CN202272866U - 一种用于气相底物发酵生产有机酸或有机醇的系统 - Google Patents

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杨建春
朱德权
代俊明
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Abstract

本实用新型涉及一种用于气相底物发酵生产有机酸或有机醇的系统，该系统包括生物反应器、过滤设备和有机物分离装置，生物反应器上连接有接收外部输入的气相底物的气相底物输入管，其中，所述系统还包括尾气处理装置，所述尾气处理装置与生物反应器之间连接有将发酵尾气通入尾气处理装置的发酵尾气输送管，尾气处理装置和气相底物输入管之间连接有处理后尾气输送管。本系统可以有效处理和回用发酵尾气。

Description

一种用于气相底物发酵生产有机酸或有机醇的系统
技术领域
本实用新型涉及一种用于气相底物发酵生产有机酸或有机醇的系统。
背景技术
能源是现代社会赖以生存和发展的基础。为弥补化石燃料的不足、优化能源结构和保护生态环境，大力开发新能源和可再生能源是当今世界研究开发的热点，其中利用含CO或H2/CO2的气体为底物厌氧发酵生产有机酸或有机醇就是很有潜力和竞争力的技术。
含CO和/或H2的气体主要来自：碳黑、焦炭、制氨、石油加工、钢铁等工厂产生的废气。每年通过工业复合物排放超过600万吨CO和接近400万吨H2。许多情况下，这些气体被排放到大气中，对环境造成严重的污染。
另一类含CO和/或H2的气体源自煤、石油、生物质和有机废物等含碳物质的气化，它的主要成分为CO、H2和CO2，还含有少量的CH4和一些硫、氮的化合物，是一类丰富而廉价的生物加工原料。这些气体可通过厌氧发酵转化为多种有用的燃料和化学品，比如乙酸、丁酸、乙醇和丁醇等。
与合成气化学转化相比，生物转化具有以下几个优点：(1)生物转化的反应条件温和；(2)酶的专一性比无机催化剂高，因而产物得率高，副产物少；(3)生物转化不需要固定的CO和H2比例；(4)发酵菌对合成气中的硫化物具有耐受性，减少了气体净化成本。
以CO和/或H2和CO2为底物通过厌氧微生物发酵生产乙酸、乙酸盐或其它具有商业价值的产品的方法已经有了实验室规模的实施。参见，例如，Vega等(1989)，生物技术与生物工程，34：785-793；Klasson等(1990)，应用生物化学与生物技术，24/25：1。
作为合成气发酵底物的气体如CO或者H2在水中溶解度不大，气体底物的传递涉及气、固、液三相：气体底物、培养基(发酵液、液相)和悬浮在培养基中的微生物细胞(固相)；气相底物必须先扩散到气-液界面，再在液相中微生物细胞表面为细胞所用，气液传质主要阻力在气-液界面上。
以CO和H2为底物合成乙酸、乙醇的反应方程式如下：
6CO+3H2O＝C2H5OH+4CO2            (1)
6H2+2CO2＝C2H5OH+3H2O            (2)
4CO+2H2O＝CH3COOH+2CO2           (3)
4H2+2CO2＝CH3COOH+2H2O           (4)
合成气连续通入生物反应器，发酵产生乙酸、乙醇和CO2，N2和甲烷等非反应气体不参与发酵反应。由未被转化的CO和H2、副产物CO2、N2和甲烷等非反应气体组成的发酵尾气从生物反应器上排出。
CO和H2的单程转化率低于100％，一般为60-80％，所以发酵尾气中存在一定比例的发酵底物。发酵尾气一般组成为(体积％，组分和新鲜合成气组成、底物转化率有关)CO250～60％，CO 16～30％，H216～28％，N2和甲烷等0.1～5％。回收利用尾气中有用底物，既经济又环保。
中国专利ZL200510109722.1“生产乙酸的微生物工艺以及从发酵液中萃取乙酸的溶剂”，ZL99810663.1“生产乙酸的微生物工艺以及从发酵液中萃取乙酸的溶剂”，ZL96180363.0“用生物学工艺从废气中制备乙酸”公开了用此类气体、培养基和一种或多种厌氧菌在生物反应器内发酵的方法大规模生产乙酸等有用化学品的方法。这些专利方法中气相底物在经过生物反应器后其中非反应气体和未反应基质气体作为废气释放，没有提及发酵尾气的处理和回用。
常规的气相底物发酵生产有机酸或有机醇的系统包括生物反应器、过滤设备和有机物分离装置，其中生物反应器用于气相底物发酵，生物反应器上连接有接收外部输入的气相底物的气相底物输入管，生物反应器与过滤设备之间连接有流通管，用于将发酵物输送至过滤设备中进行细胞过滤；过滤设备和有机物分离装置之间连接有流通管，用于将过滤出细胞后的过滤物进行分离，以分离出有机物。使用常规的系统无法实现发酵尾气的处理和回用。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种用于气相底物发酵生产有机酸或有机醇的系统，以处理和回用发酵尾气。
一种用于气相底物发酵生产有机酸或有机醇的系统，包括生物反应器、过滤设备和有机物分离装置，生物反应器上连接有接收外部输入的气相底物的气相底物输入管，其中，所述系统还包括尾气处理装置，所述尾气处理装置与生物反应器之间连接有将发酵尾气通入尾气处理装置的发酵尾气输送管，尾气处理装置和气相底物输入管之间连接有处理后尾气输送管。
优选地，所述生物反应器和过滤设备之间连接有将过滤出的细胞浓溶液输回至生物反应器的细胞回流管。
优选地，所述有机物分离装置与生物反应器之间连接有将有机物分离装置中分离出的水输回至生物反应器的返回水管。
优选地，所述生物反应器是固定化细胞反应器或悬浮细胞反应器；进一步优选地，所述生物反应器是滴流床反应器、连续搅拌反应器或气升式反应器。
优选地，所述过滤设备是离心机、超滤膜过滤装置或中空纤维膜过滤装置。进一步优选地，所述过滤设备是中空纤维膜过滤装置。
优选地，所述有机物分离装置是精馏塔或萃取精馏装置。进一步优选地，所述有机物分离装置是精馏塔。
优选地，所述尾气处理装置是精馏塔、变压吸附装置、膜分离装置或者化学吸附装置；进一步优选地，所述尾气处理装置是变压吸附装置。
优选地，所述发酵尾气输送管上还设置有排气管，用于将部分发酵尾气输送至例如火炬的处理装置中燃烧。
在该系统中，气相底物输入至生物反应器中进行发酵，发酵后的产物流入细胞过滤设备中进行细胞过滤，以分离细菌细胞。分离出的细胞浓溶液通过细胞回流管输回至生物反应器回收利用，其它物质进入有机物分离装置中分离出有机物和水。分离出的水回流至生物反应器中重复利用。生物反应器中的发酵尾气进入尾气处理装置中，尾气处理装置回收其中的二氧化碳，从而富集气相底物。处理后的尾气通过尾气处理装置和气相底物输入管之间的处理后尾气输送管输送至气相底物输入管中，与新鲜气相底物合并，并进入生物反应器中进行反应。
本实用新型的系统通过尾气处理装置回收发酵尾气中的二氧化碳，富集并回收利用气相底物，提高了气相底物的转化率，提高有机醇或有机酸的产率，降低气相底物和二氧化碳的排放，保护环境。
附图说明
图1是本实用新型一种实施方式的示意图。
具体实施方式
现通过具体实施方式和附图说明本实用新型，但本实用新型不限于以下内容。
如图1所示的一种具体实施方式中，本实用新型的用于气相底物发酵生产有机酸或有机醇的系统包括：用于气相底物发酵的生物反应器1，用于过滤细胞的过滤设备2，用于分离有机物的有机物分离装置3和尾气处理装置4；其中，生物反应器1上连接有接收外部输入的气相底物的气相底物输入管5；过滤设备2与生物反应器1之间连接有将发酵物输入至过滤设备2的发酵物流通管6和将过滤设备2过滤出的细胞浓溶液输回至生物反应器1的细胞回流管7；过滤设备2与有机物分离装置3之间连接有将过滤物从过滤设备2引入有机物分离装置3的过滤物流通管8；有机物分离装置3与生物反应器1之间连接有将有机物分离装置3中分离出的水输回至生物反应器1的返回水管9；尾气处理装置4和生物反应器1之间连接有将发酵尾气通入至尾气处理装置4的发酵尾气输送管11；尾气处理装置4和气相底物输入管5之间连接有处理后尾气输送管10。
在一种实施例中，使用该系统进行有机酸或有机醇发酵时，气相底物从气相底物输入管5输入至生物反应器1中在37℃下进行发酵，生物反应器1内装有悬浮于水相的厌氧菌。在本实施例中，生物反应器1是连续搅拌发酵罐(BIOFLO，New Brunswick Scientific Co.，Inc.)；在其它实施例中，生物反应器1也可以是滴流床反应器或气升式反应器。发酵后的发酵物从发酵物流通管6流入过滤设备2中进行细胞过滤，以分离细菌细胞。在该实施例中，过滤设备2是中空纤维膜过滤装置；在其它实施例中，过滤设备2还可以是离心机或超滤膜过滤装置。分离出的细胞浓溶液通过细胞回流管7流回发酵罐1中回收利用，其它物质通过过滤物流通管8进入有机物分离装置3中分离出95％乙醇和水。在本实施例中，有机物分离装置3是精馏塔；在其它实施例中，有机物分离装置还可以是萃取精馏装置。在精馏塔中分离出的水通过返回水管9回流至连续搅拌发酵罐中重复利用。连续搅拌发酵罐中的发酵尾气大约为0.02MPa、37℃，发酵尾气通过发酵尾气输送管11进入尾气处理装置4。在该实施例中，尾气处理装置4是变压吸附装置；在其它实施例中，尾气处理装置4还可以是精馏塔、膜分离装置或者化学吸附装置。在变压吸附装置中，发酵尾气经增压、变压吸附等工艺处理，二氧化碳和氢气及一氧化碳等分离，得到高浓度的二氧化碳气体和富含氢气、一氧化碳的混合气。高浓度的二氧化碳气体经压缩、液化、减压、分离提纯后得到液体二氧化碳。富集的氢气和一氧化碳大部分通过处理后尾气输送管10输送至气相底物输入管5中，与新鲜气相底物合并，并进入发酵罐1中进行反应。
在一种实施例中，可以在发酵尾气输送管11上设置排气管。本领域技术人员可以根据实际需要，可以将一部分发酵尾气进行去除CO2处理，再与新鲜合成气混合回用；而另一部分发酵尾气则通过排气管排至例如火炬等的处理装置中燃烧。

Claims (9)

1.一种用于气相底物发酵生产有机酸或有机醇的系统，所述系统包括：生物反应器、过滤设备和有机物分离装置，生物反应器上连接有接收外部输入的气相底物的气相底物输入管，其特征在于：所述系统还包括尾气处理装置，所述尾气处理装置与生物反应器之间连接有将发酵尾气通入尾气处理装置的发酵尾气输送管，尾气处理装置和气相底物输入管之间连接有处理后尾气输送管。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述生物反应器和过滤设备之间连接有将过滤出的细胞浓溶液输回至生物反应器的细胞回流管。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述有机物分离装置与生物反应器之间连接有将有机物分离装置中分离出的水输回至生物反应器的返回水管。
4.根据权利要求1-3任何一项所述的系统，其特征在于，所述生物反应器是固定化细胞反应器或悬浮细胞反应器。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述生物反应器是滴流床反应器、连续搅拌反应器或气升式反应器。
6.根据权利要求1-3任何一项所述的系统，其特征在于，所述过滤设备是离心机、超滤膜过滤装置或中空纤维膜过滤装置。
7.根据权利要求1-3任何一项所述的系统，其特征在于，所述有机物分离装置是精馏塔或萃取精馏装置。
8.根据权利要求1-3任何一项所述的系统，其特征在于，所述尾气处理装置是精馏塔、变压吸附装置、膜分离装置或化学吸附装置。
9.根据权利要求1-3任何一项所述的系统，其特征在于，所述发酵尾气输送管上设有排气管。
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