RU2044773C1 - Method for fermentation of carbohydrate-containing mediums with the help of bacteria which produce butanol, acetone, ethanol and/or isopropanol and device for its realization - Google Patents

Method for fermentation of carbohydrate-containing mediums with the help of bacteria which produce butanol, acetone, ethanol and/or isopropanol and device for its realization Download PDF

Info

Publication number
RU2044773C1
RU2044773C1 SU894742195A SU4742195A RU2044773C1 RU 2044773 C1 RU2044773 C1 RU 2044773C1 SU 894742195 A SU894742195 A SU 894742195A SU 4742195 A SU4742195 A SU 4742195A RU 2044773 C1 RU2044773 C1 RU 2044773C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
medium
fermentation
carrier
stage
target product
Prior art date
Application number
SU894742195A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
ШМИДТ Альфред
Штайнер Ева
Зальцбрунн Вольфганг
Эффенбергер Хельмут
Original Assignee
Др.Хельмут Эффенбергер
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from AT0056687A external-priority patent/AT388174B/en
Application filed by Др.Хельмут Эффенбергер filed Critical Др.Хельмут Эффенбергер
Application granted granted Critical
Publication of RU2044773C1 publication Critical patent/RU2044773C1/en

Links

Images

Classifications

    • Y02E50/17

Abstract

FIELD: fermentation. SUBSTANCE: method is carried out in two steps. The first step involves cultivation bacteria by mixing at pH 4.0-5.5 and/or at 30-40 C, rate of stream being 0.080.45 h-1. At the second step bacteria are immobilized on porous carrier at ratio 1:10-1:11 or desired product is isolated by microfiltration. The second step is carried out at 27-40 C and pH 3.0-5.0, rate of stream being 0.14-0.4 h-1. Caked glass having open pores or pumice or other material having high SiO2-content and pores 20-200 μm in size are used as said carrier. Ratio of said carrier and volume of fermented medium is 1: 5-1:1.6, moisture capacity of said carrier being 0.35 ml/cm3. Desired product is isolated by extraction with higher alcohols or higher fatty acids, thus prepared phase being removed to the first and/or the second step of fermentation. Desired product also may be isolated by diffuse evaporation at 30-90 C through membrane of silicone rubber, nitrogen or hydrogen or carbon oxide, or their mixture. Gas distillation at 30-90 C also may be used to produce desired product, mentioned above gases being used. Device for realization of proposed method comprises two reactors being connected consequently. The former reactor is autoclave which has a mixer. The latter reactor has device for producing directed stream of circulation of medium and filler with immobilized microorganisms. Said reactor is connected with outside contour for isolation of desired product. EFFECT: improves efficiency of the method.

Description

Изобретение относится к способу сбраживания углеводсодержащих сред с помощью бактерий, продуцирующих бутанол, ацетон, этанол и/или изопропанол, состоящему из по меньшей мере двух стадий, причем на первой стадии в основном происходит непрерывное размножение бактерий, а на второй, проводимой непрерывно или периодически, образуется целевой продукт. The invention relates to a method for fermentation of carbohydrate-containing media using bacteria producing butanol, acetone, ethanol and / or isopropanol, which consists of at least two stages, and in the first stage, the bacteria multiply continuously, and in the second, continuously or periodically, the target product is formed.

В известном способе (1) имеются две обычные стадии культивирования, причем изменяя скорость протока или с помощью контроля фосфатов, устанавливают ход процесса таким образом, чтобы на первой стадии (стадия размножения) концентрация бактерий была высокой и оставалась постоянной, т.е. чтобы устанавливалось динамическое равновесие (стационарное состояние) и уже часть субстрата перерабатывалась в бутанол, ацетон и/или этанол. На второй же стадии в этом случае должен достигаться возможно более высокий выход целевых продуктов брожения за возможно более короткое время. Если скорость протока на первой стадии будет слишком высокой, то будет выноситься больше клеток, чем их образуется. При слишком же низкой скорости протока рост клеток может прекратиться. In the known method (1), there are two usual stages of cultivation, and changing the flow rate or using phosphate control, the process is set so that in the first stage (propagation stage) the concentration of bacteria is high and remains constant, i.e. to establish dynamic equilibrium (stationary state) and already part of the substrate is processed into butanol, acetone and / or ethanol. At the second stage, in this case, the highest possible yield of the desired fermentation products should be achieved in the shortest possible time. If the duct velocity in the first stage is too high, more cells will be carried out than they are formed. If the flow rate is too low, cell growth may stop.

Такой способ имеет недостаток, заключающийся в том, что он не обеспечивает, с одной стороны, получения достаточно высоких выходов, и с другой стороны, стабильности непрерывного получения культуры в течение длительного времени. This method has the disadvantage that it does not provide, on the one hand, obtaining sufficiently high yields, and on the other hand, the stability of the continuous production of culture for a long time.

Цель изобретения создание способа, с помощью которого в течение длительного времени можно было бы стабильно получать высокий выход и который позволял бы использовать исходные материалы, содержащие не только гексозы. The purpose of the invention is the creation of a method by which for a long time it would be possible to stably obtain a high yield and which would allow the use of starting materials containing not only hexoses.

Цель достигается тем, что бактерии на второй стадии иммобилизируют на носителе. The goal is achieved in that the bacteria in the second stage are immobilized on a carrier.

Предлагаемый способ с точки зрения скорости протока является очень гибким, так как жизнеспособные бактерии на второй стадии удерживаются на носителе за счет адгезии. При этом с учетом протекания процесса скорость протока на первой стадии можно выбрать таким образом, чтобы на этой стадии происходило почти исключительно образование бактерий, которые затем частично переносились бы потоком на вторую стадию. В результате на второй стадии создается большая популяция бактерий, так как жизнеспособные бактерии связываются с материалом носителя, а погибшие бактерии вымывают обогащенной целевым продуктом средой. Таким образом на первой стадии можно работать с такими скоростями протока, при которых концентрация образующихся продуктов еще не превышает предела токсичности, следовательно, культуре бактерий не наносится существенный вред. Предпочтительно в качестве носителя использовать спеченное стекло с открытыми порами, пемзу или другой аналогичный материал с высоким содержанием SiO2 и открытопористой структурой с размером пор 20-200, предпочтительно 5-100 мкм, и влагоемкостью 0,35 или более мл/см3. При этом соотношение между объемом материала носителя и общим рабочим объемом должно находиться в пределах 1:10 1:1,1, предпочтительно 1:5 1: 1,6, за счет чего достигается особенно высокая эффективность брожения (в частности, если на первой стадии при перемешивании содержимого реактора скорость протока составляет 0,08-0,45, предпочтительно 0,1-0,38 ч-1, рН 4,0-5,5, предпочтительно 4,3-5,1, наиболее предпочтительно 4,5-5 и/или температура 30-40, предпочтительно 33-38оС, а на второй стадии скорость протока составляет 0,14-0,4, предпочтительно 0,25-0,35 ч-1, рН 3,0-5,0, предпочтительно 4,0-4,8, наиболее предпочтительно 4,2-4,5, и/или температура 27-40, предпочтительно 30-37оС, наиболее предпочтительно 32-35оС).The proposed method in terms of flow velocity is very flexible, since viable bacteria in the second stage are retained on the carrier due to adhesion. Moreover, taking into account the process, the flow rate in the first stage can be chosen so that at this stage almost exclusively the formation of bacteria occurs, which would then be partially transferred by the stream to the second stage. As a result, a large population of bacteria is created in the second stage, since viable bacteria bind to the material of the carrier, and dead bacteria are washed out with the medium enriched in the target product. Thus, at the first stage, it is possible to work with such flow rates at which the concentration of the products formed does not yet exceed the toxic limit, therefore, the bacterial culture is not significantly damaged. It is preferable to use sintered glass with open pores, pumice or other similar material with a high SiO 2 content and an open-porous structure with a pore size of 20-200, preferably 5-100 μm, and a moisture capacity of 0.35 or more ml / cm 3 as a carrier. In this case, the ratio between the volume of the carrier material and the total working volume should be in the range 1:10 1: 1.1, preferably 1: 5 1: 1.6, due to which a particularly high fermentation efficiency is achieved (in particular, if in the first stage while stirring the contents of the reactor, the flow rate is 0.08-0.45, preferably 0.1-0.38 h -1 , pH 4.0-5.5, preferably 4.3-5.1, most preferably 4.5 -5 and / or the temperature of 30-40, preferably 33-38 C, and in the second stage the flow rate is 0,14-0,4, preferably 0.25-0.35 h -1, pH 3,0-5 , 0, prefer flax 4.0-4.8, most preferably 4.2-4.5, and / or the temperature of 27-40, preferably 30-37 C, most preferably 32-35 ° C).

По другому варианту осуществления предлагаемого способа можно отводить среду со стадии образования целевого продукта, выделять продукт путем экстракции, предпочтительно известным способом, с помощью высших спиртов или высших жирных кислот, а образующуюся в результате обедненную продуктом фазу возвращать на стадию образования продукта и/или первую стадию. Благодаря этому на второй стадии концентрация продукта поддержи- вается на низком уровне, следовательно не наносится вред бактериям. В результате образование продуктов происходит все время с высокой скоростью и процесс этот поддерживается в течение очень длительного времени. Возможно далее проводить отделение продукта, не оказывая отрицательного влияния на стадию брожения. Можно образующиеся на второй стадии продукты отводить из среды (предпочтительно непрерывно) путем диффузионного испарения, используя для этой цели перфузионную мембрану, в частности из силиконового каучука, и проводят процесс при 30-90, предпочтительно при 40-80оС. Снижение давления паров со стороны диффузионного испарения при этом достигается с помощью газа-носителя, например N2, H2, CO2, смеси указанных газов, ферментационного газа или с помощью вакуума. Можно однако отделять целевые продукты (предпочтительно непрерывно) на второй стадии и путем отгонки с газом, используя в качестве газа, например, N2, Н2, СО2, смесь указанных газов или ферментационный газ. При этом объемное соотношение между потоками жидкости и газа составляет 0,05:1 1,6:1 и процесс проводят при температуре 30-90, предпочтительно 40-80оС.In another embodiment of the proposed method, it is possible to divert the medium from the stage of formation of the target product, to isolate the product by extraction, preferably in a known manner, with higher alcohols or higher fatty acids, and return the resulting depleted phase to the stage of product formation and / or the first stage . Due to this, in the second stage, the concentration of the product is maintained at a low level, therefore bacteria are not harmed. As a result, the formation of products occurs all the time at a high speed and this process is maintained for a very long time. It is possible to further carry out the separation of the product without exerting a negative effect on the fermentation stage. Can be formed in the second stage the products withdrawn from the medium (preferably continuously) by pervaporation, using for this purpose a perfusion membrane, in particular silicone rubber, and the process is carried out at 30-90, preferably at 40-80 C. Reduction of the vapor pressure with side diffusion evaporation is achieved using a carrier gas, for example N 2 , H 2 , CO 2 , a mixture of these gases, a fermentation gas or using vacuum. However, it is possible to separate the desired products (preferably continuously) in the second stage and by stripping with gas, using, for example, N 2 , H 2 , CO 2 , a mixture of these gases or fermentation gas. The volume ratio between the flow of liquid and gas is 0.05: 1 1.6: 1 and the process is carried out at a temperature of 30-90, preferably 40-80 about C.

Все указанные способы отделения целевых продуктов наряду с возможностью использования нетрадиционных сахаров позволяют применять более концентрированные растворы сахара, обеспечивают достижение более высокой продуктивности и стабильное протекание процесса в течение длительного времени. All these methods of separation of the target products, along with the possibility of using non-traditional sugars, allow the use of more concentrated sugar solutions, ensure the achievement of higher productivity and a stable process for a long time.

Для регулирования протекания процесса с особенно высокой точностью можно изменять количество подаваемого питательного раствора и/или раствора сахара в зависимости от содержания целевого продукта на второй стадии и тем самым устанавливать точно ту концентрацию питательного раствора или сахара, которая необходима для оптимального протекания процесса. To regulate the process with particularly high accuracy, you can change the amount of the supplied nutrient solution and / or sugar solution depending on the content of the target product in the second stage and thereby establish exactly the concentration of the nutrient solution or sugar, which is necessary for the optimal process.

В предлагаемом устройстве могут быть последовательно соединены биореактор, предпочтительно биореактор типа автоклава с мешалкой, и реактор, загруженный материалом, содержащим микроорганизмы, предпочтительно реактор с неподвижным слоем. При этом реактор с неподвижным слоем связан с внешним контуром для непрерывного отделения целевого продукта. Благодаря такой комбинации реакторов можно очень просто регулировать скорость роста используемых микроорганизмов и образование целевого продукта на второй стадии. In the proposed device, a bioreactor, preferably a bioreactor such as an autoclave with a stirrer, and a reactor loaded with material containing microorganisms, preferably a fixed-bed reactor, can be connected in series. In this case, the fixed-bed reactor is connected to the external circuit for the continuous separation of the target product. Thanks to this combination of reactors, it is very easy to control the growth rate of the microorganisms used and the formation of the target product in the second stage.

При этом в реакторе с неподвижным слоем могут быть смонтированы одно или несколько направляющих устройств для обеспечения циркуляции внутри самого реактора. Благодаря такой циркуляции концентрация питательной среды и продукта становится примерно одинаковой во всех точках реактора. Для обеспечения циркуляции в реакторе могут быть смонтированы местные устройства для ввода газа или направляющие для направленного ввода потока циркулирующей среды. В случае ввода газа циркуляция достигается за счет эрлифтного эффекта, а в случае ввода направленного потока жидкости за счет соответствующей ее скорости. In this case, in the fixed-bed reactor, one or more guide devices can be mounted to ensure circulation inside the reactor itself. Due to this circulation, the concentration of the nutrient medium and the product becomes approximately the same at all points of the reactor. To ensure circulation in the reactor, local gas inlet devices or guides for directional inlet of the circulating medium flow can be mounted. In the case of introducing gas, circulation is achieved due to the airlift effect, and in the case of introducing a directed fluid flow due to its corresponding velocity.

Во внешнем контуре для отделения образующихся продуктов может быть смонтирован пердиффузионный модуль. Этот модуль может включать мембрану, в частности из силиконового каучука. В этом случае обеспечивается наиболее благоприятные условия для выделения целевого продукта из среды. При этом при осуществлении потока относительно мембраны перекрестным током предотвращается отложение на ней микроорганизмов. И, наконец, для отделения целевого продукта во внешнем контуре может быть смонтирована противоточная стриппинг-колонна. При этом выбор того или иного способа отделения целевого продукта зависит от природы используемого исходного материала, природы образую- щегося продукта и используемых микроорганизмов. In the external circuit, a perdiffusion module can be mounted to separate the products formed. This module may include a membrane, in particular of silicone rubber. In this case, the most favorable conditions are provided for the isolation of the target product from the medium. In this case, when the flow is carried out relative to the membrane by a cross current, the deposition of microorganisms on it is prevented. And finally, a countercurrent stripping column can be mounted to separate the target product in the external circuit. Moreover, the choice of one or another method of separation of the target product depends on the nature of the starting material used, the nature of the resulting product and the microorganisms used.

На первой стадии предлагаемого способа устанавливают такую скорость протока, при которой на этой стадии происходит размножение бактерий и образование кислоты, но не происходит заметного образования продуктов. На этой стадии роста бактерии проявляют хорошие адгезионные свойства, благодаря чему при переходе на вторую стадию происходит иммобилизация их на материале носителя. При слишком низкой скорости протока на первой стадии будет происходить рост клеток, причем при этом одновременно может происходить образование продукта, в результате чего бактерии теряют свою способность адсорбироваться на материале носителя. At the first stage of the proposed method, such a duct speed is established at which bacteria multiply and acid formation occurs at this stage, but no noticeable product formation occurs. At this stage of growth, bacteria exhibit good adhesive properties, due to which, when moving to the second stage, they are immobilized on the material of the carrier. If the flow rate is too low, cell growth will occur in the first stage, and product formation can occur at the same time, as a result of which the bacteria lose their ability to adsorb on the carrier material.

Вместо иммобилизации на второй стадии способа клетки можно отделять от среды с помощью микрофильтрации, предпочтительно перекрестно-точной микрофильтрации, и затем возвращать их в процесс. В результате достигается такой же эффект, как и при иммобилизации. Instead of immobilization in the second stage of the method, cells can be separated from the medium by microfiltration, preferably cross-precision microfiltration, and then returned to the process. As a result, the same effect is achieved as with immobilization.

Кроме того, высокая концентрация целевого продукта на первой стадии (при низкой скорости потока) приводит к дегенерации бактерий, следствием чего является обратный переход от образования продукта к образованию кислоты, который, как показала практика, является необратимым. При слишком высокой скорости протока на первой стадии происходит вымывание бактерий, в результате чего через некоторое время количество бактерий на второй стадии будет уже недостаточным. In addition, a high concentration of the target product in the first stage (at a low flow rate) leads to degeneration of bacteria, resulting in a reverse transition from product formation to acid formation, which, as practice has shown, is irreversible. If the duct speed is too high, bacteria are washed out in the first stage, as a result of which after a while the number of bacteria in the second stage will be already insufficient.

Таким образом скорость протока следует устанавливать в зависимости от конкретных условий. Therefore, the flow rate should be set depending on the specific conditions.

На фиг.1 показана схема процесса, при котором образующиеся продукты отделяют путем диффузионного испарения; на фиг.2 схема, с помощью которой отделение продуктов осуществляется путем экстракции; на фиг.3 схема, при которой продукт из среды выделяют путем отгонки. Figure 1 shows a process diagram in which the products formed are separated by diffusion evaporation; figure 2 is a diagram by which the separation of products is carried out by extraction; figure 3 is a diagram in which the product from the medium is isolated by distillation.

Цифрой 1 обозначен сборник, из которого питательный раствор по трубопроводу 2 с помощью насоса 3 подается на первую стадию, оформленную в виде биореактора типа автоклава с мешалкой 4. Из биореактора обогащенный биомассой питательный субстрат по трубопроводу 5 насосом 6 подается на вторую стадию, оформленную в виде реактора с неподвижным слоем 7. Из этого реактора выходит трубопровод 8, по которому обогащенная продуктом среда с помощью насоса 9 отводится из реактора. Numeral 1 denotes a collection from which the nutrient solution is piped 2 through pump 3 to the first stage, which is designed as a bioreactor such as an autoclave with an agitator 4. From the bioreactor, the nutrient substrate enriched with biomass is piped 5 through pump 6 to the second stage, which is designed as a fixed bed reactor 7. A pipe 8 exits from this reactor, through which the product-enriched medium is discharged from the reactor by means of a pump 9.

Обогащенная продуктом среда (фиг.1) проходит через теплообменник 10, в котором она прогревается за счет тепла возвращаемого, уже отделенного от среды продукта. Подогретая обогащенная продуктом среда по трубопроводу 11 направляется в нагреватель 12 и оттуда в пердиффузионный модуль 13. В пердиффузионном модуле 13 имеется мембрана 14, с одной стороны которой пропускается среда, а с другой газ-носитель. Через мембрану происходит переход продукта из среды в газ, который вводится в модуль 13 по трубопроводу 15. Очищенная от продукта среда по трубопроводу 16 с помощью насоса 17 подается в теплообменник 10 и по трубопроводу 18 снова возвращается в реактор с неподвижным слоем. Избыток среды, практически не содержащий продукта, отводится по трубопроводу 19. Часть среды (на фиг.1 показана пунктирной линией) по трубопроводу 20 с помощью насоса 21 направляется в биореактор типа автоклава с мешалкой. Обогащенный продуктом газ из пердиффу- зионного модуля 13 по трубопроводу 22 подается в охлаждающее устройство 23, в котором продукт конденсируется и отводится по трубопроводу 24. Отделенный от продукта газ по трубопроводу 25 снова возвращается в пердиффузионный модуль 13. The product-enriched medium (Fig. 1) passes through a heat exchanger 10 in which it is heated by the heat of the return product already separated from the medium. The heated product-enriched medium is passed through a pipe 11 to a heater 12 and from there to a perdiffusion module 13. The perdiffusion module 13 has a membrane 14, on one side of which a medium is passed, and on the other, a carrier gas. Through the membrane, the product passes from the medium to the gas, which is introduced into the module 13 through the pipe 15. The medium purified from the product is sent through the pipe 16 to the heat exchanger 10 via the pump 17 and is returned to the fixed-bed reactor through the pipe 18. Excess medium, practically containing no product, is discharged through line 19. A part of the medium (shown in dashed line in Fig. 1) is sent through line 20 to a bioreactor such as an autoclave with a mixer using a pump 21. The product-enriched gas from the perdiffusion module 13 is supplied through a pipe 22 to a cooling device 23, in which the product is condensed and discharged through a pipe 24. The gas separated from the product through a pipe 25 is returned to the perdiffusion module 13.

Отводящаяся из реактора с неподвижным слоем обогащенная продуктом среда (фиг.2) по трубопроводу 8 направляется в нагреватель 26, из которого она поступает в смеситель 27. В этот смеситель по трубопроводу 28 подается экстрагент, и смесь экстрагента и обогащенной продуктом среды по трубопроводу 29 направляется в разделитель 30. В разделителе 30 происходит разделение содержащего продукт экстрагента и очищенной от него среды. При этом обогащенный продуктом экстрагент отводится по трубопроводу 31, а очищенная от него среда по трубопроводу 32. Очищенная от продукта среда по трубопроводу 33 затем снова возвращается в реактор с неподвижным слоем, а избыток ее отводится по трубопроводу 34. Как показано на фиг.2 пунктирной линией, не содержащая продукта среда может также по трубопроводу 35 с помощью насоса 36 возвращаться на первую стадию. Разделение экстрагента и продукта может осуществляться обычным способом, например путем дистилляции и т.п. The product-enriched product discharged from the fixed-bed reactor (Fig. 2) is sent through a pipe 8 to a heater 26, from which it enters a mixer 27. An extractant is supplied to this mixer through a pipe 28, and a mixture of the extractant and the product-enriched medium is sent through a pipe 29 to the separator 30. In the separator 30, the product-containing extractant and the medium purified from it are separated. At the same time, the product-enriched extractant is discharged through pipeline 31, and the medium purified from it is discharged through pipeline 32. The medium purified from the product is then returned through pipeline 33 to the reactor with a fixed bed, and its excess is discharged through pipeline 34. As shown in dashed figure 2 In a line, the product-free medium may also return to the first stage via line 35 via pump 36. The separation of the extractant and the product can be carried out in the usual way, for example by distillation, etc.

Отводящая по трубопроводу 8 с помощью насоса 9 обогащенная продуктом среда (фиг.3) снова направляется в теплообменник 10, из которого она по трубопроводу 37 подается в нагреватель 38 и оттуда по трубопроводу 39 в стриппинг-колонну 40. В этой колонне обогащенная продуктом среда взаимодействует с движущимся противотоком газом, который подается в колонну по трубопроводу 41 с помощью насоса 42. Обогащенный продуктом газ по трубопроводу 43 направляется в охлаждающее устройство 44, в котором продукт конденсируется и отводится по трубопроводу 45. Не содержащий продукта газ снова возвращается в стриппинг-колонну с помощью насоса 42. Не содержащая продукта среда направляется по трубопроводу 46 с помощью насоса 47 в теплообменник 10, в котором еще нагретая среда обменивается теплом со свежей средой, поступающей из реактора с неподвижным слоем 7. Из теплообменника 10 уже не содержащая продукта среда поступает в реактор с неподвижным слоем 7. И в этом случает избыток среды выводится из системы по трубопроводу 48. Показанный пунктирной линией трубопровод 49 и насос 50 также служат для возврата не содержащей продукта среды на первую стадию, а именно в биореактор типа автоклава с мешалкой 4. The product-enriched medium that is discharged through a pipe 8 using a pump 9 (Fig. 3) is again sent to a heat exchanger 10, from which it is supplied through a pipe 37 to a heater 38 and from there through a pipe 39 to a stripping column 40. In this column, the product-enriched medium interacts with a countercurrent gas that is supplied to the column through line 41 via pump 42. The product enriched gas through line 43 is sent to a cooling device 44, in which the product is condensed and discharged through line 45. Not containing The product-containing gas is returned to the stripping column using a pump 42. The product-free medium is sent via line 46 via a pump 47 to a heat exchanger 10, in which the still-heated medium exchanges heat with fresh medium coming from a fixed bed reactor 7. From of the heat exchanger 10, the product-free medium enters the reactor with a fixed bed 7. And in this case, an excess of medium is removed from the system via line 48. The pipe 49 and the pump 50 shown by the dashed line also serve to return free second medium to the first stage of the product, namely the bioreactor autoclave type with an agitator 4.

П р и м е р 1. В качестве питательной среды используется среда следующего состава, г/л: Ксилоза (безводная) 60 КН2РО4 1 К2НРО4 1 (NH4)2SO4 2 MgSO4 ˙ 7H2O 0,1 NaCl 0,01 Na2MoO4 ˙ 2H2O 0,01 CaCl2 0,01 MnSO4 ˙ H2O 0,015 FeSO4 ˙ 7H2O 0,015 Биотин (мг/л) 0,1 Тиаминхлорид 0,002 n-аминобензойная кислота 0,002 Na2S2O4 0,035 Резацурин 0,001 Экстракт дрожжей 0,5 Na4ООCCH3 2,2
В качестве сбраживающих организмов используется Clostridium acetobutylicum АТСС 824, который перед введением его в процесс берется в виде соответствующей форкультуры.
PRI me R 1. As a nutrient medium, the following composition is used, g / l: Xylose (anhydrous) 60 KN 2 PO 4 1 K 2 NRA 4 1 (NH 4 ) 2 SO 4 2 MgSO 4 ˙ 7H 2 O 0.1 NaCl 0.01 Na 2 MoO 4 ˙ 2H 2 O 0.01 CaCl 2 0.01 MnSO 4 ˙ H 2 O 0.015 FeSO 4 ˙ 7H 2 O 0.015 Biotin (mg / l) 0.1 Thiamine chloride 0.002 n- aminobenzoic acid 0.002 Na 2 S 2 O 4 0.035 Resazurin 0.001 Yeast extract 0.5 Na 4 OOCCH 3 2.2
As fermenting organisms, Clostridium acetobutylicum ATCC 824 is used, which is taken in the form of an appropriate culture before introducing it into the process.

Питательная среда из сборника 1 подается в биореактор в виде автоклава с мешалкой 4 со скоростью 0,3 ч-1. Количество инокулюма при этом составляет примерно 10% от содержимого биореактора. Ферментация в биореакторе проводится при 37оС и рН 5,1. За счет выбора определенной скорости протока плотность клеток в биореакторе остается примерно постоянной, причем образующиеся в результате размножения бактерий новые клетки подаются по трубопроводу 5 в реактор с неподвижным слоем 7, где они за счет адгезии удерживаются на материале носителя. В качестве носителя используется спеченное стекло с открытыми порами, объем которого составляет 50% от общего рабочего объема. Температура ферментации в реакторе с неподвижным слоем 7 равна 33оС, а рH 4,3. Общая скорость протока на обеих стадиях составляет 0,15 ч-1. Содержимое реактора в реакторе с неподвижным слоем 7 продувается азотом, за счет чего благодаря смонтированным в нем направляющим осуществляется циркуляция.The nutrient medium from the collection 1 is fed into the bioreactor in the form of an autoclave with a stirrer 4 at a speed of 0.3 h -1 . The amount of inoculum in this case is approximately 10% of the contents of the bioreactor. Fermentation in the bioreactor is carried out at 37 about C and a pH of 5.1. By choosing a specific flow rate, the density of cells in the bioreactor remains approximately constant, and new cells resulting from the growth of bacteria are fed via line 5 to the fixed bed reactor 7, where they are retained on the support material due to adhesion. Sintered glass with open pores, the volume of which is 50% of the total working volume, is used as a carrier. Fermentation temperature in a fixed bed reactor 7 is 33 ° C and pH 4.3. The total flow rate at both stages is 0.15 h -1 . The contents of the reactor in the fixed bed reactor 7 are purged with nitrogen, due to which the circulation is carried out thanks to the guides mounted in it.

Производительность и выход приведены в табл.1. Performance and output are given in table 1.

П р и м е р 2. Используются питательный раствор того же состава и такой же инокулюм, и процесс в биореакторе типа автоклава с мешалкой и в реакторе с неподвижным слоем проводиться в таких же условиях. Реактор с неподвижным слоем соединен с внешним контуром, в котором образующиеся продукты отводятся непрерывно или периодически. Отводимая из реактора с неподвижным слоем обогащенная продуктом жидкость нагревается до температуры около 40оС и направляется в стриппинг-колонну, в которую противотоком по отношению к ней вводитcя азот, иcпользующийcя в качеcтве газа для отгонки. Объемное cоотношение между потоками жидкоcти и газа cоcтавляет 0,35:1. Жидкоcть, практичеcки не cодержащая продуктов, поcле охлаждения до температуры брожения чаcтично cнова возвращаетcя в реактор с неподвижным слоем 7, причем меньшая ее часть может возвращаться также в биореактор типа автоклава с мешалкой 4.PRI me R 2. Use a nutrient solution of the same composition and the same inoculum, and the process in a bioreactor such as an autoclave with a stirrer and in a reactor with a fixed bed is carried out in the same conditions. The fixed bed reactor is connected to an external circuit in which the products formed are discharged continuously or periodically. Derived from a fixed bed reactor enriched product fluid is heated to a temperature of about 40 ° C and sent to a stripping column to which the countercurrent thereto vvoditcya nitrogen icpolzuyuschiycya in kachectve gas stripping. The volumetric ratio between liquid and gas flows is 0.35: 1. The liquid, practically containing no products, after cooling to the fermentation temperature, partly returns to the fixed bed reactor 7, moreover, its smaller part can also be returned to the autoclave-type bioreactor with stirrer 4.

Избыток жидкости, не содержащей продукта, отводится из системы. Обогащенный продуктом отводимый из стриппинг-колонны газ пропускается через охлаждающее устройство, в котором продукты могут конденсироваться и отводиться. Полученные стационарные значения приведены в табл.2. Excess fluid containing no product is discharged from the system. Product enriched gas from the stripping column is passed through a cooling device in which products can condense and discharge. The obtained stationary values are given in table.2.

Как видно из табл. 1,2, производительность и степень распара сахара в случае способа в соответствии с примером 2, т.е. при непрерывном отводе продукта во внешнем контуре, значительно выше. Этот результат имеет место и в том случае, когда, как показали вышеуказанные опыты, брожение проводится в течение более длительного времени, более 500 ч. As can be seen from the table. 1,2, the productivity and the degree of steam sugar in the case of the method in accordance with example 2, i.e. with continuous product withdrawal in the external circuit, significantly higher. This result also occurs when, as shown by the above experiments, fermentation is carried out for a longer time, more than 500 hours.

Claims (9)

1. Способ сбраживания углеводсодержащих сред с помощью бактерий, продуцирующих бутанол, ацетон, этанол и/или изопропанол, предусматривающий ферментацию среды при рН 4-5,5 и температуре 27-40oС в две стадии, на первой из которых осуществляют непрерывное выращивание бактерий, а на второй - образование периодически или непрерывно целевого продукта, подачу питательного раствора и/или раствора сахара в зависимости от содержания целевого продукта на второй стадии с последующим выделением целевого продукта, отличающийся тем, что на второй стадии бактерии иммобилизируют на пористом носителе при соотношении объема носителя и объема сбраживаемой среды 1:10 1:1,1 или отделяют микрофильтрацией от сбраживаемой среды и возвращают в процесс, при этом на первой стадии ферментацию проводят при перемешивании среды, скорости потока 0,08 0,45 ч- 1, рН 4,0 5,5 и/или температуре 30 40oС, а на второй при скорости потока 0,14-0,4 ч- 1, рН 3,0-5,0 и/или температуре 27-40oС.1. The method of fermentation of carbohydrate-containing media using bacteria producing butanol, acetone, ethanol and / or isopropanol, providing for the fermentation of the medium at a pH of 4-5.5 and a temperature of 27-40 o C in two stages, the first of which carry out continuous bacterial growth and on the second - the formation periodically or continuously of the target product, the supply of a nutrient solution and / or sugar solution depending on the content of the target product in the second stage, followed by isolation of the target product, characterized in that in the second stage b the bacteria are immobilized on a porous carrier with a ratio of the volume of the carrier and the volume of the fermented medium 1:10 1: 1.1 or separated by microfiltration from the fermented medium and returned to the process, while in the first stage the fermentation is carried out with stirring the medium, the flow rate of 0.08 0, 45 h - 1 , pH 4.0 5.5 and / or a temperature of 30 40 o C, and the second at a flow rate of 0.14-0.4 h - 1 , pH 3.0-5.0 and / or temperature 27-40 o C. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве носителя используют спеченное стекло с открытыми порами, или пемзу, или другой материал с высоким содержанием SiO2 с размерами пор 20-200 мкм и влагоемкостью по меньшей мере 0,35 мл/см3.2. The method according to claim 1, characterized in that sintered glass with open pores, or pumice, or other material with a high SiO 2 content with pore sizes of 20-200 μm and a moisture capacity of at least 0.35 ml / is used as a carrier. cm 3 . 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что соотношение объема носителя и объема сбраживаемой среды составляет 1:5-1:1,6. 3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that the ratio of the volume of the carrier and the volume of the fermented medium is 1: 5-1: 1.6. 4. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что используют носитель с размерами пор 50-100 мкм. 4. The method according to claims 1 to 3, characterized in that a carrier with pore sizes of 50-100 microns is used. 5. Способ по пп.1-4, отличающийся тем, что выделение целевого продукта осуществляют экстракцией с помощью высших спиртов или высших жирных кислот, образующуюся при этом фазу возвращают на первую и/или вторую стадию ферментации. 5. The method according to claims 1 to 4, characterized in that the selection of the target product is carried out by extraction with higher alcohols or higher fatty acids, the resulting phase is returned to the first and / or second stage of fermentation. 6. Способ по пп.1-5, отличающийся тем, что выделение целевого продукта осуществляют путем диффузионного испарения через мембрану при температуре 30
90oС, при этом снижение давления паров со стороны диффузионного испарителя проводят с помощью азота, или водорода, или диоксида углерода, или смеси этих газов, или ферментационного газа, или вакуума.
6. The method according to PP.1-5, characterized in that the selection of the target product is carried out by diffusion evaporation through the membrane at a temperature of 30
90 o C, while reducing the vapor pressure from the side of the diffusion evaporator is carried out using nitrogen, or hydrogen, or carbon dioxide, or a mixture of these gases, or a fermentation gas, or vacuum.
7. Способ по пп.1-4, отличающийся тем, что выделение целевого продукта осуществляют газовой отгонкой при 30-90oС, при этом в качестве газа используют азот, водород, оксид углерода, смесь этих газов или ферментационный газ при соотношении среды и газа 0,05:1 1,6 1.7. The method according to claims 1 to 4, characterized in that the selection of the target product is carried out by gas distillation at 30-90 o C, while the gas used is nitrogen, hydrogen, carbon monoxide, a mixture of these gases or fermentation gas in a ratio of medium and gas 0.05: 1 1.6 1. 8. Устройство для сбраживания углеводсодержащих сред с помощью бактерий, продуцирующих бутанол, ацетон, этанол и/или изопропанол, содержащее последовательно соединенные два реактора, в первом из которых размещена мешалка, а во втором приспособление для создания направленного потока циркулирующей среды, причем второй реактор может быть сообщен с внешним контуром для выделения из сброженной среды целевого продукта, отличающееся тем, что первый по ходу процесса реактор представляет собой автоклав, а во втором реакторе размещен в неподвижном или псевдоожиженном слое наполнитель с иммобилизованными на нем микроорганизмами. 8. A device for fermenting carbohydrate-containing media using bacteria producing butanol, acetone, ethanol and / or isopropanol, containing two reactors connected in series, the first of which contains a stirrer, and the second a device for creating a directed flow of a circulating medium, and the second reactor can be communicated with an external circuit for separation of the target product from the fermented medium, characterized in that the first reactor during the process is an autoclave, and in the second reactor it is stationary ohm or fluidized bed filler with microorganisms immobilized on it. 9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что внешний контур для выделения из сброженной среды целевого продукта содержит стриппинг-колонну или пердиффузионный модуль с мембраной, например, из силиконового материала. 9. The device according to claim 8, characterized in that the external circuit for isolating the target product from the fermented medium contains a stripping column or a perdiffusion module with a membrane, for example, of silicone material.
SU894742195A 1987-03-10 1989-09-09 Method for fermentation of carbohydrate-containing mediums with the help of bacteria which produce butanol, acetone, ethanol and/or isopropanol and device for its realization RU2044773C1 (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ATA566/87 1987-03-10
AT0056687A AT388174B (en) 1987-03-10 1987-03-10 METHOD FOR THE FERMENTATION OF CARBOHYDRATE-CONTAINING MEDIA USING BACTERIA
PCT/AT1988/000012 WO1988007090A1 (en) 1987-03-10 1988-03-10 Process for the continuous fermentation of media containing carbohydrate, aided by bacteria

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2044773C1 true RU2044773C1 (en) 1995-09-27

Family

ID=25593174

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU894742195A RU2044773C1 (en) 1987-03-10 1989-09-09 Method for fermentation of carbohydrate-containing mediums with the help of bacteria which produce butanol, acetone, ethanol and/or isopropanol and device for its realization

Country Status (3)

Country Link
DK (1) DK624088A (en)
NO (1) NO884986D0 (en)
RU (1) RU2044773C1 (en)

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010077170A2 (en) 2008-12-29 2010-07-08 Limited Liability Company "Prof Business" Process and system for production of organic solvents
WO2010095976A2 (en) 2009-02-18 2010-08-26 Limited Liability Company "Prof Business" Process for production of organic solvents
RU2529371C2 (en) * 2009-12-08 2014-09-27 Зюд-Хеми Ип Гмбх Унд Ко.Кг Method of obtaining ethanol in process of fermentation
RU2539094C2 (en) * 2012-10-31 2015-01-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Method of obtaining organic solvents from nonfood renewable natural raw material
RU2595388C2 (en) * 2012-01-13 2016-08-27 Торэй Индастриз, Инк. Method for producing chemical substance
RU2595387C2 (en) * 2012-01-13 2016-08-27 Торэй Индастриз, Инк. Method for producing chemical substance
RU2595386C2 (en) * 2012-01-13 2016-08-27 Торэй Индастриз, Инк. Method for producing chemical substance
RU2636002C1 (en) * 2017-02-20 2017-11-17 Общество с ограниченной ответственностью ООО "Инжиниринговый центр "Зеленая химия" Method of butanol separation from cultural environment
RU2636349C2 (en) * 2012-09-19 2017-11-22 Инеос Био Са Method of reducing co2 emissions and increasing alcohol output in sin-gas fermentation process

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1. Заявка ЕР N 0047641, кл. C 12P 7/06, 1982. *
2. Заявка ЕР N 0175034, кл.C 12P 7/06, 1986. *

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010077170A2 (en) 2008-12-29 2010-07-08 Limited Liability Company "Prof Business" Process and system for production of organic solvents
WO2010095976A2 (en) 2009-02-18 2010-08-26 Limited Liability Company "Prof Business" Process for production of organic solvents
RU2529371C2 (en) * 2009-12-08 2014-09-27 Зюд-Хеми Ип Гмбх Унд Ко.Кг Method of obtaining ethanol in process of fermentation
RU2595388C2 (en) * 2012-01-13 2016-08-27 Торэй Индастриз, Инк. Method for producing chemical substance
RU2595387C2 (en) * 2012-01-13 2016-08-27 Торэй Индастриз, Инк. Method for producing chemical substance
RU2595386C2 (en) * 2012-01-13 2016-08-27 Торэй Индастриз, Инк. Method for producing chemical substance
RU2636349C2 (en) * 2012-09-19 2017-11-22 Инеос Био Са Method of reducing co2 emissions and increasing alcohol output in sin-gas fermentation process
RU2539094C2 (en) * 2012-10-31 2015-01-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Method of obtaining organic solvents from nonfood renewable natural raw material
RU2636002C1 (en) * 2017-02-20 2017-11-17 Общество с ограниченной ответственностью ООО "Инжиниринговый центр "Зеленая химия" Method of butanol separation from cultural environment

Also Published As

Publication number Publication date
NO884986L (en) 1988-11-09
NO884986D0 (en) 1988-11-09
DK624088A (en) 1989-01-03
DK624088D0 (en) 1988-11-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4167450A (en) Method and apparatus for the production of secondary metabolites by the maintenance-state cultivation of microorganisms
Friedl et al. Continuous acetone‐butanol‐ethanol (ABE) fermentation using immobilized cells of Clostridium acetobutylicum in a packed bed reactor and integration with product removal by pervaporation
US8198055B2 (en) Process for converting syngas to liquid products with microorganisms on two-layer membrane
Nakao et al. Continuous ethanol extraction by pervaporation from a membrane bioreactor
Gapes et al. Long-term continuous cultivation of Clostridium beijerinckii in a two-stage chemostat with on-line solvent removal
CN101952451B (en) Ethanol recovery process and apparatus for biological conversion of syngas components to liquid products
Qureshi et al. Acetone butanol ethanol (ABE) recovery by pervaporation using silicalite–silicone composite membrane from fed-batch reactor of Clostridium acetobutylicum
US4442206A (en) Method of using isotropic, porous-wall polymeric membrane, hollow-fibers for culture of microbes
JPH01502479A (en) Method for continuous fermentation of carbohydrate-containing media using bacteria
RU2044773C1 (en) Method for fermentation of carbohydrate-containing mediums with the help of bacteria which produce butanol, acetone, ethanol and/or isopropanol and device for its realization
Geng et al. Pervaporative butanol fermentation by Clostridium acetobutylicum B18
Strathmann et al. Continuous removal of ethanol from bioreactor by pervaporation
US4665027A (en) Immobilized cell reactor-separator with simultaneous product separation and methods for design and use thereof
US20230357805A1 (en) Methods for co-producing erythritol and arabinose by using xylose mother liquor
Mehaia et al. Immobilization of Lactobacillus bulgaricus in a hollowfiber bioreactor for production of lactic acid from acid whey permeate
JPS63248396A (en) Production of dihydrooxoisophorone
FI85501C (en) FOERFARANDE FOER FRAMSTAELLNING AV POLYOLER GENOM PAO INDUSTRIELL SKALA BASERAD FERMENTATION AV SOCKER.
JPS62278989A (en) Production of acetone and butanol
Park et al. α‐Amylase Fermentation with Bacillus amyloliquefaciens in an Aqueous Two‐Phase System
JPH05137585A (en) Method for continuously culturing erythritol
Taniguchi et al. Continuous ethanol production by cell-holding culture of yeasts
EP0136804A2 (en) Industrial-scale process for the production of polyols by fermentation of sugars
Steinmeyer et al. Continuous operation of a pressure‐cycled membrane bioreactor
US20210363553A1 (en) Device for fermentation integrated with separation and purification of alcohols
RU2031123C1 (en) Method of dihydroxyacetone synthesis