專利名稱：從稀水溶液回收高級(jí)醇的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)一般性地涉及從稀水溶液(dilute aqueous solutions)如發(fā)酵肉湯 (fermentation borths)中回收 C3-C6 醇的方法。
背景技術(shù)：
生物燃料具有很長(zhǎng)的歷史，可追溯至20世紀(jì)初。早在1900年，Rudolf Diesel在 法國(guó)巴黎的世博會(huì)上展示了靠花生油運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)。其后不久，Henry Ford展示了他的靠 源自玉米的乙醇運(yùn)轉(zhuǎn)的Model Τ。在20世紀(jì)30年代和40年代，源自石油的燃料由于低成 本供給增加和效率增加而代替了生物燃料。市場(chǎng)在20世紀(jì)七十年代由于阿拉伯石油禁運(yùn)和伊朗革命而波動(dòng)，伴隨著美國(guó)石 油生產(chǎn)的降低導(dǎo)致原油價(jià)格上升，對(duì)生物燃料的興趣復(fù)興。而今，許多感興趣的組織(包括 決策者，工業(yè)設(shè)計(jì)者，意識(shí)到的公民和金融界)都對(duì)用源自生物質(zhì)(biomass)的生物燃料 代替源自石油的燃料感興趣。開發(fā)生物燃料的一種最主要的動(dòng)機(jī)是經(jīng)濟(jì)方面的，即，“峰油 (peak oil)”(原油的消耗速率超過供應(yīng)速率，從而導(dǎo)致燃料成本顯著增加的點(diǎn))的威脅導(dǎo) 致對(duì)可供選擇的燃料的需求增加。目前，生物燃料往往使用局部農(nóng)業(yè)來源在許多相對(duì)小的設(shè)備中生產(chǎn)，并且被視作 提供穩(wěn)定和安全的燃料供應(yīng)，其不受與石油相關(guān)的地區(qū)問題影響。同時(shí)，生物燃料能夠提高 國(guó)家經(jīng)濟(jì)的農(nóng)業(yè)比重。另外，由于燃料的化石來源(fossil sources)花費(fèi)數(shù)億年再生和它 們的使用增加了大氣中的二氧化碳水平，導(dǎo)致氣候變化憂慮，所以持續(xù)(sustainability) 是重要的社會(huì)和倫理驅(qū)動(dòng)力，其正在開始導(dǎo)致政府管制和政策，例如汽車二氧化碳排放的 上限、二氧化碳排放的賦稅和對(duì)于使用生物燃料的稅收刺激。生物燃料的接受性(acceptance)主要取決于當(dāng)與源自石油的燃料比較時(shí)生物燃 料的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。在成本方面不能與源自石油的燃料競(jìng)爭(zhēng)的生物燃料將限于特殊的應(yīng)用 (specialty applications)和狹縫市場(chǎng)(niche markets)。當(dāng)今，生物燃料的使用限于乙 醇和生物柴油。目前，乙醇通過發(fā)酵制備，在美國(guó)用玉米，在巴西用甘蔗，以及在世界范圍內(nèi) 用其它谷物。如果原油保持在每桶50美元以上，則乙醇可與源自石油的汽油競(jìng)爭(zhēng)，補(bǔ)貼或 賦稅益處除外。當(dāng)原油超過$60/桶時(shí)，生物柴油可與基于石油的柴油競(jìng)爭(zhēng)(Nexant Chem Systems，2006， Final Report， Liquid Biofuels -Substituting for Petroleum， White Plains，New York)。數(shù)個(gè)因素影響基于碳水化合物的生物燃料來源的核心操作成本。除了含碳的，植物制造原料的成本之外，對(duì)于乙醇或其它潛在的基于醇的生物燃料如丁醇，在產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)成 本中的主要因素是從水流(aqueous streams)回收和純化生物燃料。已經(jīng)開發(fā)了許多技術(shù) 手段，用于從水基發(fā)酵培養(yǎng)基經(jīng)濟(jì)地除去醇。當(dāng)今使用最廣泛的回收技術(shù)使用蒸餾和分子 篩干燥來生產(chǎn)乙醇。例如，通過基于梭菌的丙酮_ 丁醇_乙醇發(fā)酵進(jìn)行的丁醇生產(chǎn)也依靠 蒸餾回收和純化產(chǎn)品。從水溶液蒸餾需要消耗大量能量。對(duì)于乙醇，需要另外的加工設(shè)備 以破壞乙醇/水共沸混合物。這種設(shè)備，分子篩，也使用大量能量。已經(jīng)研究了許多單元操作用于回收和純化發(fā)酵生產(chǎn)的醇，包括過濾、液/液萃取、 膜分離(例如，切向流過濾、滲透蒸發(fā)和perstraction)、氣提和溶液的"鹽析"、吸附和吸 收。取決于產(chǎn)品的回收情況和產(chǎn)品的物理和化學(xué)性質(zhì)以及它所駐留的基體，每種手段均具 有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)?？梢詫⒖刂粕锶剂仙a(chǎn)成本的變量的特點(diǎn)在于影響操作成本、資本成本或者操 作成本和資本成本的變量。通常，控制發(fā)酵經(jīng)濟(jì)性能的主要變量包括目標(biāo)產(chǎn)物的碳水化合 物收率(carbohydrate yield to desired product)、產(chǎn)口口口濃度禾口容禾只生產(chǎn)率(volumetric productivity)。所有三個(gè)主要變量(收率、產(chǎn)品濃度和容積生產(chǎn)率)均既影響資本成本， 又影響操作成本。當(dāng)基于發(fā)酵碳水化合物的產(chǎn)品收率增加時(shí)，對(duì)于給定的生產(chǎn)單元，生產(chǎn)成本相對(duì) 于原料成本線性地減少?；谔妓衔锏漠a(chǎn)品收率也影響設(shè)備尺寸、資本支出、設(shè)施 (utilities)消耗量和給料制備材料(feed stock preparation materials)如酶、礦物、養(yǎng) 料(維生素)和水。例如，在理論上，由葡萄糖生成丁醇的產(chǎn)率從50%增加至90%，這導(dǎo)致 直接操作成本減少44 %。此外，90 %的提高收率減少了處理和加工的原料量。增加的收率直 接減少了生產(chǎn)設(shè)施所需要的資本投資，這是因?yàn)閺奶妓衔镏苽渲良兓突厥盏乃性O(shè) 備均減小了尺寸。如果收率從50%增加至90%，則設(shè)備、管道和設(shè)施需求可降低32%。產(chǎn) 品收率對(duì)生產(chǎn)成本的直接影響使它成為影響生物燃料的成本和市場(chǎng)可行性的主要因素。提 高產(chǎn)品收率的一種手段涉及遺傳工程微生物(Genetically Engineered Microorganisms) (GEM)，可以構(gòu)造所述遺傳工程微生物以操縱生物的代謝途徑，從而減少或消除不希望的產(chǎn) 物，增加希望的代謝物的效率或既減少或消除不希望的產(chǎn)物又增加希望的代謝物的效率。 這容許去掉低價(jià)值產(chǎn)物(low cost product)和不希望的產(chǎn)物中的一種或兩種，從而增加希 望的產(chǎn)物的生產(chǎn)。例如，美國(guó)專利申請(qǐng)公開文本20050089979披露了利用拜氏梭菌微生物 (Clostridium beijerinckii microorganism)的發(fā)酵方法，該方法產(chǎn)生含 5. 3g/L 丙酮、 11. 8g/L 丁醇和5g/L乙醇的產(chǎn)物混合物。適當(dāng)修飾的遺傳工程微生物消除了丙酮和乙醇產(chǎn) 物，同時(shí)提高了碳水化合物向丁醇的轉(zhuǎn)化率。將碳水化合物給料(feedstock)的產(chǎn)物從乙 醇和丙酮轉(zhuǎn)向丁醇使丁醇產(chǎn)量從11. 8g/L提高至18. 9g/L，丁醇產(chǎn)量相對(duì)于碳水化合物消 耗提高了 60%。因?yàn)樾枰^少的設(shè)備來完成回收和純化，所以乙醇和丙酮副產(chǎn)物的消除也 使資本成本降低。生物化學(xué)工具(包括遺傳工程和傳統(tǒng)菌株發(fā)展)的應(yīng)用也能夠影響最終產(chǎn)物濃度 (g/L)和生物催化劑發(fā)酵容積生產(chǎn)率(g/L-hr)。最終產(chǎn)物濃度和容積生產(chǎn)率影響產(chǎn)品經(jīng)濟(jì) 的幾個(gè)方面，包括設(shè)備尺寸、原料使用和設(shè)施成本。當(dāng)在發(fā)酵中可容許的產(chǎn)物濃度增加時(shí)， 水溶液的回收體積將降低，這導(dǎo)致減少的資本成本和在生產(chǎn)設(shè)施中處理較小體積的材料。
容積生產(chǎn)率直接影響實(shí)現(xiàn)相同的產(chǎn)物生產(chǎn)量所需要的發(fā)酵器容積。例如，常規(guī)的 拜季林斯基梭菌(Clostridium beijerinckii)丙酮-丁醇-乙醇(ABE)發(fā)酵生成成比 例的丙酮、丁醇和乙醇。遺傳工程微生物容許設(shè)計(jì)生產(chǎn)單一產(chǎn)物，例如正丁醇、異丁醇或 2_ 丁醇(Donaldson 等人，美國(guó)專利申請(qǐng) 11/586,315)。丁醇耐受宿主(Butanol tolerant hosts)可以通過使用識(shí)別技術(shù)識(shí)別和強(qiáng)化丁醇耐受性(-Bramucci等人，美國(guó)專利申請(qǐng) 11/743，220)。然后可以將這兩種技術(shù)組合起來，從而以商業(yè)上的相對(duì)濃度和容積生產(chǎn)率生 成丁醇。利用GEM來增加產(chǎn)物容積生產(chǎn)率和濃度可以強(qiáng)烈影響產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)。例如，對(duì)于大型 工業(yè)化的生物燃料發(fā)酵設(shè)施，以兩倍的容積生產(chǎn)率完成的丁醇發(fā)酵將減少發(fā)酵器成本將近 50%。發(fā)酵器資本成本和尺寸的降低減少了設(shè)施的折舊和操作成本。類似地，如果GEM得 到了可耐受較高丁醇濃度的生物體，則對(duì)于給定的生產(chǎn)體積，操作和資本成本將降低。例 如，如果野生型菌株能夠耐受20g/L 丁醇和相應(yīng)的基因改善或基因強(qiáng)化的微生物耐受40g/ L 丁醇，則在下游回收和純化設(shè)備中處理的發(fā)酵器的發(fā)酵肉湯體積中的水負(fù)荷量降低一半。 在該實(shí)例中，在發(fā)酵肉湯中產(chǎn)物濃度的加倍幾乎將在回收單元操作中回收和處理的水量減 半。大量的較小價(jià)值組分也影響生物燃料生產(chǎn)的操作和資本成本。能夠影響發(fā)酵的示 例性因素包括但不限于化學(xué)添加劑，PH控制、表面活性劑和污染是所述因素中的一些，但是 許多另外的因素也能夠影響發(fā)酵產(chǎn)物成本。

發(fā)明內(nèi)容
在一實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了從含微生物和C3-C6醇的發(fā)酵肉湯中回收C3-C6 醇的方法。所述方法包括將C3-C6醇在發(fā)酵肉湯部分中的活度提高到至少為所述C3-C6醇 在所述部分中達(dá)到飽和時(shí)的活度的步驟?？晒┻x擇地，所述方法可以包括將水在發(fā)酵肉湯 部分中的活度降低到至少為所述C3-C6醇在所述部分中達(dá)到飽和時(shí)的活度的步驟。所述方 法還包括從所述發(fā)酵肉湯部分形成C3-C6醇富集液相(C3-C6 alcohol-rich phase)和水 富集液相(water-rich phase)的步驟。所述方法還包括使C3-C6醇富集相與水富集相分 離的步驟。在另一實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了生成C3-C6醇的方法。所述方法包括在發(fā)酵培 養(yǎng)基中培養(yǎng)微生物以生成C3-C6醇的步驟。所述方法還包括將所述C3-C6醇在發(fā)酵培養(yǎng)基 部分中的活度提高到至少為所述C3-C6醇在所述發(fā)酵培養(yǎng)基中達(dá)到飽和時(shí)的活度。所述方 法還包括從所述發(fā)酵培養(yǎng)基部分形成C3-C6醇富集液相和水富集相的步驟。所述方法還包 括使C3-C6醇富集相與水富集相分離的步驟。所述方法還包括將水富集相導(dǎo)引至所述發(fā)酵 培養(yǎng)基的步驟。在另一實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了生成C3-C6醇的方法。所述方法包括水解含多 糖和至少一種其它化合物的給料(feedstocks)以生成可發(fā)酵水解產(chǎn)物。所述方法還包括 在發(fā)酵培養(yǎng)基中發(fā)酵至少部分的所述可發(fā)酵水解產(chǎn)物以生成C3-C6醇，其中所述發(fā)酵培養(yǎng) 基還包含至少一種非經(jīng)發(fā)酵的化合物(non-fermented compund)。所述方法還包括將所述 C3-C6醇在發(fā)酵培養(yǎng)基部分中的活度提高到至少為所述C3-C6醇在所述發(fā)酵培養(yǎng)基中達(dá)到 飽和時(shí)的活度的步驟。所述方法還包括從所述發(fā)酵培養(yǎng)基部分形成C3-C6醇富集液相和水富集相。所述方法還包括使C3-C6醇富集相與水富集相分離。所述方法還包括從發(fā)酵培養(yǎng) 基、水富集相或肉湯分離所述至少一種非經(jīng)發(fā)酵的化合物。在一些實(shí)施方案中，水解給料的 步驟包括糖化。在一些實(shí)施方案中，水解步驟、發(fā)酵步驟和提高C3-C6醇的活度的步驟中的 至少兩個(gè)同時(shí)進(jìn)行至少一段時(shí)間。在一些實(shí)施方案中，發(fā)酵的步驟用能夠水解所述給料的 微生物進(jìn)行。在另一實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了從含微生物和C3-C6醇的發(fā)酵肉湯中的C3-C6 醇制造產(chǎn)物的方法。所述方法包括以下步驟從發(fā)酵肉湯蒸餾含水和C3-C6醇的蒸氣相并 使蒸氣相中的C3-C6醇反應(yīng)以形成產(chǎn)物。在一些實(shí)施方案中，所述C3-C6醇為丙醇以及在 蒸氣相中C3-C6醇對(duì)水的比率為大于約0. 2(w/w)。在一些實(shí)施方案中，所述C3-C6醇為丁 醇以及在蒸氣相中C3-C6醇對(duì)水的比率為大于約l(w/w)。在一些實(shí)施方案中，所述C3-C6 醇為戊醇以及在蒸氣相中C3-C6醇對(duì)水的比率為大于約4(w/w)。在一些實(shí)施方案中，反應(yīng) 的步驟在催化劑的存在下進(jìn)行。在一些實(shí)施方案中，所述催化劑為多相催化劑。在另一實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了生成C3-C6醇的方法。這種方法包括在發(fā)酵培 養(yǎng)基中培養(yǎng)微生物以生成C3-C6醇的步驟。這種方法還包括將提高在發(fā)酵培養(yǎng)基部分中 C3-C6醇的活度的步驟。所述方法還包括蒸餾發(fā)酵培養(yǎng)基部分以生成液相和含水和C3-C6 醇的蒸氣相的步驟，和將所述液相導(dǎo)引至發(fā)酵培養(yǎng)基的步驟。在另一實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了從含第一含量的C3-C6醇的稀水溶液回收 C3-C6醇的方法。所述方法包括蒸餾稀水溶液部分至含C3-C6醇和水的蒸氣相，其中所述 蒸氣相含有來自于所述稀水溶液部分的C3-C6醇的第一含量的約1重量％至約45重量％。 所述方法還包括凝結(jié)所述蒸氣相。在各實(shí)施方案中，所述蒸氣相可以含有來自于所述稀水 溶液的C3-C6醇的約2重量％至約40重量％，約3重量％至約35重量％，約4重量％至約 30重量％或約5重量％至約25重量％。在一些實(shí)施方案中，所述方法包括從凝結(jié)蒸氣相 形成C3-C6醇富集液相和水富集液相。在一些實(shí)施方案中，所述方法包括分離C3-C6醇富 集相和水富集相。在一些實(shí)施方案中，蒸餾的步驟為單級(jí)蒸餾。所述蒸餾可以為絕熱的或 等溫的。在各實(shí)施方案中，醇從稀水溶液至凝結(jié)蒸氣的富集度(enrichment)可為至少約5 倍，至少約10倍或至少約15倍。在另一實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了操作改造的乙醇生產(chǎn)裝置(retrofit ethanol production plant)的方法。在一些實(shí)施方案中，所述改造裝置包含預(yù)處理單元、多重發(fā)酵 單元(multiple fermentation units)和發(fā)酵醪蒸餾器(beer still)以生成 C3-C6 醇。 所述方法包括在預(yù)處理單元中預(yù)處理給料以形成可發(fā)酵糖。所述方法還包括在第一發(fā)酵單 元中在含可發(fā)酵糖的發(fā)酵培養(yǎng)基中培養(yǎng)微生物以生成C3-C6醇。所述方法還包括處理含 C3-C6醇的發(fā)酵培養(yǎng)基部分以除去C3-C6醇部分。所述方法還包括使所述處理過的發(fā)酵培 養(yǎng)基部分返回至第一發(fā)酵單元。所述方法還包括將發(fā)酵培養(yǎng)基從第一發(fā)酵單元轉(zhuǎn)移至發(fā)酵 醪蒸餾器。在各實(shí)施方案中，所述改造裝置的C3-C6醇生產(chǎn)量為改造前所述裝置的乙醇最 大生產(chǎn)量的C3-C6醇等價(jià)物的至少約80%，至少約90%或至少約95%。在另一實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了從水溶液萃取C3-C6醇的方法。所述方 法包括使所述水溶液與酸性的、基于胺的、醇選擇性萃取劑(acidic，amine-based alcohol-selective extractant)接觸。在一些實(shí)施方案中，在接觸步驟后形成兩相。在一 些實(shí)施方案中，所述酸性的、基于胺的萃取劑是通過對(duì)有機(jī)胺溶液進(jìn)行酸化而形成。
在各實(shí)施方案中，在發(fā)酵肉湯或發(fā)酵培養(yǎng)基中C3-C6醇對(duì)水的比率可為小于約 9/91 (w/w)，小于約 6/94 (w/w)或小于約 3/97 (w/w)。在一些實(shí)施方案中，提高活度的步驟可以包括添加親水性溶質(zhì)(hydrophilic solute) 0在一些實(shí)施方案中，該步驟可以包括蒸餾含水和C3-C6醇的蒸氣相。在一些實(shí)施 方案中，該步驟可以包括反滲透。在一些實(shí)施方案中，該步驟可以包括滲析。在一些實(shí)施方 案中，該步驟可以包括在醇選擇性吸附劑上吸附C3-C6醇。在一些實(shí)施方案中，該步驟可以 包括將C3-C6醇萃取至醇選擇性萃取劑中。在一些實(shí)施方案中，該步驟可以包括在水選擇 性吸附劑上吸附水。在一些實(shí)施方案中，該步驟可以包括將水萃取至水選擇性萃取劑中。在 一些實(shí)施方案中，該步驟可以包括選擇性地除去水，選擇性地結(jié)合水或選擇性地排斥水。在各實(shí)施方案中，所述C3-C6醇為丙醇、丁醇、戊醇或己醇。在一些實(shí)施方案中，所 述丙醇可為1-丙醇或2-丙醇。在一些實(shí)施方案中，所述丁醇可為1-丁醇、2-丁醇、叔丁醇 (2-甲基-2-丙醇)或異丁醇(2-甲基-1-丙醇)。在一些實(shí)施方案中，所述戊醇可為1-戊 醇、2-戊醇、3-戊醇、2-甲基-1-丁醇、3-甲基-1-丁醇、2-甲基-2-丁醇、3-甲基_2_ 丁醇 或2，2-二甲基-1-丙醇。在一些實(shí)施方案中，所述己醇可為1-己醇、2-己醇、3-己醇、2-甲 基-1-戊醇、3-甲基-1-戊醇、4-甲基-1-戊醇、2-甲基-2-戊醇、3-甲基-2-戊醇、4-甲 基-2-戊醇、2-甲基-3-戊醇、3-甲基-3-戊醇、3，3-二甲基-1-丁醇、2，2-二甲基-1-丁 醇、2，3- 二甲基-1- 丁醇、2，3- 二甲基-2- 丁醇、3，3- 二甲基-2- 丁醇或2-乙基-1- 丁醇。 在一優(yōu)選實(shí)施方案中，所述C3-C6醇為異丁醇。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明方法還包括冷卻醇富集相以提高在醇富集相中醇對(duì)水 的比率的步驟。在一些實(shí)施方案中，所述方法包括從醇富集相回收C3-C6醇的步驟。在各實(shí)施方 案中，回收步驟可以包括以下步驟蒸餾、滲析、水吸附、通過溶劑萃取來萃取C3-C6醇、與 在水中不可混溶的烴液體接觸或與親水性化合物接觸。該步驟可以產(chǎn)生兩個(gè)相，包括含 C3-C6醇和水的第一相和含C3-C6醇的第二相，其中在第二相中水對(duì)C3-C6醇的比率小于在 第一相中水對(duì)C3-C6醇的比率。在各實(shí)施方案中，所述第二相可以含有至少約90重量％的 醇，至少約95重量％的醇或至少約99重量％的醇。在一些實(shí)施方案中，回收步驟可以包括蒸餾C3-C6醇富集相。在該實(shí)施方案中，第 一相為含醇和水的蒸氣相以及第二相為含醇的高沸點(diǎn)產(chǎn)物。在一些實(shí)施方案中，所述方法 還可以包括在提高C3-C6醇活度的步驟之前使發(fā)酵肉湯與高沸點(diǎn)產(chǎn)物合并。在一些實(shí)施方 案中，所述方法可以包括在提高C3-C6醇活度的步驟之前使發(fā)酵肉湯與水富集相合并。在一些實(shí)施方案中，在提高活度的步驟之后，可以將稀水溶液的剩余部分導(dǎo)引至 發(fā)酵容器。在一些實(shí)施方案中，所述剩余部分可以含有雜質(zhì)，以及所述方法還包括在將溶液 導(dǎo)引至發(fā)酵容器之前從至少部分的剩余部分除去至少部分的雜質(zhì)。在一些實(shí)施方案中，所 述發(fā)酵肉湯含有雜質(zhì)，以及在C3-C6醇富集液相中雜質(zhì)對(duì)C3-C6醇的比率大于在水富集相 中的比率。在一些實(shí)施方案中，提高C3-C6醇活度的步驟可以包括蒸餾含水和醇的蒸氣相并 凝結(jié)所述蒸氣相。在這些實(shí)施方案的一些中，在蒸餾步驟之前，可以處理所述發(fā)酵肉湯部分 以除去水。在一些實(shí)施方案中，可以處理所述C3-C6醇富集相以除去水。在一些實(shí)施方案 中，除水可以與蒸餾步驟同時(shí)進(jìn)行。除水可以通過選擇性地除去水，選擇性地結(jié)合水或選擇性地排斥水來進(jìn)行。在各實(shí)施方案中，除水可以通過以下方法實(shí)現(xiàn)添加親水性溶質(zhì)、添加 碳源、反滲透、滲析、在醇選擇性吸附劑上吸附醇、將醇萃取至醇選擇性萃取劑中、在水選擇 性吸附劑上吸附水或?qū)⑺腿≈了x擇性萃取劑中。在一些實(shí)施方案中，在C3-C6醇富集相中C3-C6醇對(duì)水的比率比在發(fā)酵肉湯中 C3-C6醇對(duì)水的比率大至少約5倍。在一些實(shí)施方案中，蒸餾在低于大氣壓力的壓力和在約20°C至約95°C的溫度進(jìn) 行。在一些實(shí)施方案中，蒸餾步驟在約0.025bar至約IObar的壓力進(jìn)行。蒸餾步驟可以在 發(fā)酵容器中或在蒸餾容器中進(jìn)行。在一些實(shí)施方案中，在引入到蒸餾容器中之前，所述發(fā)酵 肉湯部分的溫度為約20°C至約95°C。在一些實(shí)施方案中，在蒸餾容器中使所述發(fā)酵肉湯部 分的壓力低于大氣壓力。在一些實(shí)施方案中，在蒸餾步驟之后，將發(fā)酵肉湯的剩余部分從蒸 餾容器導(dǎo)引至發(fā)酵容器。在各實(shí)施方案中，所述發(fā)酵容器可以處于大氣壓力，低于大氣壓力 的壓力或高于大氣壓力的壓力。在一些實(shí)施方案中，所述C3-C6醇為丙醇以及在醇富集相中所述醇對(duì)水的比率大 于約0. 2(w/w)。在一些實(shí)施方案中，所述C3-C6醇為丁醇以及在醇富集相中所述醇對(duì)水的 比率大于約1 (w/V)。在一些實(shí)施方案中，所述C3-C6醇為戊醇以及在C3-C6醇富集相中 C3-C6醇對(duì)水的比率大于約4 (w/w)。在一些實(shí)施方案中(其中所述提高醇的活度的步驟包括蒸餾含水和C3-C6醇的蒸 氣相并凝結(jié)所述蒸氣相)，所述蒸氣相可以含有水和醇的共沸物。在一些實(shí)施方案中，在醇 富集相中所述醇對(duì)水的比率大于共沸物中的比率。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明方法還包括處理C3-C6醇富集相。在一些實(shí)施方案中， 處理步驟可以包括從C3-C6醇富集相蒸餾基本上純的C3-C6醇。在一些實(shí)施方案中，處理 可以包括從C3-C6醇富集相蒸餾C3-C6醇的共沸物。在一些實(shí)施方案中，處理可以包括使 C3-C6醇富集相與C3-C6醇選擇性吸附劑接觸。在一些實(shí)施方案中，處理可以包括將C3-C6 醇富集相中的C3-C6醇轉(zhuǎn)化成烯烴。在一些實(shí)施方案中，處理可以包括使C3-C6醇富集相 與在水中不可混溶的烴液體合并。在一些實(shí)施方案中，所述合并可以形成單一均相。在一 些實(shí)施方案中，所述合并可以形成輕相和重相，以及在輕相中醇對(duì)水的比率可以大于在重 相中的比率。在一些實(shí)施方案中，所述培養(yǎng)可以包括以下方法分批發(fā)酵、補(bǔ)料-分批發(fā)酵、連 ^'RM^fkWiJim^M (cell recycle fermentation) BlJxjS^ (enzyme reaction process)。在一些實(shí)施方案中，所述微生物可為丁酸梭菌(Clostridium butyricum)、 丙酮丁 酸梭菌(Clostridium acetobutylicum)、糖乙酸多丁 醇梭菌(Clostridium saccharoperbutylacetonicum)lif (Clostridium saccharobutylicum)或手羊氏 菌。在一些實(shí)施方案中，所述微生物可為耐溫微生物。在一些實(shí)施方案中，所述微生物可以 在約20°C至約95°C的溫度生存。在一些實(shí)施方案中，所述微生物的生產(chǎn)率可為至少約每小 時(shí) 0. 5g/L。附圖簡(jiǎn)述

圖1示出用于生成和回收異丁醇的本發(fā)明實(shí)施方案。圖2示出以對(duì)預(yù)處理過的玉米同時(shí)進(jìn)行糖化和發(fā)酵的方法從發(fā)酵肉湯生成和回 收丁醇的本發(fā)明實(shí)施方案。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明描述了從稀水溶液如發(fā)酵肉湯中回收C3-C6醇的方法。發(fā)酵和回收可以同 時(shí)進(jìn)行。在發(fā)酵期間結(jié)合回收具有幾個(gè)重要的經(jīng)濟(jì)優(yōu)點(diǎn)。這種結(jié)合為發(fā)酵提供了改善的容 積生產(chǎn)率并容許回收醇。另外的經(jīng)濟(jì)優(yōu)點(diǎn)是降低了干燥用過的發(fā)酵肉湯所需要的能量。這 是因?yàn)?，?duì)于給定的發(fā)酵，回收的醇產(chǎn)物的批次濃度(batch concentration)通過同時(shí)的發(fā) 酵和回收過程得到了提高，這提高了每干燥一定量的發(fā)酵肉湯生成和回收的醇的量。術(shù)語(yǔ) “批次濃度”是指對(duì)于給定的發(fā)酵器容積基于分批發(fā)酵期間生產(chǎn)的所有的C3-C6醇(雖然在 發(fā)酵期間除去了一些C3-C6醇)的濃度。因此，本發(fā)明容許以低資本和降低的操作成本生 成和回收C3-C6醇。將術(shù)語(yǔ)“發(fā)酵”或“發(fā)酵方法”定義為在含原料(例如給料和養(yǎng)料)的培養(yǎng)基中 培養(yǎng)生物催化劑的方法，其中所述生物催化劑將原料如給料轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物。在美國(guó)專利申請(qǐng) 12/263，436 和 12/263，442 (2008 年 10 月 31 日提交)、臨時(shí)申請(qǐng) 61/110，543 (2008 年 10 月 31日提交)和臨時(shí)申請(qǐng)61/121,830(2008年12月11日提交)中詳細(xì)地討論了適用于本發(fā) 明的生物催化劑和相關(guān)發(fā)酵方法，將其全部?jī)?nèi)容通過引用的方式并入本文。所述生物催化 劑可為能夠?qū)⑦x擇的給料轉(zhuǎn)化成希望的C3-C6醇的任何微生物。下面討論了生物催化劑的 其它方面。含可水解碳源的任何給料均適用于本發(fā)明。術(shù)語(yǔ)“發(fā)酵肉湯”和“發(fā)酵培養(yǎng)基”的意義相同。除非明確地指出，應(yīng)將術(shù)語(yǔ)發(fā)酵 肉湯解釋為包括含微生物的發(fā)酵肉湯以及不含微生物的發(fā)酵肉湯。在一實(shí)施方案中，本發(fā)明包括從C3-C6醇的稀水溶液(例如含微生物和C3-C6醇 的發(fā)酵肉湯)回收C3-C6醇的方法。該方法包括將所述C3-C6醇在水溶液部分中的活度提 高到至少為所述C3-C6醇在所述部分中達(dá)到飽和時(shí)的活度。術(shù)語(yǔ)“C3-C6醇在所述水溶液 中達(dá)到飽和”是指所述C3-C6醇在該水溶液的條件(例如溫度和壓力)下的最大濃度。所 述方法還包括從所述水溶液部分形成C3-C6醇富集液相和水富集液相，以及所述方法包括 使C3-C6醇富集相與水富集相分離。在一種可供選擇的實(shí)施方案中，本發(fā)明包括從C3-C6醇的稀水溶液(例如含微生 物和C3-C6醇的發(fā)酵肉湯)回收C3-C6醇的方法。該方法包括將水在水溶液部分中的活度 降低到至少為所述C3-C6醇在所述部分中達(dá)到飽和時(shí)的活度。所述方法還包括從所述水溶 液部分形成C3-C6醇富集液相和水富集液相，以及所述方法包括使C3-C6醇富集相與水富 集相分離。提高醇的活度的實(shí)例是當(dāng)例如通過蒸餾、萃取和吸附將醇相對(duì)于水選擇性地除 去以形成另一相時(shí)，其中所述其它相分別為氣相、溶劑相和固體吸附劑相。在氣相凝結(jié)、從 溶劑分離或從吸附劑分離后，形成第二液相，其中醇的活度高于起始溶液。降低水的活度的 實(shí)例是當(dāng)例如通過水的選擇性吸附、萃取和甚至冷凍將水相對(duì)于醇選擇性地除去以形成另 一相時(shí)。結(jié)果是降低了在起始溶液中水的活度。一些方法既提高醇的活度又降低水的活度。 例如，如果將親水性溶質(zhì)添加至醇的水溶液，則它既降低水的活度又提高醇的活度。本申請(qǐng)使用的術(shù)語(yǔ)“C3-C6醇”是指含三個(gè)、四個(gè)、五個(gè)或六個(gè)碳原子的醇，包括其 所有的異構(gòu)體，和前述任何醇的混合物。因此，所述C3-C6醇可以選自丙醇、丁醇、戊醇和 己醇。更具體地，C3醇可為1-丙醇或2-丙醇；C4醇可為1- 丁醇、2- 丁醇、叔丁醇(2-甲 基-2-丙醇)或異丁醇(2-甲基-1-丙醇)；C5醇可為1-戊醇、2-戊醇、3-戊醇、2-甲
18基-1-丁醇、3-甲基-1-丁醇、2-甲基-2-丁醇、3-甲基-2-丁醇或2，2-二甲基-1-丙醇； 以及C6醇可為1-己醇、2-己醇、3-己醇、2-甲基-1-戊醇、3-甲基-1-戊醇、4-甲基-1-戊 醇、2-甲基-2-戊醇、3-甲基-2-戊醇、4-甲基-2-戊醇、2-甲基-3-戊醇、3-甲基-3-戊 醇、3，3-二甲基-1-丁醇、2，2-二甲基-1-丁醇、2，3-二甲基-1-丁醇、2，3-二甲基-2-丁 醇、3，3- 二甲基-2- 丁醇或2-乙基-1- 丁醇。在一優(yōu)選實(shí)施方案中，C3-C6醇為異丁醇 (2-甲基-1-丙醇)。本申請(qǐng)使用的“稀”水溶液是指所含的C3-C6醇的濃度低于所述C3-C6醇在所述溶 液中的溶解度極限的溶液。濃度可以用許多不同的單位表示，例如重量或體積百分?jǐn)?shù)、摩爾 濃度、質(zhì)量摩爾濃度或者醇/水的W/V或V/V比率。然而，除非另外指明，本申請(qǐng)的濃度表示 為重量百分?jǐn)?shù)。在含至少一種另外的化合物(例如溶質(zhì)、溶劑、吸附劑等)的流的情況下， 本申請(qǐng)使用的醇重量濃度如下計(jì)算100乘以該流中的醇重量除以在該流中醇和水的組合 重量。在一些實(shí)施方案中，在稀水溶液中C3-C6醇對(duì)水的比率小于約10/90 (w/w)。在一些 優(yōu)選實(shí)施方案中，所述比率小于約9/91 (w/w)，小于約8/92 (w/w)，小于約7/93 (w/w)，小于 約 6/94 (w/w)，小于約 5/95 (w/w)，小于約 4/96 (w/w)，小于約 3/94 (w/w)，小于約 2/98 (w/w)， 小于約 1/99 (w/w)或小于約 0. 5/99. 5 (w/w)。在一些實(shí)施方案中，所述稀水溶液可以包括發(fā)酵肉湯。在其它實(shí)施方案中它可為 發(fā)酵肉湯和/或發(fā)酵肉湯加工產(chǎn)物如來自于使C3-C6醇富集相與水富集相分離步驟的水富 集相或下述的含C3-C6醇的高沸點(diǎn)產(chǎn)物或這些與發(fā)酵肉湯的組合的再循環(huán)流。所述發(fā)酵肉 湯可以包含C3-C6醇，以及任何雜質(zhì)。術(shù)語(yǔ)“雜質(zhì)”是指除了水和待純化的醇以外的任何化 合物。術(shù)語(yǔ)雜質(zhì)包括發(fā)酵方法的任何量或不希望的量的任何副產(chǎn)物或共生物，即，與醇的生 產(chǎn)相關(guān)，除醇以外的產(chǎn)物。本申請(qǐng)?zhí)峒暗募兓侵柑岣咴诋a(chǎn)物和除水以外的另一種化合物 之間的比率。所述方法包括將C3-C6醇在水溶液部分中的活度提高到至少為所述C3-C6醇在 所述部分中達(dá)到飽和時(shí)的活度。當(dāng)在本申請(qǐng)中使用時(shí)，所提及的“部分”的物(例如發(fā)酵肉 湯)既包括整個(gè)物(例如，整個(gè)發(fā)酵肉湯)，也包括小于整個(gè)物的整個(gè)物的某部分(例如，發(fā) 酵肉湯的側(cè)流)。溶液部分或發(fā)酵肉湯部分也包括轉(zhuǎn)變?yōu)檎魵庀嗟娜芤夯虬l(fā)酵肉湯。C3-C6 醇的活度是指C3-C6醇在水溶液中的有效濃度。C3-C6醇的活度將取決于溫度、壓力和組 成。因?yàn)樵诜抢硐肴芤喝绨l(fā)酵培養(yǎng)基中的分子彼此相互作用和與不同類型的分子具有不同 的相互作用，所以能夠改變或修改物種的活度。例如，如果將親水性溶質(zhì)引入到異丁醇水溶 液中，則與異丁醇相比，親水性溶質(zhì)將以較大的親和力與溶液中的水相互作用。異丁醇在溶 液中的活度由此將提高?；衔镌谒芤褐械幕疃认禂?shù)是該化合物在與該溶液相平衡的蒸 氣相中將以什么濃度存在的指標(biāo)以及是化合物在水中的濃度的函數(shù)?；衔镌谌芤褐械幕?度是化合物濃度和它的活度系數(shù)的乘積。例如，在異丁醇-水混合物中，異丁醇的活度系數(shù) 比水大。因此，在與水溶液相平衡的蒸氣相中異丁醇的濃度將比在溶液中高。將C3-C6醇的活度提高到至少為所述C3-C6醇在水溶液中達(dá)到飽和時(shí)的活度是指 處理水溶液部分以形成含C3-C6醇的組合物，其中所述C3-C6醇相對(duì)于水溶液的有效濃度 比在初始部分中的大。該步驟導(dǎo)致一些C3-C6醇不再溶于水溶液和使得能夠形成C3-C6醇 富集液相和水富集液相。該處理能夠包含各種處理步驟，包括但不限于添加親水性溶質(zhì)、蒸 餾含水和C3-C6醇的蒸氣相、反滲透、滲析、選擇性吸附和溶劑萃取。
本申請(qǐng)使用的術(shù)語(yǔ)“滲析”是指通過膜將水從溶液選擇性地轉(zhuǎn)移至另一隔間。滲 析不同于反滲透(reverse osmosis)，這是因?yàn)樵诜礉B透中，水的轉(zhuǎn)移通過在醇溶液上施加 壓力而導(dǎo)致，而在滲析中，通過在隔間中具有濃縮溶液，促使水轉(zhuǎn)移至隔間。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案，提高C3-C6醇的活度可以包括向水溶液添加親水性溶質(zhì)。 在一些實(shí)施方案中(其中所述水溶液是發(fā)酵肉湯)，可以在發(fā)酵肉湯具有微生物的情況下 或在除去微生物后將親水性溶質(zhì)添加至發(fā)酵器中的整個(gè)發(fā)酵肉湯或添加至取自發(fā)酵器的 部分流。所提及的添加親水性溶質(zhì)可以表示提高在溶液部分中已存在的親水性溶質(zhì)的濃度 或表示添加先前在溶液中不存在的親水性溶質(zhì)。該濃度的提高可以通過外部添加進(jìn)行?？?供選擇地，或者另外地，提高濃度也可以通過原位處理溶液進(jìn)行，例如通過水解在溶液中已 存在的溶質(zhì)，例如，水解蛋白質(zhì)以向溶液添加氨基酸、水解淀粉或纖維素以向溶液添加葡萄 糖和/或水解半纖維素以向溶液添加戊糖。根據(jù)另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案，所述親水性溶質(zhì) 可為具有營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和任選地在發(fā)酵共生物流中終止的親水性溶質(zhì)，例如蒸餾器干顆粒和可 溶物(distillers dried grains and solubles, DDGS)。另外地或可供選擇地，所述親水 性溶質(zhì)可為可發(fā)酵的和能夠與水富集液相一起轉(zhuǎn)移至發(fā)酵器。添加足夠的親水性溶質(zhì)以使得能夠形成第二液相，僅僅通過添加親水性溶質(zhì)或與 其它處理步驟組合。所需的量取決于醇的化學(xué)性質(zhì)，所需的量通常隨醇中的碳原子數(shù)增加 而減少，以及與仲醇或叔醇和支化醇相比，伯醇和直鏈醇所需的量較少。所需的量還隨著發(fā) 酵肉湯中醇濃度的增加而減少，以及可能也隨著發(fā)酵肉湯中其它溶質(zhì)濃度的增加而減少。 從本發(fā)明來看，在各種情況下所需要的量可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。優(yōu)選的親水性溶質(zhì)是具有降低水溶液的水蒸氣分壓的強(qiáng)烈效果的親水性溶質(zhì)。所 添加的親水性溶質(zhì)可為鹽、氨基酸、水溶性溶劑、糖或它們的組合。在相關(guān)的實(shí)施方案中，可 以將所述親水性溶質(zhì)回收。例如，如果稀水溶液是發(fā)酵肉湯且添加以提高C3-C6醇在發(fā)酵 肉湯中的活度的親水性溶質(zhì)是CaCl2,則在形成醇富集和水富集液相后，CaCl2將主要存在 于水富集液相中并且可以從水富集液相中回收。在一些實(shí)施方案中，所述親水性溶質(zhì)可為水溶性碳源。在水溶液為發(fā)酵肉湯的實(shí) 施方案中，可以在發(fā)酵肉湯具有微生物的情況下或在除去微生物后將水溶性碳源添加至發(fā) 酵器中的整個(gè)發(fā)酵肉湯或者添加至取自發(fā)酵器的部分流。所提及的添加水溶性碳源可以表 示提高在溶液部分中已存在的水溶性碳源的濃度或表示添加先前在溶液中不存在的水溶 性碳源。該濃度的提高可以通過外部添加進(jìn)行?？晒┻x擇地，或者另外地，提高濃度也可以 通過原位處理溶液進(jìn)行，例如通過水解在溶液中已存在的碳源，例如，水解蛋白質(zhì)以向溶液 添加氨基酸、水解淀粉或纖維素以向溶液添加葡萄糖和/或水解半纖維素以向溶液添加戊 糖。根據(jù)另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案，所述水溶性碳源可以具有營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和任選地可以在發(fā)酵 共生物流中終止，例如蒸餾器干顆粒和可溶物(DDGS)。優(yōu)選的水溶性碳源是具有降低水溶液的水蒸氣分壓的強(qiáng)烈效果的水溶性碳源和 能夠被良好發(fā)酵的水溶性碳源。所添加的水溶性碳源可為碳水化合物，例如單糖、二糖或低 聚糖和它們的組合。該碳水化合物可以包括己糖，例如葡萄糖和果糖和戊糖(例如木糖或 阿拉伯糖)和它們的組合。該碳水化合物的前體也是適合的，例如淀粉、纖維素、半纖維素 和蔗糖或它們的組合。在相關(guān)的實(shí)施方案中，可以將所述水溶性碳源回收或使用。例如，如 果稀水溶液是發(fā)酵肉湯部分和添加以提高C3-C6醇在發(fā)酵肉湯中的活度的水溶性碳源是葡萄糖，則葡萄糖將主要存在于水富集液相中并且可以將葡萄糖導(dǎo)回至發(fā)酵肉湯以為發(fā)酵 提供碳。在一些實(shí)施方案中，提高C3-C6醇的活度的步驟包括蒸餾含水和C3-C6醇的蒸 氣相。可以將水溶液(例如發(fā)酵肉湯)蒸餾，其中蒸發(fā)所述醇和水以形成醇耗盡的液相 (alcohol-depleted phase)和醇富集的蒸氣相。蒸餾步驟可以通過提高水溶液溫度，降 低水溶液上的大氣壓力或其組合來完成。在蒸氣相中的C3-C6醇濃度大于在水溶液中的 C3-C6醇濃度。根據(jù)一優(yōu)選實(shí)施方案，在蒸氣相中C3-C6醇的濃度比水溶液中C3-C6醇的 濃度大至少約5倍，優(yōu)選為大約10倍，優(yōu)選為大約15倍，優(yōu)選為大約20倍，優(yōu)選為大約25 倍，以及優(yōu)選為大約30倍?？梢詫⑺稣魵庀嗬缭谶x擇的條件凝結(jié)，使得形成不混溶的 醇富集溶液和水富集(即，醇貧瘠)溶液。蒸餾步驟可以在低于大氣壓力的壓力進(jìn)行，在約大氣壓力的壓力進(jìn)行或在高于大 氣壓力的壓力進(jìn)行。本申請(qǐng)?zhí)峒暗拇髿鈮毫κ窃诤Ｆ矫娴拇髿鈮毫?，以及除非另外指明，?申請(qǐng)表示的所有壓力是絕對(duì)壓力。適合的低于大氣壓力的壓力包括以下壓力約0.025bar 至約1. Olbar，約0. 075bar至約1. Olbar，和約0. 15bar至約1. Olbar。適合的高于大氣壓 力的壓力包括以下壓力約1. Olbar至約lObar，約1. Olbar至約6bar，和約1. Olbar至約 3bar。在蒸餾步驟在低于大氣壓力的壓力進(jìn)行的實(shí)施方案中，溫度可為約20°C至約 95°C，約 25°C至約 95°C，約 30°C至約 95°C，或約 35°C至約 95°C。在又一實(shí)施方案中(其中所述水溶液是發(fā)酵肉湯部分且包含微生物，以及其中蒸 餾步驟在蒸餾容器中進(jìn)行)，所述發(fā)酵肉湯部分在引入蒸餾容器前的溫度為約20°C至約 95°C，約25°C至約95°C，約30°C至約95°C，或者約35°C至約95°C。在另一實(shí)施方案中，在 引入蒸餾容器后將所述發(fā)酵肉湯部分的溫度調(diào)節(jié)至希望的值。優(yōu)選地，使用在這些溫度可 存活的微生物，并且甚至更優(yōu)選地，使用在這些溫度既可存活又具有生產(chǎn)能力的微生物。任選地，在蒸餾步驟后，可以將發(fā)酵肉湯的醇耗盡的剩余部分從蒸餾容器導(dǎo)引至 發(fā)酵容器。任選地，可以將發(fā)酵肉湯的醇耗盡的剩余部分與水混合，與給料和/或可能的其 它養(yǎng)料混合以形成用于進(jìn)一步發(fā)酵的培養(yǎng)基。在又一實(shí)施方案中(其中所述水溶液部分是發(fā)酵肉湯)，蒸餾步驟可以在發(fā)酵容 器中進(jìn)行。在提高C3-C6醇的活度的步驟包括蒸餾含水和C3-C6醇的蒸氣相和凝結(jié)所述蒸氣 相的情況下，所述方法也可以包括處理所述稀水溶液部分以降低水的活度。在各實(shí)施方案 中，所述降低水的活度包括在蒸餾步驟之前或與蒸餾步驟同時(shí)地除水。處理步驟可以包括 選擇性地除去水，選擇性地結(jié)合水或選擇性地排斥水。根據(jù)各實(shí)施方案，處理步驟可以包括 添加親水性溶質(zhì)，添加碳源，反滲透，滲析，在選擇性吸附劑上吸附醇，將醇萃取至選擇性萃 取劑中，在選擇性吸附劑上吸附水或者將水萃取至選擇性萃取劑中。在又一實(shí)施方案中(其中提高C3-C6醇的活度的步驟包括蒸餾含水和C3-C6醇的 蒸氣相和凝結(jié)所述蒸氣相)，所述方法也可以包括處理C3-C6醇富集相以除去水。處理步驟 可以包括選擇性地除去水，選擇性地結(jié)合水或選擇性地排斥水?？晒┻x擇地，處理步驟可以 包括添加親水性溶質(zhì)，添加碳源，反滲透，滲析，在選擇性吸附劑上吸附丁醇，將丁醇萃取至 選擇性萃取劑中，在選擇性吸附劑上吸附水或?qū)⑺腿≈吝x擇性萃取劑中。
在一優(yōu)選實(shí)施方案中，蒸餾步驟在閃蒸罐(flash tank)中進(jìn)行，該閃蒸罐能夠有 效地連接至發(fā)酵容器，以及所述方法還可以包括使培養(yǎng)基從發(fā)酵容器循環(huán)至閃蒸罐和使培 養(yǎng)基從閃蒸罐循環(huán)至發(fā)酵容器。閃蒸是單級(jí)蒸餾，其中蒸氣和液體從閃蒸系統(tǒng)的出口彼此 之間呈相平衡，以及每一相的溫度和壓力幾乎相同。另一方面，蒸餾包含順序地串在一起的 一系列閃蒸級(jí)(flash stages) 0與閃蒸中相比，在蒸餾期間，即，在多級(jí)閃蒸系統(tǒng)(例如蒸 餾塔)中，從頂部出去的蒸氣和從底部出去的液體以不同的溫度離開。根據(jù)另一實(shí)施方案，所述方法包括與發(fā)酵容器中的壓力相比降低在蒸餾容器中的 壓力。該壓力降低加上絕熱蒸發(fā)允許從蒸餾容器內(nèi)的發(fā)酵容器中生成的水溶液的發(fā)酵肉湯 部分除去熱量?？晒┻x擇地或者另外地，所述方法可包括對(duì)在發(fā)酵容器中的來自蒸餾容器 的水溶液提高壓力。該壓力增加產(chǎn)生熱量，所述熱量可用于在各個(gè)點(diǎn)預(yù)熱系統(tǒng)。例如，所述 熱量可用于預(yù)熱在閃蒸罐、發(fā)酵醪蒸餾器和/或蒸餾塔中的進(jìn)料，以及還可以在用于將稀 薄釜餾物濃縮成漿料的蒸發(fā)器中使用。這些組件下面將詳細(xì)討論。閃蒸罐真空蒸發(fā)操作就真空壓降而言具有更少工程憂慮(engineering concerns)，這是因?yàn)殚W蒸罐充當(dāng)單級(jí)分離，在閃蒸罐上沒有影響系統(tǒng)的壓降的多級(jí)液體， 以及在整個(gè)閃蒸罐操作過程中的壓差可以非常低。可以適當(dāng)?shù)剡x擇對(duì)閃蒸罐中的蒸氣產(chǎn)生 和管道系統(tǒng)的尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)低壓降。與蒸餾塔相比，在閃蒸罐中蒸餾C3-C6醇需 要較小的真空度，因此，只要設(shè)備尺寸較小且結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，閃蒸罐具有較低的操作成本和資 本成本。在一優(yōu)選實(shí)施方案中，當(dāng)提高C3-C6醇的活度的步驟包括蒸餾含水和C3-C6醇的 蒸氣相時(shí)，混合蒸氣包含共沸組合物(azeotropic composition)。當(dāng)分子力致使兩種或更 多種分子物種表現(xiàn)為新的蒸氣/液體物種時(shí)，形成共沸物。因?yàn)楣卜形锝M合物“窄點(diǎn)(Pinch point) ”妨礙將混合物蒸餾成純組分，共沸物通常被化學(xué)工藝工業(yè)視為限制。共沸物并不能 從蒸餾過程產(chǎn)生純組分，而是共沸物本身表現(xiàn)為在蒸餾塔頂部的共沸組合物(作為最低沸 點(diǎn)共沸物)或表現(xiàn)為蒸餾塔底部的共沸組合物(作為最高沸點(diǎn)共沸物)。當(dāng)發(fā)酵產(chǎn)物與水形成最高沸點(diǎn)共沸物時(shí)，必須將所有的非共沸物結(jié)合的水蒸發(fā)和 置頂蒸餾。在發(fā)酵肉湯中的產(chǎn)物通常是稀的。結(jié)果，當(dāng)形成最高沸點(diǎn)共沸物時(shí)，滾沸和除去 額外的未結(jié)合水所需要的能量的量是很大的熱負(fù)荷，并且這能夠常常使得蒸餾的蒸發(fā)和凝 結(jié)過程不經(jīng)濟(jì)。另外，最高沸點(diǎn)共沸物在高于純物種沸點(diǎn)的溫度出現(xiàn)，從而提高了蒸餾系統(tǒng) 中的底部溫度。結(jié)果，具有最高沸點(diǎn)的底部產(chǎn)物經(jīng)歷與純物質(zhì)相比較高的熱歷史。這種高 溫?zé)釟v史能夠降低發(fā)酵的主要產(chǎn)物和共生物的價(jià)值。蒸餾器干顆粒和可溶物(DDGS)(其通 常用作進(jìn)料成分)是該共生物的一個(gè)實(shí)例，其在暴露于高熱量的情況下能夠降低品質(zhì)并失 去營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。因?yàn)楣卜形锏幕疃认禂?shù)大于1，最低沸點(diǎn)共沸物也稱為正共沸物。因?yàn)榛疃认禂?shù)小 于1，最高沸點(diǎn)共沸物也稱為負(fù)共沸物?；疃认禂?shù)的大小支配共沸本體的非理想活動(dòng)的程 度。已經(jīng)研究了這種非理想度和在共沸物分離中的困難。活度系數(shù)不固定，但是為化合物 在水中的濃度的函數(shù)。結(jié)果，因?yàn)榻M分濃度改變，所以共沸物組合物的溶液沸點(diǎn)也改變。結(jié) 果，在蒸氣相中展開的共沸組合物能夠受組分濃度和操作壓力影響。根據(jù)一優(yōu)選實(shí)施方案，C3-C6醇的水溶液形成最低沸點(diǎn)共沸物。根據(jù)相關(guān)的優(yōu)選 實(shí)施方案，C3-C6醇在混合蒸氣中的濃度基本上等于在選擇的蒸餾壓力醇在最低沸點(diǎn)共沸物中的濃度。在一些特別優(yōu)選的實(shí)施方案中，C3-C6醇在混合蒸氣中的濃度大于醇在最低 沸點(diǎn)共沸物中的濃度，如在這樣的一些情況下除了醇以外，水溶液包含影響水的分蒸氣壓 的其它溶質(zhì)。已知一些共沸物在寬范圍的操作壓力下是穩(wěn)定的，而其它共沸物體系能夠被低壓 和高壓所“破壞”。例如，乙醇-水共沸物在小于70tOrr的壓力破壞。對(duì)于在真空下能夠被 破壞的共沸物，蒸餾塔的使用有時(shí)受到限制，這是由于真空蒸餾塔要求蒸餾塔中的壓降足 夠顯著，使得需要在真空源處產(chǎn)生更高的真空。例如，將真空蒸餾塔進(jìn)料壓力維持為150mm Hg的嘗試要求塔中的壓降非常小，以確保真空泵能夠維持適當(dāng)?shù)恼婵账?。在具有多重?板的真空塔中實(shí)現(xiàn)低壓降要求在蒸餾塔板上的液體高度小。在塔中的低壓降和低液體高度 通常提高塔的資本成本(由于增加了塔的直徑)。在一些實(shí)施方案中，提高C3-C6醇的活度的步驟包括滲析。滲析根據(jù)以下原則工 作通過半透膜的溶質(zhì)擴(kuò)散和流體超濾。從水溶液選擇性地除去水的任何膜分離系統(tǒng)均適 用于本發(fā)明方法。根據(jù)一優(yōu)選實(shí)施方案，滲析在含兩個(gè)或更多個(gè)隔間的系統(tǒng)中進(jìn)行。將醇的 水溶液引入一個(gè)隔間中，并將水從該溶液通過所述膜選擇性地轉(zhuǎn)移至其它隔間。根據(jù)一優(yōu) 選實(shí)施方案，水的轉(zhuǎn)移由滲透壓導(dǎo)致。接受水的隔間含有親水性化合物，例如CaCl2或碳水 化合物，或者該化合物的濃縮溶液。濃縮溶液在接受水的隔間中形成。根據(jù)各實(shí)施方案處 理該溶液以再生溶質(zhì)或溶質(zhì)的濃縮溶液，或者用于其它應(yīng)用。再生可以通過已知的方法進(jìn) 行，例如水的蒸餾。在溶質(zhì)是碳水化合物或另一種可發(fā)酵碳源的情況下，可以使用該溶液， 以向發(fā)酵步驟提供可發(fā)酵物。在一些實(shí)施方案中，提高C3-C6醇的活度的步驟包括反滲透。在反滲透中，使水溶 液在第一隔間中在壓力下與反滲透膜接觸，由此水通過所述膜選擇性地轉(zhuǎn)移至第二隔間， 而醇留在第一隔間中。作為水選擇性地轉(zhuǎn)移至第二隔間的結(jié)果，在第一隔間的液體中醇的 濃度(和活度)提高且優(yōu)選的是達(dá)到飽和，由此在該第一隔間中形成第二相。根據(jù)該實(shí)施 方案，該隔間包含兩種液相，其中之一是醇飽和的水相以及另一種是水飽和的醇溶液。在一些實(shí)施方案中，提高C3-C6醇的活度的步驟包括溶劑萃取。在溶劑萃取中，使 水溶液與另一液相(溶劑或萃取劑)接觸，其中水和所述醇中的至少一種不充分混溶。將 兩相混合，然后沉降。根據(jù)一實(shí)施方案，提高C3-C6醇的活度的步驟包括將C3-C6醇萃取到 醇選擇性萃取劑中。術(shù)語(yǔ)“醇-選擇性萃取劑”是指與水相比更優(yōu)選醇，使得在萃取劑中的 醇/水比率大于在剩余水溶液中的醇/水比率的萃取劑。因此，醇選擇性萃取劑或溶劑具 有對(duì)醇的選擇性(與醇相比，疏水性相似或更疏水)，以及醇優(yōu)先轉(zhuǎn)移至萃取劑或溶劑中以 形成含醇的萃取劑或溶劑，也稱為萃取液。在一些優(yōu)選實(shí)施方案中，醇選擇性溶劑可為乙酸 丁酯、磷酸三丁酯、癸醇、2-庚酮或辛烷。在另一實(shí)施方案中，提高C3-C6醇的活度的步驟包 括將水萃取至水選擇性萃取劑中。術(shù)語(yǔ)“水選擇性萃取劑”是指與醇相比更優(yōu)選水，使得在 萃取劑中的醇/水比率小于在剩余水溶液中的醇/水比率的萃取劑。因此，水選擇性萃取 劑或溶劑具有對(duì)水的選擇性(與醇相比更親水)，使得水優(yōu)先轉(zhuǎn)移至水選擇性萃取劑或溶 劑中。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，醇選擇性溶劑可為酸性的、基于胺的萃取劑。該萃取 劑可以通過以下方法制備使胺與稀釋劑混合并使該混合物與酸接觸。適于形成萃取劑的 胺包括伯、仲、叔和季胺，并且優(yōu)選的是包括伯、仲、叔胺。適合的胺也是以游離和鹽的形式(即，當(dāng)酸與它們結(jié)合時(shí))均不溶于水的。優(yōu)選地，在胺上的碳原子的合計(jì)/總數(shù)至少為20。 脂族和芳族胺均適合，并且優(yōu)選為脂族胺。稀釋劑可為沸點(diǎn)為至少約60°C，并且優(yōu)選為至少 約80°C的烴或另一種非反應(yīng)性有機(jī)溶劑。酸可為任何強(qiáng)酸，例如PKa (離解常數(shù)的負(fù)對(duì)數(shù)) 不大于3的酸，以及既可以為無機(jī)酸又可以為有機(jī)酸。在一個(gè)實(shí)例中，胺可為三辛基胺，酸 可為硫酸以及稀釋劑可為癸烷。將酸萃取(與胺結(jié)合)以形成萃取劑。在一些實(shí)施方案中，提高C3-C6醇的活度的步驟包括在選擇性吸附劑上吸附 C3-C6醇或水。在吸附中，使水溶液與對(duì)醇或水具有較大選擇性的選擇性吸附劑接觸。在 一實(shí)施方案中，提高C3-C6醇的活度的步驟包括在醇-選擇性吸附劑上吸附C3-C6醇?！按?選擇性吸附劑”是指與水相比優(yōu)選醇，使得在吸附劑上的醇/水比率大于在剩余水溶液中的 醇/水比率的吸附劑。在另一實(shí)施方案中，提高C3-C6醇的活度的步驟包括在水選擇性吸 附劑上吸附水?！八x擇性吸附劑”是指與醇相比優(yōu)選水，使得在吸附劑上的醇/水比率小 于在剩余水溶液中的醇/水比率的吸附劑。因此，使水相與水選擇性吸附劑接觸后，形成承 載水的吸附劑，并且水溶液富集了 C3-C6醇。根據(jù)各實(shí)施方案，所述水吸附劑具有親水性， 具有能夠形成氫鍵的表面功能和/或具有尺寸適合于水分子尺寸的空隙。在一些實(shí)施方案 中，所述吸附劑可為固體。根據(jù)一優(yōu)選實(shí)施方案，發(fā)酵給料如磨碎玉米可為吸附劑。例如， 可以使給料與水溶液接觸以選擇性地從水溶液吸附出水。在一些實(shí)施方案中，所述吸附劑 可為分子篩。所述方法還包括從所述水溶液部分(其已進(jìn)行過處理以提高C3-C6醇的活度)形 成C3-C6醇富集液相和水富集液相的步驟。本申請(qǐng)使用的術(shù)語(yǔ)“醇富集液相”是指醇對(duì)水的 比率大于在所述水溶液部分中的醇對(duì)水的比率的液相。術(shù)語(yǔ)“水富集液相”是指水對(duì)醇的 比率大于醇富集液相的水對(duì)醇的比率的液相。在下文中也將水富集相稱為醇貧瘠相。形成 所述兩相的步驟可為主動(dòng)的。例如，在一些實(shí)施方案中，形成的步驟可以包括凝結(jié)蒸餾的蒸 氣相，該蒸餾的蒸氣相在凝結(jié)后形成兩相。可供選擇地或者另外地，急冷或冷卻處理過的部 分水溶液能夠?qū)е滦纬蓛上唷Ｖ鲃?dòng)地形成兩相的其它步驟可以包括使用成某種形狀以促進(jìn) 相分離的設(shè)備。相分離能夠在含液_液分離器的各種單元操作中完成，所述液_液分離器 包括利用在相和水接受器(water boot)之間的比重差的液-液分離器、如離心機(jī)中的地心 引力分離或離心液-液分離器。沉降器也是適合的，如在用于溶劑萃取方法的混合器-沉 降器單元中的沉降器。在一些實(shí)施方案中，形成步驟是被動(dòng)的，以及可以僅為將C3-C6醇的 活度至少提高至飽和的活度的前述步驟的自然結(jié)果。在醇富集液相中，C3-C6醇相對(duì)于水的濃度比率與在初始部分中相比明顯較大。在 水富集相中，C3-C6醇相對(duì)于水的濃度比率與在醇富集液相中相比明顯較小。也可以將水 富集相稱為醇貧瘠相。在一些實(shí)施方案中，所述C3-C6醇為丙醇以及在醇富集相中丙醇對(duì)水的重量比率 為大于約0. 2，大于約0. 5或者大于約1。在一些實(shí)施方案中，所述C3-C6醇為丁醇以及在 醇富集相中丁醇對(duì)水的重量比率為大于約1，大于約2或者大于約8。在一些實(shí)施方案中， 所述C3-C6醇為戊醇以及在醇富集相中戊醇對(duì)水的重量比率為大于約4，大于約6或者大于 約10。對(duì)于給定的相，可以將濃縮因子或富集因子表示為在該相中醇對(duì)水的比率除以在 稀水溶液中醇對(duì)水的比率。因此，例如，對(duì)于醇富集相，可以將濃縮或富集因子表示為在醇富集相中的醇/水比率除以在稀水溶液中的醇/水比率。在一些實(shí)施方案中，在C3-C6醇富集相中的C3-C6醇對(duì)水的比率比在發(fā)酵肉湯中 的C3-C6醇對(duì)水的比率大至少約5倍，至少約25倍，至少約50倍，至少約100倍或至少約 300 倍。所述方法還包括使C3-C6醇富集相與水富集相分離。分離兩相是指將兩相物 理分離，以及可以包括去除(removing)、撇去(skimming)、倒出(，pouring out)、潷析 (decanting)或以其它方式將一相從另一相移開以及可以通過本領(lǐng)域已知的用于分離液相 的任何方法完成。在一些實(shí)施方案中，所述方法還包括冷卻C3-C6醇富集相以提高在所述醇富集相 中C3-C6醇對(duì)水的比率的步驟。在一些實(shí)施方案中，所述方法還包括從醇富集相回收C3-C6醇。回收是指從醇富 集相分離C3-C6醇。回收也包括富集或提高C3-C6醇在醇富集相中的濃度。在各實(shí)施方案 中，該步驟可以包括選自以下的方法蒸餾、滲析、水吸附(例如，使用分子篩)、溶劑萃取、 與在水中不可混溶的烴液體接觸和與親水性化合物接觸以產(chǎn)生含C3-C6醇和水的第一相 和含C3-C6醇的第二相，其中在第二相中水對(duì)C3-C6醇的比率小于在第一相中水對(duì)C3-C6 醇的比率。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，第二相包含至少約80 %，約85 %，約90 %，約95 %或約99 重量％的C3-C6醇。本申請(qǐng)使用的在水中不可混溶的液體在水中的混溶度小于約lwt%。上面關(guān)于提高C3-C6醇的活度的步驟討論了蒸餾和滲析的方法，相似的方法可用 于從C3-C6醇富集相回收C3-C6醇。關(guān)于使用水吸附從C3-C6醇富集相回收C3-C6醇，使 醇富集相與選擇性地將水從醇富集相吸附出來的吸附劑接觸。形成承載水的吸附劑并且醇 富集相進(jìn)一步富集了 C3-C6醇。根據(jù)各實(shí)施方案，所述水吸附劑具有親水性，具有能夠形成 氫鍵的表面功能和/或具有尺寸適合于水分子尺寸的空隙。在一些實(shí)施方案中，所述吸附 劑可為固體。根據(jù)一優(yōu)選實(shí)施方案，發(fā)酵給料如磨碎玉米可為吸附劑。例如，可以使給料與 C3-C6醇富集相接觸以選擇性地從C3-C6醇富集相吸附出水。在一些實(shí)施方案中，所述吸附 劑可為分子篩。也可以使用溶劑萃取從C3-C6醇富集相回收C3-C6醇。在溶劑萃取中，使醇富集相 與另一液相(溶劑)接觸，其中水和醇中的至少一種不充分混溶。將兩相混合，然后沉降。 根據(jù)一實(shí)施方案，所述溶劑具有對(duì)水的選擇性(與醇相比更親水)，水優(yōu)先轉(zhuǎn)移至溶劑相以 及在其它相中醇對(duì)水的比率提高。根據(jù)另一實(shí)施方案，所述溶劑具有對(duì)醇的選擇性(與醇 相比，親水性相似或更親水)。在一些優(yōu)選實(shí)施方案中，醇選擇性溶劑可為乙酸丁酯、磷酸三 丁酯、癸醇、2-庚酮或辛烷。醇優(yōu)先轉(zhuǎn)移至所述溶劑中。在以下步驟中，以與醇富集相相比 具有較高的醇對(duì)水的比率的形式使醇從所述溶劑分離。與在水中不可混溶的烴液體接觸也可用于從C3-C6醇富集相回收C3-C6醇。該液 體是疏水溶劑以及如上面對(duì)疏水溶劑所述起作用，即，從醇富集相萃取醇。該烴液體的實(shí)例 包括汽油、原油、Fischer Tropsch材料和生物燃料。與親水性化合物接觸也可用于從C3-C6醇富集相回收C3-C6醇。這種回收方法類 似于上述的使用親水性化合物提高醇活度或降低水活度的方法。在蒸餾以從C3-C6醇富集相回收C3-C6醇的情況下，第一相包括含C3-C6醇和水 的蒸氣相以及第二相包括含C3-C6醇的高沸點(diǎn)產(chǎn)物。
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在本發(fā)明的又一實(shí)施方案中，所述方法可以包括在提高活度的步驟后，將稀水溶 液的剩余部分如發(fā)酵肉湯導(dǎo)引(或輸送)至發(fā)酵容器。在該實(shí)施方案中，所述稀水溶液的 剩余部分可以包含雜質(zhì)以及所述方法還包括在將所述剩余部分導(dǎo)引至發(fā)酵容器之前，從至 少部分的剩余部分除去至少部分的雜質(zhì)。該雜質(zhì)可為，例如，乙醇、乙酸鹽、醛類如丁醛和短 鏈脂肪酸。在一些實(shí)施方案中，所述稀水溶液可以包含雜質(zhì)以及在C3-C6醇富集液相中雜 質(zhì)對(duì)C3-C6醇的比率大于在水富集相中雜質(zhì)對(duì)C3-C6醇的比率。在一些實(shí)施方案中，在水 富集液相中雜質(zhì)對(duì)C3-C6醇的比率大于在C3-C6醇富集相中雜質(zhì)對(duì)C3-C6醇的比率。在本發(fā)明的又一些實(shí)施方案中，進(jìn)一步處理C3-C6醇富集相以提高該相的價(jià) 值或效用。進(jìn)一步處理的其它實(shí)施方案披露于2008年12月3日提交的美國(guó)專利申請(qǐng) 12/327，723，將其全部?jī)?nèi)容通過引用的方式并入本文。例如，C3-C6醇富集相可以通過以下 方法進(jìn)一步處理(i)從C3-C6醇富集相蒸餾基本上純的C3-C6醇，(ii)從C3-C6醇富集相 蒸餾C3-C6醇的共沸物，(iii)使C3-C6醇富集相與C3-C6醇選擇性吸附劑接觸，或者(ν) 使C3-C6醇富集相與在水中不可混溶的烴液體混合。在從C3-C6醇富集相蒸餾基本上純的 C3-C6醇的情況下，基本上純的C3-C6醇可以具有低比例的雜質(zhì)(例如通過具有低的雜質(zhì)對(duì) C3-C6醇的比率反映出來)。例如，在基本上純的C3-C6醇中雜質(zhì)對(duì)C3-C6醇的比率可為小 于約5/95，小于約2/98或小于約1/99?？晒┻x擇地，基本上純的C3-C6醇的水含量可為小 于約5wt%，小于約Iwt %或小于約0. 5wt%。在使C3-C6醇富集相與在水中不可混溶的烴液體混合的情況下，所得的組合可以 形成單一均相?？晒┻x擇地，在使C3-C6醇富集相與在水中不可混溶的烴液體混合的情 況下，所得的組合可以形成輕相和重相以及在輕相中C3-C6醇對(duì)水的比率大于在重相中 C3-C6醇對(duì)水的比率。根據(jù)所述方法的一實(shí)施方案，所述烴液體為燃料如汽油。根據(jù)一個(gè)相 關(guān)實(shí)施方案，C3-C6醇富集燃料通過使燃料與還含水的C3-C6醇富集相混合形成。作為混 合的結(jié)果，C3-C6醇選擇性地轉(zhuǎn)移至燃料相中以形成所述富集燃料，而最初在醇富集相中所 含的水的大部分分離為水富集重相，使其與燃料分離。在本發(fā)明的其它實(shí)施方案中(其中所述稀水溶液為發(fā)酵培養(yǎng)基)，所述方法可以 包括以下步驟在發(fā)酵培養(yǎng)基中培養(yǎng)微生物以產(chǎn)生C3-C6醇，然后提高在發(fā)酵培養(yǎng)基部分 中C3-C6醇的活度，從而形成C3-C6醇富集液相和水富集相并使C3-C6醇富集相與水富集 相分離。在一優(yōu)選實(shí)施方案中，本發(fā)明還包括以下步驟將水富集相導(dǎo)引至發(fā)酵培養(yǎng)基，然 后提高純的活度。在該實(shí)施方案中，培養(yǎng)步驟可為選自以下的方法分批發(fā)酵、補(bǔ)料-分批 發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵、細(xì)胞再循環(huán)發(fā)酵和酶反應(yīng)法。如上所述，在美國(guó)專利申請(qǐng)12/263，436和12/263，442 (2008年10月31日提交)、 臨時(shí)申請(qǐng)61/110，543(2008年10月31日提交)和61/121，830 (2008年12月11日提交) 中詳細(xì)地討論了適合的生物催化劑和相關(guān)發(fā)酵方法。適合的微生物可以選自天然存在的 微生物、遺傳工程微生物和通過傳統(tǒng)技術(shù)開發(fā)的微生物或它們的組合。該微生物可以包括 但不限于細(xì)菌和真菌(包括酵母)。例如，適合的細(xì)菌可以包括能夠生產(chǎn)醇的細(xì)菌，例如梭 菌物種的細(xì)菌。這些的實(shí)例包括但不限于丁酸梭菌、丙酮丁酸梭菌、糖乙酸多丁醇梭菌、糖 丁酸梭菌和拜氏梭菌(Clostridium beijerickii)。適合的細(xì)菌和真菌也包括能夠水解碳水化合物和能夠被遺傳工程以生成醇的那 些。實(shí)例包括但不限于梭菌目(例如溶纖維丁酸弧菌(Butyrovibrio fibrisolvens))、芽孢桿菌目(Bacilliales)(例如環(huán)狀芽胞桿菌)、放線菌目(例如Str印tomyces cellulolyticus)、絲狀桿菌目(例如產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌(Fibrobacter succinogenes))、 黃單胞菌目(黃單胞菌目物種(Xanthomonas species))和假單胞菌目(例如門多薩假單 胞菌)細(xì)菌和真菌如根霉菌目、酵母樣菌目(Saccharomycopsis)、曲霉菌目、許旺酵母目 和Polysporus目的真菌。真菌可以能夠有氧或厭氧地進(jìn)行轉(zhuǎn)化。厭氧真菌的實(shí)例包括但 不限于單鞭毛菌物種(例如菌株E2 (strain E2))、厭氧真菌物種(Orpinomyces species) (例如 Orpinomyces bovis)、新麗鞭毛菌物禾中(Neocallimastix species) (N. frontalis) > Caecomyce物種、Anaeromyces物種禾口 Ruminomyces物種。如上所述,能夠生產(chǎn)醇的任何微 生物(無論是天然存在的還是人工的)均可使用以及本發(fā)明方法不限于這里列舉的實(shí)例。 在一些實(shí)施方案中，所述微生物在約20°C至約95°C的溫度是可存活的。所提及的微生物在 給定溫度或溫度范圍可存活是指微生物能夠在暴露于該溫度的情況下存活，并且隨后能夠 在相同或不同的條件下生長(zhǎng)和/或生產(chǎn)代謝產(chǎn)物。在其它實(shí)施方案中，所述微生物是耐溫 微生物。將術(shù)語(yǔ)“抗耐性(resistance)”定義為在發(fā)酵肉湯中抑制劑濃度提高的情況下生 物催化劑具有低抑制率的性質(zhì)。術(shù)語(yǔ)“更抗耐”是指一種生物催化劑在面對(duì)抑制劑時(shí)具有較 低抑制率，與之相比的是另一種生物催化劑在面對(duì)相同抑制劑時(shí)具有較高抑制率。例如，兩 種生物催化劑A和B (均具有對(duì)抑制劑生物燃料前體2%的耐受性和每小時(shí)每g CDff Ig產(chǎn) 物的單位生產(chǎn)率)在3%生物燃料前體時(shí)分別呈現(xiàn)每小時(shí)每g CDff 0. 5g產(chǎn)物和每小時(shí)每g CDff 0.75g產(chǎn)物的單位生產(chǎn)率。生物催化劑B比A更具有抗耐性。術(shù)語(yǔ)“耐溫”是指一種生 物催化劑在給定溫度具有較低抑制率，與之相比的是另一種生物催化劑在相同溫度具有較 高的抑制率。將術(shù)語(yǔ)“耐受性(tolerance)，，定義為在給定的抑制劑濃度，生物催化劑維持它的 單位生產(chǎn)率的能力。術(shù)語(yǔ)“耐受”是指在給定的抑制劑濃度，生物催化劑維持它的單位生產(chǎn) 率。例如，如果在2%抑制劑的存在下生物催化劑維持它在O至2%所具有的單位生產(chǎn)率， 則生物催化劑耐受2%的抑制劑或具有對(duì)2%抑制劑的耐受性。將術(shù)語(yǔ)“溫度耐受性”定義 為在給定的溫度生物催化劑維持它的單位生產(chǎn)率的能力。在一些實(shí)施方案中，所述微生物歷經(jīng)分批發(fā)酵周期的生存期總計(jì)具有每小時(shí)至少 約0. 5g/L的C3-C6醇的生產(chǎn)率。在一些實(shí)施方案中，歷經(jīng)分批發(fā)酵周期的生存期，生產(chǎn)率總 計(jì)為至少約1，至少約1. 5，至少約2. 0，至少約2. 5，至少約3，至少約3. 5，至少約4. 0，至少 約4. 5和至少約5. Og/L/h的C3-C6醇。在一些實(shí)施方案中，歷經(jīng)分批發(fā)酵周期的生存期， 生產(chǎn)率為約0. 5g/L/h至約5g/L/h的C3-C6醇。在其它實(shí)施方案中，優(yōu)選的微生物是生產(chǎn)希望的醇且不具有共生物或副產(chǎn)物或者 具有最小限度的共生物或副產(chǎn)物的微生物。還優(yōu)選的是使用簡(jiǎn)易和低成本發(fā)酵培養(yǎng)基的微 生物。含可發(fā)酵碳源的任何給料均適用于包括培養(yǎng)微生物步驟的本發(fā)明實(shí)施方案。實(shí)例 包括含多糖的給料如淀粉、纖維素和半纖維素，含二糖的給料如蔗糖、甘蔗汁和含蔗糖的糖 蜜(molasses)，和單糖如葡萄糖和果糖。適合的給料包括含淀粉的農(nóng)作物如玉米和小麥、甘 蔗和甜菜、糖蜜和木質(zhì)纖維素材料。適合的給料還包括藻類和微藻類。當(dāng)希望時(shí)，可以處理 給料，例如粉碎、碾磨、使碳源與其它組分如蛋白質(zhì)分離、解晶、膠凝、液化、糖化和借助于化 學(xué)和/或酶催化劑催化的水解。該處理可以在發(fā)酵之前進(jìn)行或者與發(fā)酵同時(shí)進(jìn)行，例如，如在同時(shí)糖化和發(fā)酵中。本發(fā)明發(fā)酵肉湯通常具有單一液相，但是不一定是均相的，因?yàn)樗梢院蟹墙?jīng) 發(fā)酵的不溶固體，例如呈懸浮的形式。發(fā)酵給料可以含有具有有限的水溶性和任選地還具 有有限的發(fā)酵能力或不具有發(fā)酵能力的化合物。例如，根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施方案，所述發(fā)酵 給料為粉碎玉米以及碳源是在玉米中所含的淀粉?？赡艿兀瑢⑺龅矸勰z凝、液化和/或糖 化，但是不溶組分，無論是含淀粉的還是其它的(例如非經(jīng)發(fā)酵的蛋白質(zhì))，仍可能存在于 發(fā)酵肉湯中。根據(jù)另一實(shí)施方案，發(fā)酵給料是木質(zhì)纖維素材料以及碳源是水解纖維素和/ 或半纖維素。同樣，一些給料組分具有有限的水溶性。在這些和其它情況下，發(fā)酵肉湯可以 由醇的水溶液和在醇的水溶液中懸浮著的固體組成。然而，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)重要方面，在 所有這些情況下，在發(fā)酵肉湯中僅存在單一液相。本發(fā)明的又一實(shí)施方案是生成C3-C6醇的方法，所述方法包括水解含多糖和至少 一種其它化合物的給料以生成可發(fā)酵水解產(chǎn)物，在發(fā)酵培養(yǎng)基中發(fā)酵部分的可發(fā)酵水解產(chǎn) 物以生成C3-C6醇。在該實(shí)施方案中，所述發(fā)酵培養(yǎng)基還包含至少一種非經(jīng)發(fā)酵的化合物。 所述方法還包括提高在所述發(fā)酵培養(yǎng)基部分中C3-C6醇的活度，形成C3-C6醇富集液相和 水富集相，以及使C3-C6醇富集相與水富集相分離，如上面在本發(fā)明較早實(shí)施方案中所述。 該方法還包括使所述至少一種非經(jīng)發(fā)酵的化合物與發(fā)酵培養(yǎng)基、水富集相或發(fā)酵培養(yǎng)基和 水富集相分離。例如，所述至少一種非經(jīng)發(fā)酵的化合物可以包括諸如DDGS的材料。在包含發(fā)酵的本發(fā)明各實(shí)施方案中，發(fā)酵步驟可以與其它工藝步驟同時(shí)進(jìn)行，例 如本申請(qǐng)披露的各種回收方法(其包括提高C3-C6醇的活度的步驟)以及水解給料以制備 發(fā)酵培養(yǎng)基的步驟。在該方法中，水解步驟可以包括能夠?qū)⒕酆咸妓衔锲茐某煽伤猱a(chǎn)物的任何 方法。因此，水解步驟可為化學(xué)或酶催化的水解或自動(dòng)水解和糖化。在該方法中，水解和 發(fā)酵的步驟可以在該方法的至少一段時(shí)間內(nèi)同時(shí)進(jìn)行，可以在該方法的所有時(shí)間內(nèi)同時(shí)進(jìn) 行，或者可以在不同的時(shí)間進(jìn)行。在該方法的一個(gè)具體實(shí)施方案中，發(fā)酵步驟用能夠水解給料的微生物進(jìn)行。適合 的微生物可以選自天然存在的微生物、遺傳工程微生物和通過傳統(tǒng)技術(shù)開發(fā)的微生物，或 者它們的組合，上面已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)的討論。本發(fā)明的可供選擇的實(shí)施方案是生成C3-C6醇的方法，該方法包括在發(fā)酵培養(yǎng)基 中培養(yǎng)微生物以生成C3-C6醇。上面詳細(xì)地描述了培養(yǎng)步驟。所述方法還包括提高在發(fā) 酵培養(yǎng)基部分中C3-C6醇的活度，和蒸餾所述發(fā)酵培養(yǎng)基部分以生成液相和含水和C3-C6 醇的蒸氣相。上面關(guān)于本發(fā)明的其它實(shí)施方案討論了提高活度和蒸餾的步驟。所述方法 還包括將得自蒸餾步驟的液相(已消耗的液相)導(dǎo)引至發(fā)酵培養(yǎng)基。在一優(yōu)選實(shí)施方案 中，所述發(fā)酵培養(yǎng)基部分(其中提高了 C3-C6醇的活度)包含微生物，將該微生物留在已 消耗的液相中并返至發(fā)酵培養(yǎng)基，用于進(jìn)一步通過微生物生成C3-C6醇。在一些實(shí)施方案 中，所述液相包含雜質(zhì)，以及所述方法還包括從至少部分的液相除去至少部分的雜質(zhì)，然 后將所述液相導(dǎo)引至發(fā)酵培養(yǎng)基。在這種方法的實(shí)施方案中，在所述發(fā)酵培養(yǎng)基部分中 C3-C6醇對(duì)水的比率小于約10/90 (w/w)，小于約7. 5/92. 5 (w/w)，小于約5. 0/95 (w/w)，小于 約 2. 5/97. 5 (w/w)，小于約 2/98 (w/w)，小于約 1. 5/98. 5 (w/w)，小于約 1/99 (w/w)或小于約 0. 5/99. 5(w/w)。
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本發(fā)明的又一個(gè)可供選擇的實(shí)施方案是從稀水溶液回收C3-C6醇的方法，所述方 法包括以下步驟將稀水溶液部分蒸餾成含C3-C6醇和水的蒸氣相并凝結(jié)所述蒸氣相。在該實(shí)施方案中，所述蒸氣相包含約1重量％至約45重量％的C3-C6醇，所述醇 存在于所述稀水溶液部分。盡管有可能將超過45%的C3-C6醇從所述稀水溶液部分蒸餾 至蒸氣相中，但是通過控制或限制蒸餾至蒸氣相的溶液中的醇量(即，留下大量的醇)，得 到了許多重要的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)將溶液中的較大部分的醇被蒸餾時(shí)，水量相對(duì)于醇量增加了，導(dǎo)致 需要在下游處理增加的水負(fù)荷，這能夠?qū)е履芰啃枨笤黾?。另外，例如，在發(fā)酵的上下文中， 可以將溶液的未蒸餾部分返至發(fā)酵容器并用作發(fā)酵培養(yǎng)基的一部分，用于生產(chǎn)另外的醇， 這些醇可以以類似的方法回收。因此，這種方法非常高效，因?yàn)樗试S在蒸餾步驟中在醇對(duì) 水的相對(duì)量很高的范圍內(nèi)回收醇。在各個(gè)可供選擇的實(shí)施方案中，蒸氣相可以包含約2重 量％至約40重量％，約3重量％至約35重量％和約4重量％至約30重量％和約5重量％ 至約25重量％的C3-C6醇，所述C3-C6醇存在于所述稀水溶液部分中。在一些實(shí)施方案中，蒸餾步驟包括單級(jí)蒸餾。單級(jí)蒸餾可以在閃蒸罐中進(jìn)行。上 面已經(jīng)詳細(xì)描述了閃蒸罐的設(shè)計(jì)。在一些實(shí)施方案中，在稀水溶液中C3-C6醇對(duì)水的比率小于約10/90 (w/w)。在一 些優(yōu)選實(shí)施方案中，比率小于約7. 5/92. 5 (w/w)，小于約5. 0/95 (w/w)，小于約2. 5/97. 5 (w/ w)，小于約 2/98 (w/w)，小于約 1. 5/98. 5 (w/w)，小于約 1/99 (w/w)或小于約 0. 5/99. 5 (w/w)。蒸餾步驟可為絕熱的或等溫的。在絕熱蒸餾中，在蒸餾系統(tǒng)和環(huán)境之間不發(fā)生顯 著的熱傳遞，并且系統(tǒng)壓力保持恒定。在等溫蒸餾中，在蒸餾系統(tǒng)和環(huán)境之間允許熱傳遞， 并且系統(tǒng)溫度保持恒定。在該方法的各實(shí)施方案中，醇從稀水溶液至蒸氣的富集度為至少約5倍，約6倍， 約7倍，約8倍，約9倍，約10倍，約11倍，約12倍，約13倍，約14倍或約15倍。術(shù)語(yǔ)“富 集度”是指在凝結(jié)蒸氣中醇/水的比率除以在稀水溶液中醇/水的比率。在一些實(shí)施方案中，所述方法還包括從所述稀水溶液部分形成C3-C6醇富集液相 和水富集液相的步驟。在一些實(shí)施方案中，所述方法還包括分離C3-C6醇富集相和水富集 相。形成醇富集液相和水富集液相的步驟和分離這兩相的步驟上面已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)討論。 本發(fā)明的又一可供選擇的實(shí)施方案是從稀水溶液(例如含微生物和C3-C6醇的發(fā)酵肉湯) 中的C3-C6醇生產(chǎn)產(chǎn)品的方法。該方法包括從稀水溶液蒸餾含水和C3-C6醇的蒸氣相和使 蒸氣相中的C3-C6醇反應(yīng)以形成產(chǎn)品。該實(shí)施方案還包括本申請(qǐng)披露的導(dǎo)致蒸氣相形成的 其它工藝步驟。本發(fā)明的一實(shí)施方案示于圖1。發(fā)酵在發(fā)酵器10中進(jìn)行。在發(fā)酵器10中的發(fā)酵 肉湯包含C3-C6醇產(chǎn)物如丁醇和發(fā)酵培養(yǎng)基的其它組分。在發(fā)酵過程中，通過12將發(fā)酵肉 湯流(其可以包含微生物)從發(fā)酵器10導(dǎo)引至換熱器20。換熱器20用于將發(fā)酵肉湯溫 度提高至適于隨后的蒸餾的溫度。在將發(fā)酵肉湯溫度提高至適當(dāng)?shù)臏囟群?，又將發(fā)酵肉湯 通過22導(dǎo)引至閃蒸罐30用于蒸餾。發(fā)酵熱量可以部分地供應(yīng)在閃蒸系統(tǒng)中進(jìn)行蒸發(fā)所需 要的熱量。將閃蒸罐30維持在低于大氣壓力的壓力，使得在將加熱的發(fā)酵肉湯引入閃蒸罐 30中后，發(fā)酵肉湯部分得到蒸發(fā)。所述蒸發(fā)發(fā)酵肉湯部分僅包含發(fā)酵肉湯中的丁醇部分以 及水蒸氣。在閃蒸罐30中蒸餾后，將未蒸餾的剩余發(fā)酵肉湯通過34返至發(fā)酵器10。該返 至發(fā)酵器的發(fā)酵肉湯現(xiàn)在部分地消耗了丁醇。通過32將在閃蒸罐30中蒸發(fā)的所述發(fā)酵肉湯部分作為蒸氣導(dǎo)引至蒸氣凝結(jié)器40，可以例如通過急冷水經(jīng)42冷卻蒸氣凝結(jié)器40。在 混合的丁醇和水蒸氣凝結(jié)后，通過44將凝結(jié)溶液導(dǎo)引至相分離器50。然后又將未凝結(jié)的剩 余蒸氣通過48導(dǎo)引至出口。使相分離器中的凝結(jié)溶液分成重液相和輕液相。重液相主要 由水組成，一定量的丁醇溶解在水中。輕相主要由丁醇組成，其中溶解了一定量的水。從相 分離器，含丁醇的輕相可以通過與重相分離而回收并且可以進(jìn)行處理而進(jìn)一步純化。主要 由水組成的重相可以在系統(tǒng)中用于其它應(yīng)用或用途。13，35是液泵以及47是真空泵。參考圖2，給出了本發(fā)明的特定實(shí)施方案，圖示了通過對(duì)預(yù)處理過的玉米同時(shí)進(jìn)行 糖化和發(fā)酵來生成丁醇，以及對(duì)丁醇側(cè)流進(jìn)行共沸蒸餾。將干玉米磨成細(xì)粉。將碾磨(磨 碎)的玉米1、稀薄釜餾物3、CIP發(fā)酵器清洗劑31、循環(huán)水43和水蒸汽2添加至玉米淀粉 預(yù)處理系統(tǒng)32，在該處將混合物漿化并加熱至約99°C (CIP(就地清洗(Clean in Place)) 發(fā)酵器清洗劑是苛性水溶液，用于在批次之間清潔和消毒發(fā)酵器。通常使用NaOH，但是也可 以使用其它強(qiáng)堿和其它消毒化學(xué)品。廢CIP溶液含有來自于發(fā)酵器(附著至壁)的固體、 養(yǎng)料、碳水化合物等，可將其再次引入到玉米預(yù)處理的前端(front end))。將α -淀粉酶 50添加至玉米淀粉預(yù)處理系統(tǒng)32，其中保持時(shí)間可為約1小時(shí)或較少。在將溶液冷卻至約 50°C至約65°C的溫度后，添加葡糖淀粉酶4。在約5-6小時(shí)的短的糖化時(shí)間后，將漿液冷卻 至約32°C。在該點(diǎn)的漿液固體濃度可為約361g/kg，包括不溶和溶解的固體。又向玉米糊 混合物添加足以在約32小時(shí)內(nèi)完成糖化的酶4，將其轉(zhuǎn)移至發(fā)酵器5。發(fā)酵在同時(shí)糖化和 發(fā)酵(SSF)模式下于32°C運(yùn)行。從發(fā)酵器5連續(xù)除去含約4wt%丁醇的側(cè)流6，并使用閃蒸 罐換熱器33將閃蒸罐進(jìn)料7的溫度控制在約34°C。在閃蒸罐34上產(chǎn)生約50mm Hg的真空 并形成共沸蒸氣組合物11。丁醇水蒸氣共沸物11的組成可為約54wt%T醇和約46wt% 水。通過真空泵35泵取共沸物蒸氣11并供應(yīng)至化學(xué)轉(zhuǎn)化過程13或凝結(jié)器12。將凝結(jié)的 蒸氣相36導(dǎo)引至液/液分離器37，在該處它進(jìn)行相分離。凝結(jié)的蒸氣相分成丁醇富集相 37a和水富集相37b。丁醇富集相37a的丁醇濃度為約680g/L 丁醇。水富集相37b的丁醇 濃度為約86g/L。上層37a對(duì)下層37b產(chǎn)生的體積比為3比1。使閃蒸罐34中的含細(xì)胞、水、養(yǎng)料、碳水化合物和約2襯％未蒸發(fā)丁醇的未蒸發(fā)組 分9返至發(fā)酵器5。未蒸發(fā)組分9消耗了丁醇，以及當(dāng)返至發(fā)酵器5時(shí)能夠繼續(xù)生成丁醇， 生成的丁醇如上所述通過處理側(cè)流6進(jìn)行回收。將水富集重相37b從液/液分離器37作為15導(dǎo)引至發(fā)酵醪蒸餾器38并蒸餾。在 發(fā)酵醪蒸餾器38中產(chǎn)生丁醇-水共沸組合物18并將其導(dǎo)引至凝結(jié)器39進(jìn)行凝結(jié)。將凝 結(jié)的蒸氣19導(dǎo)引至液/液分離器40中，分離成水富集重相40b和丁醇富集輕相40a。將含 約86g/L 丁醇的水富集重相40b作為20循環(huán)回至發(fā)酵醪蒸餾器38。丁醇富集相40a的丁 醇濃度為約680g/L 丁醇。將液/液分離器40中的丁醇富集輕相40a作為21導(dǎo)引至蒸餾系統(tǒng)41。又將液/ 液分離器37中的丁醇富集輕相37a作為16導(dǎo)引至蒸餾系統(tǒng)41，并且可以與丁醇富集輕相 40a合并。在大氣壓力操作蒸餾系統(tǒng)41以及以約99wt%丁醇的濃度作為高沸點(diǎn)產(chǎn)物22產(chǎn) 生純化的丁醇(在其它實(shí)施方案中，蒸餾系統(tǒng)可以在低于大氣壓力的壓力、大氣壓力或高 于大氣壓力的壓力操作)。產(chǎn)生丁醇水共沸物蒸氣23并將其送至凝結(jié)器45進(jìn)行凝結(jié)。將 凝結(jié)蒸氣46導(dǎo)引至液/液分離器47，分離成水富集重相47b和丁醇富集輕相47a。將水富 集重相47b作為48再循環(huán)至發(fā)酵醪蒸餾器38。將丁醇富集輕相47a作為51導(dǎo)引至蒸餾系統(tǒng)41并且可以將其與其它輸入物16，21合并。使發(fā)酵器5中的SSF發(fā)酵進(jìn)行52小時(shí)。將未通過真空閃蒸罐34除去的含約2% 丁醇的發(fā)酵肉湯作為8導(dǎo)引至發(fā)酵醪蒸餾器38。將發(fā)酵肉湯中的丁醇作為丁醇-水共沸物 18從塔頂蒸餾。從發(fā)酵醪蒸餾器38，將水、未轉(zhuǎn)化的碳水化合物、養(yǎng)料、細(xì)胞、纖維、玉米胚、 酶和其它發(fā)酵組分作為底部產(chǎn)物17取出并含有約0. 05wt%丁醇。將發(fā)酵醪蒸餾器底流17 分至整流器干顆粒干燥器27和清洗流28。通過清洗流28產(chǎn)生稀薄釜餾物3。通過干燥器 27產(chǎn)生干燥的蒸餾器顆粒29。干燥器27也產(chǎn)生水蒸氣30，將水蒸氣30通過凝結(jié)器42凝 結(jié)并作為43再循環(huán)至玉米淀粉預(yù)處理系統(tǒng)32。發(fā)酵器5、凝結(jié)器12 (具有來自于閃蒸罐34的流入物)、凝結(jié)器39 (具有來自于發(fā) 酵醪蒸餾器38的流入物)和凝結(jié)器45 (具有來自于蒸餾系統(tǒng)41的流入物)具有含丁醇、 水、CO2和其它惰性氣體的排氣流10、25、24、49。在排氣收集系統(tǒng)44中合并這些流并在下 游設(shè)備26中進(jìn)行處理以回收和純化丁醇和C02。本發(fā)明的前述實(shí)施方案可以在改造的玉米乙醇生產(chǎn)裝置中進(jìn)行，其中主要的操作 (包括玉米淀粉預(yù)處理系統(tǒng)、發(fā)酵器、發(fā)酵醪蒸餾器、蒸餾系統(tǒng)和干燥器)是先前用于生產(chǎn) 乙醇的操作。該系統(tǒng)具有循環(huán)操作的多個(gè)發(fā)酵器(通常5至7個(gè))，使得每個(gè)發(fā)酵器在注 入發(fā)酵醪蒸餾器之前進(jìn)行發(fā)酵約52小時(shí)。在發(fā)酵器上游的操作(例如，玉米淀粉預(yù)處理系 統(tǒng))基本上連續(xù)操作，從而為第一發(fā)酵器制備給料，然后為第二發(fā)酵器制備給料，等等。在 發(fā)酵器下游的操作(例如，發(fā)酵醪蒸餾器、蒸餾系統(tǒng)和干燥器)基本上連續(xù)操作，從而當(dāng)完 成發(fā)酵周期時(shí)從每一發(fā)酵器取出發(fā)酵肉湯，以回收乙醇，生產(chǎn)DDGS，清洗流和稀薄釜餾物?？梢酝ㄟ^結(jié)合本申請(qǐng)所述的各種生成和回收工藝改造該乙醇生產(chǎn)裝置，以生成丁 醇。通常，生產(chǎn)乙醇的微生物對(duì)發(fā)酵肉湯中的高濃度乙醇具有耐受性。然而，在發(fā)酵肉湯中 的高濃度的C3-C6醇可以使微生物中毒。因此，需要在生產(chǎn)時(shí)連續(xù)地除去醇的低成本方法， 以操作乙醇裝置來生成C3-C6醇(而非乙醇)。由于在丁醇生產(chǎn)生物停工前不能產(chǎn)生如乙醇濃度一樣高的丁醇濃度，所以本申請(qǐng) 所述的生成和回收方法可用于結(jié)合至乙醇裝置中，以允許有效地生成丁醇。通過結(jié)合丁醇 回收方法，其中將發(fā)酵肉湯(可含微生物)導(dǎo)引至回收操作如閃蒸罐，以從所述發(fā)酵肉湯部 分中回收丁醇部分和將丁醇減少流返至發(fā)酵器，可以顯著提高發(fā)酵的有效丁醇濃度，使得 可以將丁醇生產(chǎn)方法引入到乙醇生產(chǎn)裝置中。改造裝置的方法可以包括將生產(chǎn)如上所述的側(cè)流6、閃蒸罐進(jìn)料7和未蒸發(fā)組分 流9的設(shè)備引入到設(shè)備中。另外，可以引入進(jìn)行液/液分離的設(shè)備(如分離器37，40)以提 供丁醇的有效回收。因此，在一實(shí)施方案中，本發(fā)明包括操作改造的乙醇生產(chǎn)裝置來生成C3-C6醇的 方法。在該實(shí)施方案中，所述改造的乙醇生產(chǎn)裝置包含預(yù)處理單元、多重發(fā)酵單元和發(fā)酵醪 蒸餾器以生成C3-C6醇。所述方法包括以下步驟在預(yù)處理單元中預(yù)處理給料以形成可發(fā) 酵糖；在第一發(fā)酵單元中用生成C3-C6醇的微生物在發(fā)酵培養(yǎng)基中發(fā)酵可發(fā)酵糖；處理發(fā) 酵培養(yǎng)基部分以除去C3-C6醇；將處理過的部分返至第一發(fā)酵單元；和將發(fā)酵培養(yǎng)基從第 一發(fā)酵單元轉(zhuǎn)移至發(fā)酵醪蒸餾器。所述方法包括在預(yù)處理單元中預(yù)處理給料以形成可發(fā)酵糖的步驟。所述預(yù)處理單 元連續(xù)地接受給料進(jìn)行預(yù)處理。術(shù)語(yǔ)預(yù)處理是指諸如以下的處理粉碎、碾磨、使碳源與其它組分如蛋白質(zhì)分離、解晶、膠凝、液化、糖化和借助于化學(xué)和/或酶催化劑催化的水解。例 如，所述給料可為干玉米，可將其磨碎，與水混合，在預(yù)處理單元中加熱和與淀粉酶反應(yīng)以 生成含可發(fā)酵糖的適于用作微生物發(fā)酵培養(yǎng)基的糊或漿液。所述方法還包括在第一發(fā)酵單元中用生成C3-C6醇的微生物在發(fā)酵培養(yǎng)基中發(fā) 酵可發(fā)酵糖的步驟。發(fā)酵單元含有發(fā)酵培養(yǎng)基，發(fā)酵培養(yǎng)基包含能夠?qū)⒖砂l(fā)酵糖轉(zhuǎn)化成 C3-C6醇的微生物。上面已經(jīng)詳細(xì)地描述了該微生物。改造的設(shè)備包含多重發(fā)酵單元。將 含可發(fā)酵糖的預(yù)處理過的給料流從預(yù)處理單元引入到第一發(fā)酵單元中，在該處將它與含微 生物的發(fā)酵培養(yǎng)基合并。微生物發(fā)酵存在的可發(fā)酵糖以生成C3-C6醇。所述方法還包括處理發(fā)酵培養(yǎng)基部分以除去C3-C6醇的步驟。所述發(fā)酵培養(yǎng)基包 含C3-C6醇、水以及微生物。將發(fā)酵培養(yǎng)基的一部分(例如，側(cè)流)從第一發(fā)酵單元取出以 除去其中所含的C3-C6醇。處理可以包括本申請(qǐng)所述的從稀水溶液純化和回收C3-C6醇 的方法中的任何一種或多種，并且具體地，可以包括以下步驟蒸餾含水和C3-C6醇的蒸氣 相、添加親水性溶質(zhì)、添加水溶性碳源、反滲透和滲析，以及它們的組合，所有這些步驟均已 經(jīng)在上面進(jìn)行了詳細(xì)描述。在一優(yōu)選實(shí)施方案中，該步驟包括將側(cè)流從第一發(fā)酵單元導(dǎo)引 至閃蒸罐，其中蒸餾步驟在低于大氣壓力的壓力進(jìn)行。上面已經(jīng)詳細(xì)描述了閃蒸罐的設(shè)計(jì)。所述方法還包括將處理過的部分返至第一發(fā)酵單元的步驟。處理過的部分消耗了 C3-C6醇以及包含水和可以包含微生物，將二者均返至發(fā)酵培養(yǎng)基。通過從發(fā)酵培養(yǎng)基除去 C3-C6醇部分和將所述培養(yǎng)基返至發(fā)酵器，將在發(fā)酵肉湯中C3-C6醇的濃度維持在對(duì)C3-C6 醇的進(jìn)一步生產(chǎn)有害的濃度以下。所述方法還包括將發(fā)酵培養(yǎng)基從發(fā)酵單元轉(zhuǎn)移至發(fā)酵醪蒸餾器的步驟。該步驟在 希望完成發(fā)酵時(shí)進(jìn)行。當(dāng)所有可發(fā)酵碳水化合物被消耗，或者當(dāng)碳水化合物轉(zhuǎn)化速率降低， 使得希望終止發(fā)酵時(shí)，完成發(fā)酵。在該方法的一些實(shí)施方案中，預(yù)處理速率與該設(shè)備在生產(chǎn)乙醇時(shí)的預(yù)處理速率相 同和/或與傳統(tǒng)乙醇裝置的預(yù)處理速率相同。當(dāng)在本申請(qǐng)中使用時(shí)，所提及的速率“相同” 包括速率完全相同，但是也包括速率在所述速率的約25 %以內(nèi)(多出或減少)，在所述速率 的約15%以內(nèi)，在所述速率的約10%以內(nèi)，在所述速率的約9%以內(nèi)，在所述速率的約8% 以內(nèi)，在所述速率的約7 %以內(nèi)，在所述速率的約6 %以內(nèi)，在所述速率的約5 %以內(nèi)，在所 述速率的約4%以內(nèi)，在所述速率的約3 %以內(nèi)，在所述速率的約2 %以內(nèi)，在所述速率的約
以內(nèi)。因此，如果改造乙醇裝置的預(yù)處理速率為約115公噸/小時(shí)，則在該速率約25% 內(nèi)的預(yù)處理速率包括約7. 5噸/小時(shí)至約12. 5噸/小時(shí)的速率。預(yù)處理速率是指將預(yù)處 理給料導(dǎo)弓I至發(fā)酵單元的速率。在該方法的一些其它實(shí)施方案中，發(fā)酵單元的循環(huán)時(shí)間與該設(shè)備在生產(chǎn)乙醇時(shí)的 循環(huán)時(shí)間相同和/或與傳統(tǒng)乙醇裝置的循環(huán)時(shí)間相同。循環(huán)時(shí)間是指從引入接種物至向發(fā) 酵醪蒸餾器排空發(fā)酵器的時(shí)間。例如，發(fā)酵器的典型循環(huán)時(shí)間為約52小時(shí)。在一實(shí)施方案中，改造裝置的C3-C6醇生產(chǎn)量為改造前所述裝置的乙醇最大生產(chǎn) 量的C3-C6醇等價(jià)物的至少約80%。在其它實(shí)施方案中，所述改造裝置的C3-C6醇生產(chǎn)量 為改造前所述裝置的乙醇最大生產(chǎn)量的C3-C6醇等價(jià)物的至少約81%，至少約82%，至少 約83 %，至少約84 %，至少約85 %，至少約86 %，至少約87 %，至少約88 %，至少約89 %，至 少約90 %，至少約91 %，至少約92 %，至少約93 %，至少約94%，至少約95 %，至少約96 %，至少約97 %，至少約98 %，至少約99 %。醇裝置的最大生產(chǎn)量是該裝置生產(chǎn)的醇量的量度，可以表示為每年生產(chǎn)的醇的加 侖數(shù)或每時(shí)間期限測(cè)量體積或重量的其它單位數(shù)。裝置的生產(chǎn)量取決于特定裝置的尺寸和 設(shè)計(jì)。術(shù)語(yǔ)“改造前裝置的乙醇最大生產(chǎn)量”是指在改造以生成C3-C6醇之前裝置生產(chǎn)的 乙醇的最大量或?qū)ρb置設(shè)計(jì)的乙醇的最大量。如上所述，用于生產(chǎn)乙醇的微生物對(duì)發(fā)酵肉湯中的高濃度乙醇具有耐受性，但是 用于生成C3-C6醇的微生物對(duì)高濃度C3-C6醇通常不耐受。有利的是，通過使用本發(fā)明方 法，有可能改造乙醇裝置以與乙醇相當(dāng)?shù)纳a(chǎn)量水平生成C3-C6醇，僅受限于該特定醇的 理論轉(zhuǎn)化效率。葡萄糖向乙醇的理論轉(zhuǎn)化效率，基于重量，為51 %或0. 51 (然而實(shí)際上， 一些葡萄糖被微生物用于生產(chǎn)細(xì)胞群(cell mass)和不同于醇的代謝產(chǎn)物，實(shí)際的轉(zhuǎn)化效 率小于理論最大值)。取決于微生物使用的發(fā)酵途徑，葡萄糖向丙醇的理論轉(zhuǎn)化效率可為 0. 33至0. 44，向丁醇的理論轉(zhuǎn)化效率可為0. 27至0. 41，向戊醇的理論轉(zhuǎn)化效率可為0. 33 至0. 39，以及向己醇的理論轉(zhuǎn)化效率可為0. 28至0. 38。術(shù)語(yǔ)“C3-C6醇等價(jià)物”是指特定 C3-C6醇的理論轉(zhuǎn)化效率對(duì)乙醇理論轉(zhuǎn)化效率的比率，以及對(duì)于所使用的發(fā)酵途徑是特有 的。因此，本申請(qǐng)使用的“乙醇的異丁醇等價(jià)物”(對(duì)于一個(gè)葡萄糖分子分成一個(gè)異丁醇分 子、兩個(gè)ATP分子和兩個(gè)CO2分子的途徑)為0. 401 + 0. 51 = 0. 806。例如，假設(shè)改造前裝置 的乙醇最大生產(chǎn)量為約100X IO6加侖/年的乙醇裝置。通過使用本發(fā)明的方法，有可能改 造裝置并操作該裝置以約80. 6 X IO6加侖/年的理論最大生產(chǎn)量生成丁醇。然而，給定乙醇 密度為0. 7894以及異丁醇密度為0. 8106，所以異丁醇的實(shí)際理論最大生產(chǎn)量為約78X IO6 加侖/年。每年的加侖數(shù)的準(zhǔn)確數(shù)值可以通過使用密度信息、理論收率和/或得到的實(shí)際 收率計(jì)算出來。在各實(shí)施方案中，對(duì)于任何給定的C3-C6醇，可以改造乙醇裝置和以理論最大生 產(chǎn)量的至少約80%的生產(chǎn)量操作(考慮了密度差)。在其它實(shí)施方案中，改造裝置的C3-C6 醇生產(chǎn)量可為理論最大生產(chǎn)量的至少約81 %，至少約82%，至少約83%，至少約84%，至少 約85 %，至少約86 %，至少約87 %，至少約88 %，至少約89 %，至少約90 %，至少約91 %，至 少約92 %，至少約93 %，至少約94 %，至少約95 %，至少約96 %，至少約97 %，至少約98 %， 至少約99% (考慮了密度差)。本發(fā)明的另一實(shí)施方案是從水溶液萃取C3-C6醇的方法，該方法包括使水溶液與 酸性的、基于胺的萃取劑接觸。酸性的、基于胺的萃取劑可以通過如上所述的酸化有機(jī)胺溶 液形成。在使水溶液與萃取劑接觸后，通過使酸性的、基于胺的萃取劑與水溶液混合進(jìn)行萃 取?？梢詮慕佑|后形成的萃取劑相回收C3-C6醇。在下面提供的實(shí)施例中詳細(xì)描述了本發(fā)明的各個(gè)方面。然而，提供這些實(shí)施例用 于說明目的，不意在限制本發(fā)明范圍。將本申請(qǐng)引用的每一出版物和文獻(xiàn)的全部?jī)?nèi)容通過 引用的方式并入本文。盡管詳細(xì)描述了本發(fā)明的各實(shí)施方案，但是很明顯，本領(lǐng)域技術(shù)人員 將想起這些實(shí)施方案的修飾和改變。然而，應(yīng)清楚地理解，該修飾和改變?cè)诒景l(fā)明范圍內(nèi)， 本發(fā)明范圍如以下典型權(quán)利要求中所闡述。實(shí)施例實(shí)施例1 使用溶劑從水溶液富集C3-C6醇該實(shí)施例說明了使用各種溶劑從水溶液富集C3-C6醇如丙醇(PrOH)、丁醇
33(BuOH)、異丁醇(i-BuOH)和戊醇(PenOH)。對(duì)于每種醇制備了數(shù)種水溶液，不同之處在于它們的醇濃度，所有水溶液均是亞 飽和的(sub-saturated)。使這些水溶液中的每種與溶劑如乙酸丁酯、磷酸三丁酯、癸醇、 2_庚酮或辛烷混合。在水溶液和溶劑之間的相比率彼此之間不相同。連續(xù)混合直至達(dá)到 平衡。在平衡態(tài)，能夠觀察到相分離，形成上面的醇富集相(輕相)和下面的醇貧瘠相(重 相)。分析這兩相的醇和水的含量。通過高壓液相色譜法(HPLC)在25°C使用YMC-Pack ODS-AM柱分析醇濃度。洗脫劑是甲醇-水溶液，其中甲醇含量對(duì)于丙醇、丁醇、異丁醇和戊 醇分別為20%、30%、30%和40%。有機(jī)相的水含量通過Karl-Fischer法測(cè)定。這些分析 方法也用于其它實(shí)施例中的分析。對(duì)于每一實(shí)驗(yàn)，通過輕相中的醇濃度除以重相中的醇濃度計(jì)算醇的分配系數(shù)。類 似地，通過輕相中的水濃度除以重相中的水濃度計(jì)算水的分配系數(shù)。通過醇的分配系數(shù)除 以水的分配系數(shù)計(jì)算富集因子。另外，對(duì)于輕相，計(jì)算醇對(duì)水的比率(W/V)。結(jié)果在表1.1 至1.8中示出。表1. 1 在25°C通過與乙酸丁酯接觸來富集異丁醇(i-BuOH)
權(quán)利要求
從含微生物和C3 C6醇的發(fā)酵肉湯中回收所述C3 C6醇的方法，所述方法包括a.將所述C3 C6醇在發(fā)酵肉湯部分中的活度提高到至少為所述C3 C6醇在所述部分中達(dá)到飽和時(shí)的活度；b.從所述發(fā)酵肉湯部分形成C3 C6醇富集液相和水富集液相；以及c.使所述C3 C6醇富集相與所述水富集相分離。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述發(fā)酵肉湯中C3-C6醇對(duì)水的比率小于約 9/91 (w/w)ο
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述發(fā)酵肉湯中C3-C6醇對(duì)水的比率小于約 6/94(w/w)ο
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述發(fā)酵肉湯中C3-C6醇對(duì)水的比率小于約 3/97(w/w)。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述提高活度的步驟選自a.添加親水性溶質(zhì)；b.蒸餾含水和C3-C6醇的蒸氣相；c.反滲透；d.滲析；e.在醇選擇性吸附劑上吸附C3-C6醇；f.將C3-C6醇萃取至醇選擇性萃取劑中；g.在水選擇性吸附劑上吸附水；以及h.將水萃取至水選擇性萃取劑中。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述C3-C6醇為丙醇以及在所述C3-C6醇富集相中 C3-C6醇對(duì)水的比率大于約0. 2 (w/w)。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述C3-C6醇為丁醇以及在所述C3-C6醇富集相中 C3-C6醇對(duì)水的比率大于約1 (w/w)。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述C3-C6醇為戊醇以及在所述C3-C6醇富集相中 C3-C6醇對(duì)水的比率大于約4 (w/w)。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述C3-C6醇選自丙醇、丁醇、戊醇和己醇。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述C3-C6醇為丙醇。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述丙醇選自1-丙醇和2-丙醇。
12.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述C3-C6醇為丁醇。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述丁醇選自1-丁醇、2-丁醇、叔丁醇(2-甲 基-2-丙醇)和異丁醇(2-甲基-1-丙醇)。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述丁醇為異丁醇(2-甲基-1-丙醇)。
15.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述C3-C6醇為戊醇。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述戊醇選自1-戊醇、2-戊醇、3-戊醇、2-甲 基-1-丁醇、3-甲基-1-丁醇、2-甲基-2-丁醇、3-甲基-2-丁醇和2，2-二甲基-1-丙醇。
17.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述C3-C6醇為己醇。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述己醇選自1-己醇、2-己醇、3-己醇、2-甲 基-1-戊醇、3-甲基-1-戊醇、4-甲基-1-戊醇、2-甲基-2-戊醇、3-甲基-2-戊醇、4-甲基-2-戊醇、2-甲基-3-戊醇、3-甲基-3-戊醇、3，3- 二甲基-1- 丁醇、2，2- 二甲基-1- 丁 醇、2，3- 二甲基-1- 丁醇、2，3- 二甲基-2- 丁醇、3，3- 二甲基-2- 丁醇和2-乙基-1- 丁醇。
19.如權(quán)利要求1所述的方法，其還包括冷卻所述C3-C6醇富集相以提高在所述C3-C6 醇富集相中C3-C6醇對(duì)水的比率。
20.如權(quán)利要求1所述的方法，其還包括通過選自以下的方法從所述C3-C6醇富集相回 收C3-C6醇蒸餾、滲析、水吸附、通過溶劑萃取來萃取C3-C6醇、與在水中不可混溶的烴液 體接觸和與親水性化合物接觸，以產(chǎn)生含C3-C6醇和水的第一相和含C3-C6醇的第二相，其 中在所述第二相中水對(duì)C3-C6醇的比率小于在所述第一相中水對(duì)C3-C6醇的比率。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中所述第二相包含至少約90重量％的C3-C6醇。
22.如權(quán)利要求20所述的方法，其中所述第二相包含至少約95重量％的C3-C6醇。
23.如權(quán)利要求20所述的方法，其中所述第二相包含至少約99重量％的C3-C6醇。
24.如權(quán)利要求20所述的方法，其中所述回收步驟包括蒸餾所述C3-C6醇富集相，其中 所述第一相包括含C3-C6醇和水的蒸氣相以及其中所述第二相包括含C3-C6醇的高沸點(diǎn)產(chǎn) 物。
25.如權(quán)利要求1所述的方法，其還包括在所述提高C3-C6醇的活度的步驟之前，將所 述發(fā)酵肉湯與步驟(c)的水富集相或權(quán)利要求24的高沸點(diǎn)產(chǎn)物合并。
26.如權(quán)利要求1所述的方法，其還包括在所述提高活度的步驟之后，將稀水溶液的剩 余部分導(dǎo)引至發(fā)酵容器。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其中所述剩余部分包含雜質(zhì)，以及所述方法還包括在 所述導(dǎo)引步驟之前，從至少部分的所述剩余部分除去至少部分的所述雜質(zhì)。
28.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述發(fā)酵肉湯包含雜質(zhì)，以及在所述C3-C6醇富集 液相中所述雜質(zhì)對(duì)C3-C6醇的比率大于在所述水富集相中所述雜質(zhì)對(duì)C3-C6醇的比率。
29.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述提高活度的步驟包括蒸餾含水和C3-C6醇的蒸 氣相和凝結(jié)所述蒸氣相，以及所述方法還包括在所述蒸餾步驟之前或與所述蒸餾步驟同時(shí) 進(jìn)行地，通過選自以下的步驟處理所述發(fā)酵肉湯部分以除去水a(chǎn).選擇性地除去水；b.選擇性地結(jié)合水；和c.選擇性地排斥水。
30.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述提高活度的步驟包括蒸餾含水和C3-C6醇的蒸 氣相和凝結(jié)所述蒸氣相，以及所述方法還包括在所述蒸餾步驟之前或與所述蒸餾步驟同時(shí) 進(jìn)行地，通過選自以下的步驟處理所述發(fā)酵肉湯部分以除去水a(chǎn).添加親水性溶質(zhì)；b.添加碳源；c.反滲透；d.滲析；e.在醇選擇性吸附劑上吸附所述C3-C6醇；f.將所述C3-C6醇萃取到醇選擇性萃取劑中；g.在水選擇性吸附劑上吸附水；以及h.將水萃取到水選擇性萃取劑中。
31.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述提高活度的步驟包括蒸餾含水和C3-C6醇的蒸 氣相和凝結(jié)所述蒸氣相，以及所述方法還包括通過選自以下的步驟處理所述C3-C6醇富集 相以除去水a(chǎn).選擇性地除去水；b.選擇性地結(jié)合水；和c.選擇性地排斥水。
32.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述提高活度的步驟包括蒸餾含水和C3-C6醇的蒸 氣相和凝結(jié)所述蒸氣相，以及所述方法還包括通過選自以下的步驟處理所述C3-C6醇富集 相以除去水a(chǎn).添加親水性溶質(zhì)；b.添加碳源；c.反滲透；d.滲析；e.在醇選擇性吸附劑上吸附所述丁醇；f.將所述丁醇萃取到醇選擇性萃取劑中；g.在水選擇性吸附劑上吸附水；以及h.將水萃取到水選擇性萃取劑中。
33.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述C3-C6醇富集相中所述C3-C6醇對(duì)水的比率 比在所述發(fā)酵肉湯中所述C3-C6醇對(duì)水的比率大至少約5倍。
34.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述提高活度的步驟包括蒸餾含水和C3-C6醇的蒸 氣相，和凝結(jié)所述蒸氣相。
35.如權(quán)利要求34所述的方法，其中所述蒸餾步驟在低于大氣壓力的壓力和在約20°C 至約95 °C的溫度進(jìn)行。
36.如權(quán)利要求35所述的方法，其中所述蒸餾步驟在蒸餾容器中進(jìn)行。
37.如權(quán)利要求36所述的方法，其中所述發(fā)酵肉湯部分在引入到所述蒸餾容器中之前 的溫度為約20°C至約95°C。
38.如權(quán)利要求37所述的方法，其中所述發(fā)酵肉湯部分在所述蒸餾容器中經(jīng)受低于大 氣壓力的壓力。
39.如權(quán)利要求38所述的方法，其還包括在所述蒸餾步驟后，將所述發(fā)酵肉湯的剩余 部分從所述蒸餾容器導(dǎo)弓I至發(fā)酵容器。
40.如權(quán)利要求39所述的方法，其中所述發(fā)酵容器處于大氣壓力。
41.如權(quán)利要求39所述的方法，其中所述發(fā)酵容器處于低于大氣壓力的壓力。
42.如權(quán)利要求39所述的方法，其中所述發(fā)酵容器處于高于大氣壓力的壓力。
43.如權(quán)利要求34所述的方法，其中所述蒸餾步驟在約0.025bar至約IObar的壓力進(jìn)行。
44.如權(quán)利要求34所述的方法，其中所述蒸餾步驟在發(fā)酵容器中進(jìn)行。
45.如權(quán)利要求34所述的方法，其中所述C3-C6醇選自丙醇、丁醇、戊醇和己醇。
46.如權(quán)利要求45所述的方法，其中所述C3-C6醇為丙醇。
47.如權(quán)利要求46所述的方法，其中所述丙醇選自1-丙醇和2-丙醇。
48.如權(quán)利要求45所述的方法，其中所述C3-C6醇為丁醇。
49.如權(quán)利要求48所述的方法，其中所述丁醇選自1-丁醇、2-丁醇、叔丁醇(2-甲 基-2-丙醇)和異丁醇(2-甲基-1-丙醇)。
50.如權(quán)利要求48所述的方法，其中所述丁醇為異丁醇(2-甲基-1-丙醇)。
51.如權(quán)利要求45所述的方法，其中所述C3-C6醇為戊醇。
52.如權(quán)利要求51所述的方法，其中所述戊醇選自1-戊醇、2-戊醇、3-戊醇、2-甲 基-1-丁醇、3-甲基-1-丁醇、2-甲基-2-丁醇、3-甲基-2-丁醇和2，2-二甲基-1-丙醇。
53.如權(quán)利要求45所述的方法，其中所述C3-C6醇為己醇。
54.如權(quán)利要求53所述的方法，其中所述己醇選自1-己醇、2-己醇、3-己醇、2-甲 基-1-戊醇、3-甲基-1-戊醇、4-甲基-1-戊醇、2-甲基-2-戊醇、3-甲基-2-戊醇、4-甲 基-2-戊醇、2-甲基-3-戊醇、3-甲基-3-戊醇、3，3- 二甲基-1- 丁醇、2，2- 二甲基-1- 丁 醇、2，3-二甲基-1-丁醇、2，3-二甲基-2-丁醇、3，3-二甲基-2-丁醇和2-乙基-1-丁醇。
55.如權(quán)利要求34所述的方法，其還包括冷卻所述C3-C6醇富集相以提高在所述 C3-C6醇富集相中C3-C6醇對(duì)水的比率。
56.如權(quán)利要求34所述的方法，其還包括通過選自以下的方法從所述C3-C6醇富集相 回收C3-C6醇蒸餾、滲析、水吸附、通過溶劑萃取來萃取C3-C6醇、與在水中不可混溶的烴 液體接觸和與親水性化合物接觸，以產(chǎn)生含C3-C6醇和水的第一相和含C3-C6醇的第二相， 其中在所述第二相中水對(duì)C3-C6醇的比率小于在所述第一相中水對(duì)C3-C6醇的比率。
57.如權(quán)利要求56所述的方法，其中所述第二相包含至少約90重量％的C3-C6醇。
58.如權(quán)利要求56所述的方法，其中所述第二相包含至少約95重量％的C3-C6醇。
59.如權(quán)利要求56所述的方法，其中所述第二相包含至少約99重量％的C3-C6醇。
60.如權(quán)利要求56所述的方法，其中所述回收步驟包括蒸餾所述C3-C6醇富集相，其中 所述第一相包括含C3-C6醇和水的蒸氣相，以及其中所述第二相包括含C3-C6醇的高沸點(diǎn) 產(chǎn)物。
61.如權(quán)利要求34所述的方法，其中所述蒸氣相包含水和所述C3-C6醇的共沸物。
62.如權(quán)利要求61所述的方法，其中在所述C3-C6醇富集相中C3-C6醇對(duì)水的比率大 于在所述共沸物中C3-C6醇對(duì)水的比率。
63.如權(quán)利要求1所述的方法，其還包括處理所述C3-C6醇富集相。
64.如權(quán)利要求63所述的方法，其中所述處理步驟選自a.從所述C3-C6醇富集相蒸餾基本上純的C3-C6醇；b.從所述C3-C6醇富集相蒸餾所述C3-C6醇共沸物；c.使所述C3-C6醇富集相與C3-C6醇選擇性吸附劑接觸；d.將所述C3-C6醇富集相中的C3-C6醇轉(zhuǎn)化成烯烴；和e.使所述C3-C6醇富集相與在水中不可混溶的烴液體合并。
65.如權(quán)利要求63所述的方法，其中所述處理步驟包括使所述C3-C6醇富集相與在水 中不可混溶的烴液體合并，以及所得到的混合物形成單一均相。
66.如權(quán)利要求63所述的方法，其中所述處理步驟包括使所述C3-C6醇富集相與在水 中不可混溶的烴液體合并，以及所得到的混合物形成輕相和重相，其中在所述輕相中C3-C6 醇對(duì)水的比率大于在所述重相中C3-C6醇對(duì)水的比率。
67.從含微生物和C3-C6醇的發(fā)酵肉湯中回收所述C3-C6醇的方法，所述方法包括a.將水在發(fā)酵肉湯部分中的活度降低到至少為所述C3-C6醇在所述部分達(dá)到飽和時(shí) 的活度；b.從所述發(fā)酵肉湯部分形成水富集液相和C3-C6醇富集相；以及c.分離所述水富集相和所述C3-C6醇富集相。
68.生成C3-C6醇的方法，所述方法包括a.在發(fā)酵培養(yǎng)基中培養(yǎng)微生物以生成所述C3-C6醇；b.將所述C3-C6醇在發(fā)酵培養(yǎng)基部分中的活度提高到至少為所述C3-C6醇在所述發(fā)酵 培養(yǎng)基中達(dá)到飽和時(shí)的活度；c.從所述發(fā)酵培養(yǎng)基部分形成C3-C6醇富集液相和水富集相；d.使所述C3-C6醇富集相與所述水富集相分離；以及e.將所述水富集相導(dǎo)引至步驟a中的發(fā)酵培養(yǎng)基。
69.如權(quán)利要求68所述的方法，其中所述培養(yǎng)步驟是選自以下的方法a.分批發(fā)酵，b.補(bǔ)料-分批發(fā)酵，c.連續(xù)發(fā)酵，d.細(xì)胞再循環(huán)發(fā)酵，e.酶反應(yīng)法。
70.如權(quán)利要求68所述的方法，其中所述微生物選自丁酸梭菌、丙酮丁酸梭菌、糖乙酸 多丁醇梭菌和拜氏梭菌。
71.如權(quán)利要求68所述的方法，其中所述微生物是耐溫微生物。
72.如權(quán)利要求71所述的方法，其中所述微生物在約20°C至約95°C溫度是可存活的。
73.如權(quán)利要求72所述的方法，其中所述微生物具有至少約0.5g/L/h的生產(chǎn)率。
74.生成C3-C6醇的方法，所述方法包括a.水解含多糖和至少一種其它化合物的給料以生成可發(fā)酵水解產(chǎn)物；b.在發(fā)酵培養(yǎng)基中發(fā)酵至少部分的所述可發(fā)酵水解產(chǎn)物以生成所述C3-C6醇，其中所 述發(fā)酵培養(yǎng)基還包含至少一種非經(jīng)發(fā)酵的化合物；c.將所述C3-C6醇在發(fā)酵培養(yǎng)基部分中的活度提高到至少為所述C3-C6醇在所述發(fā)酵 培養(yǎng)基中達(dá)到飽和時(shí)的活度；d.從所述發(fā)酵培養(yǎng)基部分形成C3-C6醇富集液相和水富集相；e.使所述C3-C6醇富集相與所述水富集相分離；和f.從所述發(fā)酵培養(yǎng)基、所述水富集相或者所述發(fā)酵培養(yǎng)基和所述水富集相分離所述至 少一種非經(jīng)發(fā)酵的化合物。
75.如權(quán)利要求74所述的方法，其中所述水解步驟包括糖化。
76.如權(quán)利要求74所述的方法，其中水解步驟、發(fā)酵步驟和提高所述C3-C6醇的活度的 步驟中的至少兩個(gè)同時(shí)進(jìn)行至少一段時(shí)間。
77.如權(quán)利要求74所述的方法，其中所述發(fā)酵步驟用能夠水解所述給料的微生物進(jìn)行。
78.從含微生物和C3-C6醇的發(fā)酵肉湯中的C3-C6醇生產(chǎn)產(chǎn)品的方法，所述方法包括a.從所述發(fā)酵肉湯蒸餾含水和C3-C6醇的蒸氣相；b.使所述蒸氣相中的C3-C6醇反應(yīng)形成所述產(chǎn)品。
79.如權(quán)利要求78所述的方法，其中所述C3-C6醇為丙醇以及在所述蒸氣相中所述 C3-C6醇對(duì)水的比率大于約0. 2 (w/w)。
80.如權(quán)利要求78所述的方法，其中所述C3-C6醇為丁醇以及在所述蒸氣相中所述 C3-C6醇對(duì)水的比率大于約1 (w/w)。
81.如權(quán)利要求78所述的方法，其中所述C3-C6醇為戊醇以及在所述蒸氣相中所述 C3-C6醇對(duì)水的比率大于約4 (w/w)。
82.如權(quán)利要求78所述的方法，其中所述反應(yīng)步驟在催化劑的存在下進(jìn)行。
83.如權(quán)利要求82所述的方法，其中所述催化劑為多相催化劑。
84.生成C3-C6醇的方法，所述方法包括a.在發(fā)酵培養(yǎng)基中培養(yǎng)微生物以生成所述C3-C6醇；b.提高在發(fā)酵培養(yǎng)基部分中所述C3-C6醇的活度；c.蒸餾所述發(fā)酵培養(yǎng)基部分以生成液相和含水和C3-C6醇的蒸氣相，以及d.將所述液相導(dǎo)引至所述發(fā)酵培養(yǎng)基。
85.如權(quán)利要求84所述的方法，其中在步驟b中的發(fā)酵培養(yǎng)基部分中C3-C6醇對(duì)水的 比率小于約7. 5/92. 5 (w/w)。
86.如權(quán)利要求84所述的方法，其中在步驟b中的發(fā)酵培養(yǎng)基部分中C3-C6醇對(duì)水的 比率小于約5. 0/95 (w/w)。
87.如權(quán)利要求84所述的方法，其中在步驟b中的發(fā)酵培養(yǎng)基部分中C3-C6醇對(duì)水的 比率小于約2. 5/97. 5 (w/w)。
88.如權(quán)利要求84所述的方法，其中所述提高活度的步驟選自a.添加親水性溶質(zhì)；b.蒸餾含水和C3-C6醇的蒸氣相c.反滲透；d.滲析；e.在醇選擇性吸附劑上吸附所述C3-C6醇；f.將所述C3-C6醇萃取到醇選擇性萃取劑中；g.在水選擇性吸附劑上吸附水；和h.將水萃取到水選擇性萃取劑中。
89.如權(quán)利要求84所述的方法，其中所述C3-C6醇選自丙醇、丁醇、戊醇和己醇。
90.如權(quán)利要求89所述的方法，其中所述C3-C6醇為丙醇。
91.如權(quán)利要求90所述的方法，其中所述丙醇選自1-丙醇和2-丙醇。
92.如權(quán)利要求89所述的方法，其中所述C3-C6醇為丁醇。
93.如權(quán)利要求92所述的方法，其中所述丁醇選自1-丁醇、2-丁醇、叔丁醇(2-甲 基-2-丙醇)和異丁醇(2-甲基-1-丙醇)。
94.如權(quán)利要求92所述的方法，其中所述丁醇為異丁醇(2-甲基-1-丙醇)。
95.如權(quán)利要求89所述的方法，其中所述C3-C6醇為戊醇。
96.如權(quán)利要求95所述的方法，其中所述戊醇選自1-戊醇、2-戊醇、3-戊醇、2-甲基-1-丁醇、3-甲基-1-丁醇、2-甲基-2-丁醇、3-甲基-2-丁醇和2，2-二甲基-1-丙醇。
97.如權(quán)利要求89所述的方法，其中所述C3-C6醇為己醇。
98.如權(quán)利要求97所述的方法，其中所述己醇選自1-己醇、2-己醇、3-己醇、2-甲 基-1-戊醇、3-甲基-1-戊醇、4-甲基-1-戊醇、2-甲基-2-戊醇、3-甲基-2-戊醇、4-甲 基-2-戊醇、2-甲基-3-戊醇、3-甲基-3-戊醇、3，3- 二甲基-1- 丁醇、2，2- 二甲基-1- 丁 醇、2，3- 二甲基-1- 丁醇、2，3- 二甲基-2- 丁醇、3，3- 二甲基-2- 丁醇和2-乙基-1- 丁醇。
99.如權(quán)利要求84所述的方法，其中所述液相包含雜質(zhì)，以及所述方法還包括在所述 導(dǎo)引步驟之前，從至少部分的所述液相除去至少部分的所述雜質(zhì)。
100.如權(quán)利要求84所述的方法，其中所述提高C3-C6醇的活度的步驟包括選自以下的 步驟a.選擇性地除去水；b.選擇性地結(jié)合水；和c.選擇性地排斥水。
101.如權(quán)利要求84所述的方法，其中所述提高活度的步驟選自a.添加親水性溶質(zhì)；b.添加碳源；c.反滲透；d.滲析；e.在選擇性吸附劑上吸附所述C3-C6醇；和f.在選擇性吸附劑上吸附水。
102.如權(quán)利要求84所述的方法，其還包括以下步驟凝結(jié)所述蒸氣相以形成C3-C6醇 富集液相和水富集液相，并使所述C3-C6醇富集相與所述水富集相分離。
103.如權(quán)利要求102所述的方法，其還包括通過選自以下的步驟處理所述C3-C6醇富 集相以除去水a(chǎn).選擇性地除去水；b.選擇性地結(jié)合水；和c.選擇性地排斥水。
104.如權(quán)利要求102所述的方法，其還包括通過選自以下的步驟處理所述C3-C6醇富 集相以除去水a(chǎn).添加親水性溶質(zhì)；b.添加碳源；c.反滲透；d.滲析；e.在醇選擇性吸附劑上吸附所述C3-C6醇；f.將所述C3-C6醇萃取到醇選擇性萃取劑中；g.在水選擇性吸附劑上吸附水；和h.將水萃取到水選擇性萃取劑中。
105.如權(quán)利要求102所述的方法，其中在所述C3-C6醇富集相中C3-C6醇對(duì)水的比率 比在所述發(fā)酵培養(yǎng)基中C3-C6醇對(duì)水的比率大至少約5倍。
106.如權(quán)利要求84所述的方法，其中所述蒸餾步驟在低于大氣壓力的壓力和在約 20°C至約95°C的溫度進(jìn)行。
107.如權(quán)利要求106所述的方法，其中所述發(fā)酵培養(yǎng)基部分包含微生物以及其中所述 蒸餾步驟在蒸餾容器中進(jìn)行。
108.如權(quán)利要求107所述的方法，其中所述發(fā)酵培養(yǎng)基部分在導(dǎo)引至所述蒸餾容器中 之前的溫度為約20°C至約95°C。
109.如權(quán)利要求107所述的方法，其中所述發(fā)酵培養(yǎng)基部分在所述蒸餾容器中經(jīng)受低 于大氣壓力的壓力。
110.如權(quán)利要求84所述的方法，其中所述發(fā)酵在大氣壓力進(jìn)行。
111.如權(quán)利要求84所述的方法，其中所述發(fā)酵在低于大氣壓力的壓力進(jìn)行。
112.如權(quán)利要求84所述的方法，其中所述發(fā)酵在高于大氣壓力的壓力進(jìn)行。
113.如權(quán)利要求84所述的方法，其中所述蒸餾步驟在約0.025bar至約IObar進(jìn)行。
114.如權(quán)利要求102所述的方法，其還包括以下步驟冷卻所述C3-C6醇富集相以提 高在所述C3-C6醇富集相中所述C3-C6醇的比率。
115.如權(quán)利要求102所述的方法，其還包括通過選自以下的方法從所述C3-C6醇富集 相回收C3-C6醇蒸餾、滲析、水吸附、通過溶劑萃取來萃取所述C3-C6醇、與在水中不可混 溶的烴液體接觸和與親水性化合物接觸，以產(chǎn)生含C3-C6醇和水的第一相和含C3-C6醇的 第二相，其中在所述第二相中水對(duì)C3-C6醇的比率小于在所述第一相中水對(duì)C3-C6醇的比 率。
116.如權(quán)利要求115所述的方法，其中所述回收的C3-C6醇包含至少約90重量％ C3-C6 醇。
117.如權(quán)利要求115所述的方法，其中所述回收的C3-C6醇包含至少約95重量％ C3-C6 醇。
118.如權(quán)利要求115所述的方法，其中所述回收的C3-C6醇包含至少約99重量％ C3-C6 醇。
119.如權(quán)利要求115所述的方法，其中所述回收步驟包括蒸餾所述C3-C6醇富集相以 產(chǎn)生含C3-C6醇和水的蒸氣相和含所述C3-C6醇的高沸點(diǎn)產(chǎn)物。
120 如權(quán)利要求119所述的方法，其中所述高沸點(diǎn)產(chǎn)物包含至少約90重量％ C3-C6
121 如權(quán)利要求119所述的方法，其中所述高沸點(diǎn)產(chǎn)物包含至少約95重量％ C3-C6
122 如權(quán)利要求119所述的方法，其中所述高沸點(diǎn)產(chǎn)物包含至少約99重量％ C3-C6
123 如權(quán)利要求84所述的方法，其中所述蒸氣相包括水和所述C3-C6醇的共沸物。
124 如權(quán)利要求102所述的方法，其還包括處理所述C3-C6醇富集相。
125 如權(quán)利要求`124所述的方法，其中所述處理步驟選自a.從所述C3-C6醇富集相蒸餾基本上純的C3-C6醇；b.從所述C3-C6醇富集相蒸餾所述C3-C6醇的共沸物；c.使所述C3-C6醇富集相與C3-C6醇選擇性吸附劑接觸；和d.使所述C3-C6醇富集相與在水中不可混溶的烴液體合并。
126.如權(quán)利要求124所述的方法，其中所述處理步驟包括使所述C3-C6醇富集相與在 水中不可混溶的烴液體合并，以及所得到的混合物形成單一均相。
127.如權(quán)利要求124所述的方法，其中所述處理步驟包括使所述C3-C6醇富集相與 在水中不可混溶的烴液體合并，以及所得到的混合物形成輕相和重相，其中在所述輕相中 C3-C6醇對(duì)水的比率大于在所述重相中C3-C6醇對(duì)水的比率。
128.如權(quán)利要求84所述的方法，其中所述培養(yǎng)步驟是選自以下的方法a.分批發(fā)酵，b.補(bǔ)料-分批發(fā)酵，c.連續(xù)發(fā)酵，d.細(xì)胞再循環(huán)發(fā)酵，e.酶反應(yīng)法。
129.如權(quán)利要求84所述的方法，其中所述微生物選自丁酸梭菌、丙酮丁酸梭菌、糖乙 酸多丁醇梭菌和拜氏梭菌。
130.如權(quán)利要求84所述的方法，其中所述微生物為耐溫微生物。
131.如權(quán)利要求84所述的方法，其中所述微生物在約20°C至約95°C的溫度是可存活的。
132.如權(quán)利要求84所述的方法，其中所述微生物具有至少約0.5g/L/h的生產(chǎn)率。
133.從含第一含量的C3-C6醇的稀水溶液回收所述C3-C6醇的方法，所述方法包括a.蒸餾稀水溶液部分至含C3-C6醇和水的蒸氣相，其中所述蒸氣相包含來自于所述稀 水溶液部分的C3-C6醇的第一含量的約1重量％至約45重量％ ；和b.凝結(jié)所述蒸氣相。
134.如權(quán)利要求133所述的方法，其中所述蒸氣相包含來自于所述稀水溶液的C3-C6 醇的約2重量％至約40重量％。
135.如權(quán)利要求133所述的方法，其中所述蒸氣相包含來自于所述稀水溶液的C3-C6 醇的約3重量％至約35重量％。
136.如權(quán)利要求133所述的方法，其中所述蒸氣相包含來自于所述稀水溶液的C3-C6 醇的約4重量％至約30重量％。
137.如權(quán)利要求133所述的方法，其中所述蒸氣相包含來自于所述稀水溶液的C3-C6 醇的約5重量％至約25重量％。
138.如權(quán)利要求133所述的方法，其還包括從所述凝結(jié)蒸氣相形成C3-C6醇富集液相 和水富集液相。
139.如權(quán)利要求138所述的方法，其還包括使所述C3-C6醇富集相與所述水富集相分罔。
140.如權(quán)利要求133所述的方法，其中所述蒸餾步驟是單級(jí)蒸餾。
141.如權(quán)利要求133所述的方法，其中所述C3-C6醇為丙醇。
142.如權(quán)利要求133所述的方法，其中所述C3-C6醇為丁醇。
143.如權(quán)利要求133所述的方法，其中所述C3-C6醇為戊醇。
144.如權(quán)利要求133所述的方法，其中所述C3-C6醇為己醇。
145.如權(quán)利要求133所述的方法，其中在所述稀水溶液中C3-C6醇對(duì)水的比率小于約 9/91 (w/w)ο
146.如權(quán)利要求133所述的方法，其中在所述稀水溶液中C3-C6醇對(duì)水的比率小于約 6/94(w/w)ο
147.如權(quán)利要求133所述的方法，其中在所述稀水溶液中C3-C6醇對(duì)水的比率小于約 3/97(w/w)。
148.如權(quán)利要求133所述的方法，其中所述蒸餾步驟是絕熱的。
149.如權(quán)利要求133所述的方法，其中所述蒸餾步驟是等溫的。
150.如權(quán)利要求133所述的方法，其中從所述稀水溶液至所述凝結(jié)蒸氣醇的富集度為 至少約5倍。
151.如權(quán)利要求133所述的方法，其中從所述稀水溶液至所述凝結(jié)蒸氣醇的富集度為 至少約10倍。
152.如權(quán)利要求133所述的方法，其中從所述稀水溶液至所述凝結(jié)蒸氣醇的富集度為 至少約15倍。
153.操作改造的乙醇生產(chǎn)裝置以生成C3-C6醇的方法，所述改造的乙醇生產(chǎn)裝置包括 預(yù)處理單元、多重發(fā)酵單元和發(fā)酵醪蒸餾器，所述方法包括a.在所述預(yù)處理單元中預(yù)處理給料以形成可發(fā)酵糖；b.在第一發(fā)酵單元中在含所述可發(fā)酵糖的發(fā)酵培養(yǎng)基中培養(yǎng)微生物，以生成所述 C3-C6 醇；c.處理含所述C3-C6醇的發(fā)酵培養(yǎng)基部分以除去C3-C6醇部分；d.將處理過的所述發(fā)酵培養(yǎng)基的部分返至第一發(fā)酵單元；和e.將所述發(fā)酵培養(yǎng)基從所述第一發(fā)酵單元轉(zhuǎn)移至所述發(fā)酵醪蒸餾器。
154.如權(quán)利要求153所述的方法，其中所述改造裝置的C3-C6醇生產(chǎn)量為改造前所述 裝置的乙醇最大生產(chǎn)量的C3-C6醇等價(jià)物的至少約80%。
155.如權(quán)利要求153所述的方法，其中所述改造裝置的生產(chǎn)量為改造前所述裝置的乙 醇最大生產(chǎn)量的C3-C6醇等價(jià)物的至少約90%。
156.如權(quán)利要求153所述的方法，其中所述改造裝置的生產(chǎn)量為改造前所述裝置的乙 醇最大生產(chǎn)量的C3-C6醇等價(jià)物的至少約95%。
157.從水溶液萃取C3-C6醇的方法，所述方法包括使所述水溶液與酸性的、基于胺的、 醇選擇性萃取劑接觸。
158.如權(quán)利要求157所述的方法，其中所述酸性的、基于胺的萃取劑通過對(duì)有機(jī)胺溶 液酸化而形成的。
159.如權(quán)利要求157所述的方法，其中在所述接觸后形成兩相。
全文摘要
本發(fā)明涉及從稀水溶液如發(fā)酵肉湯中回收C3-C6醇的方法。該方法為發(fā)酵提供改善的容積生產(chǎn)率和容許回收醇。由于通過同時(shí)發(fā)酵和回收方法提高了醇產(chǎn)物的濃縮效率，該方法也容許在生產(chǎn)和用過的發(fā)酵肉湯的干燥中減少能量的使用，所述同時(shí)發(fā)酵和回收方法提高了每干燥一定量的發(fā)酵肉湯生成和回收的醇量。因此，本發(fā)明容許以低資本和減少的操作成本生成和回收C3-C6醇。
文檔編號(hào)B01D3/10GK101959568SQ200880127622
公開日2011年1月26日 申請(qǐng)日期2008年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月27日
發(fā)明者威廉·A·伊萬科, 安德魯·C·霍金斯, 帕特里克·R·格魯伯, 戴維·A·格拉斯納, 繆福度, 肯特·埃文斯, 阿哈倫·M·伊亞爾, 阿里斯托斯·A·阿里斯蒂杜 申請(qǐng)人:格沃股份有限公司