[發明專利]一種高效氣提耦合發酵制備丁醇的裝置和方法

無效

• 申請號: 201310531119.7
• 申請日: 2013-10-31
• 公開（公告）號: CN103555572A
• 公開（公告）日: 2014-02-05
• 發明（設計）人: 應漢杰;趙向雨;吳菁嵐;莊偉;柳東
• 申請（專利權）人: 南京工業大學
• 主分類號: C12M1/38
• 分類號: C12M1/38;C12P7/16
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 肖明芳

技術領域

本發明涉及一種高效氣提耦合發酵制備丁醇的裝置和方法，屬于發酵法生產丁醇技術。

背景技術

與傳統燃料汽油和生物乙醇相比，作為第三代新型生物燃料的丁醇因其高能量密度、較低的飽和蒸汽壓和高辛烷值等特性越來越成為研究的熱點。隨著化石性資源和能源的的日益枯竭和由此帶來的環境污染，發酵法制備丁醇因其原料的可再生性、環境污染小從新回到人們的視野中。發酵法制備丁醇過程中，終產物丁醇對菌體正常發酵存在抑制作用，導致發酵液中丁醇最終濃度偏低（<12g/L），并且該過程中丁醇生產能力低，用水量大，分離能耗高，后期分離工藝復雜且不易控制，成本高。因此必須采用有效的方法將產物丁醇從發酵液中移除，降低產物抑制，從而提高發酵產率降低工業陳本。

為了解決上述問題，近些年來人們進行了微生物吸附固定化技術和實驗室水平的丁醇發酵分離耦合技術，如萃取發酵、真空發酵、吸附發酵、滲透汽化發酵、氣提發酵等工藝，在發酵的過程中，原位提取并提濃丁醇。然而萃取發酵過程中萃取劑對菌體有毒害作用；真空發酵不易操作控制，且真空環境的提供對發酵設備的要求高；吸附發酵由于發酵液菌濃高，易堵塞吸附柱；滲透汽化發酵對滲透汽化膜的通透性高，且膜的再生比較復雜。而氣提發酵操作簡單，易于控制，用丁醇發酵過程中的自產氣體進行循環氣提，無需外加其他介質，不存在堵塞問題，具有易于工業化的前景。氣提與丙酮-丁醇發酵耦合分離丁醇提高發酵效率的原理主要是利用發酵自產氣體通過氣體分布器在發酵液中產泡，氣泡截獲丁醇，隨后在一個冷凝器中冷凝回收，而冷凝后的自產氣體通過氣體循環泵重新打入氣體分布器重新回收利用。傳統的氣提耦合發酵方法由于在線分離技術（氣提）的應用，使得整個發酵工藝復雜、不易操作控制、易染菌。且氣提過程是在37℃（最適發酵溫度）進行的，丁醇移出效率低，為了增加丁醇移出率，解除發酵過程中產物抑制，一般采用增加載氣流量，這樣就導致氣泡的增加，加大了消泡劑的用量，而過多的消泡劑對菌種的正常發酵過程具有副作用的，且37℃條件下氣提，冷凝回收溫度一般在-5℃左右。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種高效氣提耦合發酵制備丁醇的裝置和方法，該方法具有發酵強度大，丁醇移出率高，操作簡單、靈活多變，節能和省水的特點。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案如下：

一種高效氣提耦合發酵制備丁醇的裝置，它包括溫控循環水浴、發酵罐、樹脂柱、補料罐、通氣濾器、氣體循環器、氣體流量計、葛式冷凝器、收集器和氣提罐；

其中，

氣提罐通過管道與補料罐連通；

氣提罐底部內置氣體分布器；

葛式冷凝器內管頂部一方面通過管道依次順序與氣體流量計、氣體循環器、氣體分布器連通，另一方面通過管道與樹脂柱連通；葛式冷凝器底部與收集器連通，收集器的另一個接口通過管道與氣提罐連通收集氣提罐內的氣體；

氣提罐與發酵罐系統連通形成回路，使得發酵液可以在氣提罐與發酵罐系統中循環流動；

發酵罐系統由2個以上并聯的發酵罐組成，發酵罐內設置吸附材料用于固定化發酵菌株；發酵罐由溫控循環水浴控制溫度。

其中，所述的氣體分布器為管式分布器或盤式分布器。

利用上述裝置進行高效氣提耦合發酵制備丁醇的方法，將菌株固定化在發酵罐中，將發酵液加入氣提罐內，使得發酵液在氣提罐和并聯的發酵罐內循環流動，氣提罐溫度控制在37℃～55℃，發酵罐溫度控制在35～37℃，補料罐用于補充新鮮的發酵液，開啟氣體循環器，控制氣體流速，使得氣泡不斷從氣體分布器鼓出，同時氣提罐內產生的氣體吸收至收集器中，樹脂柱用于防止發酵自產氣體夾帶的丁醇溢出。

其中，控制氣體流速使得發酵液中的丁醇濃度保持在6～9g/L。

其中，調節補料罐的補料流速，使得發酵液中糖濃度保持在15～25g/L。

其中，發酵罐系統中的發酵液體積和氣提罐中發酵液體積之比為0.1～10：1。

其中，氣體循環器所使用的氣體為丁醇生產菌發酵過程的自產氣體。

其中，菌株固定化在發酵罐中，采用分別對單個發酵罐實現固定化后再組裝的方式，或者采用對并聯的發酵罐同時實現固定化后再組裝的方式。

本發明中丁醇生產菌可以是丙酮丁醇梭菌、酪丁酸梭菌或拜式梭菌等生產丁醇菌種。