CN105272820A - 由含有丁酸的水性发酵液中制备丁醇的方法 - Google Patents

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Abstract

一种由一含有丁酸的水性发酵液中制备丁醇的方法，其中该含有丁酸的水性发酵液是使用微生物于碳水化合物中进行发酵反应而获得，该方法包含以下步骤：a)将一含一水不溶性三烷基胺的萃取溶剂与该含有丁酸的水性发酵液混合以进行液/液萃取，以获得一水相(aqueous？phase)以及一含有三烷基铵丁酸盐的非水相(non-aqueous？phase)；b)加热步骤a)的非水相，以分解其中的三烷基铵丁酸盐，得到丁酸与三烷基胺；c)将步骤b)所获得的丁酸与甲醇进行酯化反应，得到丁酸甲酯；以及d)对步骤c)所获得的丁酸甲酯进行氢解反应，得到丁醇与甲醇。

Description

由含有丁酸的水性发酵液中制备丁醇的方法
技术领域
本发明是关于一种生产生质丁醇的方法，尤其是关于一种由一含有丁酸的水性发酵液中制备丁醇的方法，其中该含有丁酸的水性发酵液是使用微生物于碳水化合物中进行发酵反应而获得。
背景技术
于资源有限的今日，由于石油资源日渐减少，为解决能源问题，已有关于生产生质乙醇(bioethanol)以作为燃料的研究。所谓「生质乙醇」是指通过微生物以将农作物中的醣类发酵而产生的乙醇，其可单独或与汽油混合作为燃料。
然而，使用乙醇作为燃料并非全无缺点，其中一已知缺点为：环境中通常存在或多或少的水气，当乙醇混合汽油与环境中的水气接触时，水会被吸收到乙醇混合汽油中，使得乙醇与水互溶而与汽油分离，此不利于混合汽油的后续使用。相较之下，丁醇混合汽油即使在水被引入其中时也不会吸收水，故不会发生丁醇与汽油分离的现象。因此，在使用丁醇混合汽油的情况下，贮存、运输、供给系统以及能够使用丁醇混合汽油的交通工具中均不需要使用额外设备。此外，丁醇具有比乙醇更低的蒸气压，从而降低汽车发动机中引起气阻的可能性。再者，丁醇具有与汽油类似的空气-燃料比，此意味着可以在不影响发动机性能的情况下将相对更大量的丁醇与汽油混合。
尽管生质丁醇具有以上优点，然而由于相较于乙醇，丁醇对生物体更具毒性，故生产丁醇的菌株在某个时间点会丧失其制备丁醇的作用，使得难以在发酵液积累到足够高的丁醇浓度。举例而言，当使用丙酮丁醇梭菌(Clostridiumacetobutyricum)以实施典型的ABE(丙酮-丁醇-乙醇)发酵，ABE的生产率低至0.2g/h-L(克/小时-升)，且发酵液中的丁醇的浓度最高不超过约1.3％，从而需要相当大的发酵反应器。此外，由于发酵液中的丁醇浓度不高，也使得从发酵液中分离和浓缩丁醇的能量需求较高。
对于丁醇浓度低的发酵液，业经提出以蒸馏方法将发酵液中所含有的生质丁醇蒸馏并回收，然而，以此方法分离1升丁醇所需的能量达5,000千卡或更高，与正丁醇的燃烧热6,400千卡/升相去不远，故不具经济效益。另有提出以液-液萃取方法从发酵液中回收丁醇。举例言之，颁予SidneyLevy的美国第4,260,836号专利公开了一种液-液萃取法，该方法使用了含有丁醇萃取系数高的氟碳的发酵液；颁予RichardJ.Cenedella的美国第4,628,116号专利公开了一种使用乙烯基溴溶液从发酵液中液-液萃取丁醇和丁酸的液-液萃取法；文献“丙酮和丁醇的原位萃取发酵(InSituExtractiveFermentationofAcetoneandButanol)”(Biotech,andBioeng.，Vol.31，P.135-143，1988)则公开了一种使用油醇的丁醇液-液萃取法。然而，由于发酵液中的丁醇浓度过低(不超过约2％)，使得此等液-液萃取方法的分离与纯化成本仍然偏高。此外，对丁醇萃取系数高的萃取溶剂也可能使所采用以制备丁醇的菌株失去活性，让液-液萃取方法更不具吸引力。
颁予DavidEdwardRamey的美国第5,753,474号专利则提出一种两步骤发酵工艺，其包括先使用酪丁酸梭菌(Clostridiumtyrobutylicum)作为菌株仅生产丁酸，而后使用丙酮丁醇梭菌作为菌株以选择性地仅生产丁醇。其中，使用将菌株固定在纤维床(fibrousbed)上的发酵反应器可使生产率增加至6g/h-L，但发酵液中丁醇的最高浓度仍不超过约2％。
此外，业经提出先萃取出发酵液中的丁酸，再将丁酸转化为丁醇的方法。其中，根据文献“以酪丁酸梭菌由葡萄糖制造丁酸之萃取发酵(ExtractiveFermentationforButyricAcidProductionfromGlucosebyClostridiumtyrobutylicum)”(BiotechnolBioeng.2003Apr5；82(1):93-102)，将从纤维床反应器排放出的发酵液转移到中空纤维膜萃取塔；在萃取塔中采用不溶于水的三烷基胺(例如，阿拉明336(Alamine336))作为萃取剂以进行反应萃取(reactiveextraction)，获得三烷基铵丁酸盐。然后，将三烷基铵丁酸盐转移到另一个使用氢氧化钠作为萃取剂的中空纤维膜萃取塔中使三烷基胺再生，得到具有高浓度的丁酸钠水溶液。其后于丁酸钠水溶液中加入盐酸，得到丁酸水溶液。通过前述方法，虽可产生高纯度的丁酸，但却需要高量的酸与碱(制备1摩尔丁酸需消耗1摩尔氢氧化钠和1摩尔盐酸)，故并不理想。
因此，仍需要一种具备商业价值的生产生质丁醇的方法，其能够由发酵液中以高产率制备丁醇。
发明内容
本发明的目的在于提供一种由一含有丁酸的水性发酵液中制备丁醇的方法，其中该含有丁酸的水性发酵液是使用微生物于碳水化合物中进行发酵反应而获得，该方法包含以下步骤：
a)将一含一水不溶性三烷基胺的萃取溶剂与该含有丁酸的水性发酵液混合以进行液/液萃取，以获得一水相(aqueousphase)以及一含有三烷基铵丁酸盐的非水相(non-aqueousphase)；
b)加热步骤a)的非水相，以分解其中的三烷基铵丁酸盐，得到丁酸与三烷基胺；
c)将步骤b)所获得的丁酸与甲醇进行酯化反应，得到丁酸甲酯；以及
d)对步骤c)所获得的丁酸甲酯进行氢解反应，得到丁醇与甲醇。
本发明提供一种以高产率从含有丁酸的水性发酵液制备生质丁醇的方法，其中，各步骤所添加使用的物料，大多可于后续操作中分离出来，从而可以回收再利用，更具经济价值。
附图说明
图1是根据本发明一实施态样的反应流程示意图，其中，以碳水化合物水溶液1为原料，依序经过发酵反应器100、pH值调整槽200、萃取器300、加热器400、酯化反应器500、氢解反应器600、以及蒸馏塔700等阶段，提供丁醇13。
图2是根据本发明一实施例的萃取流程示意图。
【主要元件符号说明】
1：碳水化合物水溶液100：发酵反应器
2、4：水性发酵液200：pH值调整槽
3：无机酸300：萃取器
5：萃取溶剂400：加热器
6：萃取液500：酯化反应器
7：萃余物600：氢解反应器
8：丁酸700：蒸馏塔
9：甲醇
10：丁酸甲酯
11：氢气
12：丁醇与甲醇的混合液
13：丁醇。
具体实施方式
以下将具体地描述根据本发明的部分具体实施态样；惟，在不背离本发明的精神下，本发明尚可以多种不同形式的态样来实践，不应将本发明保护范围解释为限于说明书所陈述的。此外，除非文中有另外说明，于本说明书中(尤其是在权利要求书中)所使用的「一」、「该」及类似用语应理解为包含单数及复数形式。
本发明提供一种由一含有丁酸的水性发酵液中制备丁醇的方法，其中该含有丁酸的水性发酵液是使用微生物于碳水化合物中进行发酵反应而获得，该方法包含以下步骤：
a)将一含一水不溶性三烷基胺的萃取溶剂与该含有丁酸的水性发酵液混合以进行液/液萃取，以获得一水相以及一含有三烷基铵丁酸盐的非水相；
b)加热步骤a)的非水相，以分解其中的三烷基铵丁酸盐，得到丁酸与三烷基胺；
c)将步骤b)所获得的丁酸与甲醇进行酯化反应，得到丁酸甲酯；以及
d)对步骤c)所获得的丁酸甲酯进行氢解反应，得到丁醇与甲醇。
于本发明方法中，是以含有丁酸的水性发酵液制备丁醇。其中，该含有丁酸的水性发酵液可为任何使用微生物于碳水化合物中进行发酵反应所获得者。其中，可以在一填充有载体、载体上固定有可通过发酵反应将碳水化合物转化成丁酸的微生物的发酵反应器中，将碳水化合物水溶液加入到该反应器中以进行发酵反应，提供所需的含有丁酸的水性发酵液。视所采用的微生物而选用合宜的碳水化合物。较佳地，是于发酵反应器中使用包括具有产丁酸能力的菌株以及具有固碳能力的菌株的混菌系统，以将碳水化合物以低碳损的方式转化为丁酸。其中，所谓固碳能力，是指具有可以以CO及/或CO2为碳源，将其代谢转化为有机物质的能力。
产丁酸的菌株的例子包括，但不限于，酪丁酸梭菌(Clostridiumtyrobutylicum)、丁酸梭菌(Clostridiumbutylicum)、丙酮丁醇梭菌(Clostridiumacetobutyricum)、拜氏梭菌(Clostridiumbeijerinckii)、及前述的组合。具有固碳能力的菌株的例子包括，但不限于，克氏梭菌(ClostridiumCoskatii)、杨氏梭菌(ClostridiumLjungdahlii)、艰难梭菌(Clostridiumdifficile)、自产乙醇梭菌(Clostridiumauthoethanogenium)、拉氏梭菌(Clostridiumragsdalei)或前述的组合。
该碳水化合物可以为例如醣类，包括单醣、双醣、多醣及其混合物。其中，单醣可为例如戊糖、己糖、葡萄糖(glucose)、木糖(xylose)、半乳糖(galactose)、或前述的任意混合物；双醣可为例如乳糖(lactose)、蔗糖(sucrose)、纤维二糖(cellobiose)、或前述的任意混合物；多醣可为例如淀粉(starch)、肝糖(glycogen)、纤维素(cellulose)、或前述的任意混合物。碳水化合物水溶液的例子包括例如葡萄糖水溶液、甘蔗汁、玉米浸渍液(cornsteepliquor)、或者经由水解木质材料(ligninmaterial)而得到的戊糖-己糖混合物。该碳水化合物水溶液亦可为以一糖化制程(saccharificationprocess)处理生质物(biomass)所获得的含有可溶性醣类的溶液。适合的生质物包括，但不限于，例如玉米穗轴(cornstover)、玉米芯(corncob)、稻草、玉米纤维等。
除了醣类以外，该碳水化合物水溶液亦可以含有例如乳酸或醋酸的有机酸。在本发明一实施态样中，该碳水化合物水溶液可包含乳酸(lacticacid)及至少一醣类，且其中乳酸与该至少一醣类的重量比为0.1:1至10:1，例如0.3:1至3:1，更佳0.5:1至1.5:1，在一实例中，乳酸的重量大于或等于该至少一醣类的重量。经发现，相较于使用醣类作为单一碳水化合物的发酵反应，在碳水化合物水溶液中同时包含有机酸(例如：乳酸)和醣类进行发酵反应所产生二氧化碳的量较低，且因此可降低碳产率的减损，提高丁酸碳产率(butyriccarbonyield)。如后附实施例所示，于本发明一具体实施态样中，是使用以含有葡萄糖以及乳酸的溶液作为碳水化合物水溶液，以酪丁酸梭菌作为微生物进行发酵反应，提供含有丁酸的水性发酵液。
根据本发明方法，于步骤a)中将一含一水不溶性三烷基胺的萃取溶剂与该含有丁酸的水性发酵液混合以进行液/液萃取，获得一水相以及一含有三烷基铵丁酸盐的非水相。可于任何温度进行步骤a)，只要其能维持两相状态(非水相/水相)即可。
步骤a)的萃取溶剂可以为水不溶性三烷基胺本身，或者为包含该水不溶性三烷基胺的混合物。较佳地，该水不溶性三烷基胺具有通式为NR1R2R3，其中R1、R2、R3相同或不同，且各自独立为C5-C10的烷基。更佳地，是于本发明步骤a)采用前述具有通式为NR1R2R3的水不溶性三烷基胺，其中，R1、R2、R3是相同的烷基，例如，使用选自以下群组的水不溶性三烷基胺：三戊胺、三己胺、三辛胺、三癸胺、及前述的组合。
视需要地，步骤a)的萃取溶剂可包含一稀释剂，以提高萃取溶剂的流动性，提升萃取效率。可采用任何合宜的稀释剂，只要其能与三烷基胺互溶，且于后续加热步骤中不与三烷基胺或丁酸产生剧烈的化学反应。适合的稀释剂的例子包括，但不限于，例如苯乙酮、煤油、正丁醇等。
根据本发明方法，通过步骤a)的液/液萃取，使水性发酵液中的丁酸与三烷基胺反应，产生水不溶性三烷基铵丁酸盐，获得一含有三烷基铵丁酸盐的非水相。其后，于步骤b)中加热该非水相，以分解其中的三烷基铵丁酸盐，得到丁酸与三烷基胺。
可以任何本领域常用的加热方法以进行本发明方法的步骤b)。例如，可使用蒸发器进行蒸发、或使用蒸馏塔进行蒸馏以进行步骤b)，但不以此为限。视步骤a)所使用的水不溶性三烷基胺种类，以选用合宜的温度进行步骤b)。举例而言，当以三戊胺作为萃取溶剂的水不溶性三烷基胺而得到三戊铵丁酸盐，由于三戊铵丁酸盐在90至100℃下即开始分解，故可以90至100℃或更高的温度进行步骤b)，得到丁酸与三戊胺。其中，当以蒸馏方法进行步骤b)时，可直接由塔顶分离得到丁酸，且于塔底得到三戊胺，该丁酸可进入步骤c)，该三戊胺则可回收送回步骤a)使用。
根据本发明方法，于步骤c)中将步骤b)所获得的丁酸与甲醇进行酯化反应，得到丁酸甲酯。该酯化反应可在一酯化反应催化剂存在下，于例如80至300℃的温度以及1至20大气压(atm)的压力、以及每摩尔丁酸1至10摩尔甲醇的条件下进行。一般而言，若反应温度低于80℃，则催化活性低，将降低转化率；反之，若反应温度高于300℃，则可能形成较大量的副产物，降低选择性。
较佳地，是于较低压力下进行步骤c)，其优点为，较低压力有利于部分进料被蒸发，从而在气液共存状态进行酯化反应，提高热力学平衡转化率(thermodynamicequilibriumconversion)。此外，经发现，若甲醇与丁酸的用量接近化学计量比(1:1)，则转化率会降低至70至80％，因此，宜于步骤c)使用过量甲醇以提高丁酸转化率。一般而言，在每摩尔丁酸使用2摩尔或更多甲醇的情况下，可得到95％或更高的转化率；然而，若甲醇与丁酸的摩尔比过高，可能会增加副产物的生成，从而降低选择性。
可于步骤c)采用均相或非均相的酯化反应催化剂。均相催化剂的例子包括，但不限于，例如硫酸、盐酸或硝酸；非均相催化剂的例子包括，但不限于，例如离子交换树脂、沸石、硅铝土(siallite)、氧化铝、磺化碳(sulfonatedcarbon)、杂多酸(heteropolyacid)。
于根据本发明的一实施态样中，是于一酯化反应催化剂存在下、在60至140℃的温度以及1至4大气压的压力、以每摩尔丁酸1至7摩尔甲醇的条件下进行步骤c)的酯化反应，其中，所使用的催化剂可选自以下群组：离子交换树脂、沸石、硅铝土、氧化铝、磺化碳、杂多酸、以及前述的组合。
根据本发明方法，于步骤d)中对步骤c)所获得的丁酸甲酯进行氢解反应，得到丁醇与甲醇。该氢解反应可在一氢解反应催化剂存在下进行。一般而言，随着反应温度增加，氢解反应的转化率相应地提高，而产物选择性则相应地降低；且随着反应压力的增加，转化率相应地提高。因此，通常是视所使用氢解催化剂的特性而调整反应条件，而不限于本文中所揭露的。在本发明一实施态样中，是在一氢解反应催化剂存在下、于120至300℃的温度以及1至100大气压的压力、以及每摩尔丁酸甲酯1至100摩尔氢气的条件下进行步骤d)的氢解反应。
可使用任何合宜的氢解反应催化剂以进行本发明方法的步骤d)。举例言之，但不以此为限，该氢解反应催化剂可以为选自以下群组的一或多种：铜、锌、铬、镍、钴、银、钼、钯、钌、铑、以及前述金属的氧化物。该氢解反应催化剂亦可以负载于适当载体上的形式使用。举例而言，在本发明一实施态样中，是使用负载于二氧化硅上的铜催化剂(即Cu/SiO2)作为氢解反应催化剂。
通过步骤d)的氢解反应可分解丁酸甲酯，得到丁醇与甲醇，其中丁醇可作为燃料使用，甲醇则可回收供步骤c)使用。
兹配合图1以说明本发明方法的一实施态样。如图1所示，碳水化合物水溶液1被供应至发酵反应器100中，进行发酵以产生水性发酵液2。其后，可额外地视需求而在进行萃取前，于pH值调整槽200中调整其pH值至适合的范围，获得水性发酵液4。接着，水性发酵液4被供应至萃取器300中并以含一水不溶性三烷基胺的萃取溶剂5(例如：三辛胺)进行萃取，获得含有三烷基铵丁酸盐的非水相萃取液6，以及萃余物7。萃取液6被供应至一加热器400中，分解以获得丁酸8与三烷基胺5，其中，三烷基胺5被回收送至萃取器300中。其后，丁酸8被送至酯化反应器500中与甲醇9进行酯化反应，获得丁酸甲酯10。丁酸甲酯10接着被送至至氢解反应器600中(供应有氢气11)，进行氢解反应而获得丁醇与甲醇的混合液12。丁醇与甲醇的混合液12进一步被供应至蒸馏塔700中，分离为产物丁醇13与甲醇9，其中甲醇9被回收送至酯化反应器500中。
如上所述，本发明方法先以含一水不溶性三烷基胺的萃取溶剂与该含有丁酸的水性发酵液混合以进行液/液萃取，将所获得的非水相加热以分解其中的三烷基铵丁酸盐而得到丁酸与三烷基胺，再将所获得的丁酸与甲醇进行酯化反应，所得到的丁酸甲酯接着进行氢解反应，藉此由发酵液中制备丁醇。由于发酵液中包含的丁酸可以高产率地以含一水不溶性三烷基胺的萃取溶剂萃取，后续丁酸与甲醇的酯化反应及丁酸甲酯的氢解反应亦可以高产率进行，本发明可达到由发酵液中高效率制备丁醇的目的。此外，本发明方法中所使用的物料，包括水不溶性三烷基胺与甲醇，皆可于后续操作中分离出来，进一步回收再利用，更具经济效益。再者，视需要可以本发明方法中所获得的丁酸及丁酸甲酯作为产物利用，更具应用弹性。
【实施例】
兹以下列具体实施态样进一步例示说明本发明，其中，所使用的分析方法如下。
光密度：以一分光光度计(OPTIZEN,model2120UVplus)量测细胞悬浮液于波长600奈米(OD600)的光密度，以分析悬浮细胞密度(freecelldensity)。
反应溶液中醣类及有机酸的浓度：以配有AminexHPX-87H管柱(300x7.8毫米)、75℃管柱恒温器(columnoven)及折射率侦测器的高效液相层析仪(HPLC)(AgilentHP-1100)分析含有有机酸及醣类的溶液。流动相为18mM硫酸，其流速为6毫升/分钟。根据标准校正曲线，决定醣类及有机酸的浓度。
气体成分：以配有ShinCarbonST100/120mesh管柱(2公尺x1毫米IDmicropacked)的气相层析仪(gaschromatography，GC)(YL6100GC)分析气体。将注射器及侦测器的温度分别设定为100℃及200℃。载流气体为氦，流速为10毫升/分钟。将滞留时间与标准滞留时间作比较，以定义出二氧化碳峰。
制备例：含有丁酸的水性发酵液的制备
[微生物培养]
于本制备例中，所使用的微生物酪丁酸梭菌(Clostridiumtyrobutylicum,ATCC25755)是购自生物资源保存及研究中心(BioresourceCollectionandResearchCenter,BCRC)。使用前，于37℃搅拌下，将保存菌种(stockculture)以含有100毫升强化梭状芽孢菌培养基(ReinforcedClostridialMedium,RCM；购自Merck)的血清瓶进行厌氧预培养(pre-culture)历时48小时。
准备基础培养基(basalmedium)，其是于每升去离子水中包含以下成分：5克酵母菌萃取物(yeastextract)、5克蛋白胨(peptone)、3克硫酸铵、1.5克磷酸二氢钾、0.6克含水硫酸镁(MgSO4·7H2O)及0.03克含水硫酸铁(FeSO4·7H2O)(参见Wuetal.,BiotechnologyandBioengineering2003,82(1),93-102)。其后，将作为碳源的葡萄糖及/或乳酸加入基础培养基以制备原料(feedstock)，其中原料是用于菌体放量培养以进行“细胞固定”时，所配置原料的葡萄糖浓度为10克/升；当原料是用于「批次发酵反应」生产有机化合物时，所配置原料的葡萄糖浓度为15克/升且乳酸浓度为15克/升。使用前，于121℃、15psig(磅/平方吋表压)对原料进行高压灭菌消毒30分钟。
[细胞固定]
将约300毫升于血清瓶中所制备的微生物悬浮液接种于5升发酵槽中，其中该发酵槽已充满4升包含碳源为葡萄糖(10克/升)的原料。之后，允许微生物生长7天，直至微生物细胞的浓度约达光密度(OD600)为5。
根据Chen,K.所揭露方法将细胞固定于磷酸化聚乙烯醇凝胶颗粒上(参见"Immobilizationofmicroorganismwithphosphorylatedpolyvinylalcohol(PVA)gel,"EnzymeMicrobiob.Technol.1994,16,679-83。此文献全文并于此处以供参考)。以离心机(KUBOTA，7780型)于6,500rpm(转/分钟)离心上述微生物悬浮液10分钟以收集细胞，其后将所收集的细胞添加至PVA水溶液中，得到悬浮比例为约9％w/v(重量/体积)的悬浮混合液，即每升PVA溶液具有20克湿细胞；之后，将聚乙烯醇-细胞混合液滴至饱和硼酸与磷酸钠溶液中，并轻微搅拌1至2小时，形成直径3至4毫米的固定有微生物细胞的颗粒；其后，以水进行清洗所形成的颗粒。
[批次发酵反应]
于一2升搅拌式发酵槽中进行批次发酵。其中，于发酵槽充满包含碳源为葡萄糖(15克/升)及L-乳酸(15克/升)的原料溶液后，以氮气曝气以达厌氧状态，并以2N氢氧化钠调整pH值至6.0。之后，接种70克前述所制备的固定有酪丁酸梭菌的聚乙烯醇颗粒，其接种量(inoculumsize)约为5％w/v，并于37℃下以600rpm搅拌速度进行发酵，期间藉由加入2N氢氧化钠溶液以维持pH值为大约6±0.1。持续进行发酵反应，直到由于产物抑制(productinhibition)停止产生丁酸为止。分析发酵槽中液体与气体成分，确认最终丁酸浓度为17.2克/升，丁酸碳产率为83％，且未因生成二氧化碳而发生碳损失(carbonloss)。
实施例1：由发酵液中萃取得到丁酸
[以三辛胺进行萃取]
提供18,941克的发酵液，其pH值为6.6，且含2.4重量％的丁酸。先以硫酸调整发酵液pH值至约2.43后，如图2所示，将发酵液分成五批次，重量依序为4,000、3,675、4,000、3,500、3,766克，每一批次发酵液以三辛胺进行二级错流式萃取。在第1级将500克三辛胺与发酵液混合并进行萃取，同时以硫酸维持水相的pH值为约1.28。在第2级将487克三辛胺与第1级萃余物(即，水相)混合且进行萃取，并以硫酸维持水相的pH值为约2.58。将各级萃取液(即，非水相)与次一批次发酵液混合，同样进行二级错流式萃取。依序对五批发酵液进行萃取后，获得第1级萃取液719克与第2级萃取液678克，其成分中包含三辛铵丁酸盐。
以如下方式确认上述萃取操作的萃取效率(参见舒亮成等人的“发酵液中丁酸错合萃取分离条件的研究”，化学工程，第39卷第8期，2011年8月，此文献全文并于此处以供参考)。将所获得的第1级萃取液与第2级萃取液中添加氢氧化钠而反应形成丁酸钠，并以高效液相层析仪(highperformanceliquidchromatography，HPLC)分析丁酸钠的浓度，得知丁酸钠浓度皆为19重量％。
[加热萃取液以获得丁酸]
将1,397克前述萃取液放置于一烧瓶中，在30毫米汞柱(mmHg)压力下加热至沸腾，所蒸发的气体经由烧瓶上方的一冷凝器冷凝，获得液体313克，其中丁酸浓度为76.8重量％。再以批次精馏塔，在30毫米汞柱压力下进行蒸馏，收集馏出液体133克，其中丁酸浓度为97.5重量％，丙酸浓度为2.4重量％。
以上结果显示，本发明方法通过步骤a)以含水不溶性三烷基胺的萃取溶剂与含有丁酸的水性发酵液混合并进行液/液萃取，可轻易以三烷基胺丁酸盐的形式将丁酸以高产率从发酵液中分离；且步骤b)的加热操作，可分解步骤a)非水相(即前述萃取液)中的三烷基铵丁酸盐，获得高纯度丁酸溶液。
实施例2至4：酯化反应
实施例2：将高纯度的丁酸(购自AlfaAesar，纯度99+％，CASNo.:107-92-6)、以及甲醇与作为酸性催化剂的Amberlyst35wet离子交换树脂(购自Rohm&Haas公司)加入装有回流冷凝器的250毫升三颈烧瓶内并搅拌，其中，丁酸与甲醇的摩尔比为1:2，酸性催化剂的浓度为20克/升。加热并维持反应物在80℃以进行酯化反应历时2小时后，获得丁酸甲酯的摩尔产率为64.9％。
实施例3：重复实施例2的操作，但所使用的丁酸与甲醇的摩尔比为1:3，酸性催化剂的浓度为100克/升，且反应进行时间为75分钟，获得丁酸甲酯的摩尔产率为89.8％。
实施例4：重复实施例2的操作，但所使用的丁酸与甲醇的摩尔比为1:4，酸性催化剂的浓度为200克/升，且反应进行时间为75分钟，获得丁酸甲酯的摩尔产率为99.9％。
如以上实施例2至4所示，本发明方法的步骤c)将步骤b)所获得的丁酸与甲醇进行酯化反应以得到丁酸甲酯，其中，藉由调整反应条件及丁酸与甲醇的摩尔比，产率可高达99.9％。此外，因本发明方法是以甲醇进行酯化反应，在使用过量甲醇以提高转化率的情形下，反应剩余的甲醇因其沸点(64.7℃)与产物丁酸甲酯的沸点(102℃)明显不同而可轻易分离并回收。
实施例5：氢解反应-I
将strem公司的铜铬催化剂置入填充床反应器(长55公分，内径1.32公分，外径1.8公分)，分别以表1所示操作条件，以1100毫升/分钟的速率供给氢气，进行丁酸甲酯的氢解反应，结果均示于表1中。
表1
实施例6：氢解反应-II
[制备Cu/SiO2催化剂]
于烧杯中加入30克的三水合硝酸铜与200毫升去离子水并搅拌，其后，以氢氧化钠水溶液滴定该混合溶液至pH值为8至9，形成一泥浆狀溶液。添加44毫升(含28％的SiO2)硅酸四乙酯溶液至该泥浆状溶液中并搅拌混合后，置入批式反应器，升温至80℃以反应老化历时4小时。其后，将产物抽气过滤，并放入烘箱以温度120℃烘干历时16小时，制得Cu/SiO2催化剂。将所得催化剂产物压制成锭并烘干后，以400℃进行空气煅烧历时4小时，之后再以氢气流速1500毫升/分钟，在240℃下进行还原反应历时4小时。
[氢解反应]
采用与实施例5相同的实验装置，但以本实施例所制备的催化剂20克装填在反应管中，分别以表2所示的丁酸甲酯流量与氢气流量进行丁酸甲酯的氢解反应，结果均示于表2中。
表2
如实施例5及6所示，本发明方法的步骤d)对步骤c)的丁酸甲酯进行氢解反应得到丁醇与甲醇，可在不使用极端条件的于适当反应条件下，所得到的丁酸甲酯转化率与丁醇产率可接近100％，几乎无反应损失。
比较例1
重复实施例5的操作，但使用丁酸乙酯作为反应物，氢气流量为1100毫升/分钟，催化剂用量为60克，且采用如表3所示的反应条件，结果亦示于表3。
表3
比较例2
重复实施例5的操作，但使用丁酸丁酯作为反应物，氢气流量为1100毫升/分钟，且采用如表4的反应条件，结果亦示于表4。
表4
比较例3
重复实施例5的操作，但其中分别使用丁酸甲酯、丁酸乙酯、丁酸丁酯作为反应物，氢气流量为1100毫升/分钟，每小时的重量空间速度(WHSV)为0.1/小时。比较不同反应物所能得到的最高丁醇产率，如表5所示。
表5
如以上实施例5与比较例1至3所示，相较于以丁酸乙酯或丁酸丁酯作为反应物进行氢解反应所能得到的最高丁醇产率，本发明方法使用丁酸甲酯可达到更高的丁醇产率。更进一步，将比较例3结果与实施例5结果(表1)互相对照，发现在相同反应条件下(催化剂60克，反应温度200℃，反应压力400或500磅/平方吋，丁酸酯流量6克/小时)，本发明方法使用丁酸甲酯确实可达到较高的丁醇产率。此外，本发明使用丁酸甲酯进行氢解反应，所得产物为丁醇与甲醇，可轻易因其沸点的显著差异而进行分离。
上述实施例仅为例示性说明本发明的原理及其功效，并阐述本发明的技术特征，而非用于限制本发明的保护范畴。任何本领域技术人员在不违背本发明的技术原理及精神下，可轻易完成的改变或安排，均属本发明所主张的范围。因此，本发明的权利保护范围如权利要求书所列。

Claims (14)

1.一种由一含有丁酸的水性发酵液中制备丁醇的方法，其特征在于：该含有丁酸的水性发酵液是使用微生物于碳水化合物中进行发酵反应而获得，该方法包含以下步骤：
a)将一含一水不溶性三烷基胺的萃取溶剂与该含有丁酸的水性发酵液混合以进行液/液萃取，以获得一水相(aqueousphase)以及一含有三烷基铵丁酸盐的非水相(non-aqueousphase)；
b)加热步骤a)的非水相，以分解其中的三烷基铵丁酸盐，得到丁酸与三烷基胺；
c)将步骤b)所获得的丁酸与甲醇进行酯化反应，得到丁酸甲酯；以及
d)对步骤c)所获得的丁酸甲酯进行氢解反应，得到丁醇与甲醇。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：该微生物是选自以下群组：酪丁酸梭菌(Clostridiumtyrobutylicum)、丁酸梭菌(Clostridiumbutylicum)、丙酮丁醇梭菌(Clostridiumacetobutyricum)、拜氏梭菌(Clostridiumbeijerinckii)、及前述的组合。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：于步骤a)中，该水不溶性三烷基胺具有通式为NR1R2R3，其中R1、R2、R3相同或不同，且各自独立为C5-C10的烷基。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：R1、R2、R3是相同的烷基。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于：该水不溶性三烷基胺是选自以下群组：三戊胺、三己胺、三辛胺、三癸胺、及前述的组合。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤c)是在一酯化反应催化剂存在下、于60至140℃的温度以及1至4大气压(atm)的压力、以及每摩尔丁酸1至7摩尔甲醇的条件下进行。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：该酯化反应催化剂是具有超强酸性质的固体酸催化剂，其是选自以下群组：离子交换树脂、沸石、硅铝土(siallite)、氧化铝、磺化碳(sulfonatedcarbon)、杂多酸(heteropolyacid)、以及前述的组合。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤d)是在一氢解反应催化剂存在下、于120至300℃的温度以及1至100大气压的压力、以及每摩尔丁酸甲酯1至100摩尔氢气的条件下进行。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：该氢解反应催化剂是选自以下群组：铜、锌、铬、镍、钴、银、钼、钯、钌、铑、前述金属的氧化物、及前述的组合。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：该氢解反应催化剂是负载于载体上。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于：该氢解反应催化剂是Cu/SiO2。
12.如权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于：更包含将步骤b)所获得的三烷基胺供给至步骤a)。
13.如权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于：更包含将步骤d)所获得的甲醇供给至步骤c)。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于：更包含将步骤d)所获得的甲醇供给至步骤c)。
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