一種丙酮丁醇發酵偶聯分離純化制備丁醇的裝置和方法制造方法及圖紙

本發明專利技術公開了一種丙酮丁醇發酵偶聯分離純化制備丁醇的裝置，攪拌式生物反應器通過管道與種子培養罐連通；攪拌式生物反應器底部內置氣體分布器；攪拌式生物反應器、冷卻裝置、固定化裝置、菌液分離裝置依次順序連通，并形成循環回路；且攪拌式生物反應器依次順序與氣提提冷凝管、儲罐連通，儲罐置于低溫循環恒溫槽內，且儲罐通過管道與冷凝液收集器連通。本發明專利技術還公開了利用上述裝置進行丙酮丁醇發酵偶聯分離純化制備丁醇的方法。本發明專利技術除了有效消除糖和丙酮丁醇發酵產物的抑制作用、提高丙酮丁醇發酵產物產量和原料利用效率以外，還可以有效降低生產能耗和成本，給目前以生物法生產丁醇和丙酮及產物分離純化提供了新的技術支持。

【技術實現步驟摘要】
【專利摘要】本專利技術公開了一種丙酮丁醇發酵偶聯分離純化制備丁醇的裝置，攪拌式生物反應器通過管道與種子培養罐連通；攪拌式生物反應器底部內置氣體分布器；攪拌式生物反應器、冷卻裝置、固定化裝置、菌液分離裝置依次順序連通，并形成循環回路；且攪拌式生物反應器依次順序與氣提提冷凝管、儲罐連通，儲罐置于低溫循環恒溫槽內，且儲罐通過管道與冷凝液收集器連通。本專利技術還公開了利用上述裝置進行丙酮丁醇發酵偶聯分離純化制備丁醇的方法。本專利技術除了有效消除糖和丙酮丁醇發酵產物的抑制作用、提高丙酮丁醇發酵產物產量和原料利用效率以外，還可以有效降低生產能耗和成本，給目前以生物法生產丁醇和丙酮及產物分離純化提供了新的技術支持。【專利說明】—種丙酮丁醇發酵偶聯分離純化制備丁醇的裝置和方法
本專利技術涉及，屬于生物化ェ領域。
技術介紹
隨著石油類的非可再生資源的大量消耗，使其價格的不斷上漲，世界許多公司開始進行戰略調整，用生物發酵可再生資源代替非可再生資源，用生物技術路線代替化學技術路線的生產。ー種新生的生物能源——丁醇，進入人們的視野，它是ー種極具潛力的新型燃料，被稱為第二代生物燃料。相比其他生物燃料，生物丁醇的燃燒值和辛烷值都與汽油最接近，在燃料性能和經濟性方面具有明顯的優勢。丁醇與汽油的配伍性更好，能夠與汽油達到更高的混合比，在不對汽車發動機進行改造的情況下，こ醇與汽油混合比的極限為10%，而汽油中允許調入的丁醇可以達到20%。其次丁醇具有較高的能量密度。丁醇分子結構中含有的碳原子數比こ醇多，単位體積能儲存更多的能量，測試表明丁醇能量密度接近汽油，而こ醇的能量密度比汽油低35%。而且丁醇的蒸汽壓カ低，能通過管道流動，并且在與汽油混合時對水作為雜質的寬容度大，這使其比こ醇更適合在現有的汽油供應和分銷系統中應用(Durre P(2007)Biobutanol: an attractive biofuel.Biotechnol J2:1525 - 1534)。但是，用生物法生產丁醇吋，發酵產物丁醇對菌種有毒害作用，發酵終點的丁醇濃度通常不超過1.5% (w/v),導致其分離成本很高,很難實現エ業化生產(Demain A L.Biosolut ions tothe energy problem.J Ind Microbiol Biotechnol,2009，36:319-332.)。由于丁醇的沸點為117.7°C，高于水的沸點100°C，且發酵中丁醇濃度通常低于2%(w/v)，因此，如果利用傳統的精餾或蒸餾分離法，其分離成本極高，經濟上是不可行的，很難實現エ業化生產(Garcia V, Pakkiia J, Ojamo H，et al.Challenges in biobutanolproduction:how to improve the efnciency?[J」? Renewaole and sustainable energyreviews, 2011，15(2):964-980.)。在線發酵偶聯分離技術如液液萃取、吸附、氣提、滲透汽化等，可以通過在發酵過程中不斷移除并回收對細胞產生抑制作用的丁醇，提高發酵效率，是提高生物法生產丁醇的有效技木。其中相比其他分離方法，氣提耦合發酵對培養基無害，也不需要移出營養物質和中間產物，不需要昂貴的萃取劑，操作簡單，分離產品清潔無渣質，它的優勢是顯而易見的。除此以外，氣提法還能適用于不同的底物、不同的發酵方式，適用范圍廣(QureshiN，Blaschek H P.Recovery oi butanol irom fermentation broth by gas stripping.Renewable Energy, 2001，22(4):557-564.)。然而，傳統的氣提分離技術使用的氣提原料液為菌液混合液并且原料液的溫度為發酵溫度，在發酵過程中菌體濃度會升高使丁醇的氣提效率降低，丁醇沸點較高在發酵溫度下不易帶出且帶出的丁醇濃度較低，導致氣提效率低，能耗大。例如，目前關于丁醇氣提的文獻中，氣提得到的丁醇濃度都低于其在水中的溶解度7.8% (w/w) (20°C)，在氣提冷凝液中仍然有大量的水存在，不但使氣提過程中大部分能量消耗在冷凝液中的水上，并且導致后續分離成本很高。而本專利技術可以解除菌體對發酵的影響，能快速的把丁醇移除并冷凝(Ezeji T C，Karcher P M, Qureshi N，et al.1mprovingperformance oi a gas strippmg-based recovery system to remove butanol fromしlostridium beijerinckii fermentationlJ」? Bioprocess and Diosystems engineering,2005, 27(3):207-214.)。到目前為止，未見使用滲透-加熱-氣提耦合的氣提提純法對丁醇和丙酮進行分離純化的報道。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題是提供一種高效。為解決上述技術問題，本專利技術采用的技術方案如下:—種丙酮丁醇發酵偶聯分離純化制備丁醇的裝置，它包括種子培養罐、攪拌式生物反應器、冷卻裝置，固定化裝置，菌液分離裝置，氣提冷凝管，儲罐、低溫循環恒溫槽和冷凝液收集器；其中，攪拌式生物反應器通過管道與種子培養罐連通；攪拌式生物反應器底部內置氣體分布器；攪拌式生物反應器、冷卻裝置、固定化裝置、菌液分離裝置依次順序連通，并形成循環回路；且攪拌式生物反應器依次順序與氣提提冷凝管、儲罐連通，儲罐置于低溫循環恒溫槽內，且儲罐通過管道與冷凝液收集器連通。其中，氣體分布器上附著有金屬模，金屬膜上有數個孔徑為0.5~I ii m的小孔。氣提的原料液為經菌液分離裝置分離后的發酵液(不含菌體)，氣體在一定流速下通過發酵系統中的分布器變成微米尺度的氣泡進入發酵系統中進行氣提。其中，固定化裝置中的固定化材料為甘蔗渣、木屑、毛巾、竹炭纖維、樹脂、活性炭、沸石、納米纖維、細菌纖維素膜和聚酯纖維素膜中的任意一種或幾種的組合。其中，菌液分離裝置采用微濾膜組件。菌液分離裝置的流出液連通至攪拌式生物反應器中，菌液分離裝置的截留液回流至固定化裝置中。其中，氣提冷凝管為直形或蛇形冷凝管。利用上述裝置進行丙酮丁醇發酵偶聯分離純化制備丁醇的方法，將丁醇生產菌接種至種子培養罐中進行種子培養；之后泵入攪拌式生物反應器中發酵，發酵過程中通過泵將發酵液從攪拌式生物反應器中抽出泵入冷卻裝置降低發酵液溫度，繼續泵入固定化裝置實現菌株的固定化，再泵入菌液分離裝置，菌液分離裝置的截留液返回固定化裝置中，菌液分離裝置的流出液回到攪拌式生物反應器中；菌體的固定化完成之后，保證固定化裝置的溫度為30~40°C，攪拌式生物反應器的溫度為70°C ;開啟氣體分布器，利用氣提法從發酵液在線分離純化丁醇，丁醇經氣提冷凝管冷凝至儲罐中，最終泵入冷凝液收集器中。其中，所述的丁醇生產菌為丙酮丁醇梭菌、拜氏梭菌、大腸桿菌或酪丁酸梭菌。其中，氣體分布器所用的氣體為發酵過程中丁醇生產菌產生的氣體；氣體分布器間歇通入氣體或者連續通入氣體；間歇通入氣體吋，當攪拌式生物反應器中的發酵液的丁醇濃度大于等于8g/L時通入氣體，當本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種丙酮丁醇發酵偶聯分離純化制備丁醇的裝置，其特征在于，它包括種子培養罐（1）、攪拌式生物反應器（2）、冷卻裝置（3），固定化裝置（4），菌液分離裝置（5），氣提冷凝管（6），儲罐（7）、低溫循環恒溫槽（8）和冷凝液收集器（9）；其中，攪拌式生物反應器（2）通過管道與種子培養罐（1）連通；攪拌式生物反應器（2）底部內置氣體分布器；攪拌式生物反應器（2）、冷卻裝置（3）、固定化裝置（4）、菌液分離裝置（5）依次順序連通，并形成循環回路；且攪拌式生物反應器（2）依次順序與氣提提冷凝管（6）、儲罐（7）連通，儲罐（7）置于低溫循環恒溫槽（8）內，且儲罐（7）通過管道與冷凝液收集器（9）連通。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：應漢杰，陳勇，任恒飛，朱晨杰，吳菁嵐，莊偉，謝婧婧，郭亭，
申請(專利權)人：南京工業大學，
類型：發明
國別省市：