CN103420793B - 一种用聚偏氟乙烯-聚二甲基硅氧烷复合膜分离纯化丁醇的方法 - Google Patents
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Abstract
一种分离纯化丁醇渗透气化膜制备方法，以相转化法制备的PVDF多孔膜为支撑层，涂覆法制备的PDMS致密膜为分离层，用于丁醇溶液、ABE溶液，发酵上清液以及带菌体发酵液中丁醇的分离，发酵液中其他成分的存在对膜的分离因子并没有明显的影响，菌体的存在虽然会影响膜的分离通量，但不影响渗透气化膜与发酵耦合的应用。本发明通过制备PVDF/PDMS复合膜用于丁醇分离，有效提高了丁醇的分离提纯效率，给目前以生物法生产丁醇和丙酮及产物分离提纯提供了新的技术支持。
Description
技术领域
本发明涉及一种分离纯化丁醇的方法，是一种用聚偏氟乙烯(PVDF)-聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合膜分离纯化丁醇的方法，属于化学工程领域。
背景技术
丁醇作为一种重要的替代性液体能源和化学品，可以通过微生物发酵法获得，详见文献：Dürre,P.Biobutanol:anattractivebiofuel.Biotechnol.J.2：1525–1534，2007。但是用丙酮丁醇梭菌或拜氏梭菌发酵生产丁醇时，同时会产生丙酮，发酵液中终点的丁醇浓度通常不超过2.0％(w/v),丙酮浓度不超过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(Matsumura,M.,Kataoka,H.,Sueki,M.,Araki,K.Energysavingeffectofpervaporationusingoleylalcoholliquidmembraneinbutanolpurification.BioprocessEng.3：93-100，1988)。
可替代性分离技术如液-液萃取、气提、吸附等，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，提高发酵效率，是提高生物法生产丁醇的有效技术。但是目前利用这些分离技术进行分离，主要的问题是分离效率低，分离产物浓度低，因此，需要开发新技术对产物进行脱水提纯，提高分离效率。
渗透气化是近年来发展比较迅速的一种膜分离技术，它是利用膜对液体混合物中各组分的溶解性不同，及各组分在膜中的扩散速度不同从而得以达到分离目的。原则上适用于一切液体混合物的分离，具有一次性分离度高、设备简单、无污染、低能耗等优点，尤其是对于共沸和近沸的混合体系的分离、纯化具有特别的优势。
本发明制备了PVDF/PDMS渗透气化复合膜对含丁醇的水溶液及发酵液进行分离纯化，与PDMS纯质膜相比，可同时提高渗透通量和产物丁醇的浓度，降低分离成本。用PVDF/PDMS复合膜进行模拟发酵液和真实发酵液的分离，证实发酵液中细胞和其他成分的存在对该复合膜的分离性能并没有显著地影响，说明可用该复合膜与发酵耦合进行丁醇的原位分离。其中，渗透气化与发酵耦合的优势在于，通过偶联发酵系统在线分离丁醇，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、分离因子较高等优点(LiuG,WeiW,WuH,DongX,JiangM,JinW:PervaporationperformanceofPDMS/ceramiccompositemembraneinacetonebutanolethanol(ABE)fermentation–PVcoupledprocess.JournalofMembraneScience2011,373(1-2):121-129)。利用PVDF/PDMS复合膜膜对含丁醇溶液的高渗透通量和高选择性，纯化拜氏梭菌发酵得到的丁醇和丙酮产物，可以得到较高浓度的丁醇。到目前为止，未见使用PVDF/PDMS复合膜对丁醇进行分离纯化的报道和相关专利。
发明内容
一种分离纯化丁醇的方法，是一种用PVDF-PDMS复合膜分离纯化丁醇的方法，其包括以下步骤：
1)制备PVDF膜：以N,N-二甲基甲酰胺为溶剂溶解PVDF，可以选择聚乙烯吡咯烷酮和水为添加剂，加入到以N,N-二甲基甲酰胺为溶剂的PVDF铸膜液，离心除气泡；将铸膜液均匀涂抹在光滑平板上，膜厚度50-300μm，随后在25-60℃下进行水浴凝固制备得到PVDF膜；
2)制备PVDF/PDMS复合膜：将步骤1)得到的PVDF膜放于无纺布上作为支撑层，在其上涂覆PDMS铸膜液制备复合膜，PDMS与交联剂的质量比为10:1，可以选择正戊烷作为促溶剂；然后将该复合膜恒温干燥交联成膜，恒温干燥温度为80-120℃，时间3-12h；
3)分离纯化丁醇：将步骤2)得到的PVDF/PDMS复合膜置于膜池中分离纯化丁醇；丁醇溶液温度设定为30-80℃，原料液的流速为0.5-2.2L/min，透过侧压力为10-80kPa；用PVDF/PDMS复合膜与发酵过程耦合实现丁醇的在线分离。制备的PVDF/PDMS复合膜厚度为50-250μm，选择其对含有丁醇水溶液、丁醇丙酮乙醇混合溶液、丁醇发酵上清液、带菌体的发酵液等进行处理。丁醇溶液温度设定为30-80℃，发酵液温度均设定为37℃。原料液的流速为0.5-2.2L/min。
通过本发明的方法，在不增加设备投资和节省提纯能耗的前提下，有效提高了丁醇和丙酮的生产和分离提纯效率，为目前以生物法生产丁醇和丙酮为主的液体生物燃料和生物基化学品的生产和分离提纯提供了进一步技术支持。
附图说明
图1为PVDF/PDMS复合膜上表面的扫描电镜照片图。
图2为PVDF/PDMS复合膜下表面的扫描电镜照片图。
图3为PVDF/PDMS复合膜断面的扫描电镜照片图。
图4为发酵与渗透气化耦合的装置结构示意图。
图5为发酵渗透气化耦合20小时分离得到的产物丁醇浓度示意图。
图3中：1种子培养罐；2生物反应器；3冷肼；4膜池；5冷凝液储罐；6泵A；7泵B。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的实施例。
实施例
第一步，制备PVDF支撑膜
首先，配制PVDF铸膜液，准确称取3gPVDF和0.2g聚乙烯吡咯烷酮于50ml离心管中，然后加入22.4gN,N-二甲基甲酰胺和0.4g去离子水，先充分搅拌再进行超声震荡，使铸膜液混合均匀。将混匀的铸膜液离转速为10000g的条件下离心5min以除去铸膜液中的气泡。用刮刀将铸膜液均匀的涂覆在玻璃板上，置于37℃的凝固浴中(凝固浴所用液体为水)，待铸膜液固化成膜，将玻璃板取出，用吹风机吹去膜表面多余的水分和微量的有机液体。
第二部，制备PVDF/PDMS渗透气化膜，聚二甲基硅氧烷(PDMS)中的成胶剂基液和交联剂按10:1的比例混合。加入几滴正戊烷促溶解，转速10000g离心5分钟除气泡。然后用刮刀将制膜液均匀涂抹在上述制备的PVDF膜上，将带有制膜液的玻璃板放到100℃的烘箱中3小时成膜。最后从烘箱中取出玻璃板，剥离制备好的渗透气化膜，将其固定在膜池中，用于渗透气化分离操作。
第三步，培养丙酮丁醇生产菌
首先，如图1所示，在种子培养罐1中，使用种子培养基来培养丙酮丁醇生产菌。
对所述丙酮丁醇生产菌没有特别限制，可列举丙酮丁醇梭菌(Clostridiumacetobutylicum)、拜氏梭菌(Clostridiumbeijerinckii)、大肠杆菌(Escherichiacoli)或酪丁酸梭菌(Clostridiumtyrobutyricum)等生产丙酮丁醇的工程菌，优选拜氏梭菌。
所述种子培养基在使用之前，先通入氮气或其他惰性气体10分钟进行除氧处理后，再在121℃灭菌30分钟，冷却到室温后，接入丙酮丁醇生产菌。
将丙酮丁醇生产菌培养到生长最活跃的对数生长期。为了将丙酮丁醇生产菌培养到对数生长期，培养时间为12-18h，优选为15h；培养温度为35-39℃，优选为37℃。
第四步，丙酮丁醇生产菌发酵得到丁醇和丙酮
然后，将上述步骤中得到的含有丙酮丁醇生产菌的种子液从种子培养罐1经泵6接入到搅拌式生物反应器2中的发酵培养基，开始发酵。
发酵培养基是为丙酮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丙酮丁醇生产菌种子之前，在121℃灭菌30分钟后，通入氮气或其他惰性气体2h进行除氧处理，冷却到室温后，接入丙酮丁醇生产菌。
丙酮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)。
发酵温度为35-39℃，优选为37℃。发酵过程中的pH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。
第五步，利用渗透气化提纯法从发酵液中在线分离纯化丁醇和丙酮
对于发酵-渗透气化耦合法，即一边进行发酵产生丁醇和丙酮，一边从发酵液中分离纯化丁醇和丙酮，从而使发酵液中的丁醇和丙酮不断被移除，降低丁醇和丙酮对细胞的毒害。利用丁醇，丙酮和水在渗透气化膜中溶解和扩散能力的差别，丁醇和丙酮较多的溶解在膜上，并扩散通过膜，在膜的另一侧气化而被抽出，获得高浓度的丁醇和丙酮。
对于发酵-渗透气化耦合装置，当搅拌式生物反应器2中的丁醇达到一定浓度后，启动泵5开始渗透气化，得到的丁醇和丙酮的冷凝液在冷肼中。膜透过液的冷凝通常选取液氮，也可以选取冷凝装置进行冷凝，如果选取冷凝装置冷凝，冷凝温度在-30-+15℃，膜透过液一侧的真空度优先10–80kPa。
对发酵液进行渗透气化分离，可以将丁醇浓度由1％提高到10％左右，丙酮浓度由0.4％提高到5-6％。
如上所述，本发明制备的PVDF/PDMS复合膜可以有效的达到发酵过程中毒性抑制产物丁醇和丙酮的不断移除和有效回收与浓缩的双重目的，提高了丁醇和丙酮的生产效率，降低了丁醇和丙酮的回收成本，提高了发酵法生产丁醇和丙酮的经济收益，适合于推广应用。
对比例
渗透气化膜的制备：聚二甲基硅氧烷(PDMS)从购于美国道康宁公司(Dowcorning)。PVDF从上海三爱富新材料股份有限公司购买。N,N-二甲基甲酰胺和聚乙烯吡咯烷酮分别购买于广东光华化学厂有限公司和北京奥博星生物技术责任有限公司。
丙酮丁醇生产菌：拜氏梭菌(Clostridiumacetobutylicum)，购买于美国ATCC菌种库(ATCCnumber：55025-E604)。
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。
丙酮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10分钟，然后在121℃灭菌30分钟，冷却到室温后，接入生产菌。将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℃灭菌30分钟，然后通入氮气除氧2h，冷却到室温后，通过泵6将含有生产菌的种子液(发酵培养基体积的10％)泵入搅拌式生物反应器2中在37℃的条件下开始发酵，当发酵液pH低于5.0后，自动流加氨水溶液，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。
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。
对比例1：100μmPDMS纯质膜的分离性能
按上述方法制备厚度为100μm的PDMS纯质膜，配制不同浓度的丁醇溶液(5-25g/L)，选择不同的温度(30-80℃)，测定该膜的分离性能。然后配制丁醇：丙酮：乙醇＝6:3:1，丁醇浓度为15g/L的模拟发酵液，并用离心后的发酵上清液和带菌体的真实发酵液(丁醇浓度调整至15g/L)作为原料液测定膜的分离性能。其结果如表1
表1(丁醇浓度均为15g/L，温度均为37℃)
对比例2：200μmPDMS纯质膜的分离性能
按上述方法制备厚度为100μm的PDMS纯质膜，配制不同浓度的丁醇溶液(5-25g/L)，选择不同的温度(30-80℃)，测定该膜的分离性能。然后配制丁醇：丙酮：乙醇＝6:3:1，丁醇浓度为15g/L的模拟发酵液，并用离心后的发酵上清液和带菌体的真实发酵液(丁醇浓度调整至15g/L)作为原料液测定膜的分离性能。
实施例1：用PVDF/PDMS复合膜分离丁醇水溶液
按上述方法制备PVDF/PDMS复合膜，用于37℃条件下不同浓度的丁醇水溶液的分离。得到原料液为15g/L，温度为37℃条件下得到的产物丁醇浓度为199.04g/L，总通量为158.24g/m2·h。
与对比例1相比，100μm的PDMS纯质膜得到的产物丁醇浓度为100.42g/L，总通量为45.62g/m2·h。总厚度为200μm的PVDF/PDMS复合膜不仅对丁醇水溶液的通量增长了两倍多，得到的丁醇的浓度也增长了近一倍，说明多孔支撑层不仅会对膜通量有影响，也会影响膜对丁醇的分离因子。
与对比例2相比，在膜厚度相同的条件下，PVDF/PDMS复合膜的分离性能明显的优于PDMS纯质膜(总通量提高3.0倍，产物丁醇浓度提高0.9倍)。
实施例2：用PVDF/PDMS复合膜分离ABE溶液
按实例1中的方法制备PVDF/PDMS复合膜，用于37℃条件下丁醇浓度为15g/L，丁醇：丙酮：乙醇＝6:3:1的ABE溶液的分离。得到的产物丁醇浓度为170.79g/L，总通量为189.54g/m2·h。
与对比例1相比，其结果与分离丁醇水溶液得到的结果类似，说明丙酮和乙醇的存在对该渗透气化膜的分离性能没有明显地影响。
与对比例2相比，在厚度相同的条件下，PVDF/PDMS复合膜在分离ABE溶液时同样表现出了优于PDMS纯质膜的分离性能，进一步验证了多孔支撑层对膜分离性能的影响。
实施例3：用PVDF/PDMS复合膜分离发酵上清液和带菌体的发酵液
按实例1中的方法制备PVDF/PDMS复合膜，用于37℃条件下丁醇浓度为15g/L的发酵上清液和带菌体的发酵液中丁醇的分离，得到的产物丁醇浓度分别为196.38g/L和194.41g/L，总通量分别为120.18g/m2·h和122.11g/m2·h。发酵液中其他成分的存在对膜的分离因子影响不大，但是会降低膜通量。
与对比例1相比，在分离发酵上清液和带菌体的发酵液时，产物丁醇的浓度均提高了近一倍，虽然发酵液中其他成分的存在降低了膜通量，但是与PDMS纯质膜相比，PVDF/PDMS复合膜对发酵液的分离通量仍然提高了两倍多。
与对比例2相比，其结果与和对比例1相比时相近。
实施例4：发酵与渗透气化耦合
按上述方法进行丙酮丁醇生产菌的培养和发酵。当发酵液中的丁醇浓度达到5g/L左右时启动渗透气化装置，及时将发酵液中的丁醇分离出来降低丁醇毒性。当发酵液中的糖浓度低于20g/L时，以2g/h的速度补加高浓度的葡萄糖溶液。每4小时收集产物并测定丁醇的浓度。在渗透气化开始20小时内收集到产物丁醇的浓度如图5。
由上可知，在PDMS纯质膜的基础上添加PVDF多孔支撑层可以有效提高膜对丁醇的分离因子和总通量。用渗透气化膜直接在发酵过程中分离丁醇，发酵液中其他成分和细胞的存在对渗透气化膜的分离性能没有明显的影响。与传统的气提法分离丁醇相比，PVDF/PDMS渗透气化膜可以有效提高产物中丁醇的浓度。。由于最终产物中含有较高浓度的丁醇，极易通过简单的脱水处理如精馏，蒸馏或膜分离获得纯丁醇。本发明制备的PVDF/PDMS渗透气化膜在渗透气化过程中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。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 (4)
1.一种用聚偏氟乙烯-聚二甲基硅氧烷复合膜分离纯化丁醇的方法，其特征在于具体步骤如下：
第一步，制备PVDF支撑膜
首先，配制PVDF铸膜液，称取3gPVDF和0.2g聚乙烯吡咯烷酮于50ml离心管中，然后加入22.4gN,N-二甲基甲酰胺和0.4g去离子水，先充分搅拌再进行超声震荡，使铸膜液混合均匀；将混匀的铸膜液离转速为10000g的条件下离心5min以除去铸膜液中的气泡；用刮刀将铸膜液均匀的涂覆在玻璃板上，置于37℃的凝固浴中，待铸膜液固化成膜，将玻璃板取出，用吹风机吹去膜表面多余的水分和微量的有机液体；
第二步，制备PVDF/PDMS渗透气化膜，聚二甲基硅氧烷中的成胶剂基液和交联剂按10:1的比例混合；加入几滴正戊烷促溶解，转速10000g离心5分钟除气泡；然后用刮刀将制膜液均匀涂抹在上述制备的PVDF膜上，将带有制膜液的玻璃板放到100℃的烘箱中3小时成膜；最后从烘箱中取出玻璃板，剥离制备好的渗透气化膜，将其固定在膜池中，用于渗透气化分离操作；
第三步，用于37℃条件下不同浓度的丁醇水溶液的分离，得到原料液为15g/L，温度为37℃条件下得到的产物丁醇浓度为199.04g/L，总通量为158.24g/m2·h。
2.一种用聚偏氟乙烯-聚二甲基硅氧烷复合膜分离纯化丁醇的方法，其特征在于：按照权利要求1中所述方法制备PVDF/PDMS渗透气化膜，用于37℃条件下丁醇浓度为15g/L，丁醇：丙酮：乙醇=6:3:1的ABE溶液的分离；得到的产物丁醇浓度为170.79g/L，总通量为189.54g/m2·h。
3.一种用聚偏氟乙烯-聚二甲基硅氧烷复合膜分离纯化丁醇的方法，其特征在于：按照权利要求1中所述方法制备PVDF/PDMS渗透气化膜，用于37℃条件下丁醇浓度为15g/L的发酵上清液和带菌体的发酵液中丁醇的分离，得到的产物丁醇浓度分别为196.38g/L和194.41g/L，总通量分别为120.18g/m2·h和122.11g/m2·h。
4.一种用聚偏氟乙烯-聚二甲基硅氧烷复合膜分离纯化丁醇的方法，其特征在于具体步骤如下：
第一步，制备PVDF支撑膜
首先，配制PVDF铸膜液，称取3gPVDF和0.2g聚乙烯吡咯烷酮于50ml离心管中，然后加入22.4gN,N-二甲基甲酰胺和0.4g去离子水，先充分搅拌再进行超声震荡，使铸膜液混合均匀；将混匀的铸膜液离转速为10000g的条件下离心5min以除去铸膜液中的气泡；用刮刀将铸膜液均匀的涂覆在玻璃板上，置于37℃的凝固浴中，待铸膜液固化成膜，将玻璃板取出，用吹风机吹去膜表面多余的水分和微量的有机液体；
第二步，制备PVDF/PDMS渗透气化膜，聚二甲基硅氧烷中的成胶剂基液和交联剂按10:1的比例混合；加入几滴正戊烷促溶解，转速10000g离心5分钟除气泡；然后用刮刀将制膜液均匀涂抹在上述制备的PVDF膜上，将带有制膜液的玻璃板放到100℃的烘箱中3小时成膜；最后从烘箱中取出玻璃板，剥离制备好的渗透气化膜，将其固定在膜池中，用于渗透气化分离操作；
第三步，培养丙酮丁醇生产菌
首先，在种子培养罐中，使用种子培养基来培养丙酮丁醇生产菌；所述丙酮丁醇生产菌选自丙酮丁醇梭菌、拜氏梭菌、大肠杆菌或酪丁酸梭菌；
所述种子培养基在使用之前，先通入氮气或其他惰性气体10分钟进行除氧处理后，再在121℃灭菌30分钟，冷却到室温后，接入丙酮丁醇生产菌；
将丙酮丁醇生产菌培养到生长最活跃的对数生长期；为了将丙酮丁醇生产菌培养到对数生长期，培养时间为12-18h；培养温度为35-39℃；
第四步，丙酮丁醇生产菌发酵得到丁醇和丙酮
将上述步骤中得到的含有丙酮丁醇生产菌的种子液从种子培养罐经泵接入到搅拌式生物反应器中的发酵培养基，开始发酵；发酵培养基中的碳源为葡萄糖；
所述发酵培养基在接入丙酮丁醇生产菌种子之前，在121℃灭菌30分钟后，通入氮气或其他惰性气体2h进行除氧处理，冷却到室温后，接入丙酮丁醇生产菌；丙酮丁醇生产菌的接入量为培养基体积百分比的5-10%；发酵温度为35-39℃；发酵过程中的pH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；
第五步，当发酵液中的丁醇浓度达到5g/L左右时启动渗透气化装置，及时将发酵液中的丁醇分离出来降低丁醇毒性；当发酵液中的糖浓度低于20g/L时，以2g/h的速度补加高浓度的葡萄糖溶液；每4小时收集产物并测定丁醇的浓度。
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