固定化床發(fā)酵和分離相耦合的生產(chǎn)乙醇的設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種固定化床發(fā)酵和分離相耦合的生產(chǎn)乙醇的設(shè)備，該設(shè)備包括進(jìn)料裝置（3-1）、生物反應(yīng)器（5）、真空循環(huán)泵（7）、冷凝裝置（11）以及收集裝置（3-2），其中，附著于支撐骨架（2）的纖維材料（1）填充到所述生物反應(yīng)器（5）中，酵母細(xì)胞固定于所述纖維材料（1）。該設(shè)備能有效解決乙醇發(fā)酵的終產(chǎn)物抑制問(wèn)題，保持乙醇的高效生產(chǎn)。
【專利說(shuō)明】固定化床發(fā)酵和分離相耦合的生產(chǎn)乙醇的設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于工業(yè)生物【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種固定化床發(fā)酵和分離相耦合的生產(chǎn)乙醇的設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]乙醇作為一種可再生的潔凈能源，已成為工業(yè)生物【技術(shù)領(lǐng)域】的研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的乙醇發(fā)酵工藝采用游離細(xì)胞發(fā)酵，酵母隨發(fā)酵醪不斷流走，造成發(fā)酵罐中酵母細(xì)胞濃度不夠大，使酒精發(fā)酵速度慢，發(fā)酵時(shí)間較長(zhǎng)。
[0003]近年來(lái)，固定化酵母在燃料乙醇發(fā)酵生產(chǎn)上得到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。固定化細(xì)胞技術(shù)本質(zhì)就是用物理或化學(xué)手段將游離細(xì)胞定位于限定的空間區(qū)域內(nèi)，使其保持催化活性，并可反復(fù)使用，減少細(xì)胞流失。固定化細(xì)胞具有生產(chǎn)時(shí)間短，產(chǎn)量穩(wěn)定，耐受高糖及高乙醇濃度等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效提高乙醇生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)的固定化方法主要采用凝膠包埋技術(shù)，即用角叉萊膠、卡拉膠、海藻酸鈣、海藻酸鈉等對(duì)細(xì)胞進(jìn)行固定發(fā)酵。雖然此類包埋載體具有成型方便及固定化密度高等優(yōu)點(diǎn)，但其機(jī)械強(qiáng)度低，傳質(zhì)弱，抗微生物分解能力較差；同時(shí)因傳質(zhì)限制，難以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞自我更新。
[0004]此外，代謝終產(chǎn)物(高濃度乙醇)的存在對(duì)菌體有明顯的抑制和毒害作用，限制了產(chǎn)物的進(jìn)一步形成，導(dǎo)致產(chǎn)率不高，不利于乙醇的高效生產(chǎn)。雖然可以通過(guò)稀釋料液來(lái)減少高濃度產(chǎn)物對(duì)發(fā)酵的抑制作用，但過(guò)低的乙醇濃度會(huì)使下游提取分離的效率更低；同時(shí)由于稀釋需要消耗大量用水，也會(huì)造成成本增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種將微生物固定化床發(fā)酵和分離相耦合的生產(chǎn)乙醇的設(shè)備，該設(shè)備能有效解決乙醇發(fā)酵的終產(chǎn)物抑制問(wèn)題，保持乙醇的聞效生廣。`
[0006]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的:
[0007]—種固定化床發(fā)酵和分離相耦合的生產(chǎn)乙醇的設(shè)備，該設(shè)備包括進(jìn)料裝置3-1、生物反應(yīng)器5、真空循環(huán)泵7、冷凝裝置11以及收集裝置3-2，其中，附著于支撐骨架2的纖維材料I填充到所述生物反應(yīng)器5中，酵母細(xì)胞固定于所述纖維材料I。
[0008]在上述設(shè)備中，優(yōu)選地，所述支撐骨架2為片狀網(wǎng)格結(jié)構(gòu)；更優(yōu)選地，所述支撐骨架2為兩個(gè)或兩個(gè)以上的片狀鋼絲網(wǎng)復(fù)合而成；進(jìn)一步優(yōu)選地，所述支撐骨架2為3個(gè)或4個(gè)片狀矩形鋼絲網(wǎng)沿長(zhǎng)度相等的邊焊接而成；最優(yōu)選地，所述支撐骨架2為3個(gè)片狀矩形鋼絲網(wǎng)沿長(zhǎng)度相等的邊焊接而成，且其橫截面為“T”形，或4個(gè)片狀矩形鋼絲網(wǎng)沿長(zhǎng)度相等的邊焊接而成，且其橫截面為“十”字形。
[0009]優(yōu)選地，所述固定化床發(fā)酵和分離相耦合的生產(chǎn)乙醇的設(shè)備包括進(jìn)料裝置3-1、生物反應(yīng)器5、真空循環(huán)泵7、冷凝裝置11以及收集裝置3-2，其中，附著于支撐骨架2的纖維材料I填充到所述生物反應(yīng)器5中，酵母細(xì)胞固定于所述纖維材料I ;所述進(jìn)料裝置3-1經(jīng)進(jìn)料泵4-1與生物反應(yīng)器5的下段連通，所述生物反應(yīng)器5的頂端經(jīng)真空循環(huán)泵7與冷凝裝置11連通，所述冷凝裝置11底部經(jīng)出料泵4-2與收集裝置3-2連通。更優(yōu)選地，所述生物反應(yīng)器5的上段經(jīng)進(jìn)料泵4-1與所述生物反應(yīng)器5的下段連通。
[0010]在上述設(shè)備中，優(yōu)選地，所述冷凝裝置11由冷凝管8、冷凝液收集器9及冷卻器10組成，所述冷凝管8的底端與冷凝液收集器9的頂端連通，所述冷凝液收集器9置于冷卻器10中。更優(yōu)選地，所述冷凝管8的頂端與所述生物反應(yīng)器5的頂端連通。
[0011]本發(fā)明所述的設(shè)備的操作方法如下:
[0012]1、生物反應(yīng)器的填充。以片狀鋼絲網(wǎng)作為支撐骨架，以纖維材料為表面固定化材料，將纖維材料附著在橫截面呈“T”字形或“十”字形的鋼絲網(wǎng)(參見(jiàn)圖1)上，并裝入高徑比為2-10的生物反應(yīng)器中(參見(jiàn)圖2)。其中，反應(yīng)器內(nèi)的纖維材料填充量為5-150g/L ；
[0013]2、固定菌體。將生長(zhǎng)好的酵母細(xì)胞種子液通入反應(yīng)器中，進(jìn)行循環(huán)固定操作，讓細(xì)胞吸附在纖維材料上。其中，種子生長(zhǎng)培養(yǎng)基成分為:葡萄糖10-100g/L，蛋白胨IO-1OOg/L，酵母膏10-100g/L，無(wú)水硫酸鎂0.l_5g/L，硫酸銨0.Ι-lOg/L，磷酸鹽0.5_15g/L;其中，所取的種子液是生長(zhǎng)對(duì)數(shù)期的菌種；固定化階段的培養(yǎng)條件為溫度30-42°C，pH 4-6，流速
0.5-50L/h ;固定結(jié)束時(shí)間以溶液中OD值下降緩慢或小于I為準(zhǔn)；
[0014]3、乙醇的發(fā)酵。固定結(jié)束后，將廢液排出，通入發(fā)酵培養(yǎng)基。其中，發(fā)酵培養(yǎng)基成分為:葡萄糖200-400g/L，蛋白胨l-50g/L，酵母膏l(xiāng)_50g/L，硫酸銨0.Ι-lOg/L，磷酸鹽
0.5-10g/L,七水合硫酸亞鐵0.05-lg/L,七水合硫酸鋅0.05-lg/L ;或者發(fā)酵培養(yǎng)基為木薯水解液或各種植物秸桿水解液 ；其中培養(yǎng)條件為:溫度30-42°C，pH 4-6.5，發(fā)酵流速為
0.l-50L/h。
[0015]4、間隙式真空抽提分離。待生物反應(yīng)器內(nèi)的乙醇濃度達(dá)到50_100g/L，開(kāi)啟真空循環(huán)泵和冷凝裝置，真空度為-30到-1OOKPa之間，冷卻溫度為-30到18°C ;待反應(yīng)器內(nèi)乙醇濃度下降至5-30g/L，關(guān)閉真空泵，再進(jìn)行循環(huán)發(fā)酵。
[0016]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提出了一種將發(fā)酵與產(chǎn)物分離過(guò)程相耦合的可行思路，這種將乙醇發(fā)酵與分離偶聯(lián)的新型生產(chǎn)技術(shù)通過(guò)在線分離，不僅解除或大幅降低了產(chǎn)物抑制的影響，而且也簡(jiǎn)化了后期的提純步驟，即在利用纖維材料對(duì)酵母細(xì)胞進(jìn)行固定化發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的基礎(chǔ)上，通過(guò)安裝真空抽提裝置，達(dá)到邊發(fā)酵邊分離的目的。該技術(shù)不僅因其固定化載體穩(wěn)定，無(wú)毒性，吸附效果好，提高耐乙醇特性；而且因分離作用降低了產(chǎn)物抑制效應(yīng)，有利于加大底物濃度，從而可以大幅提高乙醇產(chǎn)率。
[0017]相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明取得的有益效果在于采用的固定化技術(shù)所用材料成本低，無(wú)毒性，機(jī)械強(qiáng)度高，對(duì)細(xì)胞不具有毒害作用，也不會(huì)被細(xì)胞降解；而且死細(xì)胞自行脫落，而活細(xì)胞能夠?qū)崿F(xiàn)自增殖過(guò)程，始終維持很高的催化效率；同時(shí)因真空抽提的分離作用降低了產(chǎn)物抑制效應(yīng)，促進(jìn)了產(chǎn)物形成，有利于加大底物濃度，從而進(jìn)一步提高了乙醇產(chǎn)率。此外，本發(fā)明還可以減少設(shè)備體積，提高設(shè)備利用率，同時(shí)減少能耗，降低生產(chǎn)成本。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]以下，結(jié)合附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方案，其中:
[0019]圖1為本發(fā)明的固定化載體單元的示意圖。A顯示不銹鋼片狀網(wǎng)格結(jié)構(gòu)；B顯示“T”形橫截面的3個(gè)片狀矩形鋼絲網(wǎng)復(fù)合結(jié)構(gòu)；C顯示“十”字形橫截面的4個(gè)片狀矩形鋼絲網(wǎng)復(fù)合結(jié)構(gòu)；D顯示附著了纖維材料的圖B所示復(fù)合結(jié)構(gòu)的橫截面；E顯示附著了纖維材料的圖C所示復(fù)合結(jié)構(gòu)的橫截面。
[0020]圖2顯示本發(fā)明的固定化床發(fā)酵和分離相耦合的生產(chǎn)乙醇的設(shè)備。其中，I表示纖維材料，2表示不銹鋼網(wǎng)片支撐骨架，3-1表示進(jìn)料裝置，3-2表示收集裝置，4-1表示進(jìn)料泵，4-2表示出料泵，5表示生物反應(yīng)器，6-1、6-2、6-3、6-4、6-5表示閥門，7表示真空循環(huán)泵,8表示冷凝管,9表示冷凝液收集器,10表示冷卻器,11表示冷凝裝置。
【具體實(shí)施方式】
[0021]以下參照具體的實(shí)施例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明，其不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。
[0022]下述實(shí)施例中的實(shí)驗(yàn)方法，如無(wú)特殊說(shuō)明，均為常規(guī)方法。下述實(shí)施例中所用的原料、試劑等，如無(wú)特殊說(shuō)明，均為市售購(gòu)買產(chǎn)品。
[0023]實(shí)施例一以葡萄糖為原料進(jìn)行單循環(huán)發(fā)酵
[0024]發(fā)酵培養(yǎng)基成分:葡萄糖200g/L，蛋白胨7g/L，酵母膏4g/L，硫酸銨4g/L，磷酸鹽4g/L,七水合硫酸亞鐵0.lg/L,七水合硫酸鋅0.lg/L。
[0025]首先，以三片不銹鋼網(wǎng)片2為支撐骨架，并將其焊接成橫截面呈“T”字形，把活性炭纖維I包裹在“T”字形鋼絲網(wǎng)表面及三邊上(參見(jiàn)圖1)，并裝入高與直徑比為5的反應(yīng)器5中(參見(jiàn)圖2)。其次，將培養(yǎng)好的菌種(對(duì)數(shù)期)加到進(jìn)料罐中3-1，打開(kāi)閥門6-1、6-3，關(guān)閉閥門6-2，通過(guò)泵4-1從反應(yīng)器5底部以12L/h的流速流進(jìn)，待種子液充滿反應(yīng)器，關(guān)閉閥門6-1 ;循環(huán)固定若干時(shí)間，直至反應(yīng)器5中的菌體濃度很小，降低不明顯。然后排出廢液，加入新鮮發(fā)酵培養(yǎng)基，依舊從反應(yīng)器5底部流進(jìn)，待發(fā)酵液充滿反應(yīng)器5后，進(jìn)行循環(huán)發(fā)酵。其中，發(fā)酵溫度為32°C，發(fā)酵液pH為6，發(fā)酵液流速為15L/h。待反應(yīng)器內(nèi)乙醇濃度達(dá)到70g/L左右，關(guān)閉泵4-1和閥門`6-3，同時(shí)打開(kāi)閥門6-5，并啟動(dòng)循環(huán)泵7和冷卻裝置10進(jìn)行真空抽提，真空度為_(kāi)70KPa，冷卻溫度為5°C，待反應(yīng)器乙醇濃度下降到20g/L左右，關(guān)閉真空抽提及冷凝裝置，再進(jìn)行循環(huán)發(fā)酵；當(dāng)冷凝液快充滿冷凝液收集器時(shí)，打開(kāi)泵4-2，使乙醇濃縮液泵到產(chǎn)品收集罐。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)進(jìn)行到6h，乙醇濃度可達(dá)72g/L，反應(yīng)IOh后，殘?zhí)菫?，冷凝液收集器內(nèi)乙醇濃度達(dá)300g/L左右。發(fā)酵20批次，乙醇產(chǎn)量穩(wěn)定，平均反應(yīng)時(shí)間相比單純游離發(fā)酵縮短3-5倍。
[0026]實(shí)施例二以葡萄糖原料進(jìn)行半連續(xù)發(fā)酵
[0027]發(fā)酵培養(yǎng)基成分:葡萄糖300g/L，蛋白胨3g/L，酵母膏2g/L，硫酸銨lg/L，磷酸鹽2g/L，七水合硫酸亞鐵0.05g/L,七水合硫酸鋅0.05g/L。
[0028]首先，以4片不銹鋼網(wǎng)片2為支撐骨架，并將其焊接成橫截面呈“十”字形；棉纖維I包裹在“十”字形鋼絲網(wǎng)表面及四邊上(參見(jiàn)圖1)，并裝入高與直徑比為3的反應(yīng)器5中(參見(jiàn)圖2)。其次，將培養(yǎng)好的菌種(對(duì)數(shù)期)加到進(jìn)料罐中3-1，打開(kāi)閥門6-1、6-3，關(guān)閉閥門6-2，通過(guò)泵4-1從反應(yīng)器5底部以20L/h的流速流進(jìn)，待種子液充滿反應(yīng)器，關(guān)閉閥門6-1 ;循環(huán)固定若干時(shí)間，直至反應(yīng)器5中的菌體濃度很小，降低不明顯。然后排出廢液，加入新鮮發(fā)酵培養(yǎng)基，依舊從反應(yīng)器5底部流進(jìn)，待發(fā)酵液充滿反應(yīng)器5后，進(jìn)行循環(huán)發(fā)酵。其中，發(fā)酵溫度為35°C，發(fā)酵液pH為5.5，液流速為10L/h。待反應(yīng)器內(nèi)乙醇濃度達(dá)到80g/L左右，關(guān)閉泵4-1和閥門6-3，同時(shí)打開(kāi)閥門6-5，并啟動(dòng)循環(huán)泵7和冷卻裝置10進(jìn)行真空抽提，真空度為-80KPa，冷卻溫度為0°C，待反應(yīng)器乙醇濃度下降到lOg/L左右，關(guān)閉真空抽提及冷凝裝置，并打開(kāi)進(jìn)料泵，流加與分離出來(lái)的液體等體積的發(fā)酵培養(yǎng)基，再進(jìn)行循環(huán)發(fā)酵。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)進(jìn)行到10h，乙醇濃度可達(dá)85g/L，冷凝液收集器內(nèi)乙醇濃度達(dá)350g/L左右。發(fā)酵35天后，乙醇產(chǎn)量穩(wěn)定。
[0029]實(shí)施例三以木薯原料進(jìn)行單循環(huán)發(fā)酵
[0030]發(fā)酵培養(yǎng)基成分:木薯水解液(葡萄糖濃度245g/L)，尿素0.2g/L，硫酸鎂0.2g/L。
[0031]首先，以4片不銹鋼網(wǎng)片2為支撐骨架，并將其焊接成橫截面呈“十”字形；合成纖維(滌綸)I包裹在“十”字形鋼絲網(wǎng)表面及四邊上(參見(jiàn)圖1)，并裝入高與直徑比為7的反應(yīng)器5中(參見(jiàn)圖2)。其次，將培養(yǎng)好的菌種(對(duì)數(shù)期)加到進(jìn)料罐中3，打開(kāi)閥門6-1、6-3，關(guān)閉閥門6-2，通過(guò)泵4-1從反應(yīng)器5底部以15L/h的流速流進(jìn)，待種子液充滿反應(yīng)器，關(guān)閉閥門6-1 ;循環(huán)固定若干時(shí)間，直至反應(yīng)器5中的菌體濃度小于I。然后排出廢液，加入木薯水解液培養(yǎng)基，再?gòu)姆磻?yīng)器5底部流進(jìn)，待發(fā)酵培養(yǎng)基充滿反應(yīng)器5后，進(jìn)行循環(huán)發(fā)酵。其中，發(fā)酵溫度為38°C，發(fā)酵液pH為4.5，發(fā)酵液流速為25L/h。待反應(yīng)器內(nèi)乙醇濃度達(dá)到75g/L左右，關(guān)閉泵4-1和閥門6-3，同時(shí)打開(kāi)閥門6-5，并啟動(dòng)循環(huán)泵7和冷卻裝置10進(jìn)行真空抽提，真空度為_(kāi)90KPa，冷卻溫度為-10°C;待反應(yīng)器乙醇濃度下降到15g/L左右，關(guān)閉真空抽提及冷凝裝置，再進(jìn)行循環(huán)發(fā)酵。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)進(jìn)行到8h，乙醇濃度可達(dá)80g/L，反應(yīng)15h后殘?zhí)菫?，冷凝液收集器內(nèi)乙醇濃度達(dá)400g/L左右。發(fā)酵30批次，乙醇產(chǎn)量穩(wěn)定，平均轉(zhuǎn)化率為93%左右`。
【權(quán)利要求】
1.一種固定化床發(fā)酵和分離相耦合的生產(chǎn)乙醇的設(shè)備，該設(shè)備包括進(jìn)料裝置(3-1)、生物反應(yīng)器(5)、真空循環(huán)泵(7)、冷凝裝置(11)以及收集裝置(3-2)，其中，附著于支撐骨架(2)的纖維材料(I)填充到所述生物反應(yīng)器(5)中，酵母細(xì)胞固定于所述纖維材料(I)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述支撐骨架(2)為片狀網(wǎng)格結(jié)構(gòu)；優(yōu)選地，所述支撐骨架(2)為兩個(gè)或兩個(gè)以上的片狀鋼絲網(wǎng)復(fù)合而成；進(jìn)一步優(yōu)選地，所述支撐骨架(2)為3個(gè)或4個(gè)片狀矩形鋼絲網(wǎng)沿長(zhǎng)度相等的邊焊接而成；最優(yōu)選地，所述支撐骨架(2)為3個(gè)片狀矩形鋼絲網(wǎng)沿長(zhǎng)度相等的邊焊接而成，且其橫截面為“T”形，或4個(gè)片狀矩形鋼絲網(wǎng)沿長(zhǎng)度相等的邊焊接而成，且其橫截面為“十”字形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其特征在于，所述進(jìn)料裝置(3-1)經(jīng)進(jìn)料泵(4-1)與生物反應(yīng)器(5)的下段連通，所述生物反應(yīng)器(5)的頂端經(jīng)真空循環(huán)泵(7)與冷凝裝置(11)連通，所述冷凝裝置(11)的底部經(jīng)出料泵(4-2 )與收集裝置(3-2 )連通。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述生物反應(yīng)器(5)的上段經(jīng)進(jìn)料泵(4-1)與所述生物反應(yīng)器(5)的下段連通。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述冷凝裝置(11)由冷凝管(8)、冷凝液收集器(9)及冷卻器(10)組成，所述冷凝管(8)的底端與冷凝液收集器(9)的頂端連通，所述冷凝液收集器(9)置于冷卻器(10)中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述冷凝管(8)的頂端與所述生物反應(yīng)器(5)的頂端連通。`
【文檔編號(hào)】C12M1/00GK103865750SQ201210539725
【公開(kāi)日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2012年12月13日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月13日
【發(fā)明者】陳勇, 應(yīng)漢杰, 劉慶國(guó), 吳菁嵐, 陳曉春, 李振建 申請(qǐng)人:南京工業(yè)大學(xué)