CN102965399B - 利用树脂原位吸附在线分离提纯发酵液中丁醇、丙酮和乙醇的方法 - Google Patents

Abstract

利用树脂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发酵的同时利用树脂在线原位吸附丁醇、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，本发明有益效果为发酵效率高、分离提纯成本低。

Description

利用树脂原位吸附在线分离提纯发酵液中丁醇、丙酮和乙醇的方法

技术领域

本发明涉及利用树脂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。

背景技术

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1.0～2.0%（w/v）,丙酮浓度在0.5～1.0%（w/v）。并且，丁醇的沸点为117.7℃，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，经济上是不可行的，很难实现工业化生产（详见非专利文献：Matsumura,M.,Kataoka,H.,Sueki,M.,Araki,K.Energy saving effect of pervaporation using oleyl alcohol liquid membrane in butanolpurification.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：Oudshoorn,A.,Vander Wielen LAM,Straathof AJJ.Assessment of options for selective 1-butanol recoveryfrom aqueous solutions.Ind Eng Chem Res.48:7325-7336,2009）。另外，采用精馏塔进行分离，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CN 101530672A）。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。CN 101948737A；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。CN 101787378A;张延平，王鑫昕，李寅，王少华。一种生产丁醇的方法。CN 101418320A）。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。CN 102757984A;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，需要开发新技术对产物进行提纯，提高分离效率。

因此，本发明利用树脂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，树脂吸附法的优势在于，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，树脂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。由于树脂的比热容很低，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，未见使用树脂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。

发明内容

本发明通过利用树脂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。

本发明提供了利用树脂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，发酵的同时利用树脂在线原位吸附丁醇、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。

本发明所述树脂为天然树脂或合成树脂；其为离子交换型树脂、大孔型树脂、吸附型树脂或转型树脂；其外观形态为粉状、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。

本发明所述树脂优选为Dowex Optipore L-493、Dowex Optipore SD-2、DiaionHP-2、Diaion HP-2MG或Amberlite XAD-4中的至少一种。

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，本发明利用树脂原位吸附在线分离提纯发酵液中丁醇、丙酮和乙醇，本发明有益效果为：第一：发酵过程中产生的丁醇、丙酮和乙醇是抑制性产物，利用树脂移除丙酮、丁醇和乙醇能有效提高生产效率；第二：树脂能使发酵液与产物分离；第三：树脂可以富集丁醇、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。本发明树脂原位吸附分离产物的能耗为6MJ/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12MJ/kg，比现有技术中精馏节省能耗70%以上。

本发明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。

本发明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。

本发明所述吸附温度优选为30～40℃，进一步优选为37℃，与发酵温度一致。

本发明所述树脂与发酵液质量比优选为1：1～20。

本发明所述脱附温度优选为150～250℃。

本发明有益效果为：

①树脂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树脂能把丁醇、丙酮和乙醇与发酵液分离开；

③树脂对丁醇、丙酮和乙醇具有富集作用，且对丁醇有选择性吸附；

④利用树脂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利用树脂原位吸附在线分离提纯发酵液中丁醇、丙酮和乙醇的方法与传统的精馏分离相比节约大量能耗。

附图说明

本发明附图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Ⅱ，5、吸附装置。

图2为脱附及回收装置结构示意图；

其中，1、加热装置，2、吸附装置，3、冷凝装置，4、泵Ⅲ，5、产物收集罐。

具体实施方式

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

下述实施例和对比例结合说明书附图说明。

下述实施例和对比例中，实验材料如下：

本发明对所述丙酮丁醇乙醇生产菌没有特别限制，可列举丙酮丁醇梭菌（Clostridium acetobutylicum）、拜氏梭菌（Clostridium beijerinckii）、大肠杆菌（Escherichia coli）等生产丙酮丁醇乙醇的基因工程菌，优选丙酮丁醇梭菌。

本发明丙酮丁醇乙醇生产菌为丙酮丁醇乙醇梭菌（Clostridium beijerinckiiBA101），购买于美国ATCC菌种库（ATCC number：PTA-1550）。

本发明种子培养基为：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。

本发明发酵培养基为：每升培养基中含葡萄糖70g、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。

上述种子培养基与发酵培养基的体积比为1:10。

上述树脂：Dowex Optipore L-493和Dowex Optipore SD-2购买于美国陶氏化学公司（Dow Chemical Company，USA），Diaion HP-2和Diaion HP-2MG购买于三菱化学（Mitsubishi Chemicals），Amberlite XAD-4购买于Sigma公司。

本发明丁醇、丙酮和乙醇用气相色谱法检测，葡萄糖用液相色谱法检测。

对比例1

一种常规发酵生产丁醇、丙酮和乙醇的方法；

①如图1所示，先将种子培养基在种子罐中通氮气10min除氧，然后121°C灭菌30min，冷却至室温，接入丙酮丁醇乙醇生产菌，将生产菌培养到生长最活跃的对数生长期。培养到对数生长期培养时间为12～18h，优选为15h；培养温度为30～40℃，优选为37℃。种子培养结束后准备接入到发酵罐中。

②如图1所示，先将发酵培养基121℃灭菌30min，然后通氮气2h除氧，冷却至室温，开启泵Ⅰ将含有丙酮丁醇乙醇生产菌的种子液转移至发酵罐，发酵方式为批式发酵，37℃发酵至发酵结束。

实验数据见表1、表2。

小结：发酵结束后丁醇、ABE总溶剂（丙酮、丁醇和乙醇三者总和）的浓度分别为1.1%（w/v）、1.8%（w/v）。丁醇、ABE总溶剂的生产强度为0.22g/L/h和0.36g/L/h。消耗葡萄糖为5.5%（w/v）。

实施例1

利用树脂原位吸附在线分离提纯发酵液中丁醇、丙酮和乙醇的方法；

①如图1所示，先将种子培养基在种子罐中通氮气10min除氧，然后121°C灭菌30min，冷却至室温，接入丙酮丁醇乙醇生产菌，将生产菌培养到生长最活跃的对数生长期。培养到对数生长期培养时间为12～18h，优选为15h；培养温度为30～40℃，优选为37℃。种子培养结束后准备接入到发酵罐中。

②如图1所示，先将发酵培养基121℃灭菌30min，然后通氮气2h除氧，冷却至室温，开启泵Ⅰ将含有丙酮丁醇乙醇生产菌的种子液转移至发酵罐，发酵方式为批式发酵，37℃发酵丙酮丁醇乙醇生产菌，产生丁醇、丙酮和乙醇，吸附装置内填装DowexOptipore L-493树脂，树脂与发酵液的体积比为1：20，开始发酵的同时开启泵Ⅱ使发酵液在发酵罐和吸附装置之间循环，利用树脂原位吸附在线分离发酵液中丁醇、丙酮和乙醇。

③吸附结束后，将吸附装置放入加热装置内，加热至200℃，脱附后开启泵Ⅲ使丁醇、丙酮和乙醇冷凝回收在产物收集罐内。

实验数据见表1、表2。

小结：发酵结束后丁醇、ABE总溶剂的浓度分别为1.5%（w/v）、2.4%（w/v），与对比例1相比分别提高36.4%、33.3%。消耗葡萄糖为7.3%（w/v），与对比例1相比提高1.33倍。脱附回收后的丁醇、ABE总溶剂的浓度分别为7.3%（w/v）、9.7%（w/v），与对比例1相比分别提高6.6倍和5.4倍。丁醇、ABE总溶剂的生产强度为0.15g/L/h和0.26g/L/h，与对比例1相比有所降低。由于开始发酵的同时就开启泵Ⅱ使发酵液在发酵罐和吸附装置之间循环，Dowex Optipore L-493树脂可以吸附葡萄糖及其他营养物质，会导致营养物质的失衡，生产菌需要适应突然变化的营养失衡状况，才能进入正常发酵状态，最终会导致生产强度降低。

实施例2

利用树脂原位吸附在线分离提纯发酵液中丁醇、丙酮和乙醇的方法；

与实施例1区别在于：

当发酵液pH低于5.0时，自动补入氨水，将pH调整到5.0以上。开始发酵时，不启动泵Ⅱ，当发酵进行到生产菌的对数生长期时，启动泵Ⅱ，使发酵液在发酵罐和吸附装置之间循环。发酵方式为补料式发酵，当发酵液中的葡萄糖浓度降到10g/L以下时，补加葡萄糖，为发酵继续提供碳源，直到发酵终止。

实验数据见表1、表2。

小结：发酵结束后丁醇、ABE总溶剂的浓度分别为3.3%（w/v）、5.4%（w/v），与对比例1相比分别提高200%（w/v）、200%（w/v）。消耗葡萄糖为16.2%（w/v），与对比例1相比提高2.9倍。脱附回收后的丁醇、ABE总溶剂的浓度分别为13.2%（w/v）和17.1%（w/v），与对比例1相比分别提高12.0倍和9.5倍。丁醇、ABE总溶剂的生产强度为0.30g/L/h和0.50g/L/h，与对比例1相比提高36.4%和38.9%。在发酵的对数生长期启动泵Ⅱ使发酵液在发酵罐和吸附装置之间循环，即使树脂可以吸附葡萄糖及其他营养物质，也不会对生产菌生长和发酵有任何影响，发酵未出现停滞现象，在发酵的对数生长期时吸附产物比发酵开始时就吸附产物能提高发酵的生产强度。脱附回收后产物静置分层后能得到丁醇含量为80%（w/v）的高浓度液体，后续丁醇的脱水处理能耗在2MJ/kg以内，整个丁醇分离的能耗仅为精馏分离能耗的40%。

实施例3

利用树脂原位吸附在线分离提纯发酵液中丁醇、丙酮和乙醇的方法；

与实施例1区别在于：

吸附装置内填装Dowex Optipore SD-2树脂。

实验数据见表1、表2。

小结：发酵结束后丁醇、ABE总溶剂的浓度分别为1.4%（w/v）、2.3%（w/v），与对比例1相比分别提高27.3%、27.8%。消耗葡萄糖为6.8%（w/v），与对比例1相比提高23.6%。脱附回收后的丁醇、ABE总溶剂的浓度分别为7.9%（w/v）、10.0%（w/v），与对比例1相比分别提高7.2倍、5.6倍。丁醇、ABE总溶剂的生产强度为0.26g/L/h和0.43g/L/h，与对比例1相比提高18.2%和19.4%。

实施例4

利用树脂原位吸附在线分离提纯发酵液中丁醇、丙酮和乙醇的方法；

吸附装置内填装Diaion HP-2树脂。

实验数据见表1。

小结：发酵结束后丁醇、ABE总溶剂的浓度分别为1.1%（w/v）、1.8%（w/v），与对比例1相同。消耗葡萄糖为5.5%（w/v），与对比例1相同。脱附回收后的丁醇、ABE总溶剂的浓度分别为5.2%（w/v）、7.0%（w/v），与对比例1相比分别提高4.7倍、3.9倍。丁醇、ABE总溶剂的生产强度为0.20g/L/h和0.33g/L/h，与对比例1相比有所降低。

实施例5

利用树脂原位吸附在线分离提纯发酵液中丁醇、丙酮和乙醇的方法；

吸附装置内填装Diaion 2MG树脂。

实验数据见表1。

小结：发酵结束后丁醇、ABE总溶剂的浓度分别为1.0%（w/v）、1.6%（w/v），与对比例1相比有所降低。消耗葡萄糖为5.0%（w/v），与对比例1相比有所降低。脱附回收后的丁醇、ABE总溶剂的浓度分别为4.5%（w/v）、6.4%（w/v），与对比例1相比分别提高4.1倍、3.6倍。丁醇、ABE总溶剂的生产强度为0.19g/L/h、0.32g/L/h，与对比例1相比有所降低。

实施例6

利用树脂原位吸附在线分离提纯发酵液中丁醇、丙酮和乙醇的方法；

吸附装置内填装Amberlite XAD-4树脂。

实验数据见表1。

小结：发酵结束后丁醇、ABE总溶剂的浓度分别为1.2%（w/v）、2.0%（w/v），与对比例1相比分别提高9.1%、11.1%。消耗葡萄糖为6.0%（w/v），与对比例1相比提高9.1%。脱附回收后的丁醇、ABE总溶剂的浓度分别为5.6%（w/v）、7.6%（w/v），与对比例1相比分别提高5.1倍、4.2倍。丁醇、ABE总溶剂的生产强度为0.23g/L/h、0.39g/L/h，与对比例1相比分别提高4.5%、8.3%。

表1丁醇、丙酮、乙醇、ABE总溶剂的浓度

备注：w代表质量，v代表体积，ABE代表丙酮、丁醇和乙醇三者总和，脱附回收后产物代表树脂脱附后收集的液体，发酵结束后产物代表发酵结束后发酵液中的产物和脱附回收后产物，脱附回收后产物和发酵结束后产物没有列出部分为水。

表2葡萄糖消耗与产物生产强度

备注：w代表质量，v代表体积。

结论：

①Dowex Optipore L-493树脂原位吸附性能最好，使发酵消耗更多的葡萄糖，得到最大的发酵结束后产物总浓度和生产强度，脱附回收后产物静置分层后能得到丁醇含量为80%（w/v）的高浓度液体，整个丁醇分离的能耗仅为精馏分离能耗的40%；

②树脂对丁醇、丙酮和乙醇具有选择性吸附，且对丁醇选择性最强，有利于发酵主产物丁醇的富集回收；

③补料式发酵比批式发酵效率高，在发酵的对数生长期时吸附产物比发酵开始时就吸附产物能提高发酵的生产强度和发酵效率；

④树脂可以吸附发酵产生的丁醇、丙酮和乙醇，降低产物对发酵液中细胞的毒害，使发酵效率提高，获得更多的产物。

⑤树脂原位吸附分离产物的能耗为6MJ/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12MJ/kg，比现有技术中精馏节省能耗70%以上。

Claims (1)

1.利用树脂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种子罐中，种子营养基已除氧和灭菌，培养丙酮丁醇乙醇生产菌，得到种子液；

②将步骤①种子液接入发酵罐中，发酵营养基已除氧和灭菌，利用丙酮丁醇乙醇生产菌发酵生产丁醇、丙酮和乙醇，吸附装置内填装Dowex Optipore L-493树脂，树脂与发酵液质量比为1：20，当发酵进行到生产菌的对数生长期时，使发酵液在发酵罐和吸附装置之间循环，发酵方式为补料式发酵，当发酵液中的葡萄糖浓度降到10g/L以下时，补加葡萄糖，当发酵液pH低于5.0时，自动补入氨水，将pH调整到5.0以上；

③吸附结束后脱附冷凝回收，脱附温度为200℃，得到丁醇、丙酮和乙醇粗品。

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