[发明专利]一种气相底物发酵生产乙醇的方法

说明书

技术领域

本发明属于生物工程领域，涉及一种利用气相底物发酵生产乙醇的方法。

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和/或H₂气体为底物厌氧发酵生产乙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各种有用的燃料和化学品，比如甲烷、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：(1)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CO和H₂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为气相底物通过微生物发酵生产乙醇的过程包括：将含有CO和/或H₂的合成气通入到添加有微生物的生物反应器中进行发酵，得到的发酵液经过细胞分离装置将产物溶液和细胞分离，分离的细胞返回至生物反应器中，产品溶液经过精馏得到乙醇产物。

以CO和/或H₂为底物厌氧发酵生产乙醇的反应方程式如下：

6CO+3H₂O＝C₂H₅OH+4CO₂       (1)

6H₂+2CO₂＝C₂H₅OH+3H₂O       (2)

4CO+2H₂O＝CH₃COOH+2CO₂      (3)

4H₂+2CO₂＝CH₃COOH+2H₂O      (4)

合成气连续通入生物反应器中，发酵产生乙酸、乙醇和CO₂；N₂和甲烷等非反应气体不参与发酵反应。由未转化的CO和H₂、副产物CO₂、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。发酵尾气含(体积％，组分与新鲜合成气的组成、底物转化率有关)CO₂50～60％，CO 16～30％，H₂16～28％，N₂和甲烷等0.1～5％。

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。气体底物的传递涉及气、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)，存在于气相中的底物，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。因此，发酵过程中，气相底物的转化率不高。

含CO、H₂的还原性气体底物厌氧发酵过程中，通过降低气相底物的通气速度、增加气体在反应器中的停留时间都可以提高气体的转化率，但同时乙醇产率也相应降低，对于连续发酵生产而言不经济。一般情况下，CO的转化率为60-90％，H₂的转化率为10-80％。所以在连续批量生产乙醇的工艺中，发酵尾气中存在一定比例的未转化的还原性气体。