CN103555771A - 一种co发酵制乙醇的生产方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CO发酵制乙醇的生产方法及设备。采用两步法发酵，生长与发酵分开进行，分别采用不同的反应器与反应条件。木质纤维素生物质经高温液态水处理后的水解液用于提供菌株生长时的碳源，而CO作为乙醇发酵时的唯一碳源，生长阶段采用搅拌罐式反应器，发酵阶段采用填充床式反应器，从搅拌罐式反应器出来的培养液直接输入填料床反应器，不需要进行细胞分离浓缩及补充新的培养基。发酵菌株为Clostridium autoethanogenum。本发明采用改良的培养基，一方面降低了培养基成本，另一方面实现了对木质纤维素生物质水解液的综合利用；而且简化了流程。另外，CO仅用于发酵阶段，不用于菌体生长，既能缩短整个生产周期，又大大提高了CO的乙醇转化率。

Description

一种CO发酵制乙醇的生产方法及设备

技术领域

本发明涉及到生物化工技术领域，尤其涉及一种CO发酵制乙醇的生产方法及设备。

技术背景

随着工业的迅速发展，工业废气的排放量日益增长，这些废气中所含的有毒有害气体使得环境污染日趋严重。比如CO，它是工业生产中广泛存在的一种有毒气体，如高炉气、转炉气、焦炉气、电石炉气、黄磷炉气、炭黑尾气等都含CO，在这些废气中CO含量可以从百分之几到90%左右(体积比)。保守估计，仅我国钢铁行业CO的年排放量至少可达5000万吨以上。如何治理或有效利用这些工业废气是亟待解决的问题之一。

Clostridium autoethanogenum是一株严格厌氧梭菌，它能以CO为唯一碳源进行生长并发酵生成乙醇，因此有望用于富CO工业废气的治理。Clostridiumautoethanogenum的另一个特性是可以利用木糖，它以木糖为碳源时生长迅速，但发酵得到的乙醇浓度低（＜0.4g/L）。另一方面，用高温液态水处理木质纤维素生物质，得到的水解液主要含木糖及低聚木糖，发酵抑制物如糠醛等含量较低，但是到目前为止该水解液尚未得到有效利用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种乙醇生产的新方法，利用CO发酵制取乙醇，同时综合利用木质纤维素生物质的水解液，降低乙醇的生产成本。

本发明可应用于富CO工业废气的治理及能源化，废气需要预先净化处理，除去O₂等有害气体，主要成分为CO，但允许含有N₂，CO₂，H₂及少量H₂S（＜体积百分比1%）。木质纤维素生物质指原料中木聚糖含量≥15%的木质纤维素生物质，如蔗渣、甜高粱渣等。

本发明将木质纤维素水解液中木糖的利用与CO气态发酵乙醇相结合，采取的技术方案如下：

本发明采用两步法发酵CO制取乙醇。反应设备括水解反应器，冷却器，培养基储罐，灭菌器，反应器A（搅拌罐式反应器）与反应器B（填料床反应器）。

本发明方法的步骤为：

S1：木质纤维素原料粉碎后置于水解反应器中进行水解，通N₂维持压力，反应结束后，水解液冷却至40℃左右，进入培养基储罐，水解残渣分离后可进一步酶解发酵；

S2：向培养基储罐中加入培养基组分与水解液混合，反应器A内置平叶涡轮搅拌器，灭菌后的培养基通入反应器A，冷却至37℃后接种发酵菌株Clostridium autoethanogenum，培养过程中一直从反应器底部通入无菌N₂维持无氧环境，温度保持在37℃，培养至菌液OD₆₀₀≥1.0时，将培养液泵入反应器B；

S3：反应器B中装有Ф6陶瓷拉西环填料，装填高度为反应器B高度的85%，反应器B预先通无菌N₂保持无氧，培养液通入后将N₂换成CO，当培养液的液面升至填料上方时停止通入培养液，反应器B持续通CO进行发酵,发酵温度保持在37℃；

S4：补充新鲜培养基到反应器A至培养液回到原有体积，继续培养至OD₆₀₀≥1.0后，培养液连续从反应器A输入反应器B，向反应器A连续通入新鲜培养基，从反应器B连续取出发酵液，进行连续培养、发酵。培养液在反应器B中的停留时间为36小时。

反应器A、B均为圆柱体，且体积相等，但反应器B的直径为反应器A直径的二分之一。反应器B是填充床反应器，大的高径比有利于增加气体停留时间，促进气体底物的溶解。

连续发酵时，从反应器A取出的培养液直接输入反应器B，不需要进行微生物细胞的分离浓缩。

培养基组成为，每1L水解液含：10mL无机盐溶液，10mL微量元素溶液，10mL维生素溶液，1.0g酵母膏，0.5g半胱氨酸盐酸，5.0g吗啉乙磺酸，0.5mL0.1%刃天青，pH6。①无机盐溶液组成：NaCl80g/L,NH₄Cl100g/L,KCl10g/L,KH₂PO₄10g/L,MgSO₄·7H₂O20g/L,CaCl₂·2H₂O4g/L；②微量元素溶液组成：次氮基三乙酸2g/L,MnCl₂.4H₂O1.3g/L,CoCl₂.6H₂O0.2g/L,ZnSO₄.7H₂O0.2g/L,FeCl₃.6H₂O0.4g/L,CuCl₂.2H₂O0.02g/L,NiCl₂.6H₂O0.02g/L,Na₂MoO₄.2H₂O0.02g/L,Na₂WO₄.2H₂O0.025g/L；③维生素溶液组成：生物素2mg/L,叶酸2mg/L,维生素B₆10mg/L,维生素B₁5mg/L,核黄素5mg/L,烟酸5mg/L,泛酸钙5mg/L,维生素B₁₂5mg/L,对氨基苯甲酸5mg/L。培养基可实现连续发酵。

本发明的另一个目的提供了CO发酵制备乙醇的设备，其特征在于，包括：

水解反应器：用于将木质纤维素原料与水混合后水解；

培养基储罐：用于存储水解后的水解液及配制培养基；

灭菌器：用于将配制好的培养基进行灭菌处理；

搅拌罐式反应器：用于Clostridium autoethanogenum的生长培养；

填料床反应器：通入纯CO或富CO工业废气让菌液吸收利用并发酵成乙醇；

所述水解反应器、培养基储罐、灭菌器、搅拌罐式反应器（反应器A）、填料床反应器（反应器B）依次经管道顺序连接。

反应器A为搅拌罐式反应器，内置平叶涡轮搅拌器，用于菌株的生长，培养体积为反应器A体积的85%，培养温度37℃，搅拌转速100rpm，培养时持续通N₂保持反应器A无氧。

反应器B为填充床反应器，内装Ф6陶瓷拉西环填料，装填高度为反应器B高度的85%。反应器B用于菌株发酵CO产乙醇，发酵温度保持在37℃，发酵时持续通入CO。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1）本发明采用改良后的培养基，去掉了蛋白胨、硫化钠、碳酸氢钠等组分，同时以木质纤维素原料的水解液取代木糖，既可以降低培养基成本，又可以实现对木质纤维素原料的综合利用。而且采用高温液态水法处理木质纤维素原料，方法简单，无污染。

2）采用两步法发酵，生长与发酵分开进行，分别采用不同的反应器与反应条件。木质纤维素生物质（蔗渣、甜高粱渣等）经高温液态水处理后的水解液用于提供菌株生长时的碳源，而CO作为乙醇发酵时的唯一碳源，生长阶段采用搅拌罐式反应器，发酵阶段采用填充床式反应器，可实现连续发酵。从搅拌罐式反应器出来的培养液直接输入填料床反应器，不需要进行细胞分离浓缩及补充新的培养基。

3）CO仅用于发酵阶段，不用于菌体生长，既能缩短整个生产周期，又大大提高了CO的乙醇转化率。

4）填料床反应器中装填Ф6陶瓷拉西环填料，耐腐蚀，比表面积达789m²/m³，空隙率0.73，大大增加了气液的接触面积与接触时间，有利于CO等难溶气体的吸收利用，而且填料对微生物细胞有一定的固定化作用，能提高反应器中的细胞密度，从而提高发酵产物乙醇的浓度。

附图说明

图1是本发明CO发酵制乙醇的流程及发酵装置示意图.

附图标记说明：1-木质纤维素原料进口，2-水解反应器，3-水解残渣出口，4-冷却器，5-水解液进口，6-培养基配制及储罐，7-其余培养基组分进口，8-灭菌器，9-培养基进口，10-反应器A，11-排气口，12-搅拌器，13-N₂进口，14-培养液进口，15-CO进口，16-反应器B，17-发酵液出口，18-排气口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例：

请参阅图1所示，木质纤维素原料如蔗渣、甜高粱渣等粉碎至40-80目，与水以质量比1:20混合，置于水解反应器2中进行水解，反应条件：180℃，4MPa，20min（通N₂维持压力）。反应结束后，水解液经冷却器4冷却至40℃左右，进入培养基储罐6。水解残渣从出口3取出后可进一步酶解发酵。从进口7向培养基储罐6加入其他的培养基组分，与水解液混合。配制好的培养基进入灭菌器8，121℃灭菌15min。

反应器A10与反应器B16均为圆柱体，且体积相等，但反应器B16直径为反应器A10直径的二分之一。反应器A10与反应器B16预先蒸汽灭菌。灭菌后的培养基通入反应器A10，开启搅拌器12，冷却至37℃后接种发酵菌株Clostridium autoethanogenum，培养过程中一直从反应器底部通入无菌N₂维持无氧环境，温度保持在37℃，搅拌转速100rpm，培养体积为反应器体积的85%，废气从排气口11排出。培养至菌液OD₆₀₀≥1.0时，将培养液泵入反应器B16。反应器B16中装有Ф6陶瓷拉西环填料，装填高度为反应器高度的85%。反应器B16预先从底部进口15通入无菌N₂保持无氧，培养液开始进入反应器B16后马上将N₂换成CO。当培养液的液面升至填料上方2cm时停止通入培养液，反应器B16进入持续通CO发酵阶段，发酵温度37℃，此时不取出发酵液。反应器A10中剩余部分培养液，补充新鲜培养基至原有体积，继续培养至OD₆₀₀≥1.0后，开始进行连续培养、发酵：向反应器A10连续通入新鲜培养基，从反应器B16的侧面出口17连续取出发酵液，培养液连续从反应器A10输入反应器B16。反应器B16发酵温度保持在37℃，培养液在反应器B16中的停留时间为36小时，废气从顶部排气口18排出。取出的发酵液利用现有成熟的乙醇分离提取技术进行分离提取。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (10)

1.一种CO发酵制备乙醇的生产方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：木质纤维素原料置于水解反应器中进行水解，通N₂维持压力，反应结束后，水解液冷却至40℃左右，进入培养基储罐，水解残渣分离后可进一步酶解发酵；

S2：向培养基储罐中加入培养基组分与水解液混合，反应器A为搅拌罐式反应器，内置平叶涡轮搅拌器，灭菌后的培养基通入反应器A，冷却至37℃后接种发酵菌株Clostridium autoethanogenum，培养过程中一直从反应器底部通入无菌N₂维持无氧环境，温度保持在37℃，培养至菌液OD₆₀₀≥1.0时，将培养液泵入反应器B；

S3：反应器B为填料床反应器，其中装有Ф6陶瓷拉西环填料，装填高度为反应器B高度的85%，反应器B预先通无菌N₂保持无氧，培养液通入后将N₂换成CO，当培养液的液面升至填料上方时停止通入培养液，反应器B持续通CO进行发酵,发酵温度保持在37℃；

S4：补充新鲜培养基到反应器A至培养液回到原有体积，继续培养至OD₆₀₀≥1.0后，培养液连续从反应器A输入反应器B，向反应器A连续通入新鲜培养基，从反应器B连续取出发酵液，进行连续培养、发酵。

2.权利要求1所述的CO发酵制备乙醇的生产方法，其特征在于，S1步骤中水解反应条件为：木质纤维素原料粉碎至40-80目，与水以质量比1:20混合，180℃，4MPa，20min。

3.权利要求1所述的CO发酵制备乙醇的生产方法，其特征在于，S2步骤中搅拌转速100rpm，培养体积为反应器A体积的85%。

4.权利要求1所述的CO发酵制备乙醇的生产方法，其特征在于，反应器A、B均为圆柱体，且体积相等，但反应器B的直径为反应器A直径的二分之一。

5.权利要求1所述的CO发酵制备乙醇的生产方法，其特征在于，S4步骤连续发酵时，从反应器A取出的培养液直接输入反应器B，不需要进行微生物细胞的分离浓缩，培养液在反应器B中的停留时间为36小时。

6.权利要求1所述的CO发酵制备乙醇的生产方法，其特征在于，培养基组成为，每1L水解液含：10mL无机盐溶液，10mL微量元素溶液，10mL维生素溶液，1.0g酵母膏，0.5g半胱氨酸盐酸，5.0g吗啉乙磺酸，0.5mL0.1%刃天青，pH6；其中①无机盐溶液组成：NaCl80g/L,NH₄Cl100g/L,KCl10g/L,KH₂PO₄10g/L,MgSO₄·7H₂O20g/L,CaCl₂·2H₂O4g/L；②微量元素溶液组成：次氮基三乙酸2g/L,MnCl₂.4H₂O1.3g/L,CoCl₂.6H₂O0.2g/L,ZnSO₄.7H₂O0.2g/L,FeCl₃.6H₂O0.4g/L,CuCl₂.2H₂O0.02g/L,NiCl₂.6H₂O0.02g/L,Na₂MoO₄.2H₂O0.02g/L,Na₂WO₄.2H₂O0.025g/L；③维生素溶液组成：生物素2mg/L,叶酸2mg/L,维生素B₆10mg/L,维生素B₁5mg/L,核黄素5mg/L,烟酸5mg/L,泛酸钙5mg/L,维生素B₁₂5mg/L,对氨基苯甲酸5mg/L。

7.一种CO发酵制备乙醇的生产设备，其特征在于，包括：

水解反应器：用于将木质纤维素原料与水混合后水解；

培养基储罐：用于存储水解后的水解液及配制培养基；

灭菌器：用于对配制好的培养基进行灭菌处理；

搅拌罐式反应器：用于菌株Clostridium autoethanogenum的生长培养；

填料床反应器：通入纯CO或富CO工业废气让菌液吸收利用并发酵成乙醇；

所述水解反应器、培养基储罐、灭菌器、搅拌罐式反应器、填料床反应器依次经管道顺序连接。

8.如权利要求7所述的CO发酵制备乙醇的生产设备，其特征在于，所述搅拌罐式反应器内置有平叶涡轮搅拌器，所述填料床反应器装有Ф6陶瓷拉西环填料，所述搅拌罐式反应器与所述填料床反应器均为圆柱体，且体积相等，所述填料床反应器的直径为搅拌罐式反应器的直径的二分之一。

9.如权利要求7所述的CO发酵制备乙醇的生产设备，其特征在于：反应器A为搅拌罐式反应器，内置平叶涡轮搅拌器，用于菌株的生长，培养体积为反应器A体积的85%，培养温度37℃，搅拌转速100rpm，培养时持续通N₂保持反应器A无氧。

10.如权利要求1所述的CO发酵制备乙醇的生产设备，其特征在于：反应器B为填充床反应器，内装Ф6陶瓷拉西环填料，装填高度为反应器B高度的85%。反应器B用于菌株发酵CO产乙醇，发酵温度保持在37℃，发酵时持续通入CO。

Images