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

摘要

本发明涉及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，采用渗透汽化分离过程与发酵过程耦合，通过渗透汽化膜将发酵产生的ABE(丙酮、丁醇、乙醇)溶剂原位、及时地移出，大大减小了发酵过程中产生的ABE溶剂对微生物细胞生长的抑制作用，提高了ABE发酵的生产强度和效率。同时，与普通的精馏过程相比，本发明还大大降低了对生物质发酵产生的ABE溶剂进行分离能耗，并且缩短了生产时间，大大降低了燃料丁醇的生产成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种发酵过程的代谢产物ABE原位分离丙酮、丁醇和乙醇的工艺，尤其涉及一种将渗透汽化与生物质发酵耦合原位分离丙酮、丁醇和乙醇的工艺。

背景技术

近二十年来，由于化工能源的短缺和日益枯竭，用生物质发酵制备的生物质燃料丁醇被认为是一种很有前景的可再生能源。但是在发酵过程中，发酵过程的代谢产物ABE(丙酮、丁醇、乙醇)的大量积累对发酵过程产生严重的抑制作用，使酶的活性减弱，菌体死亡，因此严重影响ABE总溶剂的产率。此外，对于一般的ABE间歇发酵过程，发酵罐中ABE质量浓度不会超过2％，这种低浓度的ABE水溶液，用传统的精馏对其提浓，能耗高，产品难以达到高纯度要求，导致无法与传统的石油法制备丁醇相竞争。因此，如何运用新的低能耗的分离技术将发酵罐中的ABE总溶剂及时移走解除产物抑制并降低分离能耗已经成为生物质发酵生产丙酮丁醇的关键性问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用渗透汽化过程将生物质发酵产生的丙酮、丁醇和乙醇原位分离的工艺，以提高生物质的ABE发酵效率，同时降低燃料丁醇的后续分离能耗。

本发明的技术方案为：一种将生物质ABE发酵与渗透汽化耦合原位分离丙酮、丁醇和乙醇的工艺，将经过预处理的生物质作为发酵底物，接种ABE菌种进行发酵，其特征是将发酵罐内发酵液通过泵抽出，输入至渗透汽化膜分离器，经冷凝器收集得到提浓度的丙酮、丁醇和乙醇的浓缩液。

本发明中优选控制从发酵罐内抽出的发酵液中，丙酮、丁醇和乙醇总溶剂的质量浓度为0.5～1.5％。经冷凝器收集得到的丙酮、丁醇和乙醇浓缩液的总溶剂质量浓度达7～40％。

优选所述的渗透汽化膜分离器由一个或一个以上(根据处理量而定)的单元渗透汽化膜分离器组成，各单元渗透汽化膜分离器的渗透侧通过管路并联于真空泵总管路。其中单元渗透汽化膜分离器是由渗透汽化膜组件和渗透汽化膜组成。优选所述的渗透汽化膜是由对丙酮、丁醇和乙醇具有亲和力的硅橡胶、聚三甲基硅丙炔、聚丙烯、聚丁二烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯或其衍生物、丁苯橡胶、丁腈橡胶、乙丙二烯橡胶、聚醚酰胺嵌段共聚物或分子筛膜材料中的至少一种组成。

上述的渗透汽化膜为管式、卷式、平板或中空纤维膜形式。

在发酵液通入渗透汽化膜分离器这一流程中，可根据发酵液的实际成分，如固含量较高的发酵液在进入渗透汽化膜前，选择性的设置一个微滤膜分离器，将微生物细胞和发酵液中的固体悬浮物截留，从而降低渗透汽化膜的污染，提高分离效率。

优选所述的微滤膜分离器中采用的微滤膜为Al₂O₃膜、ZrO₂膜、TiO₂膜、不锈钢膜、聚苯乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、尼龙、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚砜、聚丙烯腈或纤维素膜其中的一种；微滤膜的平均孔径为0.1～1μm。

本发明丙酮、丁醇和乙醇的原位分离方法具体操作过程如下：

将经过粉碎、水解等预处理得到生物质糖液作为发酵底物接入ABE菌种，在35～38℃下进行ABE发酵，产生含有丙酮、丁醇和乙醇的发酵液。当发酵液中ABE总溶剂的质量浓度达到0.5～1.5％时，启动真空泵，将发酵液通过泵抽出，以3-8L/h的速度通入发酵罐外部设置一个渗透汽化分离器的进料侧，分离器的渗透侧与真空泵相连，使渗透汽化膜的渗透侧保持1-5毫米汞柱的真空度，在压力的推动下，发酵液中的ABE在膜表面吸附并溶解，然后扩散通过渗透汽化膜到达膜的渗透侧，被冷凝器收集，即可得到质量浓度为7～40％ABE浓缩液；在渗透汽化过程进行的同时，向发酵罐内添加发酵原料，使得生物质的ABE发酵与ABE渗透汽化分离过程同时进行，实现连续性操作。

本发明中所述的生物发酵采用常规的方法，优选发酵温度仅需要控制在35～38℃；其中：所述的经过预处理的生物质包括：葡萄糖、玉米粉、淀粉、糖蜜、玉米秸秆水解糖液、玉米芯水解糖液、玉米皮水解糖液、稻草水解糖液、麦草水解糖液、甘蔗渣水解糖液等。生物质的预处理采用常规的预处理方法即可。

优选所述的ABE菌种为：丙酮丁醇梭状芽孢杆菌(Clostridium)，包括：Clostridium acetobutylicum、Clostridium beijerinckii。

有益效果：

首先，本发明选用对ABE具有亲和力的渗透汽化膜，利用发酵液中的ABE和水及其它组分在渗透汽化膜中的溶解度和扩散速率的差异，优先透过ABE组分，所以该过程效率高、能耗低的优势。其次，本发明将渗透汽化过程与生物质ABE发酵过程耦合，可以将生物质发酵产生的ABE溶剂及时地从发酵罐中移除，使得发酵液中的ABE浓度保持在较低的水平，减小甚至消除了ABE溶剂对微生物细胞生长的抑制作用，从而保证了微生物细胞始终拥有较高的活性，进而提高ABE发酵强度和产率。此外，本发明采用的渗透汽化膜原位分离发酵罐中的ABE总溶剂，与传统的蒸馏方法相比，除了在能耗低方面的优点以外，还具有以下两方面的优势：一方面，渗透汽化膜过程可以在发酵温度下(35～38℃)进行，而不像蒸馏需预先将发酵液加热至更高的温度，这对于实现生物质的连续发酵是非常有利的，将生物质发酵和发酵产物分离两个过程同时进行，显著缩短了产品的生产周期。另一方面，发酵液中的微生物细胞可以不用经过微滤等处理，直接进行渗透汽化分离，简化了操作流程，降低了操作费用和生产成本，而且还可以减少发酵过程中的杂菌污染几率。

附图说明

图1是本发明渗透汽化与生物质ABE发酵耦合原位分离丙酮、丁醇和乙醇的工艺的方案一的工艺流程图；

图2是本发明渗透汽化与生物质ABE发酵耦合原位分离丙酮、丁醇和乙醇的工艺的方案二的工艺流程图；

其中1-发酵罐，2-渗透汽化膜分离器，3-冷凝器，4-预热器，5-进料泵1，6-真空泵，7-进料阀，8-出料阀1，9-微滤膜分离器，10-缓冲罐，11-出料阀2，12-进料泵2，A-生物质水解得到的糖液，B-氮气。

具体实施方式

实施例1

采用图1所示的方案一的工艺流程图。

经过一系列预处理获得的玉米秸秆糖液作为发酵底物配制培养基，培养基组成为：总糖浓度为60g/L，玉米浆2g/L，KH₂PO₄0.5g/L，K₂HPO₄0.5g/L，FeSO₄0.01g/L。打开进料阀7，将经过灭菌处理的培养基注入经过高温灭菌处理的发酵罐1内，接种Clostridium beijerinckii，在37℃温度下进行ABE发酵36h后，检测发酵罐内ABE总溶剂的质量浓度达到1.0％。此时打开出料阀8，进料泵5和真空泵6，将发酵液以6L/h的进料速度进入渗透汽化膜分离器2，将渗透侧的真空度维持在3毫米汞柱，渗透汽化分离器是由一个单元渗透汽化膜分离器构成，渗透汽化膜分离器中采用的渗透汽化膜是硅橡胶/陶瓷管式复合膜(徐南平等，一种有机无机复合膜及其制备方法，ZL 200510038719.5)。发酵罐1中发酵产生的丙酮、丁醇和乙醇被连续地移出发酵罐，透过渗透汽化膜并汽化进入冷凝器3被收集，未透过的料液先进入预热器4与新鲜的玉米秸秆水解糖液培养基进行热量交换之后，返回发酵罐1中。经过耦合分离12h后，向发酵罐中流加与渗透汽化膜分离获得的渗透液体积相同的玉米秸秆水解糖液(总糖200g/L，经过灭菌处理)并暂停耦合分离，继续发酵8h，发酵罐内ABE总溶剂的质量浓度再次达到1.0％时，再次进行耦合分离12h，从冷凝器3中收集渗透液，并停止耦合再次补入与前相同的玉米秸秆水解糖液，如此重复四次至发酵结束。经冷凝器收集的渗透液中被浓缩的ABE质量浓度达35％。

本例实现了玉米秸秆糖液半连续发酵ABE与ABE的原位分离的耦合，大大减小了发酵产生的ABE溶剂对微生物细胞的抑制作用。与间歇发酵相比，渗透液中的丁醇浓度提高了17倍，丁醇的生产强度达到0.48g/L·h，比间歇发酵提高了2.9倍。

实施例2

采用图2所示的方案二的工艺流程图。

将玉米粉作为发酵底物配制培养基，培养基组成为：玉米粉浓度为60g/L，KH₂PO₄0.5g/L，K₂HPO₄0.5g/L。打开进料阀7，将经过灭菌处理的培养基注入经过高温灭菌处理的发酵罐1内，同时接种Clostridium acetobutylicum在35℃温度下进行ABE发酵24h后，检测发酵罐内ABE总溶剂的质量浓度达到0.5％。此时打开出料阀8，进料泵5，将发酵罐内固含量高的发酵液通入装有平均孔径为0.5μm的Al₂O₃微滤膜的微滤膜分离器，被截留的料液先进入预热器4与新鲜的玉米粉培养基进行热量交换之后，返回发酵罐1中，透过微滤膜的发酵清液进入缓冲罐10。待缓冲罐10内的料液达到70％时，打开出料阀11，进料泵12和真空泵6，将发酵清液以8L/h的进料速度进入渗透汽化分离器2，将渗透侧的真空度维持在3毫米汞柱。渗透汽化分离器是由一个单元渗透汽化膜分离器构成，渗透汽化膜分离器中采用的渗透汽化膜是填充全硅分子筛的硅橡胶平板膜(H.J.C.te Hennepe，D.Bargeman，M.H.V.Mulder，C.A.Smolders，Zeolite-filledsilicone rubber membranes.Part I.Membrane preparation and pervaporation results，J.Membr.Sci.35(1987)39-55.)。发酵罐1中发酵产生的丙酮、丁醇和乙醇被连续地移出发酵罐，透过渗透汽化膜并汽化进入冷凝器3被收集下来。未透过的料液先进入预热器6与新鲜的玉米粉培养基进行热量交换之后，返回发酵罐1中，耦合运转24h后停止渗透汽化分离，经冷凝器收集的渗透液中被浓缩的ABE的质量浓度达10.0％。

本例实现了玉米粉半间歇发酵ABE和ABE原位分离的耦合，大大减小了发酵产生的ABE溶剂对微生物细胞的抑制作用。与间歇发酵相比，渗透液中的丁醇浓度提高了5.5倍，丁醇的生产强度达到0.35g/L·h，比间歇发酵提高了1.9倍。

实施例3

采用图1所示的方案一的工艺流程图。

以葡萄糖作为发酵底物配制培养基，培养基组成为：总糖浓度为70g/L，酵母粉1g/L，KH₂PO₄0.5g/L，K₂HPO₄0.5g/L，FeSO₄·7H₂O 0.01g/L，MnSO₄·H₂O0.01g/L。打开进料阀7，将经过灭菌处理的培养基注入经过高温灭菌处理的发酵罐1内，接种Clostridium acetobutylicum，在36℃温度下进行ABE发酵48h后，检测发酵罐内ABE总溶剂的质量浓度达到1.2％。此时打开控制阀8，进料泵5和真空泵6，将发酵液以6L/h的进料速度进入渗透汽化分离器2，将渗透侧的真空度维持在2毫米汞柱，渗透汽化分离器是由一个单元渗透汽化膜分离器构成，渗透汽化膜分离器中采用的渗透汽化膜是硅橡胶/陶瓷管式复合膜(徐南平等，一种有机无机复合膜及其制备方法，ZL 200510038719.5)。发酵罐1中发酵产生的丙酮、丁醇和乙醇被连续地移出发酵罐，透过渗透汽化膜并汽化进入冷凝器3被收集，未透过的料液先进入预热器4与新鲜的葡萄糖培养基进行热量交换之后，返回发酵罐1中。向以与渗透汽化膜分离相同的速度向发酵罐中流加葡萄糖(60g/L，经过灭菌处理)保持发酵罐1体积恒定，将连续发酵与渗透汽化分离耦合，耦合连续发酵120h，经冷凝器收集的渗透液中被浓缩的ABE的质量浓度达28％。

本例实现了葡萄糖连续发酵ABE与ABE的原位分离的耦合，大大减小了发酵产生的ABE溶剂对微生物细胞的抑制作用。与间歇发酵相比，渗透液中的丁醇浓度提高了16倍，丁醇的生产强度0.32g/L·h，比间歇发酵提高了1.9倍。

实施例4

采用图1所示的方案一的工艺流程图。

经过一系列预处理获得的玉米秸秆糖液作为发酵底物配制培养基，培养基组成为：总糖浓度为60g/L，玉米浆2g/L，KH₂PO₄0.5g/L，K₂HPO₄0.5g/L，FeSO₄0.01g/L。打开进料阀7，将经过灭菌处理的培养基注入经过高温灭菌处理的发酵罐1内，接种Clostridium beijerinckii，在37℃温度下进行ABE发酵36h后，检测发酵罐内ABE总溶剂的质量浓度达到1.0％。此时打开出料阀8，进料泵5和真空泵6，将发酵液以10L/h的进料速度进入渗透汽化膜分离器2，将渗透侧的真空度维持在6毫米汞柱，渗透汽化分离器是由一个单元渗透汽化膜分离器构成，渗透汽化膜分离器中采用的渗透汽化膜是聚三甲基硅丙炔/聚丙烯腈板式复合膜(J.R.González-Velasco，J.A.González-Marcos，C.L6pez-Dehesa，Pervaporation of ethanol-water mixtures through poly(1-trimethylsilyl-1-propyne)(PTMSP)membranes，Desalination，149(2002)，Issues 1-361-65)。发酵罐1中发酵产生的丙酮、丁醇和乙醇被连续地移出发酵罐，透过渗透汽化膜并汽化进入冷凝器3被收集，未透过的料液先进入预热器4与新鲜的玉米秸秆水解糖液培养基进行热量交换之后，返回发酵罐1中。经过耦合分离16h后，向发酵罐中流加与渗透汽化膜分离获得的渗透液体积相同的玉米秸秆水解糖液(总糖200g/L，经过灭菌处理)并暂停耦合分离，继续发酵8h，发酵罐内ABE总溶剂的质量浓度再次达到1.0％时，再次进行耦合分离16h，从冷凝器3中收集渗透液，并停止耦合再次补入与前相同的玉米秸秆水解糖液，如此重复四次至发酵结束。经冷凝器收集的渗透液中被浓缩的ABE质量浓度达40％。

本例实现了玉米秸秆糖液半连续发酵ABE与ABE的原位分离的耦合，大大减小了发酵产生的ABE溶剂对微生物细胞的抑制作用。与间歇发酵相比，渗透液中的丁醇浓度提高了20倍，丁醇的生产强度达到0.40g/L·h，比间歇发酵提高了2.5倍。

实施例5

采用图2所示的方案二的工艺流程图。

将玉米粉作为发酵底物配制培养基，培养基组成为：玉米粉浓度为60g/L，KH₂PO₄0.5g/L，K₂HPO₄0.5g/L。打开进料阀7，将经过灭菌处理的培养基注入经过高温灭菌处理的发酵罐1内，同时接种Clostridium acetobutylicum在35℃温度下进行ABE发酵24h后，检测发酵罐内ABE总溶剂的质量浓度达到0.5％。此时打开出料阀8，进料泵5，将发酵罐内固含量高的发酵液以50L/h的进料速度通入装有平均孔径为1μm的纤维素微滤膜的微滤膜分离器，被截留的料液先进入预热器4与新鲜的玉米粉培养基进行热量交换之后，返回发酵罐1中，透过微滤膜的发酵清液进入缓冲罐10。待缓冲罐10内的料液体积达到70％时，打开出料阀11，进料泵12和真空泵6，将发酵清液以8L/h的进料速度进入渗透汽化分离器2，将渗透侧的真空度维持在3毫米汞柱。渗透汽化分离器是由一个单元渗透汽化膜分离器构成，渗透汽化膜分离器中采用的渗透汽化膜是填充全硅分子筛的硅橡胶平板膜(H.J.C.te Hennepe，D.Bargeman，M.H.V.Mulder，C.A.Smolders，Zeolite-filled silicone rubber membranes.Part I.Membrane preparationand pervaporation results，J.Membr.Sci.35(1987)39-55.)。发酵罐1中发酵产生的丙酮、丁醇和乙醇被连续地移出发酵罐，透过渗透汽化膜并汽化进入冷凝器3被收集下来。未透过的料液先进入预热器6与新鲜的玉米粉培养基进行热量交换之后，返回发酵罐1中，耦合运转24h后停止渗透汽化分离，经冷凝器收集的渗透液中被浓缩的ABE的质量浓度达10.0％。

本例实现了玉米粉半间歇发酵ABE和ABE原位分离的耦合，大大减小了发酵产生的ABE溶剂对微生物细胞的抑制作用。与间歇发酵相比，渗透液中的丁醇浓度提高了5.5倍，丁醇的生产强度达到0.35g/L·h，比间歇发酵提高了1.9倍。

实施例6

采用图1所示的方案一的工艺流程图。

经过一系列预处理获得的玉米秸秆糖液作为发酵底物配制培养基，培养基组成为：总糖浓度为60g/L，玉米浆2g/L，KH₂PO₄0.5g/L，K₂HPO₄0.5g/L，FeSO₄0.01g/L。打开进料阀7，将经过灭菌处理的培养基注入经过高温灭菌处理的发酵罐1内，接种Clostridium beijerinckii，在37℃温度下进行ABE发酵36h后，检测发酵罐内ABE总溶剂的质量浓度达到1.0％。此时打开出料阀8，进料泵5和真空泵6，将发酵液以20L/h的进料速度进入渗透汽化膜分离器2，将渗透侧的真空度维持在2毫米汞柱，渗透汽化分离器是由一个单元渗透汽化膜分离器构成，渗透汽化膜分离器中采用的渗透汽化膜是全硅分子筛膜(M.Raileanu，M.Popa，J.M.C.Moreno，L.Stanciu，L.Bordeianu，M.Zaharescu，Preparation andcharacterization of alumina supported silicalite membranes by sol-gel hydrothermalmethod，J.Membr.Sci.210(2002)197-207)。发酵罐1中发酵产生的丙酮、丁醇和乙醇被连续地移出发酵罐，透过渗透汽化膜并汽化进入冷凝器3被收集，未透过的料液先进入预热器4与新鲜的玉米秸秆水解糖液培养基进行热量交换之后，返回发酵罐1中。经过耦合分离9h后，向发酵罐中流加与渗透汽化膜分离获得的渗透液体积相同的玉米秸秆水解糖液(总糖200g/L，经过灭菌处理)并暂停耦合分离，继续发酵8h，发酵罐内ABE总溶剂的质量浓度再次达到1.0％时，再次进行耦合分离9h，从冷凝器3中收集渗透液，并停止耦合再次补入与前相同的玉米秸秆水解糖液，如此重复四次至发酵结束。经冷凝器收集的渗透液中被浓缩的ABE质量浓度达40％。

本例实现了玉米秸秆糖液半连续发酵ABE与ABE的原位分离的耦合，大大减小了发酵产生的ABE溶剂对微生物细胞的抑制作用。与间歇发酵相比，渗透液中的丁醇浓度提高了20倍，丁醇的生产强度达到0.53g/L·h，比间歇发酵提高了3.2倍。

实施例7

采用图1所示的方案一的工艺流程图。

经过一系列预处理获得的玉米秸秆糖液作为发酵底物配制培养基，培养基组成为：总糖浓度为60g/L，玉米浆2g/L，KH₂PO₄0.5g/L，K₂HPO₄0.5g/L，FeSO₄0.01g/L。打开进料阀7，将经过灭菌处理的培养基注入经过高温灭菌处理的发酵罐1内，接种Clostridium beijerinckii，在37℃温度下进行ABE发酵36h后，检测发酵罐内ABE总溶剂的质量浓度达到1.0％。此时打开出料阀8，进料泵5和真空泵6，将发酵液以60L/h的进料速度进入渗透汽化膜分离器2，将渗透侧的真空度维持在3毫米汞柱，渗透汽化分离器是由五个单元渗透汽化膜分离器构成，单元渗透汽化膜分离器中采用的渗透汽化膜是硅橡胶/陶瓷管式复合膜(徐南平等，一种有机无机复合膜及其制备方法，ZL 200510038719.5)。发酵罐1中发酵产生的丙酮、丁醇和乙醇被连续地移出发酵罐，透过渗透汽化膜并汽化进入冷凝器3被收集，未透过的料液先进入预热器4与新鲜的玉米秸秆水解糖液培养基进行热量交换之后，返回发酵罐1中。经过耦合分离12h后，向发酵罐中流加与渗透汽化膜分离获得的渗透液体积相同的玉米秸秆水解糖液(总糖200g/L，经过灭菌处理)并暂停耦合分离，继续发酵8h，发酵罐内ABE总溶剂的质量浓度再次达到1.0％时，再次进行耦合分离12h，从冷凝器3中收集渗透液，并停止耦合再次补入与前相同的玉米秸秆水解糖液，如此重复四次至发酵结束。经冷凝器收集的渗透液中被浓缩的ABE质量浓度达32％。

本例实现了玉米秸秆糖液半连续发酵ABE与ABE的原位分离的耦合，大大减小了发酵产生的ABE溶剂对微生物细胞的抑制作用。与间歇发酵相比，渗透液中的丁醇浓度提高了16倍，丁醇的生产强度达到0.45g/L·h，比间歇发酵提高了2.9倍。