本发明专利技术公开了一种木质纤维素原料发酵生产丁醇的装置，包括一级发酵罐和二级发酵罐，一级发酵罐为搅拌釜式发酵罐；二级发酵罐为长方体管式发酵罐，管式发酵罐内设竖直隔板将其分割为若干相同的反应单元，隔板下端与管式发酵罐底部固定连接，隔板上端留有过水通道，反应单元内部设有返混系统；一级发酵罐出口水平位置高于二级发酵罐入口的水平位置。采用上述装置连续发酵生产丁醇的方法，发酵前二级发酵罐为空罐，发酵液利用液位差由一级发酵罐从二级发酵罐的第一个反应单元顶部流入，并逐级溢流到每个反应单元，并从最后一个反应单元流出。本发明专利技术可以实现丁醇连续化生产，操作过程简单，设备利用率高，可同时获得较高的总溶剂产量和溶剂生产率。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于生物质能源
，涉及一种发酵生产丁醇的装置及方法，尤其涉 及一种利用木质纤维素原料酶解液连续发酵生产生物丁醇的装置及方法。
技术介绍
丁醇是一种重要的化工原料，广泛用于各种塑料和橡胶制品的制造和丁醛、丁酸、 丁胺和乳酸丁酯等化学品的合成。近年来，随着下游产业的发展，市场需求直线上升，2013 年我国丁醇的进口量在40万吨左右；丁醇也是继燃料乙醇后又一种极具潜力的新型生物 燃料，其热值、辛烷值与汽油相当，蒸汽压低，与汽油任意比混溶，使用安全性能高，并且不 产生SOx及NOx等传统化石燃料所产生的环境污染废弃。另外，丁醇不会腐蚀管道、不易吸 水，依靠现有的汽油输送管道及分销渠道便可以实现远程输送，基于以上的优良特性，联合 国国际能源署将生物丁醇列为第二代生物燃料。 微生物发酵产丁醇作为一种重要的生物转化技术极具发展和产业化的潜力。传统 的发酵法生产丁醇的主要原料为粮食类淀粉质原料，如玉米等，生产成本高。为了降低生产 成本，近年来许多企业的研宄机构和高校开始研宄用各种木质纤维素生物质原料代替粮食 类淀粉质原料发酵生产丁醇，但是这些报道大都采用分批发酵的操作方式，丁醇的生产率 受到一定程度的限制。 近年来，也有一些关于连续生产丁醇的报道，Richter等（Richter H, et al, BiotechnolBioeng, 2011(109):913-921) VX Clostridium saccharoperbutylacetonicm N1-4为发酵菌种，以丁酸和葡萄糖为底物，采用耦合气体两级连续发酵的操作方 式，在0. 0251^的稀释率下，丁醇生产率为0. 39gAL · h)，获得15. 7g/L的总溶剂。 CN102925495A公开了一种利用糖质原料连续发酵生产丁醇的方法，以丙酮丁醇梭菌 腫）DSM13864为发酵菌，以葡萄糖、甘鹿糖蜜或玉米稻杆水 解液等糖质为原料，采用多个发酵罐串联组合成多级连续发酵装置，连续发酵生产丁醇。采 用多级连续发酵可获得高的溶剂浓度和溶剂生产率，减少设备清洗次数和灭菌等非生产占 用时间，降低劳动强度，提高设备利用率。采用玉米秸杆水解液原料时，平均总溶剂可达 13. 44g/L (其中丁醇9. 29g/L)，总溶剂生产率达到0. 439gAL · h)。连续发酵生产率比分 批发酵高，但是总溶剂产量往往较低。此外，连续发酵的装置为立式搅拌釜式发酵罐的串 联，每个发酵罐需要设有搅拌装置，并且发酵罐之间通过管道连接，数据检测点较多，操作 复杂，不便于自动化集中控制。 徐铁军等（自絮凝酵母SPSCOl在组合反应器系统中酒精连续发酵的研宄，生物 工程学报，2005，21(1): 113-117)建立了一套由四级磁力搅拌发酵罐串联组成、总有效 容积4000mL的小型组合生物反应器系统，种子培养用培养基用蠕动泵按照设定的稀释速 率输送到种子罐中，从种子罐中流出的自絮凝颗粒酵母种子悬浮液直接溢流进入第一级发 酵罐，发酵培养基用蠕动泵按照设定的稀释速率全部输送到第一级发酵中，并依次溢流进 入第二级和第三级发酵罐。由于发酵状态下各发酵罐产生的热量按第一级、第二级、第三 级的顺序依次递减，系统保温水逆向按第三级、第二级、第一级的顺序进入各发酵罐，控制 第一级发酵罐的温度为33±0. 5°C，第二级发酵罐和第三级发酵罐的温度可以保持在30~ 32°C，满足自絮凝颗粒酵母酒精发酵的温度要求。其利用发酵罐串联进行连续发酵生产酒 精，然而多个发酵罐串联，每个发酵罐也需要单独设搅拌装置，而且发酵罐之间需通过管道 连接，也存在数据检测点增多，操作复杂的问题。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种木质纤维素原料发酵生产丁醇的装置及 方法。本专利技术可以实现丁醇的连续化生产，操作过程简单，设备利用率高，可以同时获得较 高的总溶剂产量和溶剂生产率。 本专利技术木质纤维素连续发酵生产丁醇的装置，包括一级发酵罐和二级发酵罐，一 级发酵罐为立式搅拌釜式发酵罐；二级发酵罐为长方体管式发酵罐，管式发酵罐内部设置 竖直隔板将其分割为若干相同的反应单元，隔板下端与管式发酵罐底部固定连接，隔板上 端留有过水通道，每个反应单元设有返混系统；一级发酵罐出口的水平位置高于二级发酵 罐入口的水平位置，发酵前二级发酵罐为空罐，发酵液利用液位差由一级发酵罐从二级发 酵罐的第一个反应单元顶部流入，并逐级溢流到每个反应单元，由最后一个反应单元流出， 流出口高度与竖直隔板的高度一致。 本专利技术中，竖直隔板可以将管式发酵罐分割为2-10个相同的反应单元，隔板的高 度为管式发酵罐高度的3/4-9/10。每个反应单元顶部设气体排出口。 本专利技术中，所述的返混系统可以为搅拌系统，可以实现发酵液较好的返混效果，但 是所需能耗较高。为了降低能耗，本专利技术优选采用以下返混系统：在每个反应单元设置水平 挡板，水平挡板右侧与竖直隔板固定连接，设置高度为竖直隔板高度的3/5-4/5处，长度为 反应单元长度的1/2-3/4。同时在反应单元内部设置倒立的斜面T型挡板，即T型挡板的 "一"字端与水平方向呈一定的角度，优选为30-60°，长度为每个反应单元长度的1/2-4/5， 高度为管式发酵罐高度的1/2-3/4,并与水平挡板交错且低于水平挡板左侧端。竖直挡板、 水平挡板、斜面T型挡板与反应单元等宽，T型挡板与发酵罐顶部固定连接，设置于每个反 应单元长度的1/4-1/2处。本发采用上述返混设施可以将发酵过程产生的气体利用起来， 加剧返混，并且不产生发酵液流动死角，不需要设置专门的搅拌器，能耗显著降低。 本专利技术采用上述装置连续发酵生产丁醇的方法，包括如下步骤： (1) 将木质纤维素原料进行预处理、酶解获得酶解液； (2) 利用氢氧化钙对酶解液进行脱毒处理，以脱毒后的酶解液为碳源，补加营养元素配 制成发酵培养基，控制总糖浓度为60-80g/L ; (3) 在一级发酵罐中加入发酵培养基，并接入发酵菌种子液进行培养，当发酵液OD_值 达到5-10时，补加新鲜发酵培养基，随着培养基的不断补加，一级发酵罐中的发酵液溢流 二级发酵罐中； (4) 连续发酵前二级发酵罐为空罐，发酵液利用液位差由一级发酵罐从二级发酵罐的 第一个反应单元顶部流入，并逐级溢流到每个反应单元，最终发酵液从最后一个反应单元 溢流流出。 本专利技术中，步骤（1)所述木质纤维素包括一切含纤维素的生物质原料，如秸杆、木 肩、能源植物(如柳枝稷）和废纸等，优选为玉米秸杆。所述预处理方式可以采用一切可提 高木质纤维素酶解性能的物理、化学和热化学技术，优选采用稀酸蒸汽爆破组合预处理。控 制酶解体系的干物质浓度(可溶性固体和不可溶性固体质量之和与体系总质量的百分比， 下同）为20wt%-30wt%，纤维素酶的加入量使得纤维素酶与预处理原料中纤维素的比例为 5-25IU/g纤维素，酶解的pH值为4. 5-5. 5,温度为45-55°C，酶解时间为48-96h。 本专利技术中，步骤（2)利用氢氧化钙对酶解液进行脱毒处理，直接加入氢氧化钙固 体颗粒调节酶解液的pH至10-11，于50°C，IlOrpm摇床中lh，离心后去除沉淀。以脱毒后 的木质纤维素酶解液为碳源，控制总糖浓度为60-80当本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种木质纤维素原料发酵生产丁醇的装置，其特征在于包括一级发酵罐和二级发酵罐，一级发酵罐为立式搅拌釜式发酵罐；二级发酵罐为长方体管式发酵罐，管式发酵罐内部设置竖直隔板将其分割为若干相同的反应单元，隔板下端与管式发酵罐底部固定连接，隔板上端留有过水通道，每个反应单元设有返混系统；一级发酵罐出口的水平位置高于二级发酵罐入口的水平位置，发酵前二级发酵罐为空罐，发酵液利用液位差由一级发酵罐从二级发酵罐的第一个反应单元顶部流入，并逐级溢流到每个反应单元，由最后一个反应单元流出，流出口高度与竖直隔板的高度一致。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：曹长海，张全，关浩，佟明友，王领民，乔凯，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司抚顺石油化工研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11
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