[发明专利]一种发酵合成气生产醇类的系统及其处理方法

说明书

技术领域

本发明属于发酵工程技术领域，具体涉及一种发酵合成气生产醇类的系统及其处理方法。

背景技术

合成气是一类以CO、CO₂和H₂为主要组分的混合气体，主要来自合成氨工业、石油炼制工业、钢铁厂和木浆造纸厂等能量密集型行业，我国每年工业排放超过600万吨CO和400万吨H₂。近年来，生物法综合利用合成气引起了极大关注，尤其通过微生物厌氧发酵将合成气转化成乙醇和丁醇的技术。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有三方面，即较低的气液传输速率、较低的气体利用效率和较低的微生物细胞浓度。

为解决上述问题，研究人员进行了系列研究，开发了新的发酵装置或技术：

(1)CN 103374592A公开了一种气相底物发酵生产乙醇的方法，通过离心、中空纤维过滤、沉淀或超滤分离发酵液中的细菌，分离的细菌返回至生物反应器中重复使用；分离细菌后的有机物溶液进行精馏，剩余残液一部分返回至生物反应器中，其余的作为发酵废液排放；分离发酵尾气中的CO₂并富集CO和/或H₂，然后将富集的CO和/或H₂通入生物反应器。该方法虽然部分提高了气相底物转化率并提高了微生物细胞浓度，但并未解决气液传输速率和产物浓度低的问题；

(2)CN 101768540A公开了一种合成气生产有机酸和醇的装置，该装置结合了搅拌式反应器与气升式反应器的优点，即在反应器中集成了搅拌、气体循环系统、导流筒和气体分布器等。该装置虽然增强了气液传质效果和气体利用率，但仍然未解决产物和微生物细胞浓度低的问题；

(3)CN 101831382A公开了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反应器，其中无泡供气是死端中空纤维膜组件，即气体只能由中空纤维膜一端进入且不能从另一端流出，进入膜腔的气体只能从膜孔中扩散传递出去；固液分离膜组件内装有超滤膜或微滤膜，允许水、小分子有机酸和醇等物质通过，发酵细胞等颗粒物不能通过，从而使发酵细胞保留在反应器中，而发酵产物可以从反应器中排出；无泡供气中空纤维膜组件及固液分离膜组件是浸没在反应器罐体内溶液液面以下。该技术提高了气体利用率、发酵反应速率和细胞浓度，但其发酵产物浓度较低，未解决发酵产物浓度较低的问题。

合成气体发酵合成的乙醇或丁醇浓度过低，采用传统蒸馏技术能耗较高。例如：当发酵液中丁醇浓度为0.5％时，蒸馏能耗为79.5MJ/kg丁醇；当丁醇浓度提高到1％时，蒸馏能耗降低到26.8MJ/kg丁醇；当丁醇浓度为11％，蒸馏能耗为17MJ/kg丁醇。因此，提高蒸馏前料液中乙醇或丁醇的浓度是降低能耗的有效措施之一。另外，一般乙醇和丁醇发酵时存在着产物抑制现象，即乙醇发酵过程中乙醇质量浓度累积超过50g/L就会抑制酵母细胞的生长，丁醇浓度达到7～13g/L其细胞活性就会失去一半。因此，一般获得发酵液中乙醇浓度小于50g/L、丁醇浓度小于13g/L，这样低的产物浓度难以采用蒸馏法实现分离和提纯，造成该技术难于工业化生产。所以，降低发酵过程乙醇或丁醇的浓度也是提高合成气发酵的措施之一。

与其它回收乙醇或丁醇的技术相比，渗透汽化技术是利用膜材料对被分离溶液中各组分溶解和扩散速度不同来实现分离的，其特点在于：

(ⅰ)典型的节能技术(低能耗，一般比恒沸精馏节能1/2～3/4)。据报道利用气提技术、萃取、吸附和渗透汽化膜技术，从发酵液中分离、浓缩丁醇的研究，并发现这些方法的能耗分别为21MJ/Kg(丁醇)、14MJ/Kg(丁醇)、33MJ/Kg(丁醇)和9MJ/Kg(丁醇)，以渗透汽化膜分离技术的能耗最低；

(ⅱ)典型的清洁生产技术，过程不引入其它组份，产品和环境不会受到污染；

(ⅲ)典型的便于放大和耦合技术。它特别适用于普通精馏难于分离或不能分离的近沸点和恒沸点混合物的分离，对于水中有机溶剂浓度小于5％的料液分离情况，更具优势。

然而现有技术中并未有同时利用合成气发酵和渗透汽化相结合的技术，以解决上述现有技术中存在的发酵液中醇类浓度过高以及发酵产物浓度过低的问题。因而，亟需寻求一种同时解决发酵液中醇类浓度过高以及发酵产物浓度过低问题的技术方案。

发明内容