專利名稱：一種生產(chǎn)脂肪酸的方法及所用裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微生物發(fā)酵技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種生產(chǎn)脂肪酸的方法和所用的裝置。
背景技術(shù)：
能源是維持人類(lèi)生活和促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)之一。隨著化石能源的枯竭和人類(lèi)對(duì)全球性環(huán)境問(wèn)題的關(guān)注，采用可再生能源取代化石能源是當(dāng)前關(guān)注和研究熱點(diǎn)。而通過(guò)光合作用合成的生物質(zhì)是惟一可再生并可替代化石能源的資源。例如:當(dāng)前我國(guó)可利用的生物質(zhì)達(dá)到209億噸，相當(dāng)于5.8億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。生物質(zhì)的利用方法包括:化學(xué)方法和生物方法。生物質(zhì)利用的主要化學(xué)方法之一是首先通過(guò)熱化學(xué)方法將其氣化生產(chǎn)合成氣(包括C0、H2和CO2等)，而后通過(guò)費(fèi)托合成技術(shù)將該合成氣轉(zhuǎn)換成燃料以及其他化工原料或者產(chǎn)品。不過(guò)，反應(yīng)溫度高、合成氣成分復(fù)雜導(dǎo)致催化劑失活等諸多不利因素限制了化學(xué)方法的廣泛應(yīng)用。 生物技術(shù)具有操作條件要求溫和、底物利用速率快等優(yōu)勢(shì)。根據(jù)其利用生物質(zhì)的方式，又可以分為直接發(fā)酵和間接發(fā)酵。直接發(fā)酵，即為混合菌群直接利用生物質(zhì)生產(chǎn)生物燃料。由于生物質(zhì)成分復(fù)雜，微生物不能完全利用。而間接發(fā)酵，則是利用上述合成氣作為底物，可以合成包括乙酸、丁酸和乙醇等產(chǎn)物在內(nèi)的脂肪酸和生物燃料，是一種具有潛質(zhì)應(yīng)用價(jià)值的生物質(zhì)利用技術(shù)。由于合成氣中CO和H2等在水中的溶解度較低，目前微生物間接發(fā)酵利用生物質(zhì)的運(yùn)行模式主要采用序批式反應(yīng)器(SBR)，并通過(guò)其高攪拌速率、合成氣內(nèi)循環(huán)等方式促進(jìn)CO和H2等在水中溶解以利于微生物利用。但是，上述操作均不能明顯改善合成氣在水中的溶解速率，同時(shí)造成反應(yīng)器內(nèi)剪切力過(guò)大，降低微生物活性，導(dǎo)致反應(yīng)器的合成氣利用速率較低。此外，這些操作的能耗較高，并不適于大規(guī)模應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中合成氣-反應(yīng)器液相傳質(zhì)效率不高，合成氣利用率不高，微生物活性低，反應(yīng)器運(yùn)行成本高等技術(shù)難題，本發(fā)明的目的是提供一種生產(chǎn)脂肪酸的方法。本發(fā)明的另一目的是提供一種生產(chǎn)脂肪酸的裝置。為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的這些問(wèn)題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是:首先，本發(fā)明提供了一種生產(chǎn)脂肪酸的方法，首先將生物質(zhì)熱裂解氣化生產(chǎn)合成氣，隨后以中空纖維膜作為附著載體和原位供氣裝置，以所述合成氣為原料，利用厭氧微生物發(fā)酵生產(chǎn)脂肪酸。優(yōu)選的，所述方法的具體步驟如下:(I)生物質(zhì)熱裂解氣化生產(chǎn)合成氣；(2)將厭氧微生物和培養(yǎng)基加入到裝有中空纖維膜的密閉裝置中；(3)將步驟(I)所述合成氣通入到所述密閉裝置中進(jìn)行發(fā)酵，得到所需的脂肪酸。
優(yōu)選的，所述生物質(zhì)熱裂解氣化生產(chǎn)合成氣，其生產(chǎn)方法是采用文獻(xiàn)(Asadullah, M., Ito, S.1., Kunimori, K., Yamada, M.and Tomishige, K.(2002) Energyefficient production of hydrogen and syngas from biomass:Development oflow-temperature catalytic process for cellulose gasification.Environmental Science&Technology36 (20)，4476-4481.)中報(bào)道的方法合成的。所述合成氣主要指氫氣和二氧化碳混合氣，氫氣和一氧化碳混合氣，或氫氣、二氧化碳和一氧化碳混合氣。優(yōu)選的，所述合成氣的壓力和通氣量以反應(yīng)器頂空不能檢測(cè)出合成氣，能夠?qū)崿F(xiàn)合成氣的完全利用為準(zhǔn)。更優(yōu)選的，所述合成氣的壓力為0.05 0.15Mpa。優(yōu)選的，所述厭氧微生物主要是指梭狀芽孢桿菌類(lèi)，如Clostridium Ijungdahlii和 Clostridium kluyveri 等。優(yōu)選的，所述培養(yǎng)基為液體培養(yǎng)基，更優(yōu)選的，所述液體培養(yǎng)基為能夠供給厭氧類(lèi)微生物生長(zhǎng)所需的常量和微量元素的液體培養(yǎng)基，其用量為使中空纖維膜浸入到所述培養(yǎng)基中為準(zhǔn)。所述液體培養(yǎng)基的配方?jīng)]有特別的限制，本發(fā)明實(shí)施例中所述液體培養(yǎng)基具體組成如下(單位是:mg/L) NH4Cl, 500 ；KH2PO4, 200 ；Na2SO4,40 ;KC1，50 ；CaCl2,10 ；MgCl2.6H20, 70 ；MnCl2.4H20, 0.8 ；CoCl2.2H20,1.2 ；FeS04.7H20, 3.2 ；A1C13, 0.5 ；NaMO4.2Η20，0.I ；H3B03,0.2 ；NiCl2.6Η20，0.5 ；CuCl2.2Η20，1.1 ；ZnSO4.2Η20，3.2 ；EDTA (Na.型)，3.0。優(yōu)選的，所述發(fā)酵條件包括:溫度25_40°C，pH值4.0-8.0，連續(xù)流運(yùn)行的水力學(xué)停留時(shí)間(HRT)為1-30天。進(jìn)一步地，本發(fā)明提供了一種生產(chǎn)脂肪酸的裝置，包括:裝有中空纖維膜的反應(yīng)器，以及分別與該反應(yīng)器貫通的合成氣供應(yīng)裝置，培養(yǎng)基供應(yīng)裝置，反應(yīng)物回收裝置，測(cè)定反應(yīng)器中反應(yīng)體系的pH值檢測(cè)裝置 ；其中，所述反應(yīng)器上設(shè)有進(jìn)氣口和出氣口。優(yōu)選的，所述裝置還包括反應(yīng)體系循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)與所述反應(yīng)器貫通，該系統(tǒng)中設(shè)有循環(huán)泵。優(yōu)選的，所述pH值檢測(cè)裝置連接在所述反應(yīng)體系循環(huán)系統(tǒng)上。優(yōu)選的，所述反應(yīng)器上還設(shè)有取樣口。優(yōu)選的，所述反應(yīng)器上頂部和下底部分別裝有法蘭。優(yōu)選的，所述中空纖維膜是指由若干膜片單元組成的中空纖維膜堆，該中空纖維膜堆上端封閉，下端設(shè)有供合成氣進(jìn)入的開(kāi)口，所述開(kāi)口與所述進(jìn)氣口貫通。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中的方案，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:(I)采用中空纖維膜作為微生物的附著介質(zhì)，可以減少微生物的流失；(2)采用中空纖維膜絲可以原位提供合成氣，提高了合成氣擴(kuò)散到微生物的傳質(zhì)效率，及其利用速率；(3)采用本發(fā)明的反應(yīng)器系統(tǒng)和方法，在較短時(shí)間內(nèi)得到富集的利用合成氣的微生物；(4)采用本發(fā)明的反應(yīng)器系統(tǒng)和方法，適于利用合成氣生產(chǎn)脂肪酸，尤其是中長(zhǎng)鏈脂肪酸，如己酸和辛酸。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例利用生物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)脂肪酸的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。其中附圖標(biāo)記如下:反應(yīng)器1，中空纖維膜10，開(kāi)口 101，進(jìn)氣口 11，和出氣口 12，取樣口 13，氣體取樣口 14，法蘭15、16，合成氣供應(yīng)裝置2，穩(wěn)壓閥21，培養(yǎng)基供應(yīng)裝置3，進(jìn)水泵31，反應(yīng)物回收裝置4，測(cè)定反應(yīng)器中反應(yīng)體系的pH值檢測(cè)裝置5，反應(yīng)體系循環(huán)系統(tǒng)6，循環(huán)泵61。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及其具體實(shí)施方式
詳細(xì)介紹本發(fā)明。但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于以下實(shí)例，應(yīng)包含權(quán)利要求書(shū)中的全部?jī)?nèi)容。實(shí)施例1利用生物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)脂肪酸的裝置如圖1所示，本發(fā)明提供了一種生產(chǎn)脂肪酸的裝置，包括:裝有中空纖維膜10的反應(yīng)器1，以及分別與該反應(yīng)器貫通的合成氣供應(yīng)裝置2，培養(yǎng)基供應(yīng)裝置3，反應(yīng)物回收裝置4，測(cè)定反應(yīng)器中反應(yīng)體系的pH值檢測(cè)裝置5 ;其中，所述反應(yīng)器I上設(shè)有進(jìn)氣口 11和出氣Π 12。其中，所述合成氣供應(yīng)裝置2中設(shè)有控制合成氣壓力的穩(wěn)壓閥21，該裝置2與所述進(jìn)氣口 11相連；所述培養(yǎng)基供應(yīng)裝置3中設(shè)有進(jìn)水泵31。為了使厭氧微生物更好的附著在中空纖維膜上，和增強(qiáng)物質(zhì)之間的傳遞，所述裝置還包括反應(yīng)體系循環(huán)系統(tǒng)6，該系統(tǒng)與所述反應(yīng)器I貫通，該系統(tǒng)中設(shè)有循環(huán)泵61。優(yōu)選的，所述PH值檢測(cè)裝置5串聯(lián)在所述反應(yīng)體系循環(huán)系統(tǒng)6中。為了便于測(cè)試樣品，所述反應(yīng)器側(cè)壁上還設(shè)有取樣口 13。為了便于測(cè)試出氣口中的合成氣的存在，所述所述反應(yīng)器I的頂部還設(shè)有氣體取樣口 14。為了便于安裝中空纖維膜10，所述反應(yīng)器I的上頂部和/或下底部分別裝有法蘭15、16。其中，優(yōu)選的，所述中空纖維膜10是指由若干膜片單元組成的中空纖維膜堆，該中空纖維膜堆上端封閉，下端設(shè)有供合成氣進(jìn)入的開(kāi)口 101，所述開(kāi)口 101與所述進(jìn)氣口 11貫通。實(shí)施例2中性pH值和間歇運(yùn)行模式下，采用中空纖維膜反應(yīng)器的混合菌群利用生物質(zhì)間接發(fā)酵生產(chǎn)脂肪酸的新方法。所用裝置采用實(shí)施例1中的裝置，如圖1所示。本實(shí)施例中，中空纖維膜反應(yīng)器I材質(zhì)為有機(jī)玻璃。外殼內(nèi)徑3.5cm,高30cm。在距下端1cm, 2cm, 14cm, 20cm, 25cm處分別設(shè)有培養(yǎng)基供應(yīng)裝置3連接口，反應(yīng)體系循環(huán)系統(tǒng)6進(jìn)水口，取樣口 13，反應(yīng)體系循環(huán)系統(tǒng)6循環(huán)口和反應(yīng)物回收裝置4連接口。中空纖維膜束10由30根聚乙烯中空纖維膜絲組成，膜絲有效長(zhǎng)度為22cm，內(nèi)徑1mm，外徑1.1mm,膜絲上端用環(huán)氧樹(shù)脂封死，下端與下法蘭15上的進(jìn)氣口 11貫通。合成氣成分為60%氫氣和40% 二氧化碳。合成氣通過(guò)氣體穩(wěn)壓閥21與進(jìn)氣口 11相連，進(jìn)氣壓力設(shè)置在0.1MPa0間歇模式運(yùn)行方法為:以葡萄糖為底物，向中空纖維膜反應(yīng)器I中加入?yún)捬跷⑸?，本?shí)施例中所采用的 厭氧微生物為任意包含Clostridium Ijungdahlii和Clostridiumkluyveri的厭氧微生物，其存在與任意厭氧發(fā)酵體系中，如文獻(xiàn)所示，Steinbusch, K.J.J., Hamelers, H.V.Μ., Plugge, C.M.and Buisman, C.J.N.(2011) Biological formationof caproate and caprylate from acetate: fuel and chemical production from lowgrade biomass.Energy&Environmental Science4 (I)，216-224。所述厭氧微生物向反應(yīng)器培養(yǎng)基中的接種體積比例為5%。所用培養(yǎng)基為維持微生物生長(zhǎng)所必需的液體培養(yǎng)基，使得中空纖維膜絲完全浸沒(méi)在該液體培養(yǎng)基中。所述液體培養(yǎng)基包括微生物生長(zhǎng)所需的常量和微量元素，具體如下(單位是:mg/L) NH4Cl, 500 ；KH2PO4, 200 ；Na2SO4,40 ;KC1，50 ；CaCl2,10 ；MgCl2.6H20, 70 ；MnCl2.4H20, 0.8 ；CoCl2.2H20,1.2 ；FeS04.7H20, 3.2 ；A1C13, 0.5 ；NaMO4.2Η20，0.I ；H3B03,0.2 ；NiCl2.6Η20，0.5 ；CuCl2.2Η20，1.1 ；ZnSO4.2Η20，3.2 ；EDTA (Na.型)，3.0。開(kāi)啟合成氣供給氣路上的穩(wěn)壓閥21和反應(yīng)器的循環(huán)泵61，使得接種物逐漸附著在膜絲上。在此階段，反應(yīng)器I溫度維持在30-35°C之間，pH值維持在6.0 6.5。根據(jù)反應(yīng)器I頂氣體取樣口 14中合成氣的含量變化，通過(guò)調(diào)節(jié)穩(wěn)壓閥21控制合成氣的供給量。這一過(guò)程進(jìn)行5-15天，大部分接種物附著到中空纖維膜10絲外表面。每天從取樣口 13取液相樣品，檢測(cè)脂肪酸的濃度；從氣體取樣口 14取氣體樣品，檢測(cè)氣體含量的變化。7天后，中空纖維膜絲表面全部附著厭氧菌群。然后，按照在間歇條件下運(yùn)行60天，乙酸、丁酸、己酸和辛酸的最高濃度分別達(dá)到7.4，1.8,0.98和0.42g/L。并且，在運(yùn)行過(guò)程中，氫氣的利用率也達(dá)到100%。生物膜的菌群分析(按照克隆文庫(kù)分析法)表明，Clostridium Ijungdahlii 和 Clostridium kluyveri 的含量達(dá)到 60%。實(shí)施例3酸性pH值和連續(xù)流運(yùn)行模式下，采用中空纖維膜反應(yīng)器的混合菌群利用生物質(zhì)間接發(fā)酵生產(chǎn)脂肪酸的新方法.
所用裝置采用實(shí)施例1中的裝置，如圖1所示。本實(shí)施例中，中空纖維膜反應(yīng)器I材質(zhì)為有機(jī)玻璃。外殼內(nèi)徑3.5cm,高30cm。在距下端1cm, 2cm, 14cm, 20cm, 25cm處分別設(shè)有培養(yǎng)基供應(yīng)裝置3連接口，反應(yīng)體系循環(huán)系統(tǒng)6進(jìn)水口，取樣口 13，反應(yīng)體系循環(huán)系統(tǒng)6循環(huán)口和反應(yīng)物回收裝置4連接口。中空纖維膜束10由30根聚乙烯中空纖維膜絲組成，膜絲有效長(zhǎng)度為22cm，內(nèi)徑1mm，外徑1.1mm,膜絲上端用環(huán)氧樹(shù)脂封死，下端與下法蘭15上的進(jìn)氣口 11貫通。合成氣成分為60%氫氣和40% 二氧化碳。合成氣通過(guò)氣體穩(wěn)壓閥21與進(jìn)氣口 11相連，進(jìn)氣壓力 設(shè)置在0.1Mpa0間歇模式運(yùn)行方法為:以葡萄糖為底物，向中空纖維膜反應(yīng)器I中加入?yún)捬跷⑸?，本?shí)施例中所采用的厭氧微生物為任意包含Clostridium Ijungdahlii和Clostridiumkluyveri的厭氧微生物，其存在與任意厭氧發(fā)酵體系中，如文獻(xiàn)所示，Steinbusch, K.J.J., Hamelers, H.V.Μ., Plugge, C.M.and Buisman, C.J.N.(2011)Biological formationof caproate and caprylate from acetate: fuel and chemical production from lowgrade biomass.Energy&Environmental Science4 (I)，216-224。所述厭氧微生物向反應(yīng)器培養(yǎng)基中的接種體積比例為5%。在如下條件運(yùn)行:溫度35°C，pH值為4.5 5.0,合成氣壓力0.1MPa0合成氣成分為60%氫氣和40% 二氧化碳。培養(yǎng)基包括微生物生長(zhǎng)所需的常量和微量元素，具體如下(單位是:mg/L) NH4Cl, 500 ；KH2PO4,200 ；Na2SO4, 40 ；KC1，50 ；CaCl2,10 ；MgCl2.6H20, 70 ；MnCl2.4H20, 0.8 ；CoCl2.2H20,1.2 ；FeSO4.7H20，3.2 ；A1C13,0.5 ；NaMO4.2H20，0.1 ；H3BO3,0.2 ；NiCl2.6H20，0.5 ；CuCl2.2H20,1.1 ；ZnSO4.2H20，3.2 ；EDTA (Na+型)，3.0。每天從取樣口取液相樣品13，檢測(cè)脂肪酸的濃度；從氣體取樣口 14取氣相樣品，檢測(cè)氣體含量的變化。7天后，中空纖維膜絲表面全部附著厭氧菌群。然后，按照在間歇條件下運(yùn)行25天，乙酸的最高濃度分別達(dá)到12.5g/L，而丁酸僅為0.lg/L，并且沒(méi)有檢測(cè)到其他的脂肪酸，所以乙酸的純度達(dá)到99.2%。運(yùn)行過(guò)程中，氫氣的利用率達(dá)到100%。之后，采用連續(xù)運(yùn)行模式，HRT維持在10天時(shí)，反應(yīng)器出水中乙酸的濃度約為
3.3g/L，丁酸的濃度低于0.4g/L，并且沒(méi)有檢測(cè)到其他的脂肪酸。而HRT維持在3天時(shí)，反應(yīng)器出水中乙酸的濃度約為1.0g/L，丁酸的濃度低于0.lg/L,同時(shí)也沒(méi)有檢測(cè)到其他的脂肪酸。在運(yùn)行過(guò)程中，乙酸的純度達(dá)到90%，同時(shí)氫氣的利用率達(dá)到100%。生物膜的菌群分析(按照克隆文庫(kù)分析法)表明，Clostridium Ijungdahlii的含量達(dá)到70%。上述實(shí)施例說(shuō)明，在間歇式和連續(xù)流運(yùn)行模式下，中空纖維膜表面均能形成生物膜，并且能夠穩(wěn)定的運(yùn)行。同時(shí)，在中空纖維膜反應(yīng)器中可以實(shí)現(xiàn)合成氣的原位利用，其中，氫氣的利用效率可以達(dá)到100%，并且生產(chǎn)多種脂肪酸，尤其是中長(zhǎng)鏈脂肪酸。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范 圍。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)脂肪酸的方法，首先將生物質(zhì)熱裂解氣化生產(chǎn)合成氣，隨后以中空纖維膜作為附著載體和原位供氣裝置，以所述合成氣為原料，利用厭氧微生物發(fā)酵生產(chǎn)脂肪酸。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法的具體步驟如下: (O生物質(zhì)熱裂解氣化生產(chǎn)合成氣； (2)將厭氧微生物和培養(yǎng)基加入到裝有中空纖維膜的密閉裝置中； (3)將步驟(I)所述合成氣通入到所述密閉裝置中進(jìn)行發(fā)酵，得所需的脂肪酸。
3.如權(quán)利要求2所述的方法,其特征在于,所述合成氣指氫氣和二氧化碳混合氣,氫氣和一氧化碳混合氣，或氫氣、二氧化碳和一氧化碳混合氣。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述培養(yǎng)基為液體培養(yǎng)基；所述厭氧微生物主要是指梭狀芽孢桿菌類(lèi)。
5.一種利用生物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)脂肪酸的裝置，其特征在于，包括:裝有中空纖維膜的反應(yīng)器，以及分別與該反應(yīng)器貫通的合成氣供應(yīng)裝置，培養(yǎng)基供應(yīng)裝置，反應(yīng)物回收裝置，測(cè)定反應(yīng)器中反應(yīng)體系的pH值檢測(cè)裝置；其中，所述反應(yīng)器上設(shè)有進(jìn)氣口和出氣口。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括反應(yīng)體系循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)與所述反應(yīng)器貫通，該系統(tǒng)中設(shè)有循環(huán)泵。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述pH值檢測(cè)裝置連接在所述反應(yīng)體系循環(huán)系統(tǒng)上。
8.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述反應(yīng)器上還設(shè)有取樣口。`
9.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述反應(yīng)器上頂部和下底部分別裝有法蘭。
10.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述中空纖維膜是指由若干膜片單元組成的中空纖維膜堆，該中空纖維膜堆上端封閉，下端設(shè)有供合成氣進(jìn)入的開(kāi)口，所述開(kāi)口與所述進(jìn)氣口貫通。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種生產(chǎn)脂肪酸的方法，首先將生物質(zhì)熱裂解氣化生產(chǎn)合成氣，隨后以中空纖維膜作為附著載體和原位供氣裝置，以所述合成氣為原料，利用厭氧微生物發(fā)酵生產(chǎn)脂肪酸。本發(fā)明還提供了一種生產(chǎn)脂肪酸的裝置。本發(fā)明采用中空纖維膜作為微生物的附著介質(zhì)，可以減少微生物的流失；采用中空纖維膜絲原位提供合成氣，提高了合成氣擴(kuò)散到微生物的傳質(zhì)效率，及其利用速率。采用本發(fā)明的反應(yīng)器系統(tǒng)和方法，在較短時(shí)間內(nèi)得到富集的利用合成氣的微生物,生產(chǎn)出脂肪酸，尤其是中長(zhǎng)鏈脂肪酸，如己酸和辛酸。
文檔編號(hào)C12P7/52GK103233046SQ20131014041
公開(kāi)日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月22日
發(fā)明者曾建雄, 張放, 張巖, 陳曼, 褚培娜, 丁靜, 申曉菲 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)