CN102676589B - 一种发酵偶联气提的生产和分离纯化丁醇的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发酵偶联气提的生产和分离纯化丁醇的方法，其特征在于，该方法包括：（1）培养丁醇生产菌的步骤；（2）发酵丁醇生产菌得到丁醇的步骤；和（3）利用两步气提法从发酵液中在线分离纯化丁醇的步骤。通过本发明的方法，在不增加设备投资和节省能耗的前提下，有效提高了丁醇的生产和分离效率，为目前以生物法生产丁醇为导向的液体生物燃料的生产提供了有力的技术支持。

Description

一种发酵偶联气提的生产和分离纯化丁醇的方法

技术领域

本发明涉及一种发酵偶联气提的生产和分离纯化丁醇的方法，属于生物技术领域。

背景技术

由于石油资源的短缺及其价格的不断高涨，通过微生物发酵法获得液体生物质能源不断被人们所关注。和乙醇相比，丁醇具有能量密度高、饱和蒸汽压低、和与现有的汽车发动机和石油管道运输匹配性好等优点，被认为是更有前景的生物质能源（非专利文献1）。但是，用生物法生产丁醇时，由于丁醇对细胞生长有强抑制作用，发酵液中终点的丁醇浓度通常不超过1.5%（w/v），导致其分离成本极高，很难实现工业化生产。近30年来，利用代谢工程或诱变筛选的方法，通过对菌种的改造提高其丁醇耐受性及提高丁醇产量方面取得了一定的进展，但是发酵终点的丁醇浓度很难突破2%(w/v)。

由于丁醇的沸点高于水且在发酵液中的浓度通常小于2%(w/v)，利用传统的精馏分离技术对其分离所消耗的能量大于丁醇自身的能量（36kJ/g），因此经济上是不可行的（非专利文献2）。在线发酵偶联分离技术如液-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，就可提高发酵效率，是提高生物法生产丁醇的一个经济可行的有效途径。其中，气提法和其他在线分离回收技术相比，具有操作简单、对细胞无毒害、节省能量消耗、设备投资和维护低等优点（非专利文献3）。然而传统的气提分离技术均使用一步法分离纯化，而且有些需要额外通入氮气等气体，增加了投入成本，即使使用自产气进行气提，由于未优化气提操作条件和选取合适的发酵分离策略，也存在效率低和能耗大等缺点。例如，目前关于丁醇气提的文献中，气提得到的丁醇浓度都低于其在水中溶解的浓度7.7%（w/w），在气提冷凝液中仍然有大量的水存在，不但致使气提过程中大部分能量消耗在冷凝液中的水上，并且导致后续分离成本很高（非专利文献4-5）。到目前为止，未见使用两步气提法对丁醇进行分离纯化的报道。

现有技术

非专利文献1：Qureshi N,Saha BC,Hector RE,Hughes SR,Cotta MA.Butanolproduction from wheat straw by simultaneous saccharification and fermentationusing Clostridium beijerinckii:Part I—batch fermentation.Biomass Bioenerg,32:168-175,2008.

非专利文献2：Zheng YN,Li LZ,Xian M,Ma YJ,Yang JM,Xu X,He DZ.Problems  with the  microbial production  of  butanol.Journal  of  IndustrialMicrobiology and Biotechnology,36:1127-1138,2009.

非专利文献3：Qureshi N,Maddox IS,Friedl A.Application of continuoussubstrate feeding to the ABE fermentation:relief of product inhibition usingextraction,perstraction,stripping,and pervaporation.Biotechnol Prog,8:382-90,1992.

非专利文献4：Ezeji TC,Qureshi N,Blaschek HP.Production of acetone,butanol and ethanol by Clostridium beijerinckii BA101and in situ recovery bygas stripping.World J Microbiol Biotechnol.19:595-603,2003.

非专利文献5：Ennis B,Marshall CT,Maddox IS,Paterson AHJ.Continuousproduct  recovery  by  in-situ  gas  stripping/condensation during  solventproduction from whey permeate using Clostridium acetobutylicum.BiotechnolLett.8:725-30,1986.

发明内容

本发明的目的在于提供一种有效提高丁醇分离效率从而得到高浓度丁醇产物的方法。

能够实现上述目的的本发明是一种发酵偶联气提的生产和分离纯化丁醇的方法，其特征在于，该方法包括：

（1）培养丁醇生产菌的步骤；

（2）发酵丁醇生产菌得到丁醇的步骤；和

（3）利用两步气提法从发酵液中在线分离纯化丁醇的步骤。

在本发明的方法中，丁醇生产菌优选为丙酮丁醇梭菌、拜式梭菌或者酪丁酸梭菌。

优选在步骤（2）中使用的发酵系统包括细胞固定化装置，其中使用的吸附材料优选选自木块、陶瓷、海绵、毛巾、树脂、活性碳和沸石中的至少一种。

在步骤（3）的第一步气提中优选：所用的气体为发酵过程中丁醇生产菌产生的自产气体，气提原料液为丁醇生产菌的发酵液，气体通过发酵系统中的分散器变成毫米或微米尺度的气泡进入发酵系统中进行气提；间歇式通入气体时，当发酵液中的丁醇浓度大于5g/L时通入气体，当发酵液中的丁醇浓度低于5g/L时停止通入气体；间歇式通入气体时，对发酵终点的丁醇浓度可达到16g/L以上的生产菌，当发酵液中的丁醇浓度大于8g/L时通入气体，当发酵液中的丁醇浓度低于8g/L时停止通入气体；连续式通入气体时，当发酵液中的丁醇浓度大于5g/L时通入气体，直到发酵结束；连续式通入气体时，对发酵终点的丁醇浓度可达到16g/L以上的生产菌，当发酵液中的丁醇浓度大于8g/L时通入气体，直到发酵结束。

在步骤（3）的第二步气提中优选：所用的气体为管路中的不凝性气体，气提原料液为第一步气提得到的冷凝液的下层水相。

另外，在步骤（3）中还优选：第一步气提和第二步气提的气体流速为每升气提原料液中通入1-20L/min，气体流动方向为向上或者向下，在气提分离装置中使用的冷凝管为直型或者蛇形冷凝管，冷凝温度为-15℃-15°C。

通过本发明的方法，在不增加设备投资和节省能耗的前提下，有效提高了丁醇的生产和分离效率，为目前以生物法生产丁醇为导向的液体生物燃料的生产提供了新的技术支持。

附图说明

图1为本发明中用于生产和分离纯化丁醇的装置结构示意图。

图2为发酵系统中的气体分散器示意图。

图3为发酵液的气相色谱图。

图4为第一步气提得到的冷凝液的气相色谱图。

图5为第二步气提得到的冷凝液的气相色谱图。

图6为最终产物的气相色谱图。

具体实施方式

本发明是一种发酵偶联气提的生产和分离纯化丁醇的方法，其特征在于，该方法包括：

（1）培养丁醇生产菌的步骤；

（2）发酵丁醇生产菌得到丁醇的步骤；和

（3）利用两步气提法从发酵液中在线分离纯化丁醇的步骤。

下面，结合附图1对发明进行详细说明。

<培养丁醇生产菌>

首先，如图1所示，在种子培养罐1中，使用CGM（Clostridium Growth Medium）种子培养基来培养丁醇生产菌。

对所述丁醇生产菌没有特别限制，可列举丙酮丁醇梭菌（Clostridiumacetobutylicum）、拜式梭菌（Clostridium beijerinckii）和酪丁酸梭菌（Clostridium tyrobutyricum）等生产丁醇的工程菌，优选丙酮丁醇梭菌。

所述种子培养基在使用之前，优选先通入氮气或其他惰性气体3-5分钟进行除氧处理后，再在121℃灭菌30分钟，冷却到室温后，接入丁醇生产菌。

优选将丁醇生产菌培养到生长最活跃的对数生长期。为了将丁醇生产菌培养到对数生长期，培养时间优选为12-18h，更优选为15h；培养温度优选为35-39℃，更优选为37℃。

<发酵丁醇生产菌得到丁醇>

然后，将上述步骤中得到的含有丁醇生产菌的种子液从种子培养罐1经泵10接入到搅拌式生物反应器2中的发酵培养基后，通过启动泵11，使发酵液在搅拌式生物反应器2和细胞固定化装置3中循环（细胞会被细胞固定化装置3中的吸附材料吸附，实现细胞固定化。），开始发酵。

发酵培养基是为丁醇生产菌提供营养（碳源）的物质，可以葡萄糖作为发酵培养基中的碳源，也可以淀粉、糖蜜、木薯或者纤维素水解液（例如秸秆水解液）等为发酵培养基中的碳源。

所述发酵培养基在接入丁醇生产菌种子之前，优选在121℃灭菌30分钟后，通入氮气或其他惰性气体1-2h进行除氧处理，冷却到室温后，接入丁醇生产菌。

丁醇生产菌的接入量可依据发酵培养基的量适当调整，一般为培养基的5-10%（体积百分比）。

发酵温度优选为35-39°C，更优选为37°C。发酵过程中的pH优选控制在5.0以上，当pH低于5.0时，向培养基中加入氢氧化钠水溶液或氨水，当pH大于5.0时，不需要调整。

另外，细胞固定化装置3中使用的吸附材料可以是木块、陶瓷、海绵、毛巾、树脂、活性碳和沸石等可用来吸附细胞的材料。细胞固定化装置具有如下作用：第一、细胞被吸附材料吸附后，细胞在发酵系统中的密度增加，从而提高发酵液中的丁醇浓度和生产强度；第二、大部分细胞被吸附材料所吸附，小部分细胞悬浮在发酵液中，因此发酵液中的细胞密度降低，进而发酵液粘度降低，有利于对发酵液中丁醇的气提，从而提高气提效率和回收后冷凝液中的丁醇浓度；第三、非细胞固定化发酵需要每次发酵结束后，重新接入种子（菌体），而细胞固定化后，发酵前不需要接种。

<利用两步气提法从发酵液中在线分离纯化丁醇>

本发明中，利用丁醇的挥发性和气提过程中气体对丁醇的吸附原理，通过两步气提法从发酵液中在线分离纯化丁醇，即一边进行丁醇发酵，一边利用两步气提法从发酵液中分离纯化丁醇（发酵偶联气提）。

对于气提分离装置，当搅拌式生物反应器2中的丁醇达到一定浓度后，启动泵12开始第一步气提，同时启动低温冷却恒温槽8为一次气提冷凝管4提供低温冷凝液，通过泵13将得到的丁醇冷凝液泵入一次气提冷凝液储罐5中。

第一步气提所用的气提原料液为丁醇生产菌的发酵液，进入发酵系统中用于提取丁醇的气体优选为发酵过程中丁醇生产菌产生的任何自产气体，通常是二氧化碳和氢气，并不需要提供外来气体，这样就可节省投入成本。其中，气体优选通过发酵系统中的分散器（如图2所示，通常放在搅拌式生物反应器2的底部）变成毫米或微米尺度的气泡进入发酵系统中，其中分散器小孔的孔径依气提需要变化。

第一步气提中气体的通入方式可为间歇式或者连续式。通入气体的时机或策略，可依据生产菌对丁醇的耐受能力而定，根据发酵液中的丁醇浓度的变化而变化。间歇式通入气体时，优选当发酵液中的丁醇浓度大于5g/L时通入气体，当丁醇浓度小于5g/L时停止通入气体。对于发酵性能好，产丁醇浓度高的生产菌，如果发酵终点的丁醇浓度（即未进行提取步骤的丁醇终浓度）可以达到16g/L以上，则优选发酵液中丁醇浓度大于8g/L时通入气体，当丁醇浓度小于8g/L时停止通入气体。同样，连续式通入气体时，优选当发酵液中的丁醇浓度大于5g/L时通入气体，对于产丁醇浓度高的生产菌，优选发酵液中丁醇浓度大于8g/L时通入气体，直到发酵结束。

这样，通过优化第一步气提时发酵液中的丁醇浓度，第一步气提后的冷凝液中的丁醇浓度可提高到15%左右，比传统气提方法的气提效率提高了一倍并且能耗降低了50%以上。

第一步气提的分离条件优选如下：气体流速为1-20L/min，气体流动方向为向上或者向下；在气提分离装置中使用的冷凝管为直型或者蛇形冷凝管，冷凝温度为-15°C-15℃。

丁醇冷凝液在一次气提冷凝液储罐5中静置分层，上层为富集丁醇的有机相，丁醇浓度在80%左右，下层为水相，浓度在8%左右。将上层通过泵15直接泵入二次气提冷凝液储罐7中回收，然后启动泵14对一次气提冷凝液储罐5的下层冷凝液进行第二步气提，同时启动低温冷却恒温槽9为二次气提冷凝管6提供低温冷凝液，通过泵16将得到的二次气提冷凝液泵入二次气提冷凝液储罐7中。

优选将第一步气提得到的冷凝液的下层水相加热到25°C-80°C之间进行二次气提，通常选取37°C。使用的气体优选为管路中的任何不凝性气体如氮气、二氧化碳和空气，并不需要提供外来气体，这样就可节省投入成本。另外，第二步气提中优选的分离条件与第一步气提相同。

对第一步气提得到的冷凝液的下层水相进行第二步气提，可以将丁醇浓度由8%提高到35%左右，而且只需要第一步气提10%的能耗。

如上所述，本发明的方法实现了丁醇发酵过程中毒性抑制产物的不断移除和丁醇产物的有效回收与浓缩的双重目的，提高了丁醇的生产效率，降低了丁醇的回收成本，提高了发酵法生产丁醇的经济收益，适合于推广应用。

实施例

下面结合实施例对本发明作具体说明。但本发明不受下述实施例的限制，在符合本发明前后宗旨的范围内，可对本发明作适当变更。另外，下述实施例中，如无特殊说明，所使用的实验方法均为常规方法，所用材料、试剂等均可从生物或化学公司购买。

丁醇生产菌：丙酮丁醇梭菌（Clostridium acetobutylicum，参见美国专利No.5192673），购买于美国ATCC菌种库（ATCC number：55025-E604）。

CGM种子培养基：每升培养基中含葡萄糖30g、酵母粉2g、胰蛋白胨4g、磷酸二氢钾0.5g、磷酸氢二钾0.5g、乙酸铵2.2g和矿物质混合物。其中，矿物质混合物的组成为：每升培养基中含7水合硫酸镁0.1g、7水合硫酸亚铁0.015g、2水合氯化钙0.015g、1水合硫酸锰0.01g、氯化钴0.02g和硫酸锌0.002g。

发酵培养基：每升培养基中含葡萄糖80g、酵母粉1g、磷酸二氢钾0.5g、磷酸氢二钾0.5g、乙酸铵2.2g、矿物质混合物和维生素。其中，矿物质混合物的组成为：每升培养基中含7水合硫酸镁0.2g、7水合硫酸亚铁0.01g、1水合硫酸锰0.01g和氯化钠0.01g；维生素的组成为：每升培养基中含对氨基苯甲酸0.001g、维生素B10.001g和生物素0.00001g。

丁醇生产菌的培养和发酵：种子培养基在使用之前，通氮气除氧3-5分钟，然后在121°C灭菌30分钟，冷却到室温后，接入生产菌。将丁醇生产菌在种子培养罐1中于37℃的条件下培养15h后，准备接入到发酵培养基中。发酵培养基在使用之前，在121°C灭菌30分钟，然后通入氮气除氧1h，冷却到室温后，通过泵10将含有丁醇生产菌的种子液（发酵培养基体积的5%-10%）泵入搅拌式生物反应器2中在37°C的条件下开始发酵，同时开启泵11使含丁醇生产菌的发酵培养基在细胞固定化装置3（使用毛巾为吸附材料）和搅拌式生物反应器2中循环，实现细胞固定化。发酵培养基初始不调节pH值，当发酵液pH低于5.0后，自动流加氢氧化钠水溶液或氨水，将pH调整到5.0以上。

丁醇的分析使用常规气相色谱法，葡萄糖的浓度测定使用常规液相色谱法或DNS法。

比较例1传统法进行气提（一步气提）

按上述方法进行丁醇生产菌的培养和发酵。当丁醇生产菌接入搅拌式生物反应器2后，启动用于气提的气提分离装置，直到发酵结束。对气提得到的冷凝产物进行收集、静置，冷凝液无分层。传统法进行气提，采用发酵与气提同时进行，并且无细胞固定化装置；另外，传统法也未进行第二步气提。除此之外，第一步气提的方法等均与实施例1相同。结果如表1所示。结果表明传统法的气提效率和丁醇回收浓度非常低。

实施例1连续式通入气体进行气提（两步气提）

按上述方法进行丁醇生产菌的培养和发酵。当搅拌式生物反应器2中丁醇的浓度达到8g/L后，启动泵12开始第一步气提，直到发酵结束，同时启动低温冷却恒温槽8为一次气提冷凝管4提供低温冷凝液。丁醇生产菌在发酵过程中产生的自产气体通过分散器变成毫米至微米尺度的气泡进入搅拌式生物反应器2中，作为气提气体。通过泵13将丁醇冷凝液泵入一次气提冷凝液储罐5中。丁醇冷凝液在一次气提冷凝液储罐5中静置分层，将上层通过泵15直接泵入二次气提冷凝液储罐7中。然后将下层水相加热到37℃，启动泵14进行二次气提，同时启动低温冷却恒温槽9为二次气提冷凝管6提供低温冷凝液。气提气体为管路中的不凝性气体。通过泵16将二次气提冷凝液泵入二次气提冷凝液储罐7中。

在两步气提过程中均无外来气体供应。另外，第一步气提装置和第二步气提装置的参数均设置为：气体流经冷凝管的方向为从下至上，蛇形冷凝管垂直放置，冷凝管控制温度为0-2℃，气体流速为1.5L/min。

第一步气提的冷凝产物、第二步气提的冷凝产物及最终产物中的丁醇浓度（%，w/v）如表1所示。对发酵液、第一步气提得到的冷凝液、第二步气提得到的冷凝液以及最终产物进行气相色谱分析，结果如图3-6所示。

实施例2间歇式通入气体进行气提（两步气提）

按上述方法进行丁醇生产菌的培养和发酵。当丁醇在发酵液中的浓度达到8g/L后，启动用于第一步气提的气提分离装置，当丁醇在发酵液中的浓度低于8g/L时，关闭该气提分离装置。当发酵培养基中的葡萄糖浓度降到5g/L后，向发酵培养基中补加600g/L的浓缩葡萄糖，将葡萄糖浓度调节到80g/L，继续发酵，共进行6个批式，加5次浓缩糖。

除此之外，两步气提的方法与实施例1相同，气提装置与参数设置也与实施例1相同。结果如表1所示。

表1

实施例	第一步气提的冷凝产物	第二步气提的冷凝产物	最终产物
				比较例1	5.2%	-	5.2%
实施例1	17.6%	33.7%	42.0%
				实施例2	12.8-17.5%	36.6%	43.4%

由表1的结果可知，本发明通过两步气提法，可以得到丁醇浓度在42%左右的高浓度丁醇混合液，而传统的一步气提法得到的冷凝液中的丁醇浓度一般都小于7.7%（比较例1中为5.2%）。因此，本发明的方法与传统的一步气提法相比，获得的丁醇混合液浓度提高到7倍以上。

实施例3以丁醇和水的混合物为原料液气提分离纯化丁醇(两步气提)

通常发酵液中的丁醇浓度小于1.5%（w/v）。本发明分别以丁醇在水中的浓度为0.6%、0.9%、1.3%（w/v）为原料液，对原料液中的丁醇通过两步气提法进行分离纯化。气提装置和条件设置与实施例1相同。结果见表2。

表2

由表2的结果可知，原料液中的丁醇浓度越高，气提得到的冷凝液中的丁醇浓度越高，气提速率越大。第二步气提得到的冷凝液浓度在35%左右，经过两步气提后的最终产物中的丁醇浓度可以大于40%。

由上可知，传统的一步气提法得到的冷凝液中的丁醇浓度一般在5%左右。本发明通过合适的气提策略，另外通过设计和采用细胞固定化装置和气泡分散器，一步气提法得到的冷凝液中丁醇浓度在17%左右，通过两步气提法得到的冷凝液中的丁醇浓度在42%左右。由于冷凝液中含有更少的水和更多的丁醇，能量消耗仅为传统一步气提法的40%左右。本发明中第二步气提对于提高丁醇提纯浓度，降低整个发酵分离工艺的能耗至关重要。和传统的精馏分离相比，两步气提法需要的能量消耗为传统精馏分离的20%左右。并且，保证后续丁醇纯化分离可以在富含高浓度丁醇的溶液中低能耗，高效率进行。因此，本发明可以提高丁醇生产和回收效率并降低分离提纯的能耗，为生物法生产丁醇提供新的技术，具有很大的工业应用价值。

Claims (8)

1.一种发酵偶联气提的生产和分离纯化丁醇的方法，其特征在于，该方法包括：

（1）培养丁醇生产菌的步骤；

（2）发酵丁醇生产菌得到丁醇的步骤；和

（3）利用两步气提法从发酵液中在线分离纯化丁醇的步骤，其中，第一步气提所用的气体为发酵过程中丁醇生产菌产生的自产气体，气提原料液为丁醇生产菌的发酵液，气体通过发酵系统中的分散器变成毫米或微米尺度的气泡进入发酵系统中进行气提；第二步气提所用的气体为管路中的不凝性气体，气提原料液为第一步气提得到的冷凝液的下层水相。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述丁醇生产菌为丙酮丁醇梭菌（Clostridiumacetobutylicum）、拜式梭菌（Clostridium beijerinckii）或者酪丁酸梭菌（Clostridiumtyrobutyricum）。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤（2）中使用的发酵系统包括细胞固定化装置，其中使用的吸附材料选自木块、陶瓷、海绵、毛巾、树脂、活性碳和沸石中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤（3）的第一步气提中，间歇式通入气体时，当发酵液中的丁醇浓度大于5g/L时通入气体，当发酵液中的丁醇浓度低于5g/L时停止通入气体。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，对未进行提取步骤的发酵液中的丁醇终浓度可达到16g/L以上的生产菌，当发酵液中的丁醇浓度大于8g/L时通入气体，当发酵液中的丁醇浓度低于8g/L时停止通入气体。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤（3）的第一步气提中，连续式通入气体时，当发酵液中的丁醇浓度大于5g/L时通入气体，直到发酵结束。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，对未进行提取步骤的发酵液中的丁醇终浓度可达到16g/L以上的生产菌，当发酵液中的丁醇浓度大于8g/L时通入气体，直到发酵结束。

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的方法，其特征在于，第一步气提和第二步气提的气体流速为每升气提原料液中通入1-20L/min，气体流动方向为向上或者向下，在气提分离装置中使用的冷凝管为直型或者蛇形冷凝管，冷凝温度为-15℃-15℃。

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