專利名稱：一種連續(xù)滲透汽化耦合發(fā)酵生產(chǎn)生物丁醇的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于發(fā)酵生產(chǎn)生物丁醇技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種連續(xù)滲透汽化耦合發(fā)酵生產(chǎn)生 物丁醇的方法和裝置。
背景技術(shù)：
生物丁醇是指利用現(xiàn)有的生物資源，通過(guò)生物發(fā)酵生產(chǎn)制取的丁醇。丁醇廣泛用 于有機(jī)合成塑料、樹(shù)脂、油漆、醫(yī)藥和國(guó)防工業(yè)。丁醇除可用作溶劑外還是一種潛在的大綜 動(dòng)力燃料，它的燃燒值和汽油相當(dāng)，是汽車用油的替代品?，F(xiàn)有的生物丁醇生產(chǎn)工藝是通過(guò) 對(duì)淀粉類物質(zhì)或纖維素水解后的糖類物質(zhì)，高溫殺菌，接種丙酮丁醇梭菌、丙酮丁酸桿菌、 糖丁酸梭菌或巴氏芽孢梭菌發(fā)酵，蒸餾分離等工藝進(jìn)行生產(chǎn)得到的，由于發(fā)酵過(guò)程中丁醇 生成濃度的增加，超過(guò)I0g/1時(shí)對(duì)發(fā)酵菌種有抑制作用。以玉米淀粉配制的醪液為例，在 現(xiàn)有領(lǐng)域中，如果玉米淀粉質(zhì)量濃度大于8. 5%，由于產(chǎn)生丁醇量多，丁醇濃度達(dá)到最大值 10_13g/l就對(duì)發(fā)酵菌種產(chǎn)生抑制不能繼續(xù)發(fā)酵，所以多余的發(fā)酵底物不能徹底利用，造成 原料浪費(fèi)。如醪液濃度配比發(fā)酵底物濃度太低，盡管發(fā)酵能徹底進(jìn)行，但是由于生成的丁醇 濃度太低，給下游蒸餾分離工段造成浪費(fèi)大量的蒸汽，不利于節(jié)能減排。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種連續(xù)滲透汽化耦合發(fā)酵生產(chǎn)生物丁醇的方法，該方法 通過(guò)發(fā)酵過(guò)程中采用滲透汽化的方法將丁醇分離出來(lái)，既提高了設(shè)備的利用率，又減少了 醪液的蒸發(fā)量，達(dá)到了節(jié)能減排和獲得最大產(chǎn)量丁醇的目的。本發(fā)明的另一目的在于提供一種實(shí)現(xiàn)連續(xù)滲透汽化耦合發(fā)酵生產(chǎn)生物丁醇的裝置。本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種連續(xù)滲透汽化耦合發(fā)酵生產(chǎn)生物丁醇的方法，發(fā)酵醪液由前一發(fā)酵罐排出后 送入下一發(fā)酵罐依次繼續(xù)發(fā)酵，發(fā)酵醪液由前一發(fā)酵罐送入下一發(fā)酵罐之前，發(fā)酵醪液中 的液相部分先通過(guò)滲透汽化膜分離裝置將丁醇汽化分離，分離丁醇后的發(fā)酵醪液再送入下
一發(fā)酵罐。所述滲透汽化膜分離裝置內(nèi)的膜將該裝置分為上游側(cè)和下游側(cè)，下游側(cè)保持真空 度為100-600Pa，發(fā)酵醪液的液相部分加熱至40-60°C后送入滲透汽化膜分離裝置的上游 側(cè)，丁醇經(jīng)膜滲透至下游側(cè)，在真空環(huán)境下汽化被抽出，分離丁醇后的發(fā)酵醪液的液相部分 直接從上游側(cè)排出送入下一發(fā)酵罐繼續(xù)發(fā)酵。所述發(fā)酵醪液中含有固相時(shí)，先經(jīng)過(guò)固液分離設(shè)備分離，液相部分進(jìn)入滲透汽化 膜分離裝置去除丁醇后送入下一發(fā)酵罐繼續(xù)發(fā)酵，固相部分直接送入下一發(fā)酵罐繼續(xù)發(fā) 酵。所述滲透汽化膜分離裝置、加熱過(guò)程、固液分離設(shè)備位于前一發(fā)酵罐排出的氣體 所提供的密封無(wú)氧氣氛中。
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所述汽化的丁醇排出后經(jīng)冷卻設(shè)備冷卻為液態(tài)，然后精餾。所述前一發(fā)酵罐中發(fā)酵醪液中開(kāi)始發(fā)酵時(shí)的含糖質(zhì)量百分比為10% -25%，前一 發(fā)酵罐中發(fā)酵醪液開(kāi)始發(fā)酵后的12-45小時(shí)后進(jìn)行滲透汽化膜分離；分離丁醇后的發(fā)酵 醪液送入下一發(fā)酵罐，向下一發(fā)酵罐中補(bǔ)充原始醪液，使混合后的醪液含糖質(zhì)量百分比為 10% -24%,控制 pH 值為 4. 3-7。所述滲透汽化膜分離裝置內(nèi)設(shè)膜為透醇膜，透醇膜的材質(zhì)為硅橡膠或聚二甲基硅
氧烷等。一種實(shí)現(xiàn)連續(xù)滲透汽化耦合發(fā)酵生產(chǎn)生物丁醇的裝置，包括前一發(fā)酵罐和下一發(fā) 酵罐，前一發(fā)酵罐和下一發(fā)酵罐之間設(shè)有滲透汽化膜分離裝置。所述前一發(fā)酵罐和滲透汽化膜分離裝置之間設(shè)有加熱器，加熱器的出口與滲透汽 化膜分離裝置的上游側(cè)進(jìn)口連接，上游側(cè)的出口與后一發(fā)酵罐的進(jìn)口連接；滲透汽化膜分 離裝置的下游側(cè)連接有真空系統(tǒng)，下游側(cè)和真空系統(tǒng)之間設(shè)有冷卻設(shè)備，冷卻設(shè)備的液體 出口與精餾裝置連接。所述前一發(fā)酵罐與加熱器之間設(shè)有固液分離設(shè)備，固液分離設(shè)備的液相出口與加 熱器的進(jìn)口連接，固液分離設(shè)備的固相出口與下一發(fā)酵罐連接；所述固液分離設(shè)備、加熱器 和滲透汽化膜分離裝置位于密閉罩內(nèi)，密閉罩的進(jìn)氣口與前一發(fā)酵罐的出氣口連接，密閉 罩的出氣口與氣體收集罐連接。本發(fā)明中的原始醪液指的是淀粉類物質(zhì)和/或糖類物質(zhì)經(jīng)配料、殺菌之后、發(fā)酵 之前的醪液；發(fā)酵醪液指的是淀粉類物質(zhì)和/或糖類物質(zhì)經(jīng)配料、殺菌、進(jìn)入發(fā)酵階段后的 醪液。本發(fā)明的方法是采用滲透汽化膜分離的方法將發(fā)酵過(guò)程連續(xù)不斷地把已生成的 丁醇從發(fā)酵醪液中分離出來(lái)，讓發(fā)酵連續(xù)進(jìn)行，從而獲得丁醇的最大產(chǎn)量。具體方法為在 發(fā)酵產(chǎn)生丁醇的過(guò)程中，最好選擇在前一發(fā)酵罐中開(kāi)始發(fā)酵12-45小時(shí)后進(jìn)行分離丁醇， 這是因?yàn)榇藭r(shí)丁醇的體積濃度達(dá)到10-13克/升，開(kāi)始對(duì)發(fā)酵菌種產(chǎn)生抑制作用，采用糖液 作為發(fā)酵底物已生成丁醇的發(fā)酵醪液中沒(méi)有固形物時(shí)直接經(jīng)加熱后壓入滲透汽化膜分離 裝置的上游側(cè)，已生成丁醇的發(fā)酵醪液中含有固形物時(shí)需先通過(guò)固液分離設(shè)備進(jìn)行固液分 離，液相部分經(jīng)加熱后壓入滲透汽化膜分離裝置上游側(cè)，進(jìn)入上游側(cè)的發(fā)酵醪液中的丁醇 經(jīng)透醇膜滲透至下游側(cè)，在下游側(cè)的真空環(huán)境下丁醇汽化被抽出，汽化的丁醇經(jīng)冷卻設(shè)備 冷卻為液態(tài)，然后精餾；分離丁醇后的發(fā)酵醪液經(jīng)上游側(cè)排出送入下一發(fā)酵罐繼續(xù)發(fā)酵，經(jīng) 固液分離后的固相部分送入下一發(fā)酵罐繼續(xù)發(fā)酵，視分離丁醇后的發(fā)酵醪液濃度，向下一 發(fā)酵罐中補(bǔ)充原始醪液，保持混合后醪液中的含糖質(zhì)量百分比為10% _24%，繼續(xù)重復(fù)發(fā) 酵、分離過(guò)程，最終至發(fā)酵醪液產(chǎn)生的丙酮濃度超高抑制發(fā)酵為止，丙酮含量可采用氣相色 譜方法測(cè)定，也可根據(jù)發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)氣量的速度觀測(cè)。由于發(fā)酵菌種屬于厭氧菌種，發(fā)酵過(guò)程中需要避免菌種接觸氧產(chǎn)生的酸敗，因此 可將滲透汽化膜分離過(guò)程、加熱過(guò)程、固液分離過(guò)程的設(shè)備置于無(wú)氧氣氛中，該無(wú)氧氣氛可 由發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生的二氧化碳和氫氣的混合氣提供，也可采用外部氣體提供。將固液分離設(shè) 備、加熱器和滲透汽化膜分離裝置置于密閉罩內(nèi)，將該密閉罩與前一發(fā)酵罐的出氣口連接 即可，可使密閉罩內(nèi)的填充氣體為前一發(fā)酵罐產(chǎn)生的二氧化碳和氫氣混合氣，二氧化碳和 氫氣排出密閉罩后回收。
本方法就是根據(jù)發(fā)酵生產(chǎn)生物丁醇的這一特性，采用滲透汽化膜分離的方法將發(fā) 酵過(guò)程中產(chǎn)生的丁醇分離出去，避免丁醇濃度過(guò)高對(duì)發(fā)酵菌種的抑制，最高可提高生物丁 醇產(chǎn)率3倍，節(jié)省二分之一蒸汽，減少百分之六十以上的廢水排放，為生物丁醇生產(chǎn)企業(yè)帶 來(lái)非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益。


圖1為實(shí)施例1實(shí)現(xiàn)連續(xù)滲透汽化耦合發(fā)酵生產(chǎn)生物丁醇的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為實(shí)施例2實(shí)現(xiàn)連續(xù)滲透汽化耦合發(fā)酵生產(chǎn)生物丁醇的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為實(shí)施例3實(shí)現(xiàn)連續(xù)滲透汽化耦合發(fā)酵生產(chǎn)生物丁醇的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1，如圖1所示的實(shí)現(xiàn)連續(xù)滲透汽化耦合發(fā)酵生產(chǎn)生物丁醇的裝置，包括前 一發(fā)酵罐1和下一發(fā)酵罐6，前一發(fā)酵罐1和下一發(fā)酵罐6之間設(shè)有加熱器3和滲透汽化膜 分離裝置4，加熱器3的出口與滲透汽化膜分離裝置4的上游側(cè)41進(jìn)口連接，上游側(cè)41的 出口與后一發(fā)酵罐6的進(jìn)口連接；滲透汽化膜分離裝置4的下游側(cè)42連接有真空系統(tǒng)13， 下游側(cè)42和真空系統(tǒng)13之間設(shè)有冷卻設(shè)備5，冷卻設(shè)備5的液體出口與精餾裝置51連接。 下一發(fā)酵罐6上設(shè)有補(bǔ)料裝置8、加堿裝置9和pH值檢測(cè)口 7。采用含糖質(zhì)量百分比為12%的糖液作為發(fā)酵底物時(shí)，發(fā)酵45小時(shí)后的發(fā)酵醪液 由前一發(fā)酵罐1排出后經(jīng)加熱器3加熱至60°C，然后壓入滲透汽化膜分離裝置4的上游側(cè) 41，丁醇經(jīng)膜滲透至下游側(cè)42，在真空系統(tǒng)13提供的真空度為600Pa環(huán)境下丁醇汽化被抽 出，分離丁醇后的發(fā)酵醪液直接從上游側(cè)41排出送入下一發(fā)酵罐6繼續(xù)發(fā)酵，由補(bǔ)料裝置 8向下一發(fā)酵罐6中補(bǔ)充原始醪液，使混合后的醪液含糖質(zhì)量百分比為10%，通過(guò)pH值檢 測(cè)口 7檢測(cè)pH值，通過(guò)加堿裝置9加堿控制pH值為7，使發(fā)酵正常進(jìn)行；汽化的丁醇經(jīng)冷 卻設(shè)備5冷卻為液態(tài)，然后送精餾裝置51精餾，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過(guò)程中連續(xù)不斷地將丁醇分 離出去。滲透汽化膜分離裝置4內(nèi)設(shè)的膜為透醇膜，透醇膜的材質(zhì)為硅橡膠。實(shí)施例2，如圖2所示的實(shí)現(xiàn)連續(xù)滲透汽化耦合發(fā)酵生產(chǎn)生物丁醇的裝置，與實(shí)施 例1的不同之處在于前一發(fā)酵罐1與加熱器3之間設(shè)有固液分離設(shè)備2，固液分離設(shè)備2 的液相出口與加熱器3的進(jìn)口連接，固液分離設(shè)備2的固相出口與下一發(fā)酵罐6連接；固液 分離設(shè)備2、加熱器3和滲透汽化膜分離裝置4位于密閉罩10內(nèi)，密閉罩10的進(jìn)氣口與前 一發(fā)酵罐1的出氣口連接，密閉罩10的出氣口與氣體收集罐11連接。下一發(fā)酵罐6上設(shè) 有補(bǔ)料裝置8、加堿裝置9和pH值檢測(cè)口 7。采用含糖質(zhì)量百分比為25%的玉米淀粉固相物質(zhì)作為發(fā)酵底物時(shí)，發(fā)酵12小時(shí) 后的發(fā)酵醪液由前一發(fā)酵罐1排出后先經(jīng)固液分離設(shè)備2固液分離，分離的液相部分經(jīng)加 熱器3加熱至40°C，然后壓入滲透汽化膜分離裝置4的上游側(cè)41，丁醇經(jīng)膜滲透至下游側(cè) 42，在真空系統(tǒng)13提供的真空度為lOOPa環(huán)境下丁醇汽化被抽出，經(jīng)上游側(cè)41排出的分離 丁醇后的發(fā)酵醪液以及固液分離設(shè)備2分離的固相部分均送入下一發(fā)酵罐6繼續(xù)發(fā)酵，由 補(bǔ)料裝置8向下一發(fā)酵罐6中補(bǔ)充原始醪液，使混合后的醪液含糖質(zhì)量百分比為24%，通過(guò) PH值檢測(cè)口 7檢測(cè)pH值，通過(guò)加堿裝置9加堿控制pH值為4. 3，使發(fā)酵正常進(jìn)行；汽化的 丁醇經(jīng)冷卻設(shè)備冷卻為液態(tài)，然后送精餾裝置51精餾，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過(guò)程中連續(xù)不斷地將丁醇分離出去。滲透汽化膜分離裝置4、加熱器3、固液分離設(shè)備2位于前一發(fā)酵罐1排出的二氧 化碳和氫氣混合氣體提供的密封罩10無(wú)氧氣氛中，防止設(shè)備密閉不嚴(yán)造成發(fā)酵菌種的接 觸氧產(chǎn)生的酸敗，保證醪液的清潔。滲透汽化膜分離裝置4內(nèi)設(shè)的膜為透醇膜，透醇膜的材 質(zhì)為聚二甲基硅氧烷。實(shí)施例3，如圖3所示，與實(shí)施例2不同之處在于加熱器3與前一發(fā)酵罐1之間 設(shè)置旁通管道12，使同一套裝置同時(shí)適用需要固液分離和不需要固液分離兩種情況，不需 要固液分離時(shí)開(kāi)啟旁通管道12的閥門，關(guān)閉固液分離設(shè)備2的閥門，需要固液分離時(shí)則相 反，同一套裝置經(jīng)過(guò)閥門實(shí)現(xiàn)兩用。
權(quán)利要求
一種連續(xù)滲透汽化耦合發(fā)酵生產(chǎn)生物丁醇的方法，其特征在于發(fā)酵醪液由前一發(fā)酵罐排出后送入下一發(fā)酵罐依次繼續(xù)發(fā)酵，發(fā)酵醪液由前一發(fā)酵罐送入下一發(fā)酵罐之前，發(fā)酵醪液中的液相部分先通過(guò)滲透汽化膜分離裝置將丁醇汽化分離，分離丁醇后的發(fā)酵醪液再送入下一發(fā)酵罐。
2.如權(quán)利要求1所述的連續(xù)滲透汽化耦合發(fā)酵生產(chǎn)生物丁醇的方法，其特征在于 所述滲透汽化膜分離裝置內(nèi)的膜將該裝置分為上游側(cè)和下游側(cè)，下游側(cè)保持真空度為 100-600Pa,發(fā)酵醪液的液相部分加熱至40-60°C后送入滲透汽化膜分離裝置的上游側(cè)，丁 醇經(jīng)膜滲透至下游側(cè)，在真空環(huán)境下汽化被抽出，分離丁醇后的發(fā)酵醪液的液相部分直接 從上游側(cè)排出送入下一發(fā)酵罐繼續(xù)發(fā)酵。
3.如權(quán)利要求2所述的連續(xù)滲透汽化耦合發(fā)酵生產(chǎn)生物丁醇的方法，其特征在于所 述發(fā)酵醪液中含有固相時(shí)，先經(jīng)過(guò)固液分離設(shè)備分離，液相部分進(jìn)入滲透汽化膜分離裝置 去除丁醇后送入下一發(fā)酵罐繼續(xù)發(fā)酵，固相部分直接送入下一發(fā)酵罐繼續(xù)發(fā)酵。
4.如權(quán)利要求3所述的連續(xù)滲透汽化耦合發(fā)酵生產(chǎn)生物丁醇的方法，其特征在于所 述滲透汽化膜分離裝置、加熱過(guò)程、固液分離設(shè)備位于前一發(fā)酵罐排出的氣體所提供的密 封無(wú)氧氣氛中。
5.如權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的連續(xù)滲透汽化耦合發(fā)酵生產(chǎn)生物丁醇的方法，其特征 在于所述汽化的丁醇排出后經(jīng)冷卻設(shè)備冷卻為液態(tài)，然后精餾。
6.如權(quán)利要求5所述的連續(xù)滲透汽化耦合發(fā)酵生產(chǎn)生物丁醇的方法，其特征在于所 述前一發(fā)酵罐中發(fā)酵醪液開(kāi)始發(fā)酵時(shí)的含糖質(zhì)量百分比為10% _25%，前一發(fā)酵罐中發(fā)酵 醪液開(kāi)始發(fā)酵后的12-45小時(shí)后進(jìn)行滲透汽化膜分離；分離丁醇后的發(fā)酵醪液送入下一發(fā) 酵罐，向下一發(fā)酵罐中補(bǔ)充原始醪液，使混合后的醪液含糖質(zhì)量百分比為10% -24%，控制 PH 值為 4. 3-7。
7.如權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的所述的連續(xù)滲透汽化耦合發(fā)酵生產(chǎn)生物丁醇的方法， 其特征在于所述滲透汽化膜分離裝置內(nèi)設(shè)膜為透醇膜。
8.一種實(shí)現(xiàn)連續(xù)滲透汽化耦合發(fā)酵生產(chǎn)生物丁醇的裝置，包括前一發(fā)酵罐和下一發(fā)酵 罐，其特征在于前一發(fā)酵罐和下一發(fā)酵罐之間設(shè)有滲透汽化膜分離裝置。
9.如權(quán)利要求8所述的實(shí)現(xiàn)連續(xù)滲透汽化耦合發(fā)酵生產(chǎn)生物丁醇的裝置，其特征在 于所述前一發(fā)酵罐和滲透汽化膜分離裝置之間設(shè)有加熱器，加熱器的出口與滲透汽化膜 分離裝置的上游側(cè)進(jìn)口連接，上游側(cè)的出口與后一發(fā)酵罐的進(jìn)口連接；滲透汽化膜分離裝 置的下游側(cè)連接有真空系統(tǒng)，下游側(cè)和真空系統(tǒng)之間設(shè)有冷卻設(shè)備，冷卻設(shè)備的液體出口 與精餾裝置連接。
10.如權(quán)利要求8或9所述的實(shí)現(xiàn)連續(xù)滲透汽化耦合發(fā)酵生產(chǎn)生物丁醇的裝置，其特征 在于所述前一發(fā)酵罐與加熱器之間設(shè)有固液分離設(shè)備，固液分離設(shè)備的液相出口與加熱 器的進(jìn)口連接，固液分離設(shè)備的固相出口與下一發(fā)酵罐連接；所述固液分離設(shè)備、加熱器和 滲透汽化膜分離裝置位于密閉罩內(nèi)，密閉罩的進(jìn)氣口與前一發(fā)酵罐的出氣口連接，密閉罩 的出氣口與氣體收集罐連接。
全文摘要
本發(fā)明屬于發(fā)酵生產(chǎn)生物丁醇技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種連續(xù)滲透汽化耦合發(fā)酵生產(chǎn)生物丁醇的方法和裝置，該方法為發(fā)酵醪液由前一發(fā)酵罐排出后送入下一發(fā)酵罐依次繼續(xù)發(fā)酵，發(fā)酵醪液由前一發(fā)酵罐送入下一發(fā)酵罐之前，發(fā)酵醪液中的液相部分先通過(guò)滲透汽化膜分離裝置將丁醇汽化分離，分離丁醇后的發(fā)酵醪液再送入下一發(fā)酵罐。本發(fā)明的方法是采用滲透汽化膜分離的方法將發(fā)酵過(guò)程連續(xù)不斷地把已生成的丁醇從發(fā)酵醪液中分離出來(lái)，避免丁醇濃度過(guò)高對(duì)發(fā)酵菌種的抑制，讓發(fā)酵連續(xù)進(jìn)行，從而獲得丁醇的最大產(chǎn)量，節(jié)省二分之一蒸汽，減少百分之六十以上的廢水排放，為生物丁醇生產(chǎn)企業(yè)帶來(lái)非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號(hào)C12M1/12GK101851641SQ20101016285
公開(kāi)日2010年10月6日 申請(qǐng)日期2010年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月5日
發(fā)明者王建設(shè), 王紹鵬 申請(qǐng)人:王建設(shè)