固定床生物反应器与渗透汽化膜耦合系统合成丁醇的研究

生物丁醇是重要的基础化学品与新型生物燃料，由于丁醇对细胞具有严重的抑制作用，导致丁醇的生产效率远低于生物乙醇的制备水平。基于疏水膜的渗透汽化原位分离技术可选择性地从反应体系中分离丁醇并实现对丁醇的浓缩，能有效提高丁醇生产效率。但细胞在膜表面的吸附引起膜分离性能迅速下降，导致体系中丁醇积累，不利于保持细胞活力与耦合系统的长期稳定。本项目拟将固定床生物反应器与高通量PDMS/陶瓷复合渗透汽化膜耦合应用于生物合成丁醇体系，通过研究无机硅基载体物化性质对菌株固定效率与丁醇生产性能的影响规律，对载体进行功能化改性，增强对菌株的固载作用，减少细胞在膜表面的吸附。在固定床反应器pH、营养物浓度综合调控的基础上，按照丁醇的生产速率与移除速率守恒的原则，结合丁醇发酵动力学模型，调控渗透汽化膜分离参数，将耦合系统中的丁醇控制在临界抑制浓度以下，保持溶剂生产性能与分离通量的长期稳定，实现生物丁醇的高效连续合成。

本课题旨在设计利用固定床生物反应器及渗透汽化膜原位分离技术的新型厌氧生物反应装置应用与梭菌高效合成生物丁醇。本课题研究了多种有机和无机固定载体对菌株吸附固定效率以及丁醇合成性能的影响，表面携带正电荷的沸石和高孔隙率的甘蔗渣对梭菌具有较好的吸附作用。通过负载高价金属离子和化学交联等手段对两种载体分别进行功能化改性，增强了载体对细胞的固载效率与稳定性。在此基础上，构建固定床反应器用于丁醇的生物合成，其中外置式固定床生物反应器具有更高的固定效率，重复批式发酵的总溶剂生产强度达0.83 g/(L•h)，是分批发酵的3.2倍，溶剂转化率达到0.42 g/g。随后对生物反应体系中的pH、底物浓度、还原力等重要参数进行考察与调整，并建立了丁醇发酵动力学模型，形成了pH和补料控制策略，削弱了丁酸和底物抑制，增强了还原力供给，提高了关键酶活力，溶剂生产强度得到进一步提高。为了实现丁醇的原位分离，对PDMS/陶瓷复合渗透汽化膜分离性能开展了研究，优化了分离温度、错流速度等操作参数，该膜在对溶剂产物具有良好的分离选择性，不移除发酵的中间产物乙酸、丁酸及培养基中的无机盐和葡萄糖，有利于菌株的代谢。采用SEM和FT-IR表征被污染膜的微观形貌与化学性质，结果表明：失活的发酵液不会形成严重的膜污染，发酵液中的活性细胞在膜表面吸附并形成生物污染层是造成膜污染和分离性能下降的主要原因。在此基础上，课题组建立了渗透汽化原位分离耦合发酵的策略。将渗透汽化膜原位分离与外置式固定床生物反应器相结合，通过综合调控和细胞固定化，显著减少了细胞对膜的污染。耦合300h，膜通量衰减低于15%，使发酵单元溶剂生成速率与分离单元的移出速率相匹配，94%以上的溶剂在发酵过程中被移出体系，反应体系中丁醇浓度被控制在临界抑制浓度以下，基本解除了产物抑制，保持了溶剂生产与渗透汽化膜分离性能的长期稳定。产丁醇梭菌的总溶剂生产强度达到0.98~1.1 g/(L•h)，同时溶剂在渗透液中被富集至100g/L以上，实现了生物丁醇的高效连续制备。本课题实施过程中共发表期刊论文11篇，其中SCI收录5篇，EI收录 5篇，申请发明专利8项，其中4项授权，共培养硕博士研究生12名。课题组经过三年的努力，完成了研究任务，达到了预期的研究目标。