专利名称：一种用于气相底物发酵生产有机醇的系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于生物工程领域，涉及一种用于气相底物发酵生产有机醇的系统。
背景技术：
能源是现代社会赖以生存和发展的基础。为弥补化石燃料的不足、优化能源结构和保护生态环境，大力开发新能源和可再生能源是当今世界研究开发的热点，其中利用含CO或氏/0)2的气体为底物厌氧发酵生产有机酸或有机醇就是很有潜力和竞争力的技术。含CO和/或H2的气体主要来自碳黑、焦炭、制氨、石油加工、钢铁等工厂产生的废气。每年通过工业复合物排放超过600万吨CO和接近400万吨H2。许多情况下，这些气体被排放到大气中，对环境造成严重的污染。另一类含CO和/或H2的气体源自煤、石油、生物质和有机废物等含碳物质的气化，它的主要成分为CO、H2和CO2，还含有少量的CH4和一些硫、氮的化合物，是一类丰富而廉价的生物加工原料。这些气体可通过厌氧发酵转化为多种有用的燃料和化学品，比如乙酸、丁酸、乙醇和丁醇等。与合成气化学转化相比，生物转化具有以下几个优点(I)生物转化的反应条件温和；(2)酶的专一性比无机催化剂高，因而产物得率高，副产物少；(3)生物转化不需要固定的0)和氏比例；(4)发酵菌对合成气中的硫化物具有耐受性，减少了气体净化成本。以CO和/或H2和CO2为底物通过厌氧微生物发酵生产乙酸、乙酸盐或其它具有商业价值的产品的方法已经有了实验室规模的实施。参见，例如，Vega等(1989)，生物技术与生物工程，34 :785-793 ;Klasson等(1990)，应用生物化学与生物技术，24/25 I。作为合成气发酵底物的气体如CO或者H2在水中溶解度不大，气相底物的传递涉及气、固、液三相气体底物、培养基(发酵液、液相)和悬浮在培养基中的微生物细胞(固相)；气相底物必须先扩散到气-液界面，再在液相中微生物细胞表面为细胞所用，气液传质主要阻力在气-液界面上。以CO和H2为底物合成乙酸、乙醇的反应方程式如下6C0+3H20 = C2H50H+4C02(I)6H2+2C02 = C2H50H+3H20(2)4C0+2H20 = CH3C00H+2C02(3)4H2+2C02 = CH3C00H+2H20(4)合成气连续通入生物反应器，发酵产生乙酸、乙醇和C02，N2和甲烷等非反应气体不参与发酵反应。由未被转化的CO和H2、副产物C02、N2和甲烷等非反应气体组成的发酵尾气从生物反应器上排出。⑶和仏的单程转化率低于100%，一般为60-80%，所以发酵尾气中存在一定比例的发酵底物。发酵尾气一般组成为(体积％，组分和新鲜合成气组成、底物转化率有关)C0250 60%，C0 16 30%，H216 28%，队和甲烷等O. I 5%。回收利用尾气中有用底物，既经济又环保。[0015]中国专利ZL200510109722. I “生产乙酸的微生物工艺以及从发酵液中萃取乙酸的溶剂”，ZL99810663. I “生产乙酸的微生物工艺以及从发酵液中萃取乙酸的溶剂”，ZL96180363. O “用生物学工艺从废气中制备乙酸”公开了用此类气体、培养基和一种或多种厌氧菌在生物反应器内发酵的方法大规模生产乙酸等有用化学品的方法。这些专利方法中气相底物在经过生物反应器后其中非反应气体和未反应基质气体作为废气释放，没有提及发酵尾气的处理和回用。另一方面，在工业实际生产中，发酵液逸出气体气量非常大，当这些逸出气体逸出发酵液时，会携带出部分生成的乙醇和水，如果不采取措施，会导致生物反应器中水分大量流失，需要不断地补充水分以继续发酵过程；而生成的乙醇随之逸出也影响了乙醇的终产量。常规的气相底物发酵生产有机醇的系统包括生物反应器、过滤设备和有机物分离 装置，其中生物反应器用于气相底物发酵，生物反应器上连接有接收外部输入的气相底物的气相底物输入管，生物反应器与过滤设备之间连接有流通管，用于将发酵物输送至过滤设备中进行细胞过滤；过滤设备和有机物分离装置之间连接有流通管，用于将过滤出细胞后的过滤物进行分离，以分离出有机物。使用常规的系统无法实现发酵尾气的处理和回用。
发明内容本实用新型的目的是提供一种用于气相底物发酵生产有机醇的系统，以处理和回用发酵尾气。一种用于气相底物发酵生产有机醇的系统，包括生物反应器、过滤设备和有机物分离装置，生物反应器上连接有接收外部输入的气相底物的气相底物输入管，其中，所述系统还包括逸出气体气液分离装置和尾气处理装置，所述逸出气体气液分离装置与生物反应器之间连接有逸出气体输送管，逸出气体气液分离装置与尾气处理装置之间连接有发酵尾气输送管，尾气处理装置和气相底物输入管之间连接有处理后发酵尾气输送管。优选地，所述生物反应器和过滤设备之间连接有将过滤出的细胞浓溶液输回至生物反应器的细胞回流管。优选地，所述有机物分离装置与生物反应器之间连接有将有机物分离装置中分离出的水输回至生物反应器的返回水管。优选地，所述逸出气体气液分离装置与有机物分离装置之间连接有有机醇水溶液
输送管。进一步优选地，所述逸出气体气液分离装置与生物反应器之间还连接有液体输送管。优选地，所述生物反应器是固定化细胞反应器或悬浮细胞反应器；进一步优选地，所述生物反应器是滴流床反应器、连续搅拌反应器或气升式反应器。优选地，所述过滤设备是离心机、超滤膜过滤装置或中空纤维膜过滤装置。进一步优选地，所述过滤设备是中空纤维膜过滤装置。优选地，所述有机物分离装置是精馏塔或萃取精馏装置。进一步优选地，所述有机物分离装置是精馏塔。优选地，所述逸出气体气液分离装置是换热器、气液分离膜组块、溶剂吸收捕集装置。优选地，所述尾气处理装置是精馏塔、变压吸附装置、膜分离装置或者化学吸附装置；进一步优选地，所述尾气处理装置是变压吸附装置。优选地，所述发酵尾气输送管上还设置有排气管，用于将部分发酵尾气输送至例如火炬的处理装置中燃烧。在该系统中，气相底物输入至生物反应器中进行发酵，发酵后的产物流入细胞过滤设备中进行细胞过滤，以分离细菌细胞。分离出的细胞浓溶液通过细胞回流管输回至生物反应器回收利用，其它物质进入有机物分离装置中分离出有机物和水。分离出的水回流至生物反应器中重复利用。生物反应器中的逸出气体首先进入逸出气体气液分离装置分离出有机醇和水，剩余的发酵尾气进入尾气处理装置中。尾气处理装置回收其中的二氧化碳，从而富集气相底物。处理后的尾气通过尾气处理装置和气相底物输入管之间的处理后尾气输送管输送至气相底物输入管中，与新鲜气相底物合并，并进入生物反应器中进行反应。 本实用新型的系统通过逸出气体气液分离装置和尾气处理装置处理发酵过程中的逸出气体，分离出气体携带的有机醇和水，分离发酵尾气中的二氧化碳，富集并回收利用气相底物，提高了气相底物的转化率，提高有机醇产率，降低气相底物和二氧化碳的排放，保护环境。
图I是本实用新型一种实施方式的示意图。
具体实施方式
现通过具体实施方式
和附图说明本实用新型，但本实用新型不限于以下内容。如图I所示的一种具体实施方式
中，本实用新型的用于气相底物发酵生产有机醇的系统包括用于气相底物发酵的生物反应器1，用于过滤细胞的过滤设备2，用于分离有机物的有机物分离装置3，用于分离逸出气体携带的有机醇和水的逸出气体气液分离装置4和尾气处理装置5 ;其中，生物反应器I上连接有接收外部输入的气相底物的气相底物输入管6 ;过滤设备2与生物反应器I之间连接有将发酵物输入至过滤设备2的发酵物流通管7和将过滤设备2过滤出的细胞浓溶液输回至生物反应器I的细胞回流管8 ;过滤设备2与有机物分离装置3之间连接有将过滤物从过滤设备2引入有机物分离装置3的过滤物流通管9 ;有机物分离装置3与生物反应器I之间连接有将有机物分离装置3中分离出的水输回至生物反应器I的返回水管10 ;逸出气体气液分离装置4和生物反应器I之间连接有将发酵产生的逸出气体通入至逸出气体气液分离装置4的逸出气体输送管11 ;逸出气体气液分离装置4和尾气处理装置5之间连接有将分离出有机醇和水的发酵尾气输送至尾气处理装置5的发酵尾气输送管14 ;尾气处理装置5和气相底物输入管6之间连接有处理后尾气输送管15 ;逸出气体气液分离装置4与有机物分离装置3之间连接有有机醇水溶液输送管13 ;逸出气体气液分离装置4和生物反应器I之间连接有液体输送管12。以合成气作为气相底物发酵生产乙醇为例进一步说明本实用新型，但本实用新型的内容不限于此。在一种实施例中，使用该系统进行乙醇发酵时，合成气((1)和!12)从气相底物输入管6输入至生物反应器I中在37°C下进行发酵，生物反应器I内装有悬浮于水相的厌氧菌。在本实施例中，生物反应器I是连续搅拌发酵罐(BIOFLO, New Brunswick Scientific Co.,Inc.);在其它实施例中，生物反应器I也可以是滴流床反应器或气升式反应器。发酵后的发酵物从发酵物流通管7流入过滤设备2中进行细胞过滤，以分离细菌细胞。在该实施例中，过滤设备2是中空纤维膜过滤装置；在其它实施例中，过滤设备2还可以是离心机或超滤膜过滤装置。分离出的细胞浓溶液通过细胞回流管8流回发酵罐中回收利用，其它物质通过过滤物流通管9进入有机物分离装置3中分离出> 95%乙醇和水。在本实施例中，有机物分离装置3是精馏塔；在其它实施例中，有机物分离装置还可以是萃取精馏装置。在精馏塔中分离出的水通过返回水管10回流至连续搅拌发酵罐中重复利用。连续搅拌发酵罐中的逸出气体大约为O. 02MPa、37°C，逸出气体通过逸出气体输送管11进入逸出气体气液分离装置4，分离出逸出气体中携带的乙醇和水，剩余的发酵尾气通过发酵尾气输送管14进入尾气处理装置5。在该实施例中，逸出气体气液分离装置4是换热器；在其它实施例中，逸出气体气液分离装置4是单级或多级气液分离膜组块、溶剂吸收捕集装置。在该实施例中，尾气处理装置5是变压吸附装置；在其它实施例中，尾气处理装置5还可以是精馏塔、膜分离装置或者化学吸附装置。在变压吸附装置中，发酵尾气经增压、变压吸附等工艺处理，二氧化碳和氢气及一氧化碳等分离，得到高浓度的二氧化碳气体和富含氢气、一氧化碳的 混合气。高浓度的二氧化碳气体经压缩、液化、减压、分离提纯后得到液体二氧化碳。富集的氢气和一氧化碳大部分通过处理后尾气输送管15输送至气相底物输入管6中，与新鲜气相底物合并，并进入发酵罐I中进行反应。从逸出气体气液分离装置4分离的乙醇水溶液通过乙醇水溶液输送管13进入有机物分离装置3中进行乙醇精馏纯化。由于发酵反应初期生成的乙醇量少，从逸出气体中分离的液相产品中乙醇含量很低，因此在反应初期，将从逸出气体气液分离装置4分离的乙醇水溶液通过液体输送管12返回至生物反应器I中，待乙醇大量生成后，再将分离的乙醇水溶液如上所述输送至有机物分离装置3中。可以在液体输送管12和乙醇水溶液输送管13上设置阀门，以控制乙醇水溶液是否返回至生物反应器中。在一种实施例中，可以在发酵尾气输送管14上设置排气管16。本领域技术人员可以根据实际需要，将一部分发酵尾气进行去除CO2处理，再与新鲜合成气混合回用；而另一部分发酵尾气则通过排气管16排至例如火炬等的处理装置中燃烧。在一种实施例中，本领域技术人员根据需要，可以将从过滤设备2过滤出的细胞浓溶液一部分输回至生物反应器1，其余部分通过与细胞回流管连接的废液排放管17排出；将从有机物分离装置3分离出的水一部分输回至生物反应器I中，其余部分通过与返回水管10连接的废液排放管18排出。
权利要求1.一种用于气相底物发酵生产有机醇的系统，包括生物反应器、过滤设备和有机物分离装置，生物反应器上连接有接收外部输入的气相底物的气相底物输入管，其特征在于，所述系统还包括逸出气体气液分离装置和尾气处理装置，所述逸出气体气液分离装置与生物反应器之间连接有逸出气体输送管，逸出气体气液分离装置与尾气处理装置之间连接有发酵尾气输送管，尾气处理装置和气相底物输入管之间连接有处理后发酵尾气输送管。
2.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，所述生物反应器和过滤设备之间连接有将过滤出的细胞浓溶液输回至生物反应器的细胞回流管。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述有机物分离装置与生物反应器之间连接有将有机物分离装置中分离出的水输回至生物反应器的返回水管。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述逸出气体气液分离装置与有机物分离装置之间连接有有机醇水溶液输送管。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述逸出气体气液分离装置与生物反应 器之间还连接有液体输送管。
6.根据权利要求1-5任一项所述的系统，其特征在于，所述生物反应器是滴流床反应器、连续搅拌反应器或气升式反应器。
7.根据权利要求1-5任一项所述的系统，其特征在于，所述过滤设备是离心机、超滤膜过滤装置或中空纤维膜过滤装置；所述有机物分离装置是精馏塔或萃取精馏装置。
8.根据权利要求1-5任一项所述的系统，其特征在于，所述逸出气体气液分离装置是换热器、气液分离膜组块、溶剂吸收捕集装置。
9.根据权利要求1-5任一项所述的系统，其特征在于，所述尾气处理装置是精馏塔、变压吸附装置、膜分离装置或者化学吸附装置。
10.根据权利要求1-5任一项所述的系统，其特征在于，所述发酵尾气输送管上设置有排气管。
专利摘要本实用新型属于生物工程领域，涉及一种用于气相底物发酵生产有机醇的系统，包括生物反应器、过滤设备和有机物分离装置，生物反应器上连接有接收外部输入的气相底物的气相底物输入管，所述系统还包括逸出气体气液分离装置和尾气处理装置，所述逸出气体气液分离装置与生物反应器之间连接有逸出气体输送管，逸出气体气液分离装置与尾气处理装置之间连接有发酵尾气输送管，尾气处理装置和气相底物输入管之间连接有处理后发酵尾气输送管。本实用新型的系统提高了气相底物的转化率，提高有机醇产率，降低气相底物和二氧化碳的排放，保护环境。
文档编号C12M1/00GK202643681SQ2012201875
公开日2013年1月2日 申请日期2012年4月27日 优先权日2012年4月27日
发明者代俊明, 杨建春 申请人:北京信汇生物能源科技股份有限公司