CN101563138A - 来自发酵液的挥发性产物的回收 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于移除并且纯化发酵制备的一种或多种挥发性有机化合物的设备和方法。所述设备包括发酵罐单元、真空侧线汽提塔单元(10)，以及任选以下中的一个或多个：变压吸附单元、双功能塔、间壁蒸馏塔单元，以及用于引起挥发性有机化合物和水的混合物的相分离的装置。

Description

来自发酵液的挥发性产物的回收
技术领域
本发明涉及通过发酵液的发酵产生挥发性有机化合物(VOC)并且从发酵液中移除VOC的设备和方法。
背景技术
丁醇是一种重要的工业化学品，其可用作例如燃料、燃料添加剂或者在其它有用的化学品的生产中作为前体或中间体。
近年来，由于丙烯原料的高成本，通过加氢甲醛化技术生产丁醇的成本显著增加。通过发酵生产丁醇代表了一种利用较低成本的原料，提供低成本生产的潜力的替代工艺技术。
在丁醇或其它溶剂或挥发性有机化合物的生产中，发酵工艺的一个重要方面是所述化合物的纯化。另一个重要方面是控制并且移除来自发酵反应器的溶剂或者挥发性化合物，如果不被移除，那么所述溶剂或者挥发性化合物使发酵培养物中毒，或者降低培养物产生所需的产物的能力，该现象被称为微生物抑制。对于丁醇，各种移除系统是已知的，例如全蒸发、渗透萃取、反渗透、液-液萃取，以及从发酵罐容器或反应器直接气提。然而，这些移除系统移除的挥发性有机化合物不够，或者不足够坚固(robust)以在生物质固体(例如，生物细胞)的存在下或者在商业规模发酵工艺用途所要求的或所需的温度和压力条件下进行生产性操作。
如Ferrmas，Minier和Goma[“丙酮丁醇发酵：通过联合连续发酵和超滤提高性能(Acetonobutylic Fermentation：Improvement of Performances byCoupling Continuous Fermentation and Ultrafiltration)”Biotechnology andBioengineering，第28卷，第523-533页(1986)]中所述，发酵工艺可以利用超滤膜来控制(通常增加)发酵罐容器内的生物细胞的浓度。超滤膜用于从细胞悬浮液或淤渣，例如存在于生物处理曝气池、生物反应器或在废水处理厂的发酵罐容器中的那些，移除液体。然而，Ferras等(见上)已经表明，在用于浓缩丙酮丁醇梭菌(ATCC 824)培养物以获得培养液的约100克/升(g/L)至125g/L的细胞浓度时，超滤膜快速积垢。尽管通过将CO2或其他气体的气泡注入到膜外侧(发酵罐侧)表面附近的发酵罐容器中以洗涤膜的外部，或者通过与交叉流膜组件中一样对膜表面注入液流，可以降低积垢速率，但是在培养液中的高细胞浓度下，积垢速率通常是一个显著问题。在发酵设备和方法中需要超滤膜装置的更有效利用。
然而，需要比已知的技术更简单和更节约成本的用于溶剂移除和/或纯化的技术。
发明内容
本发明提供发酵和汽提方法及设备，所述发酵和汽提方法及设备在分批、进料-分批(也称为半分批)、或连续的发酵罐容器中的发酵液(液)中通过发酵有效地并且成本节约地生产一种或多种VOC(例如，1-丁醇)，并且从发酵液中汽提所述一种或多种VOC。
本发明的第一实施方案是一种发酵设备，所述发酵设备包括发酵罐单元和真空侧线汽提塔(VSS)单元；
所述发酵罐单元包括发酵罐容器，所述发酵罐容器具有外表面和内表面，所述发酵罐容器表面彼此隔开，并且大体上平行，以限定封闭的容积空间，所述发酵罐容器中限定了至少两个孔，即，第一流体孔和第二流体孔，所述至少两个孔与所述封闭的容积空间流体连通；
所述VSS单元包括汽提塔容器，所述汽提塔容器具有外表面和内表面，所述汽提塔容器表面彼此隔开，并且大体上平行，以限定封闭的容积空间；所述汽提塔容器中设置了两个以上的并排汽提塔隔室，每一个汽提塔隔室通过垂直隔离构件与相邻的汽提塔隔室隔开；至少每一个垂直隔离构件的底部或者在其中限定了液体通行孔，或者与所述汽提塔容器的底部隔开以在所述隔离构件的底部与所述汽提塔容器的底部之间限定液体通行导管，或者既有液体通行孔又有液体通行导管；至少每一个垂直隔离构件的顶部或者在其中限定了蒸气通行孔，或者与所述汽提塔容器的顶部隔开以在所述隔离构件的顶部与所述汽提塔容器的顶部之间限定蒸气通行导管，或者既有蒸气通行孔又有蒸气通行导管；所述汽提塔隔室彼此相继地流体连通，相邻的汽提塔隔室通过液体通行导管、液体通行孔或它们的组合，并且通过蒸气通行导管、蒸气通行孔或它们的组合而相互流体连通；所述汽提塔容器在其中限定了至少四个孔，即，第三流体孔、气体孔、蒸气孔和第一搅拌孔，所述至少四个孔中的每一个与所述汽提塔容器的所述封闭的容积空间流体连通；
所述发酵罐容器的第一流体孔操作连接(opertatively connected)至所述汽提塔容器的第三流体孔，以建立所述发酵罐容器和所述汽提塔容器之间的流体连通。在汽提塔容器中的气体孔和蒸气孔优选存在于汽提塔容器的上部的表面中。发酵罐容器中的第一流体孔优选存在于发酵罐容器的侧部或下部的表面中；第二流体孔优选存在于发酵罐容器的侧部或上部的表面中；并且汽提塔容器的第三流体孔优选存在于汽提塔容器的侧部或上部的表面中。
本发明的第二实施方案是包括以下步骤的方法：将发酵液设置在如第一实施方案所述的设备的发酵罐容器的封闭的容积空间中，所述发酵液包含水、多个生物细胞和养分给料；使所述养分给料被所述生物发酵，以产生至少一种挥发性有机化合物(VOC)；以及从所述发酵液中汽提至少一种VOC。优选地，至少一种VOC中的每一种具有小于500克/摩尔的分子量。
在附图和说明书的其余部分中描述了另外的实施方案。
附图说明
图1显示了搅拌VSS单元的一个实例的图解，所述搅拌VSS单元包括用于气-液接触的充气型混合叶轮。
图2显示了代替图1的搅拌VSS单元的适用于本发明设备和方法的循环VSS单元的一个实例的图解。
图3显示了在利用本发明设备和方法的发酵罐单元和搅拌VSS单元的ABE发酵的模拟中所用的来自实施例1的Aspen流程图。
图4图示了从实施例1中，对于25℃的四元体系丁醇+丙酮+水+乙醇，计算的NRTL和UNIQUAC气-液平衡(VLE)和液-液平衡(LLE)数据与文献VLE和LLE数据的拟合。
具体实施方式
本发明提供用于汽提和/或纯化来自发酵反应的有机产物的改进设备和方法。尽管本发明参考ABE发酵工艺进行了描述，但是本发明还适用于其它发酵工艺，包括本文中所述的用于生产异丙醇和乙醇以及其它VOC的发酵工艺。在用于生产一种或多种VOC的本发明设备和方法中的任何点，可以将湿润或干燥并且基本上纯的一种或多种VOC或者所述VOC的两种以上的混合物作为溶剂输送至独立的生产流中，可以被包装而用于商业销售或储存，或者可以如本文中所述进一步被处理。进一步处理包括：干燥(例如，在变压吸附(PSA)单元中)湿润的VOC或者两种以上VOC的湿混合物，以生成基本上干燥的VOC或者两种以上VOC的基本上干燥的混合物，它们可在例如它们的衍生物的生产中用作溶剂或者原料。此外，通过将两种以上VOC相互分离以独立地产生两种以上基本上纯的VOC，可以纯化两种以上VOC的基本上干燥的混合物(例如，在间壁蒸馏塔(DWC)单元中)。
除发酵罐单元200(未显示)和VSS单元(例如，图1中的10或图2中的100)以外，本发明的设备和方法还可以包括一种或多种附加部件，例如，超滤膜822(未显示)、膜单元800(未显示)、双功能塔300(未显示)、PSA单元400(未显示)、DWC单元500(未显示)或液-液萃取塔700(未显示)。下面描述更多的附加部件。
VSS单元包括搅拌VSS单元(例如，图1的10)或循环VSS单元(例如，图2的100)。搅拌VSS单元10的一个在图1中显示并且在此进行描述。在图1中，搅拌VSS单元10包括汽提塔容器78以及其它部件，所述汽提塔容器78具有内表面62并且限定两个流体孔33和34、三个搅拌孔35、36和37、气体孔45以及蒸气孔46(全都未显示)。近端汽提塔隔室81、中心汽提塔隔室82以及远端汽提塔隔室83被并排设置在汽提塔容器78内部。相邻的汽提塔隔室(例如，81和82；以及82和83)通过被设置在汽提塔容器78内部的(I-外形)垂直隔离构件76彼此隔开，每一个垂直隔离构件76具有外表面61。可考虑垂直隔离构件的其它外形，其它外形是例如I-外形。
每一个垂直隔离构件76的底部51(未示出)以及顶部52(未示出)与汽提塔容器78的底部53(未示出)和顶部54(未示出)隔开，以分别限定两个液体通行导管94和两个蒸气通行导管91。汽提塔隔室81至83通过液体通行导管94和蒸气通行导管91相继流体连通。
两个垂直隔离构件76与汽提塔容器78的内部57(未示出)流体连通。第一和第二叶轮28和27中的不同叶轮分别与汽提塔容器78的内部57(未示出)和不同的汽提塔隔室(81、82或83)流体连通。
在汽提塔容器78附近所示的一些部件是3个搅拌电动机25、3根搅拌轴29、3个第一叶轮28以及3个第二叶轮27。汽提塔容器78、搅拌电动机25、搅拌轴29、3个第一叶轮28、3个第二叶轮27以及垂直隔离构件76构成搅拌VSS单元的实例。为了说明，汽提塔容器78被显示为其中设置了发酵液，但是发酵液不是搅拌VSS单元10的一部分。
3根搅拌轴29在其3个搅拌孔35、36、37(未示出)中的不同孔与汽提塔容器78操作接触。3根搅拌轴29分别跨接在3个搅拌电动机25中的不同电动机与第一和第二叶轮28和27之间，并且与它们操作连接，并且与汽提塔容器78的不同汽提塔隔室(例如81、82或83)流体连通。
再次参考图1，汽提塔容器78与流体导管31和32在两个流体孔(未示出)处操作连接并且流体连通；与流体导管42在蒸气孔46(未显示)处操作连接并且流体连通，并且与流体导管41在气体孔45(未示出)处操作连接并且流体连通，所述孔被限定在汽提塔容器78中。
在VSS单元10的操作过程中，汽提塔容器78可以经由流体导管31和通过流体孔33(未示出)接收来自发酵罐容器(例如，标准发酵罐容器211(未显示)或再沸发酵罐容器222(未显示))或膜容器811(未显示)的发酵液流或者由其得到的澄清液体。汽提塔容器78可以经由流体导管41和气体孔45(未示出)接收从汽提气源11(未显示)注入的汽提塔气。汽提塔容器78可以经由流体孔34和流体导管32将发酵液或由其得到的澄清液体输送回发酵罐容器(例如，211和222，未显示)或者输送至废物中。汽提塔容器78可以将汽提的湿VOC通过蒸气孔46(未示出)，经由流体导管42释放至附加部件例如，双功能塔300(未显示)、鼓风机350(未显示)、第一真空泵/压缩机370(未显示)、蒸气/液体冷凝器600(未显示)、或PSA单元400(未显示)。
同样在操作过程中，搅拌电动机25被致动，并且分别使搅拌轴29和第一和第二叶轮28和27旋转，其中第一叶轮28搅拌发酵液以产生发酵液的飞溅(通过第一叶轮28和汽提塔容器78之间的抛物线显示)。飞溅到达垂直隔离构件76的外表面61和汽提塔容器78的内表面62。
在本文中可考虑不是搅拌VSS单元的其它类型的VSS单元，并且包括循环VSS单元(例如，图2的100)。循环VSS单元100的一个实例示于图2中。
参考图2，循环VSS单元100包括汽提塔容器178及其它部件，所述汽提塔容器178具有设置在其中的5个汽提塔隔室181、182、183、184、185。四个垂直隔离构件176被设置在汽提塔容器178内部与其隔开。汽提塔容器178限定一个流体孔132、10个搅拌孔135至139以及150和154(未示出)、气体孔145(未示出)以及蒸气孔141。在汽提塔容器178附近显示的一些部件是阀169、5个液体泵165、5根流体导管164、5根流体导管166、5根流体导管163、5个喷嘴162、4个(任选)防溅板161以及4个(圆盘形)垂直隔离构件176。汽提塔容器178、液体泵165、流体导管164、流体导管166、流体导管163、喷嘴162、(任选)防溅板161以及垂直隔离构件176构成循环VSS单元100的实例。为了说明，汽提塔容器178被显示为将发酵液设置在其中，但是发酵液不是循环VSS单元100的一部分。
再次参考图2，汽提塔容器178在其10个搅拌孔135至139以及150至154(未示出)中的不同搅拌孔，处于5个单独和相继的操作连接的形式，并且处于与流体导管164、液体泵165、流体导管166、流体导管163以及喷嘴162的5个单独和相继的流体连通形式。
4个垂直隔离构件176的底部172与汽提塔容器178的底部174隔开，以限定液体通行导管194，并且垂直隔离构件176的顶部173与汽提塔容器178的顶部175隔开，以限定蒸气通行导管191。四个垂直隔离构件176还彼此隔开，并且与汽提塔容器178一起分别限定5个汽提塔隔室181至185，包括近端汽提塔隔室181，顺序从左至右的3个中间汽提塔隔室182、183以及184，以及远端汽提塔隔室185。四个垂直隔离构件176与汽提塔容器178的内部156(未示出)流体连通。汽提塔隔室181至185处于彼此经由液体通行导管194和蒸气通行导管191相继流体连通的形式。
再次参考图2，汽提塔容器178在流体孔132处操作连接至流体导管131并且与其流体连通，以及在蒸气孔141处操作连接至流体导管142并且与其流体连通。汽提塔容器178还在气体孔145(未示出)处操作连接至流体导管133(未显示)并且与其流体连通，所述孔被限定在汽提塔容器178中。
在VSS单元100的操作过程中，汽提塔容器178可以从发酵罐容器(例如，标准发酵罐容器211(未显示)或再沸发酵罐容器222(未显示))或膜容器811(未显示)经由流体导管131并且通过流体孔132接受发酵液流或由其得到的澄清液体。汽提塔容器178可以从汽提塔气源111(未显示)经由流体导管133(未显示)并且通过气体孔145(未显示)接受注入的汽提塔气体。汽提塔容器178可以经由另一个流体孔134(未显示)以及流体导管171(未显示)将发酵液或者由其得到的澄清液体输送回到发酵罐容器(例如，211和222)中，或者废物中。汽提塔容器178可以通过蒸气孔141，经由流体导管142将汽提的湿VOC释放至附加部件，例如，上面在图1的描述中提及的附加部件。
循环VSS单元100包括用于气-液接触的泵送液体循环回路(164、165、166、163以及162)。在操作过程中，开动液体泵165，并且使发酵液相继循环通过流体导管164、液体泵165、流体导管166以及流体导管163，并且从喷嘴162出来，进入汽提塔容器178中。发酵液的喷溅(未显示)到达防溅板161以及垂直隔离构件176和汽提塔容器178的内表面155(未示出)。在这样的泵送操作过程中，发酵液的液面优选保持大致相同。
如下面在实施例1详细描述并且在此简述，图3示意性地示出了本发明设备和方法的一个实施方案的Aspen流程图，其示出了包括标准发酵罐单元(FERMENT)、搅拌VSS单元(STRIPPER)、阀(
Figure A20078004618700111
)、液体泵(P-1)和蒸气/液体冷凝器(COND)以及其它的常规单元。经由管线BROTHOUT、阀()、液体泵(P-1)并且返回到标准发酵罐单元(FERMENT)，标准发酵罐单元(FERMENT)与搅拌VSS单元(STRIPPER)相继流体连通。搅拌VSS单元(STRIPPER)与蒸气/液体冷凝器(COND)流体连通。标准发酵罐单元(FERMENT)也与养分给料(FEED)、新鲜水源(FRSHH2O)以及发酵气体出口(FGAS)流体连通。对于Aspen模拟的具体结果，参见实施例1。
如实施例1中详细描述并且在此简述，图4图示了将来自非随机的双液体活度系数(NRTL)模型的数据以及来自UNIQUAC活度系数(UNIQUAC)相平衡模型的数据与Dortmund Databank Set[2121]文献数据进行拟合的实例。参考图4，包括丙酮、乙醇、丁醇和水的四元体系的实验数据(即，Dortmund Databank Set[2121]文献数据)采用实心菱形符号标绘，包括丙酮、丁醇和水的三元体系的实验LLE数据(即，DortmundDatabank Set[2121]文献数据)采用空心菱形符号标绘，计算的UNIQUAC数据采用实线标绘，计算的NRTL数据采用点线标绘，并且在标绘的数据之间划虚线。
本发明的第三实施方案是用于制备有机化合物的设备，包括：发酵装置，其包括发酵罐容器(例如，标准发酵罐容器211(未显示)或再沸发酵罐容器222(未显示))，以及倾析器，所述倾析器用于从发酵罐容器(例如，211和222)接受有机和水性组分；附加部件，其选自由以下组成的组：PSA单元400、双功能塔300、真空侧线汽提塔(例如，图1中的10，和图2中的100)、DWC 500，以及它们的组合。具体地，该设备包括：发酵罐单元200、倾析器650以及附加部件，附加部件选自由以下组成的组：PSA单元400、双功能塔300、VSS单元(例如，图1的10或图2的100)、DWC单元500，以及两种以上所述附加部件的组合，所述发酵罐单元200包括发酵罐容器(例如，211和222)，发酵罐容器(例如，211和222)与VSS单元(例如，图1的10或图2的100)和倾析器650，或倾析器650和PSA单元400或DWC单元500相继操作连接(在入口和出口)并且流体连通。根据本发明，上述附加部件的至少一个结合到发酵设备中。在一些实施方案中，可以结合两个以上的附加部件。
冠词″一个(a)″和″一种(an)″是指被冠词修饰的对象的单数和复数形式。术语″或″是指所列举的成员是单独的或者处于任何组合的形式。
术语″包括″，其与术语″包含″、″含有″、″具有″、″组″和″具有....的特征″同义，是开放式的。这些术语不排除另外的单元、材料、成分或工艺步骤，包括未陈述的单元、材料、成分或工艺步骤，甚至另外的单元、材料、成分或工艺步骤以较大的量存在。当术语″包括″作为从权利要求的前序部分至权利要求的主体的过渡使用(即，作为过渡术语)时，整个权利要求是开放式的(尽管在权利要求中的特定单元或步骤可以不受诸如″由.....组成″或″基本上由.....组成″)的短语限制)。
短语″由.....组成″或″由.....组成的组″是封闭式术语。这些短语排除未指明的任何单元、步骤或成分。当短语″由.....组成″被用作权利要求中的过渡性短语时，该短语使权利要求为封闭式，不包括在权利要求中未具体陈述的材料、单元或者步骤，但通常与其相关的杂质，和与要求保护的发明不相关的材料、单元或者步骤除外。当短语″由.....组成″用在权利要求的主体的从句中，而非紧跟在前序部分之后时，它仅仅限制在该从句中阐述的单元、步骤或者材料，而不从权利要求中排除该从句以外的其它单元、材料或步骤。本发明还包括通过用过渡性短语″由.....组成″代替过渡性术语″包括″改变在本文中的别处描述的″包括″实施方案而撰写的实施方案。当使用时，过渡性短语″由.....组成″排除选自由下列组成的组中的一个或多个基本附加部件：PSA单元400(未显示)、用于引起相分离的装置(例如，液-液萃取器700，未显示)、以及用于将水与一种或多种VOC分离的装置(例如，DWC单元500，共沸蒸馏单元，以及吸附剂单元，全都未显示)，但是不排除选自由以下组成的组中的一个或多个辅助附加部件：鼓风机350(未显示)、真空泵/压缩机370和380(未显示)、倾析器650(未显示)、蒸气/液体冷凝器600(未显示)和气/液分离器660(未显示)。
短语″基本上由.....组成″可以在权利要求的前序部分中使用，以将权利要求的范围限制为指定的材料、单元或步骤，以及本质上不影响要求保护的发明的一个或多个基本和新的特性的那些。涉及前序部分时，″基本上由.....组成″的权利要求介于以″由.....组成″形式撰写的封闭式权利要求与以″包括″形式撰写的完全开放式权利要求之间。本发明还包括通过用过渡性短语″基本上由.....组成″代替过渡性术语″包括″改变在本文中别处描述的″包括″实施方案而撰写的实施方案。在使用时，过渡性短语″基本上由.....组成″可以包括上述基本和辅助的附加部件中的一个或多个。
挥发性有机化合物(VOC)
″挥发性有机化合物″是指由元素碳、氢和氧组成并且具有小于500克/摩尔的分子量的分子。优选地，VOC具有小于250克/摩尔的分子量。更优选地，VOC独立地选自由下列组成的组：HO-(C1-C8)烷基；HO-(C2-C8)亚烷基-O-(C1-C4)烷基；(C3-C8)链烷酮；HO-(C3-C8)链烷酮；(C1-C8)烷基-C(O)O-(C1-C4)烷基；[氧代-(C3-C8)烷基]-C(O)O-(C1-C4)烷基；(C0-C6)亚烷基-[C(O)O-(C1-C4)烷基]2；O-[(C1-C4)烷基]2；以及[氧代-(C2-C4)烷基]-O-(C1-C4)烷基。
″(C1-C4烷基″和″(C1-C8)烷基″分别指未取代的支链或直链的1至4和1至8个碳原子的饱和烃基。″(C2-C8)亚烷基″和″(C0-C6)亚烷基″分别指未取代的支链或直链的2至8和0至6个碳原子的饱和烃二基。(C0)亚烷基是指没有亚烷基。″(C3-C8)链烷酮″和″(C2-C4)链烷酮″分别指未取代的支链或直链的3至8和2至4个碳原子的饱和烃，其在除末端碳原子以外的碳原子中的任何一个上被氧代(即，＝O)基团单取代，其中所述烃另外是未取代的。″HO-(C3-C8)链烷酮″是羟基取代的如前面定义的(C3-C8)链烷酮。″[氧代-(C3-C8)烷基]″和″[氧代-(C2-C4)烷基]″分别是(C3-C8)链烷酮和(C2-C4)链烷酮的碳基，其中(C3-C8)链烷酮和(C2-C4)链烷酮如上定义。
优选的VOC是丙酮、乙醇、1-丁醇、2-丁醇、2-甲基-1-丙醇、1-戊醇、1-己醇、2-丁氧基乙醇、1-丁氧基-2-丙醇、羟基丙酮、乙酸乙酯以及2-氧代-乙酸乙酯；更优选的是丙酮、乙醇、2-丙醇、1，3-戊二醇、1-丁醇和1，4-丁二醇；还更优选的是乙醇和1-丁醇。在用于制备特定VOC的本发明方法中，其中该方法制备两种以上VOC，优选将特定的VOC制备为两种以上VOC中的主要组分而制备，即，在发酵罐容器(例如，标准发酵罐容器211(未显示)或再沸发酵罐容器222(未显示))中的发酵液中以比发酵罐容器中的发酵液中的任何其它VOC的时间平均浓度更大的时间平均浓度(当使用再沸发酵罐容器222时，在开始汽提操作之前测量时间平均浓度)制备特定的VOC。
生物(即，微生物)
本发明的发酵方法采用一种或多种微生物制备一种或多种VOC。在本申请中，术语″微生物″和″生物″可交换使用。适用于通过发酵生产VOC的生物的类型包括细菌、蓝藻、酵母和丝状真菌。优选的生物的实例是醋杆菌属(Acetobacter)、产碱菌属(Alcaligenes)、节杆菌属(Arthrobacter)、杆菌(Bacillus)、短杆菌属(Brevibacterium)、假丝菌母(Candida)、梭菌(Clostridium)、棒状杆菌(Corynebacterium)、肠球菌(Enterococcus)、欧文氏菌属(Erwinia)、埃希氏菌属(Escherichia)、黄质菌属(Flavobacterium)、葡萄糖酸菌属(Gluconobacter)、汉逊酵母属(Hansenula)、克雷伯氏菌属(Klebsiella)、乳酸杆菌(Lactobacillus)、甲基杆菌属(Methylobacterium)、微球菌(Micrococcus)、分支杆菌属(Mycobacterium)、诺卡氏菌属(Nocardia)、毕赤氏芽孢杆菌属(Paenibacillus Pichia)、假细胞菌(Pseudomonas)、红球菌属(Rhodococcus)、酵母属(Saccharomyces)、沙门氏菌属(Salmonella)、热厌氧菌属(Thermoanaerobacter)、黄色杆菌属(Xanthobacter)和发酵单胞菌属(Zymomonas)。通过发酵生产1-丁醇的更优选生物是梭菌(Clostridium)，还更优选的是丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)或拜氏梭菌(Clostridium beijerinckii)。通过发酵生产乙醇的更优选生物是克雷伯氏菌属(Klebsiella)、酵母属(Saccharomyces)或发酵单胞菌属(Zymomonas)。
生物可以基于各种标准被选择用于本发明方法，所述标准包括：1)在通过发酵生产所需的VOC产物的生物中的生物合成机(biosyntheticmachinery)的可获得性；2)特定生物快速利用适宜的养分碳源例如碳水化合物、甘油或源自植物的油的能力；和3)生物对由该生物产生的一种或多种VOC的生长耐受性。在发酵液中的梭菌(Clostridium)的某些物种能够利用淀粉作为原料产生丙酮、丁醇和乙醇的VOC混合物，并且能够忍耐高达约2.0重量％的VOC总水平，即，按100mL发酵液计为2.0g VOC的总量(重量/体积)。
在描述本发明时，为了方便起见，当提到发酵液中的一种或多种VOC的″时间平均浓度″时，在本文中有时使用较短的术语″浓度″。
术语″养分给料″是指干养分或者包括干养分的流、溶液或悬浮物。
短语是指″流体连通″是指参与或者可用于接收或者输送气流(例如，蒸气)、液流或者两者。在本发明设备或工艺的任何两个元件(例如，单元或部件)之间的流体连通可以是直接的(例如，经由两个元件之间的直接连接或经由提供两个元件之间的直接连接的流体导管(例如，管道、软管和导管)，或者间接的(例如，经由被顺序插入在两个连通元件之间的一个或多个中间元件)。选择性流体连通是指流体连通或者准备用于流体连通(例如，通过打开阀门)。如果单元、部件或元件中的两个与共同的第三单元、部件或元件流体连通，则两个单元、部件或元件相互流体连通。在本文中被描述为流体连通(直接或间接)的任何单元、部件和元件也处于操作连接之中，除非另外指出。流体连通是作为通常无泄漏的连接(少于5重量％的泄漏量)，优选作为基本上无泄漏的连接(少于1重量％的泄漏量)，更优选作为无泄漏的连接(少于0.001重量％的泄漏量)。
术语″操作连接(operative connection)″是指直接或间接(即，经由如上所述的一个或多个中间元件)和功能性(即，可以为了预期目的而操作)的连接。选择性操作连接是指操作连接或者准备用于操作连接。容器的孔被操作连接至另一个容器的孔(即，在其孔处相互操作连接的容器)是指至少操作连接至孔的表面；至少操作连接至孔附近和周围的容器外表面；至少操作连接至孔附近和周围的容器内表面；或者它们的任何组合。操作连接至孔、入口和出口或相反的许多的方式是已知的，并且在本文中是可考虑的。
术语″操作接触(operatively contacted)″是指直接或间接的和功能性的接触，例如，交叉通过润滑的轴承并且可操作以在轴承中基本上自由地旋转或者向后和向前移动(例如，在垂直定向的轴承中的向上和向下的方向)的轴，所述轴承引导该轴以将该轴保持在适宜的定向上(例如，垂直)。
发酵罐单元200和VSS单元的相对布置(例如，图1的10或图2的100)
在第一实施方案的本发明设备中，发酵罐单元200和VSS单元(例如，图1的10或图2的100)可以彼此处于垂直、水平或中间(例如，对角线)空间排列的形式。发酵罐单元200和VSS单元(例如，图1的10或图2的100)可以彼此隔开或者彼此接触。在垂直排列中，发酵罐单元200的发酵罐容器(例如，标准发酵罐容器211(未显示)或再沸发酵罐容器222(未显示))被大致布置在VSS单元(例如，图1的10或图2的100)的汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)的上方，或者至少相对于汽提塔容器被升高。因此，发酵罐容器(例如，211和222)的第一流体孔271(未显示)可以位于发酵罐容器(例如，211和222)的底部234，而汽提塔容器(例如，图1的78或图2的178)的第三流体孔(例如，132)位于VSS单元(例如，图1的10或图2的100)的汽提塔容器(例如，图1的78或图2的178)的顶部54或175。
然而，优选地，发酵罐单元200和VSS单元(例如，图1的10或图2的100)彼此处于大体上水平的排列的形式。在水平排列中，发酵罐单元200的发酵罐容器(例如，211和222)可以被布置成与VSS单元(例如，图1的10或图2的100)的汽提塔容器(例如，图1的78或图2的178)隔开或者大致相邻。因此，第一流体孔271(未显示)和图1的第三流体孔33(未显示)可以分别位于发酵罐容器(例如，211和222)的侧部230(未显示)，以及汽提塔容器(例如，图1的78或图2的178)的侧部30和130(未显示)。
在本发明设备中的发酵罐容器(例如，标准发酵罐容器211(未显示)或再沸发酵罐容器222(未显示))和汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)的任何排列中，如本文中所述，第一流体孔(例如，271)和第三流体孔(例如，33和132)彼此流体连通。当需要时，可以将一个或多个阀17布置在发酵罐容器(例如，211和222)、汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)中或者发酵罐容器(例如，211和222)和汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)之间，或者它们的任何组合，以停止、开始或者控制来自或者到达发酵罐容器(例如，211和222)、汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)、膜容器811(如果有的话)，或者来自或到达本发明设备的任何其它部件的发酵液的流动。
通常，容器中的气体孔和蒸气孔优选存在于容器的上部的表面中。用于接收进入容器的液体的流体孔优选存在于容器的侧部或上部的表面中。用于输送来自容器的液体的流体孔优选存在于容器的侧部或下部的表面中。
发酵罐单元200
如本文中所述，第一实施方案的本发明设备的发酵罐单元200包括发酵罐容器(例如，标准发酵罐容器211(未显示)或再沸发酵罐容器222(未显示))。标准发酵罐容器是指在大气压下操作的发酵罐容器，而再沸发酵罐容器是指在低于大气压的压力下操作的发酵罐容器。发酵罐单元200还可以包括其它部件，例如，用于搅拌液体的装置950、超滤膜822、配件218、表219、阀217、传感器216、热交换器214和加热元件213以及冷却元件212(全都未显示)。如本文中所述，发酵罐容器(例如，211和222，未显示)限定了至少两个孔(例如，271和272)。
发酵液在发酵罐容器(例如，标准发酵罐容器211(未显示)或再沸发酵罐容器222(未显示))中可以被加热和/或搅拌，或者可以不被加热和/或搅拌。优选地，发酵液在发酵罐容器(例如，211和222)中被加热或者搅拌，更优选被加热和搅拌。发酵液可以通过将加热元件(例如，213)或热交换器(例如，214)或者两者浸渍在其中而被加热。发酵液或澄清液体通过例如搅拌电动机(例如，225)、轴(例如，229)和叶轮组件(例如，228)搅拌，或者通过将惰性气体鼓泡使其进入发酵罐容器(例如，211和222)封闭的容积空间的底部(例如，234)而搅拌。
在发酵罐单元200中，优选标准发酵罐容器211或再沸发酵罐容器222，也称为蒸汽汽提发酵罐容器。可用于本发明的发酵罐容器可获自许多供应商，例如，New Brunswick Scientific Company，Inc.，Edison，新泽西，美国。
本发明方法的发酵是采用熟知的方法进行的。例如，首先将发酵罐容器(例如，标准发酵罐容器211(未显示)或再沸发酵罐容器222(未显示))高压灭菌或者原位消毒，然后用养分给料，例如，一批含有葡萄糖或另一种可吸收的碳水化合物如淀粉或玉米浸渍液的营养培养基，填充所得到的消毒发酵罐容器(例如，211和222)。优选地，将养分给料以进料-分批或连续的方式加入到发酵罐容器(例如，211和222)中。采用所需生物的移动细胞的接种物将该批接种。可以将其它添加剂例如消泡剂加入到所述发酵液中以控制起泡。超滤膜822(未显示)可以任选地被设置在发酵罐容器(例如，211和222)中，以提高发酵液中的细胞的浓度。
优选地，将氮吹扫气流通常吹扫通过再沸发酵罐容器222(未显示)的顶部空间，直至培养物开始生产其自己的气体(CO2和H2)。在该点，可以分别通过周期性或者连续地将含有碳水化合物和养分的养分给料流添加至再沸发酵罐容器222中的发酵液，将所得到的分批法转变成进料-分批或连续法。随后，开始来自再沸发酵罐容器222的放出溶液(即，发酵液的液体部分)的流动以保持再沸发酵罐容器222中的恒定液面，并且清除不想要的杂质如非挥发性有机酸和生物新陈代谢的其它副产物，否则，杂质将随时间累积在再沸发酵罐容器222中。细胞留在再沸发酵罐容器222中，而发酵液的液体部分被周转(turn over)。
真空侧线汽提塔(VSS)单元
在本发明设备和方法中，使用VSS单元(例如，图1的10或图2的100)从发酵液中移除一种或多种VOC。VSS单元(例如，图1的10或图2的100)是水平多室蒸馏单元，其通过经由汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)的气体孔(例如，45和145，未示出)注入来自汽提气体源(例如，11和111(未显示))的惰性气体(例如，氮)，在低于大气压的压力，并且优选在升高的温度(即，高于室温)以及在非沸腾条件下汽提侧流。
通常，VSS单元(例如，图1的10或图2的100)包括：汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)，其是具有通过隔板(例如，76和176)或挡板(未显示)分开的内部汽提塔隔室(例如，81-83和181-185)的水平塔，所述隔板或挡板被设计为控制穿过VSS单元(例如，图1的10或图2的100)的液体和蒸气的逆流流动。在第一实施方案的一个方面中，本发明设备还包括第二VSS单元(例如，另一个图1的10或图2的100)，第二VSS单元(例如，另一个图1的10或图2的100)独立地具有第二汽提塔容器的封闭的容积空间，所述第二汽提塔容器相继操作连接至(主)VSS单元(例如，图1的10或图2的100)的汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)的汽提塔容器的封闭的容积空间，以及第一实施方案的发酵罐单元200(未显示)的发酵罐容器(例如，标准发酵罐容器211(未显示)或再沸发酵罐容器222(未显示))的封闭的容积空间，并且与它们流体连通。具有3个以上这样独立VSS单元的本发明设备也在考虑之列，其中3个以上的VSS单元可以并联或串联操作连接至发酵罐单元200，并且与其流体连通。
VSS单元(例如，图1的10或图2的100)还可以包括如上所述用于发酵罐单元200(未显示)的其它部件，例如，配件218、阀217、表219、传感器216、热交换器214、加热元件213以及冷却元件212(全都未显示)。如本文中所述，汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)限定了孔(例如，132和141)，所述孔可以被设置在汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)中，以彼此接近或远离，或者它们的任何组合。在汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)中的孔(例如，132和141)提供到汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)的内部(例如，57和156)的通道，用于添加和移除汽提塔容器(例如，图1的78或图2的178)的内容物，以及将本发明设备的其它部件和支撑结构(未显示)连接至汽提塔容器(例如，图1的78或图2的178)。汽提塔容器内容物的实例与对上面发酵罐容器内容物所述相同。
搅拌型和循环型VSS单元(例如，图1的10或图2的100)是用于从发酵液汽提一种或多种VOC的有价值装置。因此，本发明的另一个实施方案是一种设备，所述设备包括如本文中所述的VSS单元(例如，图1的10或图2的100)。
在汽提塔容器(例如，图1的78或图2的178)中具有设置在其中的3个以上的汽提塔隔室(例如，81至83和181至185)的情况下，即，在有一个或多个中间汽提塔隔室(例如，82和182-184)时，3个以上的汽提塔隔室可以处于线性或非线性(例如，垂直)排列的形式。
垂直隔离构件(例如，76和176)可以包括汽提塔容器的联合部分(例如，采用汽提塔容器本身向内突出的水平部分形成的汽提塔容器)。垂直隔离构件(例如，76和176)可以被悬置在汽提塔容器中内部，但是不接触汽提塔容器(例如，在大体上水平的杆97(未显示)上，所述杆97横穿垂直隔离构件(例如，76和176)的每一个中的中心孔98，并且大体上跨越其近端90和远端89(未显示)之间的汽提塔容器的长度)。
优选地，VSS单元(例如，图1的10或图2的100)包括至少一个用于使液体与蒸气接触的装置900，所述用于使液体与蒸气接触的装置900与VSS单元(例如，图1的10或图2的100)的汽提塔容器(例如，图1的78或图2的178)在汽提塔容器(例如，图1的78或图2的178)的第一搅拌孔(未示出)处操作接触，并且与汽提塔隔室内部流体连通。更优选地，VSS单元(例如，图1的10或图2的100)包括用于每一个汽提塔隔室(例如，81-83和181-185)的使液体与蒸气接触的装置900，和进一步限定搅拌孔35至37和150至154/135-139(未示出)使得有用于各个汽提塔隔室(例如，81-83和181-185)的至少一个搅拌孔的汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)，各个使液体与蒸气接触的装置900在不同的搅拌孔35至37和150至154/135-139处操作接触至汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)，并且与不同的汽提塔隔室内部(未示出)流体连通。
当将液体(例如，发酵液或由其得到的澄清液体)添加到VSS单元(例如，图1的10或图2的100)的汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)的一个汽提塔隔室(例如，81-83和181-185)中时，液体通常将经由液体通行导管(例如，94和194)、液体通行孔4或其任何组合以流体连通的形式流动至汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)的其它汽提塔隔室。液体将这样环流、流经或者环流并且流经分开汽提塔隔室的垂直隔离构件(例如，76和176)。
在其中设置有液体的任何特定汽提塔隔室(例如，81-83和181-185)中，优选存在液体空间(即，液体所在的空间)和液体空间上面的顶部空间(容纳有气体、蒸气或两者，并且在液体的搅拌或者循环过程中，液滴或者飞溅物)。液体空间彼此相继液体连通，并且顶部空间彼此相继气体/蒸气连通。
汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)中的汽提塔隔室(例如，81-83和181-185)可以具有相同或者不同的体积，或者它们的组合。优选地，汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)的汽提塔隔室(例如，81-83和181-185)具有大体上相同的体积。
根据具体的发酵方法(例如，具体生物及其对产物抑制作用的敏感度)，可以在发酵罐容器(例如，标准发酵罐容器211(未显示)或再沸发酵罐容器222(未显示))或汽提塔容器(例如，图1的78或图2的178)中的发酵液的一种或多种VOC的任何时间平均总浓度开始汽提操作。
为了说明，使用VSS单元10的汽提操作包括：搅拌(液体)操作、真空操作、气体汽提操作、加热操作或者它们的任何组合。优选地，VSS单元10的汽提操作包括搅拌、真空、气体汽提和加热操作。
在VSS单元10的搅拌操作过程中，优选地，将发酵液或由其得到的澄清液体在汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)的至少一个汽提塔隔室(例如，81-83和181-185)，更优选每一个汽提塔隔室(例如，81-83和181-185)中搅拌或者循环至其顶部空间中的喷嘴。
在VSS单元10的真空操作中，来自真空源5的真空可以从发酵罐容器(例如，211和222)，连续地吸引发酵液流或由其得到的澄清液体，通过第一流体孔(例如，271)、第三流体孔(例如，132)并进入汽提塔容器(例如，图1的78或图2的178)的第二内部的至少一个汽提塔隔室(例如，81-83和181-185)。
在VSS单元10或100的汽提气体注入操作过程中，汽提塔容器(例如，图1的78或图2的178)的气体孔(例如，45和145)操作连接至汽提气源(例如，11和111，未显示)，例如，发酵废气如CO2和H2的气源和/或氮或氩惰性气体源)。气体孔(例如，45和145)和蒸气孔(例如，46(未示出)和141)可以在汽提塔容器(例如，图1的78或图2的178)中彼此接近或者远离。优选地，气体孔(例如，45和145，两者均未示出)与远端汽提塔隔室(例如，83和185)直接流体连通，而蒸气孔(例如，46和141)与汽提塔容器(例如，图1的78或图2的178)的内部(例如，57和156)的近端汽提塔隔室(例如，81和181)直接流体连通，以产生来自汽提气源(例如，11和111)、通过各个汽提塔隔室(例如，81-83和181-185)，并且从蒸气孔(例如，46和141)出来的注入汽提气体的连续流。备选地，这样的连续流可以由接近蒸气孔(例如，46和141)的气体孔(例如，45和145)，通过从气体孔(例如，45和145)注入来自汽提气体源(例如，11和111)的汽提气体，经由汽提塔容器内部(例如，57和156)并且进入远端汽提塔隔室(例如，83和185)而产生，其中注入的汽提气体被释放，并且连续地流动至蒸气孔(例如，46和141)。
在VSS单元10的加热操作过程中，起动被浸渍在汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)中或在其下面操作连接的加热元件213或热交换器214。
在VSS单元10的汽提操作过程中，在汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)中这样汽提发酵液或澄清液体，以产生包含水蒸气(如前所述，发酵液或澄清液体是水性的)和至少一种VOC的蒸气的湿VOC蒸气(未显示)。这样的湿VOC蒸气从汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)流过蒸气孔(例如46(未示出)，和141)。
优选地，VSS单元10的汽提操作包括搅拌、真空、汽提气体注入或加热操作或者它们的任何组合。更优选地，VSS单元10的汽提操作包括搅拌、真空、汽提气体注入和加热操作。
与常规的填料塔或板式塔汽提塔(未显示)相比，VSS单元(例如，图1的10或图2的100)更不易于被发酵液固体(例如，生物的细胞的生物质)积垢。VSS单元(例如，图1的10或图2的100)中的汽提温度无需被保持低于生物可以忍受的最高温度，条件是返回到发酵罐容器(例如，标准发酵罐容器211(未显示)或再沸发酵罐容器222(未显示))的汽提液体的温度优选没有热到足以显著地杀死(即，每天大于10％的杀灭率)发酵罐容器(例如，211和222)中的发酵液中的生物的细胞。如本文中所述，汽提温度可以根据需要使用热交换器214进行控制，以在本发明进行时提高能量效率。
优选地，将逆流的气体相和液体相在汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)的各个汽提塔隔室(例如，81-83和181-185)中接触或者混合，以促进汽提过程。例如，注入的惰性气体通过在从汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)的远端汽提塔隔室(例如，83和185)，相继穿过任何一个中间汽提塔隔室(例如，82和182-184)至近端汽提塔隔室(例如，81和181)并且从汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)中的蒸气孔(例如，46(未显示)和141)的方向上流动而夹带VOC，蒸气孔(例如，46和141)与近端汽提塔隔室(例如，81和181)流体连通。同时，将发酵液或由其得到的澄清液体的进料供给至近端汽提塔隔室(81和181)中，并且在与惰性气体流的方向相反的方向上流动，相继通过任何一个中间汽提塔隔室(例如，82和182-184)直至远端汽提塔隔室(例如，83和185)，并且从汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)中的另一个流体孔(例如，34和134，两者均未显示)出来，另一个流体孔(例如，34和134)与远端汽提塔隔室(例如，83和185)，并且优选与发酵罐单元200的发酵罐容器(例如，标准发酵罐容器211(未显示)或再沸发酵罐容器222(未显示))中的发酵液流体连通。
可以通过如稍后所述的用于使液体与蒸气接触的装置900，将逆流的气体相和液体相在各个汽提塔隔室(例如，81-83和181-185)中接触或者混合。通常，采用VSS单元(例如，图1的10或图2的100)中的3至10个汽提塔隔室(例如，81-83和181-185)获得令人满意的汽提性能。VSS单元(例如，图1的10或图2的100)不同于Markels和Drew[″水平分馏装置(AHorizontal Fractionating Device)″ Ind.Eng.Chem.，第51卷，第619-624页(1959)]所述的水平蒸馏塔的类型，原因是与Markel和Drew设计不同的是，VSS单元(例如，图1的10或图2的100)至少在汽提塔隔室(例如，81-83和181-185)的液体空间(例如，在图2中由汽提塔容器178的内部(未示出)的下半部灰色背景部分所示)内部不含填充材料，优选地在汽提塔隔室的液体空间和顶部空间(例如，在图2中由汽提塔容器178的内部(未示出)的上半部白色背景部分所示)内部不含显著量的填充材料(即，优选各个汽提塔隔室不含显著量，即占据大于汽提塔隔室体积的5％的填充材料)，更优选在汽提塔隔室的液体空间和顶部空间内部不含任何量的填充材料(即，优选各个汽提塔隔室不含任何量，即汽提塔隔室体积的约0％的填充材料)。VSS单元(例如，图1中的10和图2中的100)实际上消除了由于填充材料被发酵液固体堵住而使内部积垢的可能性。
可以调节进入VSS单元(例如，图1的10或图2的100)的汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)的汽提气体的量，以允许在高于微生物可以忍受的最低压力的压力下并且在低于微生物可以忍受的最高温度的温度下操作VSS单元(例如，图1的10或图2的100)。这些仅仅是最低压力极限的估计。实际的最低压力极限将取决于生物的类型。例如，与革兰式阳性菌生物相比，革兰式阴性菌生物更不能忍耐压力的突降。这是因为革兰式阳性微生物具有更厚的细胞壁。梭菌生物是革兰式阳性的孢子形成生物，并且比大多数革兰式阴性生物例如ABE发酵中的E.coli更强壮。
优选地，汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)和发酵罐容器(例如，标准发酵罐容器211(未显示)或再沸发酵罐容器222(未显示))各自还限定返回流体孔(例如，34和134，两者均未显示)，所述汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)在汽提塔容器返回流体孔(例如，34和134)处与发酵罐容器(例如211和222)在发酵罐容器返回流体孔(例如，264，未显示)处，例如通过返回管线(例如，32和263，未显示)进一步操作连接，并且流体连通。
技术人员应知道，一个或多个附加单元和部件可以被布置在本发明第一实施方案的设备以及第二实施方案的方法中，以实现某些进一步处理的操作。下面描述这样的附加单元和部件的实例。
附加部件
在一些实施方案中，本发明的设备还包括选自以下的一种或多种附加部件等：鼓风机；第一真空泵/压缩机；第二真空泵/压缩机；蒸气/液体冷凝器；倾析器；液-液萃取器；用于将至少一种挥发性有机化合物与水分离的装置(分离用装置)；间壁蒸馏塔(DWC)单元；超滤膜；以及膜容器，其中鼓风机、第一真空泵/压缩机、第二真空泵/压缩机、蒸气/液体冷凝器、倾析器、液-液萃取器、分离用装置和DWC单元独立地与汽提塔容器的蒸气孔操作连接，并且流体连通；所述超滤膜被设置在膜容器内，或者膜容器不存在，并且所述超滤膜被设置在发酵罐容器内部；所述膜容器与发酵罐容器的第一流体孔和汽提塔容器的第三流体孔操作连接并且流体连通；流体连通是在发酵罐容器、汽提塔容器和一种或多种附加部件之间建立的。在一种优选实施方案中，用于分离至少一种挥发性有机化合物与水的装包括变压吸附(PSA)单元。
在另一个优选实施方案中，一种或多种附加部件包括PSA单元以及DWC单元，汽提塔容器的蒸气孔与PSA单元和DWC单元相继操作连接并且流体连通。
在另一个优选实施方案中，该设备还包括超滤膜。
在另一个优选实施方案中，该设备还包括第一真空泵/压缩机、第二真空泵/压缩机、蒸气/液体冷凝器、倾析器、PSA单元和DWC单元，汽提塔容器的蒸气孔与第一真空泵/压缩机、第二真空泵/压缩机、蒸气/液体冷凝器、倾析器、PSA单元和DWC单元相继操作连接并且流体连通。
在另一个优选实施方案中，汽提塔容器和发酵罐容器各自进一步限定返回流体孔，汽提塔容器的返回流体孔与发酵罐容器的返回流体孔操作连接并且流体连通。
用于将至少一种挥发性有机化合物与水分离的装置的实例是PSA单元400(未显示)；常规的吸附剂单元401(未显示)，其中将至少一个水吸附剂(例如，硅胶或沸石例如3分子筛)床用于从一种或多种湿VOC中吸收水，并且产生一种或多种基本上干的VOC的液流；以及使用通常称为夹带剂的有机共沸干燥剂(例如，甲苯或乙酸乙酯)的常规共沸蒸馏单元402(未显示)。
PSA单元400
优选地，用于将一种或多种VOC与水分离的装置是一个或多个PSA单元400(未显示)。PSA单元400和PSA循环是已知的，并且在Ralph T.Yang的“通过吸附方法分离气体(Gas Separation by Adsorption Processes)”，World Scientific Publishing Company，Pte.Ltd.，新加坡(USA办事处RiverEdge，新泽西)，1997中有描述。对于本发明，PSA单元400包括蒸发器子单元444(未显示)和分离子单元445(未显示)，每一个子单元具有流体入口和流体出口。
DWC单元500
DWC单元500(未显示)在Don W.Green和Robert H.Perry的Perry′sChemical Engineers′Handbook，第8版，2007，McGraw-Hill Professional，纽约，纽约，USA中有描述。DWC单元可用于将混合物形式的两种以上VOC相互分离，优选其中两种以上VOC的混合物基本上是干燥的。当在本发明方法中生产四种以上的VOC时，可以容易地安置一系列的两个以上的常规蒸馏塔、DWC单元500或者它们的任何组合，以将四种以上的VOC相互分离。
双功能塔300
本发明设备和方法还可以包括双功能塔300(未显示)。在本发明设备和方法中的双功能塔300至少起着两个目的的作用：1)浓缩离开发酵罐容器(例如，再沸发酵罐容器222(未显示))或汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)的VOC蒸气；以及2)由从倾析器650被供给至双功能塔的水层中，在水层例如返回至发酵罐容器(例如，222，未显示)或被输送至废物中之前汽提VOC。双功能塔300可以填充有常规的蒸馏填料、规整蒸馏填料，或者它可以具有被设置在其中的蒸馏塔板。双功能塔可以具有可以起着除雾器功能的顶部。
超滤膜822和超滤膜单元800
超滤膜822(未显示)是能耐高压加热或者原位杀菌的常规膜组件，例如，空心纤维膜组件或者平板膜组件的组装件。优选将超滤膜822在开始发酵处理之前杀菌，并且监控其在发酵处理过程中积垢的可能性。这种可用于本发明的膜组件的实例是由通用电气的子公司Zenon生产的空心纤维膜组件。Yang，Cicek和Ilg[″膜生物反应器的当前技术发展水平：在全世界的研究和在北美的商业应用(State-of-the-Art of Membrane Bioreactors：Worldwide Research and Commercial Applications in North America)″ J.Membr.Sci，第270卷，第201-211页(2006)]描述了用于水过滤的超滤膜在生物反应器操作中的应用的总体方面，并且这些对于本发明设备和方法是可考虑的。
本发明设备和方法还可以任选地包括超滤膜822(未显示)等，超滤膜822可以被布置在发酵罐容器(例如，标准发酵罐容器211(未显示)或再沸发酵罐容器222(未显示))内或在包括超滤膜单元800(未显示)的膜容器811(未显示)中。这种膜容器811限定至少两个孔，即进料流体孔837和放出流体孔838，以及优选限定第三孔，即真空孔839(全都未显示)。膜容器811，如别处所述，被安插在发酵罐容器(例如，211和222)和VSS单元(例如，图1的10或图2的100)的汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)之间，并且与它们操作连接和流体连通。
机械蒸气再压缩
两个连续连接的真空泵/压缩机370和380(两者均未显示)的操作通称为机械蒸气再压缩，并且它起着提高(沸腾)发酵过程的能量效率的作用。备选地，可以在单个真空泵/压缩机370中将来自VSS单元(例如，图1的10或图2的100)的汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)、双功能塔300(未显示)或再沸发酵罐容器222(未显示)的塔顶馏出物蒸气压缩至大气压。
用于使液体与蒸气接触的装置900
用于使液体与蒸气接触的装置900(未显示)是用于搅拌液体的装置950(未显示)，或者用于循环液体的装置960(未显示)。用于搅拌液体的装置950是指在发酵罐单元200(未显示)的发酵罐容器(例如，标准发酵罐容器211(未显示)或再沸发酵罐容器222(未显示))、或者VSS单元(例如，图1的10或图2的100)的汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)的封闭的容积空间的汽提塔隔室(例如，81至83和181至185)中用于搅拌、爆沸或者另外移动液体的设备。优选的用于搅拌液体的装置950是常规的搅拌电动机(例如，25)、搅拌组件27的搅拌轴(例如，29)和叶轮(例如，28)。优选的用于循环液体的装置950是图2中所示的流体导管(例如，164、166和163)、液体泵(例如，165)和喷嘴(例如，162)组件。适合的液体泵(例如，165)的实例是由Discflo Corporation Inc.，Santee，California，USA生产的盘型泵和剪切力降低型凹入式叶轮离心泵，如由Durco International Inc.，Flowserve Corporation，Irving，得克萨斯，美国生产的那些)。
总的发酵工艺
本发明设备和方法将发酵工艺条件与汽提塔工艺条件分开，从而允许在它们相应的最有效条件下操作发酵和汽提。更具体地，本发明设备和方法允许在大气压下操作发酵罐容器(例如，标准发酵罐容器211，未显示)(从而避免了在低于大气压的压力下操作大的发酵罐容器的难题，包括对昂贵的容器构造的要求，以及空气渗入和由存在于外部环境中的竞争微生物所致的发酵液污染的可能性)，同时允许在为了良好的汽提性能而最优化的不同压力和温度下操作VSS单元(例如，图1的10或图2的100)，而不导致对发酵液的微生物损害。
可以调节进入汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)的汽提气体的注入，以将汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)中的压力可控地保持高于最低压力，该最低压力可能在来自发酵罐容器(例如，标准发酵罐容器211(未显示)或再沸发酵罐容器222(未显示))的发酵液流中，导致由进入汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)的微生物所经历的压力突变引起的细胞损害。同时，可以将温度可控地保持在特定微生物可以忍受的最高温度(通常为35℃)以下。因此，在高于最低压力并且低于微生物可以忍受的最高温度的最有效条件下操作VSS单元(例如，图1的10或图2的100)。如果没有汽提气体注入到VSS单元(例如，图1的10或图2的100)的汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)中，则优选将VSS单元(例如，图1的10或图2的100)在汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)中给定的操作压力下发酵液的沸腾条件下操作。
与大气压气体汽提操作相比，VSS单元(例如，图1的10或图2的100)的低于大气压的压力操作允许采用更少的汽提气体以及提高汽提有效性。对于气体汽提，由水蒸气压除以总压的比率转换相对挥发度驱动力的有效性。因此，在汽提性能方面，在低于大气压的压力下操作VSS单元(例如，图1的10或图2的100)比在大气压下操作VSS单元(例如，图1的10或图2的100)更有效。
在类似的工艺条件下，与在发酵罐容器(例如211和222)和常规的填料塔1001(未显示)或塔板式汽提塔1002(未显示)之间可以预见的相比，前述的VSS单元(例如，图1的10或图2的100)的汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)的水平多室设计在发酵罐容器(例如，标准发酵罐容器211(未显示)或再沸发酵罐容器222(未显示))和汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)之间提供低得多的蒸气流通压降。
水平多室设计还便于使用鼓风机350(未显示)注入汽提气体，所述鼓风机350与汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)的蒸气孔(例如，46，未显示，以及141)操作连接并且流体连通。当汽提气体在其穿过汽提塔容器(例如，图1的78或图2的178)的途中无需克服显著压降时，鼓风机350产生很低的压头。这允许使用具有最低能耗的廉价鼓风机350。
与常规的填料塔1001和板式塔1002侧线汽提塔设计相比，水平多室汽提塔容器设计还对积垢具有抵抗力。在传质性能显著地受到负面影响之前，VSS单元(例如，图1的10或图2的100)的汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)可以忍耐内表面(例如，62和61)上累积多得多的生物质沉积物。
当将超滤膜822(未显示)布置在本发明设备和方法中时，优选地，在发酵罐容器(例如，标准发酵罐容器211(未显示)或再沸发酵罐容器222(未显示))或膜容器811(未显示)中的发酵液内的生物细胞的浓度没有显著的增加(例如，显著增加是指20％以上的增量)的情况下操作超滤膜822，以将超滤膜822的积垢最小化。优选地，为了避免由压力突变引起的生物损害的可能性，将生物细胞限制在发酵罐容器(例如，211和222)或膜容器811内，并将发酵罐容器(例如，211和222)或膜容器811内的压力保持在生物忍耐的最低压力以上(例如，对于拜氏梭菌为约0.8个大气压以上)。更优选地，在以下细胞浓度下操作超滤膜822，即，其中设置有超滤膜822的发酵罐容器(例如，标准发酵罐容器211(未显示)或再沸发酵罐容器222(未显示))中或者在膜容器811中的发酵液中的细胞浓度在10g/L至80g/L的范围内，优选在20g/L至50g/L的范围内。
因为由发酵液得到的澄清液体不含或仅含有少部分生物细胞，因此在汽提过程中汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)中的澄清液体的温度可以高于生物可以忍耐(即，保持存活)的最高温度。可以将汽提的澄清液体返回到发酵罐容器(例如，标准发酵罐容器211(未显示)或再沸发酵罐容器222(未显示))或者输送至废物中。返回至发酵罐容器(例如，211和222)的澄清液体优选进入发酵罐容器(例如，211和222)，并且在对于生物而言不是过热的温度，即在不杀死超过10％生物细胞的温度下接触发酵罐容器(例如，211和222)中的残留发酵液。
一些发酵工艺将产生包含水和一种或多种水混溶性VOC(例如，乙醇，2-丙醇，1，3-戊二醇，1，4-丁二醇和丙酮)的水性混合物。水混溶性VOC是在没有另一种较小水混溶性VOC或溶解于水中的无机溶质的情况下完全混溶于水的VOC。因此，用于使湿VOC液体混合物相分离为有机液体层和水性液体层(未显示)的装置777(用于引起相分离的装置777)，其中用于引起相分离的装置777至少与可以包含于例如倾析器650中的水性混合物流体连通。用于引起相分离的装置的实例是将无机盐(未显示)(例如，NaCl)溶解在水性混合物中以降低水中的水混溶性VOC的溶解度和液-液萃取塔700(未显示)，其在倾析器650(未显示)之前还任选地使用管线内液-液混合器709(未显示)。
尽管可以将各种常规的汽提备选方法(例如，使用膜的全蒸发以及使用液-液萃取)用于从发酵液移除一种或多种VOC，但是采用第一实施方案的本发明设备的VSS单元(例如，图1的10或图2的100)的汽提是优良的。例如，可以使用常规的填料塔1001或板式塔1002侧线汽提塔代替VSS单元(例如，图1的10或图2的100)实施气体注入。然而，可以在大气压下使用汽提气体(例如，氮气)，或在低于大气压的压力下和沸腾条件下，但是不采用汽提气体的情况下，操作常规的填料塔1001或板式塔1002侧线汽提塔。不能在低于大气压的压力和非沸腾条件下采用汽提气体操作常规的填料塔1001或板式塔1002侧线汽提塔。相反，可以在低于大气压的压力和非沸腾条件下采用汽提气体操作图1和2中所示的VSS单元(例如，10和100)，从而实现了使用常规的填料或板式塔侧线汽提塔不能获得的显著优点。
本发明设备和方法可以与生产一种或多种VOC的任何发酵方法一起使用。下面与ABE发酵方法相关地进一步说明了第二实施方案的本发明方法。
采用丙酮-(1-丁醇)-乙醇(ABE)发酵说明
对于在使用作为生物的拜氏梭菌和标准发酵罐容器(例如，211，未显示)的典型ABE发酵液中生产1-丁醇，优选一个或多个下列操作参数：
约1.2重量％的全部VOC的最大浓度，即，按100mL发酵液计，全部VOC(即，1-丁醇的重量+乙醇重量+丙酮重量+其它VOC的重量(如果有的话))最大为1.2g；
每小时每升发酵液所产生的约0.5g至约4g丁醇的商业适宜的范围内的生物生产率；
当标准发酵罐容器(例如，211)中的发酵液中一种或多种VOC的时间平均总浓度是按100mL发酵液计为至少0.1g的至少一种VOC的总重量(即，至少0.1重量百分比(重量％))；更优选0.1重量％至2.0重量％；还更优选约0.3重量％至0.4重量％时，开始汽提；
当标准发酵罐容器(例如，211，未显示)中的发酵液中总VOC浓度达到约1.0重量％的水平或优选约1.0重量％时，将ABE发酵液流从标准发酵罐容器(例如211)泵送至VSS单元(例如，图1的10或图2的100)的汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)，并且任选地，将ABE发酵液泵送回到标准发酵罐容器(例如211)；
调节汽提气体流量以控制汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)、标准发酵罐容器(例如211)或者两者中ABE发酵液的液相中的全部VOC(即1-丁醇+VOC副产物)的时间平均浓度，更优选在汽提过程中，将标准发酵罐容器(例如211)中的发酵液中的一种或多种VOC的时间平均总浓度保持在小于0.5重量％，更优选在0.8重量％至1.2重量％的范围内；
根据需要，通过控制进入标准发酵罐容器(例如211)的养分给料的流量，ABE发酵液从标准发酵罐容器(例如211)至废物中的放出，或者从标准发酵罐容器(例如211)至汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)的发酵液流，或者它们的任何组合，向上或向下调节标准发酵罐容器(例如211)中ABE发酵液的液面；类似地，根据需要，通过控制从标准发酵罐容器(例如211)进入汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)的发酵液流量，离开汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)并且返回到标准发酵罐容器(例如211)的汽提液的流量，离开汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)并且被输送至废物中的汽提液的流量，或者它们的任何组合，可以向上或向下调节汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)中的液面；
标准发酵罐容器(例如，211)中的ABE发酵液中的生物细胞的优选浓度是克/升(g/L)至120g/L，更优选40g/L至80g/L；
当在汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)中有未过滤的ABE发酵液时，在汽提塔容器(例如，图1的78和图2的178)中的未过滤的ABE发酵液被保持在20摄氏度(℃)至50℃，更优选在35℃的温度；
在约0.13atm至约0.46atm(即，约100mm Hg至350mm Hg)的压力下操作VSS单元(例如，图1的10或图2的100)；
当机械蒸气再压缩装置与汽提塔容器(分别为图1的78和图2的178)的蒸气孔46或141(未显示)操作连接时，第一真空泵/压缩机370(未显示)将塔顶馏出物蒸气的第二部分的压力从约0.053atm或0.066atm(即，约40或50mm Hg)增加至约0.16atm(即，约120mm Hg)，以产生部分压缩的湿VOC气体，并且第二真空泵/压缩机380(未显示)将压力从0.16atm增加至约1atm，以得到压缩的湿气；
将未过滤的ABE发酵液以按被设置在标准发酵罐容器(例如211)中的3790L的ABE发酵液计为7.6L/min(Lpm)至76Lpm的流量，或者以按3790L(即1000加仑)的发酵罐容器容量计在约11升发酵液/分钟(L/min)至38L/min(即，约3加仑/分钟(gal/min)至10gal/min)的范围内的流量，从标准发酵罐容器(例如211)的封闭的容积空间基本上连续地供给至汽提塔容器(例如图1的78和图2的178)的封闭的容积空间；当从汽提气源11(未显示)注入汽提气体时，注入以被注入汽提气体的可调流量进行，以保持0.066大气压至0.33大气压的汽提塔容器(例如图1的78和图2的178)的封闭的容积空间内的压力；
被注入的汽提气体的量在1.7千克汽提气体每升汽提塔进料(kg/L)至4.1kg/L(即，3磅/加仑(lb/gal)至7lb/gal)的范围内；以及
将蒸气/液体冷凝器600(未显示)保持在约-2℃或更高，优选在约-1℃至约2℃；和
在0.26atm(即，200mm Hg)的压力下操作ABE发酵中的VSS单元(例如，图1的10或图2的100)。
对于在使用作为生物的拜氏梭菌和再沸发酵罐容器(例如，222，未显示)的典型ABE发酵液中生产1-丁醇，优选一个或多个下列操作参数：
除下面指出以外，用于使用再沸发酵罐容器(例如，222，未显示)的ABE发酵的启动程序和操作参数与用于使用标准发酵罐容器211(未显示)的ABE发酵的启动程序和操作参数相同；一旦再沸发酵罐容器222中的ABE发酵液中的全部VOC的浓度达到约0.3重量％至约0.4重量％的水平时，再沸发酵罐容器222中的压力就逐渐降低直至一种或多种VOC开始沸腾；
一旦开始VOC的汽提，就调节汽提速率以将ABE发酵液中的全部VOC的浓度保持在约1.2重量％以下，并且在约0.5重量％以上；更优选在约0.8重量％的全部VOC；
用于VSS单元(例如，图1的10或图2的100)和蒸气/液体冷凝器600(未显示)的操作参数如上所述；
对于在再沸发酵罐容器222中的35℃ABE发酵液，在沸腾开始时的再沸发酵罐容器222中的压力对应约0.059atm至约0.066atm(即，约45mmHg至50mm Hg)；
没有氮吹扫或发酵气体(例如，CO2)再循环通过再沸发酵罐容器222；以及
可以将从第一真空泵/压缩机370(未显示)排出的部分压缩湿VOC气体的一部分供给通过再沸发酵罐容器222中的热交换器(例如，214，未显示)，以冷却部分压缩的湿VOC气体。
本发明设备和方法的操作可以使用模拟模型可靠地证明。通常，开发方法例如本发明方法的精确模拟模型是熟知的，并且在以下文献中被教导：流体相平衡的分子热动力学(Molecular Thermodynamics of Fluid-Phase Equilibria)，J.M.Prausnitz，R.N.Lichtenthaler和E.Gomez，第3版，Prentice-Hall，New York，1999；以及化学工艺的分析、合成和设计(Analysis， Synthesis，and Design of Chemical Processes)，R.Turton，R.C.Bailie，W.B.Whiting和J.A.Shaeiwitz，第2版，Prentice-Hall，New York，2002。本发明设备的一些实施方案包括DWC单元500(未显示)及其它单元。DWC单元500可以利用与用于标准蒸馏塔的模拟、设计和操作的已知技术类似的技术模拟、设计和操作。在本发明中使用这些已知的技术时，DWC单元500可以被加工为设置在单个壳体或塔中的互连蒸馏塔的组件，这在以下文献中有描述：Mutalib，Abdul和Smith[″间壁蒸馏塔的操作和控制，第1部分：自由度和动态模拟(Operation and Control of Dividing Wall DistillationColumns.Part 1：Degrees of Freedom and Dynamic Simulation)″Chem.Eng.Res.Des.，第76卷，第308-318页(1998)，以及″间壁蒸馏塔的操作和控制，第2部分：利用温度控制的模拟和中试研究(Operation and Control ofDividing Wall Distillation Columns.Part 2：Simulation and Pilot Plant StudiesUsing Temperature Control)″Chem.Eng.Res.Des.，第76卷，第319-334页(1998)]。
本发明设备的一些实施方案包括PSA单元400(未显示)及其它单元。PSA单元400是采用熟知的方法模拟的。PSA单元的操作循环基于利用两个容纳有适合的吸附剂的容器或填料床的熟知Skarstrom循环。如以上在Ralph T.Yang的通过“吸附方法分离气体”中所述，Skarstrom操作循环由以下组成：(1)床增压，(2)加压吸附，(3)减压逆流放空，以及减压反冲。每一个床都经过这4步。在一个床从进料流中在线吸附水的同时，另一个床利用干燥的有机产物流的一部分离线经历再生。这样简单的Skarstrom循环对于模拟PSA单元400是令人满意的，因为有机液体层仅有一种组分(水)被强烈地吸附。
当使用容纳有3
Figure A20078004618700341
分子筛吸附剂的PSA单元400模拟ABE发酵过程时，可以忽略1-丁醇、乙醇和丙酮吸附，因为丁醇、乙醇和丙酮的分子远大于3
Figure A20078004618700351
分子筛吸附剂孔径。优选地，PSA单元400操作是在以下假设下模拟的：气相蒸气行为理想，可忽略径向浓度分布曲线，整体对流相对扩散占优，使得所有组分的有效扩散系数可以被设定为0，并且在PSA单元400中只有水被吸附剂吸附。吸附等温线近似是采用Langmuir等温线进行的，A＝C1*C2exp(b/T)*Ps/(1+C2*exp(b/T)*Ps)，其中C1、C2和b是常数，T是温度，Ps是水饱和压，exp(x)是指数函数ex，并且A是被吸附的水量。这些近似允许足够精确以证明PSA单元400操作的有效性的工艺和收率结果的方便的模拟。所得到的模型方程通过利用偏微分方程解算器而容易地解析，所述偏微分方程解算器是例如PDE Solutions，Inc.，SpokaneValley，Washington，USA的FlexPDE；或The MathWorks，Inc.，Natick，Massachusetts，USA的MATLABPDE工具箱。它们还可以通过首先利用直线法(Method ofLine)在z轴维度上离散化，利用任何普通的微分方程解算器而解析。
通过下列实施例进一步说明本发明。
实施例1
采用来自AspenTech Engineering Suite 12.1(程序)的Aspen PlusTM(AspenTech的商标)软件计算工艺性能，并且确定用于标准发酵罐单元200(未显示)+搅拌VSS单元10的优选操作条件和设计规格。Aspen流程图示于图3中。Aspen PlusTM模拟是为了利用确认的气-液平衡(VLE)和液-液平衡(LLE)模型而构建的。VLE和LLE模型包括丙酮、丁醇、乙醇和水，以及惰性气体。模拟结果概括于表1中。对于这些计算，假定ABE发酵的生产率为每小时每升发酵罐容器体积所生产的1-丁醇为典型值1.5g。假设VSS单元10可以在200mm Hg下操作而不损害细胞，则优选的操作和设计条件以及所得到的性能是突出的。可以通过常规实验容易地确定实际的压力极限。
Figure A20078004618700361
Figure A20078004618700371
实施例1中模拟的发酵罐单元200给出了1012立方米的放气体积，以及810立方米的工作体积，并且被确定为具有每小时1200kg丁醇的理论丁醇生产率。对于实施例1的模拟，将由J.M.Prausnitz，R.N.Lichtenthaler和E.Gomez de Azevedo[流体相平衡的分子热力学(MolecularThermodynamics of Fluid-Phase Equilibria)，第3版，Prentice-Hall，1999]，以及R.Turton，R.C.Bailie，W.B.Whiting和J.A.Shaeiwitz[化学工艺的分析、合成和设计(Analysis，Synthesis，and Design of Chemical Processes)，第2版，Prentice-Hall，2002]所述的熟知工艺模拟方法与程序、容易获得的文献证实的VLE和LLE数据以及由程序提供的物理性能一起使用，以构建使用本发明设备和方法的四元体系(丙酮、丁醇、乙醇和水)ABE发酵工艺的模拟。所有文献证实的VLE和LLE数据可获自物理性能的TheDortmund Databank，其可获自DDBST GmbH，Oldenburg，德国(参见例如Dortmund Databank组号[3]、[11]、[384]、[388]、[389]、[392]、[394]、[552]、[564]、[565]、[1134]、[1464]、[1593]、[2121]、[2338]、[2349]、[3262]、[3861]、[4550]、[4551]、[4802]、[5616]、[5778]、[6681]、[6696]、[7349]、[7824]、[8092]、[8209]、[9570]、[9571]、[9572]、[9576]、[9579]、[9580]、[10491]、[10582]、[11767]、[20749]、[22417]以及[23689])。VLE和LLE模型包括丙酮、丁醇、乙醇和水，以及惰性气体。相平衡的精确表示是采用非随机的双液体活度系数(NRTL)和UNIQUAC活度系数(UNIQUAC)相平衡模型，通过文献相平衡数据，包括二元和三元体系的数据组的回归而产生的。产生模型，用于存在于水性ABE发酵液中的稀释溶剂条件，以及用于在下游处理设备，包括蒸馏单元、蒸气/液体冷凝器600和液-液相分离器(例如，倾析器650)中存在的更浓缩的VLE和LLE。NRTL模型参数值列于表2中，而UNIQUAC模型参数值列于表3中。
表2.NRTL模型参数组
组分i     水         丁醇          水          丙酮       丙酮         丁醇      Aspen
组分j     丙酮       水            乙醇        丁醇       乙醇         乙醇      参数名称
温度单位  K          K             K            K         K             K
aij       0          -9.22757      3.4578       0         -0.3471       0        NRTL/1
aij       0          21.58982      -0.8009      0         -1.0787       0        NRTL/1
bij       602.5584   715.4858      -586.0809    -43.1411  206.5973      8.4365   NRTL/2
bij       317.5539   -2476.49      246.18       299.2181  479.05        33.483   NRTL/2
cij       0.5343     0.252074      0.3          0.3       0.3           0.3467   NRTL/3
dij       0          2.54E-03      0            0         0             0        NRTL/4
eij       0          0             0            0         0             0        NRTL/5
eij       0          0             0            0         0             0        NRTL/5
fij       0          0.022577      0            0         0             0        NRTL/6
fij       0          -0.03105      0            0         0             0        NRTL/6
表3.UNIQUAC模型参数组
组分i    水         丁醇          水        丙酮           丙酮       丁醇           Aspen参
组分j    丙酮       水            乙醇      丁醇           乙醇       乙醇           数名称
温度单位 K          K             K          K             K          K
aij      -4.8338    -5.1730382    -2.4936    -0.4425179    -0.1179    -4.72766773    UNIQ/1
                                                                                     UNIQ/1
aij      8.6051     5.56845496    2.0046     4.74898161    0.6983     0.538254347
bij      1612.196   932.602831    786.9477   221.962328    -61.8807   1051.38        UNIQ/2
bij      -3122.58   714.580217    -728.871   -1895.5966    -234.671   0.466052255    UNIQ/2
cij      0          0             0          0             0          0              UNIQ/3
cij      0          0             0          0             0          0              UNIQ/3
dij      0          3.63E-03      0          0             0          0              UNIQ/4
dij      0          0.01090271    0          0             0          0              UNIQ/4
eij      0          0             0          0             0          0              UNIQ/7
eij      0          0             0          0             0          0              UNIQ/7
NRTL和UNIQUAC模型的二元参数是采用以最大可能性作为目标函数的程序的数据回归系统(DRS)回归的。将程序的Britt-Leucke算法与程序的Deming初始化方法一起使用。通常提供参数的初始推测，以帮助收敛。初始推测通常由物理性能的The Dortmund Databank中找到的VLE-LIT或VLE-IG数据获得的。还采用比例因子大致将参数依比例缩放至范围[-1，1]而帮助收敛。确定的是，NRTL模型具有实施例1的四元体系的有限LLE预测能力。
因此，丁醇+水、丙酮+丁醇以及乙醇+丁醇体系的NRTL参数不仅采用二元VLE和LLE数据，而且采用三元VLE和LLE数据而回归。然而，DRS具有收敛NRTL参数的困难，因此取而代之使用UNIQUAC模型，其在采用许多不同的数据组时更容易地收敛。NRTL用于几乎是二元的体系，即，含有占系统的总质量的至少95％的两种主要物种的体系。对于三元和四元体系，使用UNIQUAC模型。所得到的NRTL和UNIQUAC模型数据与Dortmund Databank Set[2121]文献数据的拟合的实例图示于图4中。参考图4，采用实心菱形符号标绘丙酮、乙醇、丁醇和水的四元体系的实验数据(即，Dortmund Databank Set[2121]文献数据)，采用空心菱形符号标绘丙酮、丁醇和水的三元体系的实验数据(即，Dortmund Databank Set[2121]文献数据)，采用实线标绘计算的UNIQUAC数据，采用点线标绘计算的NRTL数据，并且在标绘的数据之间绘制虚线。
本发明是参考各个具体和优选实施方案和技术进行描述的。然而，应当理解在保持在本发明的精神和范围内的同时，可以进行许多变化和修改。

Claims (12)

1.一种发酵设备，所述发酵设备包括发酵罐单元和真空侧线汽提塔(VSS)单元；
所述发酵罐单元包括发酵罐容器，所述发酵罐容器具有外表面和内表面，所述发酵罐容器表面彼此隔开，并且大体上平行，以限定封闭的容积空间，所述发酵罐容器中限定了至少两个孔，即第一流体孔和第二流体孔，所述至少两个孔与所述封闭的容积空间流体连通；
所述VSS单元包括汽提塔容器，所述汽提塔容器具有外表面和内表面，所述汽提塔容器表面彼此隔开，并且大体上平行，以限定封闭的容积空间；所述汽提塔容器在其中设置了两个以上的并排汽提塔隔室，每一个汽提塔隔室通过垂直隔离构件与相邻的汽提塔隔室隔开；至少每一个垂直隔离构件的底部或者在其中限定了液体通行孔，或者与所述汽提塔容器的底部隔开，以在所述隔离构件的底部与所述汽提塔容器的底部之间限定液体通行导管，或者既有所述液体通行孔又有所述液体通行导管；至少每一个垂直隔离构件的顶部或者在其中限定了蒸气通行孔，或者与所述汽提塔容器的顶部隔开，以在所述隔离构件的顶部与所述汽提塔容器的顶部之间限定蒸气通行导管，或者既有所述蒸气通行孔又有所述蒸气通行导管；所述汽提塔隔室相互相继流体连通，相邻的汽提塔隔室通过液体通行导管、液体通行孔或它们的组合并且通过蒸气通行导管、蒸气通行孔或它们的组合而相互流体连通；所述汽提塔容器在其中限定了至少四个孔，即第三流体孔、气体孔、蒸气孔和第一搅拌孔，所述至少四个孔中的每一个与所述汽提塔容器的所述封闭的容积空间流体连通；
所述发酵罐容器的第一流体孔操作连接至所述汽提塔容器的第三流体孔，以建立所述发酵罐容器和所述汽提塔容器之间的流体连通。
2.如权利要求1所述的设备，所述设备还包括一个或多个附加部件，所述附加部件选自由以下组成的组：鼓风机；第一真空泵/压缩机；第二真空泵/压缩机；蒸气/液体冷凝器；倾析器；液-液萃取器；用于将至少一种挥发性有机化合物与水分离的装置(分离用装置)；间壁蒸馏塔(DWC)单元；超滤膜；以及膜容器，其中所述鼓风机、第一真空泵/压缩机、第二真空泵/压缩机、蒸气/液体冷凝器、倾析器、液-液萃取器、分离用装置和DWC单元独立地与所述汽提塔容器的所述蒸气孔操作连接并且流体连通；所述超滤膜被设置在所述膜容器内，或者所述膜容器不存在，并且所述超滤膜被设置在所述发酵罐容器内部；所述膜容器与所述发酵罐容器的第一流体孔和所述汽提塔容器的第三流体孔操作连接并且流体连通；在所述发酵罐容器、汽提塔容器和所述一种或多种附加部件之间建立流体连通。
3.如权利要求2所述的设备，所述用于将至少一种挥发性有机化合物与水分离的装置包括变压吸附(PSA)单元。
4.如权利要求2和3中任一项所述的设备，其中所述一种或多种附加部件包括所述PSA单元和所述DWC单元，所述汽提塔容器的所述蒸气孔与所述PSA单元和DWC单元相继操作连接并且流体连通。
5.如权利要求2所述的设备，其中所述一种或多种附加部件包括所述超滤膜。
6.如权利要求2所述的设备，其中所述一种或多种附加部件包括所述第一真空泵/压缩机、第二真空泵/压缩机、蒸气/液体冷凝器、倾析器、PSA单元和DWC单元，所述汽提塔容器的所述蒸气孔与所述第一真空泵/压缩机、第二真空泵/压缩机、蒸气/液体冷凝器、倾析器、PSA单元和DWC单元相继操作连接并且流体连通。
7.如权利要求1至6中任一项所述的设备，其中所述汽提塔容器和所述发酵罐容器各自进一步限定返回流体孔，所述汽提塔容器的所述返回流体孔与所述发酵罐容器的所述返回流体孔操作连接并且流体连通。
8.一种方法，所述方法包括以下步骤：
将发酵液设置在如权利要求1至7中任一项所述的设备的发酵罐容器的封闭的容积空间中，所述发酵液包含水、许多生物细胞和养分给料；使所述养分给料被所述生物发酵，以产生至少一种挥发性有机化合物(VOC)；以及从所述发酵液中汽提所述至少一种VOC。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述至少一种VOC中的每一种具有小于250克/摩尔的分子量。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述至少一种VOC的每一种独立地选自由以下组成的组：HO-(C1-C8)烷基；HO-(C2-C8)亚烷基-O-(C1-C4)烷基；(C3-C8)链烷酮；HO-(C3-C8)链烷酮；(C1-C8)烷基-C(O)O-(C1-C4)烷基；[氧代-(C3-C8)烷基]-C(O)O-(C1-C4)烷基；(C0-C6)亚烷基-[C(O)O-(C1-C4)烷基]2；O-[(C1-C4)烷基]2；以及[氧代-(C2-C4)烷基]-O-(C1-C4)烷基。
11.如权利要求8至10中任一项所述的方法，其中所述生物选自由以下组成的组：醋杆菌属、产碱菌属、节杆菌属、杆菌、短杆菌属、假丝菌母、梭菌、棒状杆菌、肠球菌、欧文氏菌属、埃希氏菌属、黄质菌属、葡萄糖酸菌属、汉逊酵母属、克雷伯氏菌属、乳酸杆菌、甲基杆菌属、微球菌、分支杆菌属、诺卡氏菌属、毕赤氏芽孢杆菌属、假细胞菌、红球菌属、酵母属、沙门氏菌属、热厌氧菌属、黄色杆菌属和发酵单胞菌属。
12.如权利要求11所述的方法，所述方法还包括以下步骤：将未过滤的发酵液从所述发酵罐容器的所述封闭的容积空间供给至所述汽提塔容器的所述封闭的容积空间；其中所述生物是丙酮丁醇梭菌或拜氏梭菌；所述发酵罐容器中的所述发酵液中的所述生物的细胞的浓度为20克/升(g/L)至120g/L；所述发酵罐容器中的所述发酵液中的所述至少一种VOC的时间平均总浓度为0.1重量％至2.0重量；将所述未过滤的发酵液以被设置在所述发酵罐容器中的每3790L的发酵液7.6L/min(Lpm)至76Lpm的流量，从所述发酵罐容器的所述封闭的容积空间基本上连续地供给至所述汽提塔容器的所述封闭的容积空间。
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