一種用於氣相底物發酵生產有機酸或有機醇的系統的製作方法
2024-02-28 17:48:15
專利名稱：一種用於氣相底物發酵生產有機酸或有機醇的系統的製作方法
技術領域：
一種用於氣相底物發酵生產有機酸或有機醇的系統技術領域[0001]本實用新型涉及一種用於氣相底物發酵生產有機酸或有機醇的系統。
技術背景[0002]能源是現代社會賴以生存和發展的基礎。為彌補化石燃料的不足、優化能源結構和保護生態環境，大力開發新能源和可再生能源是當今世界研究開發的熱點，其中利用含 CO或壓/0)2的氣體為底物厭氧發酵生產有機酸或有機醇就是很有潛力和競爭力的技術。[0003]含CO和/或吐的氣體主要來自碳黑、焦炭、制氨、石油加工、鋼鐵等工廠產生的廢氣。每年通過工業複合物排放超過600萬噸CO和接近400萬噸H2。許多情況下，這些氣體被排放到大氣中，對環境造成嚴重的汙染。[0004]另一類含CO和/或吐的氣體源自煤、石油、生物質和有機廢物等含碳物質的氣化， 它的主要成分為C0、4和CO2,還含有少量的CH4和一些硫、氮的化合物，是一類豐富而廉價的生物加工原料。這些氣體可通過厭氧發酵轉化為多種有用的燃料和化學品，比如乙酸、丁酸、乙醇和丁醇等。[0005]與合成氣化學轉化相比，生物轉化具有以下幾個優點(1)生物轉化的反應條件溫和；(2)酶的專一性比無機催化劑高，因而產物得率高，副產物少；(3)生物轉化不需要固定的0)和壓比例；(4)發酵菌對合成氣中的硫化物具有耐受性，減少了氣體淨化成本。[0006]以CO和/或吐和(X)2為底物通過厭氧微生物發酵生產乙酸、乙酸鹽或其它具有商業價值的產品的方法已經有了實驗室規模的實施。參見，例如，Vega等(1989)，生物技術與生物工程，34 =785-793 ；Klasson等(1990)，應用生物化學與生物技術，24/25 :1。[0007]作為合成氣發酵底物的氣體如CO或者吐在水中溶解度不大，氣體底物的傳遞涉及氣、固、液三相氣體底物、培養基(發酵液、液相)和懸浮在培養基中的微生物細胞(固相)；氣相底物必須先擴散到氣-液界面，再在液相中微生物細胞表面為細胞所用，氣液傳質主要阻力在氣-液界面上。[0008]以CO和H2為底物合成乙酸、乙醇的反應方程式如下[0009]6C0+3H20 = C2H50H+4C02(1)[0010]6H2+2C02 = C2H50H+3H20(2)[0011]4C0+2H20 = CH3C00H+2C02(3)[0012]4H2+2C02 = CH3C00H+2H20(4)[0013]合成氣連續通入生物反應器，發酵產生乙酸、乙醇和C02，N2和甲烷等非反應氣體不參與發酵反應。由未被轉化的CO和H2、副產物C02、N2和甲烷等非反應氣體組成的發酵尾氣從生物反應器上排出。[0014]CO和吐的單程轉化率低於100 %，一般為60-80 %，所以發酵尾氣中存在一定比例的發酵底物。發酵尾氣一般組成為(體積％，組分和新鮮合成氣組成、底物轉化率有關) C0250 60%，C0 16 30%，H216 ^%，N2和甲烷等0. 1 5%。回收利用尾氣中有用底物，既經濟又環保。[0015]中國專利ZL200510109722. 1 「生產乙酸的微生物工藝以及從發酵液中萃取乙酸的溶劑」，ZL99810663. 1 「生產乙酸的微生物工藝以及從發酵液中萃取乙酸的溶劑」， ZL96180363. 0 「用生物學工藝從廢氣中製備乙酸」公開了用此類氣體、培養基和一種或多種厭氧菌在生物反應器內發酵的方法大規模生產乙酸等有用化學品的方法。這些專利方法中氣相底物在經過生物反應器後其中非反應氣體和未反應基質氣體作為廢氣釋放，沒有提及發酵尾氣的處理和回用。[0016]常規的氣相底物發酵生產有機酸或有機醇的系統包括生物反應器、過濾設備和有機物分離裝置，其中生物反應器用於氣相底物發酵，生物反應器上連接有接收外部輸入的氣相底物的氣相底物輸入管，生物反應器與過濾設備之間連接有流通管，用於將發酵物輸送至過濾設備中進行細胞過濾；過濾設備和有機物分離裝置之間連接有流通管，用於將過濾出細胞後的過濾物進行分離，以分離出有機物。使用常規的系統無法實現發酵尾氣的處理和回用。發明內容[0017]本實用新型的目的是提供一種用於氣相底物發酵生產有機酸或有機醇的系統，以處理和回用發酵尾氣。[0018]一種用於氣相底物發酵生產有機酸或有機醇的系統，包括生物反應器、過濾設備和有機物分離裝置，生物反應器上連接有接收外部輸入的氣相底物的氣相底物輸入管，其中，所述系統還包括尾氣處理裝置，所述尾氣處理裝置與生物反應器之間連接有將發酵尾氣通入尾氣處理裝置的發酵尾氣輸送管，尾氣處理裝置和氣相底物輸入管之間連接有處理後尾氣輸送管。[0019]優選地，所述生物反應器和過濾設備之間連接有將過濾出的細胞濃溶液輸回至生物反應器的細胞回流管。[0020]優選地，所述有機物分離裝置與生物反應器之間連接有將有機物分離裝置中分離出的水輸回至生物反應器的返回水管。[0021]優選地，所述生物反應器是固定化細胞反應器或懸浮細胞反應器；進一步優選地， 所述生物反應器是滴流床反應器、連續攪拌反應器或氣升式反應器。[0022]優選地，所述過濾設備是離心機、超濾膜過濾裝置或中空纖維膜過濾裝置。進一步優選地，所述過濾設備是中空纖維膜過濾裝置。[0023]優選地，所述有機物分離裝置是精餾塔或萃取精餾裝置。進一步優選地，所述有機物分離裝置是精餾塔。[0024]優選地，所述尾氣處理裝置是精餾塔、變壓吸附裝置、膜分離裝置或者化學吸附裝置；進一步優選地，所述尾氣處理裝置是變壓吸附裝置。[0025]優選地，所述發酵尾氣輸送管上還設置有排氣管，用於將部分發酵尾氣輸送至例如火炬的處理裝置中燃燒。[0026]在該系統中，氣相底物輸入至生物反應器中進行發酵，發酵後的產物流入細胞過濾設備中進行細胞過濾，以分離細菌細胞。分離出的細胞濃溶液通過細胞回流管輸回至生物反應器回收利用，其它物質進入有機物分離裝置中分離出有機物和水。分離出的水回流至生物反應器中重複利用。生物反應器中的發酵尾氣進入尾氣處理裝置中，尾氣處理裝置回收其中的二氧化碳，從而富集氣相底物。處理後的尾氣通過尾氣處理裝置和氣相底物輸入管之間的處理後尾氣輸送管輸送至氣相底物輸入管中，與新鮮氣相底物合併，並進入生物反應器中進行反應。[0027]本實用新型的系統通過尾氣處理裝置回收發酵尾氣中的二氧化碳，富集並回收利用氣相底物，提高了氣相底物的轉化率，提高有機醇或有機酸的產率，降低氣相底物和二氧化碳的排放，保護環境。
[0028]圖1是本實用新型一種實施方式的示意圖。
具體實施方式
[0029]現通過具體實施方式
和附圖說明本實用新型，但本實用新型不限於以下內容。[0030]如圖1所示的一種具體實施方式
中，本實用新型的用於氣相底物發酵生產有機酸或有機醇的系統包括用於氣相底物發酵的生物反應器1，用於過濾細胞的過濾設備2，用於分離有機物的有機物分離裝置3和尾氣處理裝置4 ；其中，生物反應器1上連接有接收外部輸入的氣相底物的氣相底物輸入管5 ；過濾設備2與生物反應器1之間連接有將發酵物輸入至過濾設備2的發酵物流通管6和將過濾設備2過濾出的細胞濃溶液輸回至生物反應器1的細胞回流管7 ；過濾設備2與有機物分離裝置3之間連接有將過濾物從過濾設備2引入有機物分離裝置3的過濾物流通管8 ；有機物分離裝置3與生物反應器1之間連接有將有機物分離裝置3中分離出的水輸回至生物反應器1的返回水管9 ；尾氣處理裝置4和生物反應器1之間連接有將發酵尾氣通入至尾氣處理裝置4的發酵尾氣輸送管11 ；尾氣處理裝置4和氣相底物輸入管5之間連接有處理後尾氣輸送管10。[0031]在一種實施例中，使用該系統進行有機酸或有機醇發酵時，氣相底物從氣相底物輸入管5輸入至生物反應器1中在37°C下進行發酵，生物反應器1內裝有懸浮於水相的厭氧菌。在本實施例中，生物反應器1是連續攪拌發酵罐(BI0FL0，New Brunswick Scientific Co.，Inc.)；在其它實施例中，生物反應器1也可以是滴流床反應器或氣升式反應器。發酵後的發酵物從發酵物流通管6流入過濾設備2中進行細胞過濾，以分離細菌細胞。在該實施例中，過濾設備2是中空纖維膜過濾裝置；在其它實施例中，過濾設備2還可以是離心機或超濾膜過濾裝置。分離出的細胞濃溶液通過細胞回流管7流回發酵罐1中回收利用，其它物質通過過濾物流通管8進入有機物分離裝置3中分離出95%乙醇和水。在本實施例中，有機物分離裝置3是精餾塔；在其它實施例中，有機物分離裝置還可以是萃取精餾裝置。在精餾塔中分離出的水通過返回水管9回流至連續攪拌發酵罐中重複利用。連續攪拌發酵罐中的發酵尾氣大約為0. 02MPa、37°C，發酵尾氣通過發酵尾氣輸送管11進入尾氣處理裝置4。 在該實施例中，尾氣處理裝置4是變壓吸附裝置；在其它實施例中，尾氣處理裝置4還可以是精餾塔、膜分離裝置或者化學吸附裝置。在變壓吸附裝置中，發酵尾氣經增壓、變壓吸附等工藝處理，二氧化碳和氫氣及一氧化碳等分離，得到高濃度的二氧化碳氣體和富含氫氣、 一氧化碳的混合氣。高濃度的二氧化碳氣體經壓縮、液化、減壓、分離提純後得到液體二氧化碳。富集的氫氣和一氧化碳大部分通過處理後尾氣輸送管10輸送至氣相底物輸入管5 中，與新鮮氣相底物合併，並進入發酵罐1中進行反應。[0032] 在一種實施例中，可以在發酵尾氣輸送管11上設置排氣管。本領域技術人員可以根據實際需要，可以將一部分發酵尾氣進行去除ω2處理，再與新鮮合成氣混合回用；而另一部分發酵尾氣則通過排氣管排至例如火炬等的處理裝置中燃燒。
權利要求1.一種用於氣相底物發酵生產有機酸或有機醇的系統，所述系統包括生物反應器、 過濾設備和有機物分離裝置，生物反應器上連接有接收外部輸入的氣相底物的氣相底物輸入管，其特徵在於所述系統還包括尾氣處理裝置，所述尾氣處理裝置與生物反應器之間連接有將發酵尾氣通入尾氣處理裝置的發酵尾氣輸送管，尾氣處理裝置和氣相底物輸入管之間連接有處理後尾氣輸送管。
2.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述生物反應器和過濾設備之間連接有將過濾出的細胞濃溶液輸回至生物反應器的細胞回流管。
3.根據權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述有機物分離裝置與生物反應器之間連接有將有機物分離裝置中分離出的水輸回至生物反應器的返回水管。
4.根據權利要求1-3任何一項所述的系統，其特徵在於，所述生物反應器是固定化細胞反應器或懸浮細胞反應器。
5.根據權利要求4所述的系統，其特徵在於，所述生物反應器是滴流床反應器、連續攪拌反應器或氣升式反應器。
6.根據權利要求1-3任何一項所述的系統，其特徵在於，所述過濾設備是離心機、超濾膜過濾裝置或中空纖維膜過濾裝置。
7.根據權利要求1-3任何一項所述的系統，其特徵在於，所述有機物分離裝置是精餾塔或萃取精餾裝置。
8.根據權利要求1-3任何一項所述的系統，其特徵在於，所述尾氣處理裝置是精餾塔、 變壓吸附裝置、膜分離裝置或化學吸附裝置。
9.根據權利要求1-3任何一項所述的系統，其特徵在於，所述發酵尾氣輸送管上設有排氣管。
專利摘要本實用新型涉及一種用於氣相底物發酵生產有機酸或有機醇的系統，該系統包括生物反應器、過濾設備和有機物分離裝置，生物反應器上連接有接收外部輸入的氣相底物的氣相底物輸入管，其中，所述系統還包括尾氣處理裝置，所述尾氣處理裝置與生物反應器之間連接有將發酵尾氣通入尾氣處理裝置的發酵尾氣輸送管，尾氣處理裝置和氣相底物輸入管之間連接有處理後尾氣輸送管。本系統可以有效處理和回用發酵尾氣。
文檔編號C12M1/00GK202272866SQ20112037031
公開日2012年6月13日 申請日期2011年9月29日 優先權日2011年9月29日
發明者代俊明, 朱德權, 楊建春 申請人:北京信匯生物能源科技股份有限公司