专利名称：一种纤维床反应器与萃取分离耦合生产丙酸的装置及工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于发酵工程与分离工程技术领域，涉及一种纤维床反应器与萃取分离耦合生 产丙酸的装置及工艺。
背景技术：
丙酸是一种重要精细化工产品和基本化工原料，广泛应用于食品、饲料、橡胶、塑料、 油漆、涂料、香料、医药、农药、印刷等领域。目前丙酸的工业化生产采用以石油为原料 的化学合成法，长期以來，由于丙酸生产工艺条件苛刻，技术难度大，我国一直没能实现 大规模生产，主要依赖于进口；另一方面，由于世界石油价格一路攀升，以石油为原料的 丙酸生产成本不断升高。从长远来看，随着石油资源日趋枯竭，环境保护要求R趋严格， 诸多因素制约着石油丙酸的生产发展。因此，生物法制备丙酸无疑是一条值得探索的工艺。 由于丙酸杆菌生长速率缓慢、终产物反馈抑制严重等原因，传统发酵法生产丙酸产 率低，无法和化学合成法竞争。为了提高丙酸生产效率，消除丙酸反馈抑制，萃取发酵 法被应用于丙酸的发酵。Yang ST等构建了一套游离细胞两歩萃取发酵装置，利用中空纤 维膜实现丙酸的萃取，丙酸产量达75g/l(生产效率0.63 g/l/h)，是目前丙酸产量报道的 最高值。与其他的有机酸萃取发酵类似，萃取发酵丙酸过程中，萃取剂对于丙酸杆菌的 毒性是一个难以解决的问题。利用中空纤维膜萃取能够降低萃取剂对发酵的影响，但随 着萃取的进行，因为萃取剂毒性造成生产效率降低仍然难以避免，这对丙酸生产是极其 不利的。只有寻找一种能从根本上消除萃取剂对丙酸杆菌的毒性的萃取发酵工艺，才能 从根本上提高丙酸的生产效率与生产稳定性。除萃取发酵外，固定化丙酸杆菌也被用于 丙酸生产以提高丙酸的产量。研究表明，固定化细胞具有比游离细胞更高的丙酸与有机 溶剂耐受性。Yang ST等构建的一套纤维床反应器，丙酸产量达71. 8 g/l(生产效率0.08 g/l/h)，为固定化生产丙酸产量的最高值，与其他固定化方法类似，纤维床反应器方法 发酵丙酸能够一定程度的提高丙酸的耐受性，但在高浓度丙酸条件下丙酸产量增长缓慢。
为了进一步提高丙酸产量，实现发酵法生产丙酸的工业化，探索新型丙酸杆菌固定化方 式与新型丙酸萃取分离技术势在必行。
发明内容
本发明的目的在于避免上述现有技术的不足而提供一种纤维床反应器与萃取分离耦 合(FBES)生产丙酸的装置及工艺。即在一套装置中实现丙酸的固定化发酵与丙酸的在线 分离。通过该套工艺可以从根本上消除丙酸反馈抑制，实现丙酸杆菌高密度发酵，同时避 免了萃取剂对丙酸杆菌的毒害，实现丙酸的生产。
本发明目的可以通过下列措施来达到
该装置包括固定化纤维床反应器单元、膜分离单元、萃取与反萃取单元和洗提与冷凝 单元，固定化纤维床反应器单元主要由反应器9、纤维材料8、搅拌装置10-1、 pH自动控 制装置和补料装置构成，其中纤维材料作为细胞固定化载体固定于反应器内部，pH自动控 制装置和补料装置与反应器9相连，搅拌装置10-1位悬挂于反应器9内部，并与纤维材 料8互不接触；
pH自动控制装置由pH探头7、 pH检测器6、恒流泵5-1、碱液瓶2、空气过滤器l-l 及相互连接管路所构成，pH探头7接于反应器9上，当反应器9内pH低于所控pH时，通 过恒流泵5-l向反应器9中补入碱液自动控制pH;补料装置由恒流泵5-2、补料瓶3、空 气过滤器1-2及相互连接的管路所构成，通过恒流泵5-2将补料瓶3中的培养基通过连接 于反应器9上的管路补入反应器9;
膜分离单元由膜组件14、恒流泵5-3和恒流泵5-4、压力表12、压力调节开关13及 相关连接管路构成，当反应器9中的丙酸浓度达到20-60g/l后通过恒流泵5-3将反应器9 中的发酵液泵入与反应器9相连的膜组件14中，并根据压力表12读数调节压力调节开关 13控制膜组件14的压力，被膜组件14的膜透过液通过恒流泵5-4泵入萃取釜16中；
上述萃取与反萃取单元由萃取釜16、反萃取釜17、反萃取剂贮存器19、搅拌装置10-2 和10-3、恒流泵5-5、 5-6、 5-7及相关管路构成，所述的反萃取剂贮存器19与反萃取釜 17通过管路相连接，通过恒流泵5-6将反萃取剂(反萃取剂贮存反萃取剂贮存器19中) 加入反萃取釜17;萃取釜16中的膜透过液经萃取后所得水相(含有少量有机相)经恒流 泵5-5泵入洗提与冷凝单元；膜组件14透过液经萃取釜16萃取后丙酸进入有机相'有机 相进入反萃取釜17反萃取后，得到丙酸或丙酸钠。
上述洗提与冷凝单元由洗提器20和冷凝器21构成，洗提器20和冷凝器21通过管路 相连接，所述的萃取釜16中萃取后所得水相含有少量有机相，水相经洗提器20洗提后， 水相中的有机相返回萃取釜16，水相进入冷凝器21，经冷凝后水相流入反应器9。
上述纤维床反应器中的纤维材料8，可以为植物纤维(如纱布、棉布)、动物纤维(如 羊毛织物)或合成纤维(如涤纶织物)。
所谐的高密度发酵，是指利用该方法可实现包括丙酸杆菌的高菌浓度发酵，菌体干重 高达20-45 g/1，与一般的游离细胞培养相比(菌体千重小于IO g/1)具有明显的优势。
所述的膜组件14,可以为无机陶瓷膜或有机膜。无机陶瓷膜的材质为氧化铝或氧化锆， 膜孔径为0.1-0.2um;有机膜的材质为聚偏氟乙烯。
所述的萃取剂与反萃取剂，其特征是萃取剂选用叔胺(优选三辛胺或三垸基胺)或季 胺(优选十六烷基三甲基氯化铵、甲基三辛基氯化铵或三甲基氯化铵)；稀释剂选用油醇、 煤油或TH辛醇；反萃取剂选用氯化钠、氢氧化钠或盐酸。
该生产工艺为
丙酸杆菌接种于预先装有种子培养基的反应器9中培养12 — 60h，菌株吸附在纤维材 料8上实现菌株的固定化，将反应器9中的种子液替换为发酵培养基，利用pH自动控制 装置补入碱液控制反应器中的发酵液pH值，开动搅拌装置10-l使反应器9内物质充分接 触，实现丙酸杆菌在固定化纤维床反应器中发酵生产丙酸。
将丙酸杆菌在固定化纤维床反应器中发酵后，反应器9中的发酵液先通过膜组件14 过滤，被膜组件14截留的反应器9中的游离丙酸生产菌及蛋白被截留返回反应器9，同时 向反应器9中补充发酵培养基，含丙酸的膜透过液继续依次通过萃取与反萃取单元、洗提 与冷凝单元实现丙酸的分离。
上述膜透过液经萃取釜16中的萃取剂萃取后所得水相进入洗提器20，水相中的水形 成蒸气进入冷凝器21冷凝后返回反应器9，水相含有的萃取剂被分离出来返回萃取釜16， 发酵生产的丙酸经萃取后进入有机相，含丙酸的有机相进入反萃取釜17,经反萃取釜17 中的反萃取剂反萃取，回收有机相中的丙酸。
本发明所用碱液，可以是3-8 mo1/1的氢氧化钠或3-8 mol/1碳酸氢钠水溶液。
本发明所述的种子液为接种了菌株的种子培养基。 本发明所述的发酵液为接种了菌株的发酵培养基。
本发明生产丙酸时所述的种子培养基和发酵培养基主要含有碳源(葡萄糖、乳酸、甘
油中一种或多种)、氮源(牛肉膏、蛋白胨、酵母膏、玉米浆、豆饼粉、棉籽饼粉、尿素、 (NH^SOh NR,C1中的一种或多种)及无机盐(钾盐、钴盐、钠盐、磷酸盐、磷酸二氢盐、 盐酸盐中的一种或多种，如磷酸二氢钠)。它们的比例可以根据实际情况具体调节，其
中发酵培养基的碳源(如葡萄糖)加入量为40 120 g/1。
该生产工艺具体为
将丙酸杆菌种子液以5-20% (v/v)接种量接种于预装有3L种子培养基的反应器9 中，温度30-37。C，转速0-400r/min， N2通入量0. 05-0. 3 L/min (从惰性气体入口 4通 入)pH自动控制装置控制pH，培养24-48h实现菌株在纤维材料8上的吸附与固定，将反 应器9中的种子液替换为发酵培养基，在初始葡萄糖浓度为50-120 g/1的条件下，培养 36-100h后，发酵液通过恒流泵5-3泵入膜分离单元，在0.02-0. 10 MPa的工作压力下， 实现丙酸发酵液在膜组件14上的过滤，被膜组件14截留发酵液中的丙酸杆菌细胞及发酵 液的蛋白返回反应器9中，同时向反应器9中补充发酵培养基，实现反应器9中丙酸杆菌 的高密度发酵。膜透过液通过恒流泵5-4泵入进入萃取釜16,经稀释剂稀释后的叔胺或季 胺萃取后，水相与有机相分层，含有少量萃取剂的水相通过恒流泵5-5泵入洗提器20，在 80-11(TC的条件下水相形成水蒸气进入冷凝器21冷凝后通过恒流泵5-8返回反应器9，水 相中含有的少量萃取剂、稀释剂返回萃取釜16，经萃取后含有丙酸的有机相进入反萃取釜 17，经反萃取剂反萃取、分层后，成丙酸或丙酸钠经过恒流泵5-7泵入从丙酸回收口 18 回收，有机相则返回萃取釜16进行下一批萃取。 本发明的有益效果
1、 该装置及工艺利用固定化纤维床反应器实现了丙酸杆菌的高效吸附与丙酸的高效发酵， 与一般的游离细胞培养相比，该固定化细胞自身具有较高的生产效率，达0.50g/l/h，远 高于一般游离细胞所能达到的生产效率(一般小于0.25 g/l/h)，为整套装置的高效生产 奠定了基础。
2、 该装置及工艺采用了原位分离技术(ISPR)，游离细胞和含丙酸的发酵液能得到有效分 离，从根本上消除了丙酸对丙酸杆菌的反馈抑制，细胞返回反应器中实现游离细胞的积累， 达到丙酸杆菌的高密度发酵，丙酸杆菌的生产效率将得到进一歩提高，可达1.00-1.25 g/l/h。
3、 该装置及工艺利用水相(约10(TC)比有机相沸点(大于15(TC)相比较低的特点'萃 取后的水相经洗提器洗提、冷却后返回反应器回用，运用洗提器实现了有机相与水相的分
离，从根本上避免了有机相进入反应器造成对菌体的毒害，同时使有机相得到回用。
4、 该装置及工艺采用萃取釜与反萃取釜联用装置，实现了丙酸的萃取与反萃取，萃取剂 与丙酸透过液的直接接触提高了丙酸的萃取效率，在较少时间(10-15min)内就能达到萃 取平衡，提高了丙酸的萃取效率。
5、 该装置及工艺操作简单，易实现自动化，固定化材料、膜及配套设备使用寿命长、装 置维护方便，具有很好的运用前景。
图1是本发明纤维床反应器与萃取分离耦合生产丙酸的装置结构示意图。 图中
1-1、 1-2、 1-3.空气过滤器，2.碱液瓶，3.补料瓶，4.惰性气体入口， 5-1、 5-2、 5-3、 5-4、 5-5、 5-6、 5-7、 5-8.恒流泵，6. PH检测器，7. pH探头，8.纤维材料，9.反应器， IO-I、 10-2、 10-3.搅拌装置，ll.尾气出口， 12.压力表，13.压力调节开关，14.膜组件， 15-1、 15-2、 15-3、 15-4.开关，16.萃取釜，17.反萃取釜，18.丙酸回收口， 19.反萃取 剂贮存器，20.洗提器，21.冷凝器
具体实施例方式
以下通过实施例对本发明作进一步说明，但对本发明没有限制。
该装置主要由固定化纤维床反应器单元、膜分离单元、萃取与反萃取单元和洗提与冷 凝单元构成，固定化纤维床反应器单元主要由反应器9、纤维材料8、搅拌装置10-1、 PH 自动控制装置和补料装置构成，其中纤维材料作为细胞固定化载体固定于反应器内部，pH 自动控制装置和补料装置与反应器9相连，搅拌装置10-1位悬挂于反应器9内部，并与 纤维材料8互不接触；反应器9上部通过管路还设置一个惰性气体入口 4和一个尾气出口 11;
pH自动控制装置由pH探头7、 pH检测器6、恒流泵5-1、碱液瓶2、空气过滤器l-l 及相互连接管路所构成，pH探头7接于反应器9上，当反应器9内pH低于所控pH时，通 过恒流泵5-l向反应器9中补入碱液自动控制pH;补料装置由恒流泵5-2、补料瓶3、空 气过滤器1-2及相互连接的管路所构成，通过恒流泵5-2将补料瓶3中的培养基通过连接 于反应器9上的管路补入反应器9;
膜分离单元由膜组件14、恒流泵5-3和恒流泵5-4、压力表12、压力调节开关13及 相关连接管路构成，当反应器9中的丙酸浓度达到20-60g/l后通过恒流泵5-3将反应器9 中的发酵液泵入与反应器9相连的膜组件14中，并根据压力表12读数调节压力调节开关 13控制膜组件14的压力，被膜组件14的膜透过液通过恒流泵5-4泵入萃取釜16中；
上述萃取与反萃取单元由萃取釜16、反萃取釜17、反萃取剂贮存器19、搅拌装置10-2 和10-3、恒流泵5-5、 5-6、 5-7及相关管路构成，所述的反萃取剂贮存器19与反萃取釜 17通过管路相连接，通过恒流泵5-6将反萃取剂(反萃取剂贮存反萃取剂贮存器19中) 加入反萃取釜17;萃取釜16中的膜透过液经萃取后所得水相(含有少量有机相)经恒流 泵5-5泵入洗提与冷凝单元；膜组件14透过液经萃取釜16萃取后丙酸进入有机相，有机 相进入反萃取釜17反萃取后，得到丙酸或丙酸钠。
上述洗提与冷凝单元由洗提器20和冷凝器21构成，洗提器20和冷凝器21通过管路 相连接，所述的萃取釜16中萃取后所得水相含有少量有机相，水相经洗提器20洗提后， 水相中的有机相返回萃取釜16，水相进入冷凝器21，经冷凝后水相流入反应器9。
冷凝器21和反应器9之间在管路上设有开关15-1，萃取釜16和洗提器20之间在管 路上设有开关15-2，膜组件14和萃取釜16之间在管路上设有开关15-3，反萃取釜17和 反萃取剂贮存器19之间在管路上设有开关15-4。
以下具体说明实施流程
实施例1
将本实验室拥有自主知识产权的费氏丙酸杆菌NX-4 (尸ro/7/朋iZ)scfer^/ 7 斤ew/ee/7化J'c力yi NX-4，专利号200710020579.8，已于2007年10月3日公开)种子液 以5X(v/v)接种量接种于预装有3L种子培养基的反应器9中，温度3(TC，从惰性气体入 口 4通入0. 05L/min N2，同时利用恒流泵5-1向反应器9中补入8mo1/1氢氧化钠水溶液 控制pH 6.0，静置培养48h实现菌株在植物纤维(纱布)8上的吸附与固定。将反应器9 中的种子液替换为发酵培养基，初始PH为6. 9，利用恒流泵5-1向反应器9中补入8mo1/1 氢氧化钠水溶液控制pH 6.0，初始葡萄糖浓度50 g/l即葡萄糖加于发酵培养基中，通入 0. 1 L/min N2，培养温度30°C，静置培养70 h，丙酸产量17. 5 g/l，生产效率达0. 25 g/l/h。
实施例2
将费氏丙酸杆菌NX-4种子液以10%(v/v)的接种量接入预装有3L种子培养基的反应器 9中，温度35。C，通入0. 2L/min N"利用搅拌装置10-1进行搅拌(转速200r/min)'同
时利用恒流泵5-1补入3mo1/1氢氧化钠水溶液控制pH 6. 0，培养36 h实现细胞在植物纤 维8 (棉布)上的固定。将反应器9中的种子液替换为发酵培养基，初始pH为6.9，同时 利用恒流泵5-1补入3mo1/1氢氧化钠水溶液控制pH 6.0，初始葡萄糖浓度120 g/1，温 度35。C，通入0. 2 L/min N2,利用搅拌装置10-1进行搅拌(转速200r/min)，发酵150h， 丙酸产量57. 5 g/1，生产效率达O. 38 g/l/h。 实施例3
将费氏丙酸杆菌NX-4种子液以15% (v/v)的接种量接入预装有3L种子培养基的反应器 9中，温度37°C，从惰性气体入口 4通入0. 3L/min N2，利用搅拌装置10-1进行搅拌(转 速400r/min)，同时利用恒流泵5-1向反应器9中补入5mo1/1碳酸氢钠水溶液控制pH 6. 0， 培养30h实现细胞在动物纤维(羊毛织物)8上的固定。将反应器9中的种子液替换为发 酵培养基，初始PH为6. 9，，同时利用恒流泵5-1补入5mo1/1碳酸氢钠水溶液控制pH 6. 0， 初始葡萄糖浓度80 g/1，从惰性气体入口 4通入0. 1 L/min N2,利用搅拌装置10-1进行 搅拌(转速400r/min)，培养80h后，发酵液利用恒流泵5-3泵入膜组件14 (0.2i!m的 氧化铝无机陶瓷膜)在0.02MPa、 37。C条件下进行过滤，被膜组件14截留的反应器9中的 游离细胞及部分蛋白被截留返回反应器9，同时利用恒流泵5-2将补料瓶3中的发酵培养 基补入反应器9中(葡萄糖浓度80 g/1)，实现丙酸杆菌在反应器9中的高密度发酵，丙 酸生产效率逐渐增加，批次生产时间逐渐减少，经10批次发酵(总时间470 h)，丙酸累 计浓度达385 g/1,生产效率达0. 82 g/l/h，其中反应器9中的菌体干重最终高达23. 3 g/1。
实施例4
将费氏丙酸杆菌NX-4种子液以20。/。(v/v)的接种量接入预装有3L种子培养基的反应器 中，温度35。C，通入O. 15L/min N2，利用搅拌装置10-1进行搅拌(转速200r/min)，碳 酸氢钠水溶液控制pH 6. 0培养24 h实现细胞在动物纤维(羊毛织物)8上的固定。将反 应器9中的种子液替换为发酵培养基，初始pH为6.9，，同时利用恒流泵5-l补入4mo1/1 碳酸氢钠水溶液控制pH 6.0，初始葡萄糖浓度80 g/1，通入0. 1 L/rain N2,利用搅拌装 置10-l进行搅拌(转速200r/min)，培养72h后，发酵液利用恒流泵5-3泵入膜组件14 (0. 1 y m的聚偏氟乙烯中空纤维微滤膜)在0. 10MPa、 35。C条件下进行过滤，被膜组件14 截留的反应器9中的游离细胞及部分蛋白被截留返回反应器9，同时利用恒流泵5-2将补 料瓶3中的发酵培养基补入反应器9中(葡萄糖浓度80 g/1)，实现丙酸杆菌在反应器9 中的高密度发酵，丙酸生产效率逐渐增加，批次生产时间逐渐减少，经10批次发酵(405
h)，丙酸累计浓度达394 g/l，生产效率达0.97 g/l/h,其中反应器9中的菌体干重最终 高达30.5 g/1。 实施例5
将费氏丙酸杆菌NX-4种子液以15。"v/v)的接种量接入预装有3L种子培养基的反应器 中，温度33。C，通入O. 25L/min N2，利用搅拌装置10-1进行搅拌(转速100r/min)，氢 氧化钠水溶液控制pH 6.0培养28 h实现细胞在合成纤维(涤纶织物)8上的固定。将反 应器9中的种子液替换为发酵培养基，初始pH为6.9，同时利用恒流泵5-1补入4mo1/1 氢氧化钠水溶液控制pH 6.0,初始葡萄糖浓度80 /1，通入0.25 L/min N2,利用搅拌装 置10-l进行搅拌(转速200r/min)，培养75h后，发酵液利用恒流泵5-3泵入膜组件14 (0. 2 u m的聚偏氟乙烯中空纤维微滤膜)在0. 04MPa、 35。C条件下进行过滤，被膜组件14 截留的反应器9中的游离细胞及部分蛋白被截留返回反应器9，同时利用恒流泵5-2将补 料瓶3中的发酵培养基补入反应器9中(葡萄糖浓度80g/1)实现丙酸杆菌在反应器9中 的高密度发酵，透过液进入萃取釜16，利用40%三烷基胺+60%正辛醇(v/v)萃取透过液 中的丙酸(萃取剩余水相不回用)，萃取后的有机相进入反萃取釜17，有机相中的丙酸经 山恒流泵5-6从反萃取剂储存器19中泵入反萃取釜17的氯化钠反萃取后生成丙酸钠，回 收得到萃取剂用于下一次萃取。丙酸生产效率逐渐增加，批次生产时间逐渐减少，经10 批次发酵与萃取/反萃取(395 h)，丙酸累计浓度达393 g/1，生产效率达0.99 g/l/h， 其中反应器9中的菌体干重最终高达32.8 g/1。 实施例6
将费氏丙酸杆菌NX-4种子液以10。/。(v/v)的接种量接入预装有3L种子培养基的反应器 中，温度35°C，通入0. 20L/min N2，利用搅拌装置10-1进行搅拌(转速150r/min)，氢 氧化钠水溶液控制pH 6.0培养36 h实现细胞在动物纤维(羊毛织物)8上的固定。将反 应器9中的种子液替换为发酵培养基，初始pH为6.9，同时利用恒流泵5-1补入5mo1/1 氢氧化钠水溶液控制pH 6.0,初始葡萄糖浓度100 g/1，通入0.20 L/min N2，利用搅拌 装置10-l进行搅拌(转速150r/min)，培养85h后，发酵液利用恒流泵5-3泵入膜组件 14 (0. lum的氧化铝无机陶瓷膜)在0.08MPa、 35'C条件下进行过滤，被膜组件14截留 的反应器9中的游离细胞及部分蛋白被截留返回反应器9，同时利用恒流泵5-2将补料瓶 3中的发酵培养基补入反应器9中(初始糖浓度100 g/l)实现丙酸杆菌在反应器9中的 高密度发酵，透过液进入萃取釜16,利用40%十六垸基三甲基氯化铵+60%煤油"八)萃
取透过液中的丙酸(萃取剩余水相不回用)，萃取后的有机相进入反萃取釜17，有机相中 的丙酸经由恒流泵5-6从反萃取剂储存器19中泵入反萃取釜17的氢氧化钠反萃取后成丙 酸钠，回收得到萃取剂用于下一次萃取。经10批次发酵与萃取/反萃取(480 h)，丙酸累 计浓度达500 g/1，生产效率达1. 04 g/l/h，其中反应器9中的菌体干重最终高达34. 5 g/1。 实施例7
将费氏丙酸杆菌NX-4种子液以15y。(v/v)的接种量接入预装有3L种子培养基的反应器 中，温度33。C,通入O. 10L/min N2，利用搅拌装置10-1进行搅拌(转速300r/min)，氢 氧化钠水溶液控制pH 6.0培养30 h实现细胞在合成纤维(涤纶织物)8上的固定。将反 应器9中的种子液替换为发酵培养基，初始pH为6.9,同时利用恒流泵5-l补入8ino1/1 氢氧化钠水溶液控制pH 6.0，初始葡萄糖浓度100 g/1，通入0.15 L/min N2，利用搅拌 装置10-1进行搅拌(转速300r/min)，培养80h后，发酵液利用恒流泵5-3泵入膜组件 14 (0.2nm的氧化锆无机陶瓷膜)在0.06MPa、 33'C条件下进行过滤，被膜组件14截留 的反应器9中的游离细胞及部分蛋白被截留返回反应器9，同时利用恒流泵5-2将补料瓶 3中的发酵培养基补入反应器9中(葡萄糖浓度100 g/1)实现丙酸杆菌在反应器9中的 高密度发酵，透过液进入萃取釜16，利用50%甲基三辛基氯化铵+ 50X油醇(v/v)萃取透过 液中的丙酸，萃取剩余水相经洗提器20洗提(80'C)、并经冷凝器21冷凝后由恒流泵5-8 泵入反应器9中回用。有机相中的丙酸经由恒流泵5-6从反萃取剂储存器19中泵入反萃 取釜17经盐酸反萃取后得到分离，回收得到萃取剂用于下一次萃取。经10批次发酵与萃 取/反萃取(340 h)，丙酸累计浓度达504 g/1，生产效率达1.48 g/l/h，其中反应器9 中的菌体干重最终高达34.5 g/1。
实施例8
将费氏丙酸杆菌NX-4种子液以15。/。(v/v)的接种量接入预装有3L种子培养基的反应器 中，温度35°C，通入0. 15L/min N2,利用搅拌装置10-1进行搅拌(转速100r/min)，同 时利用恒流泵5-1补入8mo1/1氢氧化钠水溶液控制pH 6. 0，培养32 h实现细胞在合成纤 维(涤纶织物)8上的固定。将反应器9中的种子液替换为发酵培养基，初始pH为6.9， 同时利用恒流泵5-1补入8mo1/1氢氧化钠水溶液控制pH 6. 0，初始葡萄糖浓度100 g/1， 通入0. 15 L/min N2,利用搅拌装置10-1进行搅拌(转速100r/rain)，培养80h后，发酵 液利用恒流泵5-3泵入膜组件14 (0. 1 u m的氧化锆无机陶瓷膜)在0. 04MPa、 35'C条件下 进行过滤，被膜组件14截留的反应器9中的游离细胞及部分蛋白被截留返回反应器9，同时利用恒流泵5-2将补料瓶3中的发酵培养基补入反应器9中(葡萄糖浓度100 g/1)实 现丙酸杆菌在反应器9中的高密度发酵，透过液进入萃取釜16，利用60%三甲基氯化铵+40% 煤油(v/v)萃取透过液中的丙酸，萃取剩余水相经洗提器20洗提(11(TC)、并经冷凝器21 冷凝后由恒流泵5-8泵入反应器9中回用。有机相中的丙酸经由恒流泵5-6从反萃取剂储 存器19中泵入反萃取釜17经氯化钠反萃取后成丙酸钠，回收得到萃取剂用于下一次萃取。 经10批次发酵与萃取/反萃取(352 h)，丙酸累计浓度达497 g/1，生产效率达1. 41 g/l/h， 其中反应器9中的菌体干重最终高达33.7 g/1。
权利要求
1、一种纤维床反应器与萃取分离耦合生产丙酸的装置，包括固定化纤维床反应器单元、膜分离单元、萃取与反萃取单元和洗提与冷凝单元，其特征在于所述的固定化纤维床反应器单元主要由反应器(9)、纤维材料(8)、搅拌装置(10-1)、pH自动控制装置和补料装置构成，其中纤维材料(8)作为细胞固定化载体固定于反应器(9)内部，pH自动控制装置和补料装置与反应器(9)相连，搅拌装置(10-1)悬挂于反应器(9)内部；所述的膜分离单元主要由膜组件(14)、恒流泵(5-3)和恒流泵(5-4)、压力表(12)、压力调节开关(13)及连接管路构成，当反应器(9)中的丙酸浓度达到20-60g/l后通过恒流泵(5-3)将反应器(9)中的发酵液泵入与反应器(9)相连的膜组件(14)中，并根据压力表(12)读数调节压力调节开关(13)控制膜组件(14)的压力，经过膜组件(14)的膜透过液通过恒流泵(5-4)泵入萃取釜(16)中；所述的萃取与反萃取单元主要由萃取釜(16)、反萃取釜(17)、反萃取剂贮存器(19)、搅拌装置(10-2)和(10-3)、恒流泵(5-5)、恒流泵(5-6)、恒流泵(5-7)及相关管路构成，所述的反萃取剂贮存器(19)与反萃取釜(17)通过管路相连接，通过恒流泵(5-6)将反萃取剂贮存器(19)中的反萃取剂加入反萃取釜(17)中；萃取釜(16)中的膜透过液经萃取后所得水相经恒流泵(5-5)泵入洗提与冷凝单元；所述的洗提与冷凝单元主要由洗提器(20)和冷凝器(21)构成，洗提器(20)和冷凝器(21)通过管路相连接，所述的萃取釜(16)中萃取后所得水相含有少量有机相，水相经洗提器(20)洗提后，水相中的有机相返回萃取釜(16)，水相进入冷凝器(21)，经冷凝后水相流入反应器(9)。
2、 根据权利要求1所述的纤维床反应器与萃取分离耦合生产丙酸的装置，其特征在 于所述的pH自动控制装置由pH探头(7)、 pH检测器(6)、恒流泵(5-1)、碱液瓶(2)、 空气过滤器(1-1)及相互连接管路所构成，PH探头(7)接于反应器(9)上，当反应器(9) 内pH低于所控pH时，通过恒流泵(5-1)向反应器(9)补入碱液。
3、 根据权利要求1所述的纤维床反应器与萃取分离耦合生产丙酸的装置，其特征在 于所述的补料装置由恒流泵(5-2)、补料瓶(3)、空气过滤器(1-2)及相互连接的管 路所构成，通过恒流泵(5-2)将补料瓶(3)中的培养基通过连接于反应器(9)上的管 路补入反应器(9)。
4、 根据权利要求1所述的纤维床反应器与萃取分离耦合生产丙酸的装置，其特征在 于所述的纤维材料为植物纤维、动物纤维或合成纤维。
5、 根据权利要求1所述的纤维床反应器与萃取分离耦合生产丙酸的装置，其特征在 于所述的膜组件(14)所用材料是无机陶瓷膜和有机膜。
6、 根据权利要求5所述的纤维床反应器与萃取分离耦合生产丙酸的装置，其特征在 于所述的无机陶瓷膜的材质为氧化铝或氧化锆，膜孔径为O. l-0.2um;有机膜的材质为聚 偏氟乙烯。
7、 一种利用权利要求l、 2或3所述的纤维床反应器与萃取分离耦合生产丙酸的装置 生产丙酸的工艺，其特征在于丙酸杆菌在固定化纤维床反应器中发酵后，反应器(9)中 的发酵液先通过膜组件(14)过滤，发酵液中的游离丙酸生产菌及蛋白被膜组件(14)截 留返回反应器(9)，同时向反应器(9)中补充发酵培养基，含丙酸的膜透过液继续依次 通过萃取与反萃取单元、洗提与冷凝单元实现丙酸的分离。
8、 根据权利要求7所述的工艺，其特征在于所述膜透过液经萃取釜(16)中萃取剂 萃取后所得水相进入洗提器(20)，水相中的水形成蒸气进入冷凝器(21)冷凝后返回反 应器(9)，水相含有的萃取剂被分离出来返回萃取釜(16)，发酵生产的丙酸经萃取后进 入有机相，含丙酸的有机相进入反萃取釜(17)，经反萃取釜(17)中的反萃取剂反萃取 后，回收得到丙酸。
9、 根据权利要求7所述的工艺，其特征是萃取剂是经稀释剂稀释后的叔胺或季胺； 反萃取剂选用氯化钠、氢氧化钠或盐酸。
10、 根据权利要求9所述的工艺，其特征是所述稀释剂是油醇、煤油或正辛醇；叔胺 是三辛胺或三垸基胺，季胺是十六垸基三甲基氯化铵、甲基三辛基氯化铵或三甲基氯化铵。
全文摘要
本发明公开一种纤维床反应器与萃取分离耦合生产丙酸的装置及工艺，即利用固定化纤维床反应器单元、膜分离单元、萃取与反萃取单元和洗提与冷凝单元实现丙酸的高效生产。该装置可行性强，操作简单，易实现自动化，固定化材料、膜及配套设备使用寿命长、维护方便，具有很好的运用前景；通过萃取分离耦合技术实现丙酸的分离，从根本上消除丙酸的反馈抑制，实现丙酸杆菌的高密度发酵，极大地提高发酵法生产丙酸的产率，萃取后的水相经洗提器洗提、冷却后返回反应器回用，从根本上消除了萃取剂对丙酸杆菌的毒害。
文档编号C12M1/00GK101182455SQ20071019075
公开日2008年5月21日 申请日期2007年11月29日 优先权日2007年11月29日
发明者冯小海, 忠 姚, 虹 徐, 莎 李, 欧阳平凯 申请人:南京工业大学