气提吸附法提取丙酮丁醇工艺的研究

摘要

在丙酮丁醇发酵过程中，其发酵产物对菌种有毒害抑制作用，影响发酵的继续进行。利用气提的方式提取溶剂，一方面，消除发酵液中挥发性有机溶剂的毒害作用，使发酵继续进行；另一方面，气提气体不会对微生物产生毒害作用及对培养基产生副作用，气提过程仅提取发酵液中可挥发性的有机溶剂，不会出现由于携带培养基而出现结垢或堵塞现象。目前，将丙酮-丁醇发酵与气提吸附及解吸相耦合的研究，还未见报道。本试验以丙酮丁醇梭菌8008、8012(CICC)为菌种，进行了气提、吸附、解吸、发酵方面的研究。论文主要研究内容及结果如下：
　　 1)对气提后直接冷凝的规律进行了初步研究。首先，按照发酵液中产生的溶剂比例，用分析纯溶剂配制标准ABE(Acetone-butanol-ethanol)，实验证明通气速率越大，冷凝收集液越多，且不同初始浓度下气提冷凝收集液随通气速率变化的曲线基本重合，这说明在外部条件一定的情况下，冷凝收集液的体积与溶液的初始浓度无关。在温度、气提时间、冷凝温度、发酵罐体积等外部因素恒定的情况下，冷凝收集液的总溶剂及各组分的浓度仅与初始浓度有关，与通气速率大小无关。
　　 2)对发酵液进行气提冷凝。按照丁醇：丙酮：乙醇组分的摩尔比为6:3:1，配制不同浓度的溶液，气提冷凝后收集液中组分的摩尔比都接近于7.2:2:0.8，提高了丁醇的比例。配制浓度为20 g/L的标准ABE溶液，气体冷凝后收集液浓度达到111.8930g/L，在进一步精馏浓缩过程中降低了能量的消耗。相同条件下，发现发酵液的冷凝收集液的组分浓度与标准液接近，其收集液中总溶剂浓度达到104.2502g/L，说明对标准液进行实验规律适用于发酵液。但是气提后用直接冷凝的方式回收气提出的溶剂，回收量很少。
　　 3)增加吸附过程，以提高溶剂的回收量。从价格和吸附效果等方面比较后，确定以竹炭作为吸附剂，继而研究了包括吸附时间、温度、竹炭用量、pH值等因素对竹炭吸附丁醇性能的影响及竹炭对发酵中溶剂的吸附效果。结果表明，竹炭经过pH为4的HCl处理，在37℃下吸附效果更佳，100 g竹炭对丁醇的吸附量达到0.99167 g，并具有良好的使用重复性。
　　 4)以玉米面为碳源，确定开始气提时间、间歇气提发酵效果，以及醪液中非挥发性物质对发酵的影响。结果表明，确定在发酵进行44 h时开始气提，溶剂的增长率都超过了12％。间歇性气提发酵，可使发酵继续进行，进而提高底物的利用率，使发酵中的总溶剂产量提高了27.2％，总溶剂产量达到26.26 g/L，残糖的利用率提高了27.6％，而醪液中一些难挥发性物质对发酵也有抑制作用。