一種利用木質(zhì)纖維素連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)丁醇的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于生物質(zhì)能源技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種利用木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)丁醇的裝置 及方法，尤其涉及一種利用木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)酶解液連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)生物丁醇的裝置及方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 丁醇是一種重要的化工原料，廣泛用于各種塑料和橡膠制品的制造和丁醛、丁酸、 丁胺和乳酸丁酯等化學品的合成。近年來，隨著下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，市場需求直線上升，2013 年我國丁醇的進口量在40萬噸左右；丁醇也是繼燃料乙醇后又一種極具潛力的新型生物 燃料，其熱值、辛烷值與汽油相當，蒸汽壓低，與汽油任意比混溶，使用安全性能高，并且不 產(chǎn)生SOx及NOx等傳統(tǒng)化石燃料所產(chǎn)生的環(huán)境污染廢棄。另外，丁醇不會腐蝕管道、不易吸 水，依靠現(xiàn)有的汽油輸送管道及分銷渠道便可以實現(xiàn)遠程輸送，基于以上的優(yōu)良特性，聯(lián)合 國國際能源署將生物丁醇列為第二代生物燃料。
[0003] 微生物發(fā)酵產(chǎn)丁醇作為一種重要的生物轉(zhuǎn)化技術(shù)極具發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化的潛力。傳統(tǒng) 的發(fā)酵法生產(chǎn)丁醇的主要原料為糧食類淀粉質(zhì)原料，如玉米等，生產(chǎn)成本高。為了降低生產(chǎn) 成本，近年來許多企業(yè)的研宄機構(gòu)和高校開始研宄用各種木質(zhì)纖維素生物質(zhì)原料代替糧食 類淀粉質(zhì)原料發(fā)酵生產(chǎn)丁醇，但是這些報道大都采用分批發(fā)酵的操作方式，丁醇的生產(chǎn)率 受到一定程度的限制。
[0004] 近年來，也有一些關(guān)于連續(xù)生產(chǎn)丁醇的報道，Richter等（Richter H, et al, BiotechnolBioeng, 2011(109):913-921) VX Clostridium saccharoperbutylacetonicm N1-4為發(fā)酵菌種，以丁酸和葡萄糖為底物，采用耦合氣體兩級連續(xù)發(fā)酵的操作方 式，在0. 0251^的稀釋率下，丁醇生產(chǎn)率為0. 39gAL · h)，獲得15. 7g/L的總?cè)軇?CN102925495A公開了一種利用糖質(zhì)原料連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)丁醇的方法，以丙酮丁醇梭菌 腫）DSM13864為發(fā)酵菌，以葡萄糖、甘鹿糖蜜或玉米稻桿水 解液等糖質(zhì)為原料，采用多個發(fā)酵罐串聯(lián)組合成多級連續(xù)發(fā)酵裝置，連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)丁醇。采 用多級連續(xù)發(fā)酵可獲得高的溶劑濃度和溶劑生產(chǎn)率，減少設備清洗次數(shù)和滅菌等非生產(chǎn)占 用時間，降低勞動強度，提高設備利用率。采用玉米秸桿水解液原料時，平均總?cè)軇┛蛇_ 13. 44g/L (其中丁醇9. 29g/L)，總?cè)軇┥a(chǎn)率達到0. 439gAL · h)。連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)率比分 批發(fā)酵高，但是總?cè)軇┊a(chǎn)量往往較低。此外，連續(xù)發(fā)酵的裝置為立式攪拌釜式發(fā)酵罐的串 聯(lián)，每個發(fā)酵罐需要設有攪拌裝置，并且發(fā)酵罐之間通過管道連接，數(shù)據(jù)檢測點較多，操作 復雜，不便于自動化集中控制。
[0005] 徐鐵軍等（自絮凝酵母SPSCOl在組合反應器系統(tǒng)中酒精連續(xù)發(fā)酵的研宄，生物 工程學報，2005，21(1): 113-117)建立了一套由四級磁力攪拌發(fā)酵罐串聯(lián)組成、總有效 容積4000mL的小型組合生物反應器系統(tǒng)，種子培養(yǎng)用培養(yǎng)基用蠕動泵按照設定的稀釋速 率輸送到種子罐中，從種子罐中流出的自絮凝顆粒酵母種子懸浮液直接溢流進入第一級發(fā) 酵罐，發(fā)酵培養(yǎng)基用蠕動泵按照設定的稀釋速率全部輸送到第一級發(fā)酵中，并依次溢流進 入第二級和第三級發(fā)酵罐。由于發(fā)酵狀態(tài)下各發(fā)酵罐產(chǎn)生的熱量按第一級、第二級、第三 級的順序依次遞減，系統(tǒng)保溫水逆向按第三級、第二級、第一級的順序進入各發(fā)酵罐，控制 第一級發(fā)酵罐的溫度為33±0. 5°C，第二級發(fā)酵罐和第三級發(fā)酵罐的溫度可以保持在30~ 32°C，滿足自絮凝顆粒酵母酒精發(fā)酵的溫度要求。其利用發(fā)酵罐串聯(lián)進行連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)酒 精，然而多個發(fā)酵罐串聯(lián)，每個發(fā)酵罐也需要單獨設攪拌裝置，而且發(fā)酵罐之間需通過管道 連接，也存在數(shù)據(jù)檢測點增多，操作復雜的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種利用木質(zhì)纖維素連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn) 丁醇的裝置及方法。本發(fā)明可以實現(xiàn)丁醇的連續(xù)化生產(chǎn)，操作過程簡單，設備利用率高，可 以同時獲得較高的總?cè)軇┊a(chǎn)量和溶劑生產(chǎn)率。
[0007] 本發(fā)明利用木質(zhì)纖維素連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)丁醇的裝置，包括一級發(fā)酵罐和二級發(fā)酵 罐，一級發(fā)酵罐為立式攪拌釜式發(fā)酵罐；二級發(fā)酵罐為長方體管式發(fā)酵罐，管式發(fā)酵罐內(nèi)部 設置豎直隔板將其分割為若干相同的反應單元，隔板下端與管式發(fā)酵罐底部固定連接，隔 板上端留有過水通道，每個反應單元設有倒立的T型擋板，T型擋板與反應單元的前后端固 定連接，頂端與發(fā)酵罐頂部固定連接；一級發(fā)酵罐出口的水平位置高于二級發(fā)酵罐入口的 水平位置，發(fā)酵液利用液位差由一級發(fā)酵罐從二級發(fā)酵罐的第一個反應單元頂部流入，并 逐級溢流到每個反應單元，由最后一個反應單元流出，流出口高度與豎直隔板的高度一致。
[0008] 本發(fā)明中，豎直隔板可以將管式發(fā)酵罐分割為2-10個相同的反應單元，隔板的高 度為管式發(fā)酵罐高度的0. 75-0. 9倍。每個反應單元頂部設有氣體排出口。T型擋板下端寬 度為每個反應單元寬度的〇. 5-0. 8倍，T型擋板的高度為管式發(fā)酵罐高度的0. 25-0. 5倍。 本發(fā)明采用上述返混設施可以將發(fā)酵過程產(chǎn)生的氣體利用起來，加劇返混，并且不產(chǎn)生發(fā) 酵液流動死角，不需要設置專門的攪拌器，能耗顯著降低。
[0009] 本發(fā)明采用上述裝置連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)丁醇的方法，包括如下步驟： (1) 將木質(zhì)纖維素原料進行預處理、酶解獲得酶解液，以酶解液為碳源制備發(fā)酵培養(yǎng) 基，控制總糖濃度為60-80g/L ; (2) 在一級發(fā)酵罐中加入發(fā)酵培養(yǎng)基，并接入發(fā)酵菌種子液進行培養(yǎng)，當發(fā)酵液OD_值 達到5-10時，補加新鮮發(fā)酵培養(yǎng)基，隨著培養(yǎng)基的不斷補加，一級發(fā)酵罐中的發(fā)酵液溢流 至二級發(fā)酵罐中； (3) 連續(xù)發(fā)酵前二級發(fā)酵罐為空罐，發(fā)酵液利用液位差由一級發(fā)酵罐從二級發(fā)酵罐的 第一個反應單元頂部流入，并逐級溢流到每個反應單元，最終發(fā)酵液從最后一個反應單元 溢流流出。
[0010] 本發(fā)明中，步驟（1)所述木質(zhì)纖維素包括一切含纖維素的生物質(zhì)原料，如秸桿、木 肩、能源植物(如柳枝稷）和廢紙等，優(yōu)選為玉米秸桿。所述預處理方式可以采用一切可提 高木質(zhì)纖維素酶解性能的物理、化學和熱化學技術(shù)，優(yōu)選采用稀酸蒸汽爆破組合預處理?？?制酶解體系的干物質(zhì)濃度(可溶性固體和不可溶性固體質(zhì)量之和與體系總質(zhì)量的百分比， 下同）為20wt%-30wt%，纖維素酶的加入量使得纖維素酶與預處理原料中纖維素的比例為 5-25IU/g纖維素，酶解的pH值為4. 5-5. 5,溫度為45-55°C，酶解時間為48-96h。
[0011] 本發(fā)明中，步驟（1)所述發(fā)酵培養(yǎng)基以木質(zhì)纖維素酶解液為碳源，控制總糖濃度 為60-80g/L，加入以下營養(yǎng)元素配成發(fā)酵培養(yǎng)基，以g/L計為：酵母1.0, CH3COONH4 2. 2， KH2PO4 0.5, K2HPO4 0.5, MnSO4 0.01，NaCl 0.01，MgSO4.7H20 0.2, FeSO4 0.01，對氨基苯甲酸 0.001，維生素 B1 0.001，生物素 0.01 X ΚΓ3。
[0012] 本發(fā)明中，步驟（2)所述丁醇發(fā)酵菌為拜氏梭菌（Aeij'eriflcAii)或 者丙酮丁醇梭菌，如可以米用丙酮丁醇梭菌 ATCC 824,購于美國模式菌種收集中心；或者采用拜氏梭菌CM20,其分類 命名為拜氏梭菌（C/iosirii/itt? Aeij'eriflcAii)，已于2014年06月17日保藏于中國微生物 菌種保藏管理委員會普通微生物中心，保藏編號為CGMCC No. 9354。兩菌種采用RCM培養(yǎng)基 制備種子液，具體配方以g/L計為：蛋白胨10,牛肉粉10,酵母粉3.0,葡萄糖5,可溶性淀 粉1.0,氯化鈉5.0,醋酸鈉3.0, L-半胱氨酸鹽酸鹽0.5,瓊脂0.5,以純水配置，115°C， 滅菌20min。發(fā)酵菌種子液是在種子培養(yǎng)基中接入丁醇發(fā)酵菌，厭氧環(huán)境下于36-38°C下培 養(yǎng)16-20h獲得的。
[0013] 本發(fā)明中，步驟（2)按照2%-10%(v/v)的接種量由一級發(fā)酵罐頂部接入種子液，發(fā) 酵溫度36-38°C，當菌體的0D_值達到5-10后，以恒流速0. 02-0. 06V/h補加新鮮發(fā)酵培養(yǎng) 基到一級發(fā)酵罐中，對應稀釋率為0.02 1^-0.04 1Γ1，稀釋率D為新鮮發(fā)酵培養(yǎng)基的補加速 率F (ml/h)與發(fā)酵罐中培養(yǎng)基體積V (ml)的比值，同時一級發(fā)酵罐中的發(fā)酵液等流速溢 流至二級發(fā)酵罐中。
[0014] 本發(fā)明中，步驟（3)中一級發(fā)酵罐和二級發(fā)酵罐在接種前用高壓水蒸氣滅菌并持 續(xù)用高純氮氣吹掃以維持厭氧的環(huán)境直至菌體發(fā)酵產(chǎn)氣。通過調(diào)節(jié)蠕動泵的轉(zhuǎn)速以控制流 速從而調(diào)整培養(yǎng)基從一級發(fā)酵罐頂部補入至二級管式發(fā)酵罐溢流出的總時間為菌種發(fā)酵 產(chǎn)丁醇的時間。當發(fā)酵液將管式發(fā)酵罐體積填充完全開始溢流后，收集發(fā)酵液至收集罐。
[0015] 本發(fā)明為工業(yè)化微生物發(fā)酵生產(chǎn)生物丁醇提供一種生產(chǎn)成本低、能源消耗少、集 中化程度及生產(chǎn)強度高，易于自動化操作的連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)方法。與現(xiàn)有技術(shù)已報道的連續(xù) 發(fā)酵相比較，具有以下優(yōu)勢： 1、 利用管式發(fā)酵罐取代單獨立式發(fā)酵罐的串聯(lián)或并聯(lián)，減少了罐體連接間的泵和管 道，使發(fā)酵設備更加簡單，易于自動化控制，降低了生產(chǎn)強度，提高了設備的利用率，保證生 產(chǎn)率的同時，獲得了更高的總?cè)軇┊a(chǎn)量，實現(xiàn)了真正意義上的連續(xù)發(fā)酵。此外，本發(fā)明只需 一次滅菌和接種，節(jié)約了反復洗罐、多次滅菌等步驟，大大縮短了生產(chǎn)周期，更加適合工業(yè) 化生產(chǎn)； 2、 本發(fā)明中連續(xù)發(fā)酵方法以管式發(fā)酵罐為基礎(chǔ)，利用一級立式攪拌發(fā)酵罐和二級管式 發(fā)酵罐組合發(fā)酵，通過不斷地補加新鮮培養(yǎng)基，同時等量將發(fā)酵后期的發(fā)酵液排出，以實現(xiàn) 連續(xù)發(fā)酵得到相應的發(fā)酵產(chǎn)物。與其他現(xiàn)有連續(xù)發(fā)酵工藝相比較，采用管式發(fā)酵設備進行 連續(xù)發(fā)酵，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的發(fā)酵的串聯(lián)，發(fā)酵設備更加簡化，生產(chǎn)操作更為簡便，從而提高設備 利用率，在提高溶劑生產(chǎn)率的同時，增加了總?cè)軇┊a(chǎn)量； 3、 將管式發(fā)酵罐分成很多個小反應單元，并在每個單元設置倒立的T型擋板，不需要 設專門的攪拌設備，降低了處理成本；并且可以將發(fā)酵過程產(chǎn)生的氣體利用起來，在T型擋 板的共同作用下，可以提高發(fā)酵液在發(fā)酵過程中的湍流程度，有助于提高發(fā)酵效果。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)丁醇的裝置的流程圖； 其中，1-7為豎直隔板將二級管式發(fā)酵罐分割為7個相同的反應單元； 圖2為本發(fā)明管式發(fā)酵罐中T型擋板的俯視圖及側(cè)視輪廓圖(虛線為反應單元邊界）； 圖3為本發(fā)明管式發(fā)酵罐中T型擋板的立體圖。
【具體實施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖通過實施例對本發(fā)明作進一步說明。以下實施例僅限于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍。
[0018] 如圖1所示的連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)丁醇的裝置，包括一級發(fā)酵罐和二級發(fā)酵罐，一級發(fā) 酵罐為立式攪拌釜式發(fā)酵罐，裝液量為3L ;二級發(fā)酵罐為長方體管式發(fā)酵罐，總裝液量為 7L，管式發(fā)酵罐內(nèi)部設