专利名称：丙酮-丁醇发酵分离耦合的工艺方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种丙酮-丁醇发酵分离耦合的工艺方法，特别是发酵与萃取蒸馏分离技术耦合的一种发酵分离耦合方法。
背景技术：
丙酮和丁醇是重要的化工原料、工业溶剂及燃料，可由化学合成法和发酵法生产。 发酵法生产丙酮和丁醇是以淀粉质、纸浆废液、糖蜜和野生植物等为原料，由于整个发酵过程会受到严重的产物抑制，使得反应后发酵液中只含有约1. 8%(质量分数)的乙醇、丙酮和正丁醇(产物通称ABE)，其余为发酵固体物和水[陈駒声.发酵法丙酮和丁醇生产技术 [M],北京化学工业出版社，1991.]。传统的提纯方法是使发酵液首先经过粗分离塔蒸馏提浓去掉发酵固体物和部分水，得到约含乙醇4%、丙酮10%、正丁醇26%和水60%的物料， 这一过程的能耗很大。目前，文献(Steven Roffler, Harvey W. Blanch, Charles R. ffilke. Extractive Fermentation of Acetone and Butanol: Process Design and Economic Evaluation [J], Biotechnology Progress, 1987，3(3) : 131 - 140.)中已经有关于采用液液萃取与丙酮-丁醇发酵相结合的报道，该方法可以有效消除产物的抑制作用，提高了产率和原料利用率，比传统发酵方法已经有了很大的进步，但是在萃取后分离发酵产物的方法是采用传统的蒸馏方法，即将含有发酵产物的萃取液加入到蒸馏釜中，通过对蒸馏釜加热而蒸馏得到含乙醇、丙酮、正丁醇和水的物料和回收萃取剂，这种方法需要将所使用的全部萃取剂加热至高温，之后还需要将萃取剂冷却，设备复杂，能量消耗大。
发明内容
本发明的目的是提供一种丙酮-丁醇发酵分离耦合工艺方法和装置，它克服了已有萃取发酵耦合方法中发酵产物分离能耗高的缺点。本发明所采用的技术方案是一种丙酮-丁醇发酵分离耦合装置，它是由发酵罐、 设置在发酵罐上部并与之贯通的萃取塔、安装于萃取塔上部的加热器和与萃取塔顶部连通的冷凝器组成，可以在这种装置内同时实现发酵、萃取和蒸馏三个过程，其中萃取塔外壁设置有进料口，进料口前设置有进料阀，萃取塔下部外壁设置有出料口，出料口后设置有出料阀；发酵罐外壁设置有进料口，进料口前设置有进料阀，发酵罐下部设置有出料口，出料口下部设置有出料阀。所述萃取塔的高度Ht为0. 4 20 m,优选1. 5 15 m。所述加热器的高度Hh为0. 05 5 m,并且Hh = 0. 01 Ht 0. 3 Ht ；加热器的上缘与萃取塔塔顶的距离Hp为0. 05 5 m,并且Hp = 0. 01 Ht 0. 4 Ht,并且能够保证蒸馏时液体沸腾和汽化溢出的顺利进行，并且液体飞沫不被蒸汽带出。所述安装于萃取塔上部的加热器可以是电加热套，安装于萃取塔上部外壁上。一种使用如前所述的耦合装置完成丙酮-丁醇发酵分离耦合的工艺方法，它包括以下步骤
(a)在常规发酵罐中进行丙酮-丁醇发酵，之后将发酵液加入到如前所述的耦合装置的发酵罐中，或者直接在如前所述的耦合装置的发酵罐中进行丙酮-丁醇发酵；
(b)在萃取塔内装有高沸点的萃取剂；
(c)发酵产生的丙酮、丁醇和乙醇被萃取到萃取剂中，并向上迁移；
(d)通过安装于萃取塔上部的加热器对萃取塔内上部的萃取剂进行加热，使溶于萃取剂中的丙酮、丁醇和乙醇被不断的蒸馏出去，经冷凝器冷凝后收集得含丙酮、丁醇和乙醇的溶液。向萃取塔中加入萃取剂的液面高于安装于萃取塔上部的加热器下缘，并且与该加热器缘的距离=0.8 Hh 1.2 Hh;萃取剂液面与萃取塔塔顶的距离能够保证蒸馏时液体沸腾和汽化溢出的顺利进行，且液体飞沫不被蒸汽带出。该工艺方法的特征是萃取剂的密度小于丙酮-丁醇发酵液的密度，并且大于丁醇的密度，优选0.83 0.97 kg/m3。以便使萃取剂能够处于丙酮-丁醇发酵液的上方，而且发酵产物丙酮、丁醇和乙醇与萃取剂之间的浓度差和密度差可以作为丙酮、丁醇和乙醇在萃取剂中向上迁移的动力来源。该工艺方法的特征是萃取剂的沸点为140 800°C。该工艺方法的特征是萃取剂可以选自油酸乙酯、油酸、异硬脂酸、三蓖麻酸甘油酯、蓖麻酸甲酯、蓖麻酸乙酯、丁酸丁酯、葵二酸二丁酯、葵二酸二异辛酯、均三甲苯、癸醇、 十二醇、十四醇、油醇、异硬脂醇中的一种或两种或两种以上的混合物。现有丙酮-丁醇发酵萃取耦合技术中，在萃取后分离发酵产物的方法是采用传统的蒸馏方法，需要将所使用的全部萃取剂加热至高温，之后还需要将萃取剂冷却，设备复杂，能量消耗大。相对于现有丙酮-丁醇发酵萃取耦合技术，本发明的有益效果是该工艺方法的特征是在一个装置内实现丙酮-丁醇发酵、产物萃取和蒸馏三个过程，其中发酵过程和蒸馏过程可以连续进行，也可以间歇进行，并且虽然发酵是在较低温度下进行，蒸馏是在较高温度下进行，但由于安装于萃取塔上部的加热器加热蒸馏的热量而使发酵液温度上升的程度不会影响装置下部丙酮-丁醇发酵过程的顺利进行。1.节能。采用本发明中的发酵-萃取-蒸馏装置进行丙酮-丁醇发酵、产物萃取和蒸馏三个过程，蒸馏时的加热装置安装于萃取塔上部，只需对少部分萃取剂进行加热，而不需要将全部的萃取剂加热至高温，也避免了之后的萃取剂冷却过程，能够有效降低能量消耗。2.装置简化。本发明中的发酵-萃取-蒸馏过程能够在一个装置中完成，并且不需要萃取剂冷却设备。
以下结合附图对本发明做进一步的说明。
图1为本发明的发酵-萃取-蒸馏装置及流程示意图。图1中，101-冷凝器；102、109-加热器；103-萃取塔；104、106-进料阀；105、107-进料口 ；108-发酵罐；110、112-出料口 ；111、113_出料阀；Wltll-冷凝水进水；W1(12-冷凝水出水；D1(11-蒸馏冷凝产物；F「液液相界面；FS-溶液液面；Ht-萃取塔高度；
4Hh-加热器102的高度；HP-加热器102的上缘与萃取塔塔顶的距离；HV-萃取剂液面与萃取塔塔顶的距离；He-萃取剂的高度。图2为本发明的发酵-萃取-蒸馏装置及流程示意图，与图1所示装置的区别在于图1中的萃取塔103是由一个圆筒组成，而图2中的萃取塔103是由一个圆台形筒和一个与之贯通的圆筒组成，其中圆台形筒的高度为H。。图3为现有技术的液液萃取与丙酮-丁醇发酵相耦合的装置及流程示意图。图3 中，301、310、317、322、324、332-泵；302,305,325-进料阀；303,304,311,314,319,326- 料口 ；306-发酵罐；307、328-加热器；308、312、315、320、329_ 出料口 ；309、316、321、 330-出料阀；313-萃取罐；318-萃取剂储罐；323-冷凝器；327-蒸馏釜；331-冷却器； W301-冷凝水进水；W3(12-冷凝水出水；w3(13-冷却水进水；w3(14-冷却水出水；d3(11-蒸馏冷凝产物。
具体实施例方式在下述实施例中，所用的丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)中国普通微生物菌种保藏管理中心(1.M4)提供。活化、保藏菌种和发酵采用的玉米醪培养基的配制方法以及菌种活化方法和保藏方法均参照文献(杨影，张龙云，史仲平.添加表面活性剂改善丁醇萃取发酵性能[J]. 生物加工过程，2008，6(4): 25-30)，S卩活化、保藏菌种和发酵均采用玉米醪培养基，市售黄玉米40目过筛后糊化60 min，冷却至室温。菌种活化和保藏用的玉米醪质量分数为 5%，pH自然；发酵用玉米醪质量分数为6% 7%，pH调至9. 0，121°C灭菌60 min。所得馏分中丁醇、乙醇、丙酮的含量采用气相色谱内标法测定，采用GC112A型气相色谱仪(配有氢火焰检测器)，上海精密科学仪器有限公司生产。使用N2000型色谱工作站(浙大智达信息有限公司)分析数据，色谱柱为ALPHA-Col型PEG(聚乙二醇)毛细管柱(澳大利亚SGE Int'l Pty. Ltd.)。氮气为载气(14毫升/min)，氢气和空气分别为38 毫升/min和252毫升/min。采用三阶程序升温法(40°C，1. 0 min —升温速率3°C /min, 终温70°C，1. 0 min —升温速率5°C /min,终温140°C，1. 0 min —升温速率15°C /min,终温 200°C，15 min)进行分析测定。进样器温度为220°C，监测器温度为220°C。使用内标法测定，内标物为异丁醇，进样量为0. 1微升。馏分中的水含量按[100% (丁醇含量+乙醇含量+丙酮含量)]计算。实施例1
发酵-萃取-蒸馏装置具体操作过程为首先在常规发酵罐中进行丙酮-丁醇发酵， 之后将发酵液经进料口 107加入到发酵罐108中，或者直接将发酵原料经进料口 107加入到发酵罐108中进行丙酮-丁醇发酵；经进料口 105向萃取塔103中加入高沸点的萃取剂； 发酵产生的丙酮、丁醇和乙醇被萃取到萃取剂中，并向上迁移；开启冷凝器101的冷源，开启加热器102对萃取塔内上部的萃取剂进行加热，溶于萃取剂中的丙酮、丁醇和乙醇被不断的汽化，经冷凝器101冷凝后收集。发酵-萃取-蒸馏完成后的发酵液可以由出料口 110 排出；萃取剂需要更换时可以由出料口 212排出，经进料口 105加入新的萃取剂。附图1所示的装置，由发酵罐108、设置在发酵罐108上部并与之贯通的萃取塔 103、安装于萃取塔103上部的加热器102和与萃取塔顶部连通的冷凝器101组成，以及加热器109，进料阀104、106，进料口 105、107，出料口 110、112，出料阀111、113，冷凝水进水
Wltll，冷凝水出水Wltl2，蒸馏冷凝产物Dltll。发酵罐108容积为5升，内筒体直径0. 15 m ；萃取塔103高度Ht为1.4 m，塔内径0.15 m ；加热器102为电加热套，位于萃取塔103上部外壁上，夹套高度Hh为0. 25 m，其功率为1.5千瓦，其上缘与萃取塔塔顶的距离Hp为0.3 m。发酵-萃取-蒸馏过程采用本实施例所述装置，按5%的接种量接入活化的菌液于7%的玉米醪培养基中，总体积为5升，经进料口 107加入到发酵罐108中，然后经进料口 105向萃取塔103中加入油酸乙酯作为萃取剂至萃取剂液面高出加热器102下缘0. 25 m, 萃取剂的高度礼为1. 2 m，萃取剂液面与萃取塔塔顶的距离Hv为0. 3 m ；37°C下静置培养 72小时，发酵产生的丙酮、丁醇和乙醇被萃取到萃取剂中，并向上迁移；开启冷凝器101的冷凝水，开启加热器102对萃取塔内上部的萃取剂进行加热并通过调节加热电压控制萃取塔内上部的萃取剂温度在120 130°C，操作压力为大气压，溶于萃取剂中的丙酮、丁醇和乙醇被不断的汽化，经冷凝器101冷凝后收集，同时经进料口 105向萃取塔103中补充加入油酸乙酯(萃取剂)以维持萃取剂液面与萃取塔塔顶的距离Hv为0.3 m;从有馏分馏出时开始计时，4小时后关闭加热器102的加热，再2. 0小时后关闭冷凝器101的冷凝水。得到馏分0. 212 kg，丁醇含量为31. 2% (质量百分数)，丙酮含量为11. 3% (质量百分数)，乙醇含量为3. 90%(质量百分数)，水含量为53. 6%(质量百分数)，加热器102从开始加热到停止加热总共耗电1.40千瓦 时。本实施例中，每单位质量馏分加热器102的耗电为1. 40/0. 212 = 6. 60千瓦 时 /kg,比实施例20 (对比例)中每单位质量馏分加热套328的耗电(9. 66千瓦 时/kg)低 3. 06千瓦 时/kg ；并且本实施例所得馏分中的丁醇、丙酮和乙醇的总含量不低于实施例20 (对比例)所得馏分中的丁醇、丙酮和乙醇的总含量。本实施例比实施例20 (对比例)需要的设备少，并且不需要萃取剂冷却设备，而实施例20 (对比例)需要设置萃取剂设备(冷却器331)。实施例2
发酵-萃取-蒸馏装置附图1所示的装置，其中发酵罐108容积为0. 8升，内筒体直径0.08 m;萃取塔103高度Ht为0.4 m，塔内径0.08 m ；加热器102为电加热套，位于萃取塔103上部外壁上，夹套高度Hh为0. 05 m，其功率为0. 8千瓦，其上缘与萃取塔塔顶的距离 Hp 为 0. 05 m。发酵-萃取-蒸馏过程采用本实施例所述装置，按5%的接种量接入活化的菌液于7%的玉米醪培养基中，总体积为0. 8升，经进料口 107加入到发酵罐108中，然后经进料口 105向萃取塔103中加入油酸作为萃取剂至萃取剂液面高出加热器102下缘0. 04 m，萃取剂的高度He为0.37 m，萃取剂液面与萃取塔塔顶的距离Hv为0.06 m;37°C下静置培养 72小时，发酵产生的丙酮、丁醇和乙醇被萃取到萃取剂中，并向上迁移；开启冷凝器101的冷凝水，开启加热器102对萃取塔内上部的萃取剂进行加热并通过调节加热电压控制萃取塔内上部的萃取剂温度在120 130°C，操作压力为大气压，溶于萃取剂中的丙酮、丁醇和乙醇被不断的汽化，经冷凝器101冷凝后收集，同时经进料口 105向萃取塔103中补充加入油酸(萃取剂)以维持萃取剂液面与萃取塔塔顶的距离Hv为0.06 m;从有馏分馏出时开始计时，3小时后关闭加热器102的加热，再2. 0小时后关闭冷凝器101的冷凝水。得到馏分 0. 032 kg, 丁醇含量为31. 4% (质量百分数)，丙酮含量为11. 4% (质量百分数)，乙醇含量为4. 0%(质量百分数)，水含量为53. 2%(质量百分数)，加热器102从开始加热到停止加热总共耗电0. 305千瓦·时。本实施例中，每单位质量馏分加热器102的耗电为0. 305/0. 032 = 9. 53千瓦 时 /kg,比实施例20 (对比例)中每单位质量馏分加热套328的耗电(9. 66千瓦 时/kg)低 0. 13千瓦·时/kg。实施例3
发酵-萃取-蒸馏装置附图1所示的装置，其中发酵罐108容积为5升，内筒体直径 0. 15 m ；萃取塔103高度Ht为1. 5 m，塔内径0.15 m ；加热器102为电加热套，位于萃取塔 103上部外壁上，夹套高度Hh为0. 25 m,其功率为3千瓦，其上缘与萃取塔塔顶的距离Hp为 0. 3 m0发酵-萃取-蒸馏过程按5%的接种量接入活化的菌液于7%的玉米醪培养基中， 总体积为50升，先在37°C下静置培养72小时；采用本实施例所述装置，将5升发酵液经进料口 107加入到发酵罐108中，然后经进料口 105向萃取塔103中加入异硬脂酸作为萃取剂至萃取剂液面高出加热器102下缘0. 25 m，萃取剂的高度He为1.3 m，萃取剂液面与萃取塔塔顶的距离Hv为0.3 m;发酵液中的丙酮、丁醇和乙醇被萃取到萃取剂中，并向上迁移；2 小时后开启冷凝器101的冷凝水，开启加热器102对萃取塔内上部的萃取剂进行加热并通过调节加热电压控制萃取塔内上部的萃取剂温度在120 130°C，操作压力为大气压，溶于萃取剂中的丙酮、丁醇和乙醇被不断的汽化，经冷凝器101冷凝后收集，同时经进料口 105 向萃取塔103中补充加入异硬脂酸(萃取剂)以维持萃取剂液面与萃取塔塔顶的距离Hv为 0. 3 m ；2小时后将剩余的45升发酵液以10升/小时的速度经进料口 107加入到发酵罐108 中，同时从出料口 Iio排出发酵液以维持发酵罐108中的发酵液体积不变，4. 5小时后加料完毕，关闭进料口 107和出料口 110;从有馏分馏出时开始计时，8小时后关闭加热器102的加热，再2.0小时后关闭冷凝器101的冷凝水。得到馏分2. 10 kg，丁醇含量为30. 7%(质量百分数)，丙酮含量为11. 2% (质量百分数)，乙醇含量为3. 90% (质量百分数)，水含量为 54. 2%(质量百分数)，加热器102从开始加热到停止加热总共耗电13. 9千瓦 时。本实施例中，每单位质量馏分加热器102的耗电为13. 9/2. 10 = 6. 62千瓦 时 /kg,比实施例20 (对比例)中每单位质量馏分加热套328的耗电(9. 66千瓦 时/kg)低 3. 04千瓦·时/kg。实施例4
发酵-萃取-蒸馏装置附图1所示的装置，其中发酵罐108容积为15升，内筒体直径 0.2 m ；萃取塔103高度Ht为3.0 m，塔内径0.2 m ；加热器102为电加热套，位于萃取塔103 上部外壁上，夹套高度Hh为0. 9 m，其功率为4千瓦，其上缘与萃取塔塔顶的距离Hp为1. 2 m0发酵-萃取-蒸馏过程按5%的接种量接入活化的菌液于7%的玉米醪培养基中， 总体积为150升；采用本实施例所述装置，将已活化的15升玉米醪培养基经进料口 107加入到发酵罐108中，然后经进料口 105向萃取塔103中加入三蓖麻酸甘油酯作为萃取剂至萃取剂液面高出加热器102下缘0. 9 m，萃取剂的高度He为2. 0 m，萃取剂液面与萃取塔塔顶的距离队为1. 2 m ；37°C下静置培养72小时，发酵产生的丙酮、丁醇和乙醇被萃取到萃取剂中，并向上迁移；开启冷凝器101的冷凝水，开启加热器102对萃取塔内上部的萃取剂进行加热并通过调节加热电压控制萃取塔内上部的萃取剂温度在120 130°C，操作压力为大气压，溶于萃取剂中的丙酮、丁醇和乙醇被不断的汽化，经冷凝器101冷凝后收集，同时经进料口 105向萃取塔103中补充加入三蓖麻酸甘油酯(萃取剂)以维持萃取剂液面与萃取塔塔顶的距离Hv为1. 2 m;2小时后将剩余的135升玉米醪培养基以2. 5升/小时的速度经进料口 107加入到发酵罐108中，同时从出料口 110排出发酵液以维持发酵罐108中的发酵液体积不变，54小时后加料完毕，关闭进料口 107和出料口 110;从有馏分馏出时开始计时，60小时后关闭加热器102的加热，再2. 0小时后关闭冷凝器101的冷凝水。得到馏分6. 23 kg, 丁醇含量为31. 0% (质量百分数)，丙酮含量为11. 3% (质量百分数)，乙醇含量为4. 0% (质量百分数)，水含量为53. 7% (质量百分数)，加热器102从开始加热到停止加热总共耗电48. 6千瓦·时。本实施例中，每单位质量馏分加热器102的耗电为48. 6/6. 23 = 7. 80千瓦 时 /kg,比实施例20 (对比例)中每单位质量馏分加热套328的耗电(9. 66千瓦 时/kg)低 1. 86千瓦·时/kg。实施例5
发酵-萃取-蒸馏装置附图1所示的装置，其中发酵罐108容积为95升，内筒体直径 0. 35 m;萃取塔103高度Ht为10 m，塔内径0.3 m ；加热器102为电加热套，位于萃取塔103 上部外壁上，夹套高度Hh为2 m，其功率为8千瓦，其上缘与萃取塔塔顶的距离Hp为2. 2 m。发酵-萃取-蒸馏过程按5%的接种量接入活化的菌液于7%的玉米醪培养基中， 总体积为95升，先在37°C下静置培养72小时；采用本实施例所述装置，将95升发酵液经进料口 107加入到发酵罐108中，然后经进料口 105向萃取塔103中加入蓖麻酸甲酯作为萃取剂至萃取剂液面高出加热器102下缘2. 1 m,萃取剂的高度He为8. 0 m,萃取剂液面与萃取塔塔顶的距离Hv为2. 1 m;发酵液中的丙酮、丁醇和乙醇被萃取到萃取剂中，并向上迁移；2小时后开启冷凝器101的冷凝水，开启加热器102对萃取塔内上部的萃取剂进行加热并通过调节加热电压控制萃取塔内上部的萃取剂温度在120 130°C，操作压力为大气压， 溶于萃取剂中的丙酮、丁醇和乙醇被不断的汽化，经冷凝器101冷凝后收集，同时经进料口 105向萃取塔103中补充加入蓖麻酸甲酯(萃取剂)以维持萃取剂液面与萃取塔塔顶的距离Hv为2. 1 m ；从有馏分馏出时开始计时，6小时后关闭加热器102的加热，再2. 0小时后关闭冷凝器101的冷凝水。得到馏分4. 3 kg，丁醇含量为四.0%(质量百分数)，丙酮含量为11. 0%(质量百分数)，乙醇含量为4. 0%(质量百分数)，水含量为56. 0%(质量百分数)， 加热器102从开始加热到停止加热总共耗电26. 53千瓦 时。本实施例中，每单位质量馏分加热器102的耗电为26. 53/4. 3 = 6. 17千瓦 时 /kg,比实施例20 (对比例)中每单位质量馏分加热套328的耗电(9. 66千瓦 时/kg)低 3. 49千瓦·时/kg。实施例6
发酵-萃取-蒸馏装置附图1所示的装置，其中发酵罐108容积为150升，内筒体直径0.42 m;萃取塔103高度Ht为15 m，塔内径0.4 m ；加热器102为电加热套，位于萃取塔 103上部外壁上，夹套高度Hh为0. 15 m,其功率为8千瓦，其上缘与萃取塔塔顶的距离Hp为 0. 15 m0发酵-萃取-蒸馏过程采用本实施例所述装置，按5%的接种量接入活化的菌液于7%的玉米醪培养基中，总体积为150升，经进料口 107加入到发酵罐108中，然后经进料口 105向萃取塔103中加入蓖麻酸乙酯作为萃取剂至萃取剂液面高出加热器102下缘0. 15 m，萃取剂的高度He为14. 9 m，萃取剂液面与萃取塔塔顶的距离Hv为0. 15 m ;37°C下静置培养72小时，发酵产生的丙酮、丁醇和乙醇被萃取到萃取剂中，并向上迁移；开启冷凝器101 的冷凝水，开启加热器102对萃取塔内上部的萃取剂进行加热并通过调节加热电压控制萃取塔内上部的萃取剂温度在120 130°C，操作压力为大气压，溶于萃取剂中的丙酮、丁醇和乙醇被不断的汽化，经冷凝器101冷凝后收集，同时经进料口 105向萃取塔103中补充加入蓖麻酸乙酯(萃取剂)以维持萃取剂液面与萃取塔塔顶的距离Hv为0. 15 m;从有馏分馏出时开始计时，8小时后关闭加热器102的加热，再2. 0小时后关闭冷凝器101的冷凝水。 得到馏分6. 7 kg，丁醇含量为29. 6% (质量百分数)，丙酮含量为11. 1% (质量百分数)，乙醇含量为3. 90%(质量百分数)，水含量为55. 4%(质量百分数)，加热器102从开始加热到停止加热总共耗电41. 35千瓦·时。本实施例中，每单位质量馏分加热器102的耗电为41. 35/6. 7 = 6. 17千瓦 时 /kg,比实施例20 (对比例)中每单位质量馏分加热套328的耗电(9. 66千瓦 时/kg)低 3. 49千瓦·时/kg。实施例7
发酵-萃取-蒸馏装置附图1所示的装置，其中发酵罐108容积为400升，内筒体直径0.57 m;萃取塔103高度Ht为20 m，塔内径0.5 m ；加热器102为电加热套，位于萃取塔 103上部外壁上，夹套高度Hh为5 m，其功率为10千瓦，其上缘与萃取塔塔顶的距离Hp为5 m0发酵-萃取-蒸馏过程采用本实施例所述装置，按5%的接种量接入活化的菌液于7%的玉米醪培养基中，总体积为400升，经进料口 107加入到发酵罐108中，然后经进料口 105向萃取塔103中加入丁酸丁酯作为萃取剂至萃取剂液面高出加热器102下缘6. 0 m, 萃取剂的高度扎为16. 2 m，萃取剂液面与萃取塔塔顶的距离Hv为4. 0 m ；37°C下静置培养 72小时，发酵产生的丙酮、丁醇和乙醇被萃取到萃取剂中，并向上迁移；开启冷凝器101的冷凝水，开启加热器102对萃取塔内上部的萃取剂进行加热并通过调节加热电压控制萃取塔内上部的萃取剂温度在120 130°C，操作压力为大气压，溶于萃取剂中的丙酮、丁醇和乙醇被不断的汽化，经冷凝器101冷凝后收集，同时经进料口 105向萃取塔103中补充加入丁酸丁酯(萃取剂)以维持萃取剂液面与萃取塔塔顶的距离Hv为4.0 m;从有馏分馏出时开始计时，20小时后关闭加热器102的加热，再2. 0小时后关闭冷凝器101的冷凝水。得到馏分18. 4 kg, 丁醇含量为28. 5% (质量百分数)，丙酮含量为11. 1%(质量百分数)，乙醇含量为3. 98% (质量百分数)，水含量为56. 42% (质量百分数)，加热器102从开始加热到停止加热总共耗电113. 35千瓦·时。本实施例中，每单位质量馏分加热器102的耗电为113. 35/18. 4 = 6. 16千瓦 时 /kg,比实施例20 (对比例)中每单位质量馏分加热套328的耗电(9. 66千瓦 时/kg)低 3. 50千瓦·时/kg。实施例8
发酵-萃取-蒸馏装置附图1所示的装置，其中发酵罐108容积为5升，内筒体直径 0. 15 m ；萃取塔103高度Ht为1. 6 m，塔内径0.15 m ；加热器102为电加热套，位于萃取塔103上部外壁上，夹套高度Hh为0. 4 m，其功率为2千瓦，其上缘与萃取塔塔顶的距离Hp为
0.4 m。发酵-萃取-蒸馏过程采用本实施例所述装置，按5%的接种量接入活化的菌液于7%的玉米醪培养基中，总体积为5升，经进料口 107加入到发酵罐108中，然后经进料口 105向萃取塔103中加入葵二酸二丁酯作为萃取剂至萃取剂液面高出加热器102下缘0. 4 m，萃取剂的高度He为1.25 m，萃取剂液面与萃取塔塔顶的距离Hv为0.4 m ;37°C下静置培养72小时，发酵产生的丙酮、丁醇和乙醇被萃取到萃取剂中，并向上迁移；开启冷凝器101 的冷凝水，开启加热器102对萃取塔内上部的萃取剂进行加热并通过调节加热电压控制萃取塔内上部的萃取剂温度在120 130°C，操作压力为大气压，溶于萃取剂中的丙酮、丁醇和乙醇被不断的汽化，经冷凝器101冷凝后收集，同时经进料口 105向萃取塔103中补充加入葵二酸二丁酯(萃取剂)以维持萃取剂液面与萃取塔塔顶的距离Hv为0.4 m;从有馏分馏出时开始计时，3小时后关闭加热器102的加热，再2. 0小时后关闭冷凝器101的冷凝水。 得到馏分0. 225 kg，丁醇含量为27. 3% (质量百分数)，丙酮含量为11. 3% (质量百分数)，乙醇含量为4. 0% (质量百分数)，水含量为57. 4% (质量百分数)，加热器102从开始加热到停止加热总共耗电1. 87千瓦·时。本实施例中，每单位质量馏分加热器102的耗电为1. 87/0. 225 = 8. 31千瓦 时 /kg,比实施例20 (对比例)中每单位质量馏分加热套328的耗电(9. 66千瓦 时/kg)低
1.35千瓦·时/kg。实施例9
除采用葵二酸二异辛酯为萃取剂外，其它同实施例8，得到馏分0. 24 kg，丁醇含量为 27. 8% (质量百分数)，丙酮含量为11. 3% (质量百分数)，乙醇含量为3. 98% (质量百分数)， 水含量为56. 92% (质量百分数)，加热器102从开始加热到停止加热总共耗电1. 86千瓦· 时。本实施例中，每单位质量馏分加热器102的耗电为1.86/0.24 = 7. 75千瓦 时 /kg,比实施例20 (对比例)中每单位质量馏分加热套328的耗电(9. 66千瓦 时/kg)低
1.91千瓦·时/kg。实施例10
除采用均三甲苯为萃取剂外，其它同实施例8，得到馏分0.231 kg，丁醇含量为 27. 9% (质量百分数)，丙酮含量为11. 8% (质量百分数)，乙醇含量为3. 95% (质量百分数)， 水含量为56. 35% (质量百分数)，加热器102从开始加热到停止加热总共耗电1. 76千瓦· 时。本实施例中，每单位质量馏分加热器102的耗电为1. 76/0. 231 = 7. 62千瓦 时 /kg,比实施例20 (对比例)中每单位质量馏分加热套328的耗电(9. 66千瓦 时/kg)低
2.04千瓦·时/kg。实施例11
除采用癸醇为萃取剂外，其它同实施例8，得到馏分0. 221 kg，丁醇含量为28. 5%(质量百分数)，丙酮含量为11. 2%(质量百分数)，乙醇含量为4. 0%(质量百分数)，水含量为 56. 3%(质量百分数)，加热器102从开始加热到停止加热总共耗电1. 91千瓦 时。本实施例中，每单位质量馏分加热器102的耗电为1. 91/0. 221 = 8. 64千瓦 时/kg,比实施例20 (对比例)中每单位质量馏分加热套328的耗电(9. 66千瓦 时/kg)低 1. 02千瓦·时/kg。实施例12
除采用十二醇为萃取剂外，其它同实施例8，得到馏分0. 220 kg, 丁醇含量为28. 0% (质量百分数)，丙酮含量为11. 2% (质量百分数)，乙醇含量为3. 92% (质量百分数)，水含量为 56. 88%(质量百分数)，加热器102从开始加热到停止加热总共耗电1. 89千瓦·时。本实施例中，每单位质量馏分加热器102的耗电为1. 89/0. 220 = 8. 59千瓦 时 /kg,比实施例20 (对比例)中每单位质量馏分加热套328的耗电(9. 66千瓦 时/kg)低 1.07千瓦·时/kg。实施例13
除采用十四醇为萃取剂外，其它同实施例8，得到馏分0. 224 kg，丁醇含量为27. 9% (质量百分数)，丙酮含量为11. 4% (质量百分数)，乙醇含量为3. 91%(质量百分数)，水含量为 56. 79%(质量百分数)，加热器102从开始加热到停止加热总共耗电1. 81千瓦·时。本实施例中，每单位质量馏分加热器102的耗电为1. 81/0. 224 = 8. 08千瓦 时 /kg,比实施例20 (对比例)中每单位质量馏分加热套328的耗电(9. 66千瓦 时/kg)低 1. 58千瓦·时/kg。实施例14
除采用油醇为萃取剂外，其它同实施例8，得到馏分0. 220 kg，丁醇含量为29. 3%(质量百分数)，丙酮含量为11. 8%(质量百分数)，乙醇含量为3. 98% (质量百分数)，水含量为 54. 92%(质量百分数)，加热器102从开始加热到停止加热总共耗电1. 89千瓦·时。本实施例中，每单位质量馏分加热器102的耗电为1. 89/0. 220 = 8. 59千瓦 时 /kg,比实施例20 (对比例)中每单位质量馏分加热套328的耗电(9. 66千瓦 时/kg)低 1. 07千瓦·时/kg。实施例15
除采用异硬脂醇为萃取剂外，其它同实施例8，得到馏分0.215 kg，丁醇含量为 28. 9% (质量百分数)，丙酮含量为11. 5% (质量百分数)，乙醇含量为3. 90% (质量百分数)， 水含量为55. 7%(质量百分数)，加热器102从开始加热到停止加热总共耗电1. 85千瓦· 时。本实施例中，每单位质量馏分加热器102的耗电为1. 85/0. 215 = 8. 60千瓦 时 /kg,比实施例20 (对比例)中每单位质量馏分加热套328的耗电(9. 66千瓦 时/kg)低 1.06千瓦·时/kg。实施例16
除采用含50%(质量百分数)癸醇、50%(质量百分数)十四醇的混合物为萃取剂外，其它同实施例8，得到馏分0.233 kg，丁醇含量为观.6%(质量百分数)，丙酮含量为11. 3%(质量百分数)，乙醇含量为3. 99% (质量百分数)，水含量为56. 11% (质量百分数)，加热器102 从开始加热到停止加热总共耗电1. 92千瓦·时。本实施例中，每单位质量馏分加热器102的耗电为1. 92/0. 233 = 8. M千瓦 时 /kg,比实施例20 (对比例)中每单位质量馏分加热套328的耗电(9. 66千瓦 时/kg)低 1.42千瓦·时/kg。
11
实施例17
除采用含30%(质量百分数)十四醇、30%(质量百分数)异硬脂醇、40%(质量百分数)蓖麻酸乙酯的混合物为萃取剂外，其它同实施例8，得到馏分0.220 kg，丁醇含量为 28. 3% (质量百分数)，丙酮含量为11. 5% (质量百分数)，乙醇含量为3. 98% (质量百分数)， 水含量为56. 22%(质量百分数)，加热器102从开始加热到停止加热总共耗电1. 91千瓦· 时。本实施例中，每单位质量馏分加热器102的耗电为1. 91/0. 220 = 8. 68千瓦 时 /kg,比实施例20 (对比例)中每单位质量馏分加热套328的耗电(9. 66千瓦 时/kg)低
0.98千瓦·时/kg。实施例18
除采用含25%(质量百分数)蓖麻酸乙酯、25%(质量百分数)油酸乙酯、25%(质量百分数)葵二酸二丁酯、25%(质量百分数)异硬脂醇的混合物为萃取剂外，其它同实施例8，得到馏分0. 225 kg，丁醇含量为27. 4% (质量百分数)，丙酮含量为11. 8% (质量百分数)，乙醇含量为3. 95% (质量百分数)，水含量为56. 85% (质量百分数)，加热器102从开始加热到停止加热总共耗电1. 83千瓦·时。本实施例中，每单位质量馏分加热器102的耗电为1. 83/0. 225 = 8. 13千瓦 时 /kg,比实施例20 (对比例)中每单位质量馏分加热套328的耗电(9. 66千瓦 时/kg)低
1.53千瓦·时/kg。实施例19
发酵-萃取-蒸馏装置附图2所示的装置，其中发酵罐108容积为150升，内筒体直径0.42 m;萃取塔103由一个圆台形筒和一个与之贯通的圆筒组成，其高度Ht为8 m，其中圆台形筒高H。为7. 1 m，下底内径0.4 m，上底内径0.2 m ；加热器102为电加热套，位于萃取塔103上部外壁上，夹套高度Hh为0. 4 m，其功率为4千瓦，其上缘与萃取塔塔顶的距离 Hp 为 0. 5 m。发酵-萃取-蒸馏过程采用本实施例所述装置，按5%的接种量接入活化的菌液于7%的玉米醪培养基中，总体积为150升，经进料口 107加入到发酵罐108中，然后经进料口 105向萃取塔103中加入蓖麻酸乙酯作为萃取剂至萃取剂液面高出加热器102下缘0. 4 m，萃取剂的高度He为7. 6 m，萃取剂液面与萃取塔塔顶的距离Hv为0.5 m ;37°C下静置培养72小时，发酵产生的丙酮、丁醇和乙醇被萃取到萃取剂中，并向上迁移；开启冷凝器101 的冷凝水，开启加热器102对萃取塔内上部的萃取剂进行加热并通过调节加热电压控制萃取塔内上部的萃取剂温度在120 130°C，操作压力为大气压，溶于萃取剂中的丙酮、丁醇和乙醇被不断的汽化，经冷凝器101冷凝后收集，同时经进料口 105向萃取塔103中补充加入蓖麻酸乙酯(萃取剂)以维持萃取剂液面与萃取塔塔顶的距离Hv为0.5 m;从有馏分馏出时开始计时，10小时后关闭加热器102的加热，再2. 0小时后关闭冷凝器101的冷凝水。 得到馏分5. 72 kg, 丁醇含量为29. 7% (质量百分数)，丙酮含量为11. 1% (质量百分数)，乙醇含量为3. 90%(质量百分数)，水含量为55. 3%(质量百分数)，加热器102从开始加热到停止加热总共耗电32. 55千瓦 时。本实施例中，每单位质量馏分加热器102的耗电为32. 55/5. 72 = 5. 69千瓦 时 /kg,比实施例20 (对比例)中每单位质量馏分加热套328的耗电(9. 66千瓦 时/kg)低3. 97千瓦·时/kg。实施例20 (对比例)
采用目前文献中已经报道的液液萃取与丙酮-丁醇发酵相耦合的装置及流程，如附图 3 所示的装置，其中 301、310、317、322、3M、332-泵；302、305、325_ 进料阀；303,304, 311、314、319、326_ 进料口 ；306-发酵罐；307,328-加热套；308、312、315、320、329_ 出料口 ；309、316、321、330_出料阀；313-萃取罐；318-萃取剂储罐；323-冷凝器；327-蒸馏釜；331-冷却器;W3(11-冷凝水进水；W3(12-冷凝水出水；W3(13-冷却水进水；W3(14-冷却水出水； D301-蒸馏冷凝产物；发酵罐306容积为5升，内筒体直径0. 15 m ；萃取罐313容积为20升， 内筒体直径0. 30 m ；萃取剂储罐318容积为25升；蒸馏釜327容积为10升，内筒体直径 0. 25 m;加热套3 采用电加热方式，其功率为2.0千瓦。发酵、萃取、蒸馏过程采用本对比实施例所述装置，按5%的接种量接入活化的菌液于7%的玉米醪培养基中，总体积为5升，经进料口 303加入到发酵罐306中，37°C下静置培养72小时，之后转移至萃取罐313中，加入10升油酸乙酯作为萃取剂，搅拌30 min，静置60 min，将下层的发酵液转移至发酵罐306中，将上层的萃取剂转移至蒸馏釜327中，开启冷凝器323的冷凝水，开启加热套3 对萃取剂进行加热并通过调节加热电压控制萃取塔内上部的萃取剂温度在120 130°C，操作压力为大气压，溶于萃取剂中的丙酮、丁醇和乙醇汽化后经冷凝器323冷凝后收集；从有馏分馏出时开始计时，3小时后关闭加热套3 的加热，再2. 0小时后关闭冷凝器323的冷凝水。开启冷却器331的冷凝水，萃取剂经冷凝后转移至萃取剂储罐318中。得到馏分0.178 kg，丁醇含量为30. 5% (质量百分数)，丙酮含量为11. 2% (质量百分数)，乙醇含量为3. 80% (质量百分数)，水含量为54. 5% (质量百分数)，加热套3 从开始加热到停止加热总共耗电1. 72千瓦 时。本实施例中，每单位质量馏分加热套328的耗电为1. 72/0. 178 = 9. 66千瓦 时 /kg。
权利要求
1.一种丙酮-丁醇发酵分离耦合装置，它是由发酵罐、设置在发酵罐上部并与之贯通的萃取塔、安装于萃取塔上部的加热器和与萃取塔顶部连通的冷凝器组成，可以在这种装置内同时实现发酵、萃取和蒸馏三个过程，其中萃取塔外壁设置有进料口，进料口前设置有进料阀，萃取塔下部外壁设置有出料口，出料口后设置有出料阀；并且发酵罐外壁设置有进料口，进料口前设置有进料阀，发酵罐下部设置有出料口，出料口下部设置有出料阀。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征是萃取塔的高度Ht为0.4 20 m。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征是萃取塔的高度Ht为1.5 15 m。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征是所述加热器的高度Hh为0.05 5m，并且Hh =0. 01 Ht 0. 3 Ht ；所述加热器的上缘与萃取塔塔顶的距离Hp为0. 05 5 m,并且Hp = 0. 01 Ht 0. 4 Ht。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的装置，其特征是所述加热器可以是电加热套，安装于萃取塔上部外壁上。
6.一种使用如权利要求1所述的丙酮-丁醇发酵分离耦合装置完成丙酮-丁醇发酵分离耦合的工艺方法，其特征是它包括以下步骤(a)在如权利要求1所述的丙酮-丁醇发酵分离耦合装置的发酵罐中进行丙酮-丁醇发酵；或者先在常规发酵罐中进行丙酮-丁醇发酵，之后将发酵液加入到如权利要求1所述的丙酮-丁醇发酵分离耦合装置中；(b)在萃取塔内装有萃取剂；(c)发酵产生的丙酮、丁醇和乙醇被萃取到萃取剂中，并向上迁移；(d)通过安装于萃取塔上部的加热器对萃取塔内上部的萃取剂进行加热，使溶于萃取剂中的丙酮、丁醇和乙醇被不断的蒸馏出去，经冷凝器冷凝后收集得含丙酮、丁醇和乙醇的溶液。
7.根据权利要求6所述的丙酮-丁醇发酵分离耦合的工艺方法，其特征是向萃取塔中加入萃取剂的液面高于加热器下缘，并且与该加热器下缘的距离为0.8 Hh 1.2 Hh;并且萃取剂液面与萃取塔塔顶保持在蒸馏时液体沸腾和汽化溢出的顺利进行，并且液体飞沫不被蒸汽带出的距离。
8.根据权利要求6所述的丙酮-丁醇发酵分离耦合的工艺方法，其特征是所述萃取剂的沸点为140 800°C。
9.根据权利要求6所述的丙酮-丁醇发酵分离耦合的工艺方法，其特征是所述萃取剂的密度为0. 83 0. 97 kg/m3。
10.根据权利要求6所述的丙酮-丁醇发酵分离耦合的工艺方法，其特征是萃取剂是油酸乙酯、油酸、异硬脂酸、三蓖麻酸甘油酯、蓖麻酸甲酯、蓖麻酸乙酯、丁酸丁酯、葵二酸二丁酯、葵二酸二异辛酯、均三甲苯、癸醇、十二醇、十四醇、油醇、异硬脂醇中的一种、两种或两种以上的混合物。
全文摘要
一种丙酮-丁醇发酵分离耦合装置，它是由发酵罐、设置在发酵罐上部并与之贯通的萃取塔、安装于萃取塔上部的加热器和与萃取塔顶部连通的冷凝器组成。将常规发酵罐中进行丙酮-丁醇发酵液加入到耦合装置的发酵罐中或直接在如前所述的耦合装置的发酵罐中进行丙酮-丁醇发酵；在萃取塔内装有高沸点的萃取剂；发酵产生的丙酮、丁醇和乙醇被萃取到萃取剂中，并以与萃取剂之间的浓度差和密度差为动力向上迁移；通过加热器对萃取塔内上部的萃取剂进行加热，使溶于萃取剂中的丙酮、丁醇和乙醇被不断的蒸馏出去。本发明方法除了能够有效消除丙酮-丁醇发酵的产物抑制作用、提高丙酮-丁醇发酵的产物产量和原料利用率以外，还可以有效降低生产能耗和成本。
文档编号B01D3/40GK102174371SQ20111003903
公开日2011年9月7日 申请日期2011年2月16日 优先权日2011年2月16日
发明者张晓东, 张 杰, 杨改, 王建梅, 王波, 胡素琴, 蔡飞鹏, 许海朋, 金付强 申请人:山东省科学院能源研究所