由非纤维素生物质产生丁醇的方法技术

本发明专利技术提供了根据衍生自非纤维素生物质的消化的材料的发酵回收丁醇并优选地增加其产生的速率和/或产量的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】本专利技术提供了根据衍生自非纤维素生物质的消化的材料的发酵回收丁醇并优选地增加其产生的速率和/或产量的方法。【专利说明】相关申请的交叉引用本申请要求于2011年12月14日提交的美国临时专利申请61/570639的优先权，其公开内容全文以引用方式并入。
技术介绍
非纤维素生物质变成在开发可持续能源的努力中越来越重要的燃料产生来源。丁醇是作为构建单元化学物质和潜在“普适性(drop-1n)”运输燃料的高价值分子。丁醇由于其更高的能量密度和更低的水吸收而具有下列除由乙醇所提供的那些优点之外作为运输燃料的附加优点。虽然目前由原油产生两种类型的丁醇(1-丁醇和异丁醇)，但也可使用玉米衍生的糖和可能的纤维素衍生的糖经由发酵来产生丁醇。然而，技术和经济挑战限制了由发酵工艺大规模产生丁醇。这些挑战之一为在发酵工艺结束时丁醇的低效价。丁醇对于形成丁醇的微生物是高度毒性的。因此，相比于酵母发酵液体培养基中的12-20重量％乙醇，最终丁醇浓度常常仅为1-2重量％。这减少了丁醇从发酵液体培养基中的回收。此外，丁醇具有比水(100°C )更高的沸点(1-丁醇为117°C，异丁醇为108°C )，使得其难以通过蒸馏经济地分离。当使用标准蒸馏工艺进行丁醇回收时，丁醇的低发酵效价和较高沸点导致显著更高的能量 消耗，如下列文献中所述:Kraemer等人,“Separation of butanolfrom acetone-butano1-ethanol fermentation by a hybrid extraction-distillationprocess (通过混合萃取-蒸馏工艺从丙酮_ 丁醇-乙醇发酵中分离丁醇)”，Computer AidedChemical Engineering《计算机辅助化学设计》，28:7-12 (2010) ；Lee 等人，“FermentativeButanol Production by Clostridia(通过梭菌进行的发酵性丁醇生产)”，Biotechnologyand Bioengineering《生物技术与生物工程》，101:209-228 (2008)；以及Ezeji等人，“Bioproduction of Butanol from Biomass: from Genes to Bioreactors (由生物质进行的丁醇的生物制备:从基因到生物反应器)”，Current Opinion in Biotechnology《生物技术新见》，18:220 - 227 (2007)。为使生物丁醇生产经济上可行，需要一种高性价比的回收工艺。
技术实现思路
持续需要有效且高效的方法来由非纤维素生物质获得燃料。本公开提供了从衍生自非纤维素生物质消化的材料的发酵回收丁醇并优选地增加其产生的速率和/或产量的方法。更具体地，在某些实施例中，本公开提供了通过膜溶剂萃取进行的丁醇富集。在一个实施例中，产生丁醇的方法包括:将包含得自非纤维素生物质的碳水化合物的水性混合物引入发酵罐中；使该水性混合物发酵以提供第一发酵液体培养基，该发酵液体培养基包含:用于产生丁醇的微生物；来自非纤维素生物质的碳水化合物；和丁醇；以及通过经第一多孔膜的第一液-液萃取用第一溶剂萃取剂从第一发酵液体培养基至少部分地萃取丁醇，以提供第一萃取物和第二发酵液体培养基。在该方法中，第一溶剂萃取剂包含具有7至12个碳原子的直链或支化醇。作为该方法的结果，第二发酵液体培养基具有比第一发酵液体培养基更低的丁醇浓度。第一液-液萃取在包括下述物质的液-液萃取元件中进行:多个第一层对，每个第一层对包括:第一聚合物微孔膜；和以第一流动方向取向的第一流动通道层，所述第一流动通道层具有设置在液-液萃取元件的第一相对侧上的第一流体入口和第一流体出口 ；以及多个第二层对，其中至少一个第二层对设置在两个第一层对之间并且至少一个第一层对设置在两个第二层对之间以便形成层叠堆，每个第二层对包括:第二聚合物微孔膜；和以第二流动方向取向的第二流动通道层，所述第二流动方向不同于所述第一流动方向，并且具有设置在萃取元件的第二相对侧上的第二流体入口和第二流体出口。当二次发酵液体培养基被引导回发酵罐中时(与不进行此类循环的方法相比)，该方法可使丁醇产生的速率增加两倍或更多倍。在一个实施例中，从发酵液体培养基回收丁醇的方法包括:将包含得自非纤维素生物质的碳水化合物的水性混合物引入发酵罐中；使该水性混合物发酵以提供第一发酵液体培养基，该发酵液体培养基包含:用于产生丁醇的微生物；来自非纤维素生物质的碳水化合物；和丁醇；通过经第一多孔膜的第一液-液萃取用第一溶剂萃取剂从第一发酵液体培养基至少部分地萃取丁醇，以提供第一萃取物和第二发酵液体培养基；以及从第一萃取物回收丁醇的至少一部分。在该方法中，第一溶剂萃取剂包含具有7至12个碳原子的直链或支化醇。作为该方法的结果，第二发酵液体培养基具有比第一发酵液体培养基更低的丁醇浓度。第一液-液萃取在包括下述物质的液-液萃取元件中进行:多个第一层对，每个第一层对包括:第一聚合物微孔膜；和以第一流动方向取向的第一流动通道层，所述第一流动通道层具有设置在液-液萃取元件的第一相对侧上的第一流体入口和第一流体出口 ；以及多个第二层对，其中至少一个第二层对设置在两个第一层对之间并且至少一个第一层对设置在两个第二层对之间以便形成层叠堆，每个第二层对包括:第二聚合物微孔膜；和以第二流动方向取向的第二流 动通道层，所述第二流动方向不同于所述第一流动方向，并且具有设置在萃取元件的第二相对侧上的第二流体入口和第二流体出口。优选地，回收丁醇包括通过从萃取溶剂中闪蒸分离和/或真空蒸馏来使其浓缩。在本申请中，诸如“一个”、“一种”和“所述”的术语并非仅旨在指单一实体，而是包括一般类别，其具体实例可用于举例说明。术语“一个”、“一种”和“所述”与术语“至少一个”互换使用。后接列表的短语中的至少一个”和“包含...中的至少一个”是指所述列表中的项目中的任一个和所述列表中的两个或更多个项目的任何组合。除非另外指明，所有数值范围均包括它们的端点以及端点之间的非整数值。如本文所用，术语“或”一般按其通常的意义采用，包括“和/或”，除非上下文清楚地另外指出。术语“和/或”指所列要素中的一个或全部，或者所列要素中的任何两个或更多个的组合。在本公开中使用了术语“第一”和“第二”。应当理解，除非另有说明，那些术语仅以其相对含义使用。具体地，在一些实施例中，某些组件可以可互换方式和/或相同多个(例如，对)的方式存在。对于这些组件，“第一”和“第二”的命名可能被施加到组件仅仅是为了方便描述实施例中的一个或多个。术语“水性”是指包含水。术语“丁醇”是指1-丁醇或异丁醇(取决于发酵工艺中所使用的微生物)或者1-丁醇和异丁醇的混合物(如果使用微生物的混合物)。包括第一萃取剂或第二萃取剂的“萃取剂”包括一种化合物或化合物的混合物。通常，萃取剂是指有机溶剂或有机溶剂的混合物。“液-液萃取”是一种用于将溶解于第一液体中的溶质转移到第二液体的方法。术语“夹带”包括当第一萃取剂悬浮、截留或溶解于水性混合物中时。“非纤维素生物质”指包含大于I重量百分比(重量％)的淀粉、糊精、糖(如，右旋糖、蔗糖本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种产生丁醇的方法，所述方法包括：将包含得自非纤维素生物质的碳水化合物的水性混合物引入发酵罐中；使所述水性混合物发酵以提供第一发酵液体培养基，所述发酵液体培养基包含：用于产生丁醇的微生物；来自所述非纤维素生物质的碳水化合物；和丁醇；以及通过经第一多孔膜的第一液‑液萃取用第一溶剂萃取剂从所述第一发酵液体培养基至少部分地萃取所述丁醇，以提供第一萃取物和第二发酵液体培养基；其中所述第一溶剂萃取剂包含具有7至12个碳原子的直链或支化醇；其中所述第二发酵液体培养基具有比所述第一发酵液体培养基更低的所述丁醇浓度；其中所述第一液‑液萃取在包括下述物质的液‑液萃取元件中进行：多个第一层对，每个第一层对包括：第一聚合物微孔膜；和以第一流动方向取向的第一流动通道层，所述第一流动通道层具有设置在所述液‑液萃取元件的第一相对侧上的第一流体入口和第一流体出口；以及多个第二层对，其中至少一个第二层对设置在两个第一层对之间并且至少一个第一层对设置在两个第二层对之间以便形成层叠堆，每个第二层对包括：第二聚合物微孔膜；和以第二流动方向取向的第二流动通道层，所述第二流动方向不同于所述第一流动方向，并且具有设置在所述萃取元件的第二相对侧上的第二流体入口和第二流体出口。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：中村雅之，D·L·凡塞洛，M·K·卡哈恩，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US