本發(fā)明涉及發(fā)酵領(lǐng)域，具體地，涉及制備丁醇的系統(tǒng)和利用前述制備丁醇的系統(tǒng)制備丁醇的方法。

背景技術(shù)：

產(chǎn)物抑制是生物丁醇制備研究中迫切需要解決的技術(shù)難題，在傳統(tǒng)發(fā)酵過(guò)程中丁醇的濃度一般都低于13g/L，產(chǎn)物抑制造成發(fā)酵液中丁醇的濃度和生產(chǎn)強(qiáng)度很低，使得下游分離純化的能耗成本極高，嚴(yán)重影響生物丁醇的經(jīng)濟(jì)性。將分離技術(shù)原位集成于ABE(Acetone-butanol-ethanol)發(fā)酵，可解除產(chǎn)物抑制，提高丁醇生產(chǎn)強(qiáng)度，提高丁醇產(chǎn)量和底物利用率，同時(shí)降低后續(xù)分離成本。

氣提工藝可以減少代謝產(chǎn)物對(duì)發(fā)酵的抑制，無(wú)菌氮?dú)夤拇档桨l(fā)酵罐中，部分溶劑被順帶出去，氣體經(jīng)過(guò)冷凝器，此時(shí)溶劑被冷凝下來(lái)并被收集。將補(bǔ)料發(fā)酵工藝和氣提技術(shù)結(jié)合起來(lái)可以降低生產(chǎn)成本，補(bǔ)料發(fā)酵過(guò)程中，減小了底物抑制，高濃度糖的應(yīng)用可以節(jié)約能耗，同時(shí)減少了污水的排放；氣提過(guò)程中冷凝下來(lái)的為高濃度的溶劑，節(jié)約了產(chǎn)物回收時(shí)的能耗，同時(shí)減少了發(fā)酵液中丁醇對(duì)菌體的毒害，可使菌體保持高的生產(chǎn)活力。但采用氮?dú)鈿馓嵋灿胁蛔愕牡胤剑豪淠煌耆斐啥〈蓟厥章实汀馓嵛矚庵泻猩倭緼BE造成環(huán)境污染、能耗較高等。

由此，氣提工藝偶聯(lián)的發(fā)酵系統(tǒng)有待改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題之一。為此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種制備丁醇的系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需除氧處理，丁醇回收率高，能耗低。

需要說(shuō)明的是，本發(fā)明是基于發(fā)明人的下列工作而完成的：

氣提工藝可以減少代謝產(chǎn)物對(duì)發(fā)酵的抑制，無(wú)菌氮?dú)夤拇档桨l(fā)酵罐中，部分溶劑被順帶出去，氣體經(jīng)過(guò)冷凝器，此時(shí)溶劑被冷凝下來(lái)并被收集。將補(bǔ)料發(fā)酵工藝和氣提技術(shù)結(jié)合起來(lái)可以降低生產(chǎn)成本，補(bǔ)料發(fā)酵過(guò)程中，減小了底物抑制，高濃度糖的應(yīng)用可以節(jié)約能耗，同時(shí)減少了污水的排放；氣提過(guò)程中冷凝下來(lái)的為高濃度的溶劑，節(jié)約了產(chǎn)物回收時(shí)的能耗，同時(shí)減少了發(fā)酵液中丁醇對(duì)菌體的毒害，可使菌體保持高的生產(chǎn)活力。但采用氮?dú)鈿馓嵋灿胁蛔愕牡胤剑豪淠煌耆斐啥〈蓟厥章实?、氣提尾氣中含有少量乙醇、丙酮、丁?ABE)，釋放到大氣中造成環(huán)境污染、能耗較高等。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，采用發(fā)酵自產(chǎn)氣體循環(huán)氣提與ABE發(fā)酵耦合分離丁醇可有效解決上述問(wèn)題。

發(fā)明人利用發(fā)酵自產(chǎn)氣體通過(guò)氣體分布器在發(fā)酵液中產(chǎn)泡，氣泡截獲丁醇，隨后在冷凝器中冷凝回收，冷凝后的自產(chǎn)氣體通過(guò)氣體循環(huán)泵重新打入氣體分布器回收利用，從而實(shí)現(xiàn)自產(chǎn)氣循環(huán)氣提。并且，發(fā)明人采用包含丙酮丁醇梭菌與蠟狀芽孢桿菌的共生菌系進(jìn)行發(fā)酵，該共生菌系可以在非嚴(yán)格厭氧條件下生產(chǎn)丁醇，無(wú)需進(jìn)行除氧。

因而，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種制備丁醇的系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該系統(tǒng)包括：發(fā)酵罐，所述發(fā)酵罐具有補(bǔ)料液入口，氣體入口和氣體出口，所述發(fā)酵罐內(nèi)含有發(fā)酵產(chǎn)生丁醇的共生菌系；氣體分布器，所述氣體分布器設(shè)置在所述發(fā)酵罐內(nèi)；氣體循環(huán)泵，所述氣體循環(huán)泵具有氣體輸入端和氣體輸出端，所述氣體輸出端經(jīng)所述氣體入口與所述氣體分布器相連；冷凝器，所述冷凝器具有待冷凝氣體入口和冷凝氣出口，所述冷凝氣出口與所述氣體輸入端相連；收集器，所述收集器具有氣體入口和排氣口，所述氣體入口與所述氣體出口相連，所述排氣口與所述待冷凝氣體入口相連；以及冷卻器，所述冷卻器位于所述收集器下端。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制備丁醇的系統(tǒng)，利用共生菌系進(jìn)行發(fā)酵，在非嚴(yán)格厭氧條件下生產(chǎn)丁醇，發(fā)酵自產(chǎn)氣體通過(guò)氣體分布器在發(fā)酵液中產(chǎn)泡，氣泡截獲丁醇，隨后在冷凝器中冷凝回收，冷凝后的分離出丁醇的自產(chǎn)氣體通過(guò)氣體循環(huán)泵重新打入氣體分布器回收利用，從而實(shí)現(xiàn)自產(chǎn)氣循環(huán)氣提，避免氣體尾氣中ABE的產(chǎn)生，環(huán)境污染小。同時(shí)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，發(fā)酵罐同時(shí)也是氣提罐，使丁醇生產(chǎn)與丁醇提取的過(guò)程在同一個(gè)生物反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，無(wú)需另外啟動(dòng)氣提罐進(jìn)行丁醇的分離，也無(wú)需利用蠕動(dòng)泵使發(fā)酵液在發(fā)酵罐與氣提罐之間不斷往復(fù)循環(huán)，從而避免了因部分丁醇?xì)埩粲诎l(fā)酵罐中降低丁醇回收率的情況發(fā)生，大大降低能耗及成本，降低染菌可能性，提高丁醇回收率，操作更簡(jiǎn)單更適用于規(guī)?；a(chǎn)。由此，丁醇回收率高，節(jié)能環(huán)保，操作簡(jiǎn)單。另外，根據(jù)本發(fā)明上述實(shí)施例的制備丁醇的系統(tǒng)還可以具有如下附加的技術(shù)特征：

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述發(fā)酵罐的氣體出口和所述收集器的氣體入口均為兩個(gè)，且一一對(duì)應(yīng)相連。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該系統(tǒng)進(jìn)一步包括：氣體流量計(jì)，所述氣體流量計(jì)與所述氣體循環(huán)泵的氣體輸出端和所述發(fā)酵罐的氣體入口相連。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括：蠕動(dòng)泵，所述蠕動(dòng)泵具有進(jìn)料端和輸料端，所述輸料端與所述補(bǔ)料液入口相連；補(bǔ)料罐，所述補(bǔ)料罐具有料液出口，所述料液出口與所述蠕動(dòng)泵的進(jìn)料端相連。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述發(fā)酵罐為單體發(fā)酵罐。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述共生菌系包括丙酮丁醇梭菌與蠟狀芽孢桿菌。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提供了一種利用前述制備丁醇的系統(tǒng)制備丁醇的方法。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該方法包括：利用發(fā)酵產(chǎn)生丁醇的共生菌系在發(fā)酵罐中進(jìn)行發(fā)酵處理，以便得到丁醇和自產(chǎn)氣；所述自產(chǎn)氣經(jīng)氣體分布器形成氣泡并截獲丁醇混合，啟動(dòng)氣體循環(huán)泵進(jìn)行氣提處理，以便形成含有丁醇的氣泡；利用冷凝器對(duì)所述含有丁醇的氣泡進(jìn)行冷凝處理，以便使所述丁醇冷凝回流，得到丁醇液體和自產(chǎn)氣混合氣體，其中，所述自產(chǎn)氣混合氣體經(jīng)氣體循環(huán)泵返回所述發(fā)酵罐重復(fù)循環(huán)進(jìn)行所述氣提處理。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制備丁醇的方法，利用共生菌系進(jìn)行發(fā)酵，在非嚴(yán)格厭氧條件下生產(chǎn)丁醇，發(fā)酵自產(chǎn)氣體通過(guò)氣體分布器在發(fā)酵液中產(chǎn)泡，氣泡截獲丁醇，隨后在冷凝器中冷凝回收，冷凝后的自產(chǎn)氣體通過(guò)氣體循環(huán)泵重新打入氣體分布器回收利用，從而實(shí)現(xiàn)自產(chǎn)氣循環(huán)氣提，并且采用自體氣體進(jìn)行氣提，冷凝效果好，避免氣體尾氣中ABE的產(chǎn)生，環(huán)境污染小。同時(shí)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，丁醇回收率高，節(jié)能環(huán)保，操作簡(jiǎn)單。另外，前述制備丁醇的系統(tǒng)的全部特征和優(yōu)點(diǎn)均適用于該制備丁醇的方法，在此不再一一贅述。

另外，根據(jù)本發(fā)明上述實(shí)施例的制備丁醇的方法還可以具有如下附加的技術(shù)特征：

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，當(dāng)所述發(fā)酵液中的丁醇濃度大于7g/L時(shí)，啟動(dòng)所述氣體循環(huán)泵進(jìn)行所述氣提處理。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述氣提處理過(guò)程中，所述發(fā)酵液中的丁醇濃度為6-9g/L。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述氣體循環(huán)泵以1-4vvm的速率將所述自產(chǎn)氣混合氣體返回所述發(fā)酵罐重復(fù)循環(huán)進(jìn)行所述氣提處理。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述發(fā)酵處理過(guò)程中，所述發(fā)酵液中糖的濃度為10-40g/L。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述冷凝處理的溫度為-10℃-0℃。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述共生菌系包括丙酮丁醇梭菌與蠟狀芽孢桿菌。

本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的制備丁醇的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的制備丁醇的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的利用制備丁醇的系統(tǒng)制備丁醇的方法的流程示意圖。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類(lèi)似的標(biāo)號(hào)表示相同或類(lèi)似的元件或具有相同或類(lèi)似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，術(shù)語(yǔ)“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明而不是要求本發(fā)明必須以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

制備丁醇的系統(tǒng)

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種制備丁醇的系統(tǒng)。參考圖1根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該系統(tǒng)包括：發(fā)酵罐100、氣體分布器200、氣體循環(huán)泵300、冷凝器400、收集器500和冷卻器600。下面逐一對(duì)該系統(tǒng)的各裝置進(jìn)行解釋說(shuō)明：

發(fā)酵罐100：根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，發(fā)酵罐100具有補(bǔ)料液入口101，氣體入口102和氣體出口103圖2中未標(biāo)出101和102，該發(fā)酵罐內(nèi)含有發(fā)酵產(chǎn)生丁醇的共生菌系。由此，利用共生菌進(jìn)行發(fā)酵，通過(guò)耗氧菌消耗系統(tǒng)內(nèi)的氧氣，使系統(tǒng)可以在非嚴(yán)格厭氧條件下即可進(jìn)行發(fā)酵，無(wú)需排氧。

參考圖2，根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，發(fā)酵罐的氣體出口103和收集器的氣體入口501均為兩個(gè)，且一一對(duì)應(yīng)相連。由此，降低氣體循環(huán)阻力，提高溶劑提取效率。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，共生菌系包括丙酮丁醇梭菌與蠟狀芽孢桿菌。通常利用發(fā)酵法生產(chǎn)丁醇時(shí)，大部分丁醇發(fā)酵菌株均為嚴(yán)格厭氧型，因菌種自身生理生化特性，使得發(fā)酵培養(yǎng)都維持在嚴(yán)格厭氧條件下，種子培養(yǎng)階段，需要在厭氧培養(yǎng)箱中進(jìn)行，發(fā)酵培養(yǎng)階段，要采用制氮設(shè)備維持發(fā)酵的厭氧環(huán)境，增加了固定設(shè)備的投資及能耗。同時(shí)，發(fā)酵一般處在靜止或低速攪拌下進(jìn)行，在大規(guī)模培養(yǎng)時(shí)，不利于發(fā)酵初期菌體對(duì)營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)的吸收以及傳質(zhì)的進(jìn)行，特別是在非玉米的合成培養(yǎng)基中菌株難以生長(zhǎng)。本發(fā)明中，發(fā)明人將嚴(yán)格厭氧的丙酮丁醇梭菌和與其共生的耗氧菌蠟狀芽孢桿菌共同進(jìn)行培養(yǎng)，利用蠟狀芽孢桿菌消耗系統(tǒng)內(nèi)的氧氣，為丙酮丁醇梭菌制造一個(gè)厭氧的微環(huán)境，使共生菌在非嚴(yán)格厭氧條件下即可發(fā)酵生產(chǎn)丁醇，降低成本及能耗，使操作更簡(jiǎn)便。

氣體分布器200：根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，氣體分布器200設(shè)置在發(fā)酵罐100內(nèi)。自產(chǎn)氣通過(guò)氣體分布器形成氣泡，從而進(jìn)行氣提處理，從自產(chǎn)氣中提取丁醇。

氣體循環(huán)泵300：根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該氣體循環(huán)泵300具有氣體輸入端301和氣體輸出端302，其中，氣體輸出端302經(jīng)氣體入口102與氣體分布器200相連。由此，冷凝后的自產(chǎn)氣體通過(guò)氣體循環(huán)泵重新打入氣體分布器回收利用，從而實(shí)現(xiàn)自產(chǎn)氣循環(huán)氣提，并且采用自產(chǎn)氣體進(jìn)行氣提，冷凝效果好，避免氣體尾氣中ABE的產(chǎn)生，環(huán)境污染小。

參考圖2，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該系統(tǒng)進(jìn)一步包括：氣體流量計(jì)700，該氣體流量計(jì)700與氣體循環(huán)泵300的氣體輸出端302和發(fā)酵罐100的氣體入口102相連。用于檢測(cè)返回發(fā)酵罐的自產(chǎn)氣的流速，控制氣提的進(jìn)行。

根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，氣提處理可采用間歇式氣提處理或連續(xù)式氣提處理。例如，在補(bǔ)料批式發(fā)酵耦合在線(xiàn)氣提分離丁醇的過(guò)程中，控制補(bǔ)料速率，使得發(fā)酵罐中糖濃度保持在10-40g/L。當(dāng)發(fā)酵液中的丁醇濃度大于7g/L時(shí)開(kāi)始?xì)馓幔瑔?dòng)氣體循環(huán)泵，循環(huán)自產(chǎn)氣，控制氣體流速，使得發(fā)酵液中丁醇濃度維持在6-9g/L，其中，氣體流速可以為1-3vvm。當(dāng)采用間歇式氣提處理時(shí)，當(dāng)發(fā)酵液中的丁醇濃度大于7g/L時(shí)開(kāi)始?xì)馓?，?dāng)發(fā)酵液中的丁醇濃度低于6g/L時(shí)停止氣提；當(dāng)采用連續(xù)式氣提時(shí)，當(dāng)發(fā)酵液中的丁醇濃度大于7g/L時(shí)開(kāi)始?xì)馓?，直到發(fā)酵結(jié)束。

冷凝器400：根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該冷凝器400具有待冷凝氣體入口401和冷凝氣出口402，其中，冷凝氣出口402與氣體輸入端301相連，含有丁醇的自產(chǎn)氣由待冷凝氣體入口401進(jìn)入冷凝器中進(jìn)行冷凝回收丁醇，分離出丁醇的自產(chǎn)氣體通過(guò)冷凝氣出口402進(jìn)入氣體循環(huán)泵重新打入氣體分布器回收利用。

根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，該冷凝器400可以為冷凝管，根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，該冷凝管可以為球形或者蛇形冷凝管。由此，裝置的價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，冷凝效果好。

收集器500：根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，收集器500具有氣體入口501和排氣口502，其中，氣體入口501與氣體出口103相連，排氣口205與待冷凝氣體入口401相連，自產(chǎn)氣由氣體入口501進(jìn)入收集器500，再經(jīng)待冷凝氣體入口401進(jìn)入冷凝器400冷凝回收丁醇，丁醇回流進(jìn)入收集器500進(jìn)行儲(chǔ)存。

冷卻器600：根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，冷卻器600位于收集器500的下端，保持收集器內(nèi)的丁醇處于低溫狀態(tài)，防止丁醇蒸發(fā)。

根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，冷卻器600為低溫循環(huán)水浴。既可以保持收集器內(nèi)的丁醇處于低溫狀態(tài)，又可以為冷凝管提供循環(huán)的冷卻液。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制備丁醇的系統(tǒng)，利用共生菌系進(jìn)行發(fā)酵，在非嚴(yán)格厭氧條件下生產(chǎn)丁醇，發(fā)酵自產(chǎn)氣體通過(guò)氣體分布器在發(fā)酵液中產(chǎn)泡，氣泡截獲丁醇，隨后在冷凝器中冷凝回收，冷凝后的自產(chǎn)氣體通過(guò)氣體循環(huán)泵重新打入氣體分布器回收利用，從而實(shí)現(xiàn)自產(chǎn)氣循環(huán)氣提，并且采用自體氣體進(jìn)行氣提，冷凝效果好，避免氣體尾氣中ABE的產(chǎn)生，環(huán)境污染小。同時(shí)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，發(fā)酵罐同時(shí)也是氣提罐，使丁醇生產(chǎn)與丁醇提取的過(guò)程在同一個(gè)生物反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，無(wú)需另外啟動(dòng)氣提罐進(jìn)行丁醇的分離，也無(wú)需利用蠕動(dòng)泵使發(fā)酵液在發(fā)酵罐與氣提罐之間不斷往復(fù)循環(huán)，從而避免了因部分丁醇?xì)埩粲诎l(fā)酵罐中降低丁醇回收率的情況發(fā)生，大大降低能耗及成本，降低染菌可能性，提高丁醇回收率，操作更簡(jiǎn)單更適用于規(guī)?；a(chǎn)。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括：蠕動(dòng)泵800和補(bǔ)料罐900，其中，蠕動(dòng)泵800具有進(jìn)料端801和輸料端802，其中，輸料端802與補(bǔ)料液入口101相連；補(bǔ)料罐900具有料液出口901，該料液出口901與蠕動(dòng)泵801的進(jìn)料端相連，補(bǔ)料罐900中的補(bǔ)料液經(jīng)蠕動(dòng)泵800輸送至發(fā)酵罐100，保證發(fā)酵罐中糖濃度穩(wěn)定，使發(fā)酵順利進(jìn)行。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，發(fā)酵罐為單體發(fā)酵罐，發(fā)酵罐同時(shí)也是氣提罐，氣體分布器置于發(fā)酵罐內(nèi)部，發(fā)酵罐氣體出口與冷凝系統(tǒng)相連接，從而實(shí)現(xiàn)丁醇生產(chǎn)與丁醇提取的過(guò)程在同一個(gè)生物反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，無(wú)需另外啟動(dòng)氣提罐進(jìn)行丁醇的分離，也無(wú)需利用蠕動(dòng)泵使發(fā)酵液在發(fā)酵罐與氣提罐之間不斷往復(fù)循環(huán)。由此，發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

制備丁醇的方法

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提供了一種利用前述制備丁醇的系統(tǒng)制備丁醇的方法。參考圖3，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該方法包括：

S100發(fā)酵處理

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，利用共生菌系在發(fā)酵罐中進(jìn)行發(fā)酵處理，得到丁醇和自產(chǎn)氣。由此，利用共生菌進(jìn)行發(fā)酵，通過(guò)耗氧菌消耗系統(tǒng)內(nèi)的氧氣，使系統(tǒng)可以在非嚴(yán)格厭氧條件下即可進(jìn)行發(fā)酵，無(wú)需排氧。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，共生菌系包括丙酮丁醇梭菌與蠟狀芽孢桿菌。通常利用發(fā)酵法生產(chǎn)丁醇時(shí)，大部分丁醇發(fā)酵菌株均為嚴(yán)格厭氧型，因菌種自身生理生化特性，使得發(fā)酵培養(yǎng)都維持在嚴(yán)格厭氧條件下，種子培養(yǎng)階段，需要在厭氧培養(yǎng)箱中進(jìn)行，發(fā)酵培養(yǎng)階段，要采用制氮設(shè)備維持發(fā)酵的厭氧環(huán)境，增加了固定設(shè)備的投資及能耗。同時(shí)，發(fā)酵一般處在靜止或低速攪拌下進(jìn)行，在大規(guī)模培養(yǎng)時(shí)，不利于發(fā)酵初期菌體對(duì)營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)的吸收以及傳質(zhì)的進(jìn)行，特別是在非玉米的合成培養(yǎng)基中菌株難以生長(zhǎng)。本發(fā)明中，發(fā)明人將嚴(yán)格厭氧的丙酮丁醇梭菌和與其共生的耗氧菌蠟狀芽孢桿菌共同進(jìn)行培養(yǎng)，利用蠟狀芽孢桿菌消耗系統(tǒng)內(nèi)的氧氣，為丙酮丁醇梭菌制造一個(gè)厭氧的微環(huán)境，使共生菌在非嚴(yán)格厭氧條件下即可發(fā)酵生產(chǎn)丁醇，降低成本及能耗，使操作更簡(jiǎn)便。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，發(fā)酵處理過(guò)程中，發(fā)酵液中糖的濃度為10-40g/L。由此，保證發(fā)酵的原料充足，使發(fā)酵順利進(jìn)行。如果隨著發(fā)酵的進(jìn)行，發(fā)酵液中的糖的濃度逐漸降低，可以通過(guò)補(bǔ)料罐向發(fā)酵罐中補(bǔ)充補(bǔ)料液。

S200氣提處理

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，自產(chǎn)氣經(jīng)氣體分布器形成氣泡并截獲丁醇混合，啟動(dòng)氣體循環(huán)泵進(jìn)行氣提處理，形成含有丁醇的氣泡，從而將丁醇從發(fā)酵液中提取出來(lái)。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，當(dāng)發(fā)酵液中的丁醇濃度大于7g/L時(shí)，啟動(dòng)氣體循環(huán)泵進(jìn)行氣提處理，從而避免丁醇濃度過(guò)高抑制菌體的生長(zhǎng)和丁醇的合成。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，氣提處理可采用間歇式氣提處理或連續(xù)式氣提處理。當(dāng)采用間歇式氣提處理時(shí)，當(dāng)發(fā)酵液中的丁醇濃度大于7g/L時(shí)開(kāi)始?xì)馓幔?dāng)發(fā)酵液中的丁醇濃度低于6g/L時(shí)停止氣提；當(dāng)采用連續(xù)式氣提時(shí)，當(dāng)發(fā)酵液中的丁醇濃度大于7g/L時(shí)開(kāi)始?xì)馓?，直到發(fā)酵結(jié)束。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，氣提處理過(guò)程中，發(fā)酵液中的丁醇濃度為6-9g/L。如果發(fā)酵液中的丁醇濃度過(guò)低，難以對(duì)丁醇進(jìn)行氣提處理，如果發(fā)酵液中的丁醇濃度過(guò)高，丁醇會(huì)對(duì)發(fā)酵液中的菌體產(chǎn)生毒害作用，抑制發(fā)酵作用。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)酵液中的丁醇濃度為6-9g/L是，氣提處理的效率高，此丁醇濃度對(duì)發(fā)酵液中的菌體幾乎無(wú)毒害作用。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，自產(chǎn)氣混合氣體返回發(fā)酵罐重復(fù)循環(huán)進(jìn)行氣提處理的速率不受特別的限制，可以根據(jù)發(fā)酵液中丁醇的濃度進(jìn)行調(diào)整，如果丁醇的濃度升高，說(shuō)明丁醇的生產(chǎn)強(qiáng)度升高，則適當(dāng)提高自產(chǎn)氣混合氣體返回發(fā)酵罐的速率，相反地，如果丁醇的濃度降低，說(shuō)明丁醇的生產(chǎn)強(qiáng)度降低，則適當(dāng)降低自產(chǎn)氣混合氣體返回發(fā)酵罐的速率。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，循環(huán)泵以1-4vvm的速率將自產(chǎn)氣混合氣體返回發(fā)酵罐重復(fù)循環(huán)進(jìn)行氣提處理。由此，即保證氣提處理的順利進(jìn)行，又避免發(fā)酵中丁醇的濃度過(guò)高或過(guò)低。

S300冷凝處理

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，利用冷凝器對(duì)含有丁醇的氣泡進(jìn)行冷凝處理，使丁醇冷凝回流，得到丁醇液體和自產(chǎn)氣混合氣體，其中，自產(chǎn)氣混合氣體經(jīng)氣體循環(huán)泵返回所述發(fā)酵罐重復(fù)循環(huán)進(jìn)行所述氣提處理。由此，含有丁醇的自產(chǎn)氣進(jìn)入冷凝器中進(jìn)行冷凝回收丁醇，分離出丁醇的自產(chǎn)氣體進(jìn)入氣體循環(huán)泵重新打入氣體分布器回收利用，從而實(shí)現(xiàn)自產(chǎn)氣循環(huán)氣提，并且采用自體氣體進(jìn)行氣提，冷凝效果好，避免氣體尾氣中ABE的產(chǎn)生，環(huán)境污染小，發(fā)酵成本低。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，冷凝處理的溫度為-10℃-0℃。由此，使丁醇液化冷凝回流，丁醇的回收率高。

一般方法

為了便于理解上述制備丁醇的方法，在此提供一種利用前述制備丁醇的系統(tǒng)制備丁醇的一般方法，該方法包括：

(1)將凍存的丙酮丁醇梭菌與蠟狀芽孢桿菌共生菌體系接種于6％(w/v)的玉米培養(yǎng)基中進(jìn)行復(fù)蘇，靜態(tài)培養(yǎng)24-36h作為發(fā)酵種菌。其中，玉米培養(yǎng)基的制備過(guò)程如下：稱(chēng)取12g玉米粉溶于500mL水中，在沸水中糊化處理40min，直至玉米粉溶液體積揮發(fā)至200mL，此即為6％(W/v)的玉米培養(yǎng)基，滅菌條件為121℃、20min。

(2)復(fù)蘇后的共生菌體系的培養(yǎng)物以7％(v/v)的接種量接入種子培養(yǎng)基靜態(tài)培養(yǎng)，從而獲得種子。種子培養(yǎng)的溫度為37℃。種子培養(yǎng)時(shí)間為16-24小時(shí)，靜置培養(yǎng)。種子培養(yǎng)基的成份：P2半合成培養(yǎng)基，緩沖液，微量元素液。其中P2半合成培養(yǎng)基組成為：葡萄糖30g/L，酵母浸粉1.0g/L，121℃滅菌20min。緩沖液組成為：K₂HPO₄ 50g/L，KH₂PO₄ 50g/L，CH₃COONH₄ 220g/L，過(guò)濾滅菌。微量元素液：MgSO₄·7H₂O 20.0，MnSO₄·H₂O 1.0，NaCl 1.0，F(xiàn)eSO₄·7H₂O 1.0，對(duì)氨基苯甲酸0.1，維生素B1 0.1，生物素0.001，過(guò)濾滅菌。接種前以1％的比例將緩沖液和微量元素液加入P2半合成培養(yǎng)基中。

(3)將獲得的種子以7％(v/v)的接種量接入發(fā)酵培養(yǎng)基中進(jìn)行發(fā)酵培養(yǎng)從而生產(chǎn)丁醇。其中，發(fā)酵培養(yǎng)的溫度為37℃，靜置培養(yǎng)。發(fā)酵培養(yǎng)基：P2半合成培養(yǎng)基，緩沖液，微量元素液。其中P2半合成培養(yǎng)基組成為：葡萄糖65g/L，酵母浸粉1.0g/L，121℃滅菌20min。緩沖液組成為：K₂HPO₄ 50g/L，KH₂PO₄ 50g/L，CH₃COONH₄ 220g/L，過(guò)濾滅菌。微量元素液：MgSO₄·7H₂O 20.0，MnSO₄·H₂O 1.0，NaCl 1.0，F(xiàn)eSO₄·7H₂O 1.0，對(duì)氨基苯甲酸0.1，維生素B1 0.1，生物素0.001，過(guò)濾滅菌。接種前以1％的比例將緩沖液和微量元素液加入P2半合成培養(yǎng)基中。

(4)當(dāng)發(fā)酵培養(yǎng)基中丁醇濃度達(dá)到7g/L時(shí)，啟動(dòng)氣體循環(huán)泵，開(kāi)始?xì)馓?。氣提原料液為產(chǎn)丁醇共生菌系的發(fā)酵液，進(jìn)入發(fā)酵系統(tǒng)中用于提取丁醇的氣體為發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)丁醇共生菌系產(chǎn)生的氣體，通常是二氧化碳和氫氣，不需要提供外來(lái)氣體，這樣就可節(jié)省能耗和投入成本。其中，氣體通過(guò)發(fā)酵系統(tǒng)中的氣體分散器變成氣泡進(jìn)入發(fā)酵系統(tǒng)中。氣提形式可采用間歇式氣提或連續(xù)氣提。

(5)在補(bǔ)料批式發(fā)酵耦合在線(xiàn)氣提分離丁醇的過(guò)程中，控制補(bǔ)料速率，使得發(fā)酵罐中糖濃度保持在10-40g/L。當(dāng)發(fā)酵液中的丁醇濃度大于7g/L時(shí)開(kāi)始?xì)馓?，啟?dòng)氣體循環(huán)泵，循環(huán)自產(chǎn)氣，控制氣體流速，使得發(fā)酵液中丁醇濃度維持在6-9g/L。氣體流速為1-3vvm。冷凝系統(tǒng)中使用的冷凝管為球形或者蛇形冷凝管，冷凝溫度為-10℃-0℃。氣提形式可采用間歇式氣提或連續(xù)氣提。間歇式氣提時(shí)，當(dāng)發(fā)酵液中的丁醇濃度大于7g/L時(shí)開(kāi)始?xì)馓?，?dāng)發(fā)酵液中的丁醇濃度低于6g/L時(shí)停止氣提；連續(xù)式氣提時(shí)，當(dāng)發(fā)酵液中的丁醇濃度大于7g/L時(shí)開(kāi)始?xì)馓?，直到發(fā)酵結(jié)束。

下面參考具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明，需要說(shuō)明的是，這些實(shí)施例僅僅是說(shuō)明性的，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

實(shí)施例1

本實(shí)施例中，采用批式發(fā)酵偶聯(lián)間歇式循環(huán)自產(chǎn)氣進(jìn)行氣提制備丁醇，按制備丁醇的一般方法進(jìn)行丁醇生產(chǎn)菌的培養(yǎng)和發(fā)酵。當(dāng)發(fā)酵罐中丁醇濃度接近7g/L時(shí)，啟動(dòng)氣體循環(huán)泵和低溫循環(huán)水浴，冷凝溫度為-5℃，產(chǎn)丁醇共生菌系在發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的氣體通過(guò)氣體分布器變成氣泡進(jìn)入發(fā)酵罐中，作為氣提氣體。氣提處理采用間歇性氣提方式。當(dāng)發(fā)酵液中的丁醇濃度大于7g/L時(shí)開(kāi)始?xì)馓幔?dāng)發(fā)酵液中的丁醇濃度低于6g/L時(shí)停止氣提。氣體流速為1-4vvm。結(jié)果如表1所示。

實(shí)施例2

本實(shí)施例中，采用補(bǔ)料批式發(fā)酵偶聯(lián)間歇式循環(huán)自產(chǎn)氣進(jìn)行氣提制備丁醇，按制備丁醇的一般方法進(jìn)行丁醇生產(chǎn)菌的培養(yǎng)和發(fā)酵。當(dāng)發(fā)酵罐中丁醇濃度接近7g/L時(shí)，啟動(dòng)氣體循環(huán)泵和低溫循環(huán)水浴，冷凝溫度為-5℃，產(chǎn)丁醇共生菌系在發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的氣體通過(guò)氣體分布器變成氣泡進(jìn)入發(fā)酵罐中，作為氣提氣體。氣提形式采用間歇性氣提方式。當(dāng)發(fā)酵液中的丁醇濃度大于7g/L時(shí)開(kāi)始?xì)馓?，?dāng)發(fā)酵液中的丁醇濃度低于6g/L時(shí)停止氣提。氣體流速為1-4vvm。葡萄糖濃度接近10g/L時(shí)，向發(fā)酵培養(yǎng)基中補(bǔ)加補(bǔ)料培養(yǎng)基，使得葡萄糖濃度調(diào)整至40g/L。補(bǔ)料培養(yǎng)基：P2半合成培養(yǎng)基，緩沖液，微量元素液。P2半合成培養(yǎng)基組成為：葡萄糖500g/L，酵母浸粉8.0g/L，121℃滅菌20min。緩沖液組成為：K₂HPO₄ 50g/L，KH₂PO₄ 50g/L，CH₃COONH₄ 220g/L，過(guò)濾滅菌。微量元素液：MgSO₄·7H₂O 20.0，MnSO₄·H₂O 1.0，NaCl 1.0，F(xiàn)eSO₄·7H₂O 1.0，對(duì)氨基苯甲酸0.1，維生素B1 0.1，生物素0.001，過(guò)濾滅菌。補(bǔ)料前以1％的比例將緩沖液和微量元素液加入P2半合成培養(yǎng)基中。結(jié)果如表1所示。

實(shí)施例3

本實(shí)施例中，采用補(bǔ)料批式發(fā)酵偶聯(lián)間歇式循環(huán)自產(chǎn)氣進(jìn)行氣提制備丁醇，按制備丁醇的一般方法進(jìn)行丁醇生產(chǎn)菌的培養(yǎng)和發(fā)酵。當(dāng)發(fā)酵罐中丁醇濃度接近7g/L時(shí)，啟動(dòng)氣體循環(huán)泵和低溫循環(huán)水浴，冷凝溫度為0℃，產(chǎn)丁醇共生菌系在發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的氣體通過(guò)氣體分布器變成氣泡進(jìn)入發(fā)酵罐中，作為氣提氣體。氣提形式采用間歇性氣提方式。當(dāng)發(fā)酵液中的丁醇濃度大于7g/L時(shí)開(kāi)始?xì)馓幔?dāng)發(fā)酵液中的丁醇濃度低于6g/L時(shí)停止氣提。氣體流速為1-4vvm。發(fā)酵罐中葡萄糖濃度接近10g/L時(shí)，向發(fā)酵培養(yǎng)基中補(bǔ)加補(bǔ)料培養(yǎng)基，使得葡萄糖濃度調(diào)整至40g/L。補(bǔ)料培養(yǎng)基：P2半合成培養(yǎng)基，緩沖液，微量元素液。P2半合成培養(yǎng)基組成為：葡萄糖500g/L，酵母浸粉8.0g/L，121℃滅菌20min。緩沖液組成為：K₂HPO₄50g/L，KH₂PO₄ 50g/L，CH₃COONH₄ 220g/L，過(guò)濾滅菌。微量元素液：MgSO₄·7H₂O 20.0，MnSO₄·H₂O 1.0，NaCl 1.0，F(xiàn)eSO₄·7H₂O 1.0，對(duì)氨基苯甲酸0.1，維生素B1 0.1，生物素0.001，過(guò)濾滅菌。補(bǔ)料前以1％的比例將緩沖液和微量元素液加入P2半合成培養(yǎng)基中。結(jié)果如表1所示。

實(shí)施例4

本實(shí)施例中，采用補(bǔ)料批式發(fā)酵偶聯(lián)間歇式循環(huán)自產(chǎn)氣進(jìn)行氣提制備丁醇，按制備丁醇的一般方法進(jìn)行丁醇生產(chǎn)菌的培養(yǎng)和發(fā)酵。當(dāng)發(fā)酵罐中丁醇濃度接近7g/L時(shí)，啟動(dòng)氣體循環(huán)泵和低溫循環(huán)水浴，冷凝溫度為-10℃，產(chǎn)丁醇共生菌系在發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的氣體通過(guò)氣體分布器變成氣泡進(jìn)入發(fā)酵罐中，作為氣提氣體。氣提形式采用間歇性氣提方式。當(dāng)發(fā)酵液中的丁醇濃度大于7g/L時(shí)開(kāi)始?xì)馓?，?dāng)發(fā)酵液中的丁醇濃度低于6g/L時(shí)停止氣提。氣體流速為1-4vvm。發(fā)酵罐中葡萄糖濃度接近10g/L時(shí)，向發(fā)酵培養(yǎng)基中補(bǔ)加補(bǔ)料培養(yǎng)基，使得葡萄糖濃度調(diào)整至40g/L。補(bǔ)料培養(yǎng)基：P2半合成培養(yǎng)基，緩沖液，微量元素液。P2半合成培養(yǎng)基組成為：葡萄糖500g/L，酵母浸粉8.0g/L，121℃滅菌20min。緩沖液組成為：K₂HPO₄50g/L，KH₂PO₄ 50g/L，CH₃COONH₄ 220g/L，過(guò)濾滅菌。微量元素液：MgSO₄·7H₂O 20.0，MnSO₄·H₂O 1.0，NaCl 1.0，F(xiàn)eSO₄·7H₂O 1.0，對(duì)氨基苯甲酸0.1，維生素B1 0.1，生物素0.001，過(guò)濾滅菌。補(bǔ)料前以1％的比例將緩沖液和微量元素液加入P2半合成培養(yǎng)基中。結(jié)果如表1所示。

實(shí)施例5

本實(shí)施例中，采用補(bǔ)料批式發(fā)酵偶聯(lián)連續(xù)式循環(huán)自產(chǎn)氣進(jìn)行氣提制備丁醇，按制備丁醇的一般方法進(jìn)行丁醇生產(chǎn)菌的培養(yǎng)和發(fā)酵。當(dāng)發(fā)酵罐中丁醇濃度接近7g/L時(shí)，啟動(dòng)氣體循環(huán)泵和低溫循環(huán)水浴，冷凝溫度為-5℃，產(chǎn)丁醇共生菌系在發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的氣體通過(guò)氣體分布器變成氣泡進(jìn)入發(fā)酵罐中，作為氣提氣體。氣提形式采用連續(xù)性氣提方式。當(dāng)發(fā)酵液中的丁醇濃度大于7g/L時(shí)開(kāi)始?xì)馓?，直至發(fā)酵結(jié)束。氣體流速為1-4vvm。發(fā)酵罐中葡萄糖濃度接近10g/L時(shí)，向發(fā)酵培養(yǎng)基中補(bǔ)加補(bǔ)料培養(yǎng)基，使得葡萄糖濃度調(diào)整至40g/L。補(bǔ)料培養(yǎng)基：P2半合成培養(yǎng)基，緩沖液，微量元素液。P2半合成培養(yǎng)基組成為：葡萄糖500g/L，酵母浸粉8.0g/L，121℃滅菌20min。緩沖液組成為：緩沖液組成為：K₂HPO₄ 50g/L，KH₂PO₄50g/L，CH₃COONH4 220g/L，過(guò)濾滅菌。微量元素液：MgSO₄·7H₂O 20.0，MnSO₄·H₂O 1.0，NaCl 1.0，F(xiàn)eSO₄·7H₂O 1.0，對(duì)氨基苯甲酸0.1，維生素B1 0.1，生物素0.001，過(guò)濾滅菌。補(bǔ)料前以1％的比例將緩沖液和微量元素液加入P2半合成培養(yǎng)基中。結(jié)果如表1所示。

表1不同實(shí)施例發(fā)酵耦合在線(xiàn)氣提結(jié)果

·丁醇產(chǎn)量：發(fā)酵罐中剩余丁醇質(zhì)量與收集瓶中丁醇質(zhì)量之和除以發(fā)酵體積。

·丁醇濃度(收集瓶有機(jī)相)：收集瓶中有機(jī)相的丁醇濃度。

·丁醇濃度(水相)：收集瓶中水相的丁醇濃度。

·丁醇回收率：收集瓶中收集到的丁醇質(zhì)量，與丁醇總產(chǎn)量之比。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例的制備丁醇的系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易，節(jié)能環(huán)保，耗水量低，操作簡(jiǎn)單、靈活、高效。由表1可知，與傳統(tǒng)發(fā)酵耦合氣提方法相比，利用本發(fā)明實(shí)施例中的方法制備丁醇，在保證丁醇產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，有效提高丁醇回收率。采用補(bǔ)料批式發(fā)酵偶聯(lián)間歇式循環(huán)自產(chǎn)氣進(jìn)行氣提時(shí)，丁醇產(chǎn)量達(dá)到181.9g/L，丁醇回收率達(dá)到97.5％；采用補(bǔ)料批式發(fā)酵偶聯(lián)連續(xù)式循環(huán)自產(chǎn)氣進(jìn)行氣提時(shí)，丁醇產(chǎn)量達(dá)到185.7g/L，丁醇回收率達(dá)到97.4％，丁醇的產(chǎn)量和回收率高。

在本說(shuō)明書(shū)的描述中，參考術(shù)語(yǔ)“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說(shuō)明書(shū)中，對(duì)上述術(shù)語(yǔ)的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。