一種發酵合成氣生產醇類的系統及其處理方法技術方案

本發明專利技術提供了一種發酵合成氣生產醇類的系統及其處理方法，所述系統包括無泡供氣膜組件、生物反應器和滲透汽化膜組件，其中無泡供氣膜組件置于生物反應器內或置于生物反應器外，無泡供氣膜組件的進氣口連接合成氣，生物反應器的發酵液出口與滲透汽化膜組件的進料口相連，滲透汽化膜組件的截留液出口與生物反應器的物料入口相連。本發明專利技術所述系統及方法，采用雙端或單端進氣的無泡供氣膜技術，并結合發酵?滲透汽化分離耦合的發酵技術，提高混合氣發酵過程氣液傳輸速率、氣體利用效率、微生物細胞濃度和產物濃度，降低了培養細胞的物質消耗，也提高了發酵過程的菌體密度，提高發酵效率以及產品濃度。

【技術實現步驟摘要】
一種發酵合成氣生產醇類的系統及其處理方法
本專利技術屬于發酵工程
，具體涉及一種發酵合成氣生產醇類的系統及其處理方法。
技術介紹
合成氣是一類以CO、CO2和H2為主要組分的混合氣體，主要來自合成氨工業、石油煉制工業、鋼鐵廠和木漿造紙廠等能量密集型行業，我國每年工業排放超過600萬噸CO和400萬噸H2。近年來，生物法綜合利用合成氣引起了極大關注，尤其通過微生物厭氧發酵將合成氣轉化成乙醇和丁醇的技術。然而，較慢的發酵反應速率和較低的產物濃度限制了該技術的商業化運行。究其原因，造成較慢反應速率和較低產物濃度的原因主要有三方面，即較低的氣液傳輸速率、較低的氣體利用效率和較低的微生物細胞濃度。為解決上述問題，研究人員進行了系列研究，開發了新的發酵裝置或技術：(1)CN103374592A公開了一種氣相底物發酵生產乙醇的方法，通過離心、中空纖維過濾、沉淀或超濾分離發酵液中的細菌，分離的細菌返回至生物反應器中重復使用；分離細菌后的有機物溶液進行精餾，剩余殘液一部分返回至生物反應器中，其余的作為發酵廢液排放；分離發酵尾氣中的CO2并富集CO和/或H2，然后將富集的CO和/或H2通入生物反應器。該方法雖然部分提高了氣相底物轉化率并提高了微生物細胞濃度，但并未解決氣液傳輸速率和產物濃度低的問題；(2)CN101768540A公開了一種合成氣生產有機酸和醇的裝置，該裝置結合了攪拌式反應器與氣升式反應器的優點，即在反應器中集成了攪拌、氣體循環系統、導流筒和氣體分布器等。該裝置雖然增強了氣液傳質效果和氣體利用率，但仍然未解決產物和微生物細胞濃度低的問題；(3)CN101831382A公開了一種以難溶氣體為發酵原料的無泡供氣-固液分離一體式膜生物反應器，其中無泡供氣是死端中空纖維膜組件，即氣體只能由中空纖維膜一端進入且不能從另一端流出，進入膜腔的氣體只能從膜孔中擴散傳遞出去；固液分離膜組件內裝有超濾膜或微濾膜，允許水、小分子有機酸和醇等物質通過，發酵細胞等顆粒物不能通過，從而使發酵細胞保留在反應器中，而發酵產物可以從反應器中排出；無泡供氣中空纖維膜組件及固液分離膜組件是浸沒在反應器罐體內溶液液面以下。該技術提高了氣體利用率、發酵反應速率和細胞濃度，但其發酵產物濃度較低，未解決發酵產物濃度較低的問題。合成氣體發酵合成的乙醇或丁醇濃度過低，采用傳統蒸餾技術能耗較高。例如：當發酵液中丁醇濃度為0.5％時，蒸餾能耗為79.5MJ/kg丁醇；當丁醇濃度提高到1％時，蒸餾能耗降低到26.8MJ/kg丁醇；當丁醇濃度為11％，蒸餾能耗為17MJ/kg丁醇。因此，提高蒸餾前料液中乙醇或丁醇的濃度是降低能耗的有效措施之一。另外，一般乙醇和丁醇發酵時存在著產物抑制現象，即乙醇發酵過程中乙醇質量濃度累積超過50g/L就會抑制酵母細胞的生長，丁醇濃度達到7～13g/L其細胞活性就會失去一半。因此，一般獲得發酵液中乙醇濃度小于50g/L、丁醇濃度小于13g/L，這樣低的產物濃度難以采用蒸餾法實現分離和提純，造成該技術難于工業化生產。所以，降低發酵過程乙醇或丁醇的濃度也是提高合成氣發酵的措施之一。與其它回收乙醇或丁醇的技術相比，滲透汽化技術是利用膜材料對被分離溶液中各組分溶解和擴散速度不同來實現分離的，其特點在于：(ⅰ)典型的節能技術(低能耗，一般比恒沸精餾節能1/2～3/4)。據報道利用氣提技術、萃取、吸附和滲透汽化膜技術，從發酵液中分離、濃縮丁醇的研究，并發現這些方法的能耗分別為21MJ/Kg(丁醇)、14MJ/Kg(丁醇)、33MJ/Kg(丁醇)和9MJ/Kg(丁醇)，以滲透汽化膜分離技術的能耗最低；(ⅱ)典型的清潔生產技術，過程不引入其它組份，產品和環境不會受到污染；(ⅲ)典型的便于放大和耦合技術。它特別適用于普通精餾難于分離或不能分離的近沸點和恒沸點混合物的分離，對于水中有機溶劑濃度小于5％的料液分離情況，更具優勢。然而現有技術中并未有同時利用合成氣發酵和滲透汽化相結合的技術，以解決上述現有技術中存在的發酵液中醇類濃度過高以及發酵產物濃度過低的問題。因而，亟需尋求一種同時解決發酵液中醇類濃度過高以及發酵產物濃度過低問題的技術方案。
技術實現思路
針對現有技術中存在的發酵液中醇類濃度過高以及發酵產物濃度過低的問題，本專利技術提供了一種發酵合成氣生產醇類的系統及其處理方法。本專利技術所述系統及方法，采用雙端或單端進氣的無泡供氣膜技術，并結合發酵-滲透汽化分離耦合的發酵技術，提高混合氣發酵過程氣液傳輸速率、氣體利用效率、微生物細胞濃度和產物濃度，降低了培養細胞的物質消耗，也提高了發酵過程的菌體密度，提高發酵效率以及產品濃度。為達此目的，本專利技術采用以下技術方案：第一方面，本專利技術提供了一種發酵合成氣生產醇類的系統，所述系統包括無泡供氣膜組件、生物反應器和滲透汽化膜組件，其中無泡供氣膜組件置于生物反應器內或置于生物反應器外，無泡供氣膜組件的進氣口連接合成氣，生物反應器的發酵液出口與滲透汽化膜組件的進料口相連，滲透汽化膜組件的截留液出口與生物反應器的物料入口相連。本專利技術中，無泡供氣裝置能實現氣體在不形成氣泡的情況下進行傳遞供氣，避免原料氣體以氣泡的形式逃離主體溶液而損失，從而提高氣體利用效率。以下作為本專利技術優選的技術方案，但不作為本專利技術提供的技術方案的限制，通過以下技術方案，可以更好的達到和實現本專利技術的技術目的和有益效果。作為本專利技術優選的技術方案，當無泡供氣膜組件置于生物反應器內時，無泡供氣膜組件置于生物反應器內發酵液的液面以下，與生物反應器內發酵液直接接觸。優選地，當無泡供氣膜組件置于生物反應器外時，生物反應器內發酵液通過輸送泵與無泡供氣膜組件的進液口相連，無泡供氣膜組件的出液口與生物反應器的進料口相連。即，生物反應器內發酵液通過輸送泵泵入無泡供氣膜組件中進行處理，處理后的發酵液再從無泡供氣膜組件返回生物反應器進行發酵反應。作為本專利技術優選的技術方案，所述無泡供氣膜組件內氣體分壓低于起泡壓力。優選地，所述無泡供氣膜組件中內置中空纖維膜組件、管式膜組件或平板式膜組件中任意一種或至少兩種的組合，所述組合典型但非限制性實例有：中空纖維膜組件和管式膜組件的組合，管式膜組件和平板式膜組件的組合，中空纖維膜組件、管式膜組件和平板式膜組件的組合等，優選為中空纖維膜組件。優選地，所述中空纖維膜組件為由聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯腈、聚砜、聚醚砜、聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯中任意一種材料或至少兩種材料制成的微孔透氣薄膜，所述組合典型但非限制性實例有：聚乙烯和聚丙烯的組合，聚偏氟乙烯和聚四氟乙烯的組合，聚丙烯、聚丙烯腈和聚砜的組合，聚砜、聚醚砜和聚偏氟乙烯的組合，聚乙烯、聚丙烯和聚偏氟乙烯的組合，聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯和聚四氟乙烯的組合等。其中，微孔疏水透氣薄膜為孔徑在5.0nm～1.0mm之間的多孔膜。優選地，所述中空纖維膜的外徑為0.02mm～4.0mm，例如0.02mm、0.05mm、0.1mm、0.5mm、1.0mm、2.0mm、3.0mm或4.0mm等，但并不僅限于所列舉的數值，該數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用；壁厚0.01mm～0.7mm，例如0.01mm、0.05mm、0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm或0.7mm等，但并不本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種發酵合成氣生產醇類的系統，其特征在于，所述系統包括無泡供氣膜組件(1)、生物反應器(2)和滲透汽化膜組件(3)，其中無泡供氣膜組件(1)置于生物反應器(2)內或置于生物反應器(2)外，無泡供氣膜組件(1)的進氣口連接合成氣，生物反應器(2)的發酵液出口與滲透汽化膜組件(3)的進料口相連，滲透汽化膜組件(3)的截留液出口與生物反應器(2)的物料入口相連。

【技術特征摘要】
1.一種發酵合成氣生產醇類的系統，其特征在于，所述系統包括無泡供氣膜組件(1)、生物反應器(2)和滲透汽化膜組件(3)，其中無泡供氣膜組件(1)置于生物反應器(2)內或置于生物反應器(2)外，無泡供氣膜組件(1)的進氣口連接合成氣，生物反應器(2)的發酵液出口與滲透汽化膜組件(3)的進料口相連，滲透汽化膜組件(3)的截留液出口與生物反應器(2)的物料入口相連。2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，當無泡供氣膜組件(1)置于生物反應器(2)內時，無泡供氣膜組件(1)置于生物反應器(2)內發酵液的液面以下，與生物反應器(2)內發酵液直接接觸；優選地，當無泡供氣膜組件(1)置于生物反應器(2)外時，生物反應器(2)內發酵液通過輸送泵與無泡供氣膜組件(1)的進液口相連，無泡供氣膜組件(1)的出液口與生物反應器(2)的進料口相連。3.根據權利要求1或2所述的系統，其特征在于，所述無泡供氣膜組件(1)內氣體分壓低于起泡壓力；優選地，所述無泡供氣膜組件(1)中內置中空纖維膜組件、管式膜組件或平板式膜組件中任意一種或至少兩種的組合，優選為中空纖維膜組件；優選地，所述中空纖維膜組件為由聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯腈、聚砜、聚醚砜、聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯中任意一種材料或至少兩種材料制成的微孔透氣薄膜；優選地，所述中空纖維膜的外徑為0.02mm～4.0mm，壁厚0.01mm～0.7mm，孔徑為0.04μm～0.8μm；優選地，所述中空纖維膜內氣體分壓＜0.5MPa；優選地，當所述無泡供氣膜組件(1)置于生物反應器(2)內時，其內置的中空纖維膜組件為簾式中空纖維膜組件和/或筒式中空纖維膜組件；優選地，當所述無泡供氣膜組件(1)置于生物反應器(2)外時，其內部的中空纖維膜組件為筒式中空纖維膜組件。4.根據權利要求1-3任一項所述的系統，其特征在于，所述無泡供氣膜組件(1)為單個或至少兩個并聯設置；優選地，所述無泡供氣膜組件(1)為單端進氣或兩端進氣；優選地，所述滲透汽化膜組件(3)中設有滲透氣化優先透醇膜；優選地，所述滲透氣化優先透醇膜由有機膜、無機膜或有機-無機雜化膜中任意一種或至少兩種制備得到；優選地，所述有機膜材質是硅橡膠、聚三甲基硅丙烷、聚丙烯或聚偏氟乙烯中任意一種或至少兩種的組合；優選地，所述無機膜的材質為Silicalite-1和/或ZSM-5；優選地，所述有機-無機雜化膜的材質為PDMS-Silicalite-1、PDMS-ZSM-5或PTMSP-Silicalite-1中任意一種或至少兩種的組合；優選地，所述滲透汽化膜組件(3)的形式為卷式膜組件、管式膜組件、板框式膜組件或中空纖維式膜組件中任意一種或至少兩種的組合；優選地，所述滲透汽化膜組件(3)為單個或至少兩個串聯或并聯設置；優選地，所述滲透汽化膜組件(3)的串聯或并聯是通過滲透汽化膜組件(3)的滲透側通過管路串聯或并聯的；優選地，所述生物反應器(2)上設置尾氣出口和補料口；優選地，所述生物反應器(2)的發酵液出口與滲透汽化膜組件(3)的進料口之間設有動力輸送泵。5.一種根據權利要求1-4任一項所述發酵合成氣生產醇類的系統的處理方法，其特征在于，所述方法包括以下步...

【專利技術屬性】
技術研發人員：萬印華，曹偉鋒，
申請(專利權)人：中國科學院過程工程研究所，
類型：發明
國別省市：北京,11