一种发酵耦合分离纯化生产丁醇的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种发酵耦合分离纯化丁醇、丙酮和乙醇或纯化丁醇的方法，所述方法包括以下步骤：1)利用丙酮丁醇生产菌发酵得到丁醇、丙酮和乙醇或利用丁醇生产菌得到丁醇；2)采用汽化渗透法从发酵液在线分离纯化丁醇、丙酮和乙醇或纯化丁醇；其中所述汽化渗透法包括以下步骤：向含有活细胞的正在发酵的发酵液中通入气泡，使丁醇、丙酮和乙醇或使丁醇汽化；使气泡中的气体夹带汽化的丁醇、丙酮和乙醇或汽化的丁醇进入膜分离装置内并透过膜；回收所述丁醇、丙酮和乙醇或所述丁醇，或进入下一级分离装置。通过本发明专利技术的方法，在不增加设备投资和节省提纯能耗的前提下，有效提高了丁醇、丙酮和乙醇或有效提高了丁醇的生产和分离提纯效率。

A method and device for separating and purifying butanol by fermentation coupled separation and purification

The present invention relates to a method for separation and purification of butanol, acetone and ethanol or butanol fermentation and purification of a coupling, wherein the method comprises the following steps: 1) obtained by butanol, acetone butanol fermentation production of acetone and ethanol or butanol production by bacterial butanol; 2) using evaporative infiltration method for the separation and purification of butanol, acetone and ethanol or purification of butanol from fermentation liquid; wherein the pervaporation method comprises the following steps: to contain live cells are fermented in the pass into the bubble, the butanol, acetone and ethanol or butanol vaporization; the gas entrained bubbles in the vaporization of butanol, acetone and ethanol or butanol into vaporization membrane separation in the device and through the membrane; the recovery of the butanol, acetone and ethanol or the butanol, or to enter the next stage separation device. The invention can effectively improve butanol, acetone and ethanol, or effectively improve the production and separation efficiency of butanol without increasing investment in equipment and saving energy.

【技术实现步骤摘要】
一种发酵耦合分离纯化生产丁醇的方法及装置
本专利技术涉及一种发酵耦合分离纯化生产丁醇、丙酮和乙醇(或丁醇)的方法，属于生物

技术介绍
丁醇和丙酮作为一种潜在的液体能源和应用于医药和食品行业的重要化学品，可以通过微生物发酵法获得，详见文献：Dürre,P.Biobutanol:anattractivebiofuel.Biotechnol.J.2：1525–1534，2007。但是用丙酮丁醇梭菌或拜式梭菌发酵生产丁醇时，发酵液中终点的丁醇浓度通常不超过2.0％(w/v)。并且，丁醇的沸点为117.7℃，高于水的沸点100℃。因此，如果利用传统的精馏或蒸馏分离法，其分离成本极高，经济上是不可行，很难实现工业化生产(Matsumura,M.,Kataoka,H.,Sueki,M.,Araki,K.Energysavingeffectofpervaporationusingoleylalcoholliquidmembraneinbutanolpurification.BioprocessEng.3：93-100，1988)。可替代性分离技术如液-液萃取、气提、吸附和渗透汽化等，可以通过在发酵过程中不断移除并回收对细胞产生抑制的产物丁醇，可以提高发酵效率，是提高生物法生产丁醇的有效技术(XueC,ZhaoJB,ChenLJ,BaiFW,YangST,SunJX.Integratedbutanolrecoveryforanadvancedbiofuel:currentstateandprospects.ApplMicrobiolBiotechnol,2014,98:3463–3474.；Qureshi,N.,Meagher,M.M.,Huang,J.C.,Hutkins,R.W.Acetonebutanolethanol(ABE)recoverybypervaporationusingsilicalite-siliconecompositemembranefromfed-batchreactorofClostridiumacetobutylicum.J.Membr.Sci.187：93-102,2001)。但是目前利用这些分离技术进行分离，主要的问题是分离效率低，分离产物浓度低，仍然需要进一步对技术进行优化和对产物进行脱水处理。
技术实现思路
基于现有技术中存在的上述问题，本专利技术利用汽化渗透法耦合发酵生产丁醇、丙酮和乙醇(或丁醇)，在发酵的过程中在线分离纯化丁醇、丙酮和乙醇(或丁醇)。本专利技术具体涉及以下各项：1.一种发酵耦合分离纯化丁醇、丙酮和乙醇或纯化丁醇的方法，所述方法包括以下步骤：1)利用丙酮丁醇生产菌或丁醇生产菌发酵得到丁醇、丙酮和乙醇或得到丁醇；2)采用汽化渗透法从发酵液在线分离纯化丁醇、丙酮和乙醇；其中所述汽化渗透法包括以下步骤：d.向发酵液中通入气泡，使丁醇、丙酮和乙醇或使丁醇汽化；e.使气泡中的气体夹带汽化的丁醇、丙酮和乙醇或汽化的丁醇进入膜分离装置内并透过膜；f.回收所述丁醇、丙酮和乙醇或回收所述丁醇，或进入下一级分离装置。2.根据1所述的方法，其中所述气泡的来源为丙酮丁醇生产菌或丁醇生产菌的自产气体或外源气体，所述自产气体优选为二氧化碳和/或氢气，所述外源气体优选为氮气。3.根据1所述的方法，其中所述丙酮丁醇生产菌优选选自丙酮丁醇梭菌(Clostridiumacetobutylicum)、拜式梭菌(Clostridiumbeijerinckii)、大肠杆菌或酪丁酸梭菌(Clostridiumtyrobutyricum)以及这些菌株的基因工程改造菌，优选为丙酮丁醇梭菌，所述丁醇生产菌为产丁醇的基因工程菌，优选为产丁醇大肠杆菌或产丁醇梭菌。4.根据1所述的方法，其中所述膜为汽化渗透膜，优选为丁醇和丙酮高选择性有机疏水分离膜或有机无机复合膜，更优选选自硅橡胶、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、丁腈橡胶、或分子筛材料中的至少一种，最优选为含PDMS的复合膜，所述膜的类型优选为管式、卷式、平板或中空纤维膜形式。5.根据1所述的方法，其中所述回收通过冷凝进行，所述冷凝优选用装置冷凝或液氮或冷凝水冷凝，其中装置冷凝的温度为-30-+15℃。6.根据1所述的方法，其中所述气泡从生物反应器底部通入，通气比为0.5-5vvm。7.根据1所述的方法，所述膜分离装置的膜透过液一侧保持真空度为0-10kpa，优选<5kpa。8.一种用于发酵耦合分离纯化丁醇、丙酮和乙醇或纯化丁醇的装置，其包括:培养基储罐(1)，用于向生物反应器提供培养基；生物反应器(2)，与所述培养基储罐(1)连通，用于发酵；气体分散器(9)，用于向发酵液中提供气泡；膜分离装置(4)，与所述生物反应器(2)气体连通，接收来自生物反应器的夹带丁醇、丙酮和乙醇或夹带丁醇的气泡并膜分离所述丁醇、丙酮和乙醇或所述丁醇；冷凝装置(5)，用于回收所述丁醇、丙酮和乙醇或所述丁醇；真空表(6)和真空泵(8)，用于为气态形式的丁醇、丙酮和乙醇或气态形式的丁醇透过提供驱动力；产品储罐(7)，用于接收产品。9.根据8所述的装置，其还包括泵(3)，用于将膜分离装置(4)中的气体输送回所述生物反应器(2)。10.根据8所述的装置，其中所述膜分离装置(4)中的膜为汽化渗透膜，优选为丁醇和丙酮高选择性有机疏水分离膜或有机无机复合膜，更优选选自硅橡胶、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、丁腈橡胶、或分子筛材料中的至少一种，最优选为含PDMS的复合膜，所述膜的类型优选为管式、卷式、平板或中空纤维膜形式。具体而言，本专利技术的目的在于提供一种高效生产并分离纯化丁醇、丙酮和乙醇或高效生产并分离纯化丁醇的方法及相应装置。特别是一种能够实现上述目的的本专利技术一种发酵耦合汽化渗透技术分离纯化丁醇、丙酮和乙醇(或丁醇)的方法，该方法先培养丙酮丁醇生产菌或丁醇生产菌，再用上述生产菌发酵得到丁醇、丙酮和乙醇(或丁醇)；采用汽化渗透法从发酵液在线分离纯化丁醇、丙酮和乙醇(或丁醇)，其特征是汽化渗透法具体步骤如下：发酵液中的丁醇、丙酮和乙醇(或丁醇)汽化方法采用向发酵系统中通入气泡提取丁醇、丙酮和乙醇(或丁醇)，使丁醇、丙酮和乙醇(或丁醇)汽化。其中气泡来源可以采用所述生产菌产生的自产气体在发酵系统和膜分离装置之间的循环；然后气体夹带汽化的丁醇、丙酮和乙醇或汽化的丁醇进入膜分离装置内与膜的一侧接触，在膜的另一侧抽真空，使汽化的丁醇、丙酮和乙醇(或丁醇)透过膜，冷凝回收或直接进入下一级分离装置。在本专利技术的方法中，丙酮丁醇生产菌优选为丙酮丁醇梭菌、拜式梭菌或者其他丙酮丁醇生产菌株以及只产丁醇的基因工程菌。优选丙酮丁醇生产菌或丁醇生产菌发酵系统包括生物反应器，生物反应器底部的气体分散器，其中气体分散器是可以与生物反应器为一体或放置在生物反应器底部的可使气体分散的部件。在汽化渗透法中优选：所用的气体为发酵过程中生产菌产生的自产气体如二氧化碳和氢气，原料液为含有丁醇、丙酮和乙醇的丙酮丁醇生产菌的发酵液或含有丁醇的丁醇生产菌的发酵液，气体进入发酵系统中形成气泡使丁醇、丙酮和乙醇(或丁醇)汽化；也可以利用外源气体如氮气使丁醇、丙酮和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种发酵耦合分离纯化丁醇、丙酮和乙醇或纯化丁醇的方法，所述方法包括以下步骤：1)利用丙酮丁醇生产菌或丁醇生产菌发酵得到丁醇、丙酮和乙醇或得到丁醇；2)采用汽化渗透法从发酵液在线分离纯化丁醇、丙酮和乙醇；其中所述汽化渗透法包括以下步骤：a.向发酵液中通入气泡，使丁醇、丙酮和乙醇或使丁醇汽化；b.使气泡中的气体夹带汽化的丁醇、丙酮和乙醇或汽化的丁醇进入膜分离装置内并透过膜；c.回收所述丁醇、丙酮和乙醇或回收所述丁醇，或进入下一级分离装置。

【技术特征摘要】
1.一种发酵耦合分离纯化丁醇、丙酮和乙醇或纯化丁醇的方法，所述方法包括以下步骤：1)利用丙酮丁醇生产菌或丁醇生产菌发酵得到丁醇、丙酮和乙醇或得到丁醇；2)采用汽化渗透法从发酵液在线分离纯化丁醇、丙酮和乙醇；其中所述汽化渗透法包括以下步骤：a.向发酵液中通入气泡，使丁醇、丙酮和乙醇或使丁醇汽化；b.使气泡中的气体夹带汽化的丁醇、丙酮和乙醇或汽化的丁醇进入膜分离装置内并透过膜；c.回收所述丁醇、丙酮和乙醇或回收所述丁醇，或进入下一级分离装置。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述气泡的来源为丙酮丁醇生产菌或丁醇生产菌的自产气体或外源气体，所述自产气体优选为二氧化碳和/或氢气，所述外源气体优选为氮气。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述丙酮丁醇生产菌优选选自丙酮丁醇梭菌(Clostridiumacetobutylicum)、拜式梭菌(Clostridiumbeijerinckii)、大肠杆菌或酪丁酸梭菌(Clostridiumtyrobutyricum)以及这些菌株的基因工程改造菌，优选为丙酮丁醇梭菌，所述丁醇生产菌为产丁醇的基因工程菌，优选为产丁醇大肠杆菌或产丁醇梭菌。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述膜为汽化渗透膜，优选为丁醇和丙酮高选择性有机疏水分离膜或有机无机复合膜，更优选选自硅橡胶、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、丁腈橡胶、或分子筛材料中的至少一种，最优选为含PDMS的复合膜，所述膜的类型优选为管式、卷式、平板或中空纤维膜形式。5.根据权利要求1所述的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛闯，朱超，陈丽杰，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21