[發明專利]高固體含量木質纖維素原料生產乙醇的生物反應器

無效

• 申請號: 200910051212.1
• 申請日: 2009-05-14
• 公開（公告）號: CN101886038A
• 公開（公告）日: 2010-11-17
• 發明（設計）人: 鮑杰;張建;戴干策;張家庭;楚德強;黃娟
• 申請（專利權）人: 華東理工大學
• 主分類號: C12M1/21
• 分類號: C12M1/21;C12M1/02;C12M1/36;C12M1/08
• 代理公司: 上海翼勝專利商標事務所(普通合伙) 31218
• 代理人: 翟羽

【技術領域】

本發明涉及生物反應器技術領域，具體地說，是一種高固體含量木質纖維素原料生產乙醇的生物反應器。

【背景技術】

利用木質纖維素原料生產纖維乙醇，即第二代生物乙醇，不僅可以替代部分汽油的使用，有效緩解化石能源即將枯竭的危機，而且能夠大大減少溫室效應氣體的排放量，因此成為科學家當前研究的熱點。

一般的，對于乙醇發酵工業來說，只有當發酵醪中乙醇的濃度高于5％(vol)時，在經濟上才是可行的。因此，利用木質纖維素原料生產纖維乙醇，底物的固體含量不能低于15％(w/w)(假定木質纖維素原料中纖維素和甘露聚糖的總含量為60％，糖轉化率為90％，乙醇得率為0.5g/g)。

在普通的攪拌生物反應器中，當木質纖維素原料固體含量高于10％時，就會出現混合、傳質、傳熱及高能耗等方面的問題，導致最終纖維素轉化率低，發酵醪中乙醇濃度低等缺點。如果采用固體發酵罐，在木質纖維素原料糖化及發酵前期，由于體系的固體含量較高，粘度較大，反應器中的攪拌適宜于此種類似膏狀的物系，不會出現混合及傳質問題；但是隨著發酵微生物的加入及反應的進行，纖維素等固體顆粒逐漸轉化為糖和乙醇，同時微生物代謝產生二氧化碳，這時體系的固體含量逐漸降低，粘度下降，對固體物系的攪拌系統對氣-液-固三相復雜體系的混合作用有限，就會出現傳質、傳熱等問題，導致木質纖維素的轉化不徹底，發酵周期延長等缺陷。

在其它以木質纖維素為原料的糖化、發酵、或者兩者的各種組合工藝中，同樣存在著在糖化或發酵階段體系的混合、傳質、傳熱等問題，造成纖維素的轉化率過低，目標產品的產率低等缺陷(例如，在以木質纖維素為原料生產微生物油脂時，木質纖維素轉化率的高低直接決定著油脂產物得率的高低，但是木質纖維素在糖化時往往會遇到混合及傳質等問題，導致纖維素轉化率低，進而嚴重影響微生物油脂的得率)。

而關于固體含量較高的木質纖維素發酵生產乙醇的反應體系，在前期反應中，高粘度的液漿狀物系的充分混合可以促進纖維素轉化為單糖；隨著反應的進行，木質纖維素組分逐漸轉化為單糖，同時伴隨發酵微生物的接入及適量的通氣，糖分又被轉化為酒精，并產生大量二氧化碳氣體，物系也逐漸轉變為更為復雜的氣-液-固的三相體系；在發酵后期，大部分纖維素等聚合物被轉化為單糖及酒精，微生物的代謝速率下降，體系中的氣體成分逐漸減少，粘度下降，物系也逐漸接近流體狀態。專門用于這一復雜的特殊物系、特殊反應過程的反應器，國內至今尚未見報道。因此，開發混合良好、傳質及傳熱均勻、高效節能的生物反應器對于纖維乙醇的工業化具有極大的推動作用。

【發明內容】

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種高固體含量木質纖維素原料生產乙醇的生物反應器。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：

一種高固體含量木質纖維素原料發酵生產乙醇的生物反應器，至少包含罐體；其特征在于，在罐體上端設有加料口以及罐蓋，下端設有放料口，罐體上設有傳感器插孔和組合攪拌槳；組合攪拌槳包含正螺旋螺帶槳、渦輪/翼型攪拌槳和底槳；正螺旋螺帶槳通過支撐桿固定在攪拌軸上，并自上而下盤旋在攪拌軸周邊，構成框體；渦輪/翼型攪拌槳設置于正螺旋螺帶槳形成的框體內，固定在正螺旋螺帶槳的上下兩個端部之間的攪拌軸上，渦輪/翼型攪拌槳的層數為1～3層；所述的底槳固定在攪拌軸的底端，并且緊貼罐體底部；所述的底槳為槳式或者錨式槳；所述的渦輪/翼型攪拌槳選自直葉渦輪槳、斜葉槳或者翼型槳中的一種；

反螺旋螺帶槳位于組合攪拌槳上側，通過支撐桿固定在攪拌軸上，自上而下盤旋在攪拌軸周邊，構成框體，螺帶的方向與組合攪拌槳中正螺旋螺帶槳中的螺帶方向相反，可以通過該螺帶槳與下部主螺帶槳的反向運動使物料可能產生的氣泡層破碎；

加料器通過螺紋與加料口相連，磨片通過固定軸與外動力相連，所述的磨片選自刀片、切片或者磨片中的一種；物料經過磨片的剪切/磨碎作用后進入罐體內部；經過加料裝置中磨片裝置的強力剪切，進一步降低物料粒徑，使其更容易酶解；

加料口深入罐體內部的部分向罐體軸向彎曲，保證物料進入罐體后能夠直接到達底部，經過底槳的分散，參與物系的混合、酶解反應，避免粘在管壁上造成損失；

放料口上設有無菌空氣通入口，同時氣體分散器位于罐體下部，通過氣體分散孔與罐內相通，從而滿足微生物在生長及發酵過程中的氧氣需求，增強微生物的代謝能力，最終提高纖維素的轉化率；