CN104974013B

CN104974013B - 一种利用连续色谱技术分离丁醇发酵液的工艺

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Publication number: CN104974013B
Application number: CN201510282266.4A
Authority: CN
Inventors: 应汉杰; 吴菁岚; 柯旭; 周精卫; 庄伟�; 陈勇
Original assignee: Nanjing Tech University
Current assignee: Nanjing Tech University
Priority date: 2015-05-28
Filing date: 2015-05-28
Publication date: 2017-03-15
Anticipated expiration: 2035-05-28
Also published as: CN104974013A

Abstract

本发明公开了一种利用连续色谱技术分离丁醇发酵液的工艺，所述的丁醇发酵液为ABE发酵液，其特征在于，将丁醇发酵液经过过滤和超滤处理后，得到的清液泵入装有疏水性大孔聚合物吸附剂的连续分离装置中进行吸附，再用乙醇作为解吸剂进行解吸，即可得产品丁醇，以纯水作为再生剂进行吸附剂再生。本发明利用丙酮、乙醇、丁醇三组分间的吸附、洗脱竞争作用，通过连续装置实现丁醇分离纯化的目的，产品液上层中的丁醇可高达29～32wt％以上，纯度91％以上，平均收率99％，提取液体积减少，提取液中的溶剂是丁醇发酵液中自产的乙醇或丙酮，提取过程中不添加其他任何组分，为进一步通过传统精馏法回收各组分节省了大量的能耗。

Description

一种利用连续色谱技术分离丁醇发酵液的工艺

技术领域

本发明属于生物技术加工领域，具体涉及利用连续色谱技术从丁醇发酵液中提取丁醇的方法。

背景技术

丁醇(正丁醇或1-丁醇)及其衍生物是重要的化工原料，广泛应用于食品、医药、农业、化工能源等领域。丁醇主要用于生产丙烯酸丁酯和甲基丙烯酸丁酯类增塑剂，用于各种塑料和橡胶行业中，约占丁醇消费总量的40％；丁醇还可用于药物的合成，如抗生素、维生素和激素等，以及作为，香料的萃取剂，制动液的最佳稀释剂。由于丁醇的能量密度、空燃比、汽化热和辛烷值都和汽油比较接近，可以在不对现有汽油发动机燃料混合系统进行彻底改造的前提下，以一定比例与汽油混用，是一种极具潜力的新型生物燃料。

现有丁醇制备方法主要有化学合成法和微生物发酵法。近年来随着国际石油价格的剧烈波动以及石油等化石资源的不可再生，微生物发酵法制备丁醇成为主要的研究方向。微生物发酵法是利用可再生的生物质能源(纤维素、淀粉、糖蜜等)为原料，在丙酮-丁醇梭菌作用下得到丙酮(Acetone)、乙醇(Ethanol)和丁醇(Butanol)发酵液，该发酵过程也称为ABE发酵。整个发酵过程会受到严重的产物抑制作用，会导致发酵的总溶剂质量分数≤2％，因此必须开发有效、经济的方法将产物丁醇及时地从发酵液中移出，降低产物抑制，从而提高发酵效率与时空效率，降低工业成本。

为了获得商品化的丁醇，采用常规精馏方法直接分离发酵液中的1.2％的丁醇，能耗需求高，生产1t溶剂需要消耗蒸汽10～15t，水50～70t。当丁醇浓度由10g/L提升至40g/L，所消耗的能量可以降低几个数量级。针对生物丁醇下游工艺中存在能耗高的问题，目前应用在丁醇产业上的主要分离方法有：气提法(gas stripping)、液液萃取法(liquid-liquid extraction)、渗透气化法(pervaporation)和吸附法(adsorption)(Groot W,Vander Lans R,Luyben K.Technologies for butanol recovery integrated withfermentations)。Qureshi，N.等(Qureshi，N.，et al.，Bioprocess and BiosystemsEnfineering)从能耗方面考虑用吸附-解吸方法回收生物丁醇，主要考察了活性炭、骨炭、硅质岩、高分子树脂XAD-4和XAD-7等一些吸附介质的吸附性能。但吸附容量较低，丁醇的总回收率低下。Liu等(Liu F,Liu L,Feng X.Separation of acetone-butanol-ethanol(ABE)from dilute aqueous solutions by pervaporation)利用聚醚嵌段酰胺共聚物膜分离ABE发酵液，但渗透汽化法分离生物丁醇受膜材料本身性质的影响比较大，成本较高。DIJK(WO 2008/095896A1)等采用一种超高交联度的微孔树脂分离生物丁醇，但是该树脂对丙酮、乙醇同时具有一定的吸附量，增大了后期ABE分离工艺的费用。

现有的连续色谱技术多采用四段式的操作方式，即吸附、洗杂、解吸、再生。吸附段中所需组分与杂质均会被树脂吸附，随着吸附过程的进行，弱吸附组分会被强吸附组分置换出来，因在连续工艺中，树脂的切换方向与料液的流动方向相反，强吸附组分会随着树脂的转动进入后续阶段，而弱吸附组分则会随着料液的流动流出树脂柱。洗杂段主要是除去树脂颗粒外空隙中的这部分料液，传统洗杂剂多用水。经过洗杂段洗涤的负载树脂进入洗脱段进行洗脱操作。洗脱完成后再进行树脂的再生。在连续分离系统运行时，吸附、洗杂、洗脱和再生4个工序是同步开始的，不存在非活性树脂，树脂使用率大大提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种从丁醇发酵液中提取丁醇的方法，以解决丁醇产业中下游分离难题，并极大降低了丁醇分离过程中的能耗，实现丁醇的规模清洁化生产。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种利用连续色谱技术分离丁醇发酵液的工艺，所述的丁醇发酵液为ABE发酵液，将丁醇发酵液经过过滤和超滤处理后，得到的清液泵入装有疏水性大孔聚合物吸附剂的连续分离装置中进行吸附，再用乙醇作为解吸剂进行解吸，即可得产品丁醇，以纯水作为再生剂进行吸附剂再生。

其中，按照现有技术描述的所有丁醇发酵菌进行发酵，所得到的ABE发酵液都可以采用本发明分离方法进行处理。所述的ABE发酵液优选由丙酮丁醇梭菌发酵，以果糖为底物，在厌氧环境下制备得到。

其中，所述的超滤，使用截留分子量为5000～10000Dalton的超滤膜。

其中，超滤后得到的清液中，丁醇的含量为8～12g/L。

其中，所述的疏水性大孔聚合物吸附剂为弱极性树脂，以聚苯乙烯二乙基苯为骨架，功能基团为酯基。

其中，所述的疏水性大孔聚合物吸附剂的内表面积为850～900m²/g，平均粒径为0.6～0.8mm，孔径为14.5～15.5nm，孔容为0.22～0.66cm³/g，空隙率为65％，湿密度为1.02～1.08g/L，含水量为40～70wt％。

其中，所述的连续分离装置，由10～30根装填有吸附剂的树脂柱串联方式组成，通过组合式阀门将整个系统分为吸附、解吸和再生三个工段，按顺序切换，将吸附丁醇饱和后的树脂柱移出吸附段送入解吸段进行解吸，解吸段末根树脂柱出口处收集产品液，解吸丁醇完成后移出解吸段送入再生段进行再生，再生清洗完成后移出再生段送入吸附段再进行吸附，如此循环的操作过程，且每个工段的第1根树脂柱的状态切换同步进行，并保证至少有一根树脂柱处于吸附阶段。

优选的是，吸附段由4～12根树脂柱组成，吸附流速为12～21BV/h；解吸段由3～10根树脂柱组成，解吸流速为1.4～2.0BV/h；再生段由2～8根树脂柱组成，再生流速为1.2～1.8BV/h。

更优选的是，树脂柱由吸附段转至解吸段前，并不进入洗杂段，而是将存在于树脂床层空隙体积中的料液以1.0～1.5BV/h的流量排空，避免了用水洗杂造成的产品液浓度降低、后续精馏工艺能耗的增加和高树脂用量。同时将排出的料液循环至原料液中重新进入吸附段吸附。树脂柱排空后进入解吸段前，用收集的产品液以1.0～1.5BV/h流量浸润树脂，再开始解吸。

更优选的是，解吸丁醇完成后的树脂柱进入再生段前，存留于树脂床层空隙体积中的解吸剂以1.0～1.5BV/h流量排空，将排出的液体继续用作解吸剂。树脂柱排空后进入再生段前，用纯水以1.0～1.5BV/h流量浸润树脂，再进行下一步再生。

其中，所述的产品液静置分层，下层溶液返回至原料液中继续进入吸附段吸附。

其中，所述的连续分离装置各工段切换时间为20～50min。

有益效果：与现有技术相比，本发明提供了一种分离提取丁醇的方法，其优点在于：

1)本发明通过分析ABE发酵液丙酮、乙醇、丁醇三组分间吸/脱附竞争关系，设计出一种性能优良的连续色谱分离工艺，该工艺能较好的分离发酵液中的丁醇，丁醇收率99％以上、纯度93％以上，丁醇提浓24～32倍。

2)采用连续色谱技术分离发酵液中的丁醇提高了设备利用率，优化了分离工艺，步骤简单，解吸出来的产品液中丁醇浓度高，产品品质有所保证。

3)较固定床分离法，本发明可实现树脂用量节约30～50％，解吸剂、再生剂的用量节约25～40％，操作费用节约40～60％，投资费用节约40～50％，所有操作均可在室温下进行，大大降低了分离过程的能耗。

4)本发明的连续分离工艺简便易行，设备投资、运行成本低廉，并可进行工艺放大，实现从公斤级到吨级的分离，效果好。废水排放量低，避免环境污染问题，是一种清洁高效的生产工艺，不仅可用于ABE的分离，还可应用于其他糖类、醇类等大众化学品的分离提纯。

附图说明

图1本发明实施例2连续分离工艺示意图；

图2本发明实施例3连续分离工艺示意图；

图3本发明实施例4连续分离工艺示意图。

具体实施方法

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

以下实施例中使用外标法对料液中的丙酮、乙醇、丁醇浓度进行检测，色谱条件为：

1)检测器：Agilent 1200型高效液相色谱仪-示差检测器；

2)色谱柱：Bio-radHPX-87H(300mm×7.5mm i.d.,5μm)；

3)流动相：0.5mmol/L硫酸；

4)流速：0.5mL/min；

5)柱温：15℃；

6)进样体积：20μL。

检测方法及步骤：

1)色谱柱的平衡：配置好的流动相0.5mmol/L硫酸用孔径0.22μm的混合微孔滤膜过滤，再进行超声处理30min。用处理好的流动相以0.5mL/min的流速冲洗色谱柱，同时开启柱温箱，开始采集基线，待基线趋于直线时，平衡结束。

2)样品的检测：按照色谱条件编写进样序列及方法，将过膜处理后的标准品及样品按照进样序列置于自动进样器的相应位置上，开始进样并收集图谱信息。

使用以下公式计算解吸后的丁醇的收率：

收率(％)＝m_解吸/m_进*100％

其中m_解吸、m_进分别表示为丁醇在吸附段进样与解吸段流出的质量之比。

以下实施例，所使用的疏水性大孔聚合物吸附剂(简称KA-I)为：弱极性树脂，以聚苯乙烯二乙基苯为骨架，功能基团为酯基。所述的疏水性大孔聚合物吸附剂的内表面积为850～900m²/g，平均粒径为0.6～0.8mm，孔径为14.5～15.5nm，孔容为0.22～0.66cm³/g，空隙率为65％，湿密度为1.02～1.08g/L，含水量为40～70wt％。树脂厂家可以根据上述条件自行合成。

以下实施例所用连续分离装置，由10～30根装填有吸附剂的树脂柱串联方式组成，通过组合式阀门将整个系统分为吸附、解吸和再生三个工段，按顺序切换，将吸附丁醇饱和后的树脂柱移出吸附段送入解吸段进行解吸，解吸段末根树脂柱出口处收集产品液，解吸丁醇完成后移出解吸段送入再生段进行再生，再生清洗完成后移出再生段送入吸附段再进行吸附，如此循环的操作过程，且每个工段的第1根树脂柱的状态切换同步进行，并保证至少有一根树脂柱处于吸附阶段，吸附段由4～12根树脂柱组成，吸附流速为12～21BV/h；解吸段由3～10根树脂柱组成，解吸流速为1.4～2.0BV/h；再生段由2～8根树脂柱组成，再生流速为1.2～1.8BV/h。

实施例1：ABE发酵液的获得。

由丙酮丁醇梭菌Clostridium acetobutylicum B3(CGMCC NO.5234，记载于中国专利CN103320335A中)发酵所得，其培养基组成：碳源和氮源：60g/L Glucose，2.2g/LCH₃COONH₄，1.0g/L玉米浆；金属离子：0.01g/L Nacl，0.2g/L MgSO₄，0.01g/L MnSO₄，0.01g/L FeSO₄；缓冲体系：0.5g/L KH₂PO₄，0.5g/L K₂HPO₄；维生素：对氨基苯甲酸1mg/L，硫胺1mg/L，生物素0.01mg/L；碳源、氮源和缓冲体系于121℃灭菌15min后静置冷却至37℃，金属离子与维生素用0.22μm的滤膜过滤除菌。接入菌种的培养基均通入N₂2～7min，维持无氧环境，37℃厌氧培养50h。

将所得的发酵液先进行粗过滤，用截留量分子量为5000～10000Dalton的超滤膜进行超滤，以除去菌体、蛋白质和多糖等杂质，清液备用。所得清液中丙酮6g/L，乙醇2g/L，丁醇12g/L。

实施例2：连续色谱分离ABE发酵液。

采用由10根树脂柱构成的连续分离系统(图1)，吸附段为5根，解吸段为3根，再生段为2根。每根树脂柱装填90g树脂(KA-I)，树脂柱直径3.0cm，高度24cm。预处理后的ABE发酵液上柱，上柱浓度：丁醇12g/L，乙醇2g/L，丙酮6g/L，吸附流量14BV/h，吸附容量为0.14g/g湿树脂；在开始解吸前，将树脂床层空隙体积中的料液以1.0BV/h的流量排空，将排出的料液循环至原料液中重新进入吸附段吸附。树脂柱排空后进入解吸段前，用收集的产品液以1.0BV/h流量浸润树脂，再开始解吸。解吸段解吸剂为纯乙醇，流量1.8BV/h，解吸完全(用HPLC检测确定解吸段第一根柱解吸完全)；在进入再生前，存留于树脂床层空隙体积中的解吸剂以1.0BV/h流量排空，将排出的液体继续用作解吸剂。树脂柱排空后进入再生段前，用纯水以1.0BV/h流量浸润树脂，再进行下一步再生。向位于再生段的树脂柱中泵入纯水进行再生，流量1.5BV/h。收集的解吸流出液用HPLC检测ABE三组分浓度，得到纯度为93.42％的产品丁醇301.74g/L，收率为99.23％。

实施例3：连续色谱分离ABE发酵液。

采用由12根树脂柱构成的连续分离系统(图2)，吸附段为6根，解吸段为3根，再生段为3根。每根树脂柱装填80g树脂(KA-I)，树脂柱直径3.0cm，高度22cm。预处理后的ABE发酵液上柱，上柱浓度：丁醇12g/L，乙醇2g/L，丙酮6g/L，吸附流量16BV/h，吸附容量为0.14g/g湿树脂；在开始解吸前，将树脂床层空隙体积中的料液以1.2BV/h的流量排空，将排出的料液循环至原料液中重新进入吸附段吸附。树脂柱排空后进入解吸段前，用收集的产品液以1.2BV/h流量浸润树脂，再开始解吸。解吸段解吸剂为纯乙醇，流量1.8BV/h，解吸完全(用HPLC检测确定解吸段第一根柱解吸完全)；在进入再生前，存留于树脂床层空隙体积中的解吸剂以1.2BV/h流量排空，将排出的液体继续用作解吸剂。树脂柱排空后进入再生段前，用纯水以1.2BV/h流量浸润树脂，再进行下一步再生。向位于再生段的树脂柱中泵入纯水进行再生，流量1.4BV/h。收集的解吸流出液用HPLC检测ABE三组分浓度，得到纯度为93.53％的产品丁醇296.03g/L，收率为99.37％。

实施例4：连续色谱分离ABE发酵液。

采用由20根树脂柱构成的连续分离系统(图3)，吸附段为10根，解吸段为6根，再生段为4根。每根树脂柱装填120g树脂(KA-I)，树脂柱直径4.0cm，高度18cm。预处理后的ABE发酵液上柱，上柱浓度：丁醇12g/L，乙醇2g/L，丙酮6g/L，吸附流量20BV/h，吸附容量为0.14g/g湿树脂；在开始解吸前，将树脂床层空隙体积中的料液以1.5BV/h的流量排空，将排出的料液循环至原料液中重新进入吸附段吸附。树脂柱排空后进入解吸段前，用收集的产品液以1.5BV/h流量浸润树脂，再开始解吸。解吸段解吸剂为纯乙醇，流量1.8BV/h，解吸完全(用HPLC检测确定解吸段第一根柱解吸完全)；在进入再生前，存留于树脂床层空隙体积中的解吸剂以1.5BV/h流量排空，将排出的液体继续用作解吸剂。树脂柱排空后进入再生段前，用纯水以1.5BV/h流量浸润树脂，再进行下一步再生。向位于再生段的树脂柱中泵入纯水进行再生，流量1.6BV/h。收集的解吸流出液用HPLC检测ABE三组分浓度，得到纯度为93.27％的产品丁醇307.26g/L，收率为99.19％。

对比例1：单柱固定床实验与本发明的连续分离系统对比。

与实施例2对比，进行单柱固定床吸附，解吸和再生实验，树脂(KA-I)填充量90g，柱直径3cm，高度24cm。预处理后的ABE发酵液上柱，上柱浓度：丁醇12g/L，乙醇2g/L，丙酮6g/L，吸附流量为1.5BV/h，吸附容量为0.14g/g湿树脂；解吸段为纯丁醇，解吸流量为2.5BV/h，解吸完全(用HPLC检测确定无丁醇流出)；泵入纯水至树脂柱中进行再生。收集的产品液中丁醇平均浓度仅为77.36g/L，较发酵液提浓倍数为6.45倍。

通过实施例2～4与对比例1可以看出，本发明的分离工艺简便易行，产品纯度与浓度均高于对比例，且采用连续分离的方式运行成本低廉，处理量大。

对比例2：解吸前树脂柱不排空与排空对比。

与实施例1相比，该连续分离系统在吸附完全后直接进行解吸(不排空液体)，解吸完全再直接进行再生(不排空液体)，吸附段为5根，解吸段为3根，再生段为2根。每根树脂柱装填90g树脂(KA-I)，树脂柱直径3.0cm，高度24cm。预处理后的ABE发酵液上柱，上柱浓度：丁醇12g/L，乙醇2g/L，丙酮6g/L，吸附流量14BV/h，吸附容量为0.14g/g湿树脂；解吸段解吸剂为纯乙醇，流量1.8BV/h，解吸完全(用HPLC检测确定解吸段第一根柱解吸完全)；向位于再生段的树脂柱中泵入纯水进行再生，流量1.5BV/h。收集的解吸流出液用HPLC检测ABE三组分浓度，得到纯度为93.37％的产品丁醇113.58g/L，收率为99.31％。

通过实施例2与对比例2可以看出，本发明的排空优势在于可明显提高产品液中的丁醇浓度，为后续的精馏工艺有效降低能耗，且排空液还可回流至吸附段进行循环利用。

Claims

1.一种利用连续色谱技术分离丁醇发酵液的工艺，所述的丁醇发酵液为ABE发酵液，其特征在于，将丁醇发酵液经过过滤和超滤处理后，得到的清液泵入装有疏水性大孔聚合物吸附剂的连续分离装置中进行吸附，再用乙醇或丙酮作为解吸剂进行解吸，即可得产品丁醇，以纯水作为再生剂进行吸附剂再生；

所述的连续分离装置，由10～30根装填有吸附剂的树脂柱串联方式组成，通过组合式阀门将整个系统分为吸附、解吸和再生三个工段，按顺序切换，将吸附丁醇饱和后的树脂柱移出吸附段送入解吸段进行解吸，解吸段末根树脂柱出口处收集产品液，解吸丁醇完成后移出解吸段送入再生段进行再生，再生清洗完成后移出再生段送入吸附段再进行吸附，如此循环的操作过程，且每个工段的第1根树脂柱的状态切换同步进行，并保证至少有一根树脂柱处于吸附阶段；

树脂柱由吸附段转至解吸段前，并不进入洗杂段，而是将存在于树脂床层空隙体积中的料液直接以1.0～1.5BV/h的流量排空，同时排出的料液循环至原料液中重新进入吸附段吸附；树脂柱排空后进入解吸段前，用收集的产品液以1.0～1.5BV/h流量浸润树脂，再开始解吸；

解吸丁醇完成后的树脂柱进入再生段前，存留于树脂床层空隙体积中的解吸剂以1.0～1.5BV/h流量排空，将排出的液体继续用作解吸剂；树脂柱排空后进入再生段前，用纯水以1.0～1.5BV/h流量浸润树脂，再进行下一步再生。

2.根据权利要求1所述的利用连续色谱技术分离丁醇发酵液的工艺，其特征在于，所述的超滤，使用截留分子量为5000～10000Dalton的超滤膜。

3.根据权利要求1所述的利用连续色谱技术分离丁醇发酵液的工艺，其特征在于，超滤后得到的清液中，丁醇的含量为8～12g/L。

4.根据权利要求1所述的利用连续色谱技术分离丁醇发酵液的工艺，其特征在于，所述的疏水性大孔聚合物吸附剂为：弱极性树脂，以聚苯乙烯二乙基苯为骨架，功能基团为酯基。

5.根据权利要求1或4所述的利用连续色谱技术分离丁醇发酵液的工艺，其特征在于，所述的疏水性大孔聚合物吸附剂的内表面积为850～900m²/g，平均粒径为0.6～0.8mm，孔径为14.5～15.5nm，孔容为0.22～0.66cm³/g，空隙率为65％，湿密度为1.02～1.08g/L，含水量为40～70wt％。

6.根据权利要求1或4所述的利用连续色谱技术分离丁醇发酵液的工艺，其特征在于，所述的解吸剂乙醇或丙酮来源于ABE发酵液中自产的乙醇或丙酮，不引入其他化学组分。

7.根据权利要求1所述的利用连续色谱技术分离丁醇发酵液的工艺，其特征在于，吸附段由4～12根树脂柱组成，吸附流速为12～21BV/h；解吸段由3～10根树脂柱组成，解吸流速为1.4～2.0BV/h；再生段由2～8根树脂柱组成，再生流速为1.2～1.8BV/h，各工段切换时间为20～50min。