專(zhuān)利名稱(chēng)：一種用于氣相底物發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)酸或有機(jī)醇的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種用于氣相底物發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)酸或有機(jī)醇的系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實(shí)用新型涉及一種用于氣相底物發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)酸或有機(jī)醇的系統(tǒng)。
技術(shù)背景[0002]能源是現(xiàn)代社會(huì)賴(lài)以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。為彌補(bǔ)化石燃料的不足、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)和保護(hù)生態(tài)環(huán)境，大力開(kāi)發(fā)新能源和可再生能源是當(dāng)今世界研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)，其中利用含 CO或壓/0)2的氣體為底物厭氧發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)酸或有機(jī)醇就是很有潛力和競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)。[0003]含CO和/或吐的氣體主要來(lái)自碳黑、焦炭、制氨、石油加工、鋼鐵等工廠產(chǎn)生的廢氣。每年通過(guò)工業(yè)復(fù)合物排放超過(guò)600萬(wàn)噸CO和接近400萬(wàn)噸H2。許多情況下，這些氣體被排放到大氣中，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。[0004]另一類(lèi)含CO和/或吐的氣體源自煤、石油、生物質(zhì)和有機(jī)廢物等含碳物質(zhì)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(lèi)豐富而廉價(jià)的生物加工原料。這些氣體可通過(guò)厭氧發(fā)酵轉(zhuǎn)化為多種有用的燃料和化學(xué)品，比如乙酸、丁酸、乙醇和丁醇等。[0005]與合成氣化學(xué)轉(zhuǎn)化相比，生物轉(zhuǎn)化具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)(1)生物轉(zhuǎn)化的反應(yīng)條件溫和；(2)酶的專(zhuān)一性比無(wú)機(jī)催化劑高，因而產(chǎn)物得率高，副產(chǎn)物少；(3)生物轉(zhuǎn)化不需要固定的0)和壓比例；(4)發(fā)酵菌對(duì)合成氣中的硫化物具有耐受性，減少了氣體凈化成本。[0006]以CO和/或吐和(X)2為底物通過(guò)厭氧微生物發(fā)酵生產(chǎn)乙酸、乙酸鹽或其它具有商業(yè)價(jià)值的產(chǎn)品的方法已經(jīng)有了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的實(shí)施。參見(jiàn)，例如，Vega等(1989)，生物技術(shù)與生物工程，34 =785-793 ；Klasson等(1990)，應(yīng)用生物化學(xué)與生物技術(shù)，24/25 :1。[0007]作為合成氣發(fā)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(yǎng)基(發(fā)酵液、液相)和懸浮在培養(yǎng)基中的微生物細(xì)胞(固相)；氣相底物必須先擴(kuò)散到氣-液界面，再在液相中微生物細(xì)胞表面為細(xì)胞所用，氣液傳質(zhì)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(yīng)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(xù)通入生物反應(yīng)器，發(fā)酵產(chǎn)生乙酸、乙醇和C02，N2和甲烷等非反應(yīng)氣體不參與發(fā)酵反應(yīng)。由未被轉(zhuǎn)化的CO和H2、副產(chǎn)物C02、N2和甲烷等非反應(yīng)氣體組成的發(fā)酵尾氣從生物反應(yīng)器上排出。[0014]CO和吐的單程轉(zhuǎn)化率低于100 %，一般為60-80 %，所以發(fā)酵尾氣中存在一定比例的發(fā)酵底物。發(fā)酵尾氣一般組成為(體積％，組分和新鮮合成氣組成、底物轉(zhuǎn)化率有關(guān)) C0250 60%，C0 16 30%，H216 ^%，N2和甲烷等0. 1 5%?；厥绽梦矚庵杏杏玫孜?，既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保。[0015]中國(guó)專(zhuān)利ZL200510109722. 1 “生產(chǎn)乙酸的微生物工藝以及從發(fā)酵液中萃取乙酸的溶劑”，ZL99810663. 1 “生產(chǎn)乙酸的微生物工藝以及從發(fā)酵液中萃取乙酸的溶劑”， ZL96180363. 0 “用生物學(xué)工藝從廢氣中制備乙酸”公開(kāi)了用此類(lèi)氣體、培養(yǎng)基和一種或多種厭氧菌在生物反應(yīng)器內(nèi)發(fā)酵的方法大規(guī)模生產(chǎn)乙酸等有用化學(xué)品的方法。這些專(zhuān)利方法中氣相底物在經(jīng)過(guò)生物反應(yīng)器后其中非反應(yīng)氣體和未反應(yīng)基質(zhì)氣體作為廢氣釋放，沒(méi)有提及發(fā)酵尾氣的處理和回用。[0016]常規(guī)的氣相底物發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)酸或有機(jī)醇的系統(tǒng)包括生物反應(yīng)器、過(guò)濾設(shè)備和有機(jī)物分離裝置，其中生物反應(yīng)器用于氣相底物發(fā)酵，生物反應(yīng)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(yīng)器與過(guò)濾設(shè)備之間連接有流通管，用于將發(fā)酵物輸送至過(guò)濾設(shè)備中進(jìn)行細(xì)胞過(guò)濾；過(guò)濾設(shè)備和有機(jī)物分離裝置之間連接有流通管，用于將過(guò)濾出細(xì)胞后的過(guò)濾物進(jìn)行分離，以分離出有機(jī)物。使用常規(guī)的系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)發(fā)酵尾氣的處理和回用。發(fā)明內(nèi)容[0017]本實(shí)用新型的目的是提供一種用于氣相底物發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)酸或有機(jī)醇的系統(tǒng)，以處理和回用發(fā)酵尾氣。[0018]一種用于氣相底物發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)酸或有機(jī)醇的系統(tǒng)，包括生物反應(yīng)器、過(guò)濾設(shè)備和有機(jī)物分離裝置，生物反應(yīng)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(tǒng)還包括尾氣處理裝置，所述尾氣處理裝置與生物反應(yīng)器之間連接有將發(fā)酵尾氣通入尾氣處理裝置的發(fā)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后尾氣輸送管。[0019]優(yōu)選地，所述生物反應(yīng)器和過(guò)濾設(shè)備之間連接有將過(guò)濾出的細(xì)胞濃溶液輸回至生物反應(yīng)器的細(xì)胞回流管。[0020]優(yōu)選地，所述有機(jī)物分離裝置與生物反應(yīng)器之間連接有將有機(jī)物分離裝置中分離出的水輸回至生物反應(yīng)器的返回水管。[0021]優(yōu)選地，所述生物反應(yīng)器是固定化細(xì)胞反應(yīng)器或懸浮細(xì)胞反應(yīng)器；進(jìn)一步優(yōu)選地， 所述生物反應(yīng)器是滴流床反應(yīng)器、連續(xù)攪拌反應(yīng)器或氣升式反應(yīng)器。[0022]優(yōu)選地，所述過(guò)濾設(shè)備是離心機(jī)、超濾膜過(guò)濾裝置或中空纖維膜過(guò)濾裝置。進(jìn)一步優(yōu)選地，所述過(guò)濾設(shè)備是中空纖維膜過(guò)濾裝置。[0023]優(yōu)選地，所述有機(jī)物分離裝置是精餾塔或萃取精餾裝置。進(jìn)一步優(yōu)選地，所述有機(jī)物分離裝置是精餾塔。[0024]優(yōu)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(xué)吸附裝置；進(jìn)一步優(yōu)選地，所述尾氣處理裝置是變壓吸附裝置。[0025]優(yōu)選地，所述發(fā)酵尾氣輸送管上還設(shè)置有排氣管，用于將部分發(fā)酵尾氣輸送至例如火炬的處理裝置中燃燒。[0026]在該系統(tǒng)中，氣相底物輸入至生物反應(yīng)器中進(jìn)行發(fā)酵，發(fā)酵后的產(chǎn)物流入細(xì)胞過(guò)濾設(shè)備中進(jìn)行細(xì)胞過(guò)濾，以分離細(xì)菌細(xì)胞。分離出的細(xì)胞濃溶液通過(guò)細(xì)胞回流管輸回至生物反應(yīng)器回收利用，其它物質(zhì)進(jìn)入有機(jī)物分離裝置中分離出有機(jī)物和水。分離出的水回流至生物反應(yīng)器中重復(fù)利用。生物反應(yīng)器中的發(fā)酵尾氣進(jìn)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。處理后的尾氣通過(guò)尾氣處理裝置和氣相底物輸入管之間的處理后尾氣輸送管輸送至氣相底物輸入管中，與新鮮氣相底物合并，并進(jìn)入生物反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)。[0027]本實(shí)用新型的系統(tǒng)通過(guò)尾氣處理裝置回收發(fā)酵尾氣中的二氧化碳，富集并回收利用氣相底物，提高了氣相底物的轉(zhuǎn)化率，提高有機(jī)醇或有機(jī)酸的產(chǎn)率，降低氣相底物和二氧化碳的排放，保護(hù)環(huán)境。


[0028]圖1是本實(shí)用新型一種實(shí)施方式的示意圖。
具體實(shí)施方式
[0029]現(xiàn)通過(guò)具體實(shí)施方式
和附圖說(shuō)明本實(shí)用新型，但本實(shí)用新型不限于以下內(nèi)容。[0030]如圖1所示的一種具體實(shí)施方式
中，本實(shí)用新型的用于氣相底物發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)酸或有機(jī)醇的系統(tǒng)包括用于氣相底物發(fā)酵的生物反應(yīng)器1，用于過(guò)濾細(xì)胞的過(guò)濾設(shè)備2，用于分離有機(jī)物的有機(jī)物分離裝置3和尾氣處理裝置4 ；其中，生物反應(yīng)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(guò)濾設(shè)備2與生物反應(yīng)器1之間連接有將發(fā)酵物輸入至過(guò)濾設(shè)備2的發(fā)酵物流通管6和將過(guò)濾設(shè)備2過(guò)濾出的細(xì)胞濃溶液輸回至生物反應(yīng)器1的細(xì)胞回流管7 ；過(guò)濾設(shè)備2與有機(jī)物分離裝置3之間連接有將過(guò)濾物從過(guò)濾設(shè)備2引入有機(jī)物分離裝置3的過(guò)濾物流通管8 ；有機(jī)物分離裝置3與生物反應(yīng)器1之間連接有將有機(jī)物分離裝置3中分離出的水輸回至生物反應(yīng)器1的返回水管9 ；尾氣處理裝置4和生物反應(yīng)器1之間連接有將發(fā)酵尾氣通入至尾氣處理裝置4的發(fā)酵尾氣輸送管11 ；尾氣處理裝置4和氣相底物輸入管5之間連接有處理后尾氣輸送管10。[0031]在一種實(shí)施例中，使用該系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)酸或有機(jī)醇發(fā)酵時(shí)，氣相底物從氣相底物輸入管5輸入至生物反應(yīng)器1中在37°C下進(jìn)行發(fā)酵，生物反應(yīng)器1內(nèi)裝有懸浮于水相的厭氧菌。在本實(shí)施例中，生物反應(yīng)器1是連續(xù)攪拌發(fā)酵罐(BI0FL0，New Brunswick Scientific Co.，Inc.)；在其它實(shí)施例中，生物反應(yīng)器1也可以是滴流床反應(yīng)器或氣升式反應(yīng)器。發(fā)酵后的發(fā)酵物從發(fā)酵物流通管6流入過(guò)濾設(shè)備2中進(jìn)行細(xì)胞過(guò)濾，以分離細(xì)菌細(xì)胞。在該實(shí)施例中，過(guò)濾設(shè)備2是中空纖維膜過(guò)濾裝置；在其它實(shí)施例中，過(guò)濾設(shè)備2還可以是離心機(jī)或超濾膜過(guò)濾裝置。分離出的細(xì)胞濃溶液通過(guò)細(xì)胞回流管7流回發(fā)酵罐1中回收利用，其它物質(zhì)通過(guò)過(guò)濾物流通管8進(jìn)入有機(jī)物分離裝置3中分離出95%乙醇和水。在本實(shí)施例中，有機(jī)物分離裝置3是精餾塔；在其它實(shí)施例中，有機(jī)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(guò)返回水管9回流至連續(xù)攪拌發(fā)酵罐中重復(fù)利用。連續(xù)攪拌發(fā)酵罐中的發(fā)酵尾氣大約為0. 02MPa、37°C，發(fā)酵尾氣通過(guò)發(fā)酵尾氣輸送管11進(jìn)入尾氣處理裝置4。 在該實(shí)施例中，尾氣處理裝置4是變壓吸附裝置；在其它實(shí)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(xué)吸附裝置。在變壓吸附裝置中，發(fā)酵尾氣經(jīng)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?xì)怏w和富含氫氣、 一氧化碳的混合氣。高濃度的二氧化碳?xì)怏w經(jīng)壓縮、液化、減壓、分離提純后得到液體二氧化碳。富集的氫氣和一氧化碳大部分通過(guò)處理后尾氣輸送管10輸送至氣相底物輸入管5 中，與新鮮氣相底物合并，并進(jìn)入發(fā)酵罐1中進(jìn)行反應(yīng)。[0032] 在一種實(shí)施例中，可以在發(fā)酵尾氣輸送管11上設(shè)置排氣管。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)實(shí)際需要，可以將一部分發(fā)酵尾氣進(jìn)行去除ω2處理，再與新鮮合成氣混合回用；而另一部分發(fā)酵尾氣則通過(guò)排氣管排至例如火炬等的處理裝置中燃燒。
權(quán)利要求1.一種用于氣相底物發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)酸或有機(jī)醇的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括生物反應(yīng)器、 過(guò)濾設(shè)備和有機(jī)物分離裝置，生物反應(yīng)器上連接有接收外部輸入的氣相底物的氣相底物輸入管，其特征在于所述系統(tǒng)還包括尾氣處理裝置，所述尾氣處理裝置與生物反應(yīng)器之間連接有將發(fā)酵尾氣通入尾氣處理裝置的發(fā)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后尾氣輸送管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述生物反應(yīng)器和過(guò)濾設(shè)備之間連接有將過(guò)濾出的細(xì)胞濃溶液輸回至生物反應(yīng)器的細(xì)胞回流管。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述有機(jī)物分離裝置與生物反應(yīng)器之間連接有將有機(jī)物分離裝置中分離出的水輸回至生物反應(yīng)器的返回水管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任何一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述生物反應(yīng)器是固定化細(xì)胞反應(yīng)器或懸浮細(xì)胞反應(yīng)器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述生物反應(yīng)器是滴流床反應(yīng)器、連續(xù)攪拌反應(yīng)器或氣升式反應(yīng)器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3任何一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述過(guò)濾設(shè)備是離心機(jī)、超濾膜過(guò)濾裝置或中空纖維膜過(guò)濾裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-3任何一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述有機(jī)物分離裝置是精餾塔或萃取精餾裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-3任何一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，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(xué)吸附裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-3任何一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)酵尾氣輸送管上設(shè)有排氣管。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及一種用于氣相底物發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)酸或有機(jī)醇的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括生物反應(yīng)器、過(guò)濾設(shè)備和有機(jī)物分離裝置，生物反應(yīng)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(tǒng)還包括尾氣處理裝置，所述尾氣處理裝置與生物反應(yīng)器之間連接有將發(fā)酵尾氣通入尾氣處理裝置的發(fā)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后尾氣輸送管。本系統(tǒng)可以有效處理和回用發(fā)酵尾氣。
文檔編號(hào)C12M1/00GK202272866SQ20112037031
公開(kāi)日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月29日
發(fā)明者代俊明, 朱德權(quán), 楊建春 申請(qǐng)人:北京信匯生物能源科技股份有限公司