利用活性炭原位吸附在线分离提纯发酵液中丁醇、丙酮和乙醇的方法技术

利用活性炭原位吸附在线分离提纯发酵液中丁醇、丙酮和乙醇的方法，属于生物技术领域，包括如下步骤：①培养丙酮丁醇乙醇生产菌；②发酵的同时利用活性炭在线原位吸附丁醇、丙酮和乙醇；③吸附结束后脱附冷凝回收，得到丁醇、丙酮和乙醇粗品，本发明专利技术有益效果为发酵效率高、分离提纯成本低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，属于生物

技术介绍
丁醇是一种重要的液体能源和化学品，可以通过微生物发酵法获得，通常采用丙酮-丁醇-乙醇(ABE)发酵生产丁醇，同时会产生丙酮和乙醇，及少量有机酸。(详见非专利文献Kumar, M, Gayen, K. · Developments in biobutanol production:new insights.Applied Energy, 88:1999-2012, 2011).但是发酵液中终点的丁醇浓度通常在1. O 2. 0%(w/v),丙酮浓度在0.5 1.0% (w/v)。并且，丁醇的沸点为117. 7°C，高于水的沸点 100°C。因此，如果利用传统的精馏或蒸馏分离法，其分离成本极高，经济上是不可行的，很难实现工业化生产(详见非专利文献Matsumura, M. , Kataoka, H. , Sueki, Μ. , Araki, K.Energy saving effect of pervaporation using oleyl alcohol liquid membrane inbutanolpurification. Bioprocess Eng. 3 :93-100, 1988)。目前国内通常采用精馏，萃取和渗透汽化三种方法进行丁醇的分离。如果利用传统精馏方法，从含有0.5% (w/v) 丁醇的发酵液中分离纯化丁醇到99. 9% (w/v)，需要能量79. 5MJ/kg 丁醇。如果发酵液中的丁醇浓度提高到1. 0% (w/v),需要的能量可以减少到36MJ/kg 丁醇,和丁醇自有的能量相等(详见非专利文献0udshoorn, A. , Vander WielenLAM, Straathof AJJ. Assessment of options for selective1-butanol recoveryfromaqueous solutions.1nd Eng Chem Res. 48:7325-7336，2009)。另外，米用精懼塔进行分离，通常需要多个精馏塔串联，虽然分离得到的丁醇浓度高，但是需要大量的蒸汽加热，从能量消耗平衡角度看，经济上是不可行的(详见专利文献李春利，王洪海，王荣良，方静，张鹏。分离乙醇、丙酮和丁醇发酵醪液的精馏工艺方法。公开号CN101397236A;徐西东，孙太喜。一种节能环保的丁醇丙酮生产方法；公开号CN101302542A ;欧阳胜利，李永辉，张志强，陶敏莉，钱胜华，吕惠生，董秀芹，张敏华。制备生物丁醇中乙醇塔的热耦合节能系统及操作方法。公开号CN101530672A)。如果利用萃取的方法，液体油水层之间容易形成乳化层，不容易分离。另外，所用的萃取剂通常对生产菌至少产生轻微毒害，影响发酵效率。最后，对萃取剂层中溶解的丁醇浓度不高，导致分离效率很低，并且萃取剂的比热容大、沸点高，再次分离需要消耗的能量很大。因此，综合考虑，萃取技术尤其很大的弊端和局限性(详见专利文献应明。一种丙酮丁醇原位萃取连续发酵装置及工艺。CN101948737A ;王建设，王绍鹏。一种连续萃取发酵生产生物丁醇的方法和装置。CN101787378A;张延平，王鑫昕，李寅，王少华。一种生产丁醇的方法。CN101418320A)。利用渗透汽化技术分离丁醇的研究也较多，并且渗透汽化分离可以获得相对高浓度的丁醇，但是最大的问题是渗透汽化膜的制作成本高，容易被污染，因此给分离过程带来生产安全隐患(详见专利文献秦培勇，李树峰，谭天伟，秦帆。一种生物质发酵耦合渗透汽化分离生产丁醇。CN102757984A;王建设，王绍鹏。一种连续渗透汽化耦合发酵生产生物丁醇的装置。CN201686697U)。因此，需要开发新技术对广物进行提纯，提闻分尚效率。因此，本专利技术利用活性炭吸附法进行发酵产物丁醇，丙酮和乙醇的原位分离纯化，可以有效得到高浓度的丁醇，丙酮和乙醇，降低分离成本。其中，活性炭吸附法的优势在于，通过微生物发酵与吸附耦合原位分离丁醇，丙酮和乙醇，可以边发酵，边移除抑制性产物丁醇，丙酮和乙醇。并且，活性炭可以快速吸附发酵液中的丁醇，丙酮和乙醇，并通过加热快速脱附回收丁醇，丙酮和乙醇。由于活性炭的比热容很低，因此加热脱附需要的能量相应很低，整个工艺过程的能耗极低。到目前为止，未见使用活性炭原位吸附法偶联发酵装置对丁醇，丙酮和乙醇同时进行分离纯化的报道和相关专利。
技术实现思路
本专利技术通过利用活性炭原位吸附在线分离提纯发酵液中丁醇、丙酮和乙醇，不仅能提高发酵效率产生更多的丁醇、丙酮和乙醇，分离纯化丁醇、丙酮和乙醇时还能节约大量能耗。 本专利技术提供了，包括如下步骤①将丙酮丁醇乙醇生产菌接入已除氧和灭菌的种子营养基，培养丙酮丁醇乙醇生产菌，得到种子液；②将步骤①种子液接入已除氧和灭菌的发酵营养基，利用丙酮丁醇乙醇生产菌发酵生产丁醇、丙酮和乙醇，发酵的同时利用活性炭在线原位吸附丁醇、丙酮和乙醇；③吸附结束后脱附冷凝回收，得到丁醇、丙酮和乙醇粗品。本专利技术所述活性炭外观形态为粉状、颗粒状、柱状、球形、纤维状、长方形、不规则颗粒状或圆柱形；其粒度为纳米级、微米级、毫米级或更大尺寸。现有技术中通常能产生丁醇的菌种发酵的同时也产生其他物质，不仅发酵效率低，得到的产物纯度也低，本专利技术利用活性炭原位吸附在线分离提纯发酵液中丁醇、丙酮和乙醇，本专利技术有益效果为第一发酵过程中产生的丁醇、丙酮和乙醇是抑制性产物，利用活性炭移除丁醇、丙酮和乙醇能有效提高生产效率;第二:活性炭能使发酵液与产物分离；第三活性炭可以富集丁醇、丙酮和乙醇，且具有选择性吸附，对丁醇吸附能力最强，有利于得到高浓度的含丁醇混合物粗品。现有技术中分离提纯发酵液中丁醇、丙酮和乙醇，常见方法为萃取、精馏和渗透汽化。萃取的缺点为通常的萃取剂沸点高，比热容大，分离时消耗大量能量，液体油水层之间容易形成乳化层，不容易分离；精馏的缺点为耗能大，分离丁醇耗能一般为36 79. 5MJ/kg;渗透汽化的缺点为制膜成本高，膜容易污染。本专利技术活性炭原位吸附分离产物的能耗为5MJ/kg，如采用精馏对脱附回收的产物进行二次分离，获得99%以上纯度的产物，总能耗为llMJ/kg，比现有技术中精馏节省能耗70%以上。本专利技术所述发酵方式优选为批式发酵、补料式发酵或连续发酵，进一步优选为批式发酵或补料式发酵。本专利技术所述吸附方式优选为发酵开始时吸附、发酵开始后延迟期吸附、发酵开始后对数生长期吸附或发酵开始后稳定期，进一步优选为发酵开始时吸附或发酵开始后对数生长期吸附。本专利技术所述吸附温度优选为30 40°C，进一步优选为37°C，与发酵温度一致。本专利技术所述活性炭与发酵液质量比优选为1:1 20。本专利技术所述脱附温度优选为150 250°C。本专利技术有益效果为①活性炭能移除发酵得到的抑制性产物丙酮、丁醇和乙醇，提高发酵效率；②活性炭能把丁醇、丙酮和乙醇与发酵液分离开；③活性炭对丁醇、丙酮和乙醇具有富集作用，且对丁醇有选择性吸附；·④利用活性炭原位吸附分离偶联发酵，可以提高葡萄糖利用率，提高发酵的生产强度；⑤与传统的精馏分离相比节约大量能耗。附图说明本专利技术附图2幅，图1为发酵及吸附装置结构示意图；其中，1、种子罐，2、发酵罐，3、泵I，4、泵11，5、吸附装置本文档来自技高网...

【技术保护点】
利用活性炭原位吸附在线分离提纯发酵液中丁醇、丙酮和乙醇的方法，包括如下步骤：①将丙酮丁醇乙醇生产菌接入已除氧和灭菌的种子营养基，培养丙酮丁醇乙醇生产菌，得到种子液；②将步骤①种子液接入已除氧和灭菌的发酵营养基，利用丙酮丁醇乙醇生产菌发酵生产丁醇、丙酮和乙醇，发酵的同时利用活性炭在线原位吸附丁醇、丙酮和乙醇；③吸附结束后脱附冷凝回收，得到丁醇、丙酮和乙醇粗品。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：薛闯，杨尚天，白凤武，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：