專(zhuān)利名稱：一種發(fā)酵合成氣生產(chǎn)有機(jī)酸或醇的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微生物發(fā)酵工程領(lǐng)域，具體的說(shuō)是以合成氣(一氧化碳、氫氣、二氧化 碳)為原料，利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)酸或醇的方法。本發(fā)明還涉及一種用于實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置。
背景技術(shù)：
合成氣是一類(lèi)以一氧化碳，二氧化碳和氫氣為主要組分的混合氣體，其不僅可由 煤或焦炭等固體燃料汽化產(chǎn)生或由天然氣和石油等輕質(zhì)烴類(lèi)制取，還可由重油經(jīng)部分氧化 法生產(chǎn)，同時(shí)，秸稈、莎草、農(nóng)林廢棄物等生物質(zhì)以及城市有機(jī)固體廢物等都可作為其生產(chǎn) 原料，來(lái)源范圍極廣。除直接作為能源燃料外，合成氣也是重要的化學(xué)工業(yè)基礎(chǔ)原料。以合 成氣為原料合成氨、含氧化合物和烴類(lèi)等的化工生產(chǎn)技術(shù)均已投入商業(yè)運(yùn)行，但這些工藝 都采用化學(xué)方法。近年來(lái)，生物法綜合利用合成氣引起了極大關(guān)注，尤其是通過(guò)微生物厭氧 發(fā)酵將合成氣轉(zhuǎn)化成各種有用的燃料和化學(xué)品技術(shù)。盡管與化學(xué)催化相比具有較慢的反應(yīng) 速率，但微生物催化仍具有反應(yīng)條件溫和、目的產(chǎn)物的特異性高、細(xì)胞回收和再生容易、對(duì) 原料CO和H2的組成比例要求低、且不會(huì)出現(xiàn)催化劑硫化物中毒現(xiàn)象等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。然而，合成氣發(fā)酵是一個(gè)復(fù)雜的多相反應(yīng)過(guò)程，包括氣體底物、培養(yǎng)液和微生物細(xì) 胞等氣、液、固三相的相互作用。氣體底物需要經(jīng)過(guò)多個(gè)步驟的傳遞才能到達(dá)細(xì)胞表面被 微生物吸收利用，因而氣液傳質(zhì)是合成氣發(fā)酵過(guò)程的主要限速步驟，且由于CO和吐在水溶 液中的溶解度很低，使該傳質(zhì)限制顯得更為突出。為了改善合成氣發(fā)酵過(guò)程的氣液傳質(zhì)問(wèn) 題，除了從發(fā)酵工藝方面進(jìn)行優(yōu)化之外，還可以從反應(yīng)器設(shè)計(jì)上進(jìn)行探索。目前被廣泛研究 的合成氣發(fā)酵反應(yīng)器主要有連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器、滴流床反應(yīng)器、鼓泡塔式反應(yīng)器、微泡通 氣反應(yīng)器和復(fù)合中空纖維膜式反應(yīng)器等。其中，連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的合成 氣發(fā)酵中應(yīng)用最為廣泛，其體積傳質(zhì)系數(shù)(KLa)隨著單位體積攪拌功率(P/V)和空塔氣速 (Ug)的增加而提高，但提高Ug會(huì)導(dǎo)致氣體底物的轉(zhuǎn)化率降低，而高的P/V意味著能耗增加， 這就一定程度上限制了其在工業(yè)規(guī)模上的應(yīng)用。生物流化床技術(shù)提出于上世紀(jì)七十年代，其特征是以生物膜法為基礎(chǔ)，吸取了化 工操作中的流態(tài)化技術(shù)，極大地提高了傳質(zhì)效率，被廣泛應(yīng)用于廢水處理工藝。生物流化床 以砂、活性炭、焦炭、陶粒、沸石、磁環(huán)、玻璃珠、多孔球等一類(lèi)較小惰性顆粒為載體，使微生 物棲息于載體表面，形成薄層生物膜，液體或氣液混合物由下而上以一定的速度通過(guò)床層， 使載體流化，底物在與懸浮相生物和附著相生物的不斷接觸中得以降解。從原理上講，生物 流化床技術(shù)是通過(guò)載體表面的微生物膜而起作用的，但在反應(yīng)器內(nèi)部生物膜隨載體顆粒在 液體或氣液混合物中呈流化態(tài)，因而其既具有固定生物膜生長(zhǎng)特征又具有懸浮生長(zhǎng)特征。 這一特點(diǎn)克服了固定床生物膜法易堵塞的問(wèn)題；同時(shí)，小顆粒載體為微生物的固定化提供 了巨大的表面積，使得流化床中的生物質(zhì)濃度提高，而且生物顆粒的流態(tài)化和切割可以分 散氣泡，使布?xì)飧鶆颍泊龠M(jìn)了生物膜與液體或氣液混合界面的不斷更新，這些都極大地 加強(qiáng)了傳質(zhì)效率，提高了生產(chǎn)效率和工藝的穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種發(fā)酵合成氣生產(chǎn)有機(jī)酸或醇的方法。本發(fā)明的又一目的在于提供一種實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的發(fā)酵合成氣生產(chǎn)有機(jī)酸或醇的方法，其主要步驟 為1)將能代謝COj2和(X)2生產(chǎn)有機(jī)酸或醇的厭氧細(xì)菌加入到填充有以惰性顆粒為 載體的反應(yīng)器中；有機(jī)酸或醇包括乙酸、乳酸、丁酸、甲醇、乙醇和丁醇。能代謝CO、H2和CO2生產(chǎn)有機(jī)酸或醇的厭氧細(xì)菌，包括甲基丁酸桿菌 (Butyribacterium methylotropphicum)、醋酸梭菌(Clostridiumaceticum)、產(chǎn)乙酉享梭菌 (Clostridium autoethanogenum)、幾基P華角軍梭菌(Clostridium carboxidivorans)、緩徐 瘤梭菌(Clostridium lentocellum)、揚(yáng)氏梭菌(Clostridium 1 jungdahlii)、熱纖梭菌 (Clostridium thermocellum)禾口嗜熱乙酸梭菌(Clostridium thermoaceticum),以及在它 們基礎(chǔ)上進(jìn)行的任何突變株。載體可以是粒徑為0. 1 50mm的砂、活性炭、陶粒、沸石、玻璃珠、珍珠巖、海泡石、 聚丙烯、改性聚氨酯、金屬網(wǎng)海綿顆粒、生物沸石中的一種或多種。2)將由CO、H2和CO2的一種或幾種組成的合成氣通入反應(yīng)容器，使載體達(dá)到流化 狀態(tài)，并維持流化狀態(tài)，使厭氧細(xì)菌與載體充分混合并發(fā)酵；3)將液體培養(yǎng)基加入到反應(yīng)容器中，將懸浮的厭氧細(xì)菌沖出反應(yīng)容器，使附著 在載體表面的微生物形成生物膜。液體培養(yǎng)基為=NH4ClO. 5-1. 5g/L、NaCl 0. 5-1. 5g/L、 MgCl6 · H2O 0. 2-0. 6g/L、KH2PO4 0. 5-1. 5g/L、K2HPO4 1. 0-2. 0g/L、Tryptone 1. 5-2. 5g/L、 Yeast extract 0.5-1. 5g/L、FeCl3 · 6H202. 0-3. 0mg/L、xylose 3_6g/L、Cysteine-HCl · H2O 0. 5-1. 5g/L, pH 5. 5-6. 5。本發(fā)明提供的用于實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置，為固液內(nèi)循環(huán)和氣體外循環(huán)三相厭氧流 化床；其中流化床底部由下而上分別設(shè)有截止閥(6)、氣體分布器(7)和液體分布器(8)， 氣體分布器開(kāi)口向下，液體分布器開(kāi)口向上；中部的反應(yīng)區(qū)為三層同心圓筒，由外向內(nèi)分別 為夾套外壁(10)、外筒(11)和內(nèi)筒(13)，夾套外壁上下兩端分別與溫度控制系統(tǒng)(5)相 連，內(nèi)筒由支撐塊和可調(diào)螺桿(14)固定在外筒上，通過(guò)可調(diào)螺桿可調(diào)節(jié)內(nèi)筒與外筒的 相對(duì)高度，內(nèi)筒內(nèi)填充有載體(12)，載體可以是粒徑為0. 1 50mm的砂、活性炭、陶粒、沸 石、玻璃珠、珍珠巖、海泡石、聚丙烯、改性聚氨酯、金屬網(wǎng)海綿顆粒、生物沸石中的一種或多 種；頂部由斜板分離器(15)、三相分離器(16)和溢流槽(17)，斜板分離器斜板的傾斜方向 與溢流槽的開(kāi)口方向相反，三相分離器位于斜板分離器上面，貫穿頂蓋并可通過(guò)調(diào)節(jié)螺母 調(diào)整高度，其排氣口方向與溢流槽開(kāi)口方向相反，流化床的排氣口位于頂蓋上。所述的裝置，其中流化床連接有外部氣體循環(huán)供給系統(tǒng)，該外部氣體循環(huán)供給系 統(tǒng)的組成為合成氣儲(chǔ)罐(1)通過(guò)空氣壓縮機(jī)(A)、氣體流量計(jì)(F)和截止閥( 連接至氣 體緩沖罐(3)，氣體緩沖罐的側(cè)面出口連接截止閥(4)、氣體過(guò)濾器( 和氣體循環(huán)泵(Ml)， 將氣體送至流化床底部的氣體分布器(7)進(jìn)入流化床，從流化床出來(lái)的氣體先經(jīng)過(guò)截止閥 (19)和冷凝塔00)由頂部接口回流回氣體緩沖罐，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氣體的外循環(huán)；氣體緩沖罐上設(shè)有壓力表(Pl)；氣體導(dǎo)管0 連通于溢流槽(17)出水管和流化床尾氣出口之間。所述的裝置，其中流化床連接有培養(yǎng)基供給及產(chǎn)物回收系統(tǒng)，該培養(yǎng)基供給及產(chǎn) 物回收系統(tǒng)的組成為種子罐03)和截止閥04)與培養(yǎng)基罐(9)和截止閥05)都經(jīng)液體 泵(M》與液體分布器(8)相連；床頂?shù)囊缌鞑?17)與止回閥(18)相連；冷凝塔OO)連接 于截止閥(19)后的氣路管道上，與氣體緩沖罐C3)相通。所述的裝置，其中流化床的夾套外壁(10)連接有溫度控制系統(tǒng)，控制流化床內(nèi)的
反應(yīng)溫度。


圖1為本發(fā)明的內(nèi)循環(huán)三相厭氧流化床反應(yīng)器示意圖。附圖中標(biāo)記說(shuō)明1合成氣儲(chǔ)罐，2截止閥，3氣體緩沖罐，4截止閥，5溫度控制系統(tǒng)，6截止閥，7氣體 分布器，8液體分布器，9培養(yǎng)基罐，10夾套外壁，11流化床外筒，12載體，13流化床內(nèi)筒，14 可調(diào)螺桿，15斜板分離器，16三相分離器，17溢流槽，18止回閥，19截止閥，20冷凝塔，21支 撐塊，22氣體導(dǎo)管，23種子罐，24截止閥，25截止閥，Ml氣體循環(huán)泵，M2液體泵，Cff冷卻水 入口，CW’冷卻水出口，Pl壓力表，P2壓力表，F(xiàn)氣體流量計(jì)，A空氣壓縮機(jī)，S氣體過(guò)濾器。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明借鑒了廢水處理的生物流化床技術(shù)，改進(jìn)后將其應(yīng)用于合成氣的微生物發(fā) 酵，并復(fù)合氣體循環(huán)工藝，既保證了高效的氣液傳質(zhì)，又兼顧了原料氣的有效利用，實(shí)現(xiàn)了 微生物發(fā)酵合成氣生產(chǎn)有機(jī)酸或醇的高效轉(zhuǎn)化。本發(fā)明既豐富了合成氣生物發(fā)酵反應(yīng)器的 類(lèi)型，也從一定程度上解決了合成氣發(fā)酵法生產(chǎn)有機(jī)酸或醇的技術(shù)難題，有利于推動(dòng)我國(guó) 節(jié)能減排和低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。以生物流化床為載體，其特征是通過(guò)微生物在封閉的循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)，通過(guò)在固、液、 氣三相循環(huán)厭氧流化床反應(yīng)器中的發(fā)酵，實(shí)現(xiàn)從合成氣到有機(jī)酸或醇的高效轉(zhuǎn)化。近年來(lái)，以微生物發(fā)酵為主的合成氣生物法綜合利用引起了極大關(guān)注。然而，合成 氣發(fā)酵是一個(gè)多相反應(yīng)過(guò)程，氣體底物需要經(jīng)過(guò)多個(gè)步驟的傳遞才能到達(dá)細(xì)胞表面被微生 物吸收利用，且由于CO和吐在水中的溶解度低，因而氣液傳質(zhì)是合成氣發(fā)酵過(guò)程的限速步 驟。關(guān)于合成氣發(fā)酵過(guò)程的氣液傳質(zhì)，目前仍未找到一種既高效，又經(jīng)濟(jì)，且易于實(shí)現(xiàn)工業(yè) 化應(yīng)用的方法。為了克服合成氣生物發(fā)酵過(guò)程中的這些難點(diǎn)，本發(fā)明借鑒廢水處理的生物 流化床技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一種利用生物流化床發(fā)酵合成氣生產(chǎn)有機(jī)酸或醇的方法，既保證了高 效的氣液傳質(zhì)，又兼顧了原料氣的有效利用，實(shí)現(xiàn)了微生物發(fā)酵合成氣生產(chǎn)有機(jī)酸或醇的 高效轉(zhuǎn)化。其主要特征如下1)在三相循環(huán)厭氧流化床反應(yīng)器中發(fā)酵合成氣生產(chǎn)有機(jī)酸或醇。2)三相循環(huán)厭氧流化床反應(yīng)器，其以外循環(huán)的氣流為動(dòng)力，由流化床主體，外部氣 體循環(huán)供給系統(tǒng)，培養(yǎng)基供給及產(chǎn)物回收系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)四部分組成。3)流化床主體的底部由下而上分別設(shè)有截止閥、氣體分布器和液體分布器，氣體 分布器開(kāi)口向下，液體分布器開(kāi)口向上，便于氣體和液體的均勻分布，防止載體聚集或短路 等情況。中部的反應(yīng)區(qū)為三層同心圓筒，由外向內(nèi)分別為夾套外壁、外筒和內(nèi)筒。夾套外壁上下兩端分別與溫度控制系統(tǒng)相連，控制流化床內(nèi)的發(fā)酵溫度。內(nèi)筒由支撐塊和可調(diào)螺桿 固定在外筒上，通過(guò)可調(diào)螺桿可調(diào)節(jié)內(nèi)筒與外筒的相對(duì)高度，調(diào)節(jié)不同載體的流化。內(nèi)筒內(nèi) 投放載體，載體為粒徑較小，表面粗糙，多孔且生物相容性好的惰性顆粒。外筒高徑直徑 比為3 10 1。流化開(kāi)始后，氣流攜帶載體于內(nèi)筒內(nèi)形成流態(tài)化床層，培養(yǎng)基-載體混合 液在內(nèi)筒上流，外筒下流，構(gòu)成固液內(nèi)循環(huán)。流化床頂部由斜板分離器、三相分離器、溢流槽 和壓力表組成。斜板分離器斜板的傾斜角度(斜板與下底板面形成的小角角度)為45° 60°，傾斜方向與溢流槽的開(kāi)口方向相反。三相分離器位于斜板分離器上面，二者串聯(lián)工 作，有效控制了氣流引起的頂部液體湍動(dòng)，最大限度地杜絕了活性載體的流失。三相分離器 貫穿頂蓋并可通過(guò)調(diào)節(jié)螺母調(diào)整高度，以調(diào)節(jié)合成氣、液體培養(yǎng)基和載體三相之間的有效 分離。三相分離器的下口張角為100° 150°。三相分離器排氣口方向與溢流槽開(kāi)口方 向相反，流化床的排氣口位于頂蓋上，這也避免了氣流對(duì)溢流液體的影響。4)外部氣體循環(huán)供給系統(tǒng)中，合成氣儲(chǔ)罐通過(guò)空壓機(jī)、氣體流量計(jì)和截止閥連接 至氣體緩沖罐，氣體緩沖罐的側(cè)面出口連接截止閥、氣體過(guò)濾器和氣體循環(huán)泵，將氣體送至 流化床底部的氣體分布器進(jìn)入流化床，從流化床出來(lái)的氣體先經(jīng)過(guò)截止閥和冷凝塔由頂部 接口回流回氣體緩沖罐，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氣體的外循環(huán)。調(diào)節(jié)氣體循環(huán)泵的流量，可調(diào)節(jié)床內(nèi)的流 化狀態(tài)。當(dāng)合成氣被消耗，氣體緩沖罐的壓力減小至空氣壓縮機(jī)設(shè)定的臨界壓力時(shí)，空壓機(jī) 壓縮合成氣進(jìn)入氣體緩沖罐。氣體緩沖罐上設(shè)有壓力表。連通于溢流槽出水管和流化床尾 氣出口之間的氣體導(dǎo)管有助于消除床內(nèi)氣壓對(duì)溢流液體的壓力。5)培養(yǎng)基供給及產(chǎn)物回收系統(tǒng)中，種子罐和截止閥與培養(yǎng)基罐和截止閥都經(jīng)液體 泵與液體分布器相連，可直接將種子液或液體培養(yǎng)基通過(guò)液體分布器送進(jìn)流化床。培養(yǎng)基 發(fā)酵后，經(jīng)溢流槽和止回閥進(jìn)入產(chǎn)物回收系統(tǒng)。通過(guò)調(diào)節(jié)液體泵的流量，可控制液體培養(yǎng)基 在流化床內(nèi)的停留時(shí)間，可確保培養(yǎng)基中各有效成分的充分利用。冷凝塔連接于床頂截止 閥后的氣路管道上，與氣體緩沖罐相通。冷凝塔中所收集的液體會(huì)含有一定濃度的終產(chǎn)物， 也進(jìn)入回收系統(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)物回收。使用以上描述的三相循環(huán)厭氧流化床反應(yīng)器進(jìn)行合成氣發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)酸或醇，是 本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)的。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于其利用了固液內(nèi)循環(huán)流化床傳質(zhì)效 率高的特點(diǎn)，并輔以氣體外循環(huán)工藝，既保證了高效的氣液傳質(zhì)，又兼顧了原料氣的有效利 用，實(shí)現(xiàn)了微生物發(fā)酵合成氣生產(chǎn)有機(jī)酸或醇的高效轉(zhuǎn)化。本發(fā)明既豐富了合成氣生物發(fā) 酵反應(yīng)器的類(lèi)型，也從一定程度上解決了合成氣發(fā)酵法生產(chǎn)有機(jī)酸或醇的技術(shù)難題，其有 利于推動(dòng)我國(guó)節(jié)能減排和低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。以下舉實(shí)施例并結(jié)合附圖作詳細(xì)說(shuō)明，使本領(lǐng)域技術(shù)人員更全面的了解本發(fā)明， 但以下的說(shuō)明不以任何方式限制本發(fā)明。實(shí)施例請(qǐng)參閱圖1所示，一種利用生物流化床發(fā)酵合成氣生產(chǎn)有機(jī)酸或醇的方法，其使 用反應(yīng)器為三相循環(huán)厭氧流化床反應(yīng)器，由流化床主體、外部氣體循環(huán)供給系統(tǒng)、培養(yǎng)基供 給及產(chǎn)物回收系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)四部分組成。流化床主體的底部由下而上分別設(shè)有截止閥6、氣體分布器7和液體分布器8，氣 體分布器開(kāi)口向下，液體分布器開(kāi)口向上，便于氣體和液體的均勻分布，防止載體聚集或短 路等情況。中部的反應(yīng)區(qū)為三層同心圓筒，由外向內(nèi)分別為夾套外壁10、外筒11和內(nèi)筒13。
7夾套外壁上下兩端分別與溫度控制系統(tǒng)5相連，溫度控制系統(tǒng)5主要包括有水路循環(huán)管道、 溫度探頭、溫度控制器等，其中水路循環(huán)管道是與夾套外壁上下兩端相連，而溫度探頭插入 反應(yīng)器內(nèi)部，附圖中所示是將溫度控頭連接到流化床內(nèi)筒，控制流化床內(nèi)的發(fā)酵溫度。內(nèi)筒 由支撐塊21和可調(diào)螺桿14固定在外筒上，通過(guò)可調(diào)螺桿以調(diào)節(jié)內(nèi)筒與外筒的相對(duì)高度，從 而調(diào)節(jié)不同載體的流化。內(nèi)筒投放載體12，載體為粒徑較小，表面粗糙，多孔且生物相容性 好的惰性顆粒。外筒的高徑直徑比為3 10 1，本實(shí)施例中設(shè)計(jì)為7 1。流化開(kāi)始 后，氣流攜帶載體于內(nèi)筒內(nèi)形成流態(tài)化床層，培養(yǎng)基-載體混合液在內(nèi)筒內(nèi)上流，再經(jīng)過(guò)外 筒向下流，構(gòu)成固體和液體的內(nèi)循環(huán)。流化床頂部由斜板分離器15、三相分離器16、溢流槽 17和壓力表P2組成。斜板分離器斜板的傾斜角度(斜板與下底板面形成的小角角度)為 45° 60°，本實(shí)施例中設(shè)計(jì)為60°，傾斜方向與溢流槽的開(kāi)口方向相反。三相分離器位 于斜板分離器上面，二者串聯(lián)工作，有效控制了氣流引起的頂部液體湍動(dòng)，最大限度地杜絕 了活性載體的流失。三相分離器貫穿頂蓋并可通過(guò)調(diào)節(jié)螺母調(diào)整高度，以調(diào)節(jié)合成氣、液體 培養(yǎng)基和載體三相之間的有效分離。三相分離器的下口張角為100° 150°，本實(shí)施例中 設(shè)計(jì)為120°。三相分離器16排氣口方向與溢流槽17開(kāi)口方向相反，流化床的排氣口位于 頂蓋上，這也避免了氣流對(duì)溢流液體的影響。外部氣體循環(huán)供給系統(tǒng)中，合成氣儲(chǔ)罐1通過(guò)空壓機(jī)A、氣體流量計(jì)F和截止閥2 連接至氣體緩沖罐3，氣體緩沖罐的側(cè)面出口連接截止閥4、氣體過(guò)濾器S和氣體循環(huán)泵M1， 將氣體送至流化床底部的氣體分布器7進(jìn)入流化床，從流化床出來(lái)的氣體先經(jīng)過(guò)截止閥19 和冷凝塔20由頂部接口回流回氣體緩沖罐3，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氣體的外循環(huán)。調(diào)節(jié)氣體循環(huán)泵Ml 的流量，可調(diào)節(jié)床內(nèi)的流化狀態(tài)。當(dāng)合成氣被消耗，氣體緩沖罐的壓力減小至空氣壓縮機(jī)設(shè) 定的臨界壓力(本實(shí)施例中設(shè)計(jì)為0.3MPa)時(shí)，空壓機(jī)壓縮合成氣進(jìn)入氣體緩沖罐。氣體 緩沖罐上設(shè)有壓力表P1。氣體導(dǎo)管22連通于溢流槽出水管和流化床尾氣出口之間，其有助 于消除流化床內(nèi)氣壓對(duì)溢流液體的壓力。培養(yǎng)基供給及產(chǎn)物回收系統(tǒng)中，種子罐23和截止閥M與培養(yǎng)基罐9和截止閥25 都經(jīng)液體泵M2與液體分布器8相連，可直接將種子液或液體培養(yǎng)基通過(guò)液體分布器送進(jìn)流 化床。培養(yǎng)基發(fā)酵后，經(jīng)溢流槽17和止回閥18進(jìn)入產(chǎn)物回收系統(tǒng)。通過(guò)調(diào)節(jié)液體泵M2的 流量，可控制液體培養(yǎng)基在流化床內(nèi)的停留時(shí)間，確保培養(yǎng)基中各有效成分的充分利用。冷 凝塔20連接于床頂截止閥19后的氣路管道上，與氣體緩沖罐3相通。冷凝塔中所收集的 液體會(huì)含有一定濃度的終產(chǎn)物，也進(jìn)入回收系統(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)物回收。用三相循環(huán)厭氧流化床反應(yīng)器連續(xù)發(fā)酵合成氣生產(chǎn)有機(jī)酸或乙醇，其具體操作如 下1)本實(shí)施例選用活性炭為載體，產(chǎn)乙醇梭菌(Clostridiumautoethanogenum)為 發(fā)酵菌株，流化床外筒直徑100mm，內(nèi)筒直徑60mm，高700mm。2)向主體流化床內(nèi)筒13內(nèi)中投加體積為40ml的活性炭，安裝好系統(tǒng)并滅菌主體 流化床。3)于種子罐 23 中用培養(yǎng)基=NH4Cl 0. 9g/L、NaCl 0. 9g/L、MgCl6 ·Η200. 4g/L,KH2PO4 0. 75g/L、K2HPO4 1. 50g/L、Tryptone 2. Og/L、Yeast extractl. Og/L、FeCl3 · 6H20 2. 5mg/ L、xylose 5g/L、Cysteine-HCl · H2O 0. 75g/L, pH6. 0，培養(yǎng)產(chǎn)乙醇梭菌種子(Clostridium autoethanogenum)IL0
4)開(kāi)啟反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)5，設(shè)定發(fā)酵溫度為37°C ；開(kāi)啟冷凝塔20。5)打開(kāi)截止閥24，開(kāi)啟液體泵M2，將種子罐23中培養(yǎng)好的種子液經(jīng)液體分布器8 泵入主體流化床內(nèi)，此時(shí)M2泵的流量為2. 4L/h，活性炭不流化。6)待種子液充滿流化床內(nèi)外筒后，關(guān)閉液體泵M2和截止閥M，打開(kāi)截止閥2，空氣 壓縮機(jī)A壓縮合成氣經(jīng)氣體過(guò)濾器S進(jìn)入氣體緩沖罐3，開(kāi)啟截止閥4、19和氣體循環(huán)泵M1， 合成氣進(jìn)入流化床，調(diào)節(jié)泵Ml流量，使內(nèi)筒內(nèi)的活性炭在氣流作用下達(dá)到流化狀態(tài)，此時(shí) Ml流量為5L/min。調(diào)整三相分離器的高度，使之既能有效分離合成氣、液體培養(yǎng)基和活性 載體，又沒(méi)有載體進(jìn)入溢流槽。當(dāng)合成氣被消耗，氣體緩沖罐3的壓力減小至設(shè)定的0. 3MPa 時(shí)，空氣壓縮機(jī)A壓縮合成氣經(jīng)氣體過(guò)濾器S進(jìn)入氣體緩沖罐3。7)維持流化狀態(tài)lh，使種子液中的細(xì)菌與載體充分混合。8)開(kāi)啟液體泵M2和截止閥25，將培養(yǎng)基罐9中的新鮮滅菌培養(yǎng)基泵入流化床內(nèi)， 調(diào)節(jié)液體泵M2的流量為0. 3L/h，此時(shí)液體培養(yǎng)基在流化床中的停留時(shí)間約為池。較短停 留時(shí)間的液體培養(yǎng)基，可將懸浮的細(xì)菌沖出反應(yīng)器，減小底物的競(jìng)爭(zhēng)，有利于附著在載體表 面的微生物的生長(zhǎng)，形成生物膜。發(fā)酵后的培養(yǎng)液經(jīng)溢流槽17和止回閥18進(jìn)入產(chǎn)物提取 工序。9)發(fā)酵48h，生物膜形成穩(wěn)定后，從止回閥18取樣，檢測(cè)其中的氮含量，根據(jù)氮的 消耗率，調(diào)整泵M2的流量，如氮的消耗率小于95%，則減小M2的流量，延長(zhǎng)培養(yǎng)基的停留時(shí) 間，反之，則增大流量，使溢流液體的氮消耗率達(dá)95%以上，直至發(fā)酵結(jié)束。以上是結(jié)合具體實(shí)施例子對(duì)本發(fā)明所做的進(jìn)一步描述。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了 解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書(shū)中描述的只是說(shuō)明本發(fā)明的原理， 在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都 落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)的范圍由權(quán)利要求及其等效物界定。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)酵合成氣生產(chǎn)有機(jī)酸或醇的方法，其主要步驟為1)將能代謝CO、H2和CO2生產(chǎn)有機(jī)酸或醇的厭氧細(xì)菌加入到填充有以惰性顆粒為載體 的反應(yīng)器中；2)將由COj2和(X)2的一種或幾種組成的合成氣通入反應(yīng)容器，使載體達(dá)到流化狀態(tài)， 并維持流化狀態(tài)，使厭氧細(xì)菌與載體充分混合并發(fā)酵；3)將液體培養(yǎng)基加入到反應(yīng)容器中，將懸浮的厭氧細(xì)菌沖出反應(yīng)容器，使附著在載體 表面的微生物形成生物膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述有機(jī)酸或醇包括乙酸、乳酸、丁酸、甲醇、乙 醇和丁醇。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述能代謝CO、H2和(X)2生產(chǎn)有機(jī)酸或醇 的厭氧細(xì)菌，包括甲基丁酸桿菌(Butyribacteriummethylotropphicum)、醋酸梭菌 (Clostridium aceticum)、產(chǎn)乙酉享梭菌(Clostridium autoethanogenum)、幾基降角軍梭 菌(Clostridiumcarboxidivorans)、緩徐瘤梭菌(Clostridium lentocellum)、揚(yáng)氏梭菌 (Clostridium 1 jungdahlii)、熱纖梭菌(Clostridium thermocellum)和嗜熱乙酸梭菌 (Clostridium thermoaceticum)，以及在它們基礎(chǔ)上進(jìn)行的任何突變株。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述載體選自粒徑為0.1 50mm的砂、活性炭、 陶粒、沸石、玻璃珠、珍珠巖、海泡石、聚丙烯、改性聚氨酯、金屬網(wǎng)海綿顆粒、生物沸石中的 一種或多種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述液體培養(yǎng)基為=NH4ClO.5-1. 5g/L、NaCl0.5-1. 5g/L、MgCl6 · H2O 0. 2-0. 6g/L、KH2PO4 0. 5-1. 5g/L、K2HPO4 1. 0-2. Og/L、Tryptone1.5-2. 5g/L、Yeast extract 0. 5-1. 5g/L、FeCl3 · 6H202. 0-3. Omg/L、xylose 3_6g/L、 Cysteine-HCl · H2O 0. 5-1. 5g/L, pH 5. 5-6. 5。
6.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的裝置，為固液內(nèi)循環(huán)和氣體外循環(huán)三相厭氧流化 床；其中流化床底部由下而上分別設(shè)有截止閥(6)、氣體分布器(7)和液體分布器(8)，氣體分 布器開(kāi)口向下，液體分布器開(kāi)口向上；中部的反應(yīng)區(qū)為三層同心圓筒，由外向內(nèi)分別為夾套外壁(10)、外筒(11)和內(nèi)筒 (13)，夾套外壁上下兩端分別與溫度控制系統(tǒng)( 相連，內(nèi)筒由支撐塊和可調(diào)螺 桿(14)固定在外筒上，通過(guò)可調(diào)螺桿可調(diào)節(jié)內(nèi)筒與外筒的相對(duì)高度，內(nèi)筒內(nèi)填充有載體 (12)；頂部由斜板分離器(15)、三相分離器(16)和溢流槽(17)，斜板分離器斜板的傾斜方向 與溢流槽的開(kāi)口方向相反，三相分離器位于斜板分離器上面，貫穿頂蓋并可通過(guò)調(diào)節(jié)螺母 調(diào)整高度，其排氣口方向與溢流槽開(kāi)口方向相反，流化床的排氣口位于頂蓋上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中，流化床連接有外部氣體循環(huán)供給系統(tǒng)，該外部氣 體循環(huán)供給系統(tǒng)的組成為合成氣儲(chǔ)罐(1)通過(guò)空氣壓縮機(jī)(A)、氣體流量計(jì)(F)和截止閥( 連接至氣體緩沖罐 (3)，氣體緩沖罐的側(cè)面出口連接截止閥(4)、氣體過(guò)濾器( 和氣體循環(huán)泵(Ml)，將氣體送 至流化床底部的氣體分布器(7)進(jìn)入流化床，從流化床出來(lái)的氣體先經(jīng)過(guò)截止閥(19)和冷 凝塔00)由頂部接口回流回氣體緩沖罐，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氣體的外循環(huán)；氣體緩沖罐上設(shè)有壓力表(Pl)；氣體導(dǎo)管0 連通于溢流槽(17)出水管和流化床尾氣出口之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中，流化床連接有培養(yǎng)基供給及產(chǎn)物回收系統(tǒng)，該培 養(yǎng)基供給及產(chǎn)物回收系統(tǒng)的組成為種子罐和截止閥04)與培養(yǎng)基罐(9)和截止閥0 都經(jīng)液體泵(Μ》與液體分 布器⑶相連；床頂?shù)囊缌鞑?17)與止回閥(18)相連；冷凝塔OO)連接于截止閥(19)后 的氣路管道上，與氣體緩沖罐C3)相通。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中，流化床的夾套外壁(10)連接有溫度控制系統(tǒng)，控 制流化床內(nèi)的反應(yīng)溫度。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中，所述載體選自粒徑為0.1 50mm的砂、活性炭、 陶粒、沸石、玻璃珠、珍珠巖、海泡石、聚丙烯、改性聚氨酯、金屬網(wǎng)海綿顆粒、生物沸石中的 一種或多種。
全文摘要
一種發(fā)酵合成氣生產(chǎn)有機(jī)酸或醇的方法，步驟為1)將能代謝CO、H2和CO2生產(chǎn)有機(jī)酸或醇的厭氧細(xì)菌加入到填充有以惰性顆粒為載體的反應(yīng)器中；2)將由CO、H2和CO2的一種或幾種組成的合成氣通入反應(yīng)容器，使載體達(dá)到流化狀態(tài)，并維持流化狀態(tài)，使厭氧細(xì)菌與載體充分混合并發(fā)酵；3)將液體培養(yǎng)基加入到反應(yīng)容器中，將懸浮的厭氧細(xì)菌沖出反應(yīng)容器，使附著在載體表面的微生物形成生物膜。本發(fā)明還提供了用于實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于充分利用了固、液內(nèi)循環(huán)流化床傳質(zhì)效率高的特點(diǎn)，并輔以氣體外循環(huán)工藝，實(shí)現(xiàn)了從合成氣到有機(jī)酸或醇的高效轉(zhuǎn)化。
文檔編號(hào)C12P7/52GK102094048SQ201010572549
公開(kāi)日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2010年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月1日
發(fā)明者宋厚輝, 徐健, 李玉東, 秦勇, 黃建忠 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所