專利名稱：一種用于纖維素發(fā)酵揮發(fā)性醇的蠕動固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器及其發(fā)酵方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于纖維素發(fā)酵工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于纖維素發(fā)酵揮發(fā)性醇的
蠕動固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器及其發(fā)酵方法。
背景技術(shù)：
自上個世紀(jì)以來，隨著世界人口的增加及更多國家的工業(yè)化，能源消耗也日趨增 加。許多專家估計，世界上已知的石油儲存量大約30年內(nèi)將被消耗完，所以世界各國紛紛 開展了對新能源的研究與開發(fā)。太陽能是人類取之不盡、用之不竭的可再生能源，植物高效 利用太陽能合成的木質(zhì)纖維素，是巨大的可再生資源。據(jù)估計，作為植物生物質(zhì)的主要成 分——木質(zhì)素和纖維素每年以約1640億噸的速度不斷再生，如以能量換算，相當(dāng)于目前石 油年產(chǎn)量的15倍 20倍。如果這部分資源能得到利用，人類相當(dāng)于擁有了一個取之不盡、 用之不竭的資源寶庫。隨著石油資源的日益減少，纖維素原料用于生產(chǎn)燃料的意義日益突 出，利用纖維素原料發(fā)酵揮發(fā)性醇類，比如乙醇、丁醇，是現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)。
纖維素發(fā)酵方式分為液態(tài)發(fā)酵和固態(tài)發(fā)酵兩種方式，若纖維素發(fā)酵揮發(fā)性醇采用 液態(tài)發(fā)酵的方式，由于用水量大，造成發(fā)酵產(chǎn)物濃度過低，產(chǎn)物分離成本太高，使得纖維素 液態(tài)發(fā)酵揮發(fā)性醇缺乏經(jīng)濟(jì)性。另外為了強(qiáng)化傳質(zhì)、傳熱效果，液態(tài)發(fā)酵一般采用機(jī)械攪拌 的方式，而機(jī)械攪拌存在剪切力，會損傷發(fā)酵微生物細(xì)胞的活性，甚至造成微生物細(xì)胞的死 亡。 固態(tài)發(fā)酵是指培養(yǎng)基呈固態(tài)，雖然含水豐富，但在沒有或幾乎沒有自由流動水的 狀態(tài)下進(jìn)行的一種或多種微生物發(fā)酵過程。由于固態(tài)發(fā)酵用水量少，能提高發(fā)酵產(chǎn)物的濃 度，降低產(chǎn)物分離成本，但是固態(tài)發(fā)酵又普遍存在傳質(zhì)、傳熱困難的問題，尤其在大規(guī)模工 業(yè)化生產(chǎn)中問題更突出。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的纖維素發(fā)酵揮發(fā)性醇反應(yīng)器無法解決傳質(zhì)、傳熱問
題，或者采用攪拌強(qiáng)化傳質(zhì)、傳熱帶來攪拌剪切力損傷微生物細(xì)胞的問題，提出一種用于纖
維素發(fā)酵揮發(fā)性醇的蠕動固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器及其發(fā)酵方法，利用上下運(yùn)動的球體模仿小腸蠕
動方式，實(shí)現(xiàn)對固態(tài)料的來回推動，強(qiáng)化傳質(zhì)、傳熱效果，球體對固態(tài)料的推動力屬于法向
作用力，可解決攪拌剪切力對微生物細(xì)胞損傷的問題，并且利用氣提實(shí)現(xiàn)揮發(fā)性醇的在線
分離，減除發(fā)酵過程的產(chǎn)物抑制。 本發(fā)明的技術(shù)方案如下 本發(fā)明提供的一種用于纖維素發(fā)酵揮發(fā)性醇的蠕動固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器，其特征在 于，該反應(yīng)器包括仿生蠕動發(fā)酵反應(yīng)器(l)，蠕動驅(qū)動裝置(7，8)，循環(huán)氣提裝置(13,14)， 熱泵分離裝置(9、10、11、12); 所述的發(fā)酵反應(yīng)器包括圓筒形罐體(1)、倒錐形罐底(5)、上部封頭(6)、氣體分布器(4)，圓筒形罐體(1)上端安裝上部封頭(6)，下端與倒錐形罐底(5)相連，連接處安裝氣 體分布器(4)，氣體分布器(4)還起到支撐物料的作用。 上部封頭(6)開有通氣孔，通過管道A與熱泵蒸發(fā)器(9)的下端相連通；倒錐形罐 底(5)側(cè)面開有通氣孔，通過管道B與熱泵蒸發(fā)器(9)的上端相連通，該管道B上安裝有氣 體循環(huán)泵(13)和閥門(14);熱泵冷凝器(10)不與整個系統(tǒng)相連，產(chǎn)生熱量可作它用；
罐內(nèi)有上下運(yùn)動的球體(2、3)固定在垂直軸(7)上，球體(2、3)在軸(7)上等間距 分布，軸(7)在罐內(nèi)呈同心圓分布；軸(7)垂直穿過上部封頭(6)與氣體分布器(4)安裝， 不能水平運(yùn)動，只能帶動球體(2、3)上下運(yùn)動，軸(7)的上下運(yùn)動由電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動通過曲 軸、連桿(8)實(shí)現(xiàn)；靠近罐壁的軸(7)上的球體為半球(2)，罐內(nèi)軸(7)上的球體為完整球 體(3);罐體材料為剛性材料，在靠近罐壁處還有一層柔性材料(15)，靠近罐壁的軸(7)以 及半球(20都被夾在罐體(1)與柔性材料(15)之間，罐內(nèi)軸(7)以及軸(7)上球體(3)外 面也包裹一層柔性材料(15)，柔性材料(15)固定位置不動。
所述的主發(fā)酵罐(1)的高徑比為1 15。
所述的球體(2、3)與主發(fā)酵罐(1)的直徑比為1 : 2 50。
所述的球體(2、3)的直徑與球體(2、3)在軸(7)上的間距之比為1 : 1 10。
所述的軸(7)分布的同心圓圈數(shù)為1 50。 所述的相鄰?fù)膱A上的軸(7)上下運(yùn)動的方向可以相同，也可以相反；
使用本發(fā)明的反應(yīng)器用于纖維素發(fā)酵揮發(fā)性醇的步驟如下 a、向主發(fā)酵罐罐體內(nèi)加入經(jīng)滅菌的纖維素原料和纖維素酶，并無菌接種發(fā)酵微生 物，在30 4(TC下進(jìn)行發(fā)酵； b、開啟軸上電機(jī)，使軸帶動球體上下運(yùn)動，推動固態(tài)料來回運(yùn)動； c、開啟倒錐形罐底與熱泵蒸發(fā)器連通管道上的氣體循環(huán)泵和閥門，利用氣體夾帶
出發(fā)酵產(chǎn)物； d、循環(huán)氣經(jīng)過熱泵蒸發(fā)器后被降溫，部分發(fā)酵產(chǎn)物冷凝出來，濃度得到提高，進(jìn)行 收集得到濃縮后的發(fā)酵產(chǎn)物； e、隨著發(fā)酵與氣提過程的不斷進(jìn)行，發(fā)酵產(chǎn)物就都被收集下來。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn) (1)利用纖維素固態(tài)發(fā)酵揮發(fā)性醇，提高了產(chǎn)物濃度； (2)采用球體蠕動方式，解決了纖維素固態(tài)發(fā)酵揮發(fā)性醇傳質(zhì)、傳熱的問題；
(3)球體蠕動方式為法向作用力，解決了攪拌剪切力對發(fā)酵微生物細(xì)胞損傷的問 題； (4)利用氣提實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物的在線分離，減除了產(chǎn)物抑制，可提高發(fā)酵效率；


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖
圖2為蠕動發(fā)酵反應(yīng)器的俯視圖
圖1圖面說明如下 1蠕動發(fā)酵反應(yīng)器，2半球體，3完整球體，4氣體分布器，5倒錐形罐底，6上部封 頭，7軸，8曲軸連桿機(jī)構(gòu)，9熱泵蒸發(fā)器，10熱泵冷凝器，11熱泵壓縮機(jī)，12熱泵節(jié)流閥，13
4氣體循環(huán)泵，14閥，15柔性材料，16進(jìn)料口， 17出料口
具體實(shí)施方式

實(shí)施例1 本實(shí)施例的一種用于纖維素發(fā)酵揮發(fā)性醇的蠕動固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器，其高徑比為3， 總設(shè)計容積為50L，軸的上下往復(fù)運(yùn)動由電機(jī)組合曲軸連桿實(shí)現(xiàn)。 其發(fā)酵操作步驟如下以含水量50%，纖維素含量35%的粉碎汽爆玉米秸稈為原 料，使用0. 1Mpa的高壓蒸汽滅菌，纖維素酶用量為20IU濾紙酶活/g預(yù)處理纖維素原料， 纖維素酶使用0. 45 ii m超濾膜過濾除菌，將40L的纖維素原料與纖維素酶一起加入發(fā)酵罐 內(nèi)，接種安琪高活性釀酒干酵母(接種量0.2% )，并添加營養(yǎng)鹽(0. 1% (NH4)2S04、0. 1% KH2P04)，調(diào)整pH為4. 8 5. O，控制發(fā)酵罐內(nèi)溫度在35°C ，開啟軸上電機(jī)，使軸帶動球體上 下運(yùn)動，推動園態(tài)料來回運(yùn)動，用0)2置換系統(tǒng)內(nèi)空氣，置換結(jié)束后開啟倒錐形罐底與熱泵 蒸發(fā)器連通管道上的氣體循環(huán)泵和閥門，C(V流量控制在2mVh，利用(A夾帶出乙醇和水， 帶有乙醇和水蒸汽的C02經(jīng)過熱泵蒸發(fā)器后被降溫，部分乙醇和水冷凝出來，間隔從熱泵蒸 發(fā)器底部收集粗乙醇，共發(fā)酵24h，最終共收集到乙醇溶液1800ml，其乙醇體積分?jǐn)?shù)18%， 總乙醇得率為12. 9g/100g玉米秸稈。
實(shí)施例2 本實(shí)施例采用實(shí)施例1的發(fā)酵反應(yīng)器，其發(fā)酵操作步驟如下以含水量50%， 纖維素含量35%的粉碎汽爆玉米秸稈為原料，使用0. 1Mpa的高壓蒸汽滅菌，纖維素酶用 量為20IU濾紙酶活/g預(yù)處理纖維素原料，纖維素酶使用0. 45 ii m超濾膜過濾除菌，將 40L的纖維素原料與纖維素酶一起加入發(fā)酵罐內(nèi)，接種丙酮丁醇梭菌(C. acetobutylicum AS1. 132)，接種量10%，并添加營養(yǎng)鹽(0.2% (NH4)2S04、0. 2%酵母提取物，0. 05% KH2P04， 0. 05% K2HP04)，調(diào)整pH為6. 5 7. O，控制發(fā)酵罐內(nèi)溫度在37°C，開啟軸上電機(jī)，使軸帶 動球體上下運(yùn)動，推動固態(tài)料來回運(yùn)動，用(A置換系統(tǒng)內(nèi)空氣，置換結(jié)束后開啟倒錐形 罐底與熱泵蒸發(fā)器連通管道上的氣體循環(huán)泵和閥門，C02流量控制在2mVh，利用C02夾帶 溶劑(丁醇，丙酮，乙醇)和水，帶有溶劑和水蒸汽的C02經(jīng)過熱泵蒸發(fā)器后被降溫，部分 溶劑和水冷凝出來，間隔從熱泵蒸發(fā)器底部收集粗溶劑，共發(fā)酵72h，最終共收集到總?cè)軇?1570ml，其中丁醇體積分?jǐn)?shù)4X，總丁醇得率為10. lg/100g玉米秸稈。
權(quán)利要求
一種用于纖維素發(fā)酵揮發(fā)性醇的蠕動固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器，其特征在于，該反應(yīng)器包括；仿生蠕動發(fā)酵反應(yīng)器(1)，蠕動驅(qū)動裝置(7，8)，循環(huán)氣提裝置(13，14)，熱泵分離裝置(9、10、11、12)。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種用于纖維素發(fā)酵揮發(fā)性醇的蠕動固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器，其特 征在于，蠕動發(fā)酵反應(yīng)器包括圓筒形罐體(1)、倒錐形罐底(5)、上部封頭(6)、氣體分布器 (4)，圓筒形罐體(1)上端安裝上部封頭(6)，下端與倒錐形罐底(5)相連，連接處安裝氣體 分布器(4);上部封頭(6)開有通氣孔，通過管道A與熱泵蒸發(fā)器(9)的下端相連通；倒錐 形罐底(5)側(cè)面開有通氣孔，通過管道B與熱泵蒸發(fā)器(9)的上端相連通，該管道B上安裝 有氣體循環(huán)泵(13)和閥門(14);罐內(nèi)有上下運(yùn)動的球體(2、3)固定在垂直軸(7)上，球體 (2、3)在軸(7)上等間距分布，軸(7)在罐內(nèi)呈同心圓分布；軸(7)垂直穿過上部封頭(6) 與氣體分布器(4)安裝，不能水平運(yùn)動，只能帶動球體(2、3)上下運(yùn)動，軸(7)的上下運(yùn)動 由電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動通過曲軸、連桿(8)實(shí)現(xiàn)；靠近罐壁的軸(7)上的球體為半球(2)，罐內(nèi) 軸(7)上的球體為完整球體(3);罐體材料為剛性材料，在靠近罐壁處還有一層柔性材料 (15)，靠近罐壁的軸(7)以及半球(20都被夾在罐體(1)與柔性材料(15)之間，罐內(nèi)軸(7) 以及軸(7)上球體(3)外面也包裹一層柔性材料(15)，柔性材料(15)固定位置不動。
3. 如權(quán)利要求1所述的蠕動發(fā)酵反應(yīng)器(1)的高徑比為1 15。
4. 如權(quán)利要求2所述的球體(2、3)與蠕動發(fā)酵反應(yīng)器(1)的直徑比為1 : 2 50。
5. 如權(quán)利要求2所述的球體(2、3)的直徑與球體(2、3)在軸(7)上的間距之比為i : i io。
6. 如權(quán)利要求2所述的軸(7)分布的同心圓圈數(shù)為1 50。
7. 如權(quán)利要求2所述的相鄰?fù)膱A上的軸(7)上下運(yùn)動的方向可以相同，也可以相反。
8. —種用于纖維素發(fā)酵揮發(fā)性醇的蠕動固態(tài)發(fā)酵方法，其特征在于，包括以下步驟a、 向蠕動發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)加入經(jīng)滅菌的纖維素原料和纖維素酶，并無菌接種發(fā)酵微生 物，在30 4(TC下進(jìn)行發(fā)酵；b、 開啟軸上電機(jī)，使軸帶動球體上下運(yùn)動，推動固態(tài)料來回運(yùn)動；c、 開啟倒錐形罐底與熱泵蒸發(fā)器連通管道上的氣體循環(huán)泵和閥門，利用氣體夾帶出發(fā) 酵產(chǎn)物；d、 循環(huán)氣經(jīng)過熱泵蒸發(fā)器后被降溫，部分發(fā)酵產(chǎn)物冷凝出來，濃度得到提高，進(jìn)行收集 得到濃縮后的發(fā)酵產(chǎn)物；e、 隨著發(fā)酵與氣提過程的不斷進(jìn)行，發(fā)酵產(chǎn)物就都被收集下來。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于纖維素發(fā)酵揮發(fā)性醇的蠕動固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器及其發(fā)酵方法，該反應(yīng)器包括仿生蠕動發(fā)酵反應(yīng)器(1)，蠕動驅(qū)動裝置(7，8)，循環(huán)氣提裝置(13，14)，熱泵分離裝置(9、10、11、12)。蠕動發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)安裝有同心圓分布的軸，軸上等間距分布有圓球，軸帶動球體作上下運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)對固態(tài)料的來回推動；纖維素發(fā)酵揮發(fā)性醇步驟向罐體內(nèi)加入纖維素、纖維素酶與發(fā)酵微生物進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵，利用循環(huán)載氣氣提帶出發(fā)酵產(chǎn)物，在熱泵蒸發(fā)器處被冷凝收集。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是球體帶動固態(tài)料的運(yùn)動，強(qiáng)化了傳質(zhì)、傳熱效果，球體對固態(tài)料的推動力屬于法向作用力，可解決攪拌剪切力對微生物細(xì)胞損傷的問題。
文檔編號C12M1/02GK101768543SQ201010113598
公開日2010年7月7日 申請日期2010年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月24日
發(fā)明者丁文勇, 陳洪章 申請人:中國科學(xué)院過程工程研究所