本发明涉及生物技术领域，尤其涉及一种连续发酵的方法及系统，具体涉及一种可循环的热偶联酶解发酵乙醇的方法及系统。
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。乙醇是重要的化工原料和潜在的液体燃料资源，是未来最具前途的汽油代替燃料之一。但是，传统的乙醇生产是以粮食发酵工艺为主，其生产成本和发展受到了很大的限制。
传统的乙醇发酵工艺采用游离细胞发酵，酵母随发酵醪不断流走，造成发酵罐中酵母细胞浓度降低，发酵速度慢、时间长。另外，在分批发酵过程中，微生物处于连续变化的环境中，由于基质的不断消耗，有害代谢产物的不断积累，使微生物不能长久的处于旺盛的发酵期，造成发酵设备的利用率低，单位体积、时间内所产生的产物也少。
木质纤维素以其存在区域广泛、年积累量大、获得方式多为特点，成为了理想的生物燃料原料。近年来，利用木质纤维素作为原料，进行乙醇的同步糖化发酵也得到了越来越广泛的关注和应用。
传统的同步糖化发酵在同一个发酵装置中进行，对发酵体系中的原料进行补充时，存在染菌，补料困难等问题，并且酶解与酵母发酵的最适条件并不一致。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种可循环的、热偶联酶解且反应条件温和、废水排放少、污染少的连续发酵方法和相关的系统。
技术实现要素：
有鉴于现有技术中的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种可循环的、热偶联酶解且反应条件温和、废水排放少、污染少的连续发酵方法和相关的系统。
本发明的一个方面提供了一种连续发酵系统。在一个优选的实施方式中，该系统包括生物反应装置、热交换装置、闪蒸装置、原料提供装置和分离装置，并通过管路连接，其中，
生物反应装置的出口与热交换装置的第一入口相连，热交换装置的第一出口和生物反应装置的入口相连；
热交换装置的第二出口和闪蒸装置相连；
闪蒸装置和设置在原料提供装置中的中空纤维膜管的入口相连，中空纤维膜管的出口和热交换装置的第二入口相连；
分离装置和所述闪蒸装置相连。原料提供装置与生物反应装置在整个系统运行过程中同时进行工作。
进一步地，生物反应装置的出口设置有超滤膜，用以分离发酵液中的菌体，将分离出的菌体返回至生物反应装置中重复使用。
进一步地，中空纤维膜管为超滤膜组件。
优选地，杉树超滤膜组件的截留分子量为8-12kd，使得原料提供装置中产生的糖原料能扩散进入该超滤膜组件内部，而原料提供装置中的酶被截留在原料提供装置中。
本发明的另一个方面提供了一种连续发酵方法。在一个优选的实施方式中，该方法用于生产乙醇，包括发酵过程和酶解过程，发酵过程和酶解过程分开进行，并且酶解过程中的一部分热量交换给发酵过程中产生的发酵液。
进一步地，该方法包括步骤：
1)将发酵过程产生的所述发酵液中的一部分引出，并进行热量交换以升温；
2)将升温后的发酵液进行闪蒸，分离乙醇和剩余发酵液；
3)将剩余发酵液通过所述酶解过程的反应液，从而携带酶解过程中产生的糖原料一起返回发酵过程的反应液中。
进一步地，该方法使用前述的连续发酵系统，发酵过程在生物反应装置中进行，酶解过程在原料提供装置中进行，热量交换在热交换装置中进行。
进一步地，酶解过程为使用纤维素酶酶解木质纤维素物料以产生糖原料，在连续发酵过程中，向原料提供装置中逐次补充纤维素酶和木质纤维素物料以维持糖原料的产生。
进一步地，糖原料通过透析作用扩散入中空纤维膜管的内部，剩余发酵液流入中空纤维膜管，与糖原料接触。
优选地，发酵过程的温度低于酶解过程的温度。优选地，发酵过程的温度为28-32℃，所述酶解过程的温度为45-55℃。
本发明的连续发酵系统和连续发酵方法，将酶解装置与发酵装置置于两个相连的系统中，利用纤维膜材料将酶解装置与发酵装置中的部分溶质分隔，保证酶解装置与发酵装置中的反应都能在最优的条件下进行，有效地进行补料、防止染菌，从而实现连续发酵，从而也减小了批次发酵的菌体浪费。
本发明所述系统和方法可以最大限度回收原料提供装置所提供的热量，降低了能源消耗，而且生产条件温和、操作简便，适宜于大规模工业化应用。
另外，使用了闪蒸装置，可以在运行期间不断地将乙醇从整个系统中分离出来，使乙醇对发酵和酶解的抑制效果最小化。系统中的溶液在整个装置中循环流动，利用率高，大幅度减少废水排放。系统中原料提供装置中的中空纤维素膜组件，利用的是透析原理，通过膜内的无糖流动液体，将外侧酶解液中的糖组分经扩散带到发酵装置中，而不是将酶解液直接过滤使用，也进一步降低了操作成本。
本发明的系统占地面积小、设备利用率高、操作简单、便于自动化生产，节省了人力、物力，降低了生产成本。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的连续发酵系统的结构示意图。
具体实施方式
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的原料、试剂等，如无特殊说明，均为市售购买产品。
实施例1一种连续发酵系统
一种连续发酵系统，包括生物反应装置1、热交换装置2、闪蒸装置3、原料提供装置4、分离装置5。
生物反应装置1的出口与热交换装置2管程的入口连接，用于将生物反应装置1中的发酵液引入热交换装置2管程中，从而将热交换装置2壳程中的热量传递到发酵液中。生物反应装置1和热交换装置2管程入口的管路中，设置有循环泵。生物反应装置1的出口设有超滤膜11，用于防止生物反应装置1中的菌体被带离。
热交换装置2管程的出口与闪蒸装置3的入口连接，使得吸收一定热量后的发酵液在闪蒸装置3中进行闪蒸，分离发酵液中的粗品乙醇。
闪蒸装置3的一个出口与分离装置5连接，分离装置5用于接收分离出的粗品乙醇。闪蒸装置3的另一个出口与设置在原料提供装置4中的中空纤维膜管41管程的入口连接，用于将闪蒸后的发酵液与中空纤维膜管41的糖原料接触。中空纤维膜管41管程的出口与热交换装置2壳程的入口连接，即将原料提供装置4中的热量提供到热交换装置2中，用于从生物反应装置1中出来的发酵液的加热。热交换装置2壳程的出口与生物反应装置1的入口连接，将携带有糖原料的发酵液导入生物反应装置1中继续进行反应。
在一个优选的实施例中，生物反应装置1为发酵罐，原料提供装置4为水浴式反应器，中空纤维膜管41为8～12kd的超滤膜组件。
实施例2一种连续发酵的方法
利用实施例1中的连续发酵系统，可以对木质纤维素物料，包括原始物料和预处理物料进行连续发酵。原始物料如玉米秸秆、水稻秸秆、小麦秸秆、甜高粱、花生秧；预处理物料则为由原始物料经瞬间弹射蒸汽爆破、稀酸、稀碱、固体碱、离子液体等预处理方法中的一种或几种处理后所获得的物料。
此处以水稻秸秆为例，具体描述连续发酵的方法。进行乙醇连续发酵的方法如下：
1)制备发酵种子液：取一环新鲜斜面的酿酒酵母saccharomycescerevisiaes288c菌体接入装有100ml种培养基的250ml摇瓶中，在转速为150rpm的旋转式摇床上，30℃条件下培养24h。
所述种子培养条件为：葡萄糖50g/l，酵母膏1.5g/l，蛋白胨3g/l，磷酸二氢钾0.5g/l，mgso4·7h2o0.15g/l，nh4cl2g/l；温度为30℃；ph为6；摇床转速为150rpm；
2)将种子培养基接入生物反应装置1中进行预培养，当生物反应装置1中的的od值为1左右时，打开整个装置的循环泵，稀释速率为0.07h-1。生物反应装置1中的溶液会泵入热交换装置管程内，所述生物反应装置的出口设有超滤膜使酵母菌不被泵出。
生物反应装置1中的发酵培养基为蛋白胨5g/l，酵母膏3g/l，硫酸铵4g/l，磷酸二氢钾3g/l，七水合硫酸亚铁0.05g/l，七水合硫酸锌0.05g/l。发酵条件是：温度为30℃；ph为6；压力为0.101325mpa，搅拌速度为150rpm。
在预培养开始时同时向原料提供装置4中加入200g/l的水稻秸秆和20fpu/g纤维素酶，酶解温度为50℃，搅拌速度为90rpm。打开整个装置的循环泵后，此后每隔24h向原料提供装置4中补充一次物料，补充量为初始添加量的50％，使原料的重量与装置中反应液的比例为1:5～1:7之间，同时根据所添加新鲜物料补充20fpu/g的纤维素酶并补充由于闪蒸而离开循环系统中的水分；
3)将步骤2)中生物反应装置1所得发酵液泵入热交换装置2中吸收热量，然后进入闪蒸装置3中，闪蒸得到的乙醇粗产品并收集于分离装置5中，闪蒸得到的发酵液泵入原料提供装置4中的中空纤维膜管41管程内。
4)原料提供装置4中酶解得到的糖原料在原料提供装置4运行期间不断扩散到中空纤维膜管41管程内，与步骤3)闪蒸得到的发酵液一起泵入热交换装置2壳程内，热交换装置壳程内液体温度为50℃，热交换装置管程内液体温度为30℃，热交换装置壳程内液体降温后泵入生物反应装置再次发酵。
发酵在96h结束，由闪蒸获得的气相通过冷凝收集到分离装置，其中所获得的乙醇基于物料的收率可以达到0.106g/g，与传统的同步糖化发酵相比，有效地分离了糖化和发酵过程，去除了发酵装置中的木质纤维素水解液抑制物，在不降低效率的同时延长了发酵时间；此外，整个系统配置换热装置和闪蒸装置，不仅能使糖化和发酵在最适温度下进行，还能有效地利用能热，及时分离发酵装置中的乙醇，减轻乙醇对发酵过程产生的反馈抑制作用。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。