膜组件、含该膜组件的生物反应器及发酵设备
阅读：905发布：2022-10-06
专利汇可以提供膜组件、含该膜组件的生物反应器及发酵设备专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型涉及膜组件、含该膜组件的 生物 反应器 及 发酵 设备。具体而言，本实用新型的膜组件包括：膜；和位于所述膜的一端的连接管件，用于使膜与外部管路连通；其中，膜的另一端为盲端。本实用新型的生物反应器包括(1) 发酵罐 ；和(2)置于发酵罐内的本实用新型的膜组件。本实用新型还包括含该生物反应器和供气装置的发酵设备。本实用新型能从封闭 合成气 发酵系统中高效地生成发酵产物，并连续分离出发酵产物，防止了产物抑制。，下面是膜组件、含该膜组件的生物反应器及发酵设备专利的具体信息内容。
1.一种膜组件，其特征在于，所述膜组件包括：
膜；和
位于所述膜的一端的连接管件，用于使膜与外部管路连通；
其中，膜的另一端为盲端。
2.如权利要求1所述的膜组件，其特征在于，所述膜组件具有以下一个或多个特征：
(1)所述膜为有机膜、陶瓷膜或金属膜；
(2)所述膜的结构为管式、板式或卷式；
(3)所述膜为超滤膜或微滤膜；
(4)使用固定封头密封膜的所述另一端，形成所述盲端；和
(5)所述膜与所述连接管件可拆卸地固定在一起。
3.如权利要求1或2所述的膜组件，其特征在于，所述膜组件包括2～20根并联的膜，各膜一端均为盲端，另一端各自包括用于使膜与外部管路连通的连接管件。
4.一种生物反应器，其特征在于，所述生物反应器包括：
(1)发酵罐；和
(2)置于所述发酵罐内的权利要求1－3中任一项所述的膜组件。
5.如权利要求4所述的生物反应器，其特征在于，所述生物反应器具有以下一个或多个特征：
(1)所述生物反应器还包括置于发酵罐底部的气泡发生器，数量为1～8个，为多孔文丘里管式、在线混合器式或涡旋式气泡发生器；
(2)所述发酵罐为搅拌型或者气升型发酵罐；和
(3)所述发酵罐还包括种子液进口、气体入口、气体出口、pH调节剂入 口和培养基进口。
6.如权利要求4所述的生物反应器，其特征在于，所述生物反应器还包括置于发酵罐内的导流筒，所述膜组件位于导流筒内，且所述导流筒具有以下一个或多个特征：
(1)所述导流筒内具有固定格栅，用于固定所述膜组件；
(2)所述膜组件与所述导流筒可拆卸固定，或所述膜组件中用于固定膜的构件与所述导流筒一体成型；和
(3)所述导流筒壁上设有通孔，以允许连接膜组件与外部设备的管路通过。
7.如权利要求5所述的生物反应器，其特征在于，所述生物反应器还包括置于发酵罐内的导流筒，所述膜组件位于导流筒内，且所述导流筒具有以下一个或多个特征：
(1)所述导流筒内具有固定格栅，用于固定所述膜组件；
(2)所述膜组件与所述导流筒可拆卸固定，或所述膜组件中用于固定膜的构件与所述导流筒一体成型；和
(3)所述导流筒壁上设有通孔，以允许连接膜组件与外部设备的管路通过。
8.如权利要求7所述的生物反应器，其特征在于，
所述气泡发生器设置为位于导流筒内部；和/或
所述发酵罐壁上设有通孔，以允许连接膜组件与外部设备的管路通过。
9.如权利要求6所述的生物反应器，其特征在于，所述发酵罐壁上设有通孔，以允许连接膜组件与外部设备的管路通过。
10.如权利要求4所述的生物反应器，其特征在于，所述生物反应器包括：发酵罐和置于发酵罐内的气泡发生器、膜组件和导流筒；其中，所述气泡发生 器数量为1～8个，位于发酵罐底部；所述膜组件具有2～20根膜，均布在所述导流筒内部，且所述膜底部为盲端，上部具有用于与外部管路连通的连接管件。
11.一种发酵设备，其特征在于，该发酵设备包括：
(1)权利要求4－10中任一项所述的生物反应器；和
(2)供气装置。
12.如权利要求11所述的发酵设备，其特征在于，
所述供气装置包括煤气缓冲罐、气体压缩机和气体冷却器；和
所述发酵设备还包括以下装置中的一种或多种：
(1)种子罐，与气体冷却器和生物反应器连通，用于向生物反应器提供种子液；
(2)循环风机，用于将来自种子罐和生物反应器的气体循环到种子罐或生物反应器中；
(3)pH调节罐，用于向生物反应器的培养液提供用于调节其pH的试剂；
(4)补料罐，用于向生物反应器添加发酵液；
(5)计量泵，用于给种子液、pH调节剂或培养基计量后加到生物反应器内；和(6)产物储罐，经由三通阀与膜组件相连。
膜组件、含该膜组件的生物反应器及发酵设备
技术领域
[0001] 本实用新型涉及膜组件、含该膜组件的生物反应器及发酵设备。
背景技术
[0002] 传统的分批培养发酵过程，由于细胞的代谢产物对细胞有抑制作用，随着代谢产物的积累，细胞的比生长速率将逐渐下降。因此，发酵进行到一定程度菌体就停止繁殖。
[0003] 本领域仍然需要在发酵过程中，在不影响菌体活性的条件下，将抑制菌体生长的目标产物或代谢副产物原位分离出来，使菌体快速生长到很高的浓度，并保持发酵过程的连续进行，提高目标产物产量。发明内容
[0004] 本实用新型提供膜组件、含该膜组件的生物反应器及发酵设备，用于气态底物的高效发酵和产物分离。
[0005] 具体而言，本实用新型的膜组件包括：
[0006] 膜；和
[0007] 位于所述膜的一端的连接管件，用于使膜与外部管路连通；
[0008] 其中，膜的另一端为盲端。
[0009] 在一个或多个实施方案中，所述膜为有机膜、陶瓷膜或金属膜。
[0010] 在一个或多个实施方案中，所述膜的结构为管式、板式或卷式。
[0011] 在一个或多个实施方案中，所述膜为超滤膜或微滤膜。
[0013] 在一个或多个实施方案中，使用固定封头密封所述膜的另一端，形成所述盲端。
[0014] 在一个或多个实施方案中，所述膜组件包括2根以上，例如2～20根并联的膜，各膜一端均为盲端，另一端各自包括用于使膜与外部管路连通的连接管件。
[0015] 在一个或多个实施方案中，所述含2根以上，例如2～20根并联的膜的膜组件中，经由固定件将各膜固定在相对称的位置上。
[0016] 本实用新型的生物反应器包括：
[0017] (1)发酵罐；和
[0018] (2)置于发酵罐内的膜组件；
[0019] 其中，所述膜组件包括：
[0020] 膜；和
[0021] 位于所述膜的一端的连接管件，用于使膜与外部管路连通；
[0022] 其中，膜的另一端为盲端。
[0023] 在一个或多个实施方案中，所述膜为有机膜、陶瓷膜或金属膜。
[0024] 在一个或多个实施方案中，所述膜的结构为管式、板式或卷式。
[0025] 在一个或多个实施方案中，所述膜为超滤膜或微滤膜。
[0026] 在一个或多个实施方案中，所述膜为中空纤维式超滤膜或微滤膜。
[0027] 在一个或多个实施方案中，使用固定封头密封所述膜的另一端，形成所述盲端。
[0028] 在一个或多个实施方案中，所述膜组件包括2根以上，例如2～20根并联的膜，各膜一端均为盲端，另一端各自包括用于使膜与外部管路连通的连接管件。
[0029] 在一个或多个实施方案中，所述含2根以上，例如2～20根并联的膜的膜组件中，经由固定件将各膜固定在相对称的位置上。
[0030] 在一个或多个实施方案中，所述膜与所述连接管件可拆卸地固定在一起。
[0031] 在一个或多个实施方案中，所述生物反应器还包括置于发酵罐内的气泡发生器。
[0032] 在一个或多个实施方案中，所述气泡发生器位于发酵罐底部，数量为1～8个。
[0033] 在一个或多个实施方案中，所述气泡发生器为多孔文丘里管式、在线混合器式或涡旋式气泡发生器。
[0034] 在一个或多个实施方案中，所述生物反应器还包括置于发酵罐内的导流筒。
[0035] 在一个或多个实施方案中，所述膜组件位于置于发酵罐内的导流筒内。
[0036] 在一个或多个实施方案中，所述导流筒内具有固定格栅，用于固定所述膜组件。
[0037] 在一个或多个实施方案中，所述膜组件与所述导流筒可拆卸固定，或膜组件中用于固定膜的构件与所述导流筒一体成型。
[0038] 在一个或多个实施方案中，所述膜组件置于所述导流筒的中下部。
[0039] 在一个或多个实施方案中，所述导流筒壁上具有通孔，以允许连接膜组件与外部设备的管路通过。
[0040] 在一个或多个实施方案中，所述发酵罐壁上具有通孔，以允许连接膜组件与外部设备的管路通过。
[0041] 在一个或多个实施方案中，所述连接膜组件与外部设备的管路经由发酵罐盖与外部设备连接。
[0042] 在一个或多个实施方案中，在所述管路发酵罐外的部分上设置三通阀。
[0043] 在一个或多个实施方案中，所述气泡发生器设置为位于导流筒内部。
[0044] 在一个或多个实施方案中，所述发酵罐为搅拌型或者气升型发酵罐。
[0046] 在一个或多个实施方案中，所述生物反应器包括：发酵罐和置于发酵罐内的气泡发生器、膜组件和导流筒；其中，所述气泡发生器数量为1～8个，位于发酵罐底部；所述膜组件具有2根以上，例如2～20根膜，均布在所述导流筒内部，且所述膜底部为盲端，上部具有用于与外部管路连通的连接管件。
[0047] 本实用新型还提供一套发酵设备，该发酵设备包括：
[0048] (1)本文所述的生物反应器；和
[0049] (2)供气装置。
[0051] 在一个或多个实施方案中，所述设备还包括种子罐，所述种子罐与气体冷却器和生物反应器连通，用于向生物反应器提供种子液。
[0052] 在一个或多个实施方案中，所述气体冷却机向种子罐提供气体，并经由生物反应器底部和经由所述膜组件向所述发酵罐提供气体。
[0054] 在一个或多个实施方案中，所述设备还包括pH调节罐，用于向生物反应器的培养液提供用于调节其pH的试剂。
[0055] 在一个或多个实施方案中，所述设备还包括补料罐，用于向生物反应器添加发酵液。
[0056] 在一个或多个实施方案中，所述设备还包括计量泵，用于给种子液、pH调节剂或培养基计量后加到生物反应器内。
[0057] 在一个或多个实施方案中，所述设备还包括产物储罐，经由所述三通阀与所述膜组件相连。
[0060] 图2为单个膜组件的结构图，组成包括：210，膜；61，固定格栅；51，膜连接管；220，连接件；230，固定封头。
[0061] 图3为合成气为发酵底物，厌氧微生物在生物反应器中实现发酵、产物分离一体化发酵过程的工艺流程图。装置包括：1，煤气缓冲罐；2，气体压缩机；3，气体冷却机；4，循环风机；5，种子罐；6，pH调节罐；7，补料罐；8，产物储罐；9，计量泵；10，生物反应器。
具体实施方式
[0062] 本实用新型旨在提高气态底物发酵特别是含CO、H2和CO2的焦炉煤气底物的微生物发酵效率，并实现在发酵过程中实现产物的分离。本实用新型能从封闭合成气发酵系统中高效地生成发酵产物，并连续分离出发酵产物，防止了产物抑制。
[0063] 通过采用本文提供的生物反应器和发酵设备实现本文各方面目的。
[0064] 本实用新型的生物反应器包括：
[0065] (1)发酵罐；和
[0066] (2)置于发酵罐内的膜组件；
[0067] 其中，所述膜组件包括：
[0068] 膜；和
[0069] 位于所述膜的一端的连接管件，用于使膜与外部管路连通；
[0070] 其中，膜的另一端为盲端。
[0071] 在某些实施方案中，本实用新型的生物反应器为发酵罐。
[0072] 适用于本实用新型的发酵罐可具有常规的发酵罐的罐体，并根据本实用新型的要求做出相应的结构修改。例如，发酵罐可具有常规的搅拌型或者气升型发酵罐的罐体。通常，发酵罐包括罐体、罐盖以及相应的出口和入口，如气体入口、气体出口、发酵液(培养基)入口、种子液入口、pH调节剂入口等。
[0073] 膜组件通常位于发酵罐的中下部。膜组件中的膜可以是本领域常用于分离发酵产物的各种膜，包括但不限于有机膜、陶瓷膜或金属膜，其结构可以是管式、板式或卷式。膜也可以是超滤膜或微滤膜。在某些实施方案中，膜为中空纤维式超滤膜或微滤膜。在某些实施方案中，膜的平均孔径在4～100nm的范围内，例如在30～70nm的范围内。膜的直径可在2～10cm的范围内，例如2～7cm。膜的高度可为发酵罐高度的1/6～2/3，例如1/6到1/3。通常，膜组件应在发酵液的液面下。可根据膜组件中膜的数量、发酵罐的容积等确定膜的直径和高度等。
[0074] 本实用新型中，膜的一端为盲端，通常可使用固定封头进行密封。膜的另一端固定有连接管件，用于使膜与外部管路连通。连接管件可具有任意合适的结构，并与膜可拆卸地连接。例如，连接管件可具有基座，用于固定(如箍紧)膜，以及从该基座中延伸出来的管件。
[0075] 图2示出了本实用新型膜组件的一个实例，包括膜210，连接管件220和固定封头230。
[0076] 所述膜组件可包括2根以上，例如2～20根(如2～15根、2～10根、2～8根)并联的膜，各膜一端均为盲端，另一端各自包括用于使膜与外部管路连通的连接管件。膜的数量可根据发酵罐的容量确定。这类膜组件中，可经由固定件将各膜固定起来，优选是固定在相对称的位置上。例如，固定件可将各固定封头串联起来，或者将各连接管件的基座串联起来。本文中，所述相对称的位置指膜相互之间的直线距离相等。例如，在使用3根膜的情况下，从横截面上看，3根膜分别位于等边三角形的三个顶点。通常，本实用新型的膜组件中的膜外部无外壳之类的结构。
[0077] 膜的连接管件可与外部管路连通。所述外部管路通常指膜组件以外的其它管路结构。罐体或罐盖上可具有通孔，以允许外部管路可穿过发酵罐的罐体，或者穿过发酵罐的罐盖而与外部设备连通。或者，也可将所述连接管件设计得足够长，从而由该连接管件穿过罐体或罐盖，再与外部管路连接。
[0078] 发酵罐内可设有导流筒。导流筒两头开口，可安放在发酵罐底部。此时，膜组件通常位于导流筒内，并通常位于导流筒的中下部。导流筒的内壁上可设置格栅，用于固定膜组件。通常，导流筒壁的厚度不超过1cm。导流筒的外径为发酵罐内径1/3到2/3之间。导流筒的高度不应超出发酵罐的高度，通常为发酵罐高度的2/3到3/4之间。通常，导流筒的高度也应在发酵液的液面之下。在某些实施方案中，膜组件与导流筒可拆卸；在其它实施方案中，膜组件中用于固定膜的构件与导流筒一体成型。本文中，用于固定膜的构件为膜组件中除膜以外的其它部件，包括但不限于前文所述的固定封头、将固定封头或连接管件的基座串联起来的固定件等。
[0079] 在管路穿过罐体的情况下，可在导流筒上设置通孔，允许外部管路或连接管件穿过该通孔，并穿过罐体。
[0080] 通常，导流筒、罐体及罐盖上的通孔与管路紧密结合，以阻止发酵液透过该通孔。在某些实施方案中，可在导流筒、罐体或罐盖的所述通孔中设置连接管件，该连接管件与导流筒、罐体或罐盖经由密封件密封连接，或与导流筒、罐体或罐盖一体成型。在这些实施方案中，膜组件上的连接管件可直接与导流筒上的连接管件密封连接，或者可经由独立的连接管件与导流筒上的连接管件密封连接。同样地，导流筒的连接管件与罐体的连接管件之间可直接密封连接，也可通过独立的连接管件密封连接。罐体或罐盖外部的管路可通过罐体或罐盖上的连接管件密封连接。密封连接的方式为本领域所周知，例如使用本领域常规的螺纹密封。
[0081] 发酵罐内还可设置有气泡发生器。气泡发生器通常位于发酵罐底部，数量为1～8个。气泡发生器可以是本领域周知的各种气泡发生器，包括但不限于多孔文丘里管式、在线混合器式或涡旋式气泡发生器。在具有导流筒的情况下，气泡发生器通常设置为位于导流筒内部。气泡发生器中的气体为本实用新型使用的焦炉煤气。
[0082] 在某些实施方案中，在与膜连通的发酵罐外的管路上设有三通阀。通常，三通阀的数量与膜的数量相同。每根膜内流体的流通和切换由各自的三通阀来控制。从各三通阀延伸出来的管路可汇集成一根管路，与其它外部设备连通。三通阀用来控制膜与供气装置以及膜与产物储罐的连通。
[0083] 图1示出了本实用新型生物反应器10的一个具体实施例。该生物反应器10包括发酵罐罐体11，膜组件21，导流筒31，进气管41，膜连接管51，固定格栅61和气泡发生器71。
[0084] 在某些实施方案中，本实用新型的生物反应器包括：发酵罐和置于发酵罐内的气泡发生器、膜组件和导流筒；其中，所述气泡发生器数量为1～8个，位于发酵罐底部并位于导流筒内部；所述膜组件具有2根以上，例如2～20根膜，均布在所述导流筒内部，且所述膜底部为盲端，上部具有用于与外部管路连通的连接管件。
[0085] 在优选的实施方案中，导流筒及罐体上允许连接所述膜组件与外部设备的管路密封穿过的通孔。在其它优选的实施方案中，在导流筒和罐体上的所述通孔中设置连接管件，该连接管件与导流筒、罐体或罐盖经由密封件密封连接，或与导流筒、罐体或罐盖一体成型。在优选的实施方案中，膜组件与导流筒可拆卸。在其它优选的实施方案中，用于固定膜的构件与导流筒一体成型。在优选的实施方案中，在与膜连通的发酵罐外的管路上设置有三通阀，用于控制每根膜内流体的流通和切换。
[0086] 本实用新型的发酵设备含有本文所述的生物反应器和供气装置。在某些实施方案中，所述供气装置包括煤气缓冲罐、气体压缩机和气体冷却器，任选地，所述煤气缓冲罐、气体压缩机和气体冷却器依次连接。在某些实施方案中，所述设备还包括种子罐，用于提供种子液。种子液与发酵罐之间可连接有计量泵，种子液经由该计量泵计量后加到所述发酵罐内。供气装置可向种子罐和发酵罐提供气体。在某些实施方案中，气体经由气体冷却机向种子罐提供气体。同样地，气体冷却机从生物反应器的发酵罐的底部向该发酵罐供气，和/或经由所述三通阀向所述膜组件供气，从而实现向发酵罐供气。
[0087] 本实用新型的发酵设备还可包括循环风机，用于循环种子罐和生物反应器的发酵罐内的气体。具体而言，种子罐内的气体以及发酵罐内的气体可经由循环风机循环回到种子罐和发酵罐。循环的气体可与来自气体冷却机的气体混合后经由相同的管路返回到所述发酵罐中。
[0088] 本实用新型的发酵设备还可包括pH调节罐，用于向生物反应器的培养液提供用于调节其pH的试剂；以及补料罐，用于向生物反应器添加发酵液。发酵之初生物反应器内的发酵液也可由所述补料罐提供。pH调节罐和补料罐都可经由计量泵与发酵罐相连。
[0089] 本实用新型的发酵设备还可包括产物储罐，经由所述三通阀与所述膜组件相连。
[0090] 图3示出了本实用新型发酵设备的一个具体实施例。该套发酵设备包括煤气缓冲罐1，气体压缩机2，气体冷却机3，循环风机4，种子罐5，pH调节罐6，补料罐7，产物储罐8，计量泵9，和生物反应器10。
[0091] 净化后的焦炉煤气与二氧化碳以适当的比例混合后进入煤气缓冲罐1内，经由气体压缩机2压缩至适当压力后进入气体冷却机3中冷却至合适的温度，然后分别提供给种子罐和发酵罐，作为种子罐5内的种子液的发酵底物和发酵罐内微生物的发酵底物。气体可通过生物反应器10的底部以及经由三通阀进入膜组件而提供给生物反应器10的发酵罐。种子罐5内的种子液经计量泵9计量后提供给发酵罐，种子罐内经发酵产生的气体经由循环风机循环，与气体冷却机3提供的气体混合后再次提供给种子罐5和生物反应器10。在合适的条件下发酵一定时间后，生物反应器10内的气体从发酵罐顶部排出，经由循环风机循环，与气体冷却机3提供的气体和/或种子罐5中排出的气体混合后再次提供给种子罐5和生物反应器10。在需要时，可通过pH调节罐向发酵罐内提供合适的pH调节剂，以调节发酵液的pH；同样地，可通过补料罐向发酵罐补充发酵液。发酵过程中，可通过切换三通阀，使所有膜组件都连接到煤气管路，用于向发酵罐提供气体。随着发酵的逐步进行，可将膜组件中的部分膜切换成出液模式，即调节三通阀，停止向这些膜供应气体，使这些膜与产物储罐8连通，通过发酵罐内外压差产生过滤动力，发酵罐内气液循环流动对膜组件产生错流冲刷，这些膜持续滤出发酵产物，如乙酸铵溶液。在持续发酵过程中，需要对膜组件进行反冲洗。每间隔数小时(例如4～6小时)，对膜组件中的各膜轮替切换出液和通气模式，即由煤气对膜组件进行反冲洗，使过滤过程中附着在膜面的滤饼破碎脱落，恢复膜通量。
[0092] 应理解的是，本实用新型生物反应器和发酵设备涉及的各个部件的材料及其尺寸均可以是本领域常规的材料和尺寸。例如，可根据发酵罐的罐体的深度和宽度设计导流筒的高度和宽度。导流筒可以是金属材质，也可以是陶瓷材质。各管路可以是塑料材质，也可以是金属材质，或者是陶瓷材质。此外，本实用新型发酵设备中除本实用新型的生物反应器外，其余装置，例如煤气缓冲罐、气体压缩机、循环风机、种子罐、pH调节罐、补料罐、产物储罐、计量泵、三通阀、以及它们之间的连接管线等均可为本领域常规使用的装置。
[0093] 因此，可使用本实用新型的生物反应器或发酵设备发酵微生物。
[0094] 发酵可以为厌氧发酵，使用焦炉煤气作为发酵底物。可采用本领域常规的焦炉煤气作为发酵底物。在某些实施方案中，以体积百分比(v/v)计，净化处理过的焦炉煤气可含有20～30％的CH4，55～65％的H2，1～5％的CO2，2～6％的CO，7～10％的其它成份(如N2)。在某些实施方案中，以体积百分比计，净化处理过的焦炉煤气可含有22～26％的CH4，58～63％的H2，2～4％的CO2，3～5％的CO，8～10％的其它成份(如N2)。
[0095] 向净化处理过的焦炉煤气补充CO2，使气体在例如本实用新型的气体储罐1中充分混合。通常，CO2的补入量应使得所得气体中，H2与CO2的摩尔比在1.0～5.0：1的范围内，例如在1.5～4.5：1的范围内，或者在1.5～4.0：1的范围内，或者在1.5～3.5：1的范围内，或者在1.5～3.0：1的范围内，或者在2.0～3.5：1的范围内，或者在2.0～3.0：1的范围内。
[0096] 在某些优选的实施方案中，以体积百分比计，用于发酵的焦炉煤气含有16～23％的CH4、44～51％的H2、18～30％的CO2、2.5～4.0％的CO、4.5～6.5％的N2及余量的杂质(包括O2)。更优选地，以体积百分比计，用于发酵的焦炉煤气含有18～20％的CH4、45～49％的H2、20～27％的CO2、2.8～3.6％的CO、5.0～6.0％的N2及余量的杂质(包括O2)。
[0097] 充分混合后，将气体压缩(例如在本实用新型的气体压缩机2)至压力为0.1～2.0MPa，例如0.1～1.0MPa、0.1～0.5MPa、0.3～2.0MPa、0.5～2.0MPa、1.0～2.0MPa、1.0～
1.5MPa不等。然后将气体的温度控制到30～50℃或35～45℃之间。此控制可在本实用新型的气体冷却器3中进行。
1.5MPa不等。然后将气体的温度控制到30～50℃或35～45℃之间。此控制可在本实用新型的气体冷却器3中进行。
[0098] 之后，将所述气体经由发酵罐底部及膜组件通入发酵罐内，作为发酵底物进行发酵。
[0099] 适用于发酵的微生物可选自：梭菌属(如Clostridium ljungdahlii)、穆尔氏菌属(如Moorella thermoacetica)、火球菌属(如Pyrococcus furiosus)、真细菌属(如Eubacterium limosum)、脱硫杆菌属(如Desulfobacterium autotrophicum)、氧化碳嗜热菌属(如Carboxydothermus hydrogenoformans)、产醋菌属(如Acetogenium kivui)、醋酸杆菌属(如Acetobacterium woodii)、厌氧醋菌属(如Acetoanaerobium noterae)、丁酸杆菌属(如Butyribaceterium methylotrophicum)、消化链球菌属(如Peptostreptococcus productus)和劳尔式菌属(如Ralstonia eutropha)。
[0100] 可根据具体使用的厌氧微生物而选择适用于该厌氧微生物生长和发酵的发酵培养基。例如，通常情况下，培养基主要成分为：磷酸二氢钾、磷酸氢二钾、硫酸铵、七水合硫酸镁、酵母膏、吗啡乙磺酸、及微量元素溶液ATCC 1754PETC。培养基中各主要成分的用量为本领域常规的含量，本领域技术人员可根据本领域已知的培养基含量、发酵情况等对培养基中各成分的含量做适当调整。
[0101] 通常，发酵罐内的压力在0～2MPa的范围内，例如0.1～2MPa或0.1～1MPa；发酵培养液的pH值是6.0-8.0，例如6.0～7.0；发酵温度是25～75℃，例如45～60℃。
[0102] 发酵可以是连续发酵。因此，在发酵过程中，连续通入焦炉煤气作为微生物发酵的底物，使得厌氧微生物不断的生长。通常，发酵过程中，通入的焦炉煤气的量可使得厌氧发酵罐的工作压力在0.1～2.0MPa的范围内，例如0.1～2.0MPa、0.1～0.5MPa、0.3～2.0MPa、0.5～2.0MPa、1.0～2.0MPa、1.0～1.5MPa不等。
[0103] 当测得厌氧发酵罐中有机酸和/或醇的总浓度达到1％以上(例如2％以上、3％以上、5％以上，可根据不同厌氧微生物做出不同选择)时，经由三通阀将部分膜组件的膜切换成出液模式，通过发酵罐内外压差产生过滤动力，使这些膜持续滤出发酵产物，如乙酸铵溶液。在发酵罐连续出料的同时，将发酵罐出口的部分气体进行循环，循环比可为2～10，例如2～8、2～6、2～5、3～10、3～8、3～6、5～10、6～8不等。在某些实施方案中，采用高发酵罐压力和高循环比进行发酵。在其它实施方案中，采用低发酵罐压力和高循环比进行发酵。
[0104] 在发酵罐连续出料时，可根据实际情况同时连续补充新鲜的厌氧微生物及培养基(例如经由种子罐5和补料罐7)，控制发酵液的体积不变。需要时，还可通过pH调节罐添加适当的pH调节剂，例如氨水，以将发酵罐内的发酵液的pH调节到合适的范围内。可采用常规的方法监测发酵罐内发酵液的体积、pH以及发酵液内有机酸和/或醇的总浓度。
[0105] 在持续发酵过程中，需要对膜组件进行反冲洗。每间隔数小时(例如4～6小时)，对膜组件中的各膜轮替切换出液和通气模式，即由煤气对膜组件进行反冲洗，使过滤过程中附着在膜面的滤饼破碎脱落，恢复膜通量。
[0106] 因此，使用本实用新型的生物反应器或发酵设备进行发酵的过程中，可经由所述膜组件通入作为发酵底物的焦炉煤气，并经由所述膜组件滤出对细胞生长有抑制作用的细胞代谢产物。
[0107] 本文中，有机酸或醇为焦炉煤气中CO、CO2及H2与厌氧微生物反应生成的一种或多种有机酸或醇，包括甲酸，乙酸，丙酸，丁酸，异丁酸，丁二酸，乳酸，丙酮酸，苹果酸，柠檬酸，苯甲酸，香草酸，己酸，戊酸，甲醇，乙醇，丙二醇，丁醇，戊醇，或它们的两种或多种的组合。
[0108] 本实用新型的优势在于将微纳米气泡发生装置、气态底物发酵罐、膜分离系统集成到一套合成气发酵反应器中，利用发酵液的压力和流动状态，实现高效发酵和实现产物分离，防止产物抑制。
[0109] 下文将以具体实施例的方式阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅仅是阐述性的，并非限制本实用新型。除非另外指出，在本说明书书、权利要求书及具体实施案例中出现的所有数字，如发酵罐的工作压力范围、温度范围、pH值范围、气体成分等数值均不应该理解为绝对精确值，该数值是在本领域内的普通技术人员所理解的，公知技术所允许的误差范围。
[0110] 实施例
[0111] 本实施例使用的是穆尔氏菌属Moorella thermoacetica，ATCC 49707。
[0112] 培养基成分：磷酸二氢钾、磷酸氢二钾、硫酸铵、七水合硫酸镁、酵母膏、吗啡乙磺酸、微量元素溶液ATCC 1754PETC。
[0113] 发酵所用生物反应器发酵罐采用2m3气升式厌氧发酵罐，内部设置有导流筒，底部布置有4个涡旋式气泡发生器，导流筒内部均布6个金属超滤膜组件，平均孔径50nm，底部为盲端，通过格栅固定在发酵罐导流筒上，上部分别连接管路，经各自三通阀，连通到产物储罐和煤气管道，如图1、图2所示。
[0114] 发酵气体底物采用经净化处理过的焦炉煤气，煤气的主要成分如表1：
[0115] 表1.煤气的主要成分(％,v/v)
[0116]CO H2 CO2 CH4 其他(N2等) 总计
4％ 60％ 2.5％ 24％ 9.5％ 100％
4％ 60％ 2.5％ 24％ 9.5％ 100％
[0117] 对焦炉煤气补充碳源CO2的气体，在气体储罐中充分混合，使得H2与CO2的摩尔比值约为2.5，然后将混合气进行加压至0.3MPa，气体温度为55℃。将10Nm3/h气体底物通入已接种凯伍产醋菌的气升式发酵罐，保持发酵罐压力0.3MPa，温度55℃，pH 6.4，发酵罐出口气体进行循环，循环比为2。同时，6个膜组件也均连通到煤气管路，向发酵罐内鼓入煤气。
[0118] 煤气通入过程中，发酵菌体数量不断增长，同时产生代谢乙酸产物，通过补充氨水维持pH 6.4，发酵进行到72h后，产生乙酸铵浓度达到5.5wt％后，将6个膜组件中的5个切换至出液模式，调节三通阀至出料储罐，通过发酵罐内外压差产生过滤动力，发酵罐内气液循环流动对膜组件产生错流冲刷，膜组件持续滤出乙酸铵溶液，出液速率约为100L/h。
[0119] 在持续发酵过程中，需要对膜组件进行反冲洗。每间隔4个小时，对6个膜组件轮替切换出液和通气模式，即由煤气对膜组件进行反冲洗，使用过滤过程中附着在膜面的滤饼破碎脱落，恢复膜通量。经实验通过气体反冲洗的膜组件，长时间连续发酵中，其通量能够恢复到初始通量的80％以上。
[0120] 本实用新型生物反应器经连续操作，实现原位发酵产物分离，稳定出料浓度为5.5wt％左右乙酸铵料液，且滤出料液中无厌氧发酵菌株。本实用新型反应器减少了外置膜过滤系统的泵和复杂管路，易于整体灭菌，减少杂菌侵染风险。
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