制备丁醇的系统及其应用技术方案

本发明专利技术公开了制备丁醇的系统及其应用。其中，该系统包括：发酵罐，发酵罐具有补料液入口，气体入口和气体出口，发酵罐内含有发酵产生丁醇的共生菌系；气体分布器，气体分布器设置在发酵罐内；气体循环泵，气体循环泵具有气体输入端和气体输出端，气体输出端经气体入口与气体分布器相连；冷凝器，冷凝器具有待冷凝气体入口和冷凝气出口，冷凝气出口与气体输入端相连；收集器，收集器具有气体入口和排气口，气体入口与气体出口相连，排气口与待冷凝气体入口相连；以及冷却器，冷却器位于收集器下端。该系统利用共生菌系在非严格厌氧条件下即可生产丁醇，结构简单，丁醇回收率高，节能环保。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及发酵领域，具体地，涉及制备丁醇的系统和利用前述制备丁醇的系统制备丁醇的方法。
技术介绍
产物抑制是生物丁醇制备研究中迫切需要解决的技术难题，在传统发酵过程中丁醇的浓度一般都低于13g/L，产物抑制造成发酵液中丁醇的浓度和生产强度很低，使得下游分离纯化的能耗成本极高，严重影响生物丁醇的经济性。将分离技术原位集成于ABE(Acetone-butanol-ethanol)发酵，可解除产物抑制，提高丁醇生产强度，提高丁醇产量和底物利用率，同时降低后续分离成本。气提工艺可以减少代谢产物对发酵的抑制，无菌氮气鼓吹到发酵罐中，部分溶剂被顺带出去，气体经过冷凝器，此时溶剂被冷凝下来并被收集。将补料发酵工艺和气提技术结合起来可以降低生产成本，补料发酵过程中，减小了底物抑制，高浓度糖的应用可以节约能耗，同时减少了污水的排放；气提过程中冷凝下来的为高浓度的溶剂，节约了产物回收时的能耗，同时减少了发酵液中丁醇对菌体的毒害，可使菌体保持高的生产活力。但采用氮气气提也有不足的地方：冷凝不完全造成丁醇回收率低、气提尾气中含有少量ABE造成环境污染、能耗较高等。由此，气提工艺偶联的发酵系统有待改进。
技术实现思路
本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种制备丁醇的系统，该系统结构简单，无需除氧处理，丁醇回收率高，能耗低。需要说明的是，本专利技术是基于专利技术人的下列工作而完成的：气提工艺可以减少代谢产物对发酵的抑制，无菌氮气鼓吹到发酵罐中，部分溶剂被顺带出去，气体经过冷凝器，此时溶剂被冷凝下来并被收集。将补料发酵工艺和气提技术结合起来可以降低生产成本，补料发酵过程中，减小了底物抑制，高浓度糖的应用可以节约能耗，同时减少了污水的排放；气提过程中冷凝下来的为高浓度的溶剂，节约了产物回收时的能耗，同时减少了发酵液中丁醇对菌体的毒害，可使菌体保持高的生产活力。但采用氮气气提也有不足的地方：冷凝不完全造成丁醇回收率低、气提尾气中含有少量乙醇、丙酮、丁醇(ABE)，释放到大气中造成环境污染、能耗较高等。专利技术人发现，采用发酵自产气体循环气提与ABE发酵耦合分离丁醇可有效解决上述问题。专利技术人利用发酵自产气体通过气体分布器在发酵液中产泡，气泡截获丁醇，随后在冷凝器中冷凝回收，冷凝后的自产气体通过气体循环泵重新打入气体分布器回收利用，从而实现自产气循环气提。并且，专利技术人采用包含丙酮丁醇梭菌与蜡状芽孢杆菌的共生菌系进行发酵，该共生菌系可以在非严格厌氧条件下生产丁醇，无需进行除氧。因而，根据本专利技术的一个方面，本专利技术提供了一种制备丁醇的系统。根据本专利技术的实施例，该系统包括：发酵罐，所述发酵罐具有补料液入口，气体入口和气体出口，所述发酵罐内含有发酵产生丁醇的共生菌系；气体分布器，所述气体分布器设置在所述发酵罐内；气体循环泵，所述气体循环泵具有气体输入端和气体输出端，所述气体输出端经所述气体入口与所述气体分布器相连；冷凝器，所述冷凝器具有待冷凝气体入口和冷凝气出口，所述冷凝气出口与所述气体输入端相连；收集器，所述收集器具有气体入口和排气口，所述气体入口与所述气体出口相连，所述排气口与所述待冷凝气体入口相连；以及冷却器，所述冷却器位于所述收集器下端。根据本专利技术实施例的制备丁醇的系统，利用共生菌系进行发酵，在非严格厌氧条件下生产丁醇，发酵自产气体通过气体分布器在发酵液中产泡，气泡截获丁醇，随后在冷凝器中冷凝回收，冷凝后的分离出丁醇的自产气体通过气体循环泵重新打入气体分布器回收利用，从而实现自产气循环气提，避免气体尾气中ABE的产生，环境污染小。同时，该系统结构简单，发酵罐同时也是气提罐，使丁醇生产与丁醇提取的过程在同一个生物反应器内进行，无需另外启动气提罐进行丁醇的分离，也无需利用蠕动泵使发酵液在发酵罐与气提罐之间不断往复循环，从而避免了因部分丁醇残留于发酵罐中降低丁醇回收率的情况发生，大大降低能耗及成本，降低染菌可能性，提高丁醇回收率，操作更简单更适用于规模化生产。由此，丁醇回收率高，节能环保，操作简单。另外，根据本专利技术上述实施例的制备丁醇的系统还可以具有如下附加的技术特征：根据本专利技术的实施例，所述发酵罐的气体出口和所述收集器的气体入口均为两个，且一一对应相连。根据本专利技术的实施例，该系统进一步包括：气体流量计，所述气体流量计与所述气体循环泵的气体输出端和所述发酵罐的气体入口相连。根据本专利技术的实施例，所述系统进一步包括：蠕动泵，所述蠕动泵具有进料端和输料端，所述输料端与所述补料液入口相连；补料罐，所述补料罐具有料液出口，所述料液出口与所述蠕动泵的进料端相连。根据本专利技术的实施例，所述发酵罐为单体发酵罐。根据本专利技术的实施例，所述共生菌系包括丙酮丁醇梭菌与蜡状芽孢杆菌。根据本专利技术的另一方面，本专利技术提供了一种利用前述制备丁醇的系统制备丁醇的方法。根据本专利技术的实施例，该方法包括：利用发酵产生丁醇的共生菌系在发酵罐中进行发酵处理，以便得到丁醇和自产气；所述自产气经气体分布器形成气泡并截获丁醇混合，启动气体循环泵进行气提处理，以便形成含有丁醇的气泡；利用冷凝器对所述含有丁醇的气泡进行冷凝处理，以便使所述丁醇冷凝回流，得到丁醇液体和自产气混合气体，其中，所述自产气混合气体经气体循环泵返回所述发酵罐重复循环进行所述气提处理。根据本专利技术实施例的制备丁醇的方法，利用共生菌系进行发酵，在非严格厌氧条件下生产丁醇，发酵自产气体通过气体分布器在发酵液中产泡，气泡截获丁醇，随后在冷凝器中冷凝回收，冷凝后的自产气体通过气体循环泵重新打入气体分布器回收利用，从而实现自产气循环气提，并且采用自体气体进行气提，冷凝效果好，避免气体尾气中ABE的产生，环境污染小。同时，该系统结构简单，丁醇回收率高，节能环保，操作简单。另外，前述制备丁醇的系统的全部特征和优点均适用于该制备丁醇的方法，在此不再一一赘述。另外，根据本专利技术上述实施例的制备丁醇的方法还可以具有如下附加的技术特征：根据本专利技术的实施例，当所述发酵液中的丁醇浓度大于7g/L时，启动所述气体循环泵进行所述气提处理。根据本专利技术的实施例，所述气提处理过程中，所述发酵液中的丁醇浓度为6-9g/L。根据本专利技术的实施例，所述气体循环泵以1-4vvm的速率将所述自产气混合气体返回所述发酵罐重复循环进行所述气提处理。根据本专利技术的实施例，所述发酵处理过程中，所述发酵液中糖的浓度为10-40g/L。根据本专利技术的实施例，所述冷凝处理的温度为-10℃-0℃。根据本专利技术的实施例，所述共生菌系包括丙酮丁醇梭菌与蜡状芽孢杆菌。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1显示了根据本专利技术一个实施例的制备丁醇的系统的结构示意图；图2显示了根据本专利技术一个实施例的制备丁醇的系统的结构示意图；图3显示了根据本专利技术一个实施例的利用制备丁醇的系统制备丁醇的方法的流程示意图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备丁醇的系统，其特征在于，包括：发酵罐，所述发酵罐具有补料液入口，气体入口和气体出口，所述发酵罐内含有发酵产生丁醇的共生菌系；气体分布器，所述气体分布器设置在所述发酵罐内；气体循环泵，所述气体循环泵具有气体输入端和气体输出端，所述气体输出端经所述气体入口与所述气体分布器相连；冷凝器，所述冷凝器具有待冷凝气体入口和冷凝气出口，所述冷凝气出口与所述气体输入端相连；收集器，所述收集器具有气体入口和排气口，所述气体入口与所述气体出口相连，所述排气口与所述待冷凝气体入口相连；以及冷却器，所述冷却器位于所述收集器下端。

【技术特征摘要】
1.一种制备丁醇的系统，其特征在于，包括：发酵罐，所述发酵罐具有补料液入口，气体入口和气体出口，所述发酵罐内含有发酵产生丁醇的共生菌系；气体分布器，所述气体分布器设置在所述发酵罐内；气体循环泵，所述气体循环泵具有气体输入端和气体输出端，所述气体输出端经所述气体入口与所述气体分布器相连；冷凝器，所述冷凝器具有待冷凝气体入口和冷凝气出口，所述冷凝气出口与所述气体输入端相连；收集器，所述收集器具有气体入口和排气口，所述气体入口与所述气体出口相连，所述排气口与所述待冷凝气体入口相连；以及冷却器，所述冷却器位于所述收集器下端。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发酵罐的气体出口和所述收集器的气体入口均为两个，且一一对应相连。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括：气体流量计，所述气体流量计与所述气体循环泵的气体输出端和所述发酵罐的气体入口相连，任选地，所述系统进一步包括：蠕动泵，所述蠕动泵具有进料端和输料端，所述输料端与所述补料液入口相连；补料罐，所述补料罐具有料液出口，所述料液出口与所述蠕动泵的进料端相连。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发酵罐为单体发酵罐。5.根据权利要求1所述的系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建安，程可可，林樟楠，周玉杰，严翔，吴晶，刘宏娟，王根宇，
申请(专利权)人：清华大学，波音中国投资有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11