[发明专利]一种丙酮丁醇原位萃取连续发酵装置及工艺

说明书

技术领域

本发明涉及丙酮丁醇发酵技术，特别是一种丙酮丁醇原位萃取连续发酵装置及工艺。

背景技术

丁醇是一种可替代汽油的大综动力燃料，它的物化性质与乙醇相比更接近汽油。目前丁醇的工业生产方法主要有丙烯羰基合成法、醇醛缩合法和发酵法三种。前两种主要以石油资源为原料，但随着石油资源的日益枯竭，此法已不再适于大工业生产。发酵法生产丁醇主要是通过丙酮丁醇梭菌厌氧发酵产生，以谷物(玉米、玉米芯、黑麦、小麦)淀粉为原料，加水混合成醪液，经蒸煮杀菌，加入纯丙酮丁醇梭菌，在36～37℃进行发酵，发酵醪液经精馏分离得到丁醇、丙酮和乙醇。产品中丙酮、丁醇、乙醇的比例为3∶6∶1。丁醇作为主要产品只占总溶剂产量的60％，提高丁醇比例是该产业中的重要课题。国内许多科研院所和发酵企业都开始着手高丁醇比菌株的开发，例如：中国科学院微生物研究所、上海工业微生物研究所、清华大学核能与新能源技术研究院等。提高丁醇生产菌株丁醇耐受性虽然在一定程度上缓解了产物抑制问题，但丁醇发酵产量仍难超过总溶剂产量的75％。必须从发酵工艺上进一步改善，目前出现了一些气提发酵，液液萃取发酵，渗透萃取发酵，渗透蒸发发酵等技术，在发酵的同时通过丁醇瞬时分离实现减小产物抑制的目的。但是，在连续发酵中由于这些技术都存在稳定性差、设备价格较高，很难广泛用于大规模生产。

美国有关生物丁醇方面的专利和成果最多，2004年美国农业部农业研究所(USDA-ARS)的研究项目“利用拜氏梭菌转化纤维素生物质生产生物丁醇”立项，并于2009年完成，美国绿色生物有限公司(GBL)和EKB生物公司，投资85.5万欧元建立了燃料丁醇发酵厂。美国EGI公司利用基因工程技术改良菌株，通过代谢工程调控和连续固定化反应器、膜回收等专利技术，使发酵液中丁醇占总溶剂产量的90％，这是目前的最高技术水平。我国中科院微生物研究所开发的丙酮丁醇发酵原位萃取分离技术在间歇发酵中已初见成效。本发明在此基础上，提出了常规产酸期发酵和原位萃取产物合成期发酵两级连续操作技术，显著提高了产物中丁醇的比例。

发明内容

本发明的目的是针对丙酮丁醇发酵过程中存在的产物抑制作用(尤其是丁醇)，在间歇萃取发酵基础上提供一种原位萃取连续发酵制备丙酮丁醇的方法。

本发明的技术方案：

一种丙酮丁醇原位萃取连续发酵装置，包括一级发酵罐、二级发酵罐和静相罐，一级发酵罐、二级发酵罐和静相罐通过管道串联连接，一级发酵罐配置一号种子罐和二号种子罐，一号种子罐和二号种子罐通过管道与一级发酵罐连接并设有切换阀，二级发酵罐配置碱液流加罐和萃取剂流加罐，碱液流加罐和萃取剂流加罐分别通过管道与二级发酵罐连接，二级发酵罐内设有搅拌器，原料进口管道上设有两台原料泵，两台原料泵通过管道分别与一级发酵罐和二级发酵罐连接，静相罐内设有挡板，挡板两侧分别设有醪液排放管和发酵产物排放管。

所述一级发酵罐和/或二级发酵罐为两个以上发酵罐并联或串联。

一种丙酮丁醇原位萃取连续发酵工艺，采用常规产酸期发酵和原位萃取产物合成期发酵两级连续发酵法，实施步骤为：

1)发酵种子液预培养：两个种子罐在连续操作中交替进行种子液的预培养，方法是将种子培养基除氧后，采用丙酮丁醇梭菌菌悬液接种，厌氧环境培养至对数生长期；

2)常规产酸期发酵：在一级发酵罐接种前，开启一级发酵罐原料泵，将原料加入一级发酵罐中，通N₂气除氧并进行温浴，种子罐中的种子液通过切换阀向一级发酵罐中接种，静止培养至对数生长期后，补充进料，继续培养直至产生溢流，溢流液进入二级发酵罐，同时打开切换阀，切换至二号种子罐，继续流加种子液，两个种子罐的切换时间为6-8小时；

3)原位萃取产物合成期发酵：在溢流液进入二级发酵罐前，开启二级发酵罐原料泵，将原料加入二级发酵罐中，通N₂气除氧并进行温浴，通过流加碱液保持培养基中的酸碱度，同时流加萃取剂，打开二级发酵罐搅拌器，连续培养8～12小时，得到发酵产物；

4)二级发酵罐发酵液以溢流方式进入静相罐，静止分层后，上层为萃取剂及发酵产物，下层为醪液，排出后分别去后续单元分离出发酵产物并回收萃取剂。