[发明专利]一种固定床发酵分离耦合连续生产生物丁醇的方法

说明书

技术领域

本发明属于生物工程技术领域，具体涉及一种固定床发酵分离耦合连续生产生物丁醇的方法。

背景技术

丁醇，又称正丁醇，是重要的有机化工原料，可用作油漆和表面涂料的溶剂，也用于生产邻苯二甲酸二丁酯(DBP)和邻苯二甲酸丁苄酯(BBP)等增塑剂，2006年全球的丁醇需求量达300万吨。目前丁醇作为一种极具潜力的新型燃料已经引起国内外的高度重视，与乙醇相比，丁醇有能量密度大、对水的稳定性高、可直接用于内燃机、运输方便等优点。丁醇的生产方法主要有丙烯羰基合成法和发酵法，由于发酵法生产丁醇具有原料可再生、不依赖石油等特点，发酵法制备丁醇逐渐成为生物能源的研究热点之一。近年来生物丁醇生产装置逐年增加，我国相关企业的生物丁醇总生产能力已超过20万吨/年，但目前生物丁醇的发酵存在严重的产物抑制现象，当丁醇浓度达到5～11g/L时，丁醇生产菌株的生长与代谢即会发生显著毒害甚至死亡，目前采用间歇分批发酵，丁醇发酵生产的丁醇、丙酮、乙醇的总溶剂浓度(以下简称为ABE)＜30g/L，ABE生产速率＜0.3g/L·h，导致生产成本居高不下，缺乏与石化丁醇竞争的经济优势，部分生产装置处于停工半停工状态。因此提高丁醇的生产效率并降低分离成本是推动生物丁醇产业发展的必由之路。

近年来已有相关专利涉及生物丁醇的高效制备技术。专利87103534公开了一种利用处于指数生长期的产丁醇梭菌菌液，通过瓷环吸附制成固定化细胞；专利200910183152公开了一种利用处于指数生长期的产丁醇梭菌菌液，通过秸秆吸附制成固定化细胞的方法，这些专利方法虽然缩短了发酵延滞期，但无法解决产物丁醇对细胞的毒害，只能进行低产物浓度的连续生产。专利200610114241.4公开了一种利用膜反应器进行汽爆秸秆循环酶解并耦合丙酮丁醇连续发酵的方法，虽然降低了原料成本，但仍然无法避免产物抑制。专利201010122897公开了一种连续萃取发酵生产生物丁醇的方法，在发酵液中加入萃取剂混合进行萃取丁醇，将含有丁醇的萃取剂分离后的发酵液送入下一发酵罐继续进行发酵，可减少丁醇产物抑制并实现其连续发酵，虽然该法使用的萃取剂油醇具有较好的生物相容性，但直接与细胞接触仍会影响菌株的生长与代谢活力，同时在回收昂贵的萃取剂时将消耗大量能量。渗透汽化是近年来出现的一种选择性分离有机溶剂的膜分离手段，具有能耗低、效率高的优点，专利201010136813和专利201010162856均公开了利用渗透汽化分离与丁醇发酵过程耦合的方法，这些方法可解除丁醇的产物抑制，便于进行高效的连续发酵，但根据实践与文献报道，渗透汽化膜长期直接分离含有活细胞的丁醇发酵液，将不可避免地产生膜污染，膜的渗透分离通量和分离选择性迅速下降，丁醇在发酵体系中逐渐积累，导致产物抑制，生产速率迅速降低，不利于长期连续发酵并缩短了渗透汽化膜的操作寿命，虽然文献报道可通过微滤、超滤等手段避免渗透汽化膜与活细胞直接接触，但增加了系统的复杂性和成本，不利于放大。因此避免发酵耦合过程中渗透汽化膜分离性能的下降是实施高效连续发酵制备生物丁醇的关键技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种固定床发酵分离耦合连续生产生物丁醇的方法，以解决产物抑制导致的生物丁醇生产效率低下的难题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种固定床发酵分离耦合连续生产生物丁醇的方法，该方法包括如下步骤：

(1)将对丁醇生产菌具有电荷吸附效应的改性固定化介质填充于固定床，与生物反应器循环串联；

(2)将丁醇生产菌接种至生物反应器中，在发酵培养基中培养至指数期，发酵液在固定床与生物反应器之间循环，将处于指数期的游离菌体细胞逐步吸附于固定床中；

(3)当生物反应器中丁醇浓度达到3～7g/L时，将发酵液泵入渗透汽化膜组件进行原位分离，收集丁醇渗透液，而膜截留液同步返回生物反应器内继续利用；

(4)在步骤(3)操作同时，向生物反应器中流加发酵培养基，连续发酵生产丁醇；

步骤(1)中，所述的固定化介质包括：经过改性处理的农业秸秆、甘蔗渣、玉米芯、棉纤维、麻纤维、活性炭纤维、聚乙烯醇纤维、聚砜纤维、颗粒炭、多孔陶瓷滤料、沸石滤料、火山岩滤料和页岩滤料中的任意一种。所述的改性，是指增加固定化介质上的酸性含氧官能团或在固定化介质上负载金属离子使其表面负载正电荷。具体方法为利用浓硝酸、浓盐酸、浓硫酸或浓磷酸对固定化介质进行表面酸改性处理，或者，利用生物相容性较好的氯化铁、硫酸镁或氯化钙对固定化介质进行表面改性处理，使其表面负载正电荷。