[发明专利]一种高效气提耦合发酵制备丁醇的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高效气提耦合发酵制备丁醇的装置和方法，属于发酵法生产丁醇技术。

背景技术

与传统燃料汽油和生物乙醇相比，作为第三代新型生物燃料的丁醇因其高能量密度、较低的饱和蒸汽压和高辛烷值等特性越来越成为研究的热点。随着化石性资源和能源的的日益枯竭和由此带来的环境污染，发酵法制备丁醇因其原料的可再生性、环境污染小从新回到人们的视野中。发酵法制备丁醇过程中，终产物丁醇对菌体正常发酵存在抑制作用，导致发酵液中丁醇最终浓度偏低（<12g/L），并且该过程中丁醇生产能力低，用水量大，分离能耗高，后期分离工艺复杂且不易控制，成本高。因此必须采用有效的方法将产物丁醇从发酵液中移除，降低产物抑制，从而提高发酵产率降低工业陈本。

为了解决上述问题，近些年来人们进行了微生物吸附固定化技术和实验室水平的丁醇发酵分离耦合技术，如萃取发酵、真空发酵、吸附发酵、渗透汽化发酵、气提发酵等工艺，在发酵的过程中，原位提取并提浓丁醇。然而萃取发酵过程中萃取剂对菌体有毒害作用；真空发酵不易操作控制，且真空环境的提供对发酵设备的要求高；吸附发酵由于发酵液菌浓高，易堵塞吸附柱；渗透汽化发酵对渗透汽化膜的通透性高，且膜的再生比较复杂。而气提发酵操作简单，易于控制，用丁醇发酵过程中的自产气体进行循环气提，无需外加其他介质，不存在堵塞问题，具有易于工业化的前景。气提与丙酮-丁醇发酵耦合分离丁醇提高发酵效率的原理主要是利用发酵自产气体通过气体分布器在发酵液中产泡，气泡截获丁醇，随后在一个冷凝器中冷凝回收，而冷凝后的自产气体通过气体循环泵重新打入气体分布器重新回收利用。传统的气提耦合发酵方法由于在线分离技术（气提）的应用，使得整个发酵工艺复杂、不易操作控制、易染菌。且气提过程是在37℃（最适发酵温度）进行的，丁醇移出效率低，为了增加丁醇移出率，解除发酵过程中产物抑制，一般采用增加载气流量，这样就导致气泡的增加，加大了消泡剂的用量，而过多的消泡剂对菌种的正常发酵过程具有副作用的，且37℃条件下气提，冷凝回收温度一般在-5℃左右。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高效气提耦合发酵制备丁醇的装置和方法，该方法具有发酵强度大，丁醇移出率高，操作简单、灵活多变，节能和省水的特点。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种高效气提耦合发酵制备丁醇的装置，它包括温控循环水浴、发酵罐、树脂柱、补料罐、通气滤器、气体循环器、气体流量计、葛式冷凝器、收集器和气提罐；

其中，

气提罐通过管道与补料罐连通；

气提罐底部内置气体分布器；

葛式冷凝器内管顶部一方面通过管道依次顺序与气体流量计、气体循环器、气体分布器连通，另一方面通过管道与树脂柱连通；葛式冷凝器底部与收集器连通，收集器的另一个接口通过管道与气提罐连通收集气提罐内的气体；

气提罐与发酵罐系统连通形成回路，使得发酵液可以在气提罐与发酵罐系统中循环流动；

发酵罐系统由2个以上并联的发酵罐组成，发酵罐内设置吸附材料用于固定化发酵菌株；发酵罐由温控循环水浴控制温度。

其中，所述的气体分布器为管式分布器或盘式分布器。

利用上述装置进行高效气提耦合发酵制备丁醇的方法，将菌株固定化在发酵罐中，将发酵液加入气提罐内，使得发酵液在气提罐和并联的发酵罐内循环流动，气提罐温度控制在37℃～55℃，发酵罐温度控制在35～37℃，补料罐用于补充新鲜的发酵液，开启气体循环器，控制气体流速，使得气泡不断从气体分布器鼓出，同时气提罐内产生的气体吸收至收集器中，树脂柱用于防止发酵自产气体夹带的丁醇溢出。

其中，控制气体流速使得发酵液中的丁醇浓度保持在6～9g/L。

其中，调节补料罐的补料流速，使得发酵液中糖浓度保持在15～25g/L。

其中，发酵罐系统中的发酵液体积和气提罐中发酵液体积之比为0.1～10：1。

其中，气体循环器所使用的气体为丁醇生产菌发酵过程的自产气体。

其中，菌株固定化在发酵罐中，采用分别对单个发酵罐实现固定化后再组装的方式，或者采用对并联的发酵罐同时实现固定化后再组装的方式。

本发明中丁醇生产菌可以是丙酮丁醇梭菌、酪丁酸梭菌或拜式梭菌等生产丁醇菌种。