一種co發(fā)酵制乙醇的生產(chǎn)方法及設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種CO發(fā)酵制乙醇的生產(chǎn)方法及設(shè)備。采用兩步法發(fā)酵，生長與發(fā)酵分開進(jìn)行，分別采用不同的反應(yīng)器與反應(yīng)條件。木質(zhì)纖維素生物質(zhì)經(jīng)高溫液態(tài)水處理后的水解液用于提供菌株生長時(shí)的碳源，而CO作為乙醇發(fā)酵時(shí)的唯一碳源，生長階段采用攪拌罐式反應(yīng)器，發(fā)酵階段采用填充床式反應(yīng)器，從攪拌罐式反應(yīng)器出來的培養(yǎng)液直接輸入填料床反應(yīng)器，不需要進(jìn)行細(xì)胞分離濃縮及補(bǔ)充新的培養(yǎng)基。發(fā)酵菌株為Clostridium?autoethanogenum。本發(fā)明采用改良的培養(yǎng)基，一方面降低了培養(yǎng)基成本，另一方面實(shí)現(xiàn)了對(duì)木質(zhì)纖維素生物質(zhì)水解液的綜合利用；而且簡化了流程。另外，CO僅用于發(fā)酵階段，不用于菌體生長，既能縮短整個(gè)生產(chǎn)周期，又大大提高了CO的乙醇轉(zhuǎn)化率。
【專利說明】—種CO發(fā)酵制乙醇的生產(chǎn)方法及設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及到生物化工【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種CO發(fā)酵制乙醇的生產(chǎn)方法及設(shè)備。
技術(shù)背景
[0002]隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，工業(yè)廢氣的排放量日益增長，這些廢氣中所含的有毒有害氣體使得環(huán)境污染日趨嚴(yán)重。比如CO，它是工業(yè)生產(chǎn)中廣泛存在的一種有毒氣體，如高爐氣、轉(zhuǎn)爐氣、焦?fàn)t氣、電石爐氣、黃磷爐氣、炭黑尾氣等都含CO，在這些廢氣中CO含量可以從百分之幾到90%左右(體積比)。保守估計(jì)，僅我國鋼鐵行業(yè)CO的年排放量至少可達(dá)5000萬噸以上。如何治理或有效利用這些工業(yè)廢氣是亟待解決的問題之一。
[0003]Clostridium autoethanogenum是一株嚴(yán)格厭氧梭菌，它能以CO為唯一碳源進(jìn)行生長并發(fā)酵生成乙醇，因此有望用于富CO工業(yè)廢氣的治理。Clostridium autoethanogenum的另一個(gè)特性是可以利用木糖，它以木糖為碳源時(shí)生長迅速，但發(fā)酵得到的乙醇濃度低? 0.4g/L)。另一方面，用高溫液態(tài)水處理木質(zhì)纖維素生物質(zhì)，得到的水解液主要含木糖及低聚木糖，發(fā)酵抑制物如糠醛等含量較低，但是到目前為止該水解液尚未得到有效利用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種乙醇生產(chǎn)的新方法，利用CO發(fā)酵制取乙醇，同時(shí)綜合利用木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的水解液，降低乙醇的生產(chǎn)成本。
`[0005]本發(fā)明可應(yīng)用于富CO工業(yè)廢氣的治理及能源化，廢氣需要預(yù)先凈化處理，除去O2等有害氣體，主要成分為CO，但允許含有N2,C02，H2及少量H2S ?體積百分比1%)。木質(zhì)纖維素生物質(zhì)指原料中木聚糖含量> 15%的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)，如蔗渣、甜高粱渣等。
[0006]本發(fā)明將木質(zhì)纖維素水解液中木糖的利用與CO氣態(tài)發(fā)酵乙醇相結(jié)合，采取的技術(shù)方案如下:
[0007]本發(fā)明采用兩步法發(fā)酵CO制取乙醇。反應(yīng)設(shè)備括水解反應(yīng)器，冷卻器，培養(yǎng)基儲(chǔ)罐，滅菌器，反應(yīng)器A (攪拌罐式反應(yīng)器)與反應(yīng)器B (填料床反應(yīng)器)。
[0008]本發(fā)明方法的步驟為:
[0009]S1:木質(zhì)纖維素原料粉碎后置于水解反應(yīng)器中進(jìn)行水解，通N2維持壓力，反應(yīng)結(jié)束后，水解液冷卻至40°C左右，進(jìn)入培養(yǎng)基儲(chǔ)罐，水解殘?jiān)蛛x后可進(jìn)一步酶解發(fā)酵；
[0010]S2:向培養(yǎng)基儲(chǔ)罐中加入培養(yǎng)基組分與水解液混合，反應(yīng)器A內(nèi)置平葉渦輪攪拌器，滅菌后的培養(yǎng)基通入反應(yīng)器A，冷卻至37 °C后接種發(fā)酵菌株Clostridiumautoethanogenum,培養(yǎng)過程中一直從反應(yīng)器底部通入無菌N2維持無氧環(huán)境,溫度保持在370C，培養(yǎng)至菌液OD6tltl ^ 1.0時(shí)，將培養(yǎng)液泵入反應(yīng)器B ；
[0011]S3:反應(yīng)器B中裝有Φ6陶瓷拉西環(huán)填料，裝填高度為反應(yīng)器B高度的85%，反應(yīng)器B預(yù)先通無菌N2保持無氧，培養(yǎng)液通入后將N2換成CO，當(dāng)培養(yǎng)液的液面升至填料上方時(shí)停止通入培養(yǎng)液，反應(yīng)器B持續(xù)通CO進(jìn)行發(fā)酵，發(fā)酵溫度保持在37°C ；[0012]S4:補(bǔ)充新鮮培養(yǎng)基到反應(yīng)器A至培養(yǎng)液回到原有體積，繼續(xù)培養(yǎng)至OD6tltl ^ 1.0后，培養(yǎng)液連續(xù)從反應(yīng)器A輸入反應(yīng)器B，向反應(yīng)器A連續(xù)通入新鮮培養(yǎng)基，從反應(yīng)器B連續(xù)取出發(fā)酵液，進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)、發(fā)酵。培養(yǎng)液在反應(yīng)器B中的停留時(shí)間為36小時(shí)。
[0013]反應(yīng)器A、B均為圓柱體，且體積相等，但反應(yīng)器B的直徑為反應(yīng)器A直徑的二分之一。反應(yīng)器B是填充床反應(yīng)器，大的高徑比有利于增加氣體停留時(shí)間，促進(jìn)氣體底物的溶解。
[0014]連續(xù)發(fā)酵時(shí)，從反應(yīng)器A取出的培養(yǎng)液直接輸入反應(yīng)器B，不需要進(jìn)行微生物細(xì)胞的分離濃縮。
[0015]培養(yǎng)基組成為，每IL水解液含:10mL無機(jī)鹽溶液，IOmL微量元素溶液，IOmL維生素溶液，1.0g酵母膏,0.5g半胱氨酸鹽酸,5.0g嗎啉乙磺酸,0.5mL0.1%刃天青，pH6。①無機(jī)鹽溶液組成:NaC180g/L, NH4Cl 100g/L, KC110g/L, KH2P0410g/L, MgSO4.7H2020g/L, CaCl2.2H204g/L ;②微量元素溶液組成:次氮基三乙酸2g/L，MnCl2.4H201.3g/L, CoCl2.6H200.2g/L, ZnSO4.7H200.2g/L, FeCl3.6H200.4g/L, CuCl2.2H200.02g/L, NiCl2.6H200.02g/L, Na2MoO4.2H200.02g/L, Na2WO4.2H200.025g/L ;③維生素溶液組成:生物素2mg/L,葉酸2mg/L,維生素B610mg/L,維生素Bjmg/L,核黃素5mg/L,煙酸5mg/L,泛酸鈣5mg/L,維生素B125mg/L,對(duì)氨基苯甲酸5mg/L。培養(yǎng)基可實(shí)現(xiàn)連續(xù)發(fā)酵。
[0016]本發(fā)明的另一個(gè)目的提供了 CO發(fā)酵制備乙醇的設(shè)備，其特征在于，包括:
[0017]水解反應(yīng)器:用于將木質(zhì)纖維素原料與水混合后水解；
[0018]培養(yǎng)基儲(chǔ)罐:用于存儲(chǔ)水解后的水解液及配制培養(yǎng)基；
[0019]滅菌器:用于將配制`好的培養(yǎng)基進(jìn)行滅菌處理；
[0020]攪拌罐式反應(yīng)器:用于Clostridium autoethanogenum的生長培養(yǎng)；
[0021]填料床反應(yīng)器:通入純CO或富CO工業(yè)廢氣讓菌液吸收利用并發(fā)酵成乙醇；
[0022]所述水解反應(yīng)器、培養(yǎng)基儲(chǔ)罐、滅菌器、攪拌罐式反應(yīng)器(反應(yīng)器A)、填料床反應(yīng)器(反應(yīng)器B)依次經(jīng)管道順序連接。
[0023]反應(yīng)器A為攪拌罐式反應(yīng)器，內(nèi)置平葉渦輪攪拌器，用于菌株的生長，培養(yǎng)體積為反應(yīng)器A體積的85%，培養(yǎng)溫度37°C，攪拌轉(zhuǎn)速lOOrpm，培養(yǎng)時(shí)持續(xù)通N2保持反應(yīng)器A無氧。
[0024]反應(yīng)器B為填充床反應(yīng)器，內(nèi)裝Φ6陶瓷拉西環(huán)填料，裝填高度為反應(yīng)器B高度的85%。反應(yīng)器B用于菌株發(fā)酵CO產(chǎn)乙醇，發(fā)酵溫度保持在37°C，發(fā)酵時(shí)持續(xù)通入CO。
[0025]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0026]I)本發(fā)明采用改良后的培養(yǎng)基，去掉了蛋白胨、硫化鈉、碳酸氫鈉等組分，同時(shí)以木質(zhì)纖維素原料的水解液取代木糖，既可以降低培養(yǎng)基成本，又可以實(shí)現(xiàn)對(duì)木質(zhì)纖維素原料的綜合利用。而且采用高溫液態(tài)水法處理木質(zhì)纖維素原料，方法簡單，無污染。
[0027]2)采用兩步法發(fā)酵，生長與發(fā)酵分開進(jìn)行，分別采用不同的反應(yīng)器與反應(yīng)條件。木質(zhì)纖維素生物質(zhì)(蔗渣、甜高粱渣等)經(jīng)高溫液態(tài)水處理后的水解液用于提供菌株生長時(shí)的碳源，而CO作為乙醇發(fā)酵時(shí)的唯一碳源，生長階段采用攪拌罐式反應(yīng)器，發(fā)酵階段采用填充床式反應(yīng)器，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)發(fā)酵。從攪拌罐式反應(yīng)器出來的培養(yǎng)液直接輸入填料床反應(yīng)器，不需要進(jìn)行細(xì)胞分離濃縮及補(bǔ)充新的培養(yǎng)基。
[0028]3) CO僅用于發(fā)酵階段，不用于菌體生長，既能縮短整個(gè)生產(chǎn)周期，又大大提高了CO的乙醇轉(zhuǎn)化率。[0029]4)填料床反應(yīng)器中裝填Φ6陶瓷拉西環(huán)填料，耐腐蝕，比表面積達(dá)789m2/m3，空隙率0.73，大大增加了氣液的接觸面積與接觸時(shí)間，有利于CO等難溶氣體的吸收利用，而且填料對(duì)微生物細(xì)胞有一定的固定化作用，能提高反應(yīng)器中的細(xì)胞密度，從而提高發(fā)酵產(chǎn)物乙醇的濃度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1是本發(fā)明CO發(fā)酵制乙醇的流程及發(fā)酵裝置示意圖.[0031 ] 附圖標(biāo)記說明:1-木質(zhì)纖維素原料進(jìn)口，2-水解反應(yīng)器，3-水解殘?jiān)隹冢?-冷卻器，5-水解液進(jìn)口，6-培養(yǎng)基配制及儲(chǔ)罐，7-其余培養(yǎng)基組分進(jìn)口，8-滅菌器，9-培養(yǎng)基進(jìn)口，10-反應(yīng)器A，11-排氣口，12-攪拌器，13-N2進(jìn)口，14-培養(yǎng)液進(jìn)口，15-C0進(jìn)口，16-反應(yīng)器B，17-發(fā)酵液出口，18-排氣口。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0033]實(shí)施例:
[0034]請(qǐng)參閱圖1所示，木質(zhì)纖維素原料如蔗渣、甜高粱渣等粉碎至40-80目，與水以質(zhì)量比1:20混合，置于水解反應(yīng)器2中進(jìn)行水解，反應(yīng)條件:180°C，4MPa，20min (通N2維持壓力)。反應(yīng)結(jié)束后，水解液經(jīng)冷卻器4冷卻至40°C左右，進(jìn)入培養(yǎng)基儲(chǔ)罐6。水解殘?jiān)鼜某隹?3取出后可進(jìn)一步酶解發(fā)酵。從進(jìn)口 7向培養(yǎng)基儲(chǔ)罐6加入其他的培養(yǎng)基組分，與水解液混合。配制好的培養(yǎng)基進(jìn)入滅菌器8，121°C滅菌15min。
[0035]反應(yīng)器AlO與反應(yīng)器B16均為圓柱體，且體積相等，但反應(yīng)器B16直徑為反應(yīng)器AlO直徑的二分之一。反應(yīng)器AlO與反應(yīng)器B16預(yù)先蒸汽滅菌。滅菌后的培養(yǎng)基通入反應(yīng)器A10,開啟攬拌器12,冷卻至37°C后接種發(fā)酵菌株Clostridium autoethanogenum,培養(yǎng)過程中一直從反應(yīng)器底部通入無菌N2維持無氧環(huán)境，溫度保持在37°C，攪拌轉(zhuǎn)速lOOrpm，培養(yǎng)體積為反應(yīng)器體積的85%，廢氣從排氣口 11排出。培養(yǎng)至菌液OD6tltl ^ 1.0時(shí)，將培養(yǎng)液泵入反應(yīng)器B16。反應(yīng)器B16中裝有Φ6陶瓷拉西環(huán)填料，裝填高度為反應(yīng)器高度的85%。反應(yīng)器B16預(yù)先從底部進(jìn)口 15通入無菌N2保持無氧，培養(yǎng)液開始進(jìn)入反應(yīng)器B16后馬上將N2換成CO。當(dāng)培養(yǎng)液的液面升至填料上方2cm時(shí)停止通入培養(yǎng)液，反應(yīng)器B16進(jìn)入持續(xù)通CO發(fā)酵階段，發(fā)酵溫度37°C，此時(shí)不取出發(fā)酵液。反應(yīng)器AlO中剩余部分培養(yǎng)液，補(bǔ)充新鮮培養(yǎng)基至原有體積，繼續(xù)培養(yǎng)至0D_ > 1.0后，開始進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)、發(fā)酵:向反應(yīng)器AlO連續(xù)通入新鮮培養(yǎng)基，從反應(yīng)器B16的側(cè)面出口 17連續(xù)取出發(fā)酵液，培養(yǎng)液連續(xù)從反應(yīng)器AlO輸入反應(yīng)器B16。反應(yīng)器B16發(fā)酵溫度保持在37°C，培養(yǎng)液在反應(yīng)器B16中的停留時(shí)間為36小時(shí)，廢氣從頂部排氣口 18排出。取出的發(fā)酵液利用現(xiàn)有成熟的乙醇分離提取技術(shù)進(jìn)行分離提取。
[0036]上列詳細(xì)說明是針對(duì)本發(fā)明可行實(shí)施例的具體說明，該實(shí)施例并非用以限制本發(fā)明的專利范圍，凡未脫離本發(fā)明所為的等效實(shí)施或變更，均應(yīng)包含于本案的專利范圍中。
【權(quán)利要求】
1.一種CO發(fā)酵制備乙醇的生產(chǎn)方法，其特征在于，包括如下步驟: S1:木質(zhì)纖維素原料置于水解反應(yīng)器中進(jìn)行水解,通N2維持壓力，反應(yīng)結(jié)束后,水解液冷卻至40°C左右，進(jìn)入培養(yǎng)基儲(chǔ)罐，水解殘?jiān)蛛x后可進(jìn)一步酶解發(fā)酵； S2:向培養(yǎng)基儲(chǔ)罐中加入培養(yǎng)基組分與水解液混合，反應(yīng)器A為攪拌罐式反應(yīng)器，內(nèi)置平葉渦輪攪拌器，滅菌后的培養(yǎng)基通入反應(yīng)器A，冷卻至37°C后接種發(fā)酵菌株Clostridiumautoethanogenum,培養(yǎng)過程中一直從反應(yīng)器底部通入無菌N2維持無氧環(huán)境,溫度保持在370C，培養(yǎng)至菌液OD6tltl ^ 1.0時(shí)，將培養(yǎng)液泵入反應(yīng)器B ； S:反應(yīng)器B為填料床反應(yīng)器，其中裝有Φ6陶瓷拉西環(huán)填料，裝填高度為反應(yīng)器B高度的85%，反應(yīng)器B預(yù)先通無菌N2保持無氧，培養(yǎng)液通入后將N2換成CO，當(dāng)培養(yǎng)液的液面升至填料上方時(shí)停止通入培養(yǎng)液，反應(yīng)器B持續(xù)通CO進(jìn)行發(fā)酵，發(fā)酵溫度保持在37°C ； S4:補(bǔ)充新鮮培養(yǎng)基到反應(yīng)器A至培養(yǎng)液回到原有體積，繼續(xù)培養(yǎng)至0D_ ^ 1.0后，培養(yǎng)液連續(xù)從反應(yīng)器A輸入反應(yīng)器B，向反應(yīng)器A連續(xù)通入新鮮培養(yǎng)基，從反應(yīng)器B連續(xù)取出發(fā)酵液，進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)、發(fā)酵。
2.權(quán)利要求1所述的CO發(fā)酵制備乙醇的生產(chǎn)方法，其特征在于，SI步驟中水解反應(yīng)條件為:木質(zhì)纖維素原料粉碎至40-80目，與水以質(zhì)量比1:20混合，1800C，4MPa，20min。
3.權(quán)利要求1所述的CO發(fā)酵制備乙醇的生產(chǎn)方法，其特征在于，S2步驟中攪拌轉(zhuǎn)速IOOrpm,培養(yǎng)體積為反應(yīng)器A體積的85%。
4.權(quán)利要求1所述的CO發(fā)酵制備乙醇的生產(chǎn)方法，其特征在于，反應(yīng)器A、B均為圓柱體，且體積相等，但反應(yīng)器B的直徑為反應(yīng)器A直徑的二分之一。
5.權(quán)利要求1所述的CO發(fā)酵制備乙醇的生產(chǎn)方法，其特征在于，S4步驟連續(xù)發(fā)酵時(shí)，從反應(yīng)器A取出的培養(yǎng)液直接輸入反應(yīng)器B，不需要進(jìn)行微生物細(xì)胞的分離濃縮，培養(yǎng)液在反應(yīng)器B中的停留時(shí)間為36小時(shí)。
6.權(quán)利要求1所述的CO發(fā)酵制備乙醇的生產(chǎn)方法，其特征在于，培養(yǎng)基組成為，每IL水解液含=IOmL無機(jī)鹽溶液，IOmL微量元素溶液，IOmL維生素溶液，1.0g酵母膏，0.5g半胱氨酸鹽酸，5.0g嗎啉乙磺酸，0.5mL0.1%刃天青，pH6 ;其中①無機(jī)鹽溶液組成:NaC180g/L, NH4Cl 100g/L, KC110g/L, KH2P0410g/L, MgSO4.7H2020g/L, CaCl2.2H204g/L ;②微量元素溶液組成:次氮基三乙酸 2g/L，MnCl2.4Η201.3g/L, CoCl2.6Η200.2g/L, ZnSO4.7Η200.2g/L, FeCl3.6Η200.4g/L, CuCl2.2Η200.02g/L, NiCl2.6Η200.02g/L, Na2MoO4.2Η200.02g/L, Na2WO4.2Η200.025g/L ;③維生素溶液組成:生物素2mg/L，葉酸2mg/L，維生素B610mg/L，維生素Bjmg/L,核黃素5mg/L,煙酸5mg/L,泛酸韓5mg/L,維生素B125mg/L,對(duì)氨基苯甲酸 5mg/L。
7.—種CO發(fā)酵制備乙醇的生產(chǎn)設(shè)備，其特征在于，包括: 水解反應(yīng)器:用于將木質(zhì)纖維素原料與水混合后水解； 培養(yǎng)基儲(chǔ)罐:用于存儲(chǔ)水解后的水解液及配制培養(yǎng)基； 滅菌器:用于對(duì)配制好的培養(yǎng)基進(jìn)行滅菌處理； 攪拌罐式反應(yīng)器:用于菌株Clostridium autoethanogenum的生長培養(yǎng)； 填料床反應(yīng)器:通入純CO或富CO工業(yè)廢氣讓菌液吸收利用并發(fā)酵成乙醇； 所述水解反應(yīng)器、培養(yǎng)基儲(chǔ)罐、滅菌器、攪拌罐式反應(yīng)器、填料床反應(yīng)器依次經(jīng)管道順序連接。
8.如權(quán)利要求7所述的CO發(fā)酵制備乙醇的生產(chǎn)設(shè)備，其特征在于，所述攪拌罐式反應(yīng)器內(nèi)置有平葉渦輪攪拌器，所述填料床反應(yīng)器裝有Φ6陶瓷拉西環(huán)填料，所述攪拌罐式反應(yīng)器與所述填料床反應(yīng)器均為圓柱體，且體積相等，所述填料床反應(yīng)器的直徑為攪拌罐式反應(yīng)器的直徑的二分之一。
9.如權(quán)利要求7所述的CO發(fā)酵制備乙醇的生產(chǎn)設(shè)備，其特征在于:反應(yīng)器A為攪拌罐式反應(yīng)器，內(nèi)置平葉渦輪攪拌器，用于菌株的生長，培養(yǎng)體積為反應(yīng)器A體積的85%，培養(yǎng)溫度37°C，攪拌轉(zhuǎn)速lOOrpm，培養(yǎng)時(shí)持續(xù)通N2保持反應(yīng)器A無氧。
10.如權(quán)利要求1所述的CO發(fā)酵制備乙醇的生產(chǎn)設(shè)備，其特征在于:反應(yīng)器B為填充床反應(yīng)器，內(nèi)裝Φ6陶瓷拉西環(huán)填料，裝填高度為反應(yīng)器B高度的85%。反應(yīng)器B用于菌株發(fā)酵CO產(chǎn)乙醇，發(fā)酵溫度保持在37°C，發(fā)酵時(shí)持續(xù)通入CO。
【文檔編號(hào)】C12M1/04GK103555771SQ201310535917
【公開日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2013年11月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月1日
【發(fā)明者】袁振宏, 徐惠娟, 許敬亮, 梁翠誼, 莊新姝, 孫永明, 余強(qiáng), 郭穎 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院廣州能源研究所