CN103865750B - 固定化床发酵和分离相耦合的生产乙醇的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种固定化床发酵和分离相耦合的生产乙醇的设备，该设备包括进料装置（3-1）、生物反应器（5）、真空循环泵（7）、冷凝装置（11）以及收集装置（3-2），其中，附着于支撑骨架（2）的纤维材料（1）填充到所述生物反应器（5）中，酵母细胞固定于所述纤维材料（1）。该设备能有效解决乙醇发酵的终产物抑制问题，保持乙醇的高效生产。

Description

固定化床发酵和分离相耦合的生产乙醇的设备
技术领域
本发明属于工业生物技术领域，具体涉及一种固定化床发酵和分离相耦合的生产乙醇的设备。
背景技术
乙醇作为一种可再生的洁净能源，已成为工业生物技术领域的研究热点。传统的乙醇发酵工艺采用游离细胞发酵，酵母随发酵醪不断流走，造成发酵罐中酵母细胞浓度不够大，使酒精发酵速度慢，发酵时间较长。
近年来，固定化酵母在燃料乙醇发酵生产上得到了越来越广泛的关注和应用。固定化细胞技术本质就是用物理或化学手段将游离细胞定位于限定的空间区域内，使其保持催化活性，并可反复使用，减少细胞流失。固定化细胞具有生产时间短，产量稳定，耐受高糖及高乙醇浓度等优点，能够有效提高乙醇生产效率。传统的固定化方法主要采用凝胶包埋技术，即用角叉莱胶、卡拉胶、海藻酸钙、海藻酸钠等对细胞进行固定发酵。虽然此类包埋载体具有成型方便及固定化密度高等优点，但其机械强度低，传质弱，抗微生物分解能力较差；同时因传质限制，难以实现细胞自我更新。
此外，代谢终产物（高浓度乙醇）的存在对菌体有明显的抑制和毒害作用，限制了产物的进一步形成，导致产率不高，不利于乙醇的高效生产。虽然可以通过稀释料液来减少高浓度产物对发酵的抑制作用，但过低的乙醇浓度会使下游提取分离的效率更低；同时由于稀释需要消耗大量用水，也会造成成本增加。
发明内容
针对现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种将微生物固定化床发酵和分离相耦合的生产乙醇的设备，该设备能有效解决乙醇发酵的终产物抑制问题，保持乙醇的高效生产。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种固定化床发酵和分离相耦合的生产乙醇的设备，该设备包括进料装置3-1、生物反应器5、真空循环泵7、冷凝装置11以及收集装置3-2，其中，附着于支撑骨架2的纤维材料1填充到所述生物反应器5中，酵母细胞固定于所述纤维材料1。
在上述设备中，优选地，所述支撑骨架2为片状网格结构；更优选地，所述支撑骨架2为两个或两个以上的片状钢丝网复合而成；进一步优选地，所述支撑骨架2为3个或4个片状矩形钢丝网沿长度相等的边焊接而成；最优选地，所述支撑骨架2为3个片状矩形钢丝网沿长度相等的边焊接而成，且其横截面为“T”形，或4个片状矩形钢丝网沿长度相等的边焊接而成，且其横截面为“十”字形。
优选地，所述固定化床发酵和分离相耦合的生产乙醇的设备包括进料装置3-1、生物反应器5、真空循环泵7、冷凝装置11以及收集装置3-2，其中，附着于支撑骨架2的纤维材料1填充到所述生物反应器5中，酵母细胞固定于所述纤维材料1；所述进料装置3-1经进料泵4-1与生物反应器5的下段连通，所述生物反应器5的顶端经真空循环泵7与冷凝装置11连通，所述冷凝装置11底部经出料泵4-2与收集装置3-2连通。更优选地，所述生物反应器5的上段经进料泵4-1与所述生物反应器5的下段连通。
在上述设备中，优选地，所述冷凝装置11由冷凝管8、冷凝液收集器9及冷却器10组成，所述冷凝管8的底端与冷凝液收集器9的顶端连通，所述冷凝液收集器9置于冷却器10中。更优选地，所述冷凝管8的顶端与所述生物反应器5的顶端连通。
本发明所述的设备的操作方法如下：
1、生物反应器的填充。以片状钢丝网作为支撑骨架，以纤维材料为表面固定化材料，将纤维材料附着在横截面呈“T”字形或“十”字形的钢丝网（参见图1）上，并装入高径比为2-10的生物反应器中（参见图2）。其中，反应器内的纤维材料填充量为5-150g/L；
2、固定菌体。将生长好的酵母细胞种子液通入反应器中，进行循环固定操作，让细胞吸附在纤维材料上。其中，种子生长培养基成分为：葡萄糖10-100g/L，蛋白胨10-100g/L，酵母膏10-100g/L，无水硫酸镁0.1-5g/L，硫酸铵0.1-10g/L，磷酸盐0.5-15g/L；其中，所取的种子液是生长对数期的菌种；固定化阶段的培养条件为温度30-42℃，pH4-6，流速0.5-50L/h；固定结束时间以溶液中OD值下降缓慢或小于1为准；
3、乙醇的发酵。固定结束后，将废液排出，通入发酵培养基。其中，发酵培养基成分为：葡萄糖200-400g/L，蛋白胨1-50g/L，酵母膏1-50g/L,硫酸铵0.1-10g/L，磷酸盐0.5-10g/L，七水合硫酸亚铁0.05-1g/L，七水合硫酸锌0.05-1g/L；或者发酵培养基为木薯水解液或各种植物秸秆水解液；其中培养条件为：温度30-42℃，pH4-6.5，发酵流速为0.1-50L/h。
4、间隙式真空抽提分离。待生物反应器内的乙醇浓度达到50-100g/L，开启真空循环泵和冷凝装置，真空度为-30到-100KPa之间，冷却温度为-30到18℃；待反应器内乙醇浓度下降至5-30g/L，关闭真空泵，再进行循环发酵。
本发明针对现有技术的不足之处，提出了一种将发酵与产物分离过程相耦合的可行思路，这种将乙醇发酵与分离偶联的新型生产技术通过在线分离，不仅解除或大幅降低了产物抑制的影响，而且也简化了后期的提纯步骤，即在利用纤维材料对酵母细胞进行固定化发酵生产乙醇的基础上，通过安装真空抽提装置，达到边发酵边分离的目的。该技术不仅因其固定化载体稳定，无毒性，吸附效果好，提高耐乙醇特性；而且因分离作用降低了产物抑制效应，有利于加大底物浓度，从而可以大幅提高乙醇产率。
相对于现有技术，本发明取得的有益效果在于采用的固定化技术所用材料成本低，无毒性，机械强度高，对细胞不具有毒害作用，也不会被细胞降解；而且死细胞自行脱落，而活细胞能够实现自增殖过程，始终维持很高的催化效率；同时因真空抽提的分离作用降低了产物抑制效应，促进了产物形成，有利于加大底物浓度，从而进一步提高了乙醇产率。此外，本发明还可以减少设备体积，提高设备利用率，同时减少能耗，降低生产成本。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图1为本发明的固定化载体单元的示意图。A显示不锈钢片状网格结构；B显示“T”形横截面的3个片状矩形钢丝网复合结构；C显示“十”字形横截面的4个片状矩形钢丝网复合结构；D显示附着了纤维材料的图B所示复合结构的横截面；E显示附着了纤维材料的图C所示复合结构的横截面。
图2显示本发明的固定化床发酵和分离相耦合的生产乙醇的设备。其中，1表示纤维材料，2表示不锈钢网片支撑骨架，3-1表示进料装置，3-2表示收集装置，4-1表示进料泵，4-2表示出料泵，5表示生物反应器，6-1、6-2、6-3、6-4、6-5表示阀门，7表示真空循环泵，8表示冷凝管，9表示冷凝液收集器，10表示冷却器，11表示冷凝装置。
具体实施方式
以下参照具体的实施例来说明本发明。本领域技术人员能够理解，这些实施例仅用于说明本发明，其不以任何方式限制本发明的范围。
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的原料、试剂等，如无特殊说明，均为市售购买产品。
实施例一以葡萄糖为原料进行单循环发酵
发酵培养基成分：葡萄糖200g/L，蛋白胨7g/L，酵母膏4g/L，硫酸铵4g/L，磷酸盐4g/L，七水合硫酸亚铁0.1g/L，七水合硫酸锌0.1g/L。
首先，以三片不锈钢网片2为支撑骨架，并将其焊接成横截面呈“T”字形，把活性炭纤维1包裹在“T”字形钢丝网表面及三边上（参见图1），并装入高与直径比为5的反应器5中（参见图2）。其次，将培养好的菌种（对数期）加到进料罐中3-1，打开阀门6-1、6-3，关闭阀门6-2，通过泵4-1从反应器5底部以12L/h的流速流进，待种子液充满反应器，关闭阀门6-1；循环固定若干时间，直至反应器5中的菌体浓度很小，降低不明显。然后排出废液，加入新鲜发酵培养基，依旧从反应器5底部流进，待发酵液充满反应器5后，进行循环发酵。其中，发酵温度为32℃，发酵液pH为6，发酵液流速为15L/h。待反应器内乙醇浓度达到70g/L左右，关闭泵4-1和阀门6-3，同时打开阀门6-5，并启动循环泵7和冷却装置10进行真空抽提，真空度为-70KPa，冷却温度为5℃，待反应器乙醇浓度下降到20g/L左右，关闭真空抽提及冷凝装置，再进行循环发酵；当冷凝液快充满冷凝液收集器时，打开泵4-2，使乙醇浓缩液泵到产品收集罐。实验结果发现，反应进行到6h，乙醇浓度可达72g/L，反应10h后，残糖为0，冷凝液收集器内乙醇浓度达300g/L左右。发酵20批次，乙醇产量稳定，平均反应时间相比单纯游离发酵缩短3-5倍。
实施例二以葡萄糖原料进行半连续发酵
发酵培养基成分：葡萄糖300g/L，蛋白胨3g/L，酵母膏2g/L，硫酸铵1g/L，磷酸盐2g/L，七水合硫酸亚铁0.05g/L，七水合硫酸锌0.05g/L。
首先，以4片不锈钢网片2为支撑骨架，并将其焊接成横截面呈“十”字形；棉纤维1包裹在“十”字形钢丝网表面及四边上（参见图1），并装入高与直径比为3的反应器5中（参见图2）。其次，将培养好的菌种（对数期）加到进料罐中3-1，打开阀门6-1、6-3，关闭阀门6-2，通过泵4-1从反应器5底部以20L/h的流速流进，待种子液充满反应器，关闭阀门6-1；循环固定若干时间，直至反应器5中的菌体浓度很小，降低不明显。然后排出废液，加入新鲜发酵培养基，依旧从反应器5底部流进，待发酵液充满反应器5后，进行循环发酵。其中，发酵温度为35℃，发酵液pH为5.5，液流速为10L/h。待反应器内乙醇浓度达到80g/L左右，关闭泵4-1和阀门6-3，同时打开阀门6-5，并启动循环泵7和冷却装置10进行真空抽提，真空度为-80KPa，冷却温度为0℃，待反应器乙醇浓度下降到10g/L左右，关闭真空抽提及冷凝装置，并打开进料泵，流加与分离出来的液体等体积的发酵培养基，再进行循环发酵。实验结果发现，反应进行到10h，乙醇浓度可达85g/L，冷凝液收集器内乙醇浓度达350g/L左右。发酵35天后，乙醇产量稳定。
实施例三以木薯原料进行单循环发酵
发酵培养基成分：木薯水解液（葡萄糖浓度245g/L），尿素0.2g/L，硫酸镁0.2g/L。
首先，以4片不锈钢网片2为支撑骨架，并将其焊接成横截面呈“十”字形；合成纤维（涤纶）1包裹在“十”字形钢丝网表面及四边上（参见图1），并装入高与直径比为7的反应器5中（参见图2）。其次，将培养好的菌种（对数期）加到进料罐中3，打开阀门6-1、6-3，关闭阀门6-2，通过泵4-1从反应器5底部以15L/h的流速流进，待种子液充满反应器，关闭阀门6-1；循环固定若干时间，直至反应器5中的菌体浓度小于1。然后排出废液，加入木薯水解液培养基，再从反应器5底部流进，待发酵培养基充满反应器5后，进行循环发酵。其中，发酵温度为38℃，发酵液pH为4.5，发酵液流速为25L/h。待反应器内乙醇浓度达到75g/L左右，关闭泵4-1和阀门6-3，同时打开阀门6-5，并启动循环泵7和冷却装置10进行真空抽提，真空度为-90KPa，冷却温度为-10℃；待反应器乙醇浓度下降到15g/L左右，关闭真空抽提及冷凝装置，再进行循环发酵。实验结果发现，反应进行到8h，乙醇浓度可达80g/L，反应15h后残糖为0，冷凝液收集器内乙醇浓度达400g/L左右。发酵30批次，乙醇产量稳定，平均转化率为93%左右。

Claims (7)

1.一种固定化床发酵和分离相耦合的生产乙醇的设备，该设备包括进料装置(3-1)、生物反应器(5)、真空循环泵(7)、冷凝装置(11)以及收集装置(3-2)，其中，附着于支撑骨架(2)的纤维材料(1)填充到所述生物反应器(5)中，酵母细胞固定于所述纤维材料(1)；
所述支撑骨架(2)为3个或4个片状矩形钢丝网沿长度相等的边焊接而成；
所述生物反应器(5)中的纤维材料(1)的填充量为5～150g/L。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述支撑骨架(2)为3个片状矩形钢丝网沿长度相等的边焊接而成，且其横截面为“T”形。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述支撑骨架(2)为4个片状矩形钢丝网沿长度相等的边焊接而成，且其横截面为“十”字形。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其特征在于，所述进料装置(3-1)经进料泵(4-1)与生物反应器(5)的下段连通，所述生物反应器(5)的顶端经真空循环泵(7)与冷凝装置(11)连通，所述冷凝装置(11)的底部经出料泵(4-2)与收集装置(3-2)连通。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其特征在于，所述生物反应器(5)的上段经进料泵(4-1)与所述生物反应器(5)的下段连通。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其特征在于，所述冷凝装置(11)由冷凝管(8)、冷凝液收集器(9)及冷却器(10)组成，所述冷凝管(8)的底端与冷凝液收集器(9)的顶端连通，所述冷凝液收集器(9)置于冷却器(10)中。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述冷凝管(8)的顶端与所述生物反应器(5)的顶端连通。
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