吸附載體發酵丙酮丁醇的方法與裝置的製作方法
2023-10-19 09:49:12
專利名稱：吸附載體發酵丙酮丁醇的方法與裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於發酵工程技術領域，特別涉及一種將吸附載體應用於丙酮丁醇發酵的方法及裝置。
背景技術：
丁醇是一種重要的有機化工原料，可用作油漆和表面塗料的溶劑，同時作為一種極具潛力的新型生物燃料，與甲醇和乙醇相比，丁醇具有良好的水不溶性，低蒸汽壓，高熱值等特點，能夠與汽油達到更高的混合比，更適合在現有的燃料供應和分銷系統中使用。由於發酵法生產丁醇具有原料可再生、不依賴石油等特點，發酵法製備丁醇逐漸成為生物能源的研究熱點之一。近年來生物丁醇生產裝置逐年增加，我國相關企業的生物丁醇總生產能力己超過20萬噸/年。以Clostridium acetobutyliucm為代表的梭菌在其代謝中產生丙酮、丁醇、乙醇三種主要成分的混合物的過程稱為丙酮-丁醇-乙醇(acetone-butanol-ethanol, ABE)發酵,也稱丙酮丁醇發酵。目前影響丙酮丁醇發酵產率和得率的主要因素之一是嚴重的產物抑制，當丁醇濃度達到5 llg/L時，丁醇生產菌株的生長與代謝即會發生顯著毒害甚至死亡。因此提高生物丁醇的產率和得率對於生物丁醇產業發展至關重要。近年來己有相關專利涉及生物丁醇的高效製備技術。專利87103534公開了一種利用處於指數生長期的產丁醇梭菌菌液，通過瓷環吸附製成固定化細胞；專利200910076955. 4公開了一種利用處於指數生長期的產丁醇梭菌菌液，通過秸杆吸附製成固定化細胞的方法，採用這些專利方法，發酵過程中細胞壁、細胞膜和載體都存在擴散限制作用，並且載體形成的孔隙大小還會影響高分子底物的通透性，同時需要容器分別實現細胞固定化與產物發酵。專利201010559493. 4公開了一種固定床發酵分離耦合連續生產生物丁醇的方法，但該專利固定化方法比較複雜，需要增加填充床反應器，並需要發酵液在生物反應器和填充床之間的循環，增大了生產成本，並且增加了染菌機率。以吸附載體為丙酮發酵過程的固相，微生物生長的營養為吸附在載體上的培養液，能夠對培養基組分、產物組成進行合適的調節；微生物細胞所處微環境對微生物生長代謝產生著重要影響，其中微環境pH、底物和產物的種類與濃度、界面的性質、載體的多孔性等諸多因索都會對微生物的生長代謝產生重要的影響。另外，吸附載體表面往往含有烴基、氨基、羧基等極性基團，可以調節微環境水活度、PH和界面性質等。本發明基於以上思路，提出吸附載體發酵方式製備丙酮丁醇的方法與裝置，與液體發酵丙酮丁醇相比，溶劑總產量提高了 20飛0%，產率達到0. 20、. 30g/(L h);同時，在三種溶劑組成上，保證丁醇比例(質量百分比)不變的前提下，丙酮比例由30%最高提高到39. 2%，乙醇比例降至不足2%，鑑於丙酮的附加值高於乙醇，因而溶劑組成更具有經濟性。
發明內容
本發明的目的是提供一種吸附載體發酵方法與裝置，提高丙酮丁醇發酵產率和得、率。本發明的技術方案本發明所提出的吸附載體發酵丙酮丁醇的方法與裝置，所採用的技術方案如下(I)將多孔吸附載體放置在發酵罐內置多孔筒內，接入丙酮丁醇發酵液體培養基，使多孔載體浸沒於培養液中，滅菌；(2)接種發酵菌株種子液於發酵罐中進行發酵，接種質量為液體培養基的質量的2 15% ；(3)發酵結束後，打開出料口分離發酵液，多孔載體仍可繼續利用。
所述的吸附載體包括但不局限於海綿、紙漿、蛭石、無紡布、沸石、陶瓷、秸杆、預處理秸杆中的一種或多種。所述的秸杆載體包括但不局限於小麥秸杆、玉米秸杆、水稻秸杆、甘蔗渣、玉米芯、大麻、棉杆、菠蘿葉、皇竹草中的一種或多種；優選玉米秸杆，玉米芯，甘蔗渣或大麻中的一種或多種。所述的預處理秸杆方法包括但不局限於鹼處理、機械粉碎、蒸汽爆破、微波處理、超聲波處理、輻射處理、冷凍處理、纖維素溶劑處理、有機溶劑處理、稀酸預處理、氧化處理、超臨界萃取處理中的一種或多種方式的組合。發酵罐中載體與接種後液體培養基比例為(質量體積比)I 3^1 20，培養基中總糖濃度為5(Tll0g/L，底物糖種類包括但不局限於木糖，葡萄糖，甘露糖，半乳糖或其混合物。用於本發明所述的吸附載體發酵丙酮丁醇的方法的裝置，特徵在於在發酵罐內設有一個或多個多孔吸附載體筒，載體填充於載體筒內，多孔筒浸沒於液體培養基內，且固態發酵罐附有滅菌裝置和通氣裝置，可實現在線滅菌與發酵過程中的氮氣保護。本發明的有益效果在於發酵過程中，微生物被吸附在吸附載體上，通過多孔筒的孔隙和載體的多孔實現底物與產物的傳遞，增加了發酵過程中微生物與底物的接觸比表面，實現了丙酮丁醇的高效生產，提高了丁醇以及總溶劑的生產能力，並且改善了丙酮丁醇溶劑中三種溶劑的組成比例。
附圖I和2為本發明的裝置結構示意圖。其中1-種子罐2-出料口 3-吸附載體4-多孔筒5-進料口
具體實施例方式下面通過實施例對本發明的技術方案作進一步說明。實施例I以80g/L葡萄糖為底物，以汽爆-脫木質素預處理玉米秸杆為載體，培養基滅菌後，接種Clostridium acetobutylicum ATCC 824,發酵72h,葡萄糖利用完全。發酵後打開出料口，得到發酵液。與對照液體發酵實驗相比，吸附載體發酵中總溶劑產量提高了 57%。實施例2
以54g/L木糖為底物，以無紡布為載體，培養基滅菌後，接種Clostridiumacetobutylicum ATCC 824，發酵72h，木糖利用完全。發酵後打開出料口，分離發酵液與吸附載體。與對照液體發酵實驗相比，吸附載體發酵中總溶劑產量提高了 27%。實施例3以60g/L葡萄糖為底物，聚氨酯泡沫為載體，滅菌後，接種Clostridiumacetobutylicum ATCC 824，發酵72h，葡萄糖利用完全。發酵後打開出料口，得到發酵液。與對照液體發酵實驗相比，吸附載體發酵中總溶劑產量提高了 39%實施例4以90g/L葡萄糖、甘露糖和木糖的混合物為發酵碳源，預處理甘蔗渣為載體，培養基滅菌後，接種Clostridium acetobutylicum ATCC 824,發酵72h,混合糖基本利用完全。發酵後分離發酵液與發酵載體。與相同條件液體發酵實驗相比，吸附載體發酵中總溶劑產量提聞了 33%。實施例5以110g/L葡萄糖、半乳糖的混合物為發酵碳源，以紙漿為載體，培養基滅菌後，接種Clostridium acetobutylicum ATCC 824,發酵72h,混合糖基本利用完全。發酵後分離發酵液與發酵載體。與相同條件液體發酵實驗相比，吸附載體發酵中總溶劑產量提高了 42%。
權利要求
1.一種吸附載體發酵丙酮丁醇的方法，包括下述步驟 (1)將多孔吸附載體放置在發酵罐內置一個或多個多孔筒內，接入丙酮丁醇發酵液體培養基，使多孔載體浸沒於培養液中，滅菌； (2)接種發酵菌株種子液於發酵罐中進行發酵,接種質量為液體培養基質量的2 15%； (3)發酵結束後，打開出料口，分離發酵液，多孔載體仍可繼續使用。
2.根據權利要求I所述的吸附載體發酵丙酮丁醇的方法，其特徵在於所述的吸附載體包括但不局限於海綿、紙漿、蛭石、無紡布、沸石、陶瓷、秸杆、預處理秸杆中的一種或多種。
3.根據權利要求2所述的吸附載體發酵丙酮丁醇的方法，其特徵在於所述的秸杆載體包括但不局限於小麥秸杆、玉米秸杆、水稻秸杆、甘蔗渣、玉米芯、大麻、棉杆、菠蘿葉、皇竹草中的一種或多種。
4.根據權利要求2所述的吸附載體發酵丙酮丁醇的方法，其特徵在於所述的秸杆載體選自玉米秸杆，玉米芯，甘蔗渣或大麻中的一種或多種。
5.根據權利要求2所述的吸附載體發酵丙酮丁醇的方法，其特徵在於所述的預處理秸杆方法包括但不局限於鹼處理、機械粉碎、蒸汽爆破、微波處理、超聲波處理、輻射處理、冷凍處理、纖維素溶劑處理、有機溶劑處理、稀酸預處理、氧化處理、超臨界萃取處理中的一種或多種方式的組合。
6.根據權利要求I所述的吸附載體發酵丙酮丁醇的方法，其特徵在於發酵罐中載體與接種後液體培養基比例為(質量體積比)1 3^1 20，培養基中總糖濃度為5(Tll0g/L，底物糖種類包括但不局限於木糖，葡萄糖，甘露糖，半乳糖或其混合物。
7.用於權利要求I所述的吸附載體發酵丙酮丁醇的方法的裝置，其特徵在於在發酵罐內設有一個或多個多孔吸附載體筒，載體填充於載體筒內，多孔筒浸沒於液體培養基內，且固態發酵罐附有滅菌裝置和通氣裝置，可實現在線滅菌與發酵過程中的氮氣保護。
全文摘要
本發明提供一種吸附載體發酵製備丙酮丁醇的方法與裝置，包括以下步驟選擇吸水性好、性質穩定、具有多孔結構的無毒載體，按照一定比例與丙酮丁醇液體培養基混合均勻、接種後進行吸附載體發酵。採用發酵裝置為傳統發酵罐，內設一個或多個多孔吸附載體筒以實現固液分相。發酵結束後，通過重力作用可實現發酵液與載體的直接分離。本發明提供的吸附載體發酵方式，提高了丙酮丁醇發酵的溶劑得率，降低了副產物乙醇的相對含量，並且載體可反覆使用。
文檔編號C12M1/00GK102643870SQ20121014875
公開日2012年8月22日 申請日期2012年5月14日 優先權日2012年5月14日
發明者賀芹, 陳洪章 申請人:中國科學院過程工程研究所