烷酮的系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)C5-C19烷酮的系統(tǒng)及方法，屬于生物化工技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，制糖工業(yè)中的廢棄物，例如:糖蜜等含糖有機(jī)廢棄物，在現(xiàn)有技術(shù)中得不到有效利用，給企業(yè)排污造成很大壓力，直接排放會對環(huán)境造成極大污染。農(nóng)業(yè)中的廢棄物，例如:含木質(zhì)纖維素的玉米秸桿、高粱秸桿和菊芋秸桿等，現(xiàn)有的處理方法有:田間焚燒、生產(chǎn)燃料乙醇等，田間焚燒的缺點(diǎn)為是造成霧霾的重要原因之一，生產(chǎn)燃料乙醇的缺點(diǎn)為乙醇的能量密度只有汽油的60%，不是一種理想的液體能源。如果能將工業(yè)和農(nóng)業(yè)的含糖有機(jī)廢棄物合理轉(zhuǎn)化為有價值的化工產(chǎn)品，將會對企業(yè)和社會產(chǎn)生巨大的貢獻(xiàn)。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中采用丙酮丁醇梭菌或拜氏梭菌發(fā)酵生產(chǎn)丁醇的同時也會產(chǎn)生丙酮和乙醇，發(fā)酵終點(diǎn)的丁醇濃度不超過2.0% (w/v)，丙酮濃度不超過1.0% (w/v)，乙醇濃度不超過0.5% (w/v)。在利用丙酮丁醇梭菌發(fā)酵的過程中，往往希望轉(zhuǎn)化得到高比例的丁醇，降低副產(chǎn)物丙酮和乙醇的生成(詳見文獻(xiàn):Diirre ,P.B1butanol: an attractiveb1fuel.B1technol.J.2:1525-1534，2007)。
[0004]丁醇是一種重要的化學(xué)品和潛在的液體生物能源。作為潛在的液體生物能源，丁醇的分子結(jié)構(gòu)中含有4個碳，其能量密度為汽油的90%，比柴油和航空燃油的能量密度低得更多，因此，也不是一種非常理想的液體生物燃料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明利用工業(yè)和農(nóng)業(yè)含糖有機(jī)廢棄物通過預(yù)處理、發(fā)酵、分離純化和化學(xué)催化獲得C5-C19的長鏈烷酮，以此解決上述問題。
[0006]本發(fā)明提供了一種生產(chǎn)(:5_(:19烷酮的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括發(fā)酵裝置、產(chǎn)物分離純化裝置、化學(xué)催化裝置，所述發(fā)酵裝置通過產(chǎn)物分離純化裝置與化學(xué)催化裝置連接；
[0007]所述產(chǎn)物分離純化裝置為氣提純化裝置、滲透汽化膜純化裝置、吸附純化裝置、蒸汽滲透純化裝置、液液萃取純化裝置、離心裝置、多效蒸發(fā)純化裝置和精餾純化裝置中的至少一種。
[0008]本發(fā)明所述產(chǎn)物分離純化裝置優(yōu)選為氣提純化裝置與滲透汽化膜純化裝置組合使用、離心裝置與多效蒸發(fā)純化裝置組合使用或離心裝置與精餾純化裝置組合使用。
[0009]本發(fā)明所述系統(tǒng)優(yōu)選為還包括原料預(yù)處理裝置；
[0010]所述原料預(yù)處理裝置依次通過發(fā)酵裝置、產(chǎn)物分離純化裝置與化學(xué)催化裝置連接；
[0011]所述原料預(yù)處理裝置為吸附裝置、粉碎裝置、氣爆裝置、干燥裝置、酸處理裝置、堿處理裝置、臭氧分解裝置、熱水處理裝置、氨纖維爆破裝置、超聲處理裝置、微波處理裝置和酶解裝置中的至少一種。
[0012]本發(fā)明所述發(fā)酵裝置內(nèi)優(yōu)選為設(shè)有氣泡分散器。
[0013]本發(fā)明的另一目的是提供一種利用上述系統(tǒng)生產(chǎn)C5-C19烷酮的方法，所述方法包括如下步驟:
[0014]①將原料與丙酮丁醇生產(chǎn)菌通過發(fā)酵裝置發(fā)酵，可以在發(fā)酵過程中邊發(fā)酵邊分離純化發(fā)酵產(chǎn)物，也可以在發(fā)酵結(jié)束后分離純化發(fā)酵產(chǎn)物，所述原料為葡萄糖、未經(jīng)預(yù)處理的糖蜜、預(yù)處理的糖蜜或預(yù)處理的秸桿；
[0015]②將步驟①分離純化后的發(fā)酵產(chǎn)物與催化劑通過化學(xué)催化裝置化學(xué)催化得到C5-C19的烷酮。
[0016]本發(fā)明所述秸桿預(yù)處理后所得產(chǎn)品中主要組分優(yōu)選為葡萄糖、木糖、果糖、阿拉伯糖、纖維二糖和半乳糖中的至少一種，總糖濃度為50_150g/L。
[0017]本發(fā)明所述糖蜜預(yù)處理后所得產(chǎn)品中主要組分優(yōu)選為蔗糖，總糖濃度為50_150g/L0
[0018]本發(fā)明所述秸桿的預(yù)處理方法優(yōu)選為將秸桿粉碎、酸或堿處理酶解。
[0019]本發(fā)明所述酸處理方法優(yōu)選為150_200°C用0.5-2%(w/v)的稀硫酸或稀鹽酸處理20_60mino
[0020]本發(fā)明所述堿處理方法優(yōu)選為110_150°C用0.5-2%(w/v)的氫氧化鈉溶液處理20-60min，水洗至pH為8.0，干燥。
[0021]本發(fā)明所述酶解方法優(yōu)選為40-60°C酶解24-72h，所用纖維素酶的酶活力為10-100FPU/g，所用酶緩沖液為檸檬酸緩沖液、稀硫酸、磷酸緩沖液或稀鹽酸，所述酶緩沖液的pH為4.5-5.0。
[0022]本發(fā)明所述糖蜜的預(yù)處理方法優(yōu)選為脫毒脫色。
[0023]本發(fā)明所述丙酮丁醇生產(chǎn)菌優(yōu)選為丙酮丁醇梭菌、拜氏梭菌、大腸桿菌、熱纖梭菌或酪丁酸梭菌，進(jìn)一步優(yōu)選為丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)、拜氏梭菌(Clostridium bei jerinckii)、大腸桿菌(Escherichia coli)、熱纖梭菌(ClostridiumthermoceIlum)或酪丁酉愛梭菌(Clostridium tyrobutyricum)。
[0024]本發(fā)明所述發(fā)酵方法為先將發(fā)酵培養(yǎng)基121°C滅菌30min，通入氮?dú)饣蚱渌栊詺怏w除氧2h，冷卻至室溫，接入丙酮丁醇生產(chǎn)菌，35-39°C發(fā)酵，當(dāng)pH低于5.0時，補(bǔ)入氫氧化鈉溶液或氨水，調(diào)節(jié)pH至5.0以上。
[0025]本發(fā)明所述發(fā)酵培養(yǎng)基中的碳源優(yōu)選為葡萄糖、淀粉、蔗糖、木薯、未經(jīng)預(yù)處理的糖蜜、預(yù)處理的糖蜜或預(yù)處理的秸桿。
[0026]本發(fā)明所述產(chǎn)物分離純化裝置優(yōu)選為氣提純化裝置與滲透汽化膜純化裝置組合使用、液液萃取純化裝置與滲透汽化膜純化裝置組合使用、蒸汽滲透純化裝置與滲透汽化膜純化裝置組合使用或吸附純化裝置與蒸汽滲透純化裝置組合使用時的分離純化方法為:與發(fā)酵裝置耦合，一邊發(fā)酵，一邊分離純化，使發(fā)酵液中的丁醇、丙酮和乙醇不斷被移除，降低丁醇、丙酮和乙醇對細(xì)胞的毒性;或不與發(fā)酵裝置耦合，發(fā)酵結(jié)束后對發(fā)酵液中的丁醇、丙酮和乙醇分離純化。
[0027]本發(fā)明所述產(chǎn)物分離純化裝置進(jìn)一步優(yōu)選為氣提純化裝置與滲透汽化膜純化裝置組合使用，氣提得到的產(chǎn)物只含丁醇、丙酮、乙醇和水，對下一步的滲透汽化膜無污染，有效防止發(fā)酵液中的菌體和蛋白質(zhì)等污染滲透汽化膜。
[0028]本發(fā)明所述氣提的條件優(yōu)選為:氣體流速為1-20L/min，冷凝溫度為_15-+15V。
[0029]本發(fā)明所述滲透汽化的條件優(yōu)選為:加熱溫度為25_90°C，膜透過液一側(cè)的真空度為0-200KPa，冷凝溫度為-30-+15°C。
[0030]本發(fā)明所述產(chǎn)物分離純化裝置也可以優(yōu)選為離心裝置與多效蒸發(fā)純化裝置組合使用或離心裝置與精餾純化裝置組合使用時的分離純化方法為:發(fā)酵結(jié)束后，先通過離心裝置除去發(fā)酵液中菌體細(xì)胞，再通過多效蒸發(fā)純化裝置或精餾純化裝置純化發(fā)酵液中丁醇、丙酮和乙醇。
[0031]本發(fā)明所述分離純化后的發(fā)酵產(chǎn)物優(yōu)選為丁醇、丙酮、乙醇和水，所述丁醇濃度為400g/L以上，所述丙酮濃度為100g/L以上，所述乙醇濃度為8g/L以上。
[0032]本發(fā)明所述催化劑優(yōu)選為Pd、Ru、Pt或Ir，與催化劑混合的堿性固體為K3P04、K0H、K2C03、KH2P04、NaHP04或Ba(0H)28H20，所述催化劑占堿性固體重量的5-100%。
[0033]本發(fā)明所述化學(xué)催化優(yōu)選為采用連續(xù)式反應(yīng)或批式反應(yīng)。
[0034]本發(fā)明所述化學(xué)催化反應(yīng)的進(jìn)料流速優(yōu)選為0.5-lmL/ho
[0035]本發(fā)明所述化學(xué)催化反應(yīng)的進(jìn)料量與催化劑Pd的液固重量比優(yōu)選為2:1-10。
[0036]本發(fā)明所述化學(xué)催化優(yōu)選為在甲苯體系中醇類與酮進(jìn)行一次或多次烷基化反應(yīng)。
[0037]本發(fā)明所述化學(xué)催化反應(yīng)溫度優(yōu)選為150-300°C。
[0038]本發(fā)明所述C5-C19烷酮優(yōu)選為2-戊酮、2-庚酮、4-庚酮、4-壬酮、^^一烷酮、十三烷酮、十五燒酮、十七燒酮和十九燒酮。
[0039]本發(fā)明有益效果為:
[0040]①通過本發(fā)明所述系統(tǒng)與方法，可以使工業(yè)含糖廢棄物糖蜜或農(nóng)業(yè)廢棄物秸桿經(jīng)過生物催化和化學(xué)催化轉(zhuǎn)化SC5-C19的長鏈烷酮，可以直接或脫氧后作為汽油、柴油或航空燃油使用。
[0041]②本發(fā)明采用連續(xù)反應(yīng)操作，可以實(shí)現(xiàn)糖蜜或秸桿原料進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)的同時，產(chǎn)生(:5-&9的長鏈烷酮并且流出反應(yīng)系統(tǒng)，達(dá)到連續(xù)化生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0042]本發(fā)明附圖6幅，
[0043]圖1為實(shí)施例1所述生產(chǎn)(:5-&9烷酮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044]圖2為實(shí)施例2所述生產(chǎn)(:5-&9烷酮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0045]圖3為實(shí)施例3所述生產(chǎn)(:5-&9烷酮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0046]圖4為實(shí)施例6所述生產(chǎn)(:5-&9烷酮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0047]圖5為實(shí)施例8所述生產(chǎn)(:5-&9烷酮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0048]圖6為實(shí)施例10所述生產(chǎn)(:5-&9烷酮系統(tǒng)的結(jié)