专利名称：一种生物质发酵耦合渗透汽化分离生产丁醇的方法
技术领域：
本发明属于生物质发酵过程代谢产物分离技术领域，涉及一种生物质发酵耦合渗透汽化分离生产丁醇的方法。
背景技术：
全球经济的快速发展，使得各国对于能源的需求不断增加，与之相矛盾的是化石能源的储量有限、已日趋枯竭，且燃烧时产生大量有害气体，污染环境，因此，开展可再生清洁能源的研究引起了广泛的关注与重视。作为极具潜力的第二代生物燃料丁醇，主要以玉米、糖蜜和富含纤维素、半纤维素的农业废弃物为原料通过发酵法(ABE发酵)进行生产，与化石燃料相比，具有生产原料来源广泛、可再生，燃烧时不产生NOx或SOx，环境效益显著的特点。此外，丁醇易于与汽油混合，使用时无需对车辆进行改造；蒸气压低，可通过现有管道进行运输；可提高汽车的燃油效率和行驶里程。发酵法生产丁醇具有原料来源广泛、设备简单、投资少；生产条件温和、无需金属催化剂的特点。而且，发酵过程选择性好、副产物少、易于分离纯化，同时，产生的副产物丙酮、乙醇也是重要的化工原料，具有极为广泛的用途。由于丁醇具有毒性，丁醇发酵过程中存在产物抑制现象，当发酵液中丁醇的质量浓度达到Ilg · L-1时，50%左右的微生物受到抑制而不能生长，从而影响了原料的转化率、产物溶剂的浓度和生产效率。工业生产中发酵液中的总溶剂浓度很低，从而导致后续的分离提取工艺成本很高。一般通过蒸馏的方式，在醪塔中将2%左右的总溶剂蒸出得到40%左右的总溶剂，然后溶剂进入精馏塔中分离得到产品。其中，溶剂提取浓缩过程中蒸汽的成本占总成本的30%以上，使得产物提取过程成为丁醇生产过程中能耗最大的部分，从而成为制约丁醇发酵生产工业化的瓶颈之一。渗透汽化是在蒸汽分压差的推动下，料液侧液相混合物中组分选择性地透过膜，透过组分以蒸汽形式离开膜并被收集的过程，具有高效、单级选择性高、比能耗低的特点。此外，将渗透汽化过程与发酵过程相耦合，不仅有利于底物利用率和发酵产率的提高，同时可提高产物分离效率，且对发酵体系无污染，是一种清洁、无污染的新型分离技术。专利CN 101805754A描述了一种生物质发酵与渗透汽化耦合原位分离丙酮、丁醇和乙醇的工艺。该工艺与普通的精馏过程相比，从一定程度上降低了对生物质发酵产生的ABE进行分离的能耗，缩短了生产时间，降低了丁醇的生产成本。但在该专利中，由于渗透汽化透过侧料液中总溶剂浓度仅为7 40%，精馏过程能耗仍较大。因此，目前需要开发一种分离效率高、能耗低的生物质发酵与渗透汽化耦合分离生产丁醇的工艺
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供生物质发酵耦合渗透汽化分离生产丁醇的方法。该方法将生物质发酵系统与渗透汽化膜系统耦合，通过渗透汽化膜系统对生物质发酵获得的发酵液进行逐级分离浓缩获得丁醇浓缩液，在降低了丁醇的后续分离能耗的同时，也降低了丁醇对微生物细胞生长的抑制作用，提高了生物质发酵效率和底物利用率。为此，本发明提供了一种生物质发酵耦合渗透汽化分离生产丁醇的方法，包括过程A，发酵发酵底物在发酵装置中经过发酵获得丁醇发酵液；过程C，膜分离丁醇发酵液经过渗透汽化膜系统逐级分离浓缩获得丁醇浓缩液；其中，渗透汽化膜系统包括一级优先透醇渗透汽化膜系统、二级优先透醇渗透汽化膜系统以及二级优先透水渗透汽化膜系统。根据本发明，在过程C中，包括 步骤1，丁醇发酵液经过一级优先透醇渗透汽化膜系统进行初步的分离浓缩，透过侧浓缩液经分相处理分为一级有机相料液和一级水相料液；步骤2，步骤I分相处理获得的水相料液进入二级优先透醇渗透汽化膜系统进行分离浓缩，透过侧浓缩液经分相处理分为二级有机相料液和二级水相料液；步骤3，一级有机相料液和二级有机相料液进入优先透水渗透汽化膜系统进行脱水浓缩，得到丁醇浓缩液。根据本发明方法，在步骤2中，二级水相料液作为二级优先透醇渗透汽化膜系统的进料，返回二级优先透醇渗透汽化膜系统的进料端继续进行分离浓缩。在本发明的一个实施例中，所述优先透醇渗透汽化膜系统中所使用的渗透汽化膜选自八甲基环四硅氧烷、四甲基四乙烯基环四硅氧烷、羟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、纤维素及其改性材料所制备的渗透汽化膜中的一种或几种。在本发明的另一个实施例中，所述优先透水渗透汽化膜系统中所使用的渗透汽化膜选自聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚丙烯酸、聚酰胺、聚酰亚胺、高分子离聚物、壳聚糖、藻朊酸、醋酸纤维素及其改性材料所制备的渗透汽化膜中的一种或几种。根据本发明方法，在过程A和过程C之间，还包括过程B，固含物分离丁醇发酵液经过微滤分离或过滤分离去除固含物，获得去除了固含物的丁醇发酵液。所述固含物包括菌体、其他发酵产物或者未发酵的发酵底物。所述固含物主要为菌体。在本发明的一个实施例中，所述微滤分离在微滤装置中进行，所述微滤装置中所使用的微滤膜选自纤维素、乙酸纤维素、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、尼龙、氧化锆、氧化钛、氧化铝及其改性材料中所制备的微滤膜中的一种或几种。在本发明的另一个实施例中，所述过滤装置为滤布和/或滤网，或者是由滤布和/或滤网组成的过滤装置。根据本发明，在过程A中，所述生物质发酵在发酵罐中进行，所述发酵包括间歇式发酵、分批补料发酵和连续流加发酵。从发酵罐中抽出的丁醇发酵液中丁醇的质量分数为O. 5% 1.4%。在所述连续流加发酵过程中，从发酵罐中抽出的丁醇发酵液中丁醇的质量分数为O. 5% O. 9%。在过程A中，生物质发酵过程所使用的发酵微生物可以是丙酮丁醇梭菌、拜氏梭菌及其突变菌株，也可以是通过其他途径筛选得到的产丁醇菌株。在生物质发酵过程中所使用的发酵底物可以是葡萄糖、木糖、糖蜜等糖类物质或小麦、玉米、木薯或其他富含淀粉的生物质，也可以是甜高粱茎杆、甜玉米茎杆、玉米芯、甘蔗渣、苹果渣、菊芋或其他富含半纤维素或纤维素的生物质等压榨后的汁液或经过酸解、酶解等方法得到的糖液。本发明中所用术语“丁醇发酵液”是指发酵底物在上述发酵微生物作用下经过发酵获得的富含丁醇的发酵液，该发酵液中除了作为主产物的丁醇外，根据所使用发酵微生物的不同，还可能含有其他副产物，如丙酮、乙醇、乙酸及丁酸等。例如，目前用于生物质发酵制备丁醇的菌株主要有丙酮丁醇梭菌、拜氏梭菌及其突变菌株等，经过生物质发酵，所获得的丁醇发酵液的主产物是丁醇，副产物为丙酮、乙醇、乙酸和丁酸。但是，也有通过基因工程方法获得的菌株在制备丁醇的发酵过程中不产生副产物丙酮。
本发明中所用术语“丁醇浓缩液”是指丁醇发酵液经过经过渗透汽化膜系统逐级分离浓缩获得的丁醇浓度大幅度提高的有机物料液。该浓缩液中除了作为主产物的丁醇夕卜，根据所使用发酵微生物的不同，还可能含有其他副产物，如丙酮、乙醇、乙酸及丁酸等。例如，以丙酮丁醇梭菌、拜氏梭菌及其突变菌株等，进行生物质发酵，所获得的丁醇发酵液，以及该丁醇发酵液经过渗透汽化膜分离获得的丁醇浓缩液中主产物是丁醇，副产物为丙酮、乙醇、乙酸和丁酸。但是，也有通过基因工程方法获得的菌株在制备丁醇的发酵过程中不产生副产物丙酮。在本发明的一个实施例中，在过程A中，所述发酵过程是以连续流加发酵的方式进行时，则在过程B中，采用微滤分离的方式从发酵液中去除固含物，以保证所分离出的固含物可返回发酵罐继续进行发酵。在本发明的另一个实施例中，在过程A中，发酵过程是以间歇式发酵、分批补料发酵的方式进行时，则在过程B中，采用过滤分离的方式通过一个简单的过滤装置从发酵液中去除固含物，所分离出的固含物不需要继续返回发酵罐。根据本发明方法将生物质发酵系统与渗透汽化膜系统耦合，首先，本发明利用生物质发酵液经过优先透醇渗透汽化系统后透过侧液体出现油水分层现象的特点，对透过侧水相和油相分别选用优先透醇渗透汽化系统和优先透水渗透汽化系统进行丁醇的高度浓缩，从而得到含水量极少的丁醇浓缩液，所获得丁醇浓缩液中有机物的质量分数可达99.5%，丁醇的质量分数可达88.4%，与间歇发酵相比，渗透液中丁醇的浓度提高了 70倍，极大地提高了分离效率，降低了生产过程的能耗；其次，本发明将渗透汽化技术与ABE发酵过程相耦合，实现了发酵液中丁醇的原位分离移除，降低了丁醇对微生物细胞生长的抑制作用，提高了发酵产率和底物利用率，丁醇的生产强度达到O. 97g/(L. h)，比间歇发酵提高了 3. 7倍。极大地降低了生产成本。
图I是实施例I中连续流加式生物质发酵耦合渗透汽化原位分离生产丁醇的工艺流程示意图。
图2是实施例2中间歇式生物质发酵耦合渗透汽化分离生产丁醇和实施例3中分批补料式生物质发酵耦合渗透汽化分离生产丁醇的工艺流程示意图。图中附图标记的含义如下1发酵罐；2微滤装置'2'过滤装置；3第一渗透汽化储罐；4料液泵；5第一渗透汽化膜分离器；6换热器；7分相装置；8料液泵；9料液泵；10第二渗透汽化储罐；11料液泵；12第二渗透汽化膜分离器；13换热器；14分相装置；15料液泵；16料液泵；17料液泵；18第三渗透汽化储罐；19料液泵；20第三渗透汽化膜分离器；21换热器；22产品罐；23缓冲罐；24真空泵。
具体实施例方式下面将结合实施例和附图来详细说明本发明，这些实施例和附图仅起说明性作用，并不局限于本发明的应用范围。图I是实施例I中连续流加式生物质发酵耦合渗透汽化原位分离生产丁醇的工艺流程示意图。其中，发酵罐I为发酵装置，微滤器2及其中的微滤膜构成微滤装置，第一渗 透汽化储罐3、料液泵4、第一渗透汽化膜分离器5、换热器6及分相装置7构成一级优先透醇渗透汽化膜系统；料液泵9、第二渗透汽化储罐10、料液泵11、第二渗透汽化膜分离器12、换热器13及分相装置14构成二级优先透醇渗透汽化膜系统；料液泵17、第三渗透汽化储罐18、料液泵19、第三渗透汽化膜分离器20、换热器21及产品罐22构成二级优先透水渗透汽化膜系统。该流程中，第一、二、三渗透汽化膜分离器，换热器6、13、21，分相装置7、14，产品罐22维持一定的真空度(约300Pa左右)。在图I中，在发酵罐I中，在37 °C恒温条件下，发酵底物在微生物作用下进行连续流加式厌氧发酵，得到丁醇发酵液，该发酵液中除富含作为主产物的丁醇外，还含有少量其他副产物；发酵过程中，发酵底物以连续流加的方式加入发酵罐I中，使得发酵罐I中发酵底物维持在50 70g/L，以确保发酵过程长时间稳定、连续进行；同时，定时取样分析发酵液中底物的变化以及溶剂的变化。在发酵罐I中，发酵经过一定时间后，检测到发酵液中丁醇的质量分数达到O. 5% O. 9%，此时，开启发酵罐出料阀，发酵罐I中的丁醇发酵液以60 80L/h的速度流出发酵罐I进入微滤装置2，经过微滤分离，所分离出的固含物返回发酵罐I继续进行发酵，经微滤分离所获得的除去了固含物后的丁醇发酵液进入第一渗透汽化储罐3。第一渗透汽化储罐3中料液温度维持在30 40°C，系统真空度维持在300Pa左右，渗透汽化膜分离器5中使用的渗透汽化膜为以水为溶剂制备的硅橡胶/聚偏氟乙烯渗透汽化复合膜。第一渗透汽化储罐3中的除去固含物后的丁醇发酵液经料液泵4进入第一渗透汽化膜分离器5进行分离浓缩，未透过膜的料液返回第一渗透汽化储罐3，透过侧的气体进入换热器6进行热量交换后冷凝为液体进入分相装置7，在分相装置7中，上层为有机相，下层为水相，分相装置7中的一级有机相料液通过料液泵16进入第三渗透汽化储罐18，一级水相料液通过料液泵9进入第二渗透汽化储罐10。第一渗透汽化储罐3中的部分料液通过料液泵8以60 80L/h的速度流出返回发酵罐，从而使渗透汽化系统及发酵系统中丁醇的浓度维持在一恒定值，同时，以2L/h的速度向发酵罐中流加800g/L的无菌葡萄糖溶液。第二渗透汽化储罐10中料液的温度保持在40 60°C，第二渗透汽化膜分离器12中所使用的渗透汽化膜与第一渗透汽化膜分离器5中的相同，第二渗透汽化膜分离器12透过侧气体经过换热器13冷凝后进入分相罐14，在分相装置14中，上层为有机相，下层为水相，分相装置14中的二级有机相料液通过料液泵17进入第三渗透汽化储罐18，二级水相料液通过料液泵15返回第二渗透汽化储罐10。第三渗透汽化储罐18中料液的温度保持在50°C，第三渗透汽化膜分离器20中所使用的渗透汽化膜为聚乙烯醇/聚砜渗透汽化复合膜，第三渗透汽化膜分离器20透过侧气体经换热器21冷凝后得到高浓度丁醇浓缩液，在产品罐22中收集储存，该浓缩液中除含高浓度作为主产物的丁醇外，还含有少量其他副产物，未透过的料液返回第三渗透汽化储罐18。图2是实施例2中间歇式生物质发酵耦合渗透汽化分离生产丁醇和实施例3中分批补料式生物质发酵耦合渗透汽化分离生产丁醇的工艺流程示意图。图2所示的工艺流程与图I不同的是，发酵底物在发酵罐I中，在发酵微生物作用下以间歇式或批补料式发酵的 方式进行生物质发酵，获得丁醇发酵液；丁醇发酵液在过滤装置2，中去除固含物，所获得的去除了固含物的丁醇发酵液进入第一渗透汽化储罐3，所分离出的固含物不需要继续返回发酵罐，且不需要第一渗透汽化储罐3的部分料液返回发酵罐，其他流程均与图I所示的工艺流程相同。实施例实施例I :I.发酵底物经过连续流加式生物质发酵获得丁醇发酵液在该过程中，以葡萄糖为发酵底物进行连续流加式厌氧发酵获得丁醇发酵液，其工艺流程示意图见图I。(I)配制培养基以葡萄糖为发酵底物配制合成培养基，培养基组成为葡萄糖60g/L，乙酸铵2. 2g/L，磷酸二氢钾lg/L，磷酸氢二钾lg/L，硫酸镁O. 3g/L以及其他微量元素与生长因子。将配制的合成培养基转移入发酵罐I中进行高温灭菌，待发酵罐I内温度降至40°C后通入无菌氮气构建无氧环境。(2)接种无菌操作条件下向发酵罐I内的培养基中接入已经活化的菌种Clostridiumacetobutylicum ABE1101，接种量为I : 10 (菌种培养液的体积/底物培养基的体积)。(3) ABE 发酵在37°C恒温条件下,接种到发酵罐 I 内的 Clostridium acetobutylicum ABE1101以葡糖糖为碳源进行厌氧发酵，得到丁醇发酵液，该发酵液中除富含作为主产物的丁醇外，还含有少量乙醇、丙酮和丁酸等副产物；发酵过程中，发酵底物以连续流加的方式加入发酵罐I中，使得发酵罐I中发酵底物维持在50 70g/L，以确保发酵过程长时间稳定、连续进行；同时，定时取样分析发酵液中底物的变化以及溶剂的变化。2.发酵液经过微滤分离去除固含物在发酵罐I中，发酵经过40h后，检测到发酵液中丁醇的质量分数达到O. 5% O. 9%，此时，开启发酵罐出料阀，发酵罐I中的发酵液以60 80L/h的速度流出发酵罐I进入微滤装置2，经过微滤分离，所分离出固含物返回发酵罐I继续进行发酵，经微滤分离所获得的除去了固含物后的丁醇发酵液进入第一渗透汽化储罐3。3.除去了固含物后的丁醇发酵液经过渗透汽化膜系统逐级分离浓缩获得丁醇浓缩液(I)除去了固含物后的丁醇发酵液经过一级优先透醇渗透汽化膜系统进行初步的分离浓缩第一渗透汽化储罐3中料液温度维持在30 40°C，系统真空度维持在300Pa左右，第一渗透汽化膜分离器5中使用的渗透汽化膜为以水为溶剂制备的硅橡胶/聚偏氟乙烯渗透汽化复合膜。第一渗透汽化储罐3中的除去了固含物后的丁醇发酵液经泵4进入第 一渗透汽化膜分离器5进行分离浓缩，未透过膜的料液返回第一渗透汽化储罐3，透过侧的气体进入换热器6进行热量交换后冷凝为液体进入分相装置7，在分相装置7中，上层为有机相，其中的丁醇质量分数为69. 5 %，下层为水相，其中的丁醇质量分数为7.62%，分相装置7中的一级有机相料液通过料液泵16进入第三渗透汽化储罐18，一级水相料液通过料液泵9进入第二渗透汽化储罐10。第一渗透汽化储罐3中的部分料液通过料液泵8以60 80L/h的速度流出返回发酵罐，从而使渗透汽化系统及发酵系统中丁醇的浓度维持在一恒定值，同时，以2L/h的速度向发酵罐中流加800g/L的无菌葡萄糖溶液。(2) 一级水相料液进入二级优先透醇渗透汽化膜系统进行分离浓缩第二渗透汽化储罐10中料液的温度保持在40 60°C，第二渗透汽化膜分离器12中所使用的渗透汽化膜与第一渗透汽化膜分离器5中的相同，第二渗透汽化膜分离器12透过侧气体经过换热器13冷凝后进入分相装置14，在分相装置14中，上层为有机相，其中的丁醇浓度为78wt%，下层为水相，其中的丁醇浓度为6. 35wt%，分相装置14中的二级有机相料液通过料液泵17进入第三渗透汽化储罐18，二级水相料液通过料液泵15返回第二渗透汽化储罐10。(3) 一级有机相料液和二级有机相料液进入优先透水渗透汽化膜系统进行脱水浓缩第三渗透汽化储罐18中料液的温度保持在50°C，第三渗透汽化膜分离器20中所使用的渗透汽化膜为聚乙烯醇/聚砜渗透汽化复合膜，第三渗透汽化膜分离器20透过侧气体经换热器21冷凝后得到高浓度的丁醇浓缩液，其中总溶剂质量分数达99%，丁醇质量分数达87. 2%，在产品罐22中收集储存，该浓缩液中除含高浓度作为主产物的丁醇外，还含有少量乙醇、丙酮和丁酸等副产物，未透过的料液返回第三渗透汽化储罐18。本实施例实现了葡萄糖连续流加式生物质发酵与多级渗透汽化技术的耦合，大大降低了发酵过程中产生的丁醇对微生物细胞生长的抑制作用；与间歇发酵相比，渗透液中丁醇的浓度提高了 70倍，丁醇的生产强度达到O. 97g/(L. h)，比间歇发酵提高了 3. 7倍。实施例2 I.发酵底物经过间歇式生物质发酵获得丁醇发酵液在该过程中，以甜高粱渣水解液中的糖类物质为碳源进行间歇式厌氧发酵获得丁醇发酵液，其工艺流程示意图见图2。(I)配制培养基以甜高粱渣水解液为底物配制培养基，培养基组成为总糖50g/L，磷酸二氢钾O. 9g/L，磷酸氢二钾O. 9g/L，硫酸镁O. 25g/L以及其他微量元素与生长因子。将配制好的培养基转移入发酵罐I中进行高温灭菌，待发酵罐I内温度降至40°c后通入无菌氮气构建无氧环境。(2)接种无菌操作条件下向发酵罐I内的培养基中接入已经活化的菌种Clostridiumacetobutylicum ABE1101，接种量为I : 10 (菌种培养液的体积/底物培养基的体积)。(3) ABE 发酵在37°C恒温条件下,接种到发酵罐 I 内的 Clostridium acetobutylicum ABE1101以葡糖糖为碳源进行厌氧发酵，得到丁醇发酵液，同时，定时取样分析定发酵液中底物的变化以及溶剂的变化，该发酵液中除富含作为主产物的丁醇外，还含有少量乙醇、丙酮和丁酸
等副广物。 2.发酵液经过过滤分离去除固含物在发酵罐I中，发酵经过72h后，检测到发酵液中丁醇的质量分数达到1.4%，此时，开启发酵罐出料阀，发酵罐I中的丁醇发酵液流出发酵罐I进入过滤装置2'，经过过滤分离，所获得的除去了固含物后的丁醇发酵液进入第一渗透汽化储罐3。3.除去了固含物后的丁醇发酵液经过渗透汽化膜系统逐级分离浓缩获得丁醇浓缩液(I)除去了固含物的丁醇发酵液经过一级优先透醇渗透汽化膜系统进行初步的分离浓缩第一渗透汽化储罐3中料液温度维持在40 60°C，系统真空度维持在300Pa左右，第一渗透汽化膜分离器5中使用的渗透汽化膜为以水为溶剂制备的硅橡胶/聚偏氟乙烯渗透汽化复合膜。第一渗透汽化储罐3中的除去了固含物后的丁醇发酵液经泵4进入第一渗透汽化膜分离器5进行分离浓缩，未透过膜的料液返回第一渗透汽化储罐3，透过侧的气体进入换热器6进行热量交换后冷凝为液体进入分相装置7，在分相装置7中，上层为有机相，其中的丁醇浓度为72%，下层为水相，其中的丁醇浓度为7. 15%，分相装置7中的一级有机相料液通过料液泵16进入第三渗透汽化储罐18，一级水相料液通过料液泵9进入第二渗透汽化储罐10。(2) 一级水相料液进入二级优先透醇渗透汽化膜系统进行分离浓缩第二渗透汽化储罐10中料液的温度保持在40 60°C，第二渗透汽化膜分离器12中所使用的渗透汽化膜与第一渗透汽化膜分离器5中的相同，第二渗透汽化膜分离器12透过侧气体经过换热器13冷凝后进入分相装置14，在分相装置7中，上层为有机相，其中的丁醇质量分数为82%，下层为水相，其中的丁醇质量分数为6. 13%，分相装置14中的二级有机相料液通过料液泵17进入第三渗透汽化储罐18，二级水相料液通过料液泵15返回第二渗透汽化储罐10。(3) 一级有机相料液和二级有机相料液进入优先透水渗透汽化膜系统进行脱水浓缩第三渗透汽化储罐18中料液的温度保持在50°C，第三渗透汽化膜分离器20中所使用的渗透汽化膜为聚乙烯醇/聚砜渗透汽化复合膜，第三渗透汽化膜分离器20透过侧气体经换热器21冷凝后得到高浓度丁醇浓缩液，其中总溶剂质量分数达99.5%，丁醇质量分数达88. 4%，在产品罐22中收集储存，该浓缩液中除含高浓度作为主产物的丁醇外，还含有少量乙醇、丙酮和丁酸等副产物，未透过的料液返回第三渗透汽化储罐18。本实施例实现了甜高粱渣水解液间歇式生物质发酵与多级渗透汽化技术的耦合，发酵液经过过滤装置处理后即可直接进行渗透汽化，简化了生产工艺流程，降低了生产成本；与单级渗透汽化相比，渗透液中丁醇的浓度提高了 4倍。实施例3 I.发酵底物经过分批补料式生物发酵获得丁醇发酵液在该过程中，以甜高粱茎杆汁液中的糖类物质为碳源进行分批补料式厌氧发酵获得丁醇发酵液，其工艺流程示意图见图2。(I)配制培养基以甜高粱茎杆汁液为底物配制培养基，培养基组成为总糖65g/L，磷酸二氢钾O. 8g/L，磷酸氢二钾O. 8g/L，硫酸镁O. 25g/L以及其他微量元素与生长因子。将配制好的培养基转移入发酵罐I中进行高温灭菌，待发酵罐I内温度降至40°c后通入无菌氮气构建无氧环境。(2)接种无菌操作条件下向发酵罐I内的培养基中接入已经活化的菌种Clostridium acetobutylicum ABE1101，接种量为I : 10 (菌种培养液的体积/底物培养基的体积)。(3) ABE 发酵在37°C恒温条件下,接种到发酵罐 I 内的 Clostridium acetobutylicum ABE1101以甜高粱茎杆汁液中的糖类物质为碳源进行厌氧发酵，得到丁醇发酵液，该发酵液中除富含作为主产物的丁醇外，还含有少量乙醇、丙酮和丁酸等副产物；发酵过程中，发酵底物以分批补加的方式加入发酵罐I中，使得发酵罐I中发酵底物维持在50 70g/L，以确保发酵过程长时间稳定、连续进行；同时，定时取样分析发酵液中底物的变化以及溶剂的变化。2. 丁醇发酵液经过过滤分离去除固含物在发酵罐I中，发酵经过48h后，检测到发酵液中丁醇的质量分数达到1.0%，此时，开启发酵罐出料阀，发酵罐I中的丁醇发酵液流出发酵罐I进入过滤装置2'，经过过滤分离，所获得的除去了固含物的丁醇发酵液进入第一渗透汽化储罐3。3.除去了固含物的丁醇发酵液经过渗透汽化膜系统逐级分离浓缩获得丁醇浓缩液(I)除去了固含物的丁醇发酵液经过一级优先透醇渗透汽化膜系统进行初步的分离浓缩第一渗透汽化储罐3中料液温度维持在40 60°C，系统真空度维持在300Pa左右，第一渗透汽化膜分离器5中使用的渗透汽化膜为以水为溶剂制备的硅橡胶/聚偏氟乙烯渗透汽化复合膜。第一渗透汽化储罐3中的除去了固含物的丁醇发酵液经泵4进入第一渗透汽化膜分离器5进行分离浓缩，未透过膜的料液返回第一渗透汽化储罐3，透过侧的气体进入换热器6进行热量交换后冷凝为液体进入分相装置7，在分相装置7中，上层为有机相，其中的丁醇浓度为71.2%，下层为水相，其中的丁醇浓度为7. 43%，分相装置7中的一级有机相料液通过料液泵16进入第三渗透汽化储罐18，一级水相料液通过料液泵9进入第二渗透汽化储罐10。
(2) 一级水相料液进入二级优先透醇渗透汽化膜系统进行分离浓缩第二渗透汽化储罐10中料液的温度保持在40-60°C，第二渗透汽化膜分离器12中所使用的渗透汽化膜与第一渗透汽化膜分离器5中的相同，第二渗透汽化膜分离器12透过侧气体经过换热器13冷凝后进入分相装置14，在分相装置7中，上层为有机相，其中的丁醇质量分数为80. 5%，下层为水相，其中的丁醇质量分数为6. 32%，分相装置14中的二级有机相料液通过料液泵17进入第三渗透汽化储罐18，二级水相料液通过料液泵15返回第二渗透汽化储罐10。(3) 一级有机相料液和二级有机相料液进入优先透水渗透汽化膜系统进行脱水浓缩第三渗透汽化储罐18中料液的温度保持在50°C，第三渗透汽化膜分离器20中所使用的渗透汽化膜为聚乙烯醇/聚砜渗透汽化复合膜，第三渗透汽化膜分离器20透过侧气体经换热器21冷凝后得到高浓度的丁醇浓缩液，其中总溶剂质量分数达99. 3%，丁醇质量分数达87.8%，在产品罐22中收集储存，该浓缩液中除含高浓度作为主产物的丁醇外，还 含有少量乙醇、丙酮和丁酸等副产物，未透过的料液返回第三渗透汽化储罐18。本实施例实现了甜高粱茎杆汁液分批补料式生物质发酵与多级渗透汽化技术的耦合，大大降低了发酵过程中产生的丁醇对微生物细胞生长的抑制作用，发酵液经过过滤装置处理后即可直接进行渗透汽化，简化了生产工艺流程，降低了生产成本；与间歇发酵相t匕，渗透液中丁醇的浓度提高了 70. 48倍，丁醇的生产强度达到O. 89g/(L. h)，比间歇发酵提高了 3. 39倍。
权利要求
1.一种生物质发酵耦合渗透汽化分离生产丁醇的方法，包括 过程A，发酵发酵底物在发酵装置中经过发酵获得丁醇发酵液； 过程C，膜分离丁醇发酵液经过渗透汽化膜系统逐级分离浓缩获得丁醇浓缩液； 其中，渗透汽化膜系统包括一级优先透醇渗透汽化膜系统、二级优先透醇渗透汽化膜系统以及二级优先透水渗透汽化膜系统。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于在过程C中，包括 步骤1，丁醇发酵液经过一级优先透醇渗透汽化膜系统进行初步的分离浓缩，透过侧浓缩液经分相处理分为一级有机相料液和一级水相料液； 步骤2，步骤I分相处理获得的水相料液进入二级优先透醇渗透汽化膜系统进行分离浓缩，透过侧浓缩液经分相处理分为二级有机相料液和二级水相料液； 步骤3，一级有机相料液和二级有机相料液进入优先透水渗透汽化膜系统进行脱水浓缩，得到丁醇浓缩液。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述优先透醇渗透汽化膜系统中所使用的渗透汽化膜选自八甲基环四硅氧烷、四甲基四乙烯基环四硅氧烷、羟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、纤维素及其改性材料所制备的渗透汽化膜中的一种或几种。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述优先透水渗透汽化膜系统中所使用的渗透汽化膜选自聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚丙烯酸、聚酰胺、聚酰亚胺、高分子离聚物、壳聚糖、藻朊酸、醋酸纤维素及其改性材料所制备的渗透汽化膜中的一种或几种。
5.根据权利要求I所述的方法，其特征在于在过程A和过程C之间，还包括过程B，固含物分离丁醇发酵液经过微滤分离或过滤分离去除固含物，获得去除了固含物的丁醇发酵液。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述微滤分离在微滤装置中进行，所述微滤装置中所使用的微滤膜选自纤维素、乙酸纤维素、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、尼龙、氧化锆、氧化钛、氧化铝及其改性材料中所制备的微滤膜中的一种或几种。
7.根据权利要求I所述的方法，其特征在于在过程A中，所述生物质发酵在发酵罐中进行，所述发酵包括间歇式发酵、分批补料发酵和连续流加发酵。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于从发酵罐中抽出的丁醇发酵液中丁醇的质量分数为0.5% 1.4%。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于在所述连续流加发酵过程中，从发酵罐中抽出的丁醇发酵液中丁醇的质量分数为0. 5% 0. 9%。
全文摘要
本发明涉及一种生物质发酵耦合渗透汽化分离生产丁醇的方法。该方法首先利用生物质发酵液经过优先透醇渗透汽化膜系统后透过侧液体出现油水分层现象的特点，对透过侧水相和油相分别选用优先透醇渗透汽化膜系统和优先透水渗透汽化膜系统进行丁醇产物的高度浓缩，从而得到含水量极少的高浓度有机物浓缩液，所获得的有机物浓缩液的浓度可达99.5wt％，极大地提高了分离效率，降低了生产过程的能耗；其次，本发明将渗透汽化技术与生物质发酵过程相耦合，实现了发酵液中丁醇的适时分离移除，降低了丁醇对微生物细胞生长的抑制作用，提高了发酵产率和底物利用率，极大地降低了生产成本。
文档编号C12P7/16GK102757984SQ201210228150
公开日2012年10月31日 申请日期2012年7月2日 优先权日2012年7月2日
发明者李树峰, 秦培勇, 秦帆, 谭天伟 申请人:北京化工大学