专利名称：一种分离纯化丁醇和丙酮的装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种分离纯化丁醇和丙酮的装置及方法，属于生物技术领域。
背景技术：
丁醇作为一种重要的替代性液体能源和化学品，可以通过微生物发酵法获得，详见文献Diirre, P. Biobutanol: an attractive biofuel. Biotechnol. J. 2: 1525 -1534,2007。但是用丙酮丁醇梭菌或拜氏梭菌发酵生产丁醇时，同时会产生丙酮，发酵液中终点的丁醇浓度通常不超过2.0% (w/v),丙酮浓度不超过1.0% (w/v)0并且，丁醇的沸点为117. 7°C，高于水的沸点100°C。因此，如果利用传统的精馏或蒸馏分离法，其分离成本极高，经济上是不可行的，很难实现工业化生产(Matsumura, M. , Kataoka, H. , Sueki,M.，Arakij K. Energy saving effect of pervaporation using oleyl alcohol liquid membrane in butanol purification. Bioprocess Eng. 3 :93_100，1988)。可替代性分离技术如液-液萃取、气提、吸附等，可以通过在发酵过程中不断移除并回收对细胞产生抑制的产物丁醇，提高发酵效率，是提高生物法生产丁醇的有效技术。但是目前利用这些分离技术进行分离，主要的问题是分离效率低，分离产物浓度低，因此，需要开发新技术对产物进行脱水提纯，提高分离效率。因此，本发明利用气提-渗透气化耦合提纯法进行发酵产物丁醇和丙酮的分离纯化，可以有效得到高浓度的丁醇和丙酮，降低分离成本。其中，气提-渗透气化耦合提纯法的优势在于，通过偶联发酵系统在线分离丁醇和丙酮，和其他在线分离回收技术相比，操作简单、对细胞无毒害、分离产品清洁无杂质，目标产物和细胞自然分离等优点(Ezeji TC, Qureshi N, Blaschek HP. Production of acetone, butanol and ethanolby Clostridium beijerinckii BAlOl and in situ recovery by gas stripping.World J Microbiol Biotechnol. 19:595-603,2003)。利用渗透气化膜对丁醇和丙酮的高选择性，纯化气提冷凝法分离得到的丁醇和丙酮产物，可以得到高浓度的丁醇和丙酮。其优点在于，利用传统的膜分离技术分离丁醇之前，需要价格昂贵的超滤膜从发酵液中分离细胞，如果细胞分离不彻底，容易造成整个装置的膜污染，导致生产成本急剧增加(Qureshi, N. , Meagher, Μ. Μ. , Huang, J. C., Hutkins, R. ff. Acetone butanol ethanol(ABE) recovery by pervaporation using silicalite~silicone composite membranefrom fed-batch reactor of Clostridium acetobutylicum. J. Membr. Sci. 187 93-102，2001)。而本发明可以节省分离细胞的成本，并且解决了渗透气化膜的污染问题。到目前为止，未见使用气提-渗透气化耦合提纯法对丁醇和丙酮进行分离纯化的报道和相关专利。
发明内容
本发明提供了一种高效生产并分离纯化丁醇和丙酮的装置及方法。为实现上述目的，本发明提供了分离纯化丁醇和丙酮的结构装置如下
—种分离纯化丁醇和丙酮的装置，是一种气提-渗透气化耦合提纯装置与发酵装置偶联的装置，装置包括两部分发酵装置和气提-渗透气化耦合提纯装置；发酵装置由种子培养罐、泵G、生物反应器、泵A、和细胞固定化装置连接而成；气提-渗透气化耦合提纯装置包括气提冷凝装置和渗透气化冷凝装置；气提冷凝装置由冷凝管、冷凝液储罐A、低温冷却恒温槽、泵B、泵C和泵E组成；渗透气化冷凝装置由泵D、恒温加热器、储罐A、膜池、储罐B、真空泵、冷阱、泵F和冷凝液储罐B连接而成。利用上述装置分离纯化丁醇和丙酮的方法，通过先培养丙酮丁醇生产菌，再用丙酮丁醇生产菌发酵得到丁醇和丙酮；采用气提-渗透气化耦合提纯法从发酵液在线分离纯化丁醇和丙酮；其中气提-渗透气化耦合提纯法具体步骤如下气提用发酵过程中丙酮丁醇生产菌产生的自产气体，气提冷凝过程的原料液为丙酮丁醇生产菌的发酵液，气体进入发酵系统中形成气泡进行气提，通过冷凝装置冷凝气提得到的丁醇和丙酮；再使用渗透气化膜提纯丁醇和丙酮，渗透气化冷凝过程的原料液为气提得到的冷凝液的下层水相；渗透气化膜的透过液，冷凝回收或直接进入下一级分离装置。 在本发明的方法中，丙酮丁醇生产菌为丙酮丁醇梭菌、拜氏梭菌、大肠杆菌或酪丁酸梭菌等丙酮丁醇生产菌株。优选丙酮丁醇生产菌发酵系统包括细胞固定化装置，其中使用的吸附材料选自木块、陶瓷、海绵、毛巾、树脂、活性碳、沸石中的至少一种。在气提-渗透气化耦合提纯法中优选所用的气体为发酵过程中丙酮丁醇生产菌产生的自产气体如二氧化碳和氢气，气提冷凝过程中的原料液为含有丁醇和丙酮的丙酮丁醇生产菌的发酵液，气体进入发酵系统中形成气泡进行气提；在气提-渗透气化耦合提纯法中优选渗透气化膜为高选择性的有机疏水膜和有机无机混合膜，渗透气化冷凝过程的原料液为气提得到的冷凝液的下层水相，膜透过液用装置冷凝或液氮直接冷凝，装置冷凝时温度为-30 - +15°C，在膜透过液一侧保持真空度在5 - 200kPao通过本发明的方法，在不增加设备投资和节省提纯能耗的前提下，有效提高了丁醇和丙酮的生产和分离提纯效率，为目前以生物法生产丁醇和丙酮为主的液体生物燃料和生物基化学品的生产和分离提纯提供了新的技术支持。
图I为本发明中用于生产和分离纯化丁醇和丙酮的装置结构示意图。图2为气提过程中冷凝液和发酵液中丁醇浓度的关系图。图3为气提过程中冷凝液和发酵液中丙酮浓度的关系图。图4为PDMS聚合膜的扫描电镜照片图。图5为PDMS/20%ZSM_5的混合膜的扫描电镜照片图。 图6为PDMS/80%ZSM_5的混合膜的扫描电镜照片图。图I中I种子培养罐；2生物反应器；3细胞固定化装置；4泵A ;5泵B ;6泵C ;7泵D ;8冷凝管；9冷凝液储罐A ； 10低温冷却恒温槽；11泵E;12泵F;13泵G;14恒温加热器；15储罐A ; 16膜池；17储罐B ; 18冷阱；19真空泵；20冷凝液储罐B。
具体实施例方式以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式
。第一步，培养丙酮丁醇生产菌首先，如图I所示，在种子培养罐I中，使用种子培养基来培养丙酮丁醇生产菌。对所述丙酮丁醇生产菌没有特别限制，可列举丙酮丁醇梭菌(Clostridiumacetobutylicum)、拜氏梭菌(Clostridium bei jerinckii )、大肠杆菌(Escherichia coli )或酪丁酸梭菌(Clostridium tyrobutyricum)等生产丙酮丁醇的工程菌,优选丙酮丁醇梭菌。所述种子培养基在使用之前，先通入氮气或其他惰性气体10分钟进行除氧处理 后，再在121°C灭菌30分钟，冷却到室温后，接入丙酮丁醇生产菌。将丙酮丁醇生产菌培养到生长最活跃的对数生长期。为了将丙酮丁醇生产菌培养到对数生长期，培养时间为12-18h，优选为15h ;培养温度为35-39°C，优选为37°C。第二步，丙酮丁醇生产菌发酵得到丁醇和丙酮然后，将上述步骤中得到的含有丙酮丁醇生产菌的种子液从种子培养罐I经泵13接入到搅拌式生物反应器2中的发酵培养基后，通过启动泵4，使发酵液在搅拌式生物反应器2和细胞固定化装置3中循环(细胞会被细胞固定化装置3中的吸附材料吸附，实现细胞固定化)，开始发酵。发酵培养基是为丙酮丁醇生产菌提供营养(碳源)的物质，可以葡萄糖作为发酵培养基中的碳源，也可以淀粉、糖蜜、木薯或者纤维素水解液(例如秸杆水解液)等为发酵培养基中的碳源。所述发酵培养基在接入丙酮丁醇生产菌种子之前，在121°C灭菌30分钟后，通入氮气或其他惰性气体2 h进行除氧处理，冷却到室温后，接入丙酮丁醇生产菌。丙酮丁醇生产菌的接入量可依据发酵培养基的量适当调整，一般为培养基的5-10% (体积百分比)。发酵温度为35_39°C，优选为37°C。发酵过程中的pH控制在5. O以上，当pH低于
5.O时，向培养基中加入氢氧化钠水溶液或氨水，当pH大于5. O时，不需要调整。第三步，利用气提-渗透气化耦合提纯法从发酵液中在线分离纯化丁醇和丙酮对于气提-渗透气化耦合提纯法，首先利用丁醇和丙酮的挥发性和气体对丁醇和丙酮的吸附原理，先通过气提法从发酵液中在线分离纯化丁醇和丙酮，即一边进行发酵产生丁醇和丙酮，一边从发酵液中分离纯化丁醇和丙酮(发酵偶联气提)，从而使发酵液中的丁醇和丙酮不断被移除，降低丁醇和丙酮对细胞的毒害。然后，利用丁醇，丙酮和水在渗透气化膜中溶解和扩散能力的差别，丁醇和丙酮较多的溶解在膜上，并扩散通过膜，在膜的另一侧气化而被抽出，获得高浓度的丁醇和丙酮。对于气提-渗透气化耦合提纯法中气提冷凝装置，当搅拌式生物反应器2中的丁醇达到一定浓度后，启动泵5开始气提，同时启动低温冷却恒温槽10为气提冷凝管8提供低温冷凝液，得到的丁醇和丙酮的冷凝液在冷凝液储罐9中。气提所用的原料液为丙酮丁醇生产菌的发酵液，进入发酵系统中用于提取丁醇和丙酮的气体优选为发酵过程中丙酮丁醇生产菌产生的任何自产气体，通常是二氧化碳和氢气，并不需要提供外来气体，这样就可节省投入成本。
这样，气提后分离得到的冷凝液中的丁醇浓度可提高到15%左右，丙酮浓度提高到4%左右。气提-渗透气化耦合提纯法中气提冷凝系统的条件优选如下气体流速为1-20L/min，气体流动方向为向上或者向下通过冷凝管；在气提冷凝系统中使用的冷凝管为直型或者蛇形冷凝管，冷凝温度为_15°C-+15°C。丁醇和丙酮的冷凝液在冷凝液储罐9中静置分层，上层为富集丁醇的有机相，丁醇浓度在80%左右，丙酮浓度在4%左右；下层为水相，丁醇浓度在8%左右，丙酮浓度在4%左右。将上层有机相通过泵11直接泵入冷凝液储罐20中回收，然后启动泵6将气提冷凝液储罐9中的下层冷凝液泵入储罐15中，作为渗透气化过程的原料液，进行渗透气化分离操作。同时启动恒温加热器14为储罐15中的原料液进行加热，通过泵7使储罐15中的原料液在膜池16中膜的一侧循环，同时启动真空泵19使膜另一侧形成一定的真空度，原料液中的丁醇，丙酮和水等物质选择性地以蒸气形式透过膜，透过液回收在冷阱18中的储罐17中，最后通过泵12将储罐17中的收集液泵入储罐20中，与气提收集到的上层有机相混合。
将气提得到的冷凝液的下层水相加热到25°C_90°C之间进行渗透气化，优选80°C。膜透过液的冷凝通常选取液氮，也可以选取冷凝装置进行冷凝，如果选取冷凝装置冷凝，冷凝温度在-30 - +15°C，膜透过液一侧的真空度优先5 - 200kPa。对气提得到的冷凝液的下层水相进行渗透气化分离，可以将丁醇浓度由8%提高到50%左右，丙酮浓度由4%提高到16-17%。如上所述，本发明的气提-渗透气化耦合提纯法实现了发酵过程中毒性抑制产物丁醇和丙酮的不断移除和有效回收与浓缩的双重目的，提高了丁醇和丙酮的生产效率，降低了丁醇和丙酮的回收成本，提高了发酵法生产丁醇和丙酮的经济收益，适合于推广应用。下面结合实施例对本发明作具体说明。但本发明不受下述实施例的限制，在符合本发明前后宗旨的范围内，可对本发明作适当变更。在下述的对比例和实施例中，各实验材料和方法如下丙酮丁醇生产菌丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum),购买于美国ATCC 菌种库(ATCC number :55025_Ε604)。种子培养基每升培养基中含葡萄糖30 g、酵母粉2 g、胰蛋白胨4 g、磷酸二氢钾
0.5 g、磷酸氢二钾0.5 g、乙酸铵2.2 g和矿物质混合物。其中，矿物质混合物的组成为每升培养基中含7水合硫酸镁0.1 g、7水合硫酸亚铁0.015 g、2水合氯化钙0.015 g、I水合硫酸锰O. 01 g、氯化钴O. 02 g和硫酸锌O. 002 g0发酵培养基每升培养基中含葡萄糖80 g、酵母粉I g、磷酸二氢钾O. 5g、磷酸氢二钾O. 5 g、乙酸铵2. 2 g、矿物质混合物和维生素。其中，矿物质混合物的组成为每升培养基中含7水合硫酸镁0.2 g、7水合硫酸亚铁0.01 g、I水合硫酸锰0.01 g和氯化钠O. 01g ;维生素的组成为每升培养基中含对氨基苯甲酸0.001 g、维生素BI O. 001 g和生物素 O.00001 go丙酮丁醇生产菌的培养和发酵种子培养基在使用之前，通氮气除氧10分钟，然后在121°C灭囷30分钟，冷却到室温后，接入生广囷。将生广囷在种子培养I中于37 C的条件下培养15h后，准备接入到发酵培养基中。发酵培养基在使用之前，在121°C灭菌30分钟，然后通入氮气除氧2h，冷却到室温后，通过泵13将含有生产菌的种子液(发酵培养基体积的10%)泵入搅拌式生物反应器2中在37°C的条件下开始发酵，同时开启泵4使含生产菌的发酵培养基在细胞固定化装置3 (使用棉纤维为吸附材料)和搅拌式生物反应器2中循环，实现细胞固定化。发酵培养基初始不调节PH值，当发酵液pH低于5. O后，自动流加氢氧化钠水溶液或氨水，将pH调整到5. O以上。渗透气化膜的制备聚二甲基硅氧烷(PDMS)从购于美国道康宁公司(Dowcorning)。沸石纳米材料(ZSM-5)从美国 Zeolyst International 购买。ZSM-5 先在 80°C下烘干24小时。聚二甲基硅氧烷(PDMS)中的成胶剂基液和固化剂按10:1的比例混合。对于单一 PDMS聚合膜的制备，直接在8000转/分钟下离心5分钟，进行后续操作。对于添加ZSM-5材料的PDMS混合膜，将指定重量比例的ZSM-5(本发明实施例2和3中分别选取20%和80%)与按质量比10:1比例混合后的PDMS制膜液混合，在8000转下离心5分钟，进行后续操作。后续操作为先用超声处理制膜液15分钟或抽真空处理，除去制膜液中的气泡，然后用刮刀将制膜液均匀涂抹在玻璃板上，将带有制膜液的玻璃板放到100°C的烘箱中3小时成膜。最后从烘箱中取出玻璃板，剥离制备好的渗透气化膜，将其固定在膜池中，用于渗
透气化分离操作。丁醇的分析使用常规气相色谱法，葡萄糖的浓度测定使用常规液相色谱法或DNS法。如无特殊说明，所使用的实验方法均为常规方法，所用材料、试剂等均可从生物或化学公司购买。对比例I :丁醇和丙酮的发酵一无分离操作按上述方法进行丙酮丁醇生产菌的培养和发酵。当生产菌接入搅拌式生物反应器2后，启动细胞固定化装置3，直到发酵结束。结果如表I所示，丁醇和丙酮在发酵液中的终点浓度分别为I. 6% (w/v)和O. 8% (w/v)。对比例2 :传统的气提法分离按上述方法进行丙酮丁醇生产菌的培养和发酵。当生产菌接入搅拌式生物反应器2后，启动用于气提的气提冷凝装置，直到发酵结束。对气提得到的冷凝产物进行收集、静置，冷凝液无分层。传统法进行气提，采用发酵与气提同时进行，并且无细胞固定化装置 ’另夕卜，传统法也未嵌入其他分离方法。除此之外，传统气提法等均与实施例I相同。结果如表I所示。结果表明传统法的气提效率和丁醇回收浓度非常低，冷凝液中回收到的丁醇浓度为7. 0% (w/v)，丙酮浓度为1-2% (w/v)左右。
权利要求
1.一种分离纯化丁醇和丙酮的装置，是一种气提-渗透气化耦合提纯装置与发酵装置偶联的装置，其特征在于，装置包括两部分发酵装置和气提-渗透气化耦合提纯装置； 发酵装置由种子培养罐(I)、泵G (13)、生物反应器(2)、泵A (4)和细胞固定化装置(3)连接而成； 气提-渗透气化耦合提纯装置包括气提冷凝装置和渗透气化冷凝装置；气提冷凝装置由冷凝管(8)、冷凝液储罐A (9)、低温冷却恒温槽(10)、泵B (5)、泵C (6)和泵E (11)组成；渗透气化冷凝装置由泵D (7)、恒温加热器(14)、储罐A (15)、膜池(16)、储罐B (17)、真空泵(19)、冷阱(18)、泵F (12)和冷凝液储罐B (20)连接而成。
2.权利要求I所述的装置用于分离纯化丁醇和丙酮的方法，该方法先在种子培养罐中培养丙酮丁醇生产菌，在发酵装置中用丙酮丁醇生产菌生产丁醇和丙酮；再采用气提-渗透气化耦合提纯装置从发酵液中在线分离纯化丁醇和丙酮；其特征在于 气提用发酵过程中丙酮丁醇生产菌产生的气体，将气体通入发酵装置中形成气泡，对丙酮丁醇生产菌发酵液中的丁醇和丙酮进行气提，通过冷凝装置冷凝气提得到的丁醇和丙酮；再使用渗透气化膜提纯丁醇和丙酮，渗透气化冷凝过程的原料液为气提冷凝过程得到冷凝液的下层水相；渗透气化膜的透过液，冷凝回收或直接进入下一级分离装置。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的渗透气化膜为疏水有机膜或有机无机混合膜。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，丙酮丁醇生产菌为丙酮丁醇梭菌、拜氏梭菌、大肠杆菌或酪丁酸梭菌。
5.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，发酵装置包括细胞固定化装置，其中使用的吸附材料选自木块、陶瓷、海绵、毛巾、树脂、活性碳、沸石中的至少一种。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，丙酮丁醇生产菌发酵装置包括细胞固定化装置，其中使用的吸附材料选自木块、陶瓷、海绵、毛巾、树脂、活性碳、沸石中的至少一种。
7.根据权利要求2或3或6所述的方法，其特征在于，气提冷凝过程的原料液温度为发酵温度，冷凝温度为-15 - +15°C ;渗透气化冷凝过程的原料液温度为+20 - +100°C，装置冷凝或液氮直接冷凝，装置冷凝时温度为-30 - +15°C，真空度为5 - 200kPa。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，气提冷凝过程的原料液温度为发酵温度，冷凝温度为-15 - +15°C;渗透气化冷凝过程的原料液温度为+20 - +100°C;装置冷凝或液氮直接冷凝，装置冷凝时温度为-30 - +15°C，真空度为5 - 200kPa。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，气提冷凝过程的原料液温度为发酵温度，冷凝温度为-15 - +15°C;渗透气化冷凝过程的原料液温度为+20 - +100°C;装置冷凝或液氮直接冷凝，装置冷凝时温度为-30 - +15°C，真空度为5 - 200kPa。
全文摘要
一种分离纯化丁醇和丙酮的装置及方法，装置包括发酵装置和气提-渗透气化耦合提纯装置，使用时先培养丙酮丁醇生产菌，再用丙酮丁醇生产菌发酵得到丁醇和丙酮；采用气提-渗透气化耦合提纯法在线分离纯化丁醇和丙酮气提用发酵过程中丙酮丁醇生产菌产生的气体，将气体通入发酵系统中形成气泡，对丙酮丁醇生产菌发酵液中的丁醇和丙酮进行气提，通过冷凝装置冷凝气提得到的丁醇和丙酮；再使用渗透气化膜提纯丁醇和丙酮，渗透气化过程的原料液为气提得到的冷凝液的下层水相；渗透气化膜的透过液，冷凝回收或直接进入下一级分离装置。本发明通过有效提高了丁醇和丙酮的分离提纯效率，给目前以生物法生产丁醇和丙酮及产物分离提纯提供了新的技术支持。
文档编号C12R1/145GK102911854SQ20121037588
公开日2013年2月6日 申请日期2012年9月29日 优先权日2012年9月29日
发明者薛闯, 杨尚天, 白凤武 申请人:大连理工大学