从稀水溶液回收高级醇的制作方法

专利名称：从稀水溶液回收高级醇的制作方法
技术领域：
本申请一般性地涉及从稀水溶液(dilute aqueous solutions)如发酵肉汤 (fermentation borths)中回收 C3-C6 醇的方法。
背景技术：
生物燃料具有很长的历史，可追溯至20世纪初。早在1900年，Rudolf Diesel在 法国巴黎的世博会上展示了靠花生油运转的发动机。其后不久，Henry Ford展示了他的靠 源自玉米的乙醇运转的Model Τ。在20世纪30年代和40年代，源自石油的燃料由于低成 本供给增加和效率增加而代替了生物燃料。市场在20世纪七十年代由于阿拉伯石油禁运和伊朗革命而波动，伴随着美国石 油生产的降低导致原油价格上升，对生物燃料的兴趣复兴。而今，许多感兴趣的组织(包括 决策者，工业设计者，意识到的公民和金融界)都对用源自生物质(biomass)的生物燃料 代替源自石油的燃料感兴趣。开发生物燃料的一种最主要的动机是经济方面的，即，“峰油 (peak oil)”(原油的消耗速率超过供应速率，从而导致燃料成本显著增加的点)的威胁导 致对可供选择的燃料的需求增加。目前，生物燃料往往使用局部农业来源在许多相对小的设备中生产，并且被视作 提供稳定和安全的燃料供应，其不受与石油相关的地区问题影响。同时，生物燃料能够提高 国家经济的农业比重。另外，由于燃料的化石来源(fossil sources)花费数亿年再生和它 们的使用增加了大气中的二氧化碳水平，导致气候变化忧虑，所以持续(sustainability) 是重要的社会和伦理驱动力，其正在开始导致政府管制和政策，例如汽车二氧化碳排放的 上限、二氧化碳排放的赋税和对于使用生物燃料的税收刺激。生物燃料的接受性(acceptance)主要取决于当与源自石油的燃料比较时生物燃 料的经济竞争力。在成本方面不能与源自石油的燃料竞争的生物燃料将限于特殊的应用 (specialty applications)和狭缝市场(niche markets)。当今，生物燃料的使用限于乙 醇和生物柴油。目前，乙醇通过发酵制备，在美国用玉米，在巴西用甘蔗，以及在世界范围内 用其它谷物。如果原油保持在每桶50美元以上，则乙醇可与源自石油的汽油竞争，补贴或 赋税益处除外。当原油超过$60/桶时，生物柴油可与基于石油的柴油竞争(Nexant Chem Systems，2006， Final Report， Liquid Biofuels -Substituting for Petroleum， White Plains，New York)。数个因素影响基于碳水化合物的生物燃料来源的核心操作成本。除了含碳的，植物制造原料的成本之外，对于乙醇或其它潜在的基于醇的生物燃料如丁醇，在产品经济成 本中的主要因素是从水流(aqueous streams)回收和纯化生物燃料。已经开发了许多技术 手段，用于从水基发酵培养基经济地除去醇。当今使用最广泛的回收技术使用蒸馏和分子 筛干燥来生产乙醇。例如，通过基于梭菌的丙酮_ 丁醇_乙醇发酵进行的丁醇生产也依靠 蒸馏回收和纯化产品。从水溶液蒸馏需要消耗大量能量。对于乙醇，需要另外的加工设备 以破坏乙醇/水共沸混合物。这种设备，分子筛，也使用大量能量。已经研究了许多单元操作用于回收和纯化发酵生产的醇，包括过滤、液/液萃取、 膜分离(例如，切向流过滤、渗透蒸发和perstraction)、气提和溶液的"盐析"、吸附和吸 收。取决于产品的回收情况和产品的物理和化学性质以及它所驻留的基体，每种手段均具 有优点和缺点。可以将控制生物燃料生产成本的变量的特点在于影响操作成本、资本成本或者操 作成本和资本成本的变量。通常，控制发酵经济性能的主要变量包括目标产物的碳水化合 物收率(carbohydrate yield to desired product)、产口口口浓度禾口容禾只生产率(volumetric productivity)。所有三个主要变量(收率、产品浓度和容积生产率)均既影响资本成本， 又影响操作成本。当基于发酵碳水化合物的产品收率增加时，对于给定的生产单元，生产成本相对 于原料成本线性地减少。基于碳水化合物的产品收率也影响设备尺寸、资本支出、设施 (utilities)消耗量和给料制备材料(feed stock preparation materials)如酶、矿物、养 料(维生素)和水。例如，在理论上，由葡萄糖生成丁醇的产率从50%增加至90%，这导致 直接操作成本减少44 %。此外，90 %的提高收率减少了处理和加工的原料量。增加的收率直 接减少了生产设施所需要的资本投资，这是因为从碳水化合物制备至纯化和回收的所有设 备均减小了尺寸。如果收率从50%增加至90%，则设备、管道和设施需求可降低32%。产 品收率对生产成本的直接影响使它成为影响生物燃料的成本和市场可行性的主要因素。提 高产品收率的一种手段涉及遗传工程微生物(Genetically Engineered Microorganisms) (GEM)，可以构造所述遗传工程微生物以操纵生物的代谢途径，从而减少或消除不希望的产 物，增加希望的代谢物的效率或既减少或消除不希望的产物又增加希望的代谢物的效率。 这容许去掉低价值产物(low cost product)和不希望的产物中的一种或两种，从而增加希 望的产物的生产。例如，美国专利申请公开文本20050089979披露了利用拜氏梭菌微生物 (Clostridium beijerinckii microorganism)的发酵方法，该方法产生含 5. 3g/L 丙酮、 11. 8g/L 丁醇和5g/L乙醇的产物混合物。适当修饰的遗传工程微生物消除了丙酮和乙醇产 物，同时提高了碳水化合物向丁醇的转化率。将碳水化合物给料(feedstock)的产物从乙 醇和丙酮转向丁醇使丁醇产量从11. 8g/L提高至18. 9g/L，丁醇产量相对于碳水化合物消 耗提高了 60%。因为需要较少的设备来完成回收和纯化，所以乙醇和丙酮副产物的消除也 使资本成本降低。生物化学工具(包括遗传工程和传统菌株发展)的应用也能够影响最终产物浓度 (g/L)和生物催化剂发酵容积生产率(g/L-hr)。最终产物浓度和容积生产率影响产品经济 的几个方面，包括设备尺寸、原料使用和设施成本。当在发酵中可容许的产物浓度增加时， 水溶液的回收体积将降低，这导致减少的资本成本和在生产设施中处理较小体积的材料。
容积生产率直接影响实现相同的产物生产量所需要的发酵器容积。例如，常规的 拜季林斯基梭菌(Clostridium beijerinckii)丙酮-丁醇-乙醇(ABE)发酵生成成比 例的丙酮、丁醇和乙醇。遗传工程微生物容许设计生产单一产物，例如正丁醇、异丁醇或 2_ 丁醇(Donaldson 等人，美国专利申请 11/586,315)。丁醇耐受宿主(Butanol tolerant hosts)可以通过使用识别技术识别和强化丁醇耐受性(-Bramucci等人，美国专利申请 11/743，220)。然后可以将这两种技术组合起来，从而以商业上的相对浓度和容积生产率生 成丁醇。利用GEM来增加产物容积生产率和浓度可以强烈影响产品经济。例如，对于大型 工业化的生物燃料发酵设施，以两倍的容积生产率完成的丁醇发酵将减少发酵器成本将近 50%。发酵器资本成本和尺寸的降低减少了设施的折旧和操作成本。类似地，如果GEM得 到了可耐受较高丁醇浓度的生物体，则对于给定的生产体积，操作和资本成本将降低。例 如，如果野生型菌株能够耐受20g/L 丁醇和相应的基因改善或基因强化的微生物耐受40g/ L 丁醇，则在下游回收和纯化设备中处理的发酵器的发酵肉汤体积中的水负荷量降低一半。 在该实例中，在发酵肉汤中产物浓度的加倍几乎将在回收单元操作中回收和处理的水量减 半。大量的较小价值组分也影响生物燃料生产的操作和资本成本。能够影响发酵的示 例性因素包括但不限于化学添加剂，PH控制、表面活性剂和污染是所述因素中的一些，但是 许多另外的因素也能够影响发酵产物成本。

发明内容
在一实施方案中，本发明提供了从含微生物和C3-C6醇的发酵肉汤中回收C3-C6 醇的方法。所述方法包括将C3-C6醇在发酵肉汤部分中的活度提高到至少为所述C3-C6醇 在所述部分中达到饱和时的活度的步骤。可供选择地，所述方法可以包括将水在发酵肉汤 部分中的活度降低到至少为所述C3-C6醇在所述部分中达到饱和时的活度的步骤。所述方 法还包括从所述发酵肉汤部分形成C3-C6醇富集液相(C3-C6 alcohol-rich phase)和水 富集液相(water-rich phase)的步骤。所述方法还包括使C3-C6醇富集相与水富集相分 离的步骤。在另一实施方案中，本发明提供了生成C3-C6醇的方法。所述方法包括在发酵培 养基中培养微生物以生成C3-C6醇的步骤。所述方法还包括将所述C3-C6醇在发酵培养基 部分中的活度提高到至少为所述C3-C6醇在所述发酵培养基中达到饱和时的活度。所述方 法还包括从所述发酵培养基部分形成C3-C6醇富集液相和水富集相的步骤。所述方法还包 括使C3-C6醇富集相与水富集相分离的步骤。所述方法还包括将水富集相导引至所述发酵 培养基的步骤。在另一实施方案中，本发明提供了生成C3-C6醇的方法。所述方法包括水解含多 糖和至少一种其它化合物的给料(feedstocks)以生成可发酵水解产物。所述方法还包括 在发酵培养基中发酵至少部分的所述可发酵水解产物以生成C3-C6醇，其中所述发酵培养 基还包含至少一种非经发酵的化合物(non-fermented compund)。所述方法还包括将所述 C3-C6醇在发酵培养基部分中的活度提高到至少为所述C3-C6醇在所述发酵培养基中达到 饱和时的活度的步骤。所述方法还包括从所述发酵培养基部分形成C3-C6醇富集液相和水富集相。所述方法还包括使C3-C6醇富集相与水富集相分离。所述方法还包括从发酵培养 基、水富集相或肉汤分离所述至少一种非经发酵的化合物。在一些实施方案中，水解给料的 步骤包括糖化。在一些实施方案中，水解步骤、发酵步骤和提高C3-C6醇的活度的步骤中的 至少两个同时进行至少一段时间。在一些实施方案中，发酵的步骤用能够水解所述给料的 微生物进行。在另一实施方案中，本发明提供了从含微生物和C3-C6醇的发酵肉汤中的C3-C6 醇制造产物的方法。所述方法包括以下步骤从发酵肉汤蒸馏含水和C3-C6醇的蒸气相并 使蒸气相中的C3-C6醇反应以形成产物。在一些实施方案中，所述C3-C6醇为丙醇以及在 蒸气相中C3-C6醇对水的比率为大于约0. 2(w/w)。在一些实施方案中，所述C3-C6醇为丁 醇以及在蒸气相中C3-C6醇对水的比率为大于约l(w/w)。在一些实施方案中，所述C3-C6 醇为戊醇以及在蒸气相中C3-C6醇对水的比率为大于约4(w/w)。在一些实施方案中，反应 的步骤在催化剂的存在下进行。在一些实施方案中，所述催化剂为多相催化剂。在另一实施方案中，本发明提供了生成C3-C6醇的方法。这种方法包括在发酵培 养基中培养微生物以生成C3-C6醇的步骤。这种方法还包括将提高在发酵培养基部分中 C3-C6醇的活度的步骤。所述方法还包括蒸馏发酵培养基部分以生成液相和含水和C3-C6 醇的蒸气相的步骤，和将所述液相导引至发酵培养基的步骤。在另一实施方案中，本发明提供了从含第一含量的C3-C6醇的稀水溶液回收 C3-C6醇的方法。所述方法包括蒸馏稀水溶液部分至含C3-C6醇和水的蒸气相，其中所述 蒸气相含有来自于所述稀水溶液部分的C3-C6醇的第一含量的约1重量％至约45重量％。 所述方法还包括凝结所述蒸气相。在各实施方案中，所述蒸气相可以含有来自于所述稀水 溶液的C3-C6醇的约2重量％至约40重量％，约3重量％至约35重量％，约4重量％至约 30重量％或约5重量％至约25重量％。在一些实施方案中，所述方法包括从凝结蒸气相 形成C3-C6醇富集液相和水富集液相。在一些实施方案中，所述方法包括分离C3-C6醇富 集相和水富集相。在一些实施方案中，蒸馏的步骤为单级蒸馏。所述蒸馏可以为绝热的或 等温的。在各实施方案中，醇从稀水溶液至凝结蒸气的富集度(enrichment)可为至少约5 倍，至少约10倍或至少约15倍。在另一实施方案中，本发明提供了操作改造的乙醇生产装置(retrofit ethanol production plant)的方法。在一些实施方案中，所述改造装置包含预处理单元、多重发酵 单元(multiple fermentation units)和发酵醪蒸馏器(beer still)以生成 C3-C6 醇。 所述方法包括在预处理单元中预处理给料以形成可发酵糖。所述方法还包括在第一发酵单 元中在含可发酵糖的发酵培养基中培养微生物以生成C3-C6醇。所述方法还包括处理含 C3-C6醇的发酵培养基部分以除去C3-C6醇部分。所述方法还包括使所述处理过的发酵培 养基部分返回至第一发酵单元。所述方法还包括将发酵培养基从第一发酵单元转移至发酵 醪蒸馏器。在各实施方案中，所述改造装置的C3-C6醇生产量为改造前所述装置的乙醇最 大生产量的C3-C6醇等价物的至少约80%，至少约90%或至少约95%。在另一实施方案中，本发明提供了从水溶液萃取C3-C6醇的方法。所述方 法包括使所述水溶液与酸性的、基于胺的、醇选择性萃取剂(acidic，amine-based alcohol-selective extractant)接触。在一些实施方案中，在接触步骤后形成两相。在一 些实施方案中，所述酸性的、基于胺的萃取剂是通过对有机胺溶液进行酸化而形成。
在各实施方案中，在发酵肉汤或发酵培养基中C3-C6醇对水的比率可为小于约 9/91 (w/w)，小于约 6/94 (w/w)或小于约 3/97 (w/w)。在一些实施方案中，提高活度的步骤可以包括添加亲水性溶质(hydrophilic solute) 0在一些实施方案中，该步骤可以包括蒸馏含水和C3-C6醇的蒸气相。在一些实施 方案中，该步骤可以包括反渗透。在一些实施方案中，该步骤可以包括渗析。在一些实施方 案中，该步骤可以包括在醇选择性吸附剂上吸附C3-C6醇。在一些实施方案中，该步骤可以 包括将C3-C6醇萃取至醇选择性萃取剂中。在一些实施方案中，该步骤可以包括在水选择 性吸附剂上吸附水。在一些实施方案中，该步骤可以包括将水萃取至水选择性萃取剂中。在 一些实施方案中，该步骤可以包括选择性地除去水，选择性地结合水或选择性地排斥水。在各实施方案中，所述C3-C6醇为丙醇、丁醇、戊醇或己醇。在一些实施方案中，所 述丙醇可为1-丙醇或2-丙醇。在一些实施方案中，所述丁醇可为1-丁醇、2-丁醇、叔丁醇 (2-甲基-2-丙醇)或异丁醇(2-甲基-1-丙醇)。在一些实施方案中，所述戊醇可为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。在一些实施方案中，所述己醇可为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。 在一优选实施方案中，所述C3-C6醇为异丁醇。在一些实施方案中，本发明方法还包括冷却醇富集相以提高在醇富集相中醇对水 的比率的步骤。在一些实施方案中，所述方法包括从醇富集相回收C3-C6醇的步骤。在各实施方 案中，回收步骤可以包括以下步骤蒸馏、渗析、水吸附、通过溶剂萃取来萃取C3-C6醇、与 在水中不可混溶的烃液体接触或与亲水性化合物接触。该步骤可以产生两个相，包括含 C3-C6醇和水的第一相和含C3-C6醇的第二相，其中在第二相中水对C3-C6醇的比率小于在 第一相中水对C3-C6醇的比率。在各实施方案中，所述第二相可以含有至少约90重量％的 醇，至少约95重量％的醇或至少约99重量％的醇。在一些实施方案中，回收步骤可以包括蒸馏C3-C6醇富集相。在该实施方案中，第 一相为含醇和水的蒸气相以及第二相为含醇的高沸点产物。在一些实施方案中，所述方法 还可以包括在提高C3-C6醇活度的步骤之前使发酵肉汤与高沸点产物合并。在一些实施方 案中，所述方法可以包括在提高C3-C6醇活度的步骤之前使发酵肉汤与水富集相合并。在一些实施方案中，在提高活度的步骤之后，可以将稀水溶液的剩余部分导引至 发酵容器。在一些实施方案中，所述剩余部分可以含有杂质，以及所述方法还包括在将溶液 导引至发酵容器之前从至少部分的剩余部分除去至少部分的杂质。在一些实施方案中，所 述发酵肉汤含有杂质，以及在C3-C6醇富集液相中杂质对C3-C6醇的比率大于在水富集相 中的比率。在一些实施方案中，提高C3-C6醇活度的步骤可以包括蒸馏含水和醇的蒸气相并 凝结所述蒸气相。在这些实施方案的一些中，在蒸馏步骤之前，可以处理所述发酵肉汤部分 以除去水。在一些实施方案中，可以处理所述C3-C6醇富集相以除去水。在一些实施方案 中，除水可以与蒸馏步骤同时进行。除水可以通过选择性地除去水，选择性地结合水或选择性地排斥水来进行。在各实施方案中，除水可以通过以下方法实现添加亲水性溶质、添加 碳源、反渗透、渗析、在醇选择性吸附剂上吸附醇、将醇萃取至醇选择性萃取剂中、在水选择 性吸附剂上吸附水或将水萃取至水选择性萃取剂中。在一些实施方案中，在C3-C6醇富集相中C3-C6醇对水的比率比在发酵肉汤中 C3-C6醇对水的比率大至少约5倍。在一些实施方案中，蒸馏在低于大气压力的压力和在约20°C至约95°C的温度进 行。在一些实施方案中，蒸馏步骤在约0.025bar至约IObar的压力进行。蒸馏步骤可以在 发酵容器中或在蒸馏容器中进行。在一些实施方案中，在引入到蒸馏容器中之前，所述发酵 肉汤部分的温度为约20°C至约95°C。在一些实施方案中，在蒸馏容器中使所述发酵肉汤部 分的压力低于大气压力。在一些实施方案中，在蒸馏步骤之后，将发酵肉汤的剩余部分从蒸 馏容器导引至发酵容器。在各实施方案中，所述发酵容器可以处于大气压力，低于大气压力 的压力或高于大气压力的压力。在一些实施方案中，所述C3-C6醇为丙醇以及在醇富集相中所述醇对水的比率大 于约0. 2(w/w)。在一些实施方案中，所述C3-C6醇为丁醇以及在醇富集相中所述醇对水的 比率大于约1 (w/V)。在一些实施方案中，所述C3-C6醇为戊醇以及在C3-C6醇富集相中 C3-C6醇对水的比率大于约4 (w/w)。在一些实施方案中(其中所述提高醇的活度的步骤包括蒸馏含水和C3-C6醇的蒸 气相并凝结所述蒸气相)，所述蒸气相可以含有水和醇的共沸物。在一些实施方案中，在醇 富集相中所述醇对水的比率大于共沸物中的比率。在一些实施方案中，本发明方法还包括处理C3-C6醇富集相。在一些实施方案中， 处理步骤可以包括从C3-C6醇富集相蒸馏基本上纯的C3-C6醇。在一些实施方案中，处理 可以包括从C3-C6醇富集相蒸馏C3-C6醇的共沸物。在一些实施方案中，处理可以包括使 C3-C6醇富集相与C3-C6醇选择性吸附剂接触。在一些实施方案中，处理可以包括将C3-C6 醇富集相中的C3-C6醇转化成烯烃。在一些实施方案中，处理可以包括使C3-C6醇富集相 与在水中不可混溶的烃液体合并。在一些实施方案中，所述合并可以形成单一均相。在一 些实施方案中，所述合并可以形成轻相和重相，以及在轻相中醇对水的比率可以大于在重 相中的比率。在一些实施方案中，所述培养可以包括以下方法分批发酵、补料-分批发酵、连 ^'RM^fkWiJim^M (cell recycle fermentation) BlJxjS^ (enzyme reaction process)。在一些实施方案中，所述微生物可为丁酸梭菌(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。在一些实施方案中，所述微生物可为耐温微生物。在一些实施方案中，所述微生物可以 在约20°C至约95°C的温度生存。在一些实施方案中，所述微生物的生产率可为至少约每小 时 0. 5g/L。附图简述

图1示出用于生成和回收异丁醇的本发明实施方案。图2示出以对预处理过的玉米同时进行糖化和发酵的方法从发酵肉汤生成和回 收丁醇的本发明实施方案。
具体实施例方式本发明描述了从稀水溶液如发酵肉汤中回收C3-C6醇的方法。发酵和回收可以同 时进行。在发酵期间结合回收具有几个重要的经济优点。这种结合为发酵提供了改善的容 积生产率并容许回收醇。另外的经济优点是降低了干燥用过的发酵肉汤所需要的能量。这 是因为，对于给定的发酵，回收的醇产物的批次浓度(batch concentration)通过同时的发 酵和回收过程得到了提高，这提高了每干燥一定量的发酵肉汤生成和回收的醇的量。术语 “批次浓度”是指对于给定的发酵器容积基于分批发酵期间生产的所有的C3-C6醇(虽然在 发酵期间除去了一些C3-C6醇)的浓度。因此，本发明容许以低资本和降低的操作成本生 成和回收C3-C6醇。将术语“发酵”或“发酵方法”定义为在含原料(例如给料和养料)的培养基中 培养生物催化剂的方法，其中所述生物催化剂将原料如给料转化成产物。在美国专利申请 12/263，436 和 12/263，442 (2008 年 10 月 31 日提交)、临时申请 61/110，543 (2008 年 10 月 31日提交)和临时申请61/121,830(2008年12月11日提交)中详细地讨论了适用于本发 明的生物催化剂和相关发酵方法，将其全部内容通过引用的方式并入本文。所述生物催化 剂可为能够将选择的给料转化成希望的C3-C6醇的任何微生物。下面讨论了生物催化剂的 其它方面。含可水解碳源的任何给料均适用于本发明。术语“发酵肉汤”和“发酵培养基”的意义相同。除非明确地指出，应将术语发酵 肉汤解释为包括含微生物的发酵肉汤以及不含微生物的发酵肉汤。在一实施方案中，本发明包括从C3-C6醇的稀水溶液(例如含微生物和C3-C6醇 的发酵肉汤)回收C3-C6醇的方法。该方法包括将所述C3-C6醇在水溶液部分中的活度提 高到至少为所述C3-C6醇在所述部分中达到饱和时的活度。术语“C3-C6醇在所述水溶液 中达到饱和”是指所述C3-C6醇在该水溶液的条件(例如温度和压力)下的最大浓度。所 述方法还包括从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醇富集相与水富集相分离。在一种可供选择的实施方案中，本发明包括从C3-C6醇的稀水溶液(例如含微生 物和C3-C6醇的发酵肉汤)回收C3-C6醇的方法。该方法包括将水在水溶液部分中的活度 降低到至少为所述C3-C6醇在所述部分中达到饱和时的活度。所述方法还包括从所述水溶 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醇富集相与水富 集相分离。提高醇的活度的实例是当例如通过蒸馏、萃取和吸附将醇相对于水选择性地除 去以形成另一相时，其中所述其它相分别为气相、溶剂相和固体吸附剂相。在气相凝结、从 溶剂分离或从吸附剂分离后，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 实例是当例如通过水的选择性吸附、萃取和甚至冷冻将水相对于醇选择性地除去以形成另 一相时。结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，如果将亲水性溶质添加至醇的水溶液，则它既降低水的活度又提高醇的活度。本申请使用的术语“C3-C6醇”是指含三个、四个、五个或六个碳原子的醇，包括其 所有的异构体，和前述任何醇的混合物。因此，所述C3-C6醇可以选自丙醇、丁醇、戊醇和 己醇。更具体地，C3醇可为1-丙醇或2-丙醇；C4醇可为1- 丁醇、2- 丁醇、叔丁醇(2-甲 基-2-丙醇)或异丁醇(2-甲基-1-丙醇)；C5醇可为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醇可为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。在一优选实施方案中，C3-C6醇为异丁醇 (2-甲基-1-丙醇)。本申请使用的“稀”水溶液是指所含的C3-C6醇的浓度低于所述C3-C6醇在所述溶 液中的溶解度极限的溶液。浓度可以用许多不同的单位表示，例如重量或体积百分数、摩尔 浓度、质量摩尔浓度或者醇/水的W/V或V/V比率。然而，除非另外指明，本申请的浓度表示 为重量百分数。在含至少一种另外的化合物(例如溶质、溶剂、吸附剂等)的流的情况下， 本申请使用的醇重量浓度如下计算100乘以该流中的醇重量除以在该流中醇和水的组合 重量。在一些实施方案中，在稀水溶液中C3-C6醇对水的比率小于约10/90 (w/w)。在一些 优选实施方案中，所述比率小于约9/91 (w/w)，小于约8/92 (w/w)，小于约7/93 (w/w)，小于 约 6/94 (w/w)，小于约 5/95 (w/w)，小于约 4/96 (w/w)，小于约 3/94 (w/w)，小于约 2/98 (w/w)， 小于约 1/99 (w/w)或小于约 0. 5/99. 5 (w/w)。在一些实施方案中，所述稀水溶液可以包括发酵肉汤。在其它实施方案中它可为 发酵肉汤和/或发酵肉汤加工产物如来自于使C3-C6醇富集相与水富集相分离步骤的水富 集相或下述的含C3-C6醇的高沸点产物或这些与发酵肉汤的组合的再循环流。所述发酵肉 汤可以包含C3-C6醇，以及任何杂质。术语“杂质”是指除了水和待纯化的醇以外的任何化 合物。术语杂质包括发酵方法的任何量或不希望的量的任何副产物或共生物，即，与醇的生 产相关，除醇以外的产物。本申请提及的纯化是指提高在产物和除水以外的另一种化合物 之间的比率。所述方法包括将C3-C6醇在水溶液部分中的活度提高到至少为所述C3-C6醇在 所述部分中达到饱和时的活度。当在本申请中使用时，所提及的“部分”的物(例如发酵肉 汤)既包括整个物(例如，整个发酵肉汤)，也包括小于整个物的整个物的某部分(例如，发 酵肉汤的侧流)。溶液部分或发酵肉汤部分也包括转变为蒸气相的溶液或发酵肉汤。C3-C6 醇的活度是指C3-C6醇在水溶液中的有效浓度。C3-C6醇的活度将取决于温度、压力和组 成。因为在非理想溶液如发酵培养基中的分子彼此相互作用和与不同类型的分子具有不同 的相互作用，所以能够改变或修改物种的活度。例如，如果将亲水性溶质引入到异丁醇水溶 液中，则与异丁醇相比，亲水性溶质将以较大的亲和力与溶液中的水相互作用。异丁醇在溶 液中的活度由此将提高。化合物在水溶液中的活度系数是该化合物在与该溶液相平衡的蒸 气相中将以什么浓度存在的指标以及是化合物在水中的浓度的函数。化合物在溶液中的活 度是化合物浓度和它的活度系数的乘积。例如，在异丁醇-水混合物中，异丁醇的活度系数 比水大。因此，在与水溶液相平衡的蒸气相中异丁醇的浓度将比在溶液中高。将C3-C6醇的活度提高到至少为所述C3-C6醇在水溶液中达到饱和时的活度是指 处理水溶液部分以形成含C3-C6醇的组合物，其中所述C3-C6醇相对于水溶液的有效浓度 比在初始部分中的大。该步骤导致一些C3-C6醇不再溶于水溶液和使得能够形成C3-C6醇 富集液相和水富集液相。该处理能够包含各种处理步骤，包括但不限于添加亲水性溶质、蒸 馏含水和C3-C6醇的蒸气相、反渗透、渗析、选择性吸附和溶剂萃取。
本申请使用的术语“渗析”是指通过膜将水从溶液选择性地转移至另一隔间。渗 析不同于反渗透(reverse osmosis)，这是因为在反渗透中，水的转移通过在醇溶液上施加 压力而导致，而在渗析中，通过在隔间中具有浓缩溶液，促使水转移至隔间。根据本发明实施方案，提高C3-C6醇的活度可以包括向水溶液添加亲水性溶质。 在一些实施方案中(其中所述水溶液是发酵肉汤)，可以在发酵肉汤具有微生物的情况下 或在除去微生物后将亲水性溶质添加至发酵器中的整个发酵肉汤或添加至取自发酵器的 部分流。所提及的添加亲水性溶质可以表示提高在溶液部分中已存在的亲水性溶质的浓度 或表示添加先前在溶液中不存在的亲水性溶质。该浓度的提高可以通过外部添加进行。可 供选择地，或者另外地，提高浓度也可以通过原位处理溶液进行，例如通过水解在溶液中已 存在的溶质，例如，水解蛋白质以向溶液添加氨基酸、水解淀粉或纤维素以向溶液添加葡萄 糖和/或水解半纤维素以向溶液添加戊糖。根据另一个优选的实施方案，所述亲水性溶质 可为具有营养价值和任选地在发酵共生物流中终止的亲水性溶质，例如蒸馏器干颗粒和可 溶物(distillers dried grains and solubles, DDGS)。另外地或可供选择地，所述亲水 性溶质可为可发酵的和能够与水富集液相一起转移至发酵器。添加足够的亲水性溶质以使得能够形成第二液相，仅仅通过添加亲水性溶质或与 其它处理步骤组合。所需的量取决于醇的化学性质，所需的量通常随醇中的碳原子数增加 而减少，以及与仲醇或叔醇和支化醇相比，伯醇和直链醇所需的量较少。所需的量还随着发 酵肉汤中醇浓度的增加而减少，以及可能也随着发酵肉汤中其它溶质浓度的增加而减少。 从本发明来看，在各种情况下所需要的量可以根据实验测定。优选的亲水性溶质是具有降低水溶液的水蒸气分压的强烈效果的亲水性溶质。所 添加的亲水性溶质可为盐、氨基酸、水溶性溶剂、糖或它们的组合。在相关的实施方案中，可 以将所述亲水性溶质回收。例如，如果稀水溶液是发酵肉汤且添加以提高C3-C6醇在发酵 肉汤中的活度的亲水性溶质是CaCl2,则在形成醇富集和水富集液相后，CaCl2将主要存在 于水富集液相中并且可以从水富集液相中回收。在一些实施方案中，所述亲水性溶质可为水溶性碳源。在水溶液为发酵肉汤的实 施方案中，可以在发酵肉汤具有微生物的情况下或在除去微生物后将水溶性碳源添加至发 酵器中的整个发酵肉汤或者添加至取自发酵器的部分流。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浓度或表示添加先前在溶液中不存在的水溶 性碳源。该浓度的提高可以通过外部添加进行。可供选择地，或者另外地，提高浓度也可以 通过原位处理溶液进行，例如通过水解在溶液中已存在的碳源，例如，水解蛋白质以向溶液 添加氨基酸、水解淀粉或纤维素以向溶液添加葡萄糖和/或水解半纤维素以向溶液添加戊 糖。根据另一个优选的实施方案，所述水溶性碳源可以具有营养价值和任选地可以在发酵 共生物流中终止，例如蒸馏器干颗粒和可溶物(DDGS)。优选的水溶性碳源是具有降低水溶液的水蒸气分压的强烈效果的水溶性碳源和 能够被良好发酵的水溶性碳源。所添加的水溶性碳源可为碳水化合物，例如单糖、二糖或低 聚糖和它们的组合。该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)和它们的组合。该碳水化合物的前体也是适合的，例如淀粉、纤维素、半纤维素 和蔗糖或它们的组合。在相关的实施方案中，可以将所述水溶性碳源回收或使用。例如，如 果稀水溶液是发酵肉汤部分和添加以提高C3-C6醇在发酵肉汤中的活度的水溶性碳源是葡萄糖，则葡萄糖将主要存在于水富集液相中并且可以将葡萄糖导回至发酵肉汤以为发酵 提供碳。在一些实施方案中，提高C3-C6醇的活度的步骤包括蒸馏含水和C3-C6醇的蒸 气相。可以将水溶液(例如发酵肉汤)蒸馏，其中蒸发所述醇和水以形成醇耗尽的液相 (alcohol-depleted phase)和醇富集的蒸气相。蒸馏步骤可以通过提高水溶液温度，降 低水溶液上的大气压力或其组合来完成。在蒸气相中的C3-C6醇浓度大于在水溶液中的 C3-C6醇浓度。根据一优选实施方案，在蒸气相中C3-C6醇的浓度比水溶液中C3-C6醇的 浓度大至少约5倍，优选为大约10倍，优选为大约15倍，优选为大约20倍，优选为大约25 倍，以及优选为大约30倍。可以将所述蒸气相例如在选择的条件凝结，使得形成不混溶的 醇富集溶液和水富集(即，醇贫瘠)溶液。蒸馏步骤可以在低于大气压力的压力进行，在约大气压力的压力进行或在高于大 气压力的压力进行。本申请提及的大气压力是在海平面的大气压力，以及除非另外指明，本 申请表示的所有压力是绝对压力。适合的低于大气压力的压力包括以下压力约0.025bar 至约1. Olbar，约0. 075bar至约1. Olbar，和约0. 15bar至约1. Olbar。适合的高于大气压 力的压力包括以下压力约1. Olbar至约lObar，约1. Olbar至约6bar，和约1. Olbar至约 3bar。在蒸馏步骤在低于大气压力的压力进行的实施方案中，温度可为约20°C至约 95°C，约 25°C至约 95°C，约 30°C至约 95°C，或约 35°C至约 95°C。在又一实施方案中(其中所述水溶液是发酵肉汤部分且包含微生物，以及其中蒸 馏步骤在蒸馏容器中进行)，所述发酵肉汤部分在引入蒸馏容器前的温度为约20°C至约 95°C，约25°C至约95°C，约30°C至约95°C，或者约35°C至约95°C。在另一实施方案中，在 引入蒸馏容器后将所述发酵肉汤部分的温度调节至希望的值。优选地，使用在这些温度可 存活的微生物，并且甚至更优选地，使用在这些温度既可存活又具有生产能力的微生物。任选地，在蒸馏步骤后，可以将发酵肉汤的醇耗尽的剩余部分从蒸馏容器导引至 发酵容器。任选地，可以将发酵肉汤的醇耗尽的剩余部分与水混合，与给料和/或可能的其 它养料混合以形成用于进一步发酵的培养基。在又一实施方案中(其中所述水溶液部分是发酵肉汤)，蒸馏步骤可以在发酵容 器中进行。在提高C3-C6醇的活度的步骤包括蒸馏含水和C3-C6醇的蒸气相和凝结所述蒸气 相的情况下，所述方法也可以包括处理所述稀水溶液部分以降低水的活度。在各实施方案 中，所述降低水的活度包括在蒸馏步骤之前或与蒸馏步骤同时地除水。处理步骤可以包括 选择性地除去水，选择性地结合水或选择性地排斥水。根据各实施方案，处理步骤可以包括 添加亲水性溶质，添加碳源，反渗透，渗析，在选择性吸附剂上吸附醇，将醇萃取至选择性萃 取剂中，在选择性吸附剂上吸附水或者将水萃取至选择性萃取剂中。在又一实施方案中(其中提高C3-C6醇的活度的步骤包括蒸馏含水和C3-C6醇的 蒸气相和凝结所述蒸气相)，所述方法也可以包括处理C3-C6醇富集相以除去水。处理步骤 可以包括选择性地除去水，选择性地结合水或选择性地排斥水。可供选择地，处理步骤可以 包括添加亲水性溶质，添加碳源，反渗透，渗析，在选择性吸附剂上吸附丁醇，将丁醇萃取至 选择性萃取剂中，在选择性吸附剂上吸附水或将水萃取至选择性萃取剂中。
在一优选实施方案中，蒸馏步骤在闪蒸罐(flash tank)中进行，该闪蒸罐能够有 效地连接至发酵容器，以及所述方法还可以包括使培养基从发酵容器循环至闪蒸罐和使培 养基从闪蒸罐循环至发酵容器。闪蒸是单级蒸馏，其中蒸气和液体从闪蒸系统的出口彼此 之间呈相平衡，以及每一相的温度和压力几乎相同。另一方面，蒸馏包含顺序地串在一起的 一系列闪蒸级(flash stages) 0与闪蒸中相比，在蒸馏期间，即，在多级闪蒸系统(例如蒸 馏塔)中，从顶部出去的蒸气和从底部出去的液体以不同的温度离开。根据另一实施方案，所述方法包括与发酵容器中的压力相比降低在蒸馏容器中的 压力。该压力降低加上绝热蒸发允许从蒸馏容器内的发酵容器中生成的水溶液的发酵肉汤 部分除去热量。可供选择地或者另外地，所述方法可包括对在发酵容器中的来自蒸馏容器 的水溶液提高压力。该压力增加产生热量，所述热量可用于在各个点预热系统。例如，所述 热量可用于预热在闪蒸罐、发酵醪蒸馏器和/或蒸馏塔中的进料，以及还可以在用于将稀 薄釜馏物浓缩成浆料的蒸发器中使用。这些组件下面将详细讨论。闪蒸罐真空蒸发操作就真空压降而言具有更少工程忧虑(engineering concerns)，这是因为闪蒸罐充当单级分离，在闪蒸罐上没有影响系统的压降的多级液体， 以及在整个闪蒸罐操作过程中的压差可以非常低。可以适当地选择对闪蒸罐中的蒸气产生 和管道系统的尺寸的设计计算，以实现低压降。与蒸馏塔相比，在闪蒸罐中蒸馏C3-C6醇需 要较小的真空度，因此，只要设备尺寸较小且结构较简单，闪蒸罐具有较低的操作成本和资 本成本。在一优选实施方案中，当提高C3-C6醇的活度的步骤包括蒸馏含水和C3-C6醇的 蒸气相时，混合蒸气包含共沸组合物(azeotropic composition)。当分子力致使两种或更 多种分子物种表现为新的蒸气/液体物种时，形成共沸物。因为共沸物组合物“窄点(Pinch point) ”妨碍将混合物蒸馏成纯组分，共沸物通常被化学工艺工业视为限制。共沸物并不能 从蒸馏过程产生纯组分，而是共沸物本身表现为在蒸馏塔顶部的共沸组合物(作为最低沸 点共沸物)或表现为蒸馏塔底部的共沸组合物(作为最高沸点共沸物)。当发酵产物与水形成最高沸点共沸物时，必须将所有的非共沸物结合的水蒸发和 置顶蒸馏。在发酵肉汤中的产物通常是稀的。结果，当形成最高沸点共沸物时，滚沸和除去 额外的未结合水所需要的能量的量是很大的热负荷，并且这能够常常使得蒸馏的蒸发和凝 结过程不经济。另外，最高沸点共沸物在高于纯物种沸点的温度出现，从而提高了蒸馏系统 中的底部温度。结果，具有最高沸点的底部产物经历与纯物质相比较高的热历史。这种高 温热历史能够降低发酵的主要产物和共生物的价值。蒸馏器干颗粒和可溶物(DDGS)(其通 常用作进料成分)是该共生物的一个实例，其在暴露于高热量的情况下能够降低品质并失 去营养价值。因为共沸物的活度系数大于1，最低沸点共沸物也称为正共沸物。因为活度系数小 于1，最高沸点共沸物也称为负共沸物。活度系数的大小支配共沸本体的非理想活动的程 度。已经研究了这种非理想度和在共沸物分离中的困难。活度系数不固定，但是为化合物 在水中的浓度的函数。结果，因为组分浓度改变，所以共沸物组合物的溶液沸点也改变。结 果，在蒸气相中展开的共沸组合物能够受组分浓度和操作压力影响。根据一优选实施方案，C3-C6醇的水溶液形成最低沸点共沸物。根据相关的优选 实施方案，C3-C6醇在混合蒸气中的浓度基本上等于在选择的蒸馏压力醇在最低沸点共沸物中的浓度。在一些特别优选的实施方案中，C3-C6醇在混合蒸气中的浓度大于醇在最低 沸点共沸物中的浓度，如在这样的一些情况下除了醇以外，水溶液包含影响水的分蒸气压 的其它溶质。已知一些共沸物在宽范围的操作压力下是稳定的，而其它共沸物体系能够被低压 和高压所“破坏”。例如，乙醇-水共沸物在小于70tOrr的压力破坏。对于在真空下能够被 破坏的共沸物，蒸馏塔的使用有时受到限制，这是由于真空蒸馏塔要求蒸馏塔中的压降足 够显著，使得需要在真空源处产生更高的真空。例如，将真空蒸馏塔进料压力维持为150mm Hg的尝试要求塔中的压降非常小，以确保真空泵能够维持适当的真空水平。在具有多重塔 板的真空塔中实现低压降要求在蒸馏塔板上的液体高度小。在塔中的低压降和低液体高度 通常提高塔的资本成本(由于增加了塔的直径)。在一些实施方案中，提高C3-C6醇的活度的步骤包括渗析。渗析根据以下原则工 作通过半透膜的溶质扩散和流体超滤。从水溶液选择性地除去水的任何膜分离系统均适 用于本发明方法。根据一优选实施方案，渗析在含两个或更多个隔间的系统中进行。将醇的 水溶液引入一个隔间中，并将水从该溶液通过所述膜选择性地转移至其它隔间。根据一优 选实施方案，水的转移由渗透压导致。接受水的隔间含有亲水性化合物，例如CaCl2或碳水 化合物，或者该化合物的浓缩溶液。浓缩溶液在接受水的隔间中形成。根据各实施方案处 理该溶液以再生溶质或溶质的浓缩溶液，或者用于其它应用。再生可以通过已知的方法进 行，例如水的蒸馏。在溶质是碳水化合物或另一种可发酵碳源的情况下，可以使用该溶液， 以向发酵步骤提供可发酵物。在一些实施方案中，提高C3-C6醇的活度的步骤包括反渗透。在反渗透中，使水溶 液在第一隔间中在压力下与反渗透膜接触，由此水通过所述膜选择性地转移至第二隔间， 而醇留在第一隔间中。作为水选择性地转移至第二隔间的结果，在第一隔间的液体中醇的 浓度(和活度)提高且优选的是达到饱和，由此在该第一隔间中形成第二相。根据该实施 方案，该隔间包含两种液相，其中之一是醇饱和的水相以及另一种是水饱和的醇溶液。在一些实施方案中，提高C3-C6醇的活度的步骤包括溶剂萃取。在溶剂萃取中，使 水溶液与另一液相(溶剂或萃取剂)接触，其中水和所述醇中的至少一种不充分混溶。将 两相混合，然后沉降。根据一实施方案，提高C3-C6醇的活度的步骤包括将C3-C6醇萃取到 醇选择性萃取剂中。术语“醇-选择性萃取剂”是指与水相比更优选醇，使得在萃取剂中的 醇/水比率大于在剩余水溶液中的醇/水比率的萃取剂。因此，醇选择性萃取剂或溶剂具 有对醇的选择性(与醇相比，疏水性相似或更疏水)，以及醇优先转移至萃取剂或溶剂中以 形成含醇的萃取剂或溶剂，也称为萃取液。在一些优选实施方案中，醇选择性溶剂可为乙酸 丁酯、磷酸三丁酯、癸醇、2-庚酮或辛烷。在另一实施方案中，提高C3-C6醇的活度的步骤包 括将水萃取至水选择性萃取剂中。术语“水选择性萃取剂”是指与醇相比更优选水，使得在 萃取剂中的醇/水比率小于在剩余水溶液中的醇/水比率的萃取剂。因此，水选择性萃取 剂或溶剂具有对水的选择性(与醇相比更亲水)，使得水优先转移至水选择性萃取剂或溶 剂中。在一个优选的实施方案中，醇选择性溶剂可为酸性的、基于胺的萃取剂。该萃取 剂可以通过以下方法制备使胺与稀释剂混合并使该混合物与酸接触。适于形成萃取剂的 胺包括伯、仲、叔和季胺，并且优选的是包括伯、仲、叔胺。适合的胺也是以游离和盐的形式(即，当酸与它们结合时)均不溶于水的。优选地，在胺上的碳原子的合计/总数至少为20。 脂族和芳族胺均适合，并且优选为脂族胺。稀释剂可为沸点为至少约60°C，并且优选为至少 约80°C的烃或另一种非反应性有机溶剂。酸可为任何强酸，例如PKa (离解常数的负对数) 不大于3的酸，以及既可以为无机酸又可以为有机酸。在一个实例中，胺可为三辛基胺，酸 可为硫酸以及稀释剂可为癸烷。将酸萃取(与胺结合)以形成萃取剂。在一些实施方案中，提高C3-C6醇的活度的步骤包括在选择性吸附剂上吸附 C3-C6醇或水。在吸附中，使水溶液与对醇或水具有较大选择性的选择性吸附剂接触。在 一实施方案中，提高C3-C6醇的活度的步骤包括在醇-选择性吸附剂上吸附C3-C6醇。“醇 选择性吸附剂”是指与水相比优选醇，使得在吸附剂上的醇/水比率大于在剩余水溶液中的 醇/水比率的吸附剂。在另一实施方案中，提高C3-C6醇的活度的步骤包括在水选择性吸 附剂上吸附水。“水选择性吸附剂”是指与醇相比优选水，使得在吸附剂上的醇/水比率小 于在剩余水溶液中的醇/水比率的吸附剂。因此，使水相与水选择性吸附剂接触后，形成承 载水的吸附剂，并且水溶液富集了 C3-C6醇。根据各实施方案，所述水吸附剂具有亲水性， 具有能够形成氢键的表面功能和/或具有尺寸适合于水分子尺寸的空隙。在一些实施方案 中，所述吸附剂可为固体。根据一优选实施方案，发酵给料如磨碎玉米可为吸附剂。例如， 可以使给料与水溶液接触以选择性地从水溶液吸附出水。在一些实施方案中，所述吸附剂 可为分子筛。所述方法还包括从所述水溶液部分(其已进行过处理以提高C3-C6醇的活度)形 成C3-C6醇富集液相和水富集液相的步骤。本申请使用的术语“醇富集液相”是指醇对水的 比率大于在所述水溶液部分中的醇对水的比率的液相。术语“水富集液相”是指水对醇的 比率大于醇富集液相的水对醇的比率的液相。在下文中也将水富集相称为醇贫瘠相。形成 所述两相的步骤可为主动的。例如，在一些实施方案中，形成的步骤可以包括凝结蒸馏的蒸 气相，该蒸馏的蒸气相在凝结后形成两相。可供选择地或者另外地，急冷或冷却处理过的部 分水溶液能够导致形成两相。主动地形成两相的其它步骤可以包括使用成某种形状以促进 相分离的设备。相分离能够在含液_液分离器的各种单元操作中完成，所述液_液分离器 包括利用在相和水接受器(water boot)之间的比重差的液-液分离器、如离心机中的地心 引力分离或离心液-液分离器。沉降器也是适合的，如在用于溶剂萃取方法的混合器-沉 降器单元中的沉降器。在一些实施方案中，形成步骤是被动的，以及可以仅为将C3-C6醇的 活度至少提高至饱和的活度的前述步骤的自然结果。在醇富集液相中，C3-C6醇相对于水的浓度比率与在初始部分中相比明显较大。在 水富集相中，C3-C6醇相对于水的浓度比率与在醇富集液相中相比明显较小。也可以将水 富集相称为醇贫瘠相。在一些实施方案中，所述C3-C6醇为丙醇以及在醇富集相中丙醇对水的重量比率 为大于约0. 2，大于约0. 5或者大于约1。在一些实施方案中，所述C3-C6醇为丁醇以及在 醇富集相中丁醇对水的重量比率为大于约1，大于约2或者大于约8。在一些实施方案中， 所述C3-C6醇为戊醇以及在醇富集相中戊醇对水的重量比率为大于约4，大于约6或者大于 约10。对于给定的相，可以将浓缩因子或富集因子表示为在该相中醇对水的比率除以在 稀水溶液中醇对水的比率。因此，例如，对于醇富集相，可以将浓缩或富集因子表示为在醇富集相中的醇/水比率除以在稀水溶液中的醇/水比率。在一些实施方案中，在C3-C6醇富集相中的C3-C6醇对水的比率比在发酵肉汤中 的C3-C6醇对水的比率大至少约5倍，至少约25倍，至少约50倍，至少约100倍或至少约 300 倍。所述方法还包括使C3-C6醇富集相与水富集相分离。分离两相是指将两相物 理分离，以及可以包括去除(removing)、撇去(skimming)、倒出(，pouring out)、滗析 (decanting)或以其它方式将一相从另一相移开以及可以通过本领域已知的用于分离液相 的任何方法完成。在一些实施方案中，所述方法还包括冷却C3-C6醇富集相以提高在所述醇富集相 中C3-C6醇对水的比率的步骤。在一些实施方案中，所述方法还包括从醇富集相回收C3-C6醇。回收是指从醇富 集相分离C3-C6醇。回收也包括富集或提高C3-C6醇在醇富集相中的浓度。在各实施方案 中，该步骤可以包括选自以下的方法蒸馏、渗析、水吸附(例如，使用分子筛)、溶剂萃取、 与在水中不可混溶的烃液体接触和与亲水性化合物接触以产生含C3-C6醇和水的第一相 和含C3-C6醇的第二相，其中在第二相中水对C3-C6醇的比率小于在第一相中水对C3-C6 醇的比率。在优选的实施方案中，第二相包含至少约80 %，约85 %，约90 %，约95 %或约99 重量％的C3-C6醇。本申请使用的在水中不可混溶的液体在水中的混溶度小于约lwt%。上面关于提高C3-C6醇的活度的步骤讨论了蒸馏和渗析的方法，相似的方法可用 于从C3-C6醇富集相回收C3-C6醇。关于使用水吸附从C3-C6醇富集相回收C3-C6醇，使 醇富集相与选择性地将水从醇富集相吸附出来的吸附剂接触。形成承载水的吸附剂并且醇 富集相进一步富集了 C3-C6醇。根据各实施方案，所述水吸附剂具有亲水性，具有能够形成 氢键的表面功能和/或具有尺寸适合于水分子尺寸的空隙。在一些实施方案中，所述吸附 剂可为固体。根据一优选实施方案，发酵给料如磨碎玉米可为吸附剂。例如，可以使给料与 C3-C6醇富集相接触以选择性地从C3-C6醇富集相吸附出水。在一些实施方案中，所述吸附 剂可为分子筛。也可以使用溶剂萃取从C3-C6醇富集相回收C3-C6醇。在溶剂萃取中，使醇富集相 与另一液相(溶剂)接触，其中水和醇中的至少一种不充分混溶。将两相混合，然后沉降。 根据一实施方案，所述溶剂具有对水的选择性(与醇相比更亲水)，水优先转移至溶剂相以 及在其它相中醇对水的比率提高。根据另一实施方案，所述溶剂具有对醇的选择性(与醇 相比，亲水性相似或更亲水)。在一些优选实施方案中，醇选择性溶剂可为乙酸丁酯、磷酸三 丁酯、癸醇、2-庚酮或辛烷。醇优先转移至所述溶剂中。在以下步骤中，以与醇富集相相比 具有较高的醇对水的比率的形式使醇从所述溶剂分离。与在水中不可混溶的烃液体接触也可用于从C3-C6醇富集相回收C3-C6醇。该液 体是疏水溶剂以及如上面对疏水溶剂所述起作用，即，从醇富集相萃取醇。该烃液体的实例 包括汽油、原油、Fischer Tropsch材料和生物燃料。与亲水性化合物接触也可用于从C3-C6醇富集相回收C3-C6醇。这种回收方法类 似于上述的使用亲水性化合物提高醇活度或降低水活度的方法。在蒸馏以从C3-C6醇富集相回收C3-C6醇的情况下，第一相包括含C3-C6醇和水 的蒸气相以及第二相包括含C3-C6醇的高沸点产物。
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在本发明的又一实施方案中，所述方法可以包括在提高活度的步骤后，将稀水溶 液的剩余部分如发酵肉汤导引(或输送)至发酵容器。在该实施方案中，所述稀水溶液的 剩余部分可以包含杂质以及所述方法还包括在将所述剩余部分导引至发酵容器之前，从至 少部分的剩余部分除去至少部分的杂质。该杂质可为，例如，乙醇、乙酸盐、醛类如丁醛和短 链脂肪酸。在一些实施方案中，所述稀水溶液可以包含杂质以及在C3-C6醇富集液相中杂 质对C3-C6醇的比率大于在水富集相中杂质对C3-C6醇的比率。在一些实施方案中，在水 富集液相中杂质对C3-C6醇的比率大于在C3-C6醇富集相中杂质对C3-C6醇的比率。在本发明的又一些实施方案中，进一步处理C3-C6醇富集相以提高该相的价 值或效用。进一步处理的其它实施方案披露于2008年12月3日提交的美国专利申请 12/327，723，将其全部内容通过引用的方式并入本文。例如，C3-C6醇富集相可以通过以下 方法进一步处理(i)从C3-C6醇富集相蒸馏基本上纯的C3-C6醇，(ii)从C3-C6醇富集相 蒸馏C3-C6醇的共沸物，(iii)使C3-C6醇富集相与C3-C6醇选择性吸附剂接触，或者(ν) 使C3-C6醇富集相与在水中不可混溶的烃液体混合。在从C3-C6醇富集相蒸馏基本上纯的 C3-C6醇的情况下，基本上纯的C3-C6醇可以具有低比例的杂质(例如通过具有低的杂质对 C3-C6醇的比率反映出来)。例如，在基本上纯的C3-C6醇中杂质对C3-C6醇的比率可为小 于约5/95，小于约2/98或小于约1/99。可供选择地，基本上纯的C3-C6醇的水含量可为小 于约5wt%，小于约Iwt %或小于约0. 5wt%。在使C3-C6醇富集相与在水中不可混溶的烃液体混合的情况下，所得的组合可以 形成单一均相。可供选择地，在使C3-C6醇富集相与在水中不可混溶的烃液体混合的情 况下，所得的组合可以形成轻相和重相以及在轻相中C3-C6醇对水的比率大于在重相中 C3-C6醇对水的比率。根据所述方法的一实施方案，所述烃液体为燃料如汽油。根据一个相 关实施方案，C3-C6醇富集燃料通过使燃料与还含水的C3-C6醇富集相混合形成。作为混 合的结果，C3-C6醇选择性地转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 含的水的大部分分离为水富集重相，使其与燃料分离。在本发明的其它实施方案中(其中所述稀水溶液为发酵培养基)，所述方法可以 包括以下步骤在发酵培养基中培养微生物以产生C3-C6醇，然后提高在发酵培养基部分 中C3-C6醇的活度，从而形成C3-C6醇富集液相和水富集相并使C3-C6醇富集相与水富集 相分离。在一优选实施方案中，本发明还包括以下步骤将水富集相导引至发酵培养基，然 后提高纯的活度。在该实施方案中，培养步骤可为选自以下的方法分批发酵、补料-分批 发酵、连续发酵、细胞再循环发酵和酶反应法。如上所述，在美国专利申请12/263，436和12/263，442 (2008年10月31日提交)、 临时申请61/110，543(2008年10月31日提交)和61/121，830 (2008年12月11日提交) 中详细地讨论了适合的生物催化剂和相关发酵方法。适合的微生物可以选自天然存在的 微生物、遗传工程微生物和通过传统技术开发的微生物或它们的组合。该微生物可以包括 但不限于细菌和真菌(包括酵母)。例如，适合的细菌可以包括能够生产醇的细菌，例如梭 菌物种的细菌。这些的实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)。适合的细菌和真菌也包括能够水解碳水化合物和能够被遗传工程以生成醇的那 些。实例包括但不限于梭菌目(例如溶纤维丁酸弧菌(Butyrovibrio fibrisolvens))、芽孢杆菌目(Bacilliales)(例如环状芽胞杆菌)、放线菌目(例如Str印tomyces cellulolyticus)、丝状杆菌目(例如产琥珀酸丝状杆菌(Fibrobacter succinogenes))、 黄单胞菌目(黄单胞菌目物种(Xanthomonas species))和假单胞菌目(例如门多萨假单 胞菌)细菌和真菌如根霉菌目、酵母样菌目(Saccharomycopsis)、曲霉菌目、许旺酵母目 和Polysporus目的真菌。真菌可以能够有氧或厌氧地进行转化。厌氧真菌的实例包括但 不限于单鞭毛菌物种(例如菌株E2 (strain E2))、厌氧真菌物种(Orpinomyces species) (例如 Orpinomyces bovis)、新丽鞭毛菌物禾中(Neocallimastix species) (N. frontalis) > Caecomyce物种、Anaeromyces物种禾口 Ruminomyces物种。如上所述,能够生产醇的任何微 生物(无论是天然存在的还是人工的)均可使用以及本发明方法不限于这里列举的实例。 在一些实施方案中，所述微生物在约20°C至约95°C的温度是可存活的。所提及的微生物在 给定温度或温度范围可存活是指微生物能够在暴露于该温度的情况下存活，并且随后能够 在相同或不同的条件下生长和/或生产代谢产物。在其它实施方案中，所述微生物是耐温 微生物。将术语“抗耐性(resistance)”定义为在发酵肉汤中抑制剂浓度提高的情况下生 物催化剂具有低抑制率的性质。术语“更抗耐”是指一种生物催化剂在面对抑制剂时具有较 低抑制率，与之相比的是另一种生物催化剂在面对相同抑制剂时具有较高抑制率。例如，两 种生物催化剂A和B (均具有对抑制剂生物燃料前体2%的耐受性和每小时每g CDff Ig产 物的单位生产率)在3%生物燃料前体时分别呈现每小时每g CDff 0. 5g产物和每小时每g CDff 0.75g产物的单位生产率。生物催化剂B比A更具有抗耐性。术语“耐温”是指一种生 物催化剂在给定温度具有较低抑制率，与之相比的是另一种生物催化剂在相同温度具有较 高的抑制率。将术语“耐受性(tolerance)，，定义为在给定的抑制剂浓度，生物催化剂维持它的 单位生产率的能力。术语“耐受”是指在给定的抑制剂浓度，生物催化剂维持它的单位生产 率。例如，如果在2%抑制剂的存在下生物催化剂维持它在O至2%所具有的单位生产率， 则生物催化剂耐受2%的抑制剂或具有对2%抑制剂的耐受性。将术语“温度耐受性”定义 为在给定的温度生物催化剂维持它的单位生产率的能力。在一些实施方案中，所述微生物历经分批发酵周期的生存期总计具有每小时至少 约0. 5g/L的C3-C6醇的生产率。在一些实施方案中，历经分批发酵周期的生存期，生产率总 计为至少约1，至少约1. 5，至少约2. 0，至少约2. 5，至少约3，至少约3. 5，至少约4. 0，至少 约4. 5和至少约5. Og/L/h的C3-C6醇。在一些实施方案中，历经分批发酵周期的生存期， 生产率为约0. 5g/L/h至约5g/L/h的C3-C6醇。在其它实施方案中，优选的微生物是生产希望的醇且不具有共生物或副产物或者 具有最小限度的共生物或副产物的微生物。还优选的是使用简易和低成本发酵培养基的微 生物。含可发酵碳源的任何给料均适用于包括培养微生物步骤的本发明实施方案。实例 包括含多糖的给料如淀粉、纤维素和半纤维素，含二糖的给料如蔗糖、甘蔗汁和含蔗糖的糖 蜜(molasses)，和单糖如葡萄糖和果糖。适合的给料包括含淀粉的农作物如玉米和小麦、甘 蔗和甜菜、糖蜜和木质纤维素材料。适合的给料还包括藻类和微藻类。当希望时，可以处理 给料，例如粉碎、碾磨、使碳源与其它组分如蛋白质分离、解晶、胶凝、液化、糖化和借助于化 学和/或酶催化剂催化的水解。该处理可以在发酵之前进行或者与发酵同时进行，例如，如在同时糖化和发酵中。本发明发酵肉汤通常具有单一液相，但是不一定是均相的，因为它可以含有非经 发酵的不溶固体，例如呈悬浮的形式。发酵给料可以含有具有有限的水溶性和任选地还具 有有限的发酵能力或不具有发酵能力的化合物。例如，根据本发明的一实施方案，所述发酵 给料为粉碎玉米以及碳源是在玉米中所含的淀粉。可能地，将所述淀粉胶凝、液化和/或糖 化，但是不溶组分，无论是含淀粉的还是其它的(例如非经发酵的蛋白质)，仍可能存在于 发酵肉汤中。根据另一实施方案，发酵给料是木质纤维素材料以及碳源是水解纤维素和/ 或半纤维素。同样，一些给料组分具有有限的水溶性。在这些和其它情况下，发酵肉汤可以 由醇的水溶液和在醇的水溶液中悬浮着的固体组成。然而，根据本发明的一个重要方面，在 所有这些情况下，在发酵肉汤中仅存在单一液相。本发明的又一实施方案是生成C3-C6醇的方法，所述方法包括水解含多糖和至少 一种其它化合物的给料以生成可发酵水解产物，在发酵培养基中发酵部分的可发酵水解产 物以生成C3-C6醇。在该实施方案中，所述发酵培养基还包含至少一种非经发酵的化合物。 所述方法还包括提高在所述发酵培养基部分中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醇富集相与水富集相分离，如上面在本发明较早实施方案中所述。 该方法还包括使所述至少一种非经发酵的化合物与发酵培养基、水富集相或发酵培养基和 水富集相分离。例如，所述至少一种非经发酵的化合物可以包括诸如DDGS的材料。在包含发酵的本发明各实施方案中，发酵步骤可以与其它工艺步骤同时进行，例 如本申请披露的各种回收方法(其包括提高C3-C6醇的活度的步骤)以及水解给料以制备 发酵培养基的步骤。在该方法中，水解步骤可以包括能够将聚合碳水化合物破坏成可水解产物的任何 方法。因此，水解步骤可为化学或酶催化的水解或自动水解和糖化。在该方法中，水解和 发酵的步骤可以在该方法的至少一段时间内同时进行，可以在该方法的所有时间内同时进 行，或者可以在不同的时间进行。在该方法的一个具体实施方案中，发酵步骤用能够水解给料的微生物进行。适合 的微生物可以选自天然存在的微生物、遗传工程微生物和通过传统技术开发的微生物，或 者它们的组合，上面已经进行了详细的讨论。本发明的可供选择的实施方案是生成C3-C6醇的方法，该方法包括在发酵培养基 中培养微生物以生成C3-C6醇。上面详细地描述了培养步骤。所述方法还包括提高在发 酵培养基部分中C3-C6醇的活度，和蒸馏所述发酵培养基部分以生成液相和含水和C3-C6 醇的蒸气相。上面关于本发明的其它实施方案讨论了提高活度和蒸馏的步骤。所述方法 还包括将得自蒸馏步骤的液相(已消耗的液相)导引至发酵培养基。在一优选实施方案 中，所述发酵培养基部分(其中提高了 C3-C6醇的活度)包含微生物，将该微生物留在已 消耗的液相中并返至发酵培养基，用于进一步通过微生物生成C3-C6醇。在一些实施方案 中，所述液相包含杂质，以及所述方法还包括从至少部分的液相除去至少部分的杂质，然 后将所述液相导引至发酵培养基。在这种方法的实施方案中，在所述发酵培养基部分中 C3-C6醇对水的比率小于约10/90 (w/w)，小于约7. 5/92. 5 (w/w)，小于约5. 0/95 (w/w)，小于 约 2. 5/97. 5 (w/w)，小于约 2/98 (w/w)，小于约 1. 5/98. 5 (w/w)，小于约 1/99 (w/w)或小于约 0. 5/99. 5(w/w)。
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本发明的又一个可供选择的实施方案是从稀水溶液回收C3-C6醇的方法，所述方 法包括以下步骤将稀水溶液部分蒸馏成含C3-C6醇和水的蒸气相并凝结所述蒸气相。在该实施方案中，所述蒸气相包含约1重量％至约45重量％的C3-C6醇，所述醇 存在于所述稀水溶液部分。尽管有可能将超过45%的C3-C6醇从所述稀水溶液部分蒸馏 至蒸气相中，但是通过控制或限制蒸馏至蒸气相的溶液中的醇量(即，留下大量的醇)，得 到了许多重要的优点。当将溶液中的较大部分的醇被蒸馏时，水量相对于醇量增加了，导致 需要在下游处理增加的水负荷，这能够导致能量需求增加。另外，例如，在发酵的上下文中， 可以将溶液的未蒸馏部分返至发酵容器并用作发酵培养基的一部分，用于生产另外的醇， 这些醇可以以类似的方法回收。因此，这种方法非常高效，因为它允许在蒸馏步骤中在醇对 水的相对量很高的范围内回收醇。在各个可供选择的实施方案中，蒸气相可以包含约2重 量％至约40重量％，约3重量％至约35重量％和约4重量％至约30重量％和约5重量％ 至约25重量％的C3-C6醇，所述C3-C6醇存在于所述稀水溶液部分中。在一些实施方案中，蒸馏步骤包括单级蒸馏。单级蒸馏可以在闪蒸罐中进行。上 面已经详细描述了闪蒸罐的设计。在一些实施方案中，在稀水溶液中C3-C6醇对水的比率小于约10/90 (w/w)。在一 些优选实施方案中，比率小于约7. 5/92. 5 (w/w)，小于约5. 0/95 (w/w)，小于约2. 5/97. 5 (w/ w)，小于约 2/98 (w/w)，小于约 1. 5/98. 5 (w/w)，小于约 1/99 (w/w)或小于约 0. 5/99. 5 (w/w)。蒸馏步骤可为绝热的或等温的。在绝热蒸馏中，在蒸馏系统和环境之间不发生显 著的热传递，并且系统压力保持恒定。在等温蒸馏中，在蒸馏系统和环境之间允许热传递， 并且系统温度保持恒定。在该方法的各实施方案中，醇从稀水溶液至蒸气的富集度为至少约5倍，约6倍， 约7倍，约8倍，约9倍，约10倍，约11倍，约12倍，约13倍，约14倍或约15倍。术语“富 集度”是指在凝结蒸气中醇/水的比率除以在稀水溶液中醇/水的比率。在一些实施方案中，所述方法还包括从所述稀水溶液部分形成C3-C6醇富集液相 和水富集液相的步骤。在一些实施方案中，所述方法还包括分离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骤和分离这两相的步骤上面已经进行了详细讨论。 本发明的又一可供选择的实施方案是从稀水溶液(例如含微生物和C3-C6醇的发酵肉汤) 中的C3-C6醇生产产品的方法。该方法包括从稀水溶液蒸馏含水和C3-C6醇的蒸气相和使 蒸气相中的C3-C6醇反应以形成产品。该实施方案还包括本申请披露的导致蒸气相形成的 其它工艺步骤。本发明的一实施方案示于图1。发酵在发酵器10中进行。在发酵器10中的发酵 肉汤包含C3-C6醇产物如丁醇和发酵培养基的其它组分。在发酵过程中，通过12将发酵肉 汤流(其可以包含微生物)从发酵器10导引至换热器20。换热器20用于将发酵肉汤温 度提高至适于随后的蒸馏的温度。在将发酵肉汤温度提高至适当的温度后，又将发酵肉汤 通过22导引至闪蒸罐30用于蒸馏。发酵热量可以部分地供应在闪蒸系统中进行蒸发所需 要的热量。将闪蒸罐30维持在低于大气压力的压力，使得在将加热的发酵肉汤引入闪蒸罐 30中后，发酵肉汤部分得到蒸发。所述蒸发发酵肉汤部分仅包含发酵肉汤中的丁醇部分以 及水蒸气。在闪蒸罐30中蒸馏后，将未蒸馏的剩余发酵肉汤通过34返至发酵器10。该返 至发酵器的发酵肉汤现在部分地消耗了丁醇。通过32将在闪蒸罐30中蒸发的所述发酵肉汤部分作为蒸气导引至蒸气凝结器40，可以例如通过急冷水经42冷却蒸气凝结器40。在 混合的丁醇和水蒸气凝结后，通过44将凝结溶液导引至相分离器50。然后又将未凝结的剩 余蒸气通过48导引至出口。使相分离器中的凝结溶液分成重液相和轻液相。重液相主要 由水组成，一定量的丁醇溶解在水中。轻相主要由丁醇组成，其中溶解了一定量的水。从相 分离器，含丁醇的轻相可以通过与重相分离而回收并且可以进行处理而进一步纯化。主要 由水组成的重相可以在系统中用于其它应用或用途。13，35是液泵以及47是真空泵。参考图2，给出了本发明的特定实施方案，图示了通过对预处理过的玉米同时进行 糖化和发酵来生成丁醇，以及对丁醇侧流进行共沸蒸馏。将干玉米磨成细粉。将碾磨(磨 碎)的玉米1、稀薄釜馏物3、CIP发酵器清洗剂31、循环水43和水蒸汽2添加至玉米淀粉 预处理系统32，在该处将混合物浆化并加热至约99°C (CIP(就地清洗(Clean in Place)) 发酵器清洗剂是苛性水溶液，用于在批次之间清洁和消毒发酵器。通常使用NaOH，但是也可 以使用其它强碱和其它消毒化学品。废CIP溶液含有来自于发酵器(附着至壁)的固体、 养料、碳水化合物等，可将其再次引入到玉米预处理的前端(front end))。将α -淀粉酶 50添加至玉米淀粉预处理系统32，其中保持时间可为约1小时或较少。在将溶液冷却至约 50°C至约65°C的温度后，添加葡糖淀粉酶4。在约5-6小时的短的糖化时间后，将浆液冷却 至约32°C。在该点的浆液固体浓度可为约361g/kg，包括不溶和溶解的固体。又向玉米糊 混合物添加足以在约32小时内完成糖化的酶4，将其转移至发酵器5。发酵在同时糖化和 发酵(SSF)模式下于32°C运行。从发酵器5连续除去含约4wt%丁醇的侧流6，并使用闪蒸 罐换热器33将闪蒸罐进料7的温度控制在约34°C。在闪蒸罐34上产生约50mm Hg的真空 并形成共沸蒸气组合物11。丁醇水蒸气共沸物11的组成可为约54wt%T醇和约46wt% 水。通过真空泵35泵取共沸物蒸气11并供应至化学转化过程13或凝结器12。将凝结的 蒸气相36导引至液/液分离器37，在该处它进行相分离。凝结的蒸气相分成丁醇富集相 37a和水富集相37b。丁醇富集相37a的丁醇浓度为约680g/L 丁醇。水富集相37b的丁醇 浓度为约86g/L。上层37a对下层37b产生的体积比为3比1。使闪蒸罐34中的含细胞、水、养料、碳水化合物和约2衬％未蒸发丁醇的未蒸发组 分9返至发酵器5。未蒸发组分9消耗了丁醇，以及当返至发酵器5时能够继续生成丁醇， 生成的丁醇如上所述通过处理侧流6进行回收。将水富集重相37b从液/液分离器37作为15导引至发酵醪蒸馏器38并蒸馏。在 发酵醪蒸馏器38中产生丁醇-水共沸组合物18并将其导引至凝结器39进行凝结。将凝 结的蒸气19导引至液/液分离器40中，分离成水富集重相40b和丁醇富集轻相40a。将含 约86g/L 丁醇的水富集重相40b作为20循环回至发酵醪蒸馏器38。丁醇富集相40a的丁 醇浓度为约680g/L 丁醇。将液/液分离器40中的丁醇富集轻相40a作为21导引至蒸馏系统41。又将液/ 液分离器37中的丁醇富集轻相37a作为16导引至蒸馏系统41，并且可以与丁醇富集轻相 40a合并。在大气压力操作蒸馏系统41以及以约99wt%丁醇的浓度作为高沸点产物22产 生纯化的丁醇(在其它实施方案中，蒸馏系统可以在低于大气压力的压力、大气压力或高 于大气压力的压力操作)。产生丁醇水共沸物蒸气23并将其送至凝结器45进行凝结。将 凝结蒸气46导引至液/液分离器47，分离成水富集重相47b和丁醇富集轻相47a。将水富 集重相47b作为48再循环至发酵醪蒸馏器38。将丁醇富集轻相47a作为51导引至蒸馏系统41并且可以将其与其它输入物16，21合并。使发酵器5中的SSF发酵进行52小时。将未通过真空闪蒸罐34除去的含约2% 丁醇的发酵肉汤作为8导引至发酵醪蒸馏器38。将发酵肉汤中的丁醇作为丁醇-水共沸物 18从塔顶蒸馏。从发酵醪蒸馏器38，将水、未转化的碳水化合物、养料、细胞、纤维、玉米胚、 酶和其它发酵组分作为底部产物17取出并含有约0. 05wt%丁醇。将发酵醪蒸馏器底流17 分至整流器干颗粒干燥器27和清洗流28。通过清洗流28产生稀薄釜馏物3。通过干燥器 27产生干燥的蒸馏器颗粒29。干燥器27也产生水蒸气30，将水蒸气30通过凝结器42凝 结并作为43再循环至玉米淀粉预处理系统32。发酵器5、凝结器12 (具有来自于闪蒸罐34的流入物)、凝结器39 (具有来自于发 酵醪蒸馏器38的流入物)和凝结器45 (具有来自于蒸馏系统41的流入物)具有含丁醇、 水、CO2和其它惰性气体的排气流10、25、24、49。在排气收集系统44中合并这些流并在下 游设备26中进行处理以回收和纯化丁醇和C02。本发明的前述实施方案可以在改造的玉米乙醇生产装置中进行，其中主要的操作 (包括玉米淀粉预处理系统、发酵器、发酵醪蒸馏器、蒸馏系统和干燥器)是先前用于生产 乙醇的操作。该系统具有循环操作的多个发酵器(通常5至7个)，使得每个发酵器在注 入发酵醪蒸馏器之前进行发酵约52小时。在发酵器上游的操作(例如，玉米淀粉预处理系 统)基本上连续操作，从而为第一发酵器制备给料，然后为第二发酵器制备给料，等等。在 发酵器下游的操作(例如，发酵醪蒸馏器、蒸馏系统和干燥器)基本上连续操作，从而当完 成发酵周期时从每一发酵器取出发酵肉汤，以回收乙醇，生产DDGS，清洗流和稀薄釜馏物。可以通过结合本申请所述的各种生成和回收工艺改造该乙醇生产装置，以生成丁 醇。通常，生产乙醇的微生物对发酵肉汤中的高浓度乙醇具有耐受性。然而，在发酵肉汤中 的高浓度的C3-C6醇可以使微生物中毒。因此，需要在生产时连续地除去醇的低成本方法， 以操作乙醇装置来生成C3-C6醇(而非乙醇)。由于在丁醇生产生物停工前不能产生如乙醇浓度一样高的丁醇浓度，所以本申请 所述的生成和回收方法可用于结合至乙醇装置中，以允许有效地生成丁醇。通过结合丁醇 回收方法，其中将发酵肉汤(可含微生物)导引至回收操作如闪蒸罐，以从所述发酵肉汤部 分中回收丁醇部分和将丁醇减少流返至发酵器，可以显著提高发酵的有效丁醇浓度，使得 可以将丁醇生产方法引入到乙醇生产装置中。改造装置的方法可以包括将生产如上所述的侧流6、闪蒸罐进料7和未蒸发组分 流9的设备引入到设备中。另外，可以引入进行液/液分离的设备(如分离器37，40)以提 供丁醇的有效回收。因此，在一实施方案中，本发明包括操作改造的乙醇生产装置来生成C3-C6醇的 方法。在该实施方案中，所述改造的乙醇生产装置包含预处理单元、多重发酵单元和发酵醪 蒸馏器以生成C3-C6醇。所述方法包括以下步骤在预处理单元中预处理给料以形成可发 酵糖；在第一发酵单元中用生成C3-C6醇的微生物在发酵培养基中发酵可发酵糖；处理发 酵培养基部分以除去C3-C6醇；将处理过的部分返至第一发酵单元；和将发酵培养基从第 一发酵单元转移至发酵醪蒸馏器。所述方法包括在预处理单元中预处理给料以形成可发酵糖的步骤。所述预处理单 元连续地接受给料进行预处理。术语预处理是指诸如以下的处理粉碎、碾磨、使碳源与其它组分如蛋白质分离、解晶、胶凝、液化、糖化和借助于化学和/或酶催化剂催化的水解。例 如，所述给料可为干玉米，可将其磨碎，与水混合，在预处理单元中加热和与淀粉酶反应以 生成含可发酵糖的适于用作微生物发酵培养基的糊或浆液。所述方法还包括在第一发酵单元中用生成C3-C6醇的微生物在发酵培养基中发 酵可发酵糖的步骤。发酵单元含有发酵培养基，发酵培养基包含能够将可发酵糖转化成 C3-C6醇的微生物。上面已经详细地描述了该微生物。改造的设备包含多重发酵单元。将 含可发酵糖的预处理过的给料流从预处理单元引入到第一发酵单元中，在该处将它与含微 生物的发酵培养基合并。微生物发酵存在的可发酵糖以生成C3-C6醇。所述方法还包括处理发酵培养基部分以除去C3-C6醇的步骤。所述发酵培养基包 含C3-C6醇、水以及微生物。将发酵培养基的一部分(例如，侧流)从第一发酵单元取出以 除去其中所含的C3-C6醇。处理可以包括本申请所述的从稀水溶液纯化和回收C3-C6醇 的方法中的任何一种或多种，并且具体地，可以包括以下步骤蒸馏含水和C3-C6醇的蒸气 相、添加亲水性溶质、添加水溶性碳源、反渗透和渗析，以及它们的组合，所有这些步骤均已 经在上面进行了详细描述。在一优选实施方案中，该步骤包括将侧流从第一发酵单元导引 至闪蒸罐，其中蒸馏步骤在低于大气压力的压力进行。上面已经详细描述了闪蒸罐的设计。所述方法还包括将处理过的部分返至第一发酵单元的步骤。处理过的部分消耗了 C3-C6醇以及包含水和可以包含微生物，将二者均返至发酵培养基。通过从发酵培养基除去 C3-C6醇部分和将所述培养基返至发酵器，将在发酵肉汤中C3-C6醇的浓度维持在对C3-C6 醇的进一步生产有害的浓度以下。所述方法还包括将发酵培养基从发酵单元转移至发酵醪蒸馏器的步骤。该步骤在 希望完成发酵时进行。当所有可发酵碳水化合物被消耗，或者当碳水化合物转化速率降低， 使得希望终止发酵时，完成发酵。在该方法的一些实施方案中，预处理速率与该设备在生产乙醇时的预处理速率相 同和/或与传统乙醇装置的预处理速率相同。当在本申请中使用时，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约25 %以内(多出或减少)，在所述速率 的约15%以内，在所述速率的约10%以内，在所述速率的约9%以内，在所述速率的约8% 以内，在所述速率的约7 %以内，在所述速率的约6 %以内，在所述速率的约5 %以内，在所 述速率的约4%以内，在所述速率的约3 %以内，在所述速率的约2 %以内，在所述速率的约
以内。因此，如果改造乙醇装置的预处理速率为约115公吨/小时，则在该速率约25% 内的预处理速率包括约7. 5吨/小时至约12. 5吨/小时的速率。预处理速率是指将预处 理给料导弓I至发酵单元的速率。在该方法的一些其它实施方案中，发酵单元的循环时间与该设备在生产乙醇时的 循环时间相同和/或与传统乙醇装置的循环时间相同。循环时间是指从引入接种物至向发 酵醪蒸馏器排空发酵器的时间。例如，发酵器的典型循环时间为约52小时。在一实施方案中，改造装置的C3-C6醇生产量为改造前所述装置的乙醇最大生产 量的C3-C6醇等价物的至少约80%。在其它实施方案中，所述改造装置的C3-C6醇生产量 为改造前所述装置的乙醇最大生产量的C3-C6醇等价物的至少约81%，至少约82%，至少 约83 %，至少约84 %，至少约85 %，至少约86 %，至少约87 %，至少约88 %，至少约89 %，至 少约90 %，至少约91 %，至少约92 %，至少约93 %，至少约94%，至少约95 %，至少约96 %，至少约97 %，至少约98 %，至少约99 %。醇装置的最大生产量是该装置生产的醇量的量度，可以表示为每年生产的醇的加 仑数或每时间期限测量体积或重量的其它单位数。装置的生产量取决于特定装置的尺寸和 设计。术语“改造前装置的乙醇最大生产量”是指在改造以生成C3-C6醇之前装置生产的 乙醇的最大量或对装置设计的乙醇的最大量。如上所述，用于生产乙醇的微生物对发酵肉汤中的高浓度乙醇具有耐受性，但是 用于生成C3-C6醇的微生物对高浓度C3-C6醇通常不耐受。有利的是，通过使用本发明方 法，有可能改造乙醇装置以与乙醇相当的生产量水平生成C3-C6醇，仅受限于该特定醇的 理论转化效率。葡萄糖向乙醇的理论转化效率，基于重量，为51 %或0. 51 (然而实际上， 一些葡萄糖被微生物用于生产细胞群(cell mass)和不同于醇的代谢产物，实际的转化效 率小于理论最大值)。取决于微生物使用的发酵途径，葡萄糖向丙醇的理论转化效率可为 0. 33至0. 44，向丁醇的理论转化效率可为0. 27至0. 41，向戊醇的理论转化效率可为0. 33 至0. 39，以及向己醇的理论转化效率可为0. 28至0. 38。术语“C3-C6醇等价物”是指特定 C3-C6醇的理论转化效率对乙醇理论转化效率的比率，以及对于所使用的发酵途径是特有 的。因此，本申请使用的“乙醇的异丁醇等价物”(对于一个葡萄糖分子分成一个异丁醇分 子、两个ATP分子和两个CO2分子的途径)为0. 401 + 0. 51 = 0. 806。例如，假设改造前装置 的乙醇最大生产量为约100X IO6加仑/年的乙醇装置。通过使用本发明的方法，有可能改 造装置并操作该装置以约80. 6 X IO6加仑/年的理论最大生产量生成丁醇。然而，给定乙醇 密度为0. 7894以及异丁醇密度为0. 8106，所以异丁醇的实际理论最大生产量为约78X IO6 加仑/年。每年的加仑数的准确数值可以通过使用密度信息、理论收率和/或得到的实际 收率计算出来。在各实施方案中，对于任何给定的C3-C6醇，可以改造乙醇装置和以理论最大生 产量的至少约80%的生产量操作(考虑了密度差)。在其它实施方案中，改造装置的C3-C6 醇生产量可为理论最大生产量的至少约81 %，至少约82%，至少约83%，至少约84%，至少 约85 %，至少约86 %，至少约87 %，至少约88 %，至少约89 %，至少约90 %，至少约91 %，至 少约92 %，至少约93 %，至少约94 %，至少约95 %，至少约96 %，至少约97 %，至少约98 %， 至少约99% (考虑了密度差)。本发明的另一实施方案是从水溶液萃取C3-C6醇的方法，该方法包括使水溶液与 酸性的、基于胺的萃取剂接触。酸性的、基于胺的萃取剂可以通过如上所述的酸化有机胺溶 液形成。在使水溶液与萃取剂接触后，通过使酸性的、基于胺的萃取剂与水溶液混合进行萃 取。可以从接触后形成的萃取剂相回收C3-C6醇。在下面提供的实施例中详细描述了本发明的各个方面。然而，提供这些实施例用 于说明目的，不意在限制本发明范围。将本申请引用的每一出版物和文献的全部内容通过 引用的方式并入本文。尽管详细描述了本发明的各实施方案，但是很明显，本领域技术人员 将想起这些实施方案的修饰和改变。然而，应清楚地理解，该修饰和改变在本发明范围内， 本发明范围如以下典型权利要求中所阐述。实施例实施例1 使用溶剂从水溶液富集C3-C6醇该实施例说明了使用各种溶剂从水溶液富集C3-C6醇如丙醇(PrOH)、丁醇
33(BuOH)、异丁醇(i-BuOH)和戊醇(PenOH)。对于每种醇制备了数种水溶液，不同之处在于它们的醇浓度，所有水溶液均是亚 饱和的(sub-saturated)。使这些水溶液中的每种与溶剂如乙酸丁酯、磷酸三丁酯、癸醇、 2_庚酮或辛烷混合。在水溶液和溶剂之间的相比率彼此之间不相同。连续混合直至达到 平衡。在平衡态，能够观察到相分离，形成上面的醇富集相(轻相)和下面的醇贫瘠相(重 相)。分析这两相的醇和水的含量。通过高压液相色谱法(HPLC)在25°C使用YMC-Pack ODS-AM柱分析醇浓度。洗脱剂是甲醇-水溶液，其中甲醇含量对于丙醇、丁醇、异丁醇和戊 醇分别为20%、30%、30%和40%。有机相的水含量通过Karl-Fischer法测定。这些分析 方法也用于其它实施例中的分析。对于每一实验，通过轻相中的醇浓度除以重相中的醇浓度计算醇的分配系数。类 似地，通过轻相中的水浓度除以重相中的水浓度计算水的分配系数。通过醇的分配系数除 以水的分配系数计算富集因子。另外，对于轻相，计算醇对水的比率(W/V)。结果在表1.1 至1.8中示出。表1. 1 在25°C通过与乙酸丁酯接触来富集异丁醇(i-BuOH)
权利要求
从含微生物和C3 C6醇的发酵肉汤中回收所述C3 C6醇的方法，所述方法包括a.将所述C3 C6醇在发酵肉汤部分中的活度提高到至少为所述C3 C6醇在所述部分中达到饱和时的活度；b.从所述发酵肉汤部分形成C3 C6醇富集液相和水富集液相；以及c.使所述C3 C6醇富集相与所述水富集相分离。
2.如权利要求1所述的方法，其中在所述发酵肉汤中C3-C6醇对水的比率小于约 9/91 (w/w)ο
3.如权利要求1所述的方法，其中在所述发酵肉汤中C3-C6醇对水的比率小于约 6/94(w/w)ο
4.如权利要求1所述的方法，其中在所述发酵肉汤中C3-C6醇对水的比率小于约 3/97(w/w)。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述提高活度的步骤选自a.添加亲水性溶质；b.蒸馏含水和C3-C6醇的蒸气相；c.反渗透；d.渗析；e.在醇选择性吸附剂上吸附C3-C6醇；f.将C3-C6醇萃取至醇选择性萃取剂中；g.在水选择性吸附剂上吸附水；以及h.将水萃取至水选择性萃取剂中。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述C3-C6醇为丙醇以及在所述C3-C6醇富集相中 C3-C6醇对水的比率大于约0. 2 (w/w)。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述C3-C6醇为丁醇以及在所述C3-C6醇富集相中 C3-C6醇对水的比率大于约1 (w/w)。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述C3-C6醇为戊醇以及在所述C3-C6醇富集相中 C3-C6醇对水的比率大于约4 (w/w)。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述C3-C6醇选自丙醇、丁醇、戊醇和己醇。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述C3-C6醇为丙醇。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述丙醇选自1-丙醇和2-丙醇。
12.如权利要求9所述的方法，其中所述C3-C6醇为丁醇。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述丁醇选自1-丁醇、2-丁醇、叔丁醇(2-甲 基-2-丙醇)和异丁醇(2-甲基-1-丙醇)。
14.如权利要求12所述的方法，其中所述丁醇为异丁醇(2-甲基-1-丙醇)。
15.如权利要求9所述的方法，其中所述C3-C6醇为戊醇。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述戊醇选自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.如权利要求9所述的方法，其中所述C3-C6醇为己醇。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述己醇选自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.如权利要求1所述的方法，其还包括冷却所述C3-C6醇富集相以提高在所述C3-C6 醇富集相中C3-C6醇对水的比率。
20.如权利要求1所述的方法，其还包括通过选自以下的方法从所述C3-C6醇富集相回 收C3-C6醇蒸馏、渗析、水吸附、通过溶剂萃取来萃取C3-C6醇、与在水中不可混溶的烃液 体接触和与亲水性化合物接触，以产生含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对C3-C6醇的比率小于在所述第一相中水对C3-C6醇的比率。
21.如权利要求20所述的方法，其中所述第二相包含至少约90重量％的C3-C6醇。
22.如权利要求20所述的方法，其中所述第二相包含至少约95重量％的C3-C6醇。
23.如权利要求20所述的方法，其中所述第二相包含至少约99重量％的C3-C6醇。
24.如权利要求20所述的方法，其中所述回收步骤包括蒸馏所述C3-C6醇富集相，其中 所述第一相包括含C3-C6醇和水的蒸气相以及其中所述第二相包括含C3-C6醇的高沸点产 物。
25.如权利要求1所述的方法，其还包括在所述提高C3-C6醇的活度的步骤之前，将所 述发酵肉汤与步骤(c)的水富集相或权利要求24的高沸点产物合并。
26.如权利要求1所述的方法，其还包括在所述提高活度的步骤之后，将稀水溶液的剩 余部分导引至发酵容器。
27.如权利要求26所述的方法，其中所述剩余部分包含杂质，以及所述方法还包括在 所述导引步骤之前，从至少部分的所述剩余部分除去至少部分的所述杂质。
28.如权利要求1所述的方法，其中所述发酵肉汤包含杂质，以及在所述C3-C6醇富集 液相中所述杂质对C3-C6醇的比率大于在所述水富集相中所述杂质对C3-C6醇的比率。
29.如权利要求1所述的方法，其中所述提高活度的步骤包括蒸馏含水和C3-C6醇的蒸 气相和凝结所述蒸气相，以及所述方法还包括在所述蒸馏步骤之前或与所述蒸馏步骤同时 进行地，通过选自以下的步骤处理所述发酵肉汤部分以除去水a.选择性地除去水；b.选择性地结合水；和c.选择性地排斥水。
30.如权利要求1所述的方法，其中所述提高活度的步骤包括蒸馏含水和C3-C6醇的蒸 气相和凝结所述蒸气相，以及所述方法还包括在所述蒸馏步骤之前或与所述蒸馏步骤同时 进行地，通过选自以下的步骤处理所述发酵肉汤部分以除去水a.添加亲水性溶质；b.添加碳源；c.反渗透；d.渗析；e.在醇选择性吸附剂上吸附所述C3-C6醇；f.将所述C3-C6醇萃取到醇选择性萃取剂中；g.在水选择性吸附剂上吸附水；以及h.将水萃取到水选择性萃取剂中。
31.如权利要求1所述的方法，其中所述提高活度的步骤包括蒸馏含水和C3-C6醇的蒸 气相和凝结所述蒸气相，以及所述方法还包括通过选自以下的步骤处理所述C3-C6醇富集 相以除去水a.选择性地除去水；b.选择性地结合水；和c.选择性地排斥水。
32.如权利要求1所述的方法，其中所述提高活度的步骤包括蒸馏含水和C3-C6醇的蒸 气相和凝结所述蒸气相，以及所述方法还包括通过选自以下的步骤处理所述C3-C6醇富集 相以除去水a.添加亲水性溶质；b.添加碳源；c.反渗透；d.渗析；e.在醇选择性吸附剂上吸附所述丁醇；f.将所述丁醇萃取到醇选择性萃取剂中；g.在水选择性吸附剂上吸附水；以及h.将水萃取到水选择性萃取剂中。
33.如权利要求1所述的方法，其中在所述C3-C6醇富集相中所述C3-C6醇对水的比率 比在所述发酵肉汤中所述C3-C6醇对水的比率大至少约5倍。
34.如权利要求1所述的方法，其中所述提高活度的步骤包括蒸馏含水和C3-C6醇的蒸 气相，和凝结所述蒸气相。
35.如权利要求34所述的方法，其中所述蒸馏步骤在低于大气压力的压力和在约20°C 至约95 °C的温度进行。
36.如权利要求35所述的方法，其中所述蒸馏步骤在蒸馏容器中进行。
37.如权利要求36所述的方法，其中所述发酵肉汤部分在引入到所述蒸馏容器中之前 的温度为约20°C至约95°C。
38.如权利要求37所述的方法，其中所述发酵肉汤部分在所述蒸馏容器中经受低于大 气压力的压力。
39.如权利要求38所述的方法，其还包括在所述蒸馏步骤后，将所述发酵肉汤的剩余 部分从所述蒸馏容器导弓I至发酵容器。
40.如权利要求39所述的方法，其中所述发酵容器处于大气压力。
41.如权利要求39所述的方法，其中所述发酵容器处于低于大气压力的压力。
42.如权利要求39所述的方法，其中所述发酵容器处于高于大气压力的压力。
43.如权利要求34所述的方法，其中所述蒸馏步骤在约0.025bar至约IObar的压力进行。
44.如权利要求34所述的方法，其中所述蒸馏步骤在发酵容器中进行。
45.如权利要求34所述的方法，其中所述C3-C6醇选自丙醇、丁醇、戊醇和己醇。
46.如权利要求45所述的方法，其中所述C3-C6醇为丙醇。
47.如权利要求46所述的方法，其中所述丙醇选自1-丙醇和2-丙醇。
48.如权利要求45所述的方法，其中所述C3-C6醇为丁醇。
49.如权利要求48所述的方法，其中所述丁醇选自1-丁醇、2-丁醇、叔丁醇(2-甲 基-2-丙醇)和异丁醇(2-甲基-1-丙醇)。
50.如权利要求48所述的方法，其中所述丁醇为异丁醇(2-甲基-1-丙醇)。
51.如权利要求45所述的方法，其中所述C3-C6醇为戊醇。
52.如权利要求51所述的方法，其中所述戊醇选自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.如权利要求45所述的方法，其中所述C3-C6醇为己醇。
54.如权利要求53所述的方法，其中所述己醇选自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.如权利要求34所述的方法，其还包括冷却所述C3-C6醇富集相以提高在所述 C3-C6醇富集相中C3-C6醇对水的比率。
56.如权利要求34所述的方法，其还包括通过选自以下的方法从所述C3-C6醇富集相 回收C3-C6醇蒸馏、渗析、水吸附、通过溶剂萃取来萃取C3-C6醇、与在水中不可混溶的烃 液体接触和与亲水性化合物接触，以产生含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对C3-C6醇的比率小于在所述第一相中水对C3-C6醇的比率。
57.如权利要求56所述的方法，其中所述第二相包含至少约90重量％的C3-C6醇。
58.如权利要求56所述的方法，其中所述第二相包含至少约95重量％的C3-C6醇。
59.如权利要求56所述的方法，其中所述第二相包含至少约99重量％的C3-C6醇。
60.如权利要求56所述的方法，其中所述回收步骤包括蒸馏所述C3-C6醇富集相，其中 所述第一相包括含C3-C6醇和水的蒸气相，以及其中所述第二相包括含C3-C6醇的高沸点 产物。
61.如权利要求34所述的方法，其中所述蒸气相包含水和所述C3-C6醇的共沸物。
62.如权利要求61所述的方法，其中在所述C3-C6醇富集相中C3-C6醇对水的比率大 于在所述共沸物中C3-C6醇对水的比率。
63.如权利要求1所述的方法，其还包括处理所述C3-C6醇富集相。
64.如权利要求63所述的方法，其中所述处理步骤选自a.从所述C3-C6醇富集相蒸馏基本上纯的C3-C6醇；b.从所述C3-C6醇富集相蒸馏所述C3-C6醇共沸物；c.使所述C3-C6醇富集相与C3-C6醇选择性吸附剂接触；d.将所述C3-C6醇富集相中的C3-C6醇转化成烯烃；和e.使所述C3-C6醇富集相与在水中不可混溶的烃液体合并。
65.如权利要求63所述的方法，其中所述处理步骤包括使所述C3-C6醇富集相与在水 中不可混溶的烃液体合并，以及所得到的混合物形成单一均相。
66.如权利要求63所述的方法，其中所述处理步骤包括使所述C3-C6醇富集相与在水 中不可混溶的烃液体合并，以及所得到的混合物形成轻相和重相，其中在所述轻相中C3-C6 醇对水的比率大于在所述重相中C3-C6醇对水的比率。
67.从含微生物和C3-C6醇的发酵肉汤中回收所述C3-C6醇的方法，所述方法包括a.将水在发酵肉汤部分中的活度降低到至少为所述C3-C6醇在所述部分达到饱和时 的活度；b.从所述发酵肉汤部分形成水富集液相和C3-C6醇富集相；以及c.分离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.在发酵培养基中培养微生物以生成所述C3-C6醇；b.将所述C3-C6醇在发酵培养基部分中的活度提高到至少为所述C3-C6醇在所述发酵 培养基中达到饱和时的活度；c.从所述发酵培养基部分形成C3-C6醇富集液相和水富集相；d.使所述C3-C6醇富集相与所述水富集相分离；以及e.将所述水富集相导引至步骤a中的发酵培养基。
69.如权利要求68所述的方法，其中所述培养步骤是选自以下的方法a.分批发酵，b.补料-分批发酵，c.连续发酵，d.细胞再循环发酵，e.酶反应法。
70.如权利要求68所述的方法，其中所述微生物选自丁酸梭菌、丙酮丁酸梭菌、糖乙酸 多丁醇梭菌和拜氏梭菌。
71.如权利要求68所述的方法，其中所述微生物是耐温微生物。
72.如权利要求71所述的方法，其中所述微生物在约20°C至约95°C温度是可存活的。
73.如权利要求72所述的方法，其中所述微生物具有至少约0.5g/L/h的生产率。
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种其它化合物的给料以生成可发酵水解产物；b.在发酵培养基中发酵至少部分的所述可发酵水解产物以生成所述C3-C6醇，其中所 述发酵培养基还包含至少一种非经发酵的化合物；c.将所述C3-C6醇在发酵培养基部分中的活度提高到至少为所述C3-C6醇在所述发酵 培养基中达到饱和时的活度；d.从所述发酵培养基部分形成C3-C6醇富集液相和水富集相；e.使所述C3-C6醇富集相与所述水富集相分离；和f.从所述发酵培养基、所述水富集相或者所述发酵培养基和所述水富集相分离所述至 少一种非经发酵的化合物。
75.如权利要求74所述的方法，其中所述水解步骤包括糖化。
76.如权利要求74所述的方法，其中水解步骤、发酵步骤和提高所述C3-C6醇的活度的 步骤中的至少两个同时进行至少一段时间。
77.如权利要求74所述的方法，其中所述发酵步骤用能够水解所述给料的微生物进行。
78.从含微生物和C3-C6醇的发酵肉汤中的C3-C6醇生产产品的方法，所述方法包括a.从所述发酵肉汤蒸馏含水和C3-C6醇的蒸气相；b.使所述蒸气相中的C3-C6醇反应形成所述产品。
79.如权利要求78所述的方法，其中所述C3-C6醇为丙醇以及在所述蒸气相中所述 C3-C6醇对水的比率大于约0. 2 (w/w)。
80.如权利要求78所述的方法，其中所述C3-C6醇为丁醇以及在所述蒸气相中所述 C3-C6醇对水的比率大于约1 (w/w)。
81.如权利要求78所述的方法，其中所述C3-C6醇为戊醇以及在所述蒸气相中所述 C3-C6醇对水的比率大于约4 (w/w)。
82.如权利要求78所述的方法，其中所述反应步骤在催化剂的存在下进行。
83.如权利要求82所述的方法，其中所述催化剂为多相催化剂。
84.生成C3-C6醇的方法，所述方法包括a.在发酵培养基中培养微生物以生成所述C3-C6醇；b.提高在发酵培养基部分中所述C3-C6醇的活度；c.蒸馏所述发酵培养基部分以生成液相和含水和C3-C6醇的蒸气相，以及d.将所述液相导引至所述发酵培养基。
85.如权利要求84所述的方法，其中在步骤b中的发酵培养基部分中C3-C6醇对水的 比率小于约7. 5/92. 5 (w/w)。
86.如权利要求84所述的方法，其中在步骤b中的发酵培养基部分中C3-C6醇对水的 比率小于约5. 0/95 (w/w)。
87.如权利要求84所述的方法，其中在步骤b中的发酵培养基部分中C3-C6醇对水的 比率小于约2. 5/97. 5 (w/w)。
88.如权利要求84所述的方法，其中所述提高活度的步骤选自a.添加亲水性溶质；b.蒸馏含水和C3-C6醇的蒸气相c.反渗透；d.渗析；e.在醇选择性吸附剂上吸附所述C3-C6醇；f.将所述C3-C6醇萃取到醇选择性萃取剂中；g.在水选择性吸附剂上吸附水；和h.将水萃取到水选择性萃取剂中。
89.如权利要求84所述的方法，其中所述C3-C6醇选自丙醇、丁醇、戊醇和己醇。
90.如权利要求89所述的方法，其中所述C3-C6醇为丙醇。
91.如权利要求90所述的方法，其中所述丙醇选自1-丙醇和2-丙醇。
92.如权利要求89所述的方法，其中所述C3-C6醇为丁醇。
93.如权利要求92所述的方法，其中所述丁醇选自1-丁醇、2-丁醇、叔丁醇(2-甲 基-2-丙醇)和异丁醇(2-甲基-1-丙醇)。
94.如权利要求92所述的方法，其中所述丁醇为异丁醇(2-甲基-1-丙醇)。
95.如权利要求89所述的方法，其中所述C3-C6醇为戊醇。
96.如权利要求95所述的方法，其中所述戊醇选自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.如权利要求89所述的方法，其中所述C3-C6醇为己醇。
98.如权利要求97所述的方法，其中所述己醇选自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.如权利要求84所述的方法，其中所述液相包含杂质，以及所述方法还包括在所述 导引步骤之前，从至少部分的所述液相除去至少部分的所述杂质。
100.如权利要求84所述的方法，其中所述提高C3-C6醇的活度的步骤包括选自以下的 步骤a.选择性地除去水；b.选择性地结合水；和c.选择性地排斥水。
101.如权利要求84所述的方法，其中所述提高活度的步骤选自a.添加亲水性溶质；b.添加碳源；c.反渗透；d.渗析；e.在选择性吸附剂上吸附所述C3-C6醇；和f.在选择性吸附剂上吸附水。
102.如权利要求84所述的方法，其还包括以下步骤凝结所述蒸气相以形成C3-C6醇 富集液相和水富集液相，并使所述C3-C6醇富集相与所述水富集相分离。
103.如权利要求102所述的方法，其还包括通过选自以下的步骤处理所述C3-C6醇富 集相以除去水a.选择性地除去水；b.选择性地结合水；和c.选择性地排斥水。
104.如权利要求102所述的方法，其还包括通过选自以下的步骤处理所述C3-C6醇富 集相以除去水a.添加亲水性溶质；b.添加碳源；c.反渗透；d.渗析；e.在醇选择性吸附剂上吸附所述C3-C6醇；f.将所述C3-C6醇萃取到醇选择性萃取剂中；g.在水选择性吸附剂上吸附水；和h.将水萃取到水选择性萃取剂中。
105.如权利要求102所述的方法，其中在所述C3-C6醇富集相中C3-C6醇对水的比率 比在所述发酵培养基中C3-C6醇对水的比率大至少约5倍。
106.如权利要求84所述的方法，其中所述蒸馏步骤在低于大气压力的压力和在约 20°C至约95°C的温度进行。
107.如权利要求106所述的方法，其中所述发酵培养基部分包含微生物以及其中所述 蒸馏步骤在蒸馏容器中进行。
108.如权利要求107所述的方法，其中所述发酵培养基部分在导引至所述蒸馏容器中 之前的温度为约20°C至约95°C。
109.如权利要求107所述的方法，其中所述发酵培养基部分在所述蒸馏容器中经受低 于大气压力的压力。
110.如权利要求84所述的方法，其中所述发酵在大气压力进行。
111.如权利要求84所述的方法，其中所述发酵在低于大气压力的压力进行。
112.如权利要求84所述的方法，其中所述发酵在高于大气压力的压力进行。
113.如权利要求84所述的方法，其中所述蒸馏步骤在约0.025bar至约IObar进行。
114.如权利要求102所述的方法，其还包括以下步骤冷却所述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.如权利要求102所述的方法，其还包括通过选自以下的方法从所述C3-C6醇富集 相回收C3-C6醇蒸馏、渗析、水吸附、通过溶剂萃取来萃取所述C3-C6醇、与在水中不可混 溶的烃液体接触和与亲水性化合物接触，以产生含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对C3-C6醇的比率小于在所述第一相中水对C3-C6醇的比 率。
116.如权利要求115所述的方法，其中所述回收的C3-C6醇包含至少约90重量％ C3-C6 醇。
117.如权利要求115所述的方法，其中所述回收的C3-C6醇包含至少约95重量％ C3-C6 醇。
118.如权利要求115所述的方法，其中所述回收的C3-C6醇包含至少约99重量％ C3-C6 醇。
119.如权利要求115所述的方法，其中所述回收步骤包括蒸馏所述C3-C6醇富集相以 产生含C3-C6醇和水的蒸气相和含所述C3-C6醇的高沸点产物。
120 如权利要求119所述的方法，其中所述高沸点产物包含至少约90重量％ C3-C6
121 如权利要求119所述的方法，其中所述高沸点产物包含至少约95重量％ C3-C6
122 如权利要求119所述的方法，其中所述高沸点产物包含至少约99重量％ C3-C6
123 如权利要求84所述的方法，其中所述蒸气相包括水和所述C3-C6醇的共沸物。
124 如权利要求102所述的方法，其还包括处理所述C3-C6醇富集相。
125 如权利要求`124所述的方法，其中所述处理步骤选自a.从所述C3-C6醇富集相蒸馏基本上纯的C3-C6醇；b.从所述C3-C6醇富集相蒸馏所述C3-C6醇的共沸物；c.使所述C3-C6醇富集相与C3-C6醇选择性吸附剂接触；和d.使所述C3-C6醇富集相与在水中不可混溶的烃液体合并。
126.如权利要求124所述的方法，其中所述处理步骤包括使所述C3-C6醇富集相与在 水中不可混溶的烃液体合并，以及所得到的混合物形成单一均相。
127.如权利要求124所述的方法，其中所述处理步骤包括使所述C3-C6醇富集相与 在水中不可混溶的烃液体合并，以及所得到的混合物形成轻相和重相，其中在所述轻相中 C3-C6醇对水的比率大于在所述重相中C3-C6醇对水的比率。
128.如权利要求84所述的方法，其中所述培养步骤是选自以下的方法a.分批发酵，b.补料-分批发酵，c.连续发酵，d.细胞再循环发酵，e.酶反应法。
129.如权利要求84所述的方法，其中所述微生物选自丁酸梭菌、丙酮丁酸梭菌、糖乙 酸多丁醇梭菌和拜氏梭菌。
130.如权利要求84所述的方法，其中所述微生物为耐温微生物。
131.如权利要求84所述的方法，其中所述微生物在约20°C至约95°C的温度是可存活的。
132.如权利要求84所述的方法，其中所述微生物具有至少约0.5g/L/h的生产率。
133.从含第一含量的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.蒸馏稀水溶液部分至含C3-C6醇和水的蒸气相，其中所述蒸气相包含来自于所述稀 水溶液部分的C3-C6醇的第一含量的约1重量％至约45重量％ ；和b.凝结所述蒸气相。
134.如权利要求133所述的方法，其中所述蒸气相包含来自于所述稀水溶液的C3-C6 醇的约2重量％至约40重量％。
135.如权利要求133所述的方法，其中所述蒸气相包含来自于所述稀水溶液的C3-C6 醇的约3重量％至约35重量％。
136.如权利要求133所述的方法，其中所述蒸气相包含来自于所述稀水溶液的C3-C6 醇的约4重量％至约30重量％。
137.如权利要求133所述的方法，其中所述蒸气相包含来自于所述稀水溶液的C3-C6 醇的约5重量％至约25重量％。
138.如权利要求133所述的方法，其还包括从所述凝结蒸气相形成C3-C6醇富集液相 和水富集液相。
139.如权利要求138所述的方法，其还包括使所述C3-C6醇富集相与所述水富集相分罔。
140.如权利要求133所述的方法，其中所述蒸馏步骤是单级蒸馏。
141.如权利要求133所述的方法，其中所述C3-C6醇为丙醇。
142.如权利要求133所述的方法，其中所述C3-C6醇为丁醇。
143.如权利要求133所述的方法，其中所述C3-C6醇为戊醇。
144.如权利要求133所述的方法，其中所述C3-C6醇为己醇。
145.如权利要求133所述的方法，其中在所述稀水溶液中C3-C6醇对水的比率小于约 9/91 (w/w)ο
146.如权利要求133所述的方法，其中在所述稀水溶液中C3-C6醇对水的比率小于约 6/94(w/w)ο
147.如权利要求133所述的方法，其中在所述稀水溶液中C3-C6醇对水的比率小于约 3/97(w/w)。
148.如权利要求133所述的方法，其中所述蒸馏步骤是绝热的。
149.如权利要求133所述的方法，其中所述蒸馏步骤是等温的。
150.如权利要求133所述的方法，其中从所述稀水溶液至所述凝结蒸气醇的富集度为 至少约5倍。
151.如权利要求133所述的方法，其中从所述稀水溶液至所述凝结蒸气醇的富集度为 至少约10倍。
152.如权利要求133所述的方法，其中从所述稀水溶液至所述凝结蒸气醇的富集度为 至少约15倍。
153.操作改造的乙醇生产装置以生成C3-C6醇的方法，所述改造的乙醇生产装置包括 预处理单元、多重发酵单元和发酵醪蒸馏器，所述方法包括a.在所述预处理单元中预处理给料以形成可发酵糖；b.在第一发酵单元中在含所述可发酵糖的发酵培养基中培养微生物，以生成所述 C3-C6 醇；c.处理含所述C3-C6醇的发酵培养基部分以除去C3-C6醇部分；d.将处理过的所述发酵培养基的部分返至第一发酵单元；和e.将所述发酵培养基从所述第一发酵单元转移至所述发酵醪蒸馏器。
154.如权利要求153所述的方法，其中所述改造装置的C3-C6醇生产量为改造前所述 装置的乙醇最大生产量的C3-C6醇等价物的至少约80%。
155.如权利要求153所述的方法，其中所述改造装置的生产量为改造前所述装置的乙 醇最大生产量的C3-C6醇等价物的至少约90%。
156.如权利要求153所述的方法，其中所述改造装置的生产量为改造前所述装置的乙 醇最大生产量的C3-C6醇等价物的至少约95%。
157.从水溶液萃取C3-C6醇的方法，所述方法包括使所述水溶液与酸性的、基于胺的、 醇选择性萃取剂接触。
158.如权利要求157所述的方法，其中所述酸性的、基于胺的萃取剂通过对有机胺溶 液酸化而形成的。
159.如权利要求157所述的方法，其中在所述接触后形成两相。
全文摘要
本发明涉及从稀水溶液如发酵肉汤中回收C3-C6醇的方法。该方法为发酵提供改善的容积生产率和容许回收醇。由于通过同时发酵和回收方法提高了醇产物的浓缩效率，该方法也容许在生产和用过的发酵肉汤的干燥中减少能量的使用，所述同时发酵和回收方法提高了每干燥一定量的发酵肉汤生成和回收的醇量。因此，本发明容许以低资本和减少的操作成本生成和回收C3-C6醇。
文档编号B01D3/10GK101959568SQ200880127622
公开日2011年1月26日 申请日期2008年12月23日 优先权日2007年12月27日
发明者威廉·A·伊万科, 安德鲁·C·霍金斯, 帕特里克·R·格鲁伯, 戴维·A·格拉斯纳, 缪福度, 肯特·埃文斯, 阿哈伦·M·伊亚尔, 阿里斯托斯·A·阿里斯蒂杜 申请人:格沃股份有限公司