一種高溫菌和中溫菌共同發酵合成氣產乙醇的新工藝的製作方法

2023-09-22 16:37:30

【技術領域】

本發明屬於生物能源領域，特別涉及一種高溫菌和中溫菌共同發酵合成氣產乙醇的新工藝。

背景技術：

合成氣是木質纖維素等生物質部分氧化和高溫分解所產生的混合氣體，它的主要成分為co、h2和co2，還含有少量的ch4和一些硫、氮的化合物。合成氣是一類豐富而廉價的生物加工原料，可通過厭氧發酵轉為各種有用的燃料和化學品，比如乙醇、乙酸、丁醇和丁酸等。如果採用合成氣發酵技術，先將全部生物質(包括木質素以及難降解部分)氣化轉化為合成氣，再將合成氣發酵為乙醇，就能避開木質纖維素酸、酶水解的技術障礙，克服傳統生物轉化過程中木質素不能被充分利用的缺陷。在生物質、廢棄物和一些不能用於直接發酵的原料轉化上，合成氣發酵將發揮重要作用。除氣化合成氣外，一些富含co的工業廢氣(如轉爐氣、電石爐氣、黃磷爐氣等)也可以被合成氣發酵微生物利用及轉化。

以合成氣為原料生產燃料乙醇，一直由於高昂的原料成本，而為人們所忽視。合成氣發酵將在那些難以直接發酵的生物質、廢棄物和殘渣的處理中發揮重要的作用。由於這些物質氣化產生的合成氣溫度很高，嗜熱微生物更適於此生產技術。在生產過程中合成氣需要通過一個熱量回收系統冷卻後，才能進入生物反應器。如果合成氣先經過嗜熱微生物發酵後，再經過常溫微生物發酵，將有效提高能源利用率。目前，儘管合成氣生產乙醇還不是目前乙醇生產的主要形式，但作為一項儲備技術，是有必要對其進行研究的。

合成氣發酵產乙醇技術的研究在國內剛剛起步，由於co、co2和h2在液體中的溶解度很低，導致微生物對氣體的吸收量少，存在乙醇產率較低等問題。目前國內外研究者採用了不同的調控手段來提高乙醇的產量，主要集中在對於發酵條件的調控，包括培養基的優化、ph的控制、氣體傳質效率的調控和氣體組分及各組分氣體分壓的控制等。目前為止，國內主要研究c.autoethanogenum菌株利用合成氣發酵乙醇發酵條件的優化。主要對其發酵培養基進行了改良，優化後得到培養基最優氮源為酵母膏，最優碳源為木糖。申請號為cn104822836a、cn104822836a和cn104812904a的中國專利，提出了合成氣發酵方法的操作方法、合成氣發酵中減少co2排放和提高醇生產率的方法。申請號為cn105087441a的中國專利，提出的一種複合菌群及其在合成氣發酵產醇中的應用；申請號為cn106399387a的中國專利提出了一種混合菌發酵合成氣產乙醇的氮缺陷調控方法，但是都沒有涉及到高溫菌和常溫菌共同發酵合成氣產乙醇的研究。

有鑑於上述的不足，本設計人，積極加以研究創新，以期創造一種新型的合成氣發酵模式，使其更具有產業上的應用價值。

技術實現要素：

本發明的目的是提出一種新型的合成氣發酵模式，汽化爐生成的合成氣經過適當冷卻，先經過高溫菌的發酵，再經過中溫菌的發酵，生產乙醇等有機溶劑。

為解決上述問題，本發明所採用的技術方案是：一種高溫菌和中溫菌共同發酵合成氣產乙醇的新工藝，包括以下步驟：(1)：將汽化爐生成的合成氣體冷卻至50℃～80℃，然後將高溫菌和高溫菌發酵培養基放在合成氣體環境中，培養高溫菌在發酵培養基中生長至發酵產物的產量穩定不變的狀態；

(2)：待合成氣體溫度降到37℃時，加入中溫菌和第一階段中溫菌發酵培養基，對中溫菌進行第一階段的培養，使中溫菌在第一階段中溫菌發酵培養基中生長至發酵產物的產量穩定不變的狀態；

(3)：將步驟(2)中生長至穩定狀態的中溫菌進行第二階段的培養，控制培養過程第二階段中溫菌發酵培養基的氮濃度低於第一階段，並移去有機碳源，同時控制培養過程中的ph值為4.0～4.5。

在本發明中，作為進一步說明，步驟(1)所述的高溫菌為acetogeniumkivui，carboxydocellasporopducens，clostridiumthermocellum，desulfotomaculumthermobenzoicumsubspthemosyntrophicum，moorellathermoacetica，moorellasp.huc22-1，moorellathermoautotrophica和desulfotamaculumkuznetsovii中的任意一種。

在本發明中，作為進一步說明，步驟(2)所述的中溫菌為clostridiumljungdahlii，c.autoethanogenum，c.carboxidivorans，butyribacteriummethylotrophicum，c.ragsdalei和alkalibaculumbacchi中的任意一種。

在本發明中，作為進一步說明，步驟(1)所述的高溫菌發酵培養基包括以下組成：每升如下：nh4cl1g/l，mgcl2·6h2o0.16g/l，cacl2·2h2o0.1g/l，kcl0.33g/l，kh2po40.5g/l，10ml微量元素溶液，10ml維生素溶液，1.0g酵母粉，2.0g蛋白腖，0.5g半胱氨酸鹽酸，0.5ml質量分數為0.1％的刃天青溶液，5.0g蔗糖，ph為6.8。

在本發明中，作為進一步說明，步驟(2)所述的第一階段中溫菌發酵培養基包括：每升如下：10ml無機鹽溶液，10ml微量元素溶液，10ml維生素溶液，1.0g酵母粉，2.0g蛋白腖，0.5g半胱氨酸鹽酸，5.0g嗎啉乙磺酸，0.5ml質量分數為0.1％的刃天青溶液，5.0g果糖，ph為6.0。

在本發明中，作為進一步說明，步驟(3)所述的第二階段中溫菌發酵培養基包括：每升如下：10ml無機鹽溶液，10ml微量元素溶液，10ml維生素溶液，0.5g酵母粉，0.5g蛋白腖，0.5g半胱氨酸鹽酸，5.0g嗎啉乙磺酸，0.5ml質量分數為0.1％的刃天青溶液，ph為6.0。

在本發明中，作為進一步說明，微量元素溶液組成如下：次氮基三乙酸2g/l，mncl2·4h2o1.3g/l，cocl2·6h2o0.2g/l，znso4·7h2o0.2g/l，fecl3·6h200.4g/l，cucl2·2h2o0.02g/l，nicl2·6h2o0.02g/l，na2moo4·2h2o0.02g/l和na2wo4·2h2o0.025g/l。

在本發明中，作為進一步說明，微生物溶液組成如下：生物素2mg/l，葉酸2mg/l，維生素b610mg/l，核黃素5mg/l，維生素b15mg/l，煙酸5mg/l，泛酸鈣5mg/l，維生素b125mg/l和對氨基苯甲酸5mg/l。

在本發明中，作為進一步說明，無機鹽溶液組成如下：nacl80g/l,nh4cl100g/l，kcl1g/l，kh2po410g/l，mgso4·7h2o20g/l和cacl2·2h2o4g/l。

在本發明中，作為進一步說明，步驟(3)所述的第二階段中溫菌發酵培養基中添加besa、莫能菌素和丁基橡膠顆粒。

在本發明中，作為進一步說明，步驟(3)所述的有機炭源為果糖或木糖。

在本發明中，作為進一步說明，利用鋁箔氣體採樣袋進行批式發酵研究。

本發明具有以下有益效果：

1.本發明考慮合成氣從汽化爐出來的合成氣溫度都比較高的特點，此時高溫菌不需要過多的降溫就可以參與反應，同時高溫菌具有自身代謝活躍、反應效率高、汙雜少等優點；本發明所採用的技術手段可使用與木質素和纖維素等來源的合成氣發酵，生產新能源乙醇使得廢物資源化，並降低co2等溫室氣體的排放，符合可持續發展原則；為合成氣發酵產乙醇的大規模工業化應用提供了重要的理論價值和實際指導意義。

2.本發明在除氣化合成氣外，一些富含co的工業廢氣也可以藉助此方案，獲得有用的有機溶劑，本發明對富含co的的工業廢氣更加具有吸引力。在第一階段的高溫菌可以利用co為唯一碳源生成h2和co2，發酵後的氣體分數比約為co、co2和h2的體積比為4：3：3，適合各種合成氣發酵中溫菌的生長；並且高溫菌在中溫情況，自動就失去反應活力，不會和中溫菌對營養物質產生競爭，並且它本身就可以作為營養物質；所以此技術手段可以為生產新能源提供新的思路。

【附圖說明】

圖1是實施例1中合成氣發酵乙醇的產量；

圖2是實施例2中合成氣發酵乙醇的產量；

圖3是實施例3中合成氣發酵乙醇的產量；

圖4是實施例4中合成氣發酵乙醇的產量；

圖5是實施例5中合成氣發酵乙醇的產量。

【具體實施方式】

菌種來源：高溫菌acetogeniumkivui，carboxydocellasporopducens，clostridiumthermocellum，desulfotomaculumthermobenzoicumsubspthemosyntrophicum，moorellathermoacetica，moorellasp.huc22-1，moorellathermoautotrophica和desulfotamaculumkuznetsovii；中溫菌clostridiumljungdahlii，c.autoethanogenum，c.carboxidivorans，butyribacteriummethylotrophicum，c.ragsdalei和alkalibaculumbacchi。高溫菌和中溫菌菌種均由為廣西科學院菌種保藏中心提供。

實施例1：