專利名稱：一種生物質(zhì)發(fā)酵耦合滲透汽化分離生產(chǎn)丁醇的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物質(zhì)發(fā)酵過程代謝產(chǎn)物分離技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種生物質(zhì)發(fā)酵耦合滲透汽化分離生產(chǎn)丁醇的方法。
背景技術(shù)：
全球經(jīng)濟的快速發(fā)展，使得各國對于能源的需求不斷增加，與之相矛盾的是化石能源的儲量有限、已日趨枯竭，且燃燒時產(chǎn)生大量有害氣體，污染環(huán)境，因此，開展可再生清潔能源的研究引起了廣泛的關(guān)注與重視。作為極具潛力的第二代生物燃料丁醇，主要以玉米、糖蜜和富含纖維素、半纖維素的農(nóng)業(yè)廢棄物為原料通過發(fā)酵法(ABE發(fā)酵)進行生產(chǎn)，與化石燃料相比，具有生產(chǎn)原料來源廣泛、可再生，燃燒時不產(chǎn)生NOx或SOx，環(huán)境效益顯著的特點。此外，丁醇易于與汽油混合，使用時無需對車輛進行改造；蒸氣壓低，可通過現(xiàn)有管道進行運輸；可提高汽車的燃油效率和行駛里程。發(fā)酵法生產(chǎn)丁醇具有原料來源廣泛、設(shè)備簡單、投資少；生產(chǎn)條件溫和、無需金屬催化劑的特點。而且，發(fā)酵過程選擇性好、副產(chǎn)物少、易于分離純化，同時，產(chǎn)生的副產(chǎn)物丙酮、乙醇也是重要的化工原料，具有極為廣泛的用途。由于丁醇具有毒性，丁醇發(fā)酵過程中存在產(chǎn)物抑制現(xiàn)象，當(dāng)發(fā)酵液中丁醇的質(zhì)量濃度達到Ilg · L-1時，50%左右的微生物受到抑制而不能生長，從而影響了原料的轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)物溶劑的濃度和生產(chǎn)效率。工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)酵液中的總?cè)軇舛群艿?，從而?dǎo)致后續(xù)的分離提取工藝成本很高。一般通過蒸餾的方式，在醪塔中將2%左右的總?cè)軇┱舫龅玫?0%左右的總?cè)軇?，然后溶劑進入精餾塔中分離得到產(chǎn)品。其中，溶劑提取濃縮過程中蒸汽的成本占總成本的30%以上，使得產(chǎn)物提取過程成為丁醇生產(chǎn)過程中能耗最大的部分，從而成為制約丁醇發(fā)酵生產(chǎn)工業(yè)化的瓶頸之一。滲透汽化是在蒸汽分壓差的推動下，料液側(cè)液相混合物中組分選擇性地透過膜，透過組分以蒸汽形式離開膜并被收集的過程，具有高效、單級選擇性高、比能耗低的特點。此外，將滲透汽化過程與發(fā)酵過程相耦合，不僅有利于底物利用率和發(fā)酵產(chǎn)率的提高，同時可提高產(chǎn)物分離效率，且對發(fā)酵體系無污染，是一種清潔、無污染的新型分離技術(shù)。專利CN 101805754A描述了一種生物質(zhì)發(fā)酵與滲透汽化耦合原位分離丙酮、丁醇和乙醇的工藝。該工藝與普通的精餾過程相比，從一定程度上降低了對生物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)生的ABE進行分離的能耗，縮短了生產(chǎn)時間，降低了丁醇的生產(chǎn)成本。但在該專利中，由于滲透汽化透過側(cè)料液中總?cè)軇舛葍H為7 40%，精餾過程能耗仍較大。因此，目前需要開發(fā)一種分離效率高、能耗低的生物質(zhì)發(fā)酵與滲透汽化耦合分離生產(chǎn)丁醇的工藝
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供生物質(zhì)發(fā)酵耦合滲透汽化分離生產(chǎn)丁醇的方法。該方法將生物質(zhì)發(fā)酵系統(tǒng)與滲透汽化膜系統(tǒng)耦合，通過滲透汽化膜系統(tǒng)對生物質(zhì)發(fā)酵獲得的發(fā)酵液進行逐級分離濃縮獲得丁醇濃縮液，在降低了丁醇的后續(xù)分離能耗的同時，也降低了丁醇對微生物細胞生長的抑制作用，提高了生物質(zhì)發(fā)酵效率和底物利用率。為此，本發(fā)明提供了一種生物質(zhì)發(fā)酵耦合滲透汽化分離生產(chǎn)丁醇的方法，包括過程A，發(fā)酵發(fā)酵底物在發(fā)酵裝置中經(jīng)過發(fā)酵獲得丁醇發(fā)酵液；過程C，膜分離丁醇發(fā)酵液經(jīng)過滲透汽化膜系統(tǒng)逐級分離濃縮獲得丁醇濃縮液；其中，滲透汽化膜系統(tǒng)包括一級優(yōu)先透醇滲透汽化膜系統(tǒng)、二級優(yōu)先透醇滲透汽化膜系統(tǒng)以及二級優(yōu)先透水滲透汽化膜系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明，在過程C中，包括 步驟1，丁醇發(fā)酵液經(jīng)過一級優(yōu)先透醇滲透汽化膜系統(tǒng)進行初步的分離濃縮，透過側(cè)濃縮液經(jīng)分相處理分為一級有機相料液和一級水相料液；步驟2，步驟I分相處理獲得的水相料液進入二級優(yōu)先透醇滲透汽化膜系統(tǒng)進行分離濃縮，透過側(cè)濃縮液經(jīng)分相處理分為二級有機相料液和二級水相料液；步驟3，一級有機相料液和二級有機相料液進入優(yōu)先透水滲透汽化膜系統(tǒng)進行脫水濃縮，得到丁醇濃縮液。根據(jù)本發(fā)明方法，在步驟2中，二級水相料液作為二級優(yōu)先透醇滲透汽化膜系統(tǒng)的進料，返回二級優(yōu)先透醇滲透汽化膜系統(tǒng)的進料端繼續(xù)進行分離濃縮。在本發(fā)明的一個實施例中，所述優(yōu)先透醇滲透汽化膜系統(tǒng)中所使用的滲透汽化膜選自八甲基環(huán)四硅氧烷、四甲基四乙烯基環(huán)四硅氧烷、羥基封端聚二甲基硅氧烷、乙烯基封端聚二甲基硅氧烷、聚三甲基硅丙炔、聚丙烯、聚苯乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、纖維素及其改性材料所制備的滲透汽化膜中的一種或幾種。在本發(fā)明的另一個實施例中，所述優(yōu)先透水滲透汽化膜系統(tǒng)中所使用的滲透汽化膜選自聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚丙烯酸、聚酰胺、聚酰亞胺、高分子離聚物、殼聚糖、藻朊酸、醋酸纖維素及其改性材料所制備的滲透汽化膜中的一種或幾種。根據(jù)本發(fā)明方法，在過程A和過程C之間，還包括過程B，固含物分離丁醇發(fā)酵液經(jīng)過微濾分離或過濾分離去除固含物，獲得去除了固含物的丁醇發(fā)酵液。所述固含物包括菌體、其他發(fā)酵產(chǎn)物或者未發(fā)酵的發(fā)酵底物。所述固含物主要為菌體。在本發(fā)明的一個實施例中，所述微濾分離在微濾裝置中進行，所述微濾裝置中所使用的微濾膜選自纖維素、乙酸纖維素、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚酯、聚砜、尼龍、氧化鋯、氧化鈦、氧化鋁及其改性材料中所制備的微濾膜中的一種或幾種。在本發(fā)明的另一個實施例中，所述過濾裝置為濾布和/或濾網(wǎng)，或者是由濾布和/或濾網(wǎng)組成的過濾裝置。根據(jù)本發(fā)明，在過程A中，所述生物質(zhì)發(fā)酵在發(fā)酵罐中進行，所述發(fā)酵包括間歇式發(fā)酵、分批補料發(fā)酵和連續(xù)流加發(fā)酵。從發(fā)酵罐中抽出的丁醇發(fā)酵液中丁醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為O. 5% 1.4%。在所述連續(xù)流加發(fā)酵過程中，從發(fā)酵罐中抽出的丁醇發(fā)酵液中丁醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為O. 5% O. 9%。在過程A中，生物質(zhì)發(fā)酵過程所使用的發(fā)酵微生物可以是丙酮丁醇梭菌、拜氏梭菌及其突變菌株，也可以是通過其他途徑篩選得到的產(chǎn)丁醇菌株。在生物質(zhì)發(fā)酵過程中所使用的發(fā)酵底物可以是葡萄糖、木糖、糖蜜等糖類物質(zhì)或小麥、玉米、木薯或其他富含淀粉的生物質(zhì)，也可以是甜高粱莖桿、甜玉米莖桿、玉米芯、甘蔗渣、蘋果渣、菊芋或其他富含半纖維素或纖維素的生物質(zhì)等壓榨后的汁液或經(jīng)過酸解、酶解等方法得到的糖液。本發(fā)明中所用術(shù)語“丁醇發(fā)酵液”是指發(fā)酵底物在上述發(fā)酵微生物作用下經(jīng)過發(fā)酵獲得的富含丁醇的發(fā)酵液，該發(fā)酵液中除了作為主產(chǎn)物的丁醇外，根據(jù)所使用發(fā)酵微生物的不同，還可能含有其他副產(chǎn)物，如丙酮、乙醇、乙酸及丁酸等。例如，目前用于生物質(zhì)發(fā)酵制備丁醇的菌株主要有丙酮丁醇梭菌、拜氏梭菌及其突變菌株等，經(jīng)過生物質(zhì)發(fā)酵，所獲得的丁醇發(fā)酵液的主產(chǎn)物是丁醇，副產(chǎn)物為丙酮、乙醇、乙酸和丁酸。但是，也有通過基因工程方法獲得的菌株在制備丁醇的發(fā)酵過程中不產(chǎn)生副產(chǎn)物丙酮。
本發(fā)明中所用術(shù)語“丁醇濃縮液”是指丁醇發(fā)酵液經(jīng)過經(jīng)過滲透汽化膜系統(tǒng)逐級分離濃縮獲得的丁醇濃度大幅度提高的有機物料液。該濃縮液中除了作為主產(chǎn)物的丁醇夕卜，根據(jù)所使用發(fā)酵微生物的不同，還可能含有其他副產(chǎn)物，如丙酮、乙醇、乙酸及丁酸等。例如，以丙酮丁醇梭菌、拜氏梭菌及其突變菌株等，進行生物質(zhì)發(fā)酵，所獲得的丁醇發(fā)酵液，以及該丁醇發(fā)酵液經(jīng)過滲透汽化膜分離獲得的丁醇濃縮液中主產(chǎn)物是丁醇，副產(chǎn)物為丙酮、乙醇、乙酸和丁酸。但是，也有通過基因工程方法獲得的菌株在制備丁醇的發(fā)酵過程中不產(chǎn)生副產(chǎn)物丙酮。在本發(fā)明的一個實施例中，在過程A中，所述發(fā)酵過程是以連續(xù)流加發(fā)酵的方式進行時，則在過程B中，采用微濾分離的方式從發(fā)酵液中去除固含物，以保證所分離出的固含物可返回發(fā)酵罐繼續(xù)進行發(fā)酵。在本發(fā)明的另一個實施例中，在過程A中，發(fā)酵過程是以間歇式發(fā)酵、分批補料發(fā)酵的方式進行時，則在過程B中，采用過濾分離的方式通過一個簡單的過濾裝置從發(fā)酵液中去除固含物，所分離出的固含物不需要繼續(xù)返回發(fā)酵罐。根據(jù)本發(fā)明方法將生物質(zhì)發(fā)酵系統(tǒng)與滲透汽化膜系統(tǒng)耦合，首先，本發(fā)明利用生物質(zhì)發(fā)酵液經(jīng)過優(yōu)先透醇滲透汽化系統(tǒng)后透過側(cè)液體出現(xiàn)油水分層現(xiàn)象的特點，對透過側(cè)水相和油相分別選用優(yōu)先透醇滲透汽化系統(tǒng)和優(yōu)先透水滲透汽化系統(tǒng)進行丁醇的高度濃縮，從而得到含水量極少的丁醇濃縮液，所獲得丁醇濃縮液中有機物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達99.5%，丁醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達88.4%，與間歇發(fā)酵相比，滲透液中丁醇的濃度提高了 70倍，極大地提高了分離效率，降低了生產(chǎn)過程的能耗；其次，本發(fā)明將滲透汽化技術(shù)與ABE發(fā)酵過程相耦合，實現(xiàn)了發(fā)酵液中丁醇的原位分離移除，降低了丁醇對微生物細胞生長的抑制作用，提高了發(fā)酵產(chǎn)率和底物利用率，丁醇的生產(chǎn)強度達到O. 97g/(L. h)，比間歇發(fā)酵提高了 3. 7倍。極大地降低了生產(chǎn)成本。


圖I是實施例I中連續(xù)流加式生物質(zhì)發(fā)酵耦合滲透汽化原位分離生產(chǎn)丁醇的工藝流程示意圖。
圖2是實施例2中間歇式生物質(zhì)發(fā)酵耦合滲透汽化分離生產(chǎn)丁醇和實施例3中分批補料式生物質(zhì)發(fā)酵耦合滲透汽化分離生產(chǎn)丁醇的工藝流程示意圖。圖中附圖標(biāo)記的含義如下1發(fā)酵罐；2微濾裝置'2'過濾裝置；3第一滲透汽化儲罐；4料液泵；5第一滲透汽化膜分離器；6換熱器；7分相裝置；8料液泵；9料液泵；10第二滲透汽化儲罐；11料液泵；12第二滲透汽化膜分離器；13換熱器；14分相裝置；15料液泵；16料液泵；17料液泵；18第三滲透汽化儲罐；19料液泵；20第三滲透汽化膜分離器；21換熱器；22產(chǎn)品罐；23緩沖罐；24真空泵。
具體實施例方式下面將結(jié)合實施例和附圖來詳細說明本發(fā)明，這些實施例和附圖僅起說明性作用，并不局限于本發(fā)明的應(yīng)用范圍。圖I是實施例I中連續(xù)流加式生物質(zhì)發(fā)酵耦合滲透汽化原位分離生產(chǎn)丁醇的工藝流程示意圖。其中，發(fā)酵罐I為發(fā)酵裝置，微濾器2及其中的微濾膜構(gòu)成微濾裝置，第一滲 透汽化儲罐3、料液泵4、第一滲透汽化膜分離器5、換熱器6及分相裝置7構(gòu)成一級優(yōu)先透醇滲透汽化膜系統(tǒng)；料液泵9、第二滲透汽化儲罐10、料液泵11、第二滲透汽化膜分離器12、換熱器13及分相裝置14構(gòu)成二級優(yōu)先透醇滲透汽化膜系統(tǒng)；料液泵17、第三滲透汽化儲罐18、料液泵19、第三滲透汽化膜分離器20、換熱器21及產(chǎn)品罐22構(gòu)成二級優(yōu)先透水滲透汽化膜系統(tǒng)。該流程中，第一、二、三滲透汽化膜分離器，換熱器6、13、21，分相裝置7、14，產(chǎn)品罐22維持一定的真空度(約300Pa左右)。在圖I中，在發(fā)酵罐I中，在37 °C恒溫條件下，發(fā)酵底物在微生物作用下進行連續(xù)流加式厭氧發(fā)酵，得到丁醇發(fā)酵液，該發(fā)酵液中除富含作為主產(chǎn)物的丁醇外，還含有少量其他副產(chǎn)物；發(fā)酵過程中，發(fā)酵底物以連續(xù)流加的方式加入發(fā)酵罐I中，使得發(fā)酵罐I中發(fā)酵底物維持在50 70g/L，以確保發(fā)酵過程長時間穩(wěn)定、連續(xù)進行；同時，定時取樣分析發(fā)酵液中底物的變化以及溶劑的變化。在發(fā)酵罐I中，發(fā)酵經(jīng)過一定時間后，檢測到發(fā)酵液中丁醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到O. 5% O. 9%，此時，開啟發(fā)酵罐出料閥，發(fā)酵罐I中的丁醇發(fā)酵液以60 80L/h的速度流出發(fā)酵罐I進入微濾裝置2，經(jīng)過微濾分離，所分離出的固含物返回發(fā)酵罐I繼續(xù)進行發(fā)酵，經(jīng)微濾分離所獲得的除去了固含物后的丁醇發(fā)酵液進入第一滲透汽化儲罐3。第一滲透汽化儲罐3中料液溫度維持在30 40°C，系統(tǒng)真空度維持在300Pa左右，滲透汽化膜分離器5中使用的滲透汽化膜為以水為溶劑制備的硅橡膠/聚偏氟乙烯滲透汽化復(fù)合膜。第一滲透汽化儲罐3中的除去固含物后的丁醇發(fā)酵液經(jīng)料液泵4進入第一滲透汽化膜分離器5進行分離濃縮，未透過膜的料液返回第一滲透汽化儲罐3，透過側(cè)的氣體進入換熱器6進行熱量交換后冷凝為液體進入分相裝置7，在分相裝置7中，上層為有機相，下層為水相，分相裝置7中的一級有機相料液通過料液泵16進入第三滲透汽化儲罐18，一級水相料液通過料液泵9進入第二滲透汽化儲罐10。第一滲透汽化儲罐3中的部分料液通過料液泵8以60 80L/h的速度流出返回發(fā)酵罐，從而使?jié)B透汽化系統(tǒng)及發(fā)酵系統(tǒng)中丁醇的濃度維持在一恒定值，同時，以2L/h的速度向發(fā)酵罐中流加800g/L的無菌葡萄糖溶液。第二滲透汽化儲罐10中料液的溫度保持在40 60°C，第二滲透汽化膜分離器12中所使用的滲透汽化膜與第一滲透汽化膜分離器5中的相同，第二滲透汽化膜分離器12透過側(cè)氣體經(jīng)過換熱器13冷凝后進入分相罐14，在分相裝置14中，上層為有機相，下層為水相，分相裝置14中的二級有機相料液通過料液泵17進入第三滲透汽化儲罐18，二級水相料液通過料液泵15返回第二滲透汽化儲罐10。第三滲透汽化儲罐18中料液的溫度保持在50°C，第三滲透汽化膜分離器20中所使用的滲透汽化膜為聚乙烯醇/聚砜滲透汽化復(fù)合膜，第三滲透汽化膜分離器20透過側(cè)氣體經(jīng)換熱器21冷凝后得到高濃度丁醇濃縮液，在產(chǎn)品罐22中收集儲存，該濃縮液中除含高濃度作為主產(chǎn)物的丁醇外，還含有少量其他副產(chǎn)物，未透過的料液返回第三滲透汽化儲罐18。圖2是實施例2中間歇式生物質(zhì)發(fā)酵耦合滲透汽化分離生產(chǎn)丁醇和實施例3中分批補料式生物質(zhì)發(fā)酵耦合滲透汽化分離生產(chǎn)丁醇的工藝流程示意圖。圖2所示的工藝流程與圖I不同的是，發(fā)酵底物在發(fā)酵罐I中，在發(fā)酵微生物作用下以間歇式或批補料式發(fā)酵的 方式進行生物質(zhì)發(fā)酵，獲得丁醇發(fā)酵液；丁醇發(fā)酵液在過濾裝置2，中去除固含物，所獲得的去除了固含物的丁醇發(fā)酵液進入第一滲透汽化儲罐3，所分離出的固含物不需要繼續(xù)返回發(fā)酵罐，且不需要第一滲透汽化儲罐3的部分料液返回發(fā)酵罐，其他流程均與圖I所示的工藝流程相同。實施例實施例I :I.發(fā)酵底物經(jīng)過連續(xù)流加式生物質(zhì)發(fā)酵獲得丁醇發(fā)酵液在該過程中，以葡萄糖為發(fā)酵底物進行連續(xù)流加式厭氧發(fā)酵獲得丁醇發(fā)酵液，其工藝流程示意圖見圖I。(I)配制培養(yǎng)基以葡萄糖為發(fā)酵底物配制合成培養(yǎng)基，培養(yǎng)基組成為葡萄糖60g/L，乙酸銨2. 2g/L，磷酸二氫鉀lg/L，磷酸氫二鉀lg/L，硫酸鎂O. 3g/L以及其他微量元素與生長因子。將配制的合成培養(yǎng)基轉(zhuǎn)移入發(fā)酵罐I中進行高溫滅菌，待發(fā)酵罐I內(nèi)溫度降至40°C后通入無菌氮氣構(gòu)建無氧環(huán)境。(2)接種無菌操作條件下向發(fā)酵罐I內(nèi)的培養(yǎng)基中接入已經(jīng)活化的菌種Clostridiumacetobutylicum ABE1101，接種量為I : 10 (菌種培養(yǎng)液的體積/底物培養(yǎng)基的體積)。(3) ABE 發(fā)酵在37°C恒溫條件下,接種到發(fā)酵罐 I 內(nèi)的 Clostridium acetobutylicum ABE1101以葡糖糖為碳源進行厭氧發(fā)酵，得到丁醇發(fā)酵液，該發(fā)酵液中除富含作為主產(chǎn)物的丁醇外，還含有少量乙醇、丙酮和丁酸等副產(chǎn)物；發(fā)酵過程中，發(fā)酵底物以連續(xù)流加的方式加入發(fā)酵罐I中，使得發(fā)酵罐I中發(fā)酵底物維持在50 70g/L，以確保發(fā)酵過程長時間穩(wěn)定、連續(xù)進行；同時，定時取樣分析發(fā)酵液中底物的變化以及溶劑的變化。2.發(fā)酵液經(jīng)過微濾分離去除固含物在發(fā)酵罐I中，發(fā)酵經(jīng)過40h后，檢測到發(fā)酵液中丁醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到O. 5% O. 9%，此時，開啟發(fā)酵罐出料閥，發(fā)酵罐I中的發(fā)酵液以60 80L/h的速度流出發(fā)酵罐I進入微濾裝置2，經(jīng)過微濾分離，所分離出固含物返回發(fā)酵罐I繼續(xù)進行發(fā)酵，經(jīng)微濾分離所獲得的除去了固含物后的丁醇發(fā)酵液進入第一滲透汽化儲罐3。3.除去了固含物后的丁醇發(fā)酵液經(jīng)過滲透汽化膜系統(tǒng)逐級分離濃縮獲得丁醇濃縮液(I)除去了固含物后的丁醇發(fā)酵液經(jīng)過一級優(yōu)先透醇滲透汽化膜系統(tǒng)進行初步的分離濃縮第一滲透汽化儲罐3中料液溫度維持在30 40°C，系統(tǒng)真空度維持在300Pa左右，第一滲透汽化膜分離器5中使用的滲透汽化膜為以水為溶劑制備的硅橡膠/聚偏氟乙烯滲透汽化復(fù)合膜。第一滲透汽化儲罐3中的除去了固含物后的丁醇發(fā)酵液經(jīng)泵4進入第 一滲透汽化膜分離器5進行分離濃縮，未透過膜的料液返回第一滲透汽化儲罐3，透過側(cè)的氣體進入換熱器6進行熱量交換后冷凝為液體進入分相裝置7，在分相裝置7中，上層為有機相，其中的丁醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為69. 5 %，下層為水相，其中的丁醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.62%，分相裝置7中的一級有機相料液通過料液泵16進入第三滲透汽化儲罐18，一級水相料液通過料液泵9進入第二滲透汽化儲罐10。第一滲透汽化儲罐3中的部分料液通過料液泵8以60 80L/h的速度流出返回發(fā)酵罐，從而使?jié)B透汽化系統(tǒng)及發(fā)酵系統(tǒng)中丁醇的濃度維持在一恒定值，同時，以2L/h的速度向發(fā)酵罐中流加800g/L的無菌葡萄糖溶液。(2) 一級水相料液進入二級優(yōu)先透醇滲透汽化膜系統(tǒng)進行分離濃縮第二滲透汽化儲罐10中料液的溫度保持在40 60°C，第二滲透汽化膜分離器12中所使用的滲透汽化膜與第一滲透汽化膜分離器5中的相同，第二滲透汽化膜分離器12透過側(cè)氣體經(jīng)過換熱器13冷凝后進入分相裝置14，在分相裝置14中，上層為有機相，其中的丁醇濃度為78wt%，下層為水相，其中的丁醇濃度為6. 35wt%，分相裝置14中的二級有機相料液通過料液泵17進入第三滲透汽化儲罐18，二級水相料液通過料液泵15返回第二滲透汽化儲罐10。(3) 一級有機相料液和二級有機相料液進入優(yōu)先透水滲透汽化膜系統(tǒng)進行脫水濃縮第三滲透汽化儲罐18中料液的溫度保持在50°C，第三滲透汽化膜分離器20中所使用的滲透汽化膜為聚乙烯醇/聚砜滲透汽化復(fù)合膜，第三滲透汽化膜分離器20透過側(cè)氣體經(jīng)換熱器21冷凝后得到高濃度的丁醇濃縮液，其中總?cè)軇┵|(zhì)量分?jǐn)?shù)達99%，丁醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)達87. 2%，在產(chǎn)品罐22中收集儲存，該濃縮液中除含高濃度作為主產(chǎn)物的丁醇外，還含有少量乙醇、丙酮和丁酸等副產(chǎn)物，未透過的料液返回第三滲透汽化儲罐18。本實施例實現(xiàn)了葡萄糖連續(xù)流加式生物質(zhì)發(fā)酵與多級滲透汽化技術(shù)的耦合，大大降低了發(fā)酵過程中產(chǎn)生的丁醇對微生物細胞生長的抑制作用；與間歇發(fā)酵相比，滲透液中丁醇的濃度提高了 70倍，丁醇的生產(chǎn)強度達到O. 97g/(L. h)，比間歇發(fā)酵提高了 3. 7倍。實施例2 I.發(fā)酵底物經(jīng)過間歇式生物質(zhì)發(fā)酵獲得丁醇發(fā)酵液在該過程中，以甜高粱渣水解液中的糖類物質(zhì)為碳源進行間歇式厭氧發(fā)酵獲得丁醇發(fā)酵液，其工藝流程示意圖見圖2。(I)配制培養(yǎng)基以甜高粱渣水解液為底物配制培養(yǎng)基，培養(yǎng)基組成為總糖50g/L，磷酸二氫鉀O. 9g/L，磷酸氫二鉀O. 9g/L，硫酸鎂O. 25g/L以及其他微量元素與生長因子。將配制好的培養(yǎng)基轉(zhuǎn)移入發(fā)酵罐I中進行高溫滅菌，待發(fā)酵罐I內(nèi)溫度降至40°c后通入無菌氮氣構(gòu)建無氧環(huán)境。(2)接種無菌操作條件下向發(fā)酵罐I內(nèi)的培養(yǎng)基中接入已經(jīng)活化的菌種Clostridiumacetobutylicum ABE1101，接種量為I : 10 (菌種培養(yǎng)液的體積/底物培養(yǎng)基的體積)。(3) ABE 發(fā)酵在37°C恒溫條件下,接種到發(fā)酵罐 I 內(nèi)的 Clostridium acetobutylicum ABE1101以葡糖糖為碳源進行厭氧發(fā)酵，得到丁醇發(fā)酵液，同時，定時取樣分析定發(fā)酵液中底物的變化以及溶劑的變化，該發(fā)酵液中除富含作為主產(chǎn)物的丁醇外，還含有少量乙醇、丙酮和丁酸
等副廣物。 2.發(fā)酵液經(jīng)過過濾分離去除固含物在發(fā)酵罐I中，發(fā)酵經(jīng)過72h后，檢測到發(fā)酵液中丁醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到1.4%，此時，開啟發(fā)酵罐出料閥，發(fā)酵罐I中的丁醇發(fā)酵液流出發(fā)酵罐I進入過濾裝置2'，經(jīng)過過濾分離，所獲得的除去了固含物后的丁醇發(fā)酵液進入第一滲透汽化儲罐3。3.除去了固含物后的丁醇發(fā)酵液經(jīng)過滲透汽化膜系統(tǒng)逐級分離濃縮獲得丁醇濃縮液(I)除去了固含物的丁醇發(fā)酵液經(jīng)過一級優(yōu)先透醇滲透汽化膜系統(tǒng)進行初步的分離濃縮第一滲透汽化儲罐3中料液溫度維持在40 60°C，系統(tǒng)真空度維持在300Pa左右，第一滲透汽化膜分離器5中使用的滲透汽化膜為以水為溶劑制備的硅橡膠/聚偏氟乙烯滲透汽化復(fù)合膜。第一滲透汽化儲罐3中的除去了固含物后的丁醇發(fā)酵液經(jīng)泵4進入第一滲透汽化膜分離器5進行分離濃縮，未透過膜的料液返回第一滲透汽化儲罐3，透過側(cè)的氣體進入換熱器6進行熱量交換后冷凝為液體進入分相裝置7，在分相裝置7中，上層為有機相，其中的丁醇濃度為72%，下層為水相，其中的丁醇濃度為7. 15%，分相裝置7中的一級有機相料液通過料液泵16進入第三滲透汽化儲罐18，一級水相料液通過料液泵9進入第二滲透汽化儲罐10。(2) 一級水相料液進入二級優(yōu)先透醇滲透汽化膜系統(tǒng)進行分離濃縮第二滲透汽化儲罐10中料液的溫度保持在40 60°C，第二滲透汽化膜分離器12中所使用的滲透汽化膜與第一滲透汽化膜分離器5中的相同，第二滲透汽化膜分離器12透過側(cè)氣體經(jīng)過換熱器13冷凝后進入分相裝置14，在分相裝置7中，上層為有機相，其中的丁醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為82%，下層為水相，其中的丁醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6. 13%，分相裝置14中的二級有機相料液通過料液泵17進入第三滲透汽化儲罐18，二級水相料液通過料液泵15返回第二滲透汽化儲罐10。(3) 一級有機相料液和二級有機相料液進入優(yōu)先透水滲透汽化膜系統(tǒng)進行脫水濃縮第三滲透汽化儲罐18中料液的溫度保持在50°C，第三滲透汽化膜分離器20中所使用的滲透汽化膜為聚乙烯醇/聚砜滲透汽化復(fù)合膜，第三滲透汽化膜分離器20透過側(cè)氣體經(jīng)換熱器21冷凝后得到高濃度丁醇濃縮液，其中總?cè)軇┵|(zhì)量分?jǐn)?shù)達99.5%，丁醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)達88. 4%，在產(chǎn)品罐22中收集儲存，該濃縮液中除含高濃度作為主產(chǎn)物的丁醇外，還含有少量乙醇、丙酮和丁酸等副產(chǎn)物，未透過的料液返回第三滲透汽化儲罐18。本實施例實現(xiàn)了甜高粱渣水解液間歇式生物質(zhì)發(fā)酵與多級滲透汽化技術(shù)的耦合，發(fā)酵液經(jīng)過過濾裝置處理后即可直接進行滲透汽化，簡化了生產(chǎn)工藝流程，降低了生產(chǎn)成本；與單級滲透汽化相比，滲透液中丁醇的濃度提高了 4倍。實施例3 I.發(fā)酵底物經(jīng)過分批補料式生物發(fā)酵獲得丁醇發(fā)酵液在該過程中，以甜高粱莖桿汁液中的糖類物質(zhì)為碳源進行分批補料式厭氧發(fā)酵獲得丁醇發(fā)酵液，其工藝流程示意圖見圖2。(I)配制培養(yǎng)基以甜高粱莖桿汁液為底物配制培養(yǎng)基，培養(yǎng)基組成為總糖65g/L，磷酸二氫鉀O. 8g/L，磷酸氫二鉀O. 8g/L，硫酸鎂O. 25g/L以及其他微量元素與生長因子。將配制好的培養(yǎng)基轉(zhuǎn)移入發(fā)酵罐I中進行高溫滅菌，待發(fā)酵罐I內(nèi)溫度降至40°c后通入無菌氮氣構(gòu)建無氧環(huán)境。(2)接種無菌操作條件下向發(fā)酵罐I內(nèi)的培養(yǎng)基中接入已經(jīng)活化的菌種Clostridium acetobutylicum ABE1101，接種量為I : 10 (菌種培養(yǎng)液的體積/底物培養(yǎng)基的體積)。(3) ABE 發(fā)酵在37°C恒溫條件下,接種到發(fā)酵罐 I 內(nèi)的 Clostridium acetobutylicum ABE1101以甜高粱莖桿汁液中的糖類物質(zhì)為碳源進行厭氧發(fā)酵，得到丁醇發(fā)酵液，該發(fā)酵液中除富含作為主產(chǎn)物的丁醇外，還含有少量乙醇、丙酮和丁酸等副產(chǎn)物；發(fā)酵過程中，發(fā)酵底物以分批補加的方式加入發(fā)酵罐I中，使得發(fā)酵罐I中發(fā)酵底物維持在50 70g/L，以確保發(fā)酵過程長時間穩(wěn)定、連續(xù)進行；同時，定時取樣分析發(fā)酵液中底物的變化以及溶劑的變化。2. 丁醇發(fā)酵液經(jīng)過過濾分離去除固含物在發(fā)酵罐I中，發(fā)酵經(jīng)過48h后，檢測到發(fā)酵液中丁醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到1.0%，此時，開啟發(fā)酵罐出料閥，發(fā)酵罐I中的丁醇發(fā)酵液流出發(fā)酵罐I進入過濾裝置2'，經(jīng)過過濾分離，所獲得的除去了固含物的丁醇發(fā)酵液進入第一滲透汽化儲罐3。3.除去了固含物的丁醇發(fā)酵液經(jīng)過滲透汽化膜系統(tǒng)逐級分離濃縮獲得丁醇濃縮液(I)除去了固含物的丁醇發(fā)酵液經(jīng)過一級優(yōu)先透醇滲透汽化膜系統(tǒng)進行初步的分離濃縮第一滲透汽化儲罐3中料液溫度維持在40 60°C，系統(tǒng)真空度維持在300Pa左右，第一滲透汽化膜分離器5中使用的滲透汽化膜為以水為溶劑制備的硅橡膠/聚偏氟乙烯滲透汽化復(fù)合膜。第一滲透汽化儲罐3中的除去了固含物的丁醇發(fā)酵液經(jīng)泵4進入第一滲透汽化膜分離器5進行分離濃縮，未透過膜的料液返回第一滲透汽化儲罐3，透過側(cè)的氣體進入換熱器6進行熱量交換后冷凝為液體進入分相裝置7，在分相裝置7中，上層為有機相，其中的丁醇濃度為71.2%，下層為水相，其中的丁醇濃度為7. 43%，分相裝置7中的一級有機相料液通過料液泵16進入第三滲透汽化儲罐18，一級水相料液通過料液泵9進入第二滲透汽化儲罐10。
(2) 一級水相料液進入二級優(yōu)先透醇滲透汽化膜系統(tǒng)進行分離濃縮第二滲透汽化儲罐10中料液的溫度保持在40-60°C，第二滲透汽化膜分離器12中所使用的滲透汽化膜與第一滲透汽化膜分離器5中的相同，第二滲透汽化膜分離器12透過側(cè)氣體經(jīng)過換熱器13冷凝后進入分相裝置14，在分相裝置7中，上層為有機相，其中的丁醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80. 5%，下層為水相，其中的丁醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6. 32%，分相裝置14中的二級有機相料液通過料液泵17進入第三滲透汽化儲罐18，二級水相料液通過料液泵15返回第二滲透汽化儲罐10。(3) 一級有機相料液和二級有機相料液進入優(yōu)先透水滲透汽化膜系統(tǒng)進行脫水濃縮第三滲透汽化儲罐18中料液的溫度保持在50°C，第三滲透汽化膜分離器20中所使用的滲透汽化膜為聚乙烯醇/聚砜滲透汽化復(fù)合膜，第三滲透汽化膜分離器20透過側(cè)氣體經(jīng)換熱器21冷凝后得到高濃度的丁醇濃縮液，其中總?cè)軇┵|(zhì)量分?jǐn)?shù)達99. 3%，丁醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)達87.8%，在產(chǎn)品罐22中收集儲存，該濃縮液中除含高濃度作為主產(chǎn)物的丁醇外，還 含有少量乙醇、丙酮和丁酸等副產(chǎn)物，未透過的料液返回第三滲透汽化儲罐18。本實施例實現(xiàn)了甜高粱莖桿汁液分批補料式生物質(zhì)發(fā)酵與多級滲透汽化技術(shù)的耦合，大大降低了發(fā)酵過程中產(chǎn)生的丁醇對微生物細胞生長的抑制作用，發(fā)酵液經(jīng)過過濾裝置處理后即可直接進行滲透汽化，簡化了生產(chǎn)工藝流程，降低了生產(chǎn)成本；與間歇發(fā)酵相t匕，滲透液中丁醇的濃度提高了 70. 48倍，丁醇的生產(chǎn)強度達到O. 89g/(L. h)，比間歇發(fā)酵提高了 3. 39倍。
權(quán)利要求
1.一種生物質(zhì)發(fā)酵耦合滲透汽化分離生產(chǎn)丁醇的方法，包括 過程A，發(fā)酵發(fā)酵底物在發(fā)酵裝置中經(jīng)過發(fā)酵獲得丁醇發(fā)酵液； 過程C，膜分離丁醇發(fā)酵液經(jīng)過滲透汽化膜系統(tǒng)逐級分離濃縮獲得丁醇濃縮液； 其中，滲透汽化膜系統(tǒng)包括一級優(yōu)先透醇滲透汽化膜系統(tǒng)、二級優(yōu)先透醇滲透汽化膜系統(tǒng)以及二級優(yōu)先透水滲透汽化膜系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于在過程C中，包括 步驟1，丁醇發(fā)酵液經(jīng)過一級優(yōu)先透醇滲透汽化膜系統(tǒng)進行初步的分離濃縮，透過側(cè)濃縮液經(jīng)分相處理分為一級有機相料液和一級水相料液； 步驟2，步驟I分相處理獲得的水相料液進入二級優(yōu)先透醇滲透汽化膜系統(tǒng)進行分離濃縮，透過側(cè)濃縮液經(jīng)分相處理分為二級有機相料液和二級水相料液； 步驟3，一級有機相料液和二級有機相料液進入優(yōu)先透水滲透汽化膜系統(tǒng)進行脫水濃縮，得到丁醇濃縮液。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述優(yōu)先透醇滲透汽化膜系統(tǒng)中所使用的滲透汽化膜選自八甲基環(huán)四硅氧烷、四甲基四乙烯基環(huán)四硅氧烷、羥基封端聚二甲基硅氧烷、乙烯基封端聚二甲基硅氧烷、聚三甲基硅丙炔、聚丙烯、聚苯乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、纖維素及其改性材料所制備的滲透汽化膜中的一種或幾種。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述優(yōu)先透水滲透汽化膜系統(tǒng)中所使用的滲透汽化膜選自聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚丙烯酸、聚酰胺、聚酰亞胺、高分子離聚物、殼聚糖、藻朊酸、醋酸纖維素及其改性材料所制備的滲透汽化膜中的一種或幾種。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于在過程A和過程C之間，還包括過程B，固含物分離丁醇發(fā)酵液經(jīng)過微濾分離或過濾分離去除固含物，獲得去除了固含物的丁醇發(fā)酵液。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述微濾分離在微濾裝置中進行，所述微濾裝置中所使用的微濾膜選自纖維素、乙酸纖維素、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚酯、聚砜、尼龍、氧化鋯、氧化鈦、氧化鋁及其改性材料中所制備的微濾膜中的一種或幾種。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于在過程A中，所述生物質(zhì)發(fā)酵在發(fā)酵罐中進行，所述發(fā)酵包括間歇式發(fā)酵、分批補料發(fā)酵和連續(xù)流加發(fā)酵。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于從發(fā)酵罐中抽出的丁醇發(fā)酵液中丁醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5% 1.4%。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于在所述連續(xù)流加發(fā)酵過程中，從發(fā)酵罐中抽出的丁醇發(fā)酵液中丁醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 5% 0. 9%。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種生物質(zhì)發(fā)酵耦合滲透汽化分離生產(chǎn)丁醇的方法。該方法首先利用生物質(zhì)發(fā)酵液經(jīng)過優(yōu)先透醇滲透汽化膜系統(tǒng)后透過側(cè)液體出現(xiàn)油水分層現(xiàn)象的特點，對透過側(cè)水相和油相分別選用優(yōu)先透醇滲透汽化膜系統(tǒng)和優(yōu)先透水滲透汽化膜系統(tǒng)進行丁醇產(chǎn)物的高度濃縮，從而得到含水量極少的高濃度有機物濃縮液，所獲得的有機物濃縮液的濃度可達99.5wt％，極大地提高了分離效率，降低了生產(chǎn)過程的能耗；其次，本發(fā)明將滲透汽化技術(shù)與生物質(zhì)發(fā)酵過程相耦合，實現(xiàn)了發(fā)酵液中丁醇的適時分離移除，降低了丁醇對微生物細胞生長的抑制作用，提高了發(fā)酵產(chǎn)率和底物利用率，極大地降低了生產(chǎn)成本。
文檔編號C12P7/16GK102757984SQ201210228150
公開日2012年10月31日 申請日期2012年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月2日
發(fā)明者李樹峰, 秦培勇, 秦帆, 譚天偉 申請人:北京化工大學(xué)