[发明专利]一种连续生产乙醇的装置

说明书

技术领域

本发明属于发酵工程与过程工程技术领域，具体涉及一种微生物固定化反应器与产物分离耦联的高密度发酵生产乙醇的装置(IMS)，并将其用于乙醇的高密度发酵生产。

背景技术

乙醇不仅是优良的燃料，它还是优良的燃油品改善剂。其优良特性表现为：乙醇是燃油的增氧剂，使汽油增加内氧，充分燃烧，达到节能和环保的目的；乙醇还可以经济有效的降低芳烃、烯烃含量，即降低炼油厂的改造费用，达到新汽油标准。以生物质为原料通过发酵生产生物乙醇的工艺，已成为各国科学与研究的热点。然而产物抑制是生物乙醇发酵生产中迫切需要解决的技术难题。当产物达到一定浓度时，即可对菌株的生长和代谢产生抑制作用。因此，在发酵法制乙醇过程中，如何及时的将乙醇从发酵体系中分离出来，以减弱甚至消除其对微生物的抑制作用，是生物质发酵生产乙醇中亟需解决的问题之一。

近年来，将发酵分离过程耦合的技术方法吸引着研究者们的注意。其中分离技术应用较多的包括汽提、萃取、吸附、超滤、膜蒸馏和渗透汽化等。其中，应用优先透醇膜渗透汽化(pervaporation)分离技术使发酵过程中的抑制性产物乙醇及时分离脱除，而营养物质和微生物细胞仍留在发酵液中，可以实现发酵过程连续化，加快反应进程，提高乙醇的生产效率。渗透汽化是一种利用液体混合物中不同组分在膜中的溶解和扩散性能的不同，有选择性地在膜内汽化透过并被冷凝回收的新型膜分离技术，目前有机物脱水的水优先透过膜已进入工业化实用阶段(张晓颖，邓新华，孙元，有机液优先透过渗透汽化膜的应用发展，材料导报，2007，21(10):51-54)。有机物优先透过膜是利用极性低、表面能小的橡胶态聚合物制备的疏水性膜，可分离水中少量或微量挥发组分或有机组分，将该技术与产溶剂发酵过程耦合，可解除产物抑制、提高发酵产率，同时实现对产物的浓缩，显著降低后续能耗。

渗透汽化技术与发酵过程耦合被认为是一种节能高效的分离工艺，但渗透汽化技术也有着不可避免的缺点，即发酵液与渗透汽化膜直接接触，导致发酵液中的死细胞大量沉积在膜表面，堵塞膜孔，严重影响传质效率。此外，发酵液中的复杂组分，对膜分离效果的稳定性也带来了严重的考验。此外，有研究表明，固定化细胞能够有效的提高菌体对于代谢产物的耐受能力，并能缩短批次发酵时间，最大效率利用底物发酵积累目标产物。传统的细胞固定化方法有四大类：包埋法、交联法、共价结合(偶联)法、吸附法。包埋法：利用物理方法将细胞包埋在多空载体内部而制成固定化细胞的方法称为包埋法。包埋法反应条件温和，但包埋法由于底物和产物扩散受阻，催化的反应速率可能受到影响。交联法：通过化学、物理手段使生物体细胞间彼此附着交联。该法操作简便，但在较剧烈条件下进行，一般固定化细胞活性不高，因此该方法的推广应用受到了一定的限制。共价结合(偶联)法：细胞表面上官能团和固相支持物表面的反应基团形成化学共价键连接，从而固定微生物。该方法固定化微生物稳定性好，不易脱落，但限制了微生物的活性，同时反应激烈，操作与控制复杂苛刻，并且成本较高。吸附法：将细胞吸附在各类材料表面而使细胞固定的方法。该方法操作简便、价廉、条件温和，且对细胞活性影响小。

现有固定化细胞的方法各有其优缺点，但普遍存在细胞固定装置安装、清洗、换件、灭菌等操作难以连续进行的难点。并且鲜有将细胞固定化与发酵产物分离耦合实现乙醇的高效、连续性生产。

发明内容

本发明的目的是要解决上述常规高密度发酵生产乙醇过程中，高浓度底物和产物积累对细胞生长抑制的问题，以及发酵液长时间与渗透汽化膜的接触而造成的膜透过效率下降的问题。并解决一般微生物细胞固定装置的安装、清洗、换件和灭菌等问题，解决难以连续灭菌、清洗的问题，提供一种可实现连续生产的发酵和产物乙醇分离耦合装置，以及将该装置应用于乙醇的发酵生产。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种连续生产乙醇的装置，包括发酵罐、细胞固定床、膜分离反应器、乙醇冷凝回收装置和乙醇回收罐；所述细胞固定床内部设有多孔纤维材料和不锈钢网，多孔纤维材料缠绕在不锈钢网上；所述膜分离反应器内部含有渗透汽化膜；发酵罐中的细胞培养液输送到细胞固定床中，培养液中的固体细胞在多孔纤维材料的截留下附着其上，而培养液中的液体成分进入到膜分离反应器；所述的膜分离反应器通过真空泵把过膜的乙醇蒸汽泵入到乙醇冷凝回收装置中，通过液氮冷凝获得乙醇液体，在乙醇回收罐中回收；乙醇分离后的培养液再输送回发酵罐进行循环发酵。

所述发酵罐连接NaOH补料罐和培养基补料罐。

所述膜分离反应器的外层设置有通热水的夹套，通过夹套控制膜分离反应器内部温度。