Syngas fermentation in a 100-L pilot scale fermentor: Design and process considerations
- 作者
- Dimple K. Kundiyana, Raymond L. Huhnke, Mark R. Wilkins
- 单位
- Oklahoma State University
- 杂志
- Journal of Bioscience and Bioengineering（2009）
- DOI
- 10.1016/j.jbiosc.2009.10.022
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
将合成气发酵从实验室规模放大到100 L中试规模发酵罐，并验证发酵系统及工艺设计的可行性，以促进合成气乙醇发酵的商业化。
研究策略
安装并调试100 L Biostat D-75中试发酵罐，配套公用设施（蒸汽、冷却水、压缩空气等），采用微泡分布器提高气液传质系数，以Clostridium strain P11为菌株进行半连续批式合成气发酵（前期通入瓶装合成气，后期切换至生物质产气），并监测产物与细胞生长。
核心内容
本研究在自主研发的100 L Biostat D-75中试发酵罐中，以Clostridium strain P11为菌株，开展了为期59天的半连续批式合成气发酵放大实验。通过安装微泡分布器（平均孔径2 μm）替代传统单孔分布器以强化气液传质，并配套了蒸汽、冷却水、压缩空气等公用工程系统，实现了发酵罐的长期稳定运行。关键结果显示，乙醇浓度最高达到25.26 g L⁻¹，是血清瓶发酵水平的6倍；发酵过程分为产酸期（0-24天）和溶剂生成期（24-59天），后者乙醇生产率达0.87 g L⁻¹ day⁻¹，与7.5 L发酵罐中C. carboxidivorans的结果相当。此外，研究首次发现该菌株能将丙酮还原为2-丙醇（最高9.25 g L⁻¹），并在生产者气体含氧量高达400-26000 ppm时仍能正常生长代谢。该研究首次在100 L规模上验证了合成气乙醇发酵的可行性与关键过程参数，为后续商业化放大提供了重要的工程设计参考。
创新点
首次在100 L中试规模发酵罐中成功实现Clostridium strain P11的合成气发酵；采用微泡分布器（平均孔径2 μm）替代单孔分布器以增强传质；设计了发酵罐公用工程系统，满足长期运行要求；发现Clostridium strain P11可将丙酮还原为2-丙醇（该产物此前未见报道）。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Clostridium strain P11 | Wood-Ljungdahl途径 / 合成气发酵 | — | — | 催化 | 厌氧产乙醇菌株，利用CO、CO₂和H₂通过乙酰辅酶A途径生成乙醇、乙酸等产物 |
| Biostat D-75 100-L中试发酵罐 | — | — | — | 区室化 | 搅拌釜反应器，配备微泡分布器（2 μm孔径）及附属公用工程系统，用于合成气发酵放大 |
关键发现
- 在100 L发酵罐中运行59天，乙醇浓度达25.26 g L⁻¹，为血清瓶发酵的6倍
- 第24天时乙酸达4.82 g L⁻¹，2-丙醇达9.25 g L⁻¹，1-丁醇在第13天达0.47 g L⁻¹
- 第59天总生物量浓度为1.13 g L⁻¹。发酵分两阶段：第0-24天为产酸期（乙醇从0.17 g L⁻¹增至4.46 g L⁻¹，生产率0.18 g L⁻¹ day⁻¹
- 乙酸生产率0.15 g L⁻¹ day⁻¹
- 2-丙醇生产率0.39 g L⁻¹ day⁻¹），第24-59天为溶剂生成期（乙醇线性增至24.57 g L⁻¹，生产率0.87 g L⁻¹ day⁻¹，与C. carboxidivorans在7.5 L发酵罐中的结果相当）。2-丙醇在后期从9.25 g L⁻¹略降至8.86 g L⁻¹。生产者气体中氧气浓度达400-26000 ppm时，菌株仍能生长和代谢。
研究结论
研究成功实现了100 L中试规模合成气发酵放大，乙醇产率较血清瓶提高6倍，并验证了发酵罐的公用工程设计和长期运行可行性。通过微泡分布器改善了气液传质，Clostridium strain P11在微氧条件下仍能生长，为合成气发酵商业化提供了重要过程参数与设计参考。