CN106660904B - 用于从发酵培养基中萃取乙醇的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明是针对一种用于使用发酵生产有机化合物的系统和方法，其中在该系统内再循环该系统的多种组分。该系统和方法允许在连续系统中从发酵培养基中萃取高浓度的该有机化合物，该连续系统允许使生物质、水性发酵培养基和萃取溶剂再循环。该系统和方法特别地很好地适配用于生产并且萃取乙醇。

Description

用于从发酵培养基中萃取乙醇的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年7月11日提交的美国临时专利申请号62/023,467的权益，将该临时专利申请的全部内容通过此引用而结合。

关于联邦资助的研究和合作研究的声明

本发明的研究部分地由美国能源部(United States Department of Energy)基金号DE-FG36-08GO18134来提供资金，并且是在35U.S.C.§103(c)的意义内与明尼苏达矿业公司(Minnesota Mining Company)(3M)的联合研究协议的一部分。

发明领域

本发明涉及用于通过发酵生产有机分子如乙醇的方法和系统，特别地涉及从发酵培养基中回收乙醇的方法，并且还更特别地涉及通过将乙醇穿过半渗透膜分配到有机溶剂中回收乙醇。

背景

在体积基础上，酒精发酵代表了用于生产传统酒精饮料(葡萄酒、啤酒、烈性酒精饮料等)以及工业和燃料乙醇的工业生物技术的最大领域之一。用于发酵的原料典型地是糖源，如衍生自玉米淀粉的葡萄糖或者来自甜菜和甘蔗(它们是可再生的农作物)的蔗糖。燃料乙醇与常规的化石衍生的燃料竞争、或者至少充当常规的化石衍生的燃料的补充，但是没有环境影响，因为相比通过生长的农作物从大气中吸收碳，没有更多的碳通过燃烧乙醇排放至大气内。然而，为了与常规化石燃料竞争并且被更广泛地适配，从可再生的农作物生产乙醇的成本需要被减少并且通过该乙醇生产工艺本身排放的二氧化碳也需要被减少以便降低环境影响。

燃料等级乙醇生产的最昂贵组成部分之一是对于从其中制作乙醇的水性发酵培养基中蒸馏该乙醇所要求的能量。典型地，用于蒸馏的能量是从常规化石燃料获得的。因此，可以从降低蒸馏附带的能量成本实现的任何节省将同时降低乙醇生产的成本以及其生产附带的二氧化碳排放。

乙醇生产的蒸馏成本是高的原因之一是构成该发酵培养基的水具有乙醇可混溶的液体的最高热容量之一。另一个原因是乙醇和水形成恒沸物，该恒沸物使得难以通过蒸馏有效地分离这些物种，尤其因为它们的沸点仅仅是相差22℃。如果乙醇能够首先从该水性发酵培养基中萃取至有机溶剂内，将减少蒸馏成本，该有机溶剂具有比水更低的热、并且具有显著不同的沸点并且不与乙醇形成恒沸物。

已经描述了相对于水允许使有机化合物如乙醇优先通过的某些选择性可渗透膜。在美国专利号7,794,593、7,517,455、7,105,089和7,122,709中已经描述了此类选择性膜的实例。如果能够设计利用此类膜的选择渗透性将该化合物从水性发酵培养基转移至有机溶剂内的高效系统，对于乙醇生产领域、或者更一般地说对于通过发酵生产任何有机分子的领域将是有益的，该系统将减少与通过发酵制作的有机化合物的制造和分离相关的碳足迹、成本和能量。

在下文中描述的本发明提供了此种系统，该系统是特别对于乙醇制造例示的，但是总体上适用于通过发酵制造任何有机化合物，其中该化合物可以穿过选择性可渗透膜被萃取以便从该水性发酵培养基中分离该化合物。

发明简要概述

在此描述的是一种用于通过发酵生产有机化合物的系统和方法，包括用于将该有机化合物从水性发酵培养基中穿过半渗透膜萃取至有机溶剂内的系统。该系统可以在发酵结束时分批地操作或者更优选地在该发酵工艺过程中连续地操作，其中使该工艺中使用的多种组分(即，发酵介质、生物质、和萃取溶剂)在该系统内再循环。该系统和方法通过生产并且萃取乙醇特别地很好地适配并且例示。

更特别地，在此描述的是一种用于通过发酵从糖源生产有机化合物的系统，其中该系统包括用于容纳发酵培养基的发酵容器；与该发酵容器流体连接以接收该发酵培养基的至少一部分的固体分离装置，其中所述固体分离装置被配置成从该发酵培养基中分离悬浮的固体以便生产澄清的培养基。该发酵介质中的固体包括生物质并且可以包括其他不溶解的材料如粮食颗粒。该固体分离装置被配置成引导该澄清的培养基的流离开该分离装置。膜模块被配置成接收该澄清的培养基的流，其中所述膜模块包括被配置成相对于水允许使该有机化合物优先通过的选择性可渗透膜。该膜模块包括：培养基入口端口，用于在与该膜相切的第一流动方向上接收来自该固体分离装置的该澄清的培养基的流；培养基离开端口，用于引导来自该膜模块的包含残留萃取溶剂的溶剂萃取过的培养基的流；溶剂入口端口，用于在与该膜相切的第二流动方向上接收萃取溶剂的流；出口端口，该出口端口被配置成引导来自该膜模块的含有该有机化合物的该萃取溶剂的流；以及加压装置，用于相对于该膜模块中萃取溶剂的流在该澄清的培养基的流上维持正压力。该加压装置可进一步包括用于释放包含在来自该膜模块的该澄清的培养基中的二氧化碳的排气件(vent)。

该系统可进一步包括被配置成接收来自该膜模块的该溶剂萃取过的培养基的流并且使包含一部分所述残留萃取溶剂的萃取溶剂相与该溶剂萃取过的培养基的水相分离的倾析器。该倾析器可进一步被配置成使该水相返回到该发酵容器。

在某些实施例中，该分离装置包括过滤器件，并且在一些实施例中，多个该过滤器件。在令人希望的实施例中，该过滤器件被配置有用于使这些分离的悬浮的固体的至少一部分返回到该发酵容器的装置。在示例性实施例中，该过滤器件是超滤器。

在其他实施例中，该固体分离装置包括离心机。在示例性实施例中，该离心机是连续流离心机。该连续流离心机可进一步被配置有用于使这些分离的悬浮的固体的至少一部分返回到该发酵容器的装置。还可以将其中该固体分离装置包括离心机的实施例与附加地包括过滤器件的固体分离装置组合。

典型地，进入该系统的悬浮的材料包括残留量的该发酵培养基，并且该固体分离装置被配置有用于从该残留发酵培养基中分离这些悬浮的固体的装置。

在该系统中使用的发酵容器应该包括用于接收进入该容器的碳水化合物原料流的第一发酵罐入口端口；用于接收进入该发酵容器的该溶剂萃取过的培养基的流的第二发酵罐入口端口；以及被配置成引导来自该发酵容器的该发酵培养基的一部分到该固体分离装置的发酵罐离开端口。该系统可进一步包括被配置用于接收分离的固体的第三发酵罐入口端口。在该系统的某个实施例中，该发酵容器包括串联连接的级联串的多个发酵容器。

该系统典型地可包括可操作地连接到膜模块上的泵以便相对于进入并且离开所述膜模块的该萃取溶剂的流的速率增加所述模块内的该萃取溶剂的流的速率。扩充的系统可进一步包括被配置成接收来自该膜模块的该溶剂萃取流并且通过蒸馏使该萃取溶剂与该有机化合物分离的蒸馏器件。在理想实施例中，该系统被进一步配置成使来自该蒸馏器件的蒸馏过的溶剂返回到进入该膜模块的该萃取溶剂流。

该系统可进一步包括可操作地连接到该倾析器上的分离增强装置以便减缓该溶剂萃取过的培养基的流的速率并且从而增强该萃取溶剂相与该水相的分离。在示例性实施例中，该分离增强装置是竖直管，该竖直管具有超过进料至该竖直管内的管的增加的直径。该系统可进一步包括在该倾析器与该发酵容器之间的沉降槽。

在一些实施例中，该系统可包括液/液萃取模块，该液/液萃取模块与该倾析器流体连通并且被配置成接收该溶剂萃取过的培养基并且使该溶剂萃取过的培养基与第二萃取溶剂接触，该第二萃取溶剂优先地将残留萃取溶剂相对于水相分配到第二萃取溶剂相。在此类实施例中，该系统可进一步包括第二蒸馏器件，该第二蒸馏器件被配置成接收该第二萃取溶剂相并且使该膜模块萃取溶剂与该第二萃取溶剂分离。该蒸馏器件可以被配置成使该膜模块萃取溶剂返回到进入该膜模块的该萃取溶剂流并且使该第二萃取溶剂返回到该液/液萃取模块。在某些实施例中，该液/液萃取模块被进一步配置成使该水相返回到该发酵容器。

在示例性实施例中，该有机化合物是乙醇并且该膜模块萃取溶剂包括选自由十二烷和2,4二甲基庚醇组成的组的溶剂。在这些实施例中，该第二萃取溶剂可包括十二烷。

在另一个方面中，在一种通过发酵制作有机化合物的方法中采用该系统的前述实施例，该方法包括在如在此描述的系统中制作该有机化合物的用有机体的发酵；并且收集该有机化合物。在该示例性实施例中，该有机化合物是乙醇，该膜模块萃取溶剂包括选自由十二烷和2,4二甲基庚醇组成的组的溶剂，并且该第二萃取溶剂包括十二烷。

本发明的附加方面，连同其附属的优点和新颖特征，将部分地在下面的描述中陈述，并且部分地一经检查以下对于本领域技术人员将变得明显，或可以从本发明的实践中学习。本发明的目的和优点可以借助于在所附权利要求书中特别指出的手段以及组合来实现和获得。

附图的简要说明

图1是本发明的系统的一个实施例的示意图。

详细说明

在此描述的是一种用于使用发酵生产有机化合物的系统和方法，其中在该系统内再循环该系统的多种组分。该系统和方法允许在分批或优选地连续流系统中从发酵培养基中萃取高浓度的有机化合物，该连续流系统允许在该发酵过程中同时使生物质、水性发酵培养基和萃取溶剂再循环。该系统和方法特别地很好地适配用于生产并且萃取乙醇。

本发明的一个实施例是如图1中描绘的。该系统包括与固体分离装置12流体连通的用于容纳发酵培养基的发酵容器10，该固体分离装置接收该发酵培养基的至少一部分。该固体分离装置被配置成从该发酵培养基中分离悬浮的固体(即，生物质和/或未溶解的材料如粮食颗粒)以便生产澄清的培养基并且引导该澄清的培养基流离开分离装置12。

通过包括选择性可渗透膜16的膜模块14接收离开固体分离装置12的该澄清的培养基，该选择性可渗透膜被配置成相对于水允许使该有机化合物穿过该膜并且进入萃取溶剂的优先通过。来自膜模块14的该溶剂萃取过的培养基流行进到与膜模块14流体连通的倾析器18。倾析器18被配置成从该萃取溶剂中分离渡过该膜的残留水。同样可以使该溶剂萃取过的培养基的水相通过沉降槽20以便在使该水相返回到发酵容器10之前从该水相中分离传递至该培养基内的残留萃取溶剂。

离开膜模块14的具有萃取的有机化合物的萃取溶剂流在进入蒸馏器件22之前被保持容器24接收，该蒸馏器件被配置成接收该萃取的混合物并且通过蒸馏使该萃取溶剂与该有机化合物分离。收集该有机化合物，并且优选地使该蒸馏过的膜模块萃取溶剂再循环至进入膜模块14的该萃取溶剂流中。该蒸馏过的溶剂在被返回到膜模块14之前可以被保持在膜萃取溶剂储槽25中。

已经总体上描述了本发明的一个实施例，现在描述在本发明的某些实施例中的系统的某些元件的附加细节。

在该有机化合物的最佳生产速率过程中，优选地将该发酵培养基从发酵容器10抽出。在某些实施例中，包括当该有机化合物是乙醇时，当该有机化合物的生产是1-5g/L/小时时、通常地当生产是2-3g/L/小时时，优选地将该发酵培养基从发酵容器10中去除。在此类时间下脱去该发酵培养基使产品输出和系统生产量的效率最大化。进一步地，从该发酵培养基中连续地去除并且萃取该有机化合物的一部分防止该有机化合物在该发酵容器中积累至其中该有机化合物使发酵有机体中毒的水平，从而允许在最佳速率下进行该发酵而不减速持续不定的时间段。

固体分离装置12被配置成从该发酵培养基中分离悬浮的固体以形成澄清的发酵培养基。从该发酵培养基中去除悬浮的固体是重要的以防止淤塞膜模块14中的选择性可渗透膜16，这是非常重要的以使该系统能够在连续工艺中运行。去除这些悬浮的固体允许改进的乙醇溶剂萃取以及改进的乙醇-溶剂混合物穿过膜16的选择性和通量。当该系统被用于干研磨工艺中时，在该工艺中整个玉米粒被糖化以便从淀粉中释放可溶的葡萄糖，固体分离装置12是特别重要的，因为大量的呈不可溶纤维和胚芽组织形式的细粉(如果不被充分地去除将淤塞膜模块14)。在某些实施例中，在离开发酵容器10的该发酵培养基中的悬浮的固体含量是1.0-1.5％w/w。悬浮的固体包括细胞生物质，并且在干研磨工艺中包括粮食颗粒和作为该发酵工艺的结果存在于该发酵培养基中的其他固体元素。

在某些实施例中，该系统和固体分离装置12优选地被配置成使这些悬浮的固体的全部或更优选地一部分返回到发酵槽。通过在乙醇萃取之前从该培养基中分离这些悬浮的固体(包括发酵有机体)，并且使该材料的至少一部分返回到该发酵容器，在该系统中可以维持该发酵有机体和固体材料的最佳生产水平。从该发酵培养基中去除的悬浮的固体典型地含有一些残留发酵培养基。可以使该残留发酵培养基与这些悬浮的固体分离并且使其返回到发酵容器10，并且这些悬浮的固体的分离的部分可以被用于其他目的-如被干燥以形成动物饲料成分。

在某些实施例中，该发酵有机体是絮凝化的酵母菌株。在一些其他实施例中，在该发酵培养基中使用引起酵母絮凝的絮凝剂，优选二价阳离子，如Zn、Mg或Mn。该发酵有机体的絮凝可以帮助从该发酵培养基中分离这些酵母细胞。

可以通过用于固/液分离的本领域中已知的任何适合的装置从该发酵培养基中去除悬浮的固体，这些装置包括，但不限于：用于沉降、离心或其他固体浓缩步骤如过滤中的一种或多种的装置。固体分离装置12优选地包括至少一个固/液分离装置并且优选地包括一系列固/液分离装置。

在某些实施例中，固体分离装置12包括离心机26，优选地连续流离心机，该离心机被配置有用于使含有该发酵有机体的悬浮的固体的至少一部分返回到发酵容器10的装置。典型地，此种装置是导管，该导管可以优选地被放成与单独的泵29流体连通以使这些悬浮的固体或其一部分返回到该发酵容器。

在某些实施例中，固体分离装置12包括一个或多个过滤器件28以从发酵培养基中分离悬浮的固体并且优选地使这些悬浮的固体的至少一部分返回到发酵容器10。至少一个过滤器件28优选地包括超滤器，如超滤器袋。该超滤器优选地是1-2μ过滤器。本领域中已知的或今后开发的符合本发明的其他过滤器件可以采用。

在某些实施例中，固体分离装置12包括至少一个与至少一个过滤器件28流体连通的离心机26。该过滤器件可以被放置于发酵容器10与固体分离装置12之间和/或于固体分离装置12与膜模块14之间。在一些实施例中，除了离心机26之外采用一个、两个、三个或更多个过滤器件28。

固体分离装置12被配置成引导该澄清的培养基的流离开该分离装置。该系统被配置成将该澄清的培养基的流递送至膜模块14中，该膜模块被配置成接收该澄清的培养基的流。该膜模块被配置成从该澄清的发酵培养基中萃取有机化合物。该膜模块包括选择性可渗透膜16，该选择性可渗透膜相对于水并且因此相对于该水性发酵培养基允许该有机化合物的优先通过。适用于与本发明一起使用的膜描述于美国专利号7,794,593、7,517,455、7,105,089和7,122,709中，关于此类披露将这些专利通过引用结合。通过适合的萃取溶剂帮助通过可渗透膜16从该发酵培养基中萃取该有机化合物。在某些实施例中，该膜模块萃取溶剂包括选自由十二烷和2,4二甲基庚醇组成的组的溶剂。在一个优选的实施例中，该膜模块萃取溶剂包括2,4二甲基庚醇。在一些实施例中，添加热，优选地通过热交换器，以改进溶剂萃取。

在本发明的某些实施例中，在可渗透膜16的一侧上，膜模块14包括用于在与膜16相切的第一流动方向上接收来自固体分离装置12的该澄清的培养基的流的培养基入口端口30以及用于引导溶剂萃取过的培养基的流离开膜模块14的培养基离开端口32。在选择性可渗透膜16的另一侧上，膜模块14包括用于在与膜16相切的第二流动方向上接收萃取溶剂的流的溶剂入口端口34以及被配置成引导来自膜模块14的含有该有机化合物的该萃取溶剂的流的溶剂出口端口36。该澄清的培养基流和该萃取溶剂流是在该选择性可渗透膜的相反侧上并且这两个的方向相对于彼此可以是逆流或错流。逆流在此被定义为在彼此成180°的角度的相反方向上移动的两种液体的流动。错流在此被定义为在彼此成范围从≥90°至<180°的角度的方向上移动的两种液体的流动。

本发明的系统包括用于维持该澄清的培养基的压力相对于膜模块14中的该萃取溶剂的压力更高的加压装置38。加压装置38可以是该膜模块的一部分或者可操作地连接到膜模块14上。加压装置38可以包括可操作地连接到膜模块14上以调节膜模块14内的流动的阀38或一系列阀以便实现所希望的压差。该加压装置优选地包括用于维持恒定压差的控制系统，包括可操作地连接到一个或多个用于压差控制的自动阀的可编程序逻辑控制(PLC)系统。

通过该加压装置产生的压差是必要的以防止该萃取溶剂穿越选择性可渗透膜16并且接触该发酵培养基。因此，该压力在膜模块14的培养基侧上较高。在某些优选的实施例中，穿过选择性可渗透膜16的压差是在0.5与10psi之间、在0.5与7.5psi之间、或者在0.5与5.0psi之间。在一些实施例中，该压差是1psi。即使具有正压差，该萃取溶剂中的一些可能穿越膜16至过滤培养基内。在一些实施例中，该压力选择为使得在离开膜模块14的该溶剂萃取过的发酵培养基中的此残留萃取溶剂的浓度是不大于约100--400ppm。

加压装置38的全部或一部分可以包括用于控制在膜16中的压差的装置。作为该发酵工艺的结果，二氧化碳存在于该发酵培养基中。然而，如果被允许积累，二氧化碳取代足够量的发酵培养基至产生在所希望的范围以外的更高压力。加压装置38可以包括排气件，该排气件用于控制二氧化碳的释放以帮助维持所希望的压差并防止膜16破裂。在一些实施例中，该排气件包括液体柱。在一些实施例中，该排气件包括具有立管的在膜模块14的顶部上安装的“T”装配件，该立管被附接以允许二氧化碳从该发酵培养基排放。经由在膜模块14的顶部树脂玻璃盖中的多个分接头，该T可以被附接到该膜模块上。二氧化碳的排放进一步维持膜模块14中的培养基的较高浓度，这允许穿过选择性可渗透膜16的较高的质量传递。

在某些实施例中，本发明的系统进一步包括可操作地连接到膜模块14上以相对于进入并且离开该膜模块的该萃取溶剂的流的速率增加模块14内的该萃取溶剂的流的速率的泵40。泵40使膜模块14内的该萃取溶剂再流通，导致可以是大于10倍进来的新鲜萃取溶剂和流出的含有该有机化合物的废萃取溶剂的速率的模块14内的萃取溶剂流速。此增加的流速增加了沿着膜16的层流的浊度，有效地减少了在膜模块14的表面处的边界层厚度。这增加了该有机化合物到该萃取溶剂内的混溶性，并且产生了较高的该有机化合物到该萃取溶剂内的传递速率。优选地，进入并且离开膜模块14的流速是1–1.5L/分钟。优选地，膜模块14内的该萃取溶剂的流速是15–20L/分钟、或1加仑/分钟/平方英尺。

在某些实施例中，该膜模块被配置有就地清洁的阀70，这些阀包括排液阀、截止阀和清洁阀以允许就地清洁的工艺用于清洁膜模块14。该清洁工艺从膜16中去除生物膜，如果被允许累积，该生物膜将阻碍流通过膜16。该就地清洁的工艺优选地以维持通过该膜的所希望的流速的频率运行，优选地一周至少一次。这些截止阀，当闭合时，阻止通过培养基入口和离开端口30和32以及溶剂输入和离开端口34和36的流进入并且流出膜模块14。这些排液阀，当打开时，允许膜模块14的内含物排入收集槽72内。这些清洁阀可操作地连接到保持清洁溶液的槽74上，并且当打开时，允许清洁溶液进入该膜模块。该清洁溶液优选地包含1至2N氢氧化钠溶液和聚山梨酯60表面活性剂。为了清洁膜模块14，闭合这些培养基入口和溶剂输入截止阀并允许该萃取溶剂离开模块14。然后闭合这些培养基离开端口和溶剂出口端口。打开这些清洁阀以允许该清洁溶液进入该膜模块。操作这些排液阀和清洁阀以维持对于清洁膜模块14有利的清洁溶液的流速。在清洁之后，闭合这些清洁阀并且打开这些培养基入口端口和溶剂输入端口30和34持续足够的时间以通过排液阀排出任何剩余的清洁溶液。然后闭合这些排液阀并且打开这些培养基离开端口和溶剂出口端口32和36以便使膜模块14返回到正常操作。

在某些实施例中，膜模块14的培养基离开端口32是与一个或多个液/液分离装置流体连通，该一个或多个液/液分离装置被配置成从该溶剂萃取过的培养基中分离泄漏到该培养基内的任何萃取溶剂。如果不去除，当使该培养基返回到发酵容器10时，该残留的萃取溶剂可能杀死该发酵有机体。优选地，溶剂在该培养基中的浓度减少至小于400ppm、更优选地小于100ppm。在一些实施例中，该液/液萃取装置包括一个或多个倾析器18。该倾析器优选地是没有离心机的水平倾析器。该萃取溶剂分离离开该水性培养基相并且进入该倾析器内的上部萃取溶剂相内。该倾析器进一步被配置成使该水性培养基相返回到发酵容器10。在此类实施例中，该系统可被配置有在倾析器18与发酵容器10之间的沉降槽20。沉降槽20优选地是重力分离容器，其允许任何残留的较低密度的萃取溶剂分离并且从较高密度的培养基倾析出来，该较高密度的培养基离开槽20的底部返回到该发酵容器。

在某些实施例中，水平倾析器18可操作地连接到分离增强装置42上，该分离增强装置被配置成增加在从该水性溶剂萃取过的培养基中分离模块膜萃取溶剂过程中该溶剂萃取过的液体在该系统中的停留时间。优选地，该分离增强装置是位于该膜模块与该倾析器之间的竖直管，该竖直管具有，相对于进料至分离增强装置42内的管，增加的直径。直径增加减缓该溶剂萃取过的培养基的流的速率，允许该溶剂更多的时间来上升到顶部并且该培养基在底部处分离出来。在某些优选的实施例中，直径增加是在1.5与2.0英寸之间。

在某些实施例中，该系统进一步包括液/液萃取模块44，优选位于该倾析器与该发酵容器之间。液/液萃取模块44包括使该溶剂萃取过的培养基与第二萃取溶剂接触的装置，该第二萃取溶剂优先地将任何残留的膜模块萃取相对于该发酵培养基的水相分配到第二萃取溶剂相。该液/液萃取模块优选地包括用在与该溶剂萃取过的培养基的方向相反的方向上移动的该第二萃取溶剂的逆流萃取，两者在竖直方向上移动。该第二萃取溶剂优选地包括选自由十二烷和2,4二甲基庚醇组成的组的溶剂。在一个优选的实施例中，该第二萃取溶剂包括十二烷。

在某些实施例中，该液/液萃取模块被进一步配置成或者直接地或者经由该沉降槽和/或其他液/液分离装置使该水性培养基相返回到该发酵容器。在某些实施例中，本发明的系统进一步包括被配置成接收该第二萃取溶剂相并且使该膜模块萃取溶剂与该第二萃取溶剂分离的第二蒸馏器件46。优选地使该膜模块萃取溶剂返回到进入膜模块14的该萃取溶剂流，优选地经由溶剂储槽25，并且优选地使该第二萃取溶剂返回到液/液萃取模块44，优选地经由第二溶剂储槽48。

在某些实施例中，从第一蒸馏器件22收集的该有机化合物被收集为离开该蒸馏器件的顶部的蒸汽，并且被送到第二高真空蒸馏器件50中，在该第二高真空蒸馏器件中该有机化合物被进一步浓缩。在一些实施例中，通过液环式真空泵系统、干环式真空泵系统或蒸汽喷射器维持高真空，其中的每种从该器件中去除不凝的气体。在一些实施例中，通过专用的液环式真空泵将连续稳定的真空供应给该第二高真空蒸馏器件。

在某些实施例中，发酵容器10包括多个以级联串安排的发酵容器。

在某些实施例中，发酵容器10包括用于接收进入该容器的碳水化合物原料流的第一发酵罐入口端口、用于接收进入发酵容器10的该溶剂萃取过的培养基流的第二发酵罐入口端口56、以及被配置成引导来自发酵容器10的该发酵培养基的一部分到固体分离装置12的发酵罐离开端口58。该发酵容器优选地包括被配置用于接收分离的悬浮的固体(包括来自固体分离装置12的分离的发酵有机体)的第三发酵罐入口端口60。发酵容器10优选地包括管道网络以及将发酵蒸汽放至大气中的排气系统。风扇可以可操作地联接到该排气系统上以帮助放掉该蒸汽。

在某些实施例中，膜模块溶剂是绿色溶剂，即，可以从可再生的原料产生的溶剂，以增强从该发酵培养基中回收该有机化合物。在一些实施例中，在酵母发酵工艺中产生该绿色溶剂。符合本发明的绿色溶剂可以选自由存在于杂醇油中的醇或有机酸的乙酯组成的组。存在于杂醇油中的醇包括戊醇和丙醇。有机酸的乙酯包括乙酸乙酯、乳酸乙酯、以及丙酸乙酯。其他适合的绿色溶剂包括生物柴油的脂肪酸甲酯。绿色溶剂相比其他有机溶剂(如十二烷和2,4二甲基庚醇)是对于发酵有机体更低毒的。

在某些实施例中，该系统包括用于调节贯穿该系统的各种流的PLC系统控制系统。

本发明进一步包括一种通过用发酵有机体发酵碳水化合物源制作有机化合物的方法，该方法使用本发明的系统并且收集该有机化合物制作该有机化合物。该方法特别地很好地适合用于制作乙醇。

从前述将看出的是本发明是很好地适配于达到在上文中陈述的所有目标和目的、同时具有显而易见的并且本发明固有的其他优点的一种。

因为许多可能的实施例可以构成本发明而不背离本发明的范围，所以应当理解在此陈述的或附图所示的所有事项应当解释为说明性的而非限制性的意义。

虽然已经示出并且讨论了具体实施例，但是当然可以做出各种修改，并且本发明不限于在此描述的零件和步骤的特定形式或安排，除非此类限制被包括在以下权利要求书中。进一步地，将理解的是，某些特征和子组合具有实用性并且可以不参考其他特征和子组合来采用。这是通过权利要求书的范围预期的并且在该权利要求书的范围内。

Claims (33)

1.一种用于通过发酵从糖源生产有机化合物的系统，该系统包括：

用于容纳发酵培养基的发酵容器；

与该发酵容器流体连接以接收该发酵培养基的至少一部分的固体分离装置，

其中所述固体分离装置被配置成从该发酵培养基中分离悬浮的固体以生产澄清的培养基，并且

其中所述固体分离装置被配置成引导该澄清的培养基的流离开该固体分离装置；

被配置成接收该澄清的培养基的流的膜模块，其中所述膜模块包括被配置成相对于水允许该有机化合物通过的选择性可渗透膜，并且其中所述膜模块包括：

培养基入口端口，用于在与该膜相切的第一流动方向上接收来自该固体分离装置的该澄清的培养基的流；

培养基离开端口，用于引导来自该膜模块的包含残留萃取溶剂的溶剂萃取过的培养基的流；

溶剂入口端口，用于在与该膜相切的第二流动方向上接收萃取溶剂的流，其中所述第二流动方向与所述第一流动方向逆流或错流；

出口端口，该出口端口被配置成引导来自该膜模块的含有该有机化合物的该萃取溶剂的流；以及

加压装置，用于相对于该膜模块中的萃取溶剂的流在该澄清的培养基的流上维持正压力；

倾析器，该倾析器被配置成接收来自该膜模块的该溶剂萃取过的培养基的流并且使包含一部分所述残留萃取溶剂的萃取溶剂相与该溶剂萃取过的培养基的水相分离；以及

分离增强装置，所述分离增强装置可操作地连接到该倾析器以减缓该溶剂萃取过的培养基的流的速率并且从而增强该萃取溶剂相与该水相的分离。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述固体分离装置包括过滤器件。

3.如权利要求2所述的系统，其中所述固体分离装置包括多个该过滤器件。

4.如权利要求2所述的系统，其中这些过滤器件中的一个或多个被配置有用于使这些分离的悬浮的固体的至少一部分返回到该发酵容器的装置。

5.如权利要求2所述的系统，其中所述过滤器件是超滤器。

6.如权利要求1所述的系统，其中该固体分离装置包括离心机。

7.如权利要求6所述的系统，其中该离心机是连续流离心机。

8.如权利要求7所述的系统，其中该连续流离心机被配置有用于使这些分离的悬浮的固体的至少一部分返回到该发酵容器的装置。

9.如权利要求8所述的系统，其中该固体分离装置附加地包括过滤器件。

10.如权利要求1所述的系统，其中所述悬浮的固体包括残留量的该发酵培养基并且其中所述固体分离装置被配置有用于使这些悬浮的固体与所残留的发酵培养基分离并且使该残留的发酵培养基返回到该发酵容器的装置。

11.如权利要求1所述的系统，其中该发酵容器包括级联串的多个发酵容器。

12.如权利要求1所述的系统，其中所述加压装置包括用于释放包含在来自该膜模块的该澄清的培养基中的二氧化碳的排气件。

13.如权利要求1所述的系统，进一步包括可操作地连接到该膜模块上的泵以便相对于进入并且离开所述膜模块的该萃取溶剂的流的速率增加所述膜模块内的该萃取溶剂的流的速率。

14.如权利要求1所述的系统，其中相对于所述萃取溶剂的流，所述澄清的培养基的流以逆流方向流动。

15.如权利要求1所述的系统，其中相对于所述萃取溶剂的流，所述澄清的培养基的流以错流方向流动。

16.如权利要求1所述的系统，进一步包括被配置成接收来自该膜模块的该萃取溶剂的流并且通过蒸馏使该萃取溶剂与该有机化合物分离的蒸馏器件。

17.如权利要求16所述的系统，其中所述系统被进一步配置成使来自该蒸馏器件的蒸馏过的溶剂返回到进入该膜模块的该萃取溶剂的流。

18.如权利要求1所述的系统，其中该倾析器被进一步配置成使该水相返回到该发酵容器。

19.如权利要求1所述的系统，其中所述分离增强装置是竖直管，该竖直管具有超过进料至该竖直管内的管的增加的直径。

20.如权利要求18所述的系统，其中该系统进一步包括在该倾析器与该发酵容器之间的沉降槽。

21.如权利要求1所述的系统，进一步包括液/液萃取模块，该液/液萃取模块与该倾析器流体连通、被配置成接收该溶剂萃取过的培养基并且使该溶剂萃取过的培养基与第二萃取溶剂接触，该第二萃取溶剂将该残留萃取溶剂分配到第二萃取溶剂相，并且进一步包括在用该第二萃取溶剂萃取后将水相返回到该发酵的装置。

22.如权利要求21所述的系统，进一步包括被配置成接收该第二萃取溶剂相并且使该膜模块的萃取溶剂与该第二萃取溶剂分离的第二蒸馏器件。

23.如权利要求22所述的系统，其中该第二蒸馏器件被配置成使该膜模块的萃取溶剂返回到进入该膜模块的该萃取溶剂的流并且使该第二萃取溶剂返回到该液/液萃取模块。

24.如权利要求21所述的系统，其中该液/液萃取模块被进一步配置成使该水相返回到该发酵容器。

25.如权利要求1所述的系统，其中该有机化合物是乙醇。

26.如权利要求22或23所述的系统，其中该膜模块的萃取溶剂包括选自由十二烷和2,4二甲基庚醇组成的组的溶剂。

27.如权利要求21-23中任一项所述的系统，其中该第二萃取溶剂包括十二烷。

28.如权利要求1-27中任一项所述的系统，其中所述发酵容器包括：

用于接收进入该发酵容器的碳水化合物原料流的第一发酵罐入口端口；

用于接收进入该发酵容器的该溶剂萃取过的培养基的流的第二发酵罐入口端口；以及

被配置成引导来自该发酵容器的该发酵培养基的一部分到该固体分离装置的发酵罐离开端口。

29.如权利要求28所述的系统，其中该发酵容器进一步包括被配置用于接收这些分离的固体的第三发酵罐入口端口。

30.一种通过发酵制作有机化合物的方法，该方法包括

在根据权利要求1-24中任一项所述的系统中用制作该有机化合物的发酵有机体发酵碳水化合物源；并且

收集该有机化合物。

31.如权利要求30所述的方法，其中该有机化合物是乙醇。

32.如权利要求31所述的方法，其中该膜模块的萃取溶剂包括选自由十二烷和2,4二甲基庚醇组成的组的溶剂。

33.如权利要求32所述的方法，其中当该系统包括液/液萃取模块时，该液/液萃取模块与该倾析器流体连通、被配置成接收该溶剂萃取过的培养基并且使该溶剂萃取过的培养基与第二萃取溶剂接触，该第二萃取溶剂将该残留萃取溶剂分配到第二萃取溶剂相，该第二萃取溶剂包括十二烷。

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