵罐实现固定化后再组装的方式，或者采用对并联的发酵罐同时实现固定化后再组装的方式。
采用对并联的发酵罐同时实现固定化后再组装的方式，具体可以如图2所示，将多个发酵罐2并联，使用同一温控循环水浴1实现控温，同时，多个发酵罐2顶部气体通道与树脂柱3相连通，以截留发酵气体中的丁醇，其中的单个发酵罐2通过各自的泵实现各自独立发酵液循环，实现菌株的固定化。
实施例2：
活化丁醇分发酵菌种，转接2次，进行种子液（100mL）培养，发酵液培养，在内置固定化材料的发酵罐（见图2）中批次发酵固定化。经过4～5批固定培养稳定后(见图3)，将发酵罐罐和气体罐偶联（见图1），重新打入新鲜的发酵培养液4L，发酵罐中发酵液与气提罐中发酵液体积之比为1:3，发酵罐温度37℃，气提罐温度37℃，冷凝器温度-5℃，37℃发酵培养19～23h后，丁醇浓度8g/L，开始气提，气流量10～30m3/h，适当调节气流量，控制丁醇浓度在6～9g/l，整个过程中进行连续补料，发酵液中糖浓度控制在15～25g/L。整个过程中进行连续补料，发酵液中糖浓度控制在15～25g/L，pH用氨水控制在4.5，加入适量消泡剂，防止起泡顶罐（气提罐），丁醇发酵强度0.6g·L-1·h-1。
对比例1：
活化丁醇分发酵菌种，转接2次，进行种子液（100mL）培养，发酵液培养，在内置固定化材料的发酵罐（见图2）中批次发酵固定化。经过4～5批固定培养稳定后(见图3)，将发酵罐罐和气体罐偶联（见图1），重新打入新鲜的发酵培养液4L，发酵罐中发酵液与气提罐中发酵液体积之比为1:3，发酵罐温度37℃，气提罐温度45℃，冷凝器温度-5℃，37℃发酵培养19～23h后，丁醇浓度8g/L，开始气提，气流量5～15m3/h，适当调节气流量，控制丁醇浓度在6～9g/l，整个过程中进行连续补料，发酵液中糖浓度控制在15～25g/L。整个过程中进行连续补料，发酵液中糖浓度控制在15～25g/L，pH用氨水控制在4.5，加入少量消泡剂（生产相同质量的丁醇，本例需加入的消泡剂为实施例1的1/3），防止起泡顶罐（气提罐），丁醇发酵强度为0.66g·L-1·h-1。
对比例2：
活化丁醇分发酵菌种，转接2次，进行种子液（100mL）培养，发酵液培养，在内置固定化材料的发酵罐（见图2）中批次发酵固定化。经过4～5批固定培养稳定后(见图3)，将发酵罐罐和气体罐偶联（见图1），重新打入新鲜的发酵培养液4L，发酵罐中发酵液与气提罐中发酵液体积之比为1:3，发酵罐温度37℃，气提罐温度45℃，冷凝器温度20℃，37℃发酵培养19～23h后，丁醇浓度8g/L，开始气提，气流量8～20m3/h，适当调节气流量，控制丁醇浓度在6～9g/l，整个过程中进行连续补料，发酵液中糖浓度控制在15～25g/L。整个过程中进行连续补料，发酵液中糖浓度控制在15～25g/L，pH用氨水控制在4.5，加入少量消泡剂（生产相同质量的丁醇，本例需加入的消泡剂为实施例1的2/3），防止起泡顶罐（气提罐），丁醇发酵强度为0.64g·L-1·h-1。
:
对比例3：
活化丁醇分发酵菌种，转接2次，进行种子液（100mL）培养，发酵液培养，在内置固定化材料的发酵罐（见图2）中批次发酵固定化。经过4～5批固定培养稳定后(见图3)，将发酵罐罐和气体罐偶联（见图1），重新打入新鲜的发酵培养液4L，发酵罐中发酵液与气提罐中发酵液体积之比为1:3，发酵罐温度37℃，气提罐温度45℃，冷凝剂为自来水，37℃发酵培养19～23h后，丁醇浓度8g/L，开始气提，气流量8～20m3/h，适当调节气流量，控制丁醇浓度在6～9g/l，整个过程中进行连续补料，发酵液中糖浓度控制在15～25g/L。整个过程中进行连续补料，发酵液中糖浓度控制在15～25g/L，pH用氨水控制在4.5，加入少量消泡剂（生产相同质量的丁醇，本例需加入的消泡剂为实施例1的2/3），防止起泡顶罐（气提罐），丁醇发酵强度为0.64g·L-1·h-1。
实施例3：
活化丁醇分发酵菌种，转接2次，进行种子液（100mL）培养，发酵液培养，在内置固定化材料的发酵罐（见图2）中批次发酵固定化。经过4～5批固定培养稳定后(见图3)，将发酵罐罐和气体罐偶联（见图1），重新打入新鲜的发酵培养液4L，发酵罐中发酵液与气提罐中发酵液体积之比为1:1，发酵罐温度37℃，气提罐温度37℃，冷凝器温度-5℃，37℃发酵培养12～14h后，丁醇浓度8g/L，开始气提，气流量20～50m3/h，适当调节气流量，控制丁醇浓度在6～9g/l，整个过程中进行连续补料，发酵液中糖浓度控制在15～25g/L。整个过程中进行连续补料，发酵液中糖浓度控制在15～25g/L，pH用氨水控制在4.5，加入适量消泡剂（生产相同质量的丁醇，本例需加入的消泡剂为实施例1的1.5倍），防止起泡顶罐（气提罐），丁醇发酵强度为0.8g·L-1·h-1。
对比例4：
活化丁醇分发酵菌种，转接2次，进行种子液（100mL）培养，发酵液培养，在内置固定化材料的发酵罐（见图2）中批次发酵固定化。经过4～5批固定培养稳定后(见图3)，将发酵罐罐和气体罐偶联（见图1），重新打入新鲜的发酵培养液4L，发酵罐中发酵液与气提罐中发酵液体积之比为1:1，发酵罐温度37℃，气提罐温度45℃，冷凝器温度-5℃，37℃发酵培养12～14h后，丁醇浓度8g/L，开始气提，气流量10～20m3/h，适当调节气流量，控制丁醇浓度在6～9g/l，整个过程中进行连续补料，发酵液中糖浓度控制在15～25g/L。整个过程中进行连续补料，发酵液中糖浓度控制在15～25g/L，pH用氨水控制在4.5，加入少量消泡剂（生产相同质量的丁醇，本例需加入的消泡剂为实施例2的1/2），防止起泡顶罐（气提罐），丁醇发酵强度为0.9g·L-1·h-1。
对比例5：
活化丁醇分发酵菌种，转接2次，进行种子液（100mL）培养，发酵液培养，在内置固定化材料的发酵罐（见图2）中批次发酵固定化。经过4～5批固定培养稳定后(见图3)，将发酵罐罐和气体罐偶联（见图1），重新打入新鲜的发酵培养液4L，发酵罐中发酵液与气提罐中发酵液体积之比为1:1，发酵罐温度37℃，气提罐温度45℃，冷凝器温度20℃，37℃发酵培养12～14h后，丁醇浓度8g/L，开始气提，气流量15～30m3/h，适当调节气流量，控制丁醇浓度在6～9g/l，整个过程中进行连续补料，发酵液中糖浓度控制在15～25g/L。整个过程中进行连续补料，发酵液中糖浓度控制在15～25g/L，pH用氨水控制在4.5，加入少量消泡剂（生产相同质量的丁醇，本例需加入的消泡剂为实施例2的3/4），防止起泡顶罐（气提罐），丁醇发酵强度为0.89g·L-1·h-1。
:对比例6：
活化丁醇分发酵菌种，转接2次，进行种子液（100mL）培养，发酵液培养，在内置固定化材料的发酵罐（见图2）中批次发酵固定化。经过4～5批固定培养稳定后(见图3)，将发酵罐罐和气体罐偶联（见图1），重新打入新鲜的发酵培养液4L，发酵罐中发酵液与气提罐中发酵液体积之比为1:1，发酵罐温度37℃，气提罐温度45℃，冷凝剂为自来水，37℃发酵培养12～14h后，丁醇浓度8g/L，开始气提，气流量15～30m3/h，适当调节气流量，控制丁醇浓度在6～9g/l，整个过程中进行连续补料，发酵液中糖浓度控制在15～25g/L。整个过程中进行连续补料，发酵液中糖浓度控制在15～25g/L，pH用氨水控制在4.5，加入少量消泡剂（生产相同质量的丁醇，本例需加入的消泡剂为实施例2的3/4），防止起泡顶罐（气提罐），丁醇发酵强度为0.89g·L-1·h-1。
Claims (8)
1.一种高效气提耦合发酵制备丁醇的装置，其特征在于，它包括温控循环水浴（1）、发酵罐（2）、树脂柱（3）、补料罐（5）、通气滤器（6）、气体循环器（7）、气体流量计（8）、葛式冷凝器（9）、收集器（10）和气提罐（11）；
其中，
气提罐（11）通过管道与补料罐（5）连通；
气提罐（11）底部内置气体分布器；
葛式冷凝器（9）内管顶部一方面通过管道依次顺序与气体流量计（8）、气体循环器（7）、气体分布器连通，另一方面通过管道与树脂柱（3）连通；葛式冷凝器（9）底部与收集器（10）连通，收集器（10）的另一个接口通过管道与气提罐（11）连通收集气提罐（11）内的气体；
气提罐（11）与发酵罐系统连通形成回路，使得发酵液可以在气提罐（11）与发酵罐系统中循环流动；
发酵罐系统由2个以上并联的发酵罐（2）组成，发酵罐（2）内设置吸附材料用于固定化发酵菌株；发酵罐（2）由温控循环水浴（1）控制温度。
2.根据权利要求1所述的高效气提耦合发酵制备丁醇的装置，其特征在于，所述的气体分布器为管式分布器或盘式分布器。
3.利用权利要求1所述装置进行高效气提耦合发酵制备丁醇的方法，其特征在于，将菌株固定化在发酵罐（2）中，将发酵液加入气提罐（11）内，使得发酵液在气提罐（11）和并联的发酵罐（2）内循环流动，气提罐（11）温度控制在37℃～55℃，发酵罐（2）温度控制在35～37℃，补料罐（5）用于补充新鲜的发酵液，开启气体循环器（7），控制气体流速，使得气泡不断从气体分布器鼓出，同时气提罐（11）内产生的气体吸收至收集器（10）中，树脂柱（3）用于防止发酵自产气体夹带的丁醇溢出。
4.根据权利要求3所述的高效气提耦合发酵制备丁醇的方法，其特征在于，控制气体流速使得发酵液中的丁醇浓度保持在6～9g/L。
5.根据权利要求3所述的高效气提耦合发酵制备丁醇的方法，其特征在于，调节补料罐（5）的补料流速，使得发酵液中糖浓度保持在15～25g/L。
6.根据权利要求3所述的高效气提耦合发酵制备丁醇的方法，其特征在于，发酵罐系统中的发酵液体积和气提罐（11）中发酵液体积之比为0.1～10：1。
7.根据权利要求3所述的高效气提耦合发酵制备丁醇的方法，其特征在于，气体循环器（7）所使用的气体为丁醇生产菌发酵过程的自产气体。
8.根据权利要求3所述的高效气提耦合发酵制备丁醇的方法，其特征在于，菌株固定化在发酵罐（2）中，采用分别对单个发酵罐（2）实现固定化后再组装的方式，或者采用对并联的发酵罐（2）同时实现固定化后再组装的方式。
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