[发明专利]一种木质纤维素原料发酵生产丁醇的装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于生物质能源技术领域，涉及一种发酵生产丁醇的装置及方法，尤其涉及一种利用木质纤维素原料酶解液连续发酵生产生物丁醇的装置及方法。

背景技术

丁醇是一种重要的化工原料，广泛用于各种塑料和橡胶制品的制造和丁醛、丁酸、丁胺和乳酸丁酯等化学品的合成。近年来，随着下游产业的发展，市场需求直线上升，2013年我国丁醇的进口量在40万吨左右；丁醇也是继燃料乙醇后又一种极具潜力的新型生物燃料，其热值、辛烷值与汽油相当，蒸汽压低，与汽油任意比混溶，使用安全性能高，并且不产生SOx及NOx等传统化石燃料所产生的环境污染废弃。另外，丁醇不会腐蚀管道、不易吸水，依靠现有的汽油输送管道及分销渠道便可以实现远程输送，基于以上的优良特性，联合国国际能源署将生物丁醇列为第二代生物燃料。

微生物发酵产丁醇作为一种重要的生物转化技术极具发展和产业化的潜力。传统的发酵法生产丁醇的主要原料为粮食类淀粉质原料，如玉米等，生产成本高。为了降低生产成本，近年来许多企业的研究机构和高校开始研究用各种木质纤维素生物质原料代替粮食类淀粉质原料发酵生产丁醇，但是这些报道大都采用分批发酵的操作方式，丁醇的生产率受到一定程度的限制。

近年来，也有一些关于连续生产丁醇的报道，Richter等(Richter H, et al, BiotechnolBioeng,2011(109):913-921)以Clostridium saccharoperbutylacetonicm N1-4为发酵菌种，以丁酸和葡萄糖为底物，采用耦合气体两级连续发酵的操作方式，在0.025h^-1的稀释率下，丁醇生产率为0.39g/(L·h)，获得15.7g/L的总溶剂。CN102925495A公开了一种利用糖质原料连续发酵生产丁醇的方法，以丙酮丁醇梭菌（Clostridiumsaccharobutylicum）DSM13864为发酵菌，以葡萄糖、甘蔗糖蜜或玉米秸秆水解液等糖质为原料，采用多个发酵罐串联组合成多级连续发酵装置，连续发酵生产丁醇。采用多级连续发酵可获得高的溶剂浓度和溶剂生产率，减少设备清洗次数和灭菌等非生产占用时间，降低劳动强度，提高设备利用率。采用玉米秸秆水解液原料时，平均总溶剂可达13.44g/L（其中丁醇9.29g/L），总溶剂生产率达到0.439g/(L·h)。连续发酵生产率比分批发酵高，但是总溶剂产量往往较低。此外，连续发酵的装置为立式搅拌釜式发酵罐的串联，每个发酵罐需要设有搅拌装置，并且发酵罐之间通过管道连接，数据检测点较多，操作复杂，不便于自动化集中控制。

徐铁军等（自絮凝酵母SPSC01在组合反应器系统中酒精连续发酵的研究,生物工程学报, 2005, 21(1): 113-117）建立了一套由四级磁力搅拌发酵罐串联组成、总有效容积4000mL的小型组合生物反应器系统，种子培养用培养基用蠕动泵按照设定的稀释速率输送到种子罐中，从种子罐中流出的自絮凝颗粒酵母种子悬浮液直接溢流进入第一级发酵罐，发酵培养基用蠕动泵按照设定的稀释速率全部输送到第一级发酵中，并依次溢流进入第二级和第三级发酵罐。由于发酵状态下各发酵罐产生的热量按第一级、第二级、第三级的顺序依次递减，系统保温水逆向按第三级、第二级、第一级的顺序进入各发酵罐，控制第一级发酵罐的温度为33±0.5℃，第二级发酵罐和第三级发酵罐的温度可以保持在30～32℃，满足自絮凝颗粒酵母酒精发酵的温度要求。其利用发酵罐串联进行连续发酵生产酒精，然而多个发酵罐串联，每个发酵罐也需要单独设搅拌装置，而且发酵罐之间需通过管道连接，也存在数据检测点增多，操作复杂的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种木质纤维素原料发酵生产丁醇的装置及方法。本发明可以实现丁醇的连续化生产，操作过程简单，设备利用率高，可以同时获得较高的总溶剂产量和溶剂生产率。

本发明木质纤维素连续发酵生产丁醇的装置，包括一级发酵罐和二级发酵罐，一级发酵罐为立式搅拌釜式发酵罐；二级发酵罐为长方体管式发酵罐，管式发酵罐内部设置竖直隔板将其分割为若干相同的反应单元，隔板下端与管式发酵罐底部固定连接，隔板上端留有过水通道，每个反应单元设有返混系统；一级发酵罐出口的水平位置高于二级发酵罐入口的水平位置，发酵前二级发酵罐为空罐，发酵液利用液位差由一级发酵罐从二级发酵罐的第一个反应单元顶部流入，并逐级溢流到每个反应单元，由最后一个反应单元流出，流出口高度与竖直隔板的高度一致。