CN106479881B - 制备丁醇的系统及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了制备丁醇的系统及其应用。其中，该系统包括：发酵罐，发酵罐具有补料液入口，气体入口和气体出口，发酵罐内含有发酵产生丁醇的共生菌系；气体分布器，气体分布器设置在发酵罐内；气体循环泵，气体循环泵具有气体输入端和气体输出端，气体输出端经气体入口与气体分布器相连；冷凝器，冷凝器具有待冷凝气体入口和冷凝气出口，冷凝气出口与气体输入端相连；收集器，收集器具有气体入口和排气口，气体入口与气体出口相连，排气口与待冷凝气体入口相连；以及冷却器，冷却器位于收集器下端。该系统利用共生菌系在非严格厌氧条件下即可生产丁醇，结构简单，丁醇回收率高，节能环保。

Description

制备丁醇的系统及其应用
技术领域
本发明涉及发酵领域，具体地，涉及制备丁醇的系统和利用前述制备丁醇的系统制备丁醇的方法。
背景技术
产物抑制是生物丁醇制备研究中迫切需要解决的技术难题，在传统发酵过程中丁醇的浓度一般都低于13g/L，产物抑制造成发酵液中丁醇的浓度和生产强度很低，使得下游分离纯化的能耗成本极高，严重影响生物丁醇的经济性。将分离技术原位集成于ABE(Acetone-butanol-ethanol)发酵，可解除产物抑制，提高丁醇生产强度，提高丁醇产量和底物利用率，同时降低后续分离成本。
气提工艺可以减少代谢产物对发酵的抑制，无菌氮气鼓吹到发酵罐中，部分溶剂被顺带出去，气体经过冷凝器，此时溶剂被冷凝下来并被收集。将补料发酵工艺和气提技术结合起来可以降低生产成本，补料发酵过程中，减小了底物抑制，高浓度糖的应用可以节约能耗，同时减少了污水的排放；气提过程中冷凝下来的为高浓度的溶剂，节约了产物回收时的能耗，同时减少了发酵液中丁醇对菌体的毒害，可使菌体保持高的生产活力。但采用氮气气提也有不足的地方：冷凝不完全造成丁醇回收率低、气提尾气中含有少量ABE造成环境污染、能耗较高等。
由此，气提工艺偶联的发酵系统有待改进。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种制备丁醇的系统，该系统结构简单，无需除氧处理，丁醇回收率高，能耗低。
需要说明的是，本发明是基于发明人的下列工作而完成的：
气提工艺可以减少代谢产物对发酵的抑制，无菌氮气鼓吹到发酵罐中，部分溶剂被顺带出去，气体经过冷凝器，此时溶剂被冷凝下来并被收集。将补料发酵工艺和气提技术结合起来可以降低生产成本，补料发酵过程中，减小了底物抑制，高浓度糖的应用可以节约能耗，同时减少了污水的排放；气提过程中冷凝下来的为高浓度的溶剂，节约了产物回收时的能耗，同时减少了发酵液中丁醇对菌体的毒害，可使菌体保持高的生产活力。但采用氮气气提也有不足的地方：冷凝不完全造成丁醇回收率低、气提尾气中含有少量乙醇、丙酮、丁醇(ABE)，释放到大气中造成环境污染、能耗较高等。发明人发现，采用发酵自产气体循环气提与ABE发酵耦合分离丁醇可有效解决上述问题。
发明人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，随后在冷凝器中冷凝回收，冷凝后的自产气体通过气体循环泵重新打入气体分布器回收利用，从而实现自产气循环气提。并且，发明人采用包含丙酮丁醇梭菌与蜡状芽孢杆菌的共生菌系进行发酵，该共生菌系可以在非严格厌氧条件下生产丁醇，无需进行除氧。
因而，根据本发明的一个方面，本发明提供了一种制备丁醇的系统。根据本发明的实施例，该系统包括：发酵罐，所述发酵罐具有补料液入口，气体入口和气体出口，所述发酵罐内含有发酵产生丁醇的共生菌系；气体分布器，所述气体分布器设置在所述发酵罐内；气体循环泵，所述气体循环泵具有气体输入端和气体输出端，所述气体输出端经所述气体入口与所述气体分布器相连；冷凝器，所述冷凝器具有待冷凝气体入口和冷凝气出口，所述冷凝气出口与所述气体输入端相连；收集器，所述收集器具有气体入口和排气口，所述气体入口与所述气体出口相连，所述排气口与所述待冷凝气体入口相连；以及冷却器，所述冷却器位于所述收集器下端。
根据本发明实施例的制备丁醇的系统，利用共生菌系进行发酵，在非严格厌氧条件下生产丁醇，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，随后在冷凝器中冷凝回收，冷凝后的分离出丁醇的自产气体通过气体循环泵重新打入气体分布器回收利用，从而实现自产气循环气提，避免气体尾气中ABE的产生，环境污染小。同时，该系统结构简单，发酵罐同时也是气提罐，使丁醇生产与丁醇提取的过程在同一个生物反应器内进行，无需另外启动气提罐进行丁醇的分离，也无需利用蠕动泵使发酵液在发酵罐与气提罐之间不断往复循环，从而避免了因部分丁醇残留于发酵罐中降低丁醇回收率的情况发生，大大降低能耗及成本，降低染菌可能性，提高丁醇回收率，操作更简单更适用于规模化生产。由此，丁醇回收率高，节能环保，操作简单。另外，根据本发明上述实施例的制备丁醇的系统还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的实施例，所述发酵罐的气体出口和所述收集器的气体入口均为两个，且一一对应相连。
根据本发明的实施例，该系统进一步包括：气体流量计，所述气体流量计与所述气体循环泵的气体输出端和所述发酵罐的气体入口相连。
根据本发明的实施例，所述系统进一步包括：蠕动泵，所述蠕动泵具有进料端和输料端，所述输料端与所述补料液入口相连；补料罐，所述补料罐具有料液出口，所述料液出口与所述蠕动泵的进料端相连。
根据本发明的实施例，所述发酵罐为单体发酵罐。
根据本发明的实施例，所述共生菌系包括丙酮丁醇梭菌与蜡状芽孢杆菌。
根据本发明的另一方面，本发明提供了一种利用前述制备丁醇的系统制备丁醇的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：利用发酵产生丁醇的共生菌系在发酵罐中进行发酵处理，以便得到丁醇和自产气；所述自产气经气体分布器形成气泡并截获丁醇混合，启动气体循环泵进行气提处理，以便形成含有丁醇的气泡；利用冷凝器对所述含有丁醇的气泡进行冷凝处理，以便使所述丁醇冷凝回流，得到丁醇液体和自产气混合气体，其中，所述自产气混合气体经气体循环泵返回所述发酵罐重复循环进行所述气提处理。
根据本发明实施例的制备丁醇的方法，利用共生菌系进行发酵，在非严格厌氧条件下生产丁醇，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，随后在冷凝器中冷凝回收，冷凝后的自产气体通过气体循环泵重新打入气体分布器回收利用，从而实现自产气循环气提，并且采用自体气体进行气提，冷凝效果好，避免气体尾气中ABE的产生，环境污染小。同时，该系统结构简单，丁醇回收率高，节能环保，操作简单。另外，前述制备丁醇的系统的全部特征和优点均适用于该制备丁醇的方法，在此不再一一赘述。
另外，根据本发明上述实施例的制备丁醇的方法还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的实施例，当所述发酵液中的丁醇浓度大于7g/L时，启动所述气体循环泵进行所述气提处理。
根据本发明的实施例，所述气提处理过程中，所述发酵液中的丁醇浓度为6-9g/L。
根据本发明的实施例，所述气体循环泵以1-4vvm的速率将所述自产气混合气体返回所述发酵罐重复循环进行所述气提处理。
根据本发明的实施例，所述发酵处理过程中，所述发酵液中糖的浓度为10-40g/L。
根据本发明的实施例，所述冷凝处理的温度为-10℃-0℃。
根据本发明的实施例，所述共生菌系包括丙酮丁醇梭菌与蜡状芽孢杆菌。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1显示了根据本发明一个实施例的制备丁醇的系统的结构示意图；
图2显示了根据本发明一个实施例的制备丁醇的系统的结构示意图；
图3显示了根据本发明一个实施例的利用制备丁醇的系统制备丁醇的方法的流程示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
制备丁醇的系统
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种制备丁醇的系统。参考图1根据本发明的实施例，该系统包括：发酵罐100、气体分布器200、气体循环泵300、冷凝器400、收集器500和冷却器600。下面逐一对该系统的各装置进行解释说明：
发酵罐100：根据本发明的实施例，发酵罐100具有补料液入口101，气体入口102和气体出口103图2中未标出101和102，该发酵罐内含有发酵产生丁醇的共生菌系。由此，利用共生菌进行发酵，通过耗氧菌消耗系统内的氧气，使系统可以在非严格厌氧条件下即可进行发酵，无需排氧。
参考图2，根据本发明的一些实施例，发酵罐的气体出口103和收集器的气体入口501均为两个，且一一对应相连。由此，降低气体循环阻力，提高溶剂提取效率。
根据本发明的实施例，共生菌系包括丙酮丁醇梭菌与蜡状芽孢杆菌。通常利用发酵法生产丁醇时，大部分丁醇发酵菌株均为严格厌氧型，因菌种自身生理生化特性，使得发酵培养都维持在严格厌氧条件下，种子培养阶段，需要在厌氧培养箱中进行，发酵培养阶段，要采用制氮设备维持发酵的厌氧环境，增加了固定设备的投资及能耗。同时，发酵一般处在静止或低速搅拌下进行，在大规模培养时，不利于发酵初期菌体对营养基质的吸收以及传质的进行，特别是在非玉米的合成培养基中菌株难以生长。本发明中，发明人将严格厌氧的丙酮丁醇梭菌和与其共生的耗氧菌蜡状芽孢杆菌共同进行培养，利用蜡状芽孢杆菌消耗系统内的氧气，为丙酮丁醇梭菌制造一个厌氧的微环境，使共生菌在非严格厌氧条件下即可发酵生产丁醇，降低成本及能耗，使操作更简便。
气体分布器200：根据本发明的实施例，气体分布器200设置在发酵罐100内。自产气通过气体分布器形成气泡，从而进行气提处理，从自产气中提取丁醇。
气体循环泵300：根据本发明的实施例，该气体循环泵300具有气体输入端301和气体输出端302，其中，气体输出端302经气体入口102与气体分布器200相连。由此，冷凝后的自产气体通过气体循环泵重新打入气体分布器回收利用，从而实现自产气循环气提，并且采用自产气体进行气提，冷凝效果好，避免气体尾气中ABE的产生，环境污染小。
参考图2，根据本发明的实施例，该系统进一步包括：气体流量计700，该气体流量计700与气体循环泵300的气体输出端302和发酵罐100的气体入口102相连。用于检测返回发酵罐的自产气的流速，控制气提的进行。
根据本发明的一些实施例，气提处理可采用间歇式气提处理或连续式气提处理。例如，在补料批式发酵耦合在线气提分离丁醇的过程中，控制补料速率，使得发酵罐中糖浓度保持在10-40g/L。当发酵液中的丁醇浓度大于7g/L时开始气提，启动气体循环泵，循环自产气，控制气体流速，使得发酵液中丁醇浓度维持在6-9g/L，其中，气体流速可以为1-3vvm。当采用间歇式气提处理时，当发酵液中的丁醇浓度大于7g/L时开始气提，当发酵液中的丁醇浓度低于6g/L时停止气提；当采用连续式气提时，当发酵液中的丁醇浓度大于7g/L时开始气提，直到发酵结束。
冷凝器400：根据本发明的实施例，该冷凝器400具有待冷凝气体入口401和冷凝气出口402，其中，冷凝气出口402与气体输入端301相连，含有丁醇的自产气由待冷凝气体入口401进入冷凝器中进行冷凝回收丁醇，分离出丁醇的自产气体通过冷凝气出口402进入气体循环泵重新打入气体分布器回收利用。
根据本发明的一些实施例，该冷凝器400可以为冷凝管，根据本发明的一些实施例，该冷凝管可以为球形或者蛇形冷凝管。由此，装置的价格低廉，结构简单，冷凝效果好。
收集器500：根据本发明的实施例，收集器500具有气体入口501和排气口502，其中，气体入口501与气体出口103相连，排气口205与待冷凝气体入口401相连，自产气由气体入口501进入收集器500，再经待冷凝气体入口401进入冷凝器400冷凝回收丁醇，丁醇回流进入收集器500进行储存。
冷却器600：根据本发明的实施例，冷却器600位于收集器500的下端，保持收集器内的丁醇处于低温状态，防止丁醇蒸发。
根据本发明的一些实施例，冷却器600为低温循环水浴。既可以保持收集器内的丁醇处于低温状态，又可以为冷凝管提供循环的冷却液。
根据本发明实施例的制备丁醇的系统，利用共生菌系进行发酵，在非严格厌氧条件下生产丁醇，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，随后在冷凝器中冷凝回收，冷凝后的自产气体通过气体循环泵重新打入气体分布器回收利用，从而实现自产气循环气提，并且采用自体气体进行气提，冷凝效果好，避免气体尾气中ABE的产生，环境污染小。同时，该系统结构简单，发酵罐同时也是气提罐，使丁醇生产与丁醇提取的过程在同一个生物反应器内进行，无需另外启动气提罐进行丁醇的分离，也无需利用蠕动泵使发酵液在发酵罐与气提罐之间不断往复循环，从而避免了因部分丁醇残留于发酵罐中降低丁醇回收率的情况发生，大大降低能耗及成本，降低染菌可能性，提高丁醇回收率，操作更简单更适用于规模化生产。
根据本发明的实施例，所述系统进一步包括：蠕动泵800和补料罐900，其中，蠕动泵800具有进料端801和输料端802，其中，输料端802与补料液入口101相连；补料罐900具有料液出口901，该料液出口901与蠕动泵801的进料端相连，补料罐900中的补料液经蠕动泵800输送至发酵罐100，保证发酵罐中糖浓度稳定，使发酵顺利进行。
根据本发明的实施例，发酵罐为单体发酵罐，发酵罐同时也是气提罐，气体分布器置于发酵罐内部，发酵罐气体出口与冷凝系统相连接，从而实现丁醇生产与丁醇提取的过程在同一个生物反应器内进行，无需另外启动气提罐进行丁醇的分离，也无需利用蠕动泵使发酵液在发酵罐与气提罐之间不断往复循环。由此，发酵罐的结构简单。
制备丁醇的方法
根据本发明的另一方面，本发明提供了一种利用前述制备丁醇的系统制备丁醇的方法。参考图3，根据本发明的实施例，该方法包括：
S100发酵处理
根据本发明的实施例，利用共生菌系在发酵罐中进行发酵处理，得到丁醇和自产气。由此，利用共生菌进行发酵，通过耗氧菌消耗系统内的氧气，使系统可以在非严格厌氧条件下即可进行发酵，无需排氧。
根据本发明的实施例，共生菌系包括丙酮丁醇梭菌与蜡状芽孢杆菌。通常利用发酵法生产丁醇时，大部分丁醇发酵菌株均为严格厌氧型，因菌种自身生理生化特性，使得发酵培养都维持在严格厌氧条件下，种子培养阶段，需要在厌氧培养箱中进行，发酵培养阶段，要采用制氮设备维持发酵的厌氧环境，增加了固定设备的投资及能耗。同时，发酵一般处在静止或低速搅拌下进行，在大规模培养时，不利于发酵初期菌体对营养基质的吸收以及传质的进行，特别是在非玉米的合成培养基中菌株难以生长。本发明中，发明人将严格厌氧的丙酮丁醇梭菌和与其共生的耗氧菌蜡状芽孢杆菌共同进行培养，利用蜡状芽孢杆菌消耗系统内的氧气，为丙酮丁醇梭菌制造一个厌氧的微环境，使共生菌在非严格厌氧条件下即可发酵生产丁醇，降低成本及能耗，使操作更简便。根据本发明的实施例，发酵处理过程中，发酵液中糖的浓度为10-40g/L。由此，保证发酵的原料充足，使发酵顺利进行。如果随着发酵的进行，发酵液中的糖的浓度逐渐降低，可以通过补料罐向发酵罐中补充补料液。
S200气提处理
根据本发明的实施例，自产气经气体分布器形成气泡并截获丁醇混合，启动气体循环泵进行气提处理，形成含有丁醇的气泡，从而将丁醇从发酵液中提取出来。
根据本发明的实施例，当发酵液中的丁醇浓度大于7g/L时，启动气体循环泵进行气提处理，从而避免丁醇浓度过高抑制菌体的生长和丁醇的合成。根据本发明的一些实施例，气提处理可采用间歇式气提处理或连续式气提处理。当采用间歇式气提处理时，当发酵液中的丁醇浓度大于7g/L时开始气提，当发酵液中的丁醇浓度低于6g/L时停止气提；当采用连续式气提时，当发酵液中的丁醇浓度大于7g/L时开始气提，直到发酵结束。
根据本发明的实施例，气提处理过程中，发酵液中的丁醇浓度为6-9g/L。如果发酵液中的丁醇浓度过低，难以对丁醇进行气提处理，如果发酵液中的丁醇浓度过高，丁醇会对发酵液中的菌体产生毒害作用，抑制发酵作用。发明人发现，当发酵液中的丁醇浓度为6-9g/L是，气提处理的效率高，此丁醇浓度对发酵液中的菌体几乎无毒害作用。
根据本发明的实施例，自产气混合气体返回发酵罐重复循环进行气提处理的速率不受特别的限制，可以根据发酵液中丁醇的浓度进行调整，如果丁醇的浓度升高，说明丁醇的生产强度升高，则适当提高自产气混合气体返回发酵罐的速率，相反地，如果丁醇的浓度降低，说明丁醇的生产强度降低，则适当降低自产气混合气体返回发酵罐的速率。根据本发明的一些实施例，循环泵以1-4vvm的速率将自产气混合气体返回发酵罐重复循环进行气提处理。由此，即保证气提处理的顺利进行，又避免发酵中丁醇的浓度过高或过低。
S300冷凝处理
根据本发明的实施例，利用冷凝器对含有丁醇的气泡进行冷凝处理，使丁醇冷凝回流，得到丁醇液体和自产气混合气体，其中，自产气混合气体经气体循环泵返回所述发酵罐重复循环进行所述气提处理。由此，含有丁醇的自产气进入冷凝器中进行冷凝回收丁醇，分离出丁醇的自产气体进入气体循环泵重新打入气体分布器回收利用，从而实现自产气循环气提，并且采用自体气体进行气提，冷凝效果好，避免气体尾气中ABE的产生，环境污染小，发酵成本低。
根据本发明的实施例，冷凝处理的温度为-10℃-0℃。由此，使丁醇液化冷凝回流，丁醇的回收率高。
一般方法
为了便于理解上述制备丁醇的方法，在此提供一种利用前述制备丁醇的系统制备丁醇的一般方法，该方法包括：
(1)将冻存的丙酮丁醇梭菌与蜡状芽孢杆菌共生菌体系接种于6％(w/v)的玉米培养基中进行复苏，静态培养24-36h作为发酵种菌。其中，玉米培养基的制备过程如下：称取12g玉米粉溶于500mL水中，在沸水中糊化处理40min，直至玉米粉溶液体积挥发至200mL，此即为6％(W/v)的玉米培养基，灭菌条件为121℃、20min。
(2)复苏后的共生菌体系的培养物以7％(v/v)的接种量接入种子培养基静态培养，从而获得种子。种子培养的温度为37℃。种子培养时间为16-24小时，静置培养。种子培养基的成份：P2半合成培养基，缓冲液，微量元素液。其中P2半合成培养基组成为：葡萄糖30g/L，酵母浸粉1.0g/L，121℃灭菌20min。缓冲液组成为：K2HPO4 50g/L，KH2PO4 50g/L，CH3COONH4 220g/L，过滤灭菌。微量元素液：MgSO4·7H2O 20.0，MnSO4·H2O 1.0，NaCl 1.0，FeSO4·7H2O 1.0，对氨基苯甲酸0.1，维生素B1 0.1，生物素0.001，过滤灭菌。接种前以1％的比例将缓冲液和微量元素液加入P2半合成培养基中。
(3)将获得的种子以7％(v/v)的接种量接入发酵培养基中进行发酵培养从而生产丁醇。其中，发酵培养的温度为37℃，静置培养。发酵培养基：P2半合成培养基，缓冲液，微量元素液。其中P2半合成培养基组成为：葡萄糖65g/L，酵母浸粉1.0g/L，121℃灭菌20min。缓冲液组成为：K2HPO4 50g/L，KH2PO4 50g/L，CH3COONH4 220g/L，过滤灭菌。微量元素液：MgSO4·7H2O 20.0，MnSO4·H2O 1.0，NaCl 1.0，FeSO4·7H2O 1.0，对氨基苯甲酸0.1，维生素B1 0.1，生物素0.001，过滤灭菌。接种前以1％的比例将缓冲液和微量元素液加入P2半合成培养基中。
(4)当发酵培养基中丁醇浓度达到7g/L时，启动气体循环泵，开始气提。气提原料液为产丁醇共生菌系的发酵液，进入发酵系统中用于提取丁醇的气体为发酵过程中产丁醇共生菌系产生的气体，通常是二氧化碳和氢气，不需要提供外来气体，这样就可节省能耗和投入成本。其中，气体通过发酵系统中的气体分散器变成气泡进入发酵系统中。气提形式可采用间歇式气提或连续气提。
(5)在补料批式发酵耦合在线气提分离丁醇的过程中，控制补料速率，使得发酵罐中糖浓度保持在10-40g/L。当发酵液中的丁醇浓度大于7g/L时开始气提，启动气体循环泵，循环自产气，控制气体流速，使得发酵液中丁醇浓度维持在6-9g/L。气体流速为1-3vvm。冷凝系统中使用的冷凝管为球形或者蛇形冷凝管，冷凝温度为-10℃-0℃。气提形式可采用间歇式气提或连续气提。间歇式气提时，当发酵液中的丁醇浓度大于7g/L时开始气提，当发酵液中的丁醇浓度低于6g/L时停止气提；连续式气提时，当发酵液中的丁醇浓度大于7g/L时开始气提，直到发酵结束。
下面参考具体实施例，对本发明进行说明，需要说明的是，这些实施例仅仅是说明性的，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1
本实施例中，采用批式发酵偶联间歇式循环自产气进行气提制备丁醇，按制备丁醇的一般方法进行丁醇生产菌的培养和发酵。当发酵罐中丁醇浓度接近7g/L时，启动气体循环泵和低温循环水浴，冷凝温度为-5℃，产丁醇共生菌系在发酵过程中产生的气体通过气体分布器变成气泡进入发酵罐中，作为气提气体。气提处理采用间歇性气提方式。当发酵液中的丁醇浓度大于7g/L时开始气提，当发酵液中的丁醇浓度低于6g/L时停止气提。气体流速为1-4vvm。结果如表1所示。
实施例2
本实施例中，采用补料批式发酵偶联间歇式循环自产气进行气提制备丁醇，按制备丁醇的一般方法进行丁醇生产菌的培养和发酵。当发酵罐中丁醇浓度接近7g/L时，启动气体循环泵和低温循环水浴，冷凝温度为-5℃，产丁醇共生菌系在发酵过程中产生的气体通过气体分布器变成气泡进入发酵罐中，作为气提气体。气提形式采用间歇性气提方式。当发酵液中的丁醇浓度大于7g/L时开始气提，当发酵液中的丁醇浓度低于6g/L时停止气提。气体流速为1-4vvm。葡萄糖浓度接近10g/L时，向发酵培养基中补加补料培养基，使得葡萄糖浓度调整至40g/L。补料培养基：P2半合成培养基，缓冲液，微量元素液。P2半合成培养基组成为：葡萄糖500g/L，酵母浸粉8.0g/L，121℃灭菌20min。缓冲液组成为：K2HPO4 50g/L，KH2PO4 50g/L，CH3COONH4 220g/L，过滤灭菌。微量元素液：MgSO4·7H2O 20.0，MnSO4·H2O1.0，NaCl 1.0，FeSO4·7H2O 1.0，对氨基苯甲酸0.1，维生素B1 0.1，生物素0.001，过滤灭菌。补料前以1％的比例将缓冲液和微量元素液加入P2半合成培养基中。结果如表1所示。
实施例3
本实施例中，采用补料批式发酵偶联间歇式循环自产气进行气提制备丁醇，按制备丁醇的一般方法进行丁醇生产菌的培养和发酵。当发酵罐中丁醇浓度接近7g/L时，启动气体循环泵和低温循环水浴，冷凝温度为0℃，产丁醇共生菌系在发酵过程中产生的气体通过气体分布器变成气泡进入发酵罐中，作为气提气体。气提形式采用间歇性气提方式。当发酵液中的丁醇浓度大于7g/L时开始气提，当发酵液中的丁醇浓度低于6g/L时停止气提。气体流速为1-4vvm。发酵罐中葡萄糖浓度接近10g/L时，向发酵培养基中补加补料培养基，使得葡萄糖浓度调整至40g/L。补料培养基：P2半合成培养基，缓冲液，微量元素液。P2半合成培养基组成为：葡萄糖500g/L，酵母浸粉8.0g/L，121℃灭菌20min。缓冲液组成为：K2HPO450g/L，KH2PO4 50g/L，CH3COONH4 220g/L，过滤灭菌。微量元素液：MgSO4·7H2O 20.0，MnSO4·H2O 1.0，NaCl 1.0，FeSO4·7H2O 1.0，对氨基苯甲酸0.1，维生素B1 0.1，生物素0.001，过滤灭菌。补料前以1％的比例将缓冲液和微量元素液加入P2半合成培养基中。结果如表1所示。
实施例4
本实施例中，采用补料批式发酵偶联间歇式循环自产气进行气提制备丁醇，按制备丁醇的一般方法进行丁醇生产菌的培养和发酵。当发酵罐中丁醇浓度接近7g/L时，启动气体循环泵和低温循环水浴，冷凝温度为-10℃，产丁醇共生菌系在发酵过程中产生的气体通过气体分布器变成气泡进入发酵罐中，作为气提气体。气提形式采用间歇性气提方式。当发酵液中的丁醇浓度大于7g/L时开始气提，当发酵液中的丁醇浓度低于6g/L时停止气提。气体流速为1-4vvm。发酵罐中葡萄糖浓度接近10g/L时，向发酵培养基中补加补料培养基，使得葡萄糖浓度调整至40g/L。补料培养基：P2半合成培养基，缓冲液，微量元素液。P2半合成培养基组成为：葡萄糖500g/L，酵母浸粉8.0g/L，121℃灭菌20min。缓冲液组成为：K2HPO450g/L，KH2PO4 50g/L，CH3COONH4 220g/L，过滤灭菌。微量元素液：MgSO4·7H2O 20.0，MnSO4·H2O 1.0，NaCl 1.0，FeSO4·7H2O 1.0，对氨基苯甲酸0.1，维生素B1 0.1，生物素0.001，过滤灭菌。补料前以1％的比例将缓冲液和微量元素液加入P2半合成培养基中。结果如表1所示。
实施例5
本实施例中，采用补料批式发酵偶联连续式循环自产气进行气提制备丁醇，按制备丁醇的一般方法进行丁醇生产菌的培养和发酵。当发酵罐中丁醇浓度接近7g/L时，启动气体循环泵和低温循环水浴，冷凝温度为-5℃，产丁醇共生菌系在发酵过程中产生的气体通过气体分布器变成气泡进入发酵罐中，作为气提气体。气提形式采用连续性气提方式。当发酵液中的丁醇浓度大于7g/L时开始气提，直至发酵结束。气体流速为1-4vvm。发酵罐中葡萄糖浓度接近10g/L时，向发酵培养基中补加补料培养基，使得葡萄糖浓度调整至40g/L。补料培养基：P2半合成培养基，缓冲液，微量元素液。P2半合成培养基组成为：葡萄糖500g/L，酵母浸粉8.0g/L，121℃灭菌20min。缓冲液组成为：缓冲液组成为：K2HPO4 50g/L，KH2PO450g/L，CH3COONH4 220g/L，过滤灭菌。微量元素液：MgSO4·7H2O 20.0，MnSO4·H2O 1.0，NaCl1.0，FeSO4·7H2O 1.0，对氨基苯甲酸0.1，维生素B1 0.1，生物素0.001，过滤灭菌。补料前以1％的比例将缓冲液和微量元素液加入P2半合成培养基中。结果如表1所示。
表1不同实施例发酵耦合在线气提结果
·丁醇产量：发酵罐中剩余丁醇质量与收集瓶中丁醇质量之和除以发酵体积。
·丁醇浓度(收集瓶有机相)：收集瓶中有机相的丁醇浓度。
·丁醇浓度(水相)：收集瓶中水相的丁醇浓度。
·丁醇回收率：收集瓶中收集到的丁醇质量，与丁醇总产量之比。
综上所述，本发明实施例的制备丁醇的系统，结构简易，节能环保，耗水量低，操作简单、灵活、高效。由表1可知，与传统发酵耦合气提方法相比，利用本发明实施例中的方法制备丁醇，在保证丁醇产量的基础上，有效提高丁醇回收率。采用补料批式发酵偶联间歇式循环自产气进行气提时，丁醇产量达到181.9g/L，丁醇回收率达到97.5％；采用补料批式发酵偶联连续式循环自产气进行气提时，丁醇产量达到185.7g/L，丁醇回收率达到97.4％，丁醇的产量和回收率高。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种利用制备丁醇的系统制备丁醇的方法，其特征在于，
所述制备丁醇的系统包括：
发酵罐，所述发酵罐具有补料液入口，气体入口和气体出口，所述发酵罐内含有发酵产生丁醇的共生菌系；
气体分布器，所述气体分布器设置在所述发酵罐内；
气体循环泵，所述气体循环泵具有气体输入端和气体输出端，所述气体输出端经所述气体入口与所述气体分布器相连；
冷凝器，所述冷凝器具有待冷凝气体入口和冷凝气出口，所述冷凝气出口与所述气体输入端相连；
收集器，所述收集器具有气体入口和排气口，所述气体入口与所述气体出口相连，所述排气口与所述待冷凝气体入口相连；以及
冷却器，所述冷却器位于所述收集器下端；
所述制备丁醇的方法包括：
利用共生菌系在发酵罐中进行发酵处理，以便得到丁醇和自产气，所述共生菌系包括丙酮丁醇梭菌与蜡状芽孢杆菌；
所述自产气经气体分布器形成气泡并截获丁醇混合，启动气体循环泵进行气提处理，以便形成含有丁醇的气泡；
利用冷凝器对所述含有丁醇的气泡进行冷凝处理，以便使所述丁醇冷凝回流，得到丁醇液体和自产气混合气体，其中，所述自产气混合气体经气体循环泵返回所述发酵罐重复循环进行所述气提处理；
其中，
当所述发酵液中的丁醇浓度大于7g/L时，启动所述气体循环泵进行所述气提处理；所述气提处理过程中，所述发酵液中的丁醇浓度为6-9g/L；
所述气体循环泵以1-4vvm的速率将所述自产气混合气体返回所述发酵罐重复循环进行所述气提处理；
所述发酵液中糖的浓度为10-40g/L。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述冷凝处理的温度为-10℃-0℃。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发酵罐的气体出口和所述收集器的气体入口均为两个，且一一对应相连。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述制备丁醇的系统进一步包括：
气体流量计，所述气体流量计与所述气体循环泵的气体输出端和所述发酵罐的气体入口相连，
任选地，所述制备丁醇的系统进一步包括：
蠕动泵，所述蠕动泵具有进料端和输料端，所述输料端与所述补料液入口相连；
补料罐，所述补料罐具有料液出口，所述料液出口与所述蠕动泵的进料端相连。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发酵罐为单体发酵罐。
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