[发明专利]以难溶气体为发酵原料的无泡供气-固液分离一体式膜生物膜反应器

说明书

技术领域

本发明涉及生物技术领域，更具体地说，本发明涉及一种以难溶气体为发酵原料的无泡供气-固液分离一体式膜生物膜反应器。

技术背景

难溶气体指在水中溶解度较低的气体，例如一氧化碳(CO)和氢气(H₂)。下面以合成气发酵和一氧化碳发酵制氢为例介绍难溶性气体发酵。关于合成气(主要为CO、H₂和CO₂)发酵生产乙醇、乙酸、丁醇和丁酸等化工品或液体燃料以及一氧化碳发酵制氢的研究已有10多年的历史，其生化反应见式(1-9)。

6CO+3H₂O→CH₃CH₂OH+4CO₂                    (1)

2CO₂+6H₂→CH₃CH₂OH+3H₂O                    (2)

4CO+2H₂O→CH₃COOH+2CO₂                     (3)

4H₂+2CO₂→CH₃COOH+2H₂O                     (4)

10CO+4H₂O→CH₃CH₂CH₂COOH+6CO₂              (5)

12CO+5H₂O→CH₃CH₂CH₂CH₂OH+86CO₂            (6)

10H₂+4CO₂→CH₃CH₂CH₂COOH+6H₂O              (7)

12H₂+4CO₂→CH₃CH₂CH₂CH₂OH+7H₂O             (8)

CO+H₂O→H₂+CO₂                             (9)

然而，较慢的发酵反应速率和较低的产物浓度限制了该技术的商业化运行。究其原因，造成较慢反应速率和较低产物浓度的原因主要为以下三个：

(1)较低的气液传质速率。以气体原料为底物的发酵过程涉及以下步骤：气体扩散到气液界面、气体在气液界面传质、气体在液相中扩散到微生物细胞膜、气体穿过细胞膜并被微生物利用。对于难溶气体，因其气液传质系数极低，气液传质是整个生物发酵过程的限速步骤。虽然采用增加气液流速、提高搅拌速度以及增加气体压力等措施可以提高气液传质系数，但是不能从根本上避免气液传质步骤，因此，发酵反应速率的提高幅度很有限。

因此，提高效率的一种方式是把原料气体直接传递到微生物细胞上，从根本上避免气液传质步骤。

(2)较低的气体利用效率。对于传统的反应器，例如连续搅拌槽式反应器(CSTR)，通过淹没式气泡扩散器向反应器提供气体原料，扩散的气泡进入主体溶液(含悬浮细胞的培养基溶液)，一部分气体被微生物细胞吸收利用生成产物，而一部分气体由于气泡的浮力作用上升逃离主体溶液进入上部气相，且气泡越大，上升速率越快，气液接触时间越短。实际上，80％左右的气体还来不及传递到微生物细胞上就通过气泡的形式逃离主体溶液进入上部气相，气体的利用效率较低。

因此，提高效率的另一种方式是把原料气体在不形成气泡的情况下进行传递，即无泡供气，避免原料气体以气泡的形式逃离主体溶液，从而提高气体利用效率。