CN111225981B - 用于原位产物回收的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

披露了获得化合物的方法和对应的设备。该方法包括将底物(14)添加到包括在反应器(13，33)中的介质(132)中，并使该底物在该反应器中反应以形成该化合物。第一流(15)通过第一膜(115)从反应液分离出来。第二流(16)通过第二膜(125)从该反应液分离出来。该第一膜是过滤膜并且该第二膜配置为用于液‑气或液‑液萃取。在分离步骤期间，该第一膜和该第二膜至少部分地浸入该介质中并相对于该反应器移动。

Description

用于原位产物回收的方法和设备
技术领域
本发明涉及用于获得化合物，特别是有机化合物(比如酯或酰胺)，或有机溶剂(比如丁醇或丙酮)的方法和设备。特别地，本发明涉及用于(连续地)从反应器介质分离包括该化合物的反应产物的方法和设备。
背景技术
酯或酰胺的生产通常涉及产生作为副产物的水或醇(比如甲醇)。由于这些反应是平衡反应，因此除去副产物将平衡移至右侧，提高了产物产率。存在用于取出副产物水和/或醇的多种选择，比如使用干燥剂(例如，分子筛)、使用汽提气或通过全蒸发。在尝试扩大工艺规模期间，使用干燥剂是有问题的，因为它们倾向于粉碎或在下游工艺中引起问题。在大多数情况下，汽提气夹带很大一部分的反应器中存在的任何挥发性化合物。
使用全蒸发除去水和/或醇似乎有希望，但需要对工艺条件进行深入控制。在全蒸发单元中，必须最小化温度和浓度梯度，否则导致通量损失。为了避免这些问题，施加了高度的错流(cross-flow)以便最小化这些梯度。然而，这需要高能量输入。
早在二十世纪就发现微生物丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)将含碳水化合物的原料转化为丙酮、乙醇和正丁醇，如美国专利号1,315,585和2,386,374中所述。该方法此后被称为丙酮正丁醇乙醇(ABE)发酵工艺。
如众所周知的，并且例如在WO 2013/086458和WO 2015/002913中所述，正丁醇是重要的工业化学品，例如可用作溶剂、塑料工业中的原料化学品、燃料添加剂、配制产品(比如化妆品)中的成分、以及食品和香料行业中的食品级萃取剂。此外，作为燃料，相比于乙醇，正丁醇具有若干优点。例如，虽然正丁醇可以由与乙醇相同的原料制成，但与乙醇不同，它与汽油和柴油以更高比例相容。此外，正丁醇也可以单独用作现有汽车中的纯燃料而无需改性，已经提出将其作为结构单元用于制造喷气燃料等。
然而，正丁醇的主要缺点是其在ABE发酵工艺中对生产介质具有毒性，导致细胞抑制。例如，这在WO 2013/086458和EP 2283141中进行了论述。由于此种最终产物的毒性，溶剂生产率受到限制，并且基于体积的最终产物浓度也是低的。因此，使用能耗的蒸馏操作，负面影响了回收不同产物的经济性。高纯化成本是ABE发酵在1950年代和1960年代期间被很大程度上放弃并被生产正丁醇和丙酮的石油基化学设备所代替的主要原因之一。这样，每年通过石油化学手段生产100至120亿磅的正丁醇。然而，当今化石燃料库存的消耗、化石燃料价格的波动以及能源的安全性是当前正生物丁醇生产复苏背后的驱动力。因此，高度需求用于生产正丁醇的有效和可持续的方法。
因为现今对开发使用可再生资源生产燃料的技术有兴趣，所以ABE发酵吸引了新的兴趣。然而，必须找到解决方案来避免或减少导致细胞抑制的正丁醇毒性以及相关的低生产率和高纯化成本。
在本领域中，已经提出了通过用原位产物回收(ISPR)技术(比如吸附、全蒸发、气提或液/液萃取)补充发酵工艺来减轻产物抑制。以这种方式，将正丁醇随着其产生从发酵罐中除去，从而使微生物以更高的生产率生产正丁醇。
例如，WO 2011/160030在有效生产发酵性产物醇(比如正丁醇)的方法和系统中使用液-液萃取作为ISPR。
DE 102011080611描述了用于从发酵液中分离挥发性化合物的方法。将亲有机性全蒸发膜安装在发酵反应器内以从反应器中取出挥发性化合物。将第二流从反应器中取出并使其经过过滤膜以获得包含水和较小分子的渗透物，而保留物包含生物质、未溶解的颗粒和非发酵性大分子，并部分再循环至反应器。
尽管这些努力，但是上述方法仍然保持相当耗能，特别是因为它们需要运行泵，这些泵在膜上提供足够的错流流以避免积垢以及浓度和温度梯度。此外，为了获得上述效率改善，在反应器周围需要大量的外围部件。
发明内容
因此，本说明书的目的是提供克服上述缺点的方法和设备。特别地，目的是提供在生产此类化合物上更有效的方法和设备。此外，本说明书的目的是提供具有降低的复杂度和/或允许简化下游加工的方法和设备。
因此，根据本发明的第一方面，提供了一种如在所附权利要求书中所述的方法。该方法包括将底物添加到包括在反应器中的介质(比如反应液)中，并使该底物在该反应器中反应以形成化合物，比如酯、酰胺或有机溶剂(比如丙酮和/或丁醇)。有利地，在反应步骤期间，通过第一膜、有利地半渗透膜从该介质中分离或取出第一流。该第一流包含第一产物。有利地，将催化剂与反应器中的介质混合，并且该第一膜配置为保留该催化剂。有利地，与分离该第一流同时，通过第二膜、有利地半渗透膜从该介质中分离或取出第二流。该第二流包含不同于该第一产物的第二产物。该第一产物或该第二产物可以包含该化合物。从该反应器中单独地取出该第一流和该第二流。
根据一个方面，在分离该第一流和分离该第二流的步骤期间，有利地(至少部分地)浸入该介质中的该第一膜和该第二膜相对于该反应器移动。有利地，上述分离步骤并行地例如同时进行。该第一膜有利地是过滤膜，例如微滤膜或超滤膜。该第二膜有利地配置为用于液-气或液-液萃取，例如相应地为全蒸发膜或接触器膜。有利地，第一膜和第二膜被安装到相应的支撑框架上，这些支撑框架配置为在布置在相对于反应器的固定位置中的共用枢轴或单独枢轴上转动。
根据本发明的第二方面，提供了一种如所附权利要求书中所述的设备。该设备可以配置为进行根据上述方面的方法。该设备包括反应器、第一膜单元和第二膜单元。该第一膜单元是过滤单元，有利地包括一个或多个过滤膜。该第二膜单元有利地包括一个或多个配置为相应地用于液-气或液-液萃取的膜，比如液-气(全蒸发)或液-液(膜接触器)萃取单元。该反应器包括反应器容器、底物供应端口以及第一出口端口和第二出口端口中任一个或两者。该第一膜具有与该反应器容器连通的第一表面和与该第一表面相反的、与该第一出口端口连通的第二表面。该第二膜具有与该反应器容器连通的第三表面和与该第三表面相反的、与该第二出口端口连通的第四表面。该第一膜有利地配置为将一种或多种第一化合物从该第一表面传输到该第二表面，例如，该第一膜是半渗透膜。该第二膜有利地配置为将一种或多种第二化合物从该第三表面传输到该第四表面，例如，该第二膜是半渗透膜。根据方面，第一膜和第二膜布置在反应器容器内。根据另一方面，第一膜和第二膜中的任一个或两者相对于反应器容器可移动地布置。有利地，第一表面和第三表面从反应器容器并行地可及。有利地，第一膜和第二膜安装在反应器容器中，使得它们在使用时至少部分地浸入反应液中。
该设备可包括第一和第二支撑框架，第一膜和第二膜相应地固定到其上。第一和第二支撑框架可以相对于反应器容器枢转地布置，例如，它们可以在布置在相对于反应器容器的固定位置中的共用枢轴或单独枢转上转动。
通过使膜相对于反应器移动，需要较少的泵送能量来维持在膜表面上的期望的错流。此外，通过适当地维持介质相对于膜的移动，简化了对底物供应控制的要求，比如对温度和浓度梯度控制的要求。温度梯度被最小化，并且膜表面上的浓度梯度可以被最小化。本文所述设备和方法的另一优点是它们是固有地更安全的，因为不涉及具有高错流的相关的(外部)回路。不存在或存在较少的可能易于泄漏和/或可能使维护操作员暴露于(潜在)有毒产物的外部管路。另一个优点是它们允许将膜一体化在反应器容器内，产生占用空间小的反应器，与现有技术的设计相比，占用小得多的空间。
附图说明
现在将参考附图更详细地描述本发明的方面，其中相同的附图标记展示了相同的特征，并且在附图中：
图1示意性地表示根据本文所述方面的在反应器中一体化两个单独的膜单元的设备；
图2A-图2B表示根据本文所述方面的反应器的水平相应地竖直截面，其中两个膜单元安装在反应器容器内的旋转支撑物上；图2B表示沿剖面线A-A的截面图；
图3表示与图2A相比的替代反应器的(水平)截面，其中两个膜单元安装在反应器容器内的单个旋转支撑物上；
图4A示意性地表示根据本文所述方面的在反应器中一体化两个单独的膜单元的设备；
图4B示意性地表示图1的设备的替代物，其中在反应器中进一步提供了第三膜单元；
图5表示用于分离和纯化从图4A和4B的设备的发酵反应器中回收的流的下游工艺框图。
具体实施方式
参考图1，根据本文所述方面的设备10在反应器13内一体化了两个单独的、不同的膜单元11和12。反应器13有利地是用于在催化剂、有利地生物催化剂(比如微生物或酶)的存在下将底物14、特别是生物质底物转化为有用的产物(比如酯或酰胺)的反应器。反应器13包括反应器容器131，该反应器容器包括反应液132(包括(部分)转化的和未转化的原料)以及任选地催化剂。有利地，经由泵142通过供应导管141将底物14连续地供应到反应器13的反应器容器131。底物14有利地包含用于进行转化反应的催化剂的底物化合物。
催化剂有利地容纳在反应器13(反应器容器131)中，并且可以固定或可以不固定在其中。催化剂有利地在反应器13中可移动，例如将其混合或悬浮在反应液中。有利地通过膜单元11和12从反应器13中连续地或间歇地(例如，在消耗底物之后)除去反应产物。膜单元11和12各自有利地配置为回收或取出特定的反应产物。膜单元11和12中的任一个或两个有利地允许将催化剂保留在反应器13中。
第一膜单元11可以配置为从反应器13中取出第一流15。膜单元11有利地包括半渗透膜用于从反应器13中的反应液132中产生作为渗透物流的第一流15。例如，膜单元11配置为包括过滤膜的过滤单元。膜单元11在渗透物侧联接至出口导管111。与出口导管111连通的泵112可以配置为跨越膜单元11的膜建立期望的压力差。
第一流(渗透物)15有利地包含要回收的期望的产物(比如酯或酰胺化合物)或由其组成。期望的产物可以通过在反应器13中发生的转化过程(例如酯化和酰胺化反应)形成。存在于反应液132中的另外的化合物可以渗透通过膜单元。期望的产物可以通过适当的下游加工，例如通过蒸馏，从第一流15中回收。未转化的底物可渗透通过膜单元11。这些渗透的底物在与产物分离之后可以再循环到反应器13中以改善底物利用率。
膜单元11的膜有利地是过滤膜。合适的过滤膜的具体实例是微滤膜和超滤膜。有用的过滤膜的另一个实例是纳滤膜。
第二膜单元12可以配置为从反应器13中取出第二流16。第二膜单元12有利地配置为通过全蒸发(或液-气萃取)或液-液萃取来取出第二流16。为此，第二膜单元12可包括一个或多个半渗透膜。在第一替代方案中，第二膜单元12可以作为全蒸发单元提供，该全蒸发单元包括有利地适用于全蒸发过程的半渗透膜。可替代地，第二膜单元12可以作为膜接触器单元提供，该膜接触器单元包括适用于液-液萃取的接触器膜。
在一个实施方案中，全蒸发单元通过渗透和蒸发第二流16从反应器中的介质分离第二流16。在液-液萃取中，使用接触器膜，在该接触器膜上使液相在渗透物侧循环。溶解度或浓度梯度的差异提供了驱动力以产生选择性化合物跨越膜的传质，因此形成第二流16。第二膜单元12在单元的渗透物侧联接至出口导管121。泵122，例如在全蒸发单元的情况下的真空泵，可以与第二膜单元12的出口导管121侧连通以维持期望的(部分真空)压力水平或循环流(在液-液萃取的情况下)。
第二流16可以包含化合物(比如示例性(ABE)发酵过程中的正丁醇)或由其组成，或者第二流16可以包含反应器13中发生的转化反应的副产物(比如在示例性酶法生产酯或酰胺中的水和/或醇)或由其组成。副产物可以是由转化反应形成的抑制性化合物，比如水和/或醇，例如以下实例中的甲醇。抑制性化合物是指阻止底物进一步转化为期望的产物在反应器13中发生的化合物，特别是因为在试剂(例如底物)与反应产物之间达到平衡。通过除去抑制性化合物，可以增加期望的产物的形成率。此外，通过除去抑制性化合物，可以保护催化剂免于失活。
根据一个方面，第一膜单元11的膜和第二膜单元12的膜布置在反应器13内。膜有利地至少部分地且优选完全地浸入反应器的反应液中。特别地，这些膜布置在反应器的容器131内。
一体化在反应器容器内的全蒸发或膜接触器单元简化了对温度和浓度梯度控制的要求。通过适当地维持反应液132相对于第二膜单元12移动，使温度梯度最小化，并且可以容易地使膜表面上的浓度梯度最小化。相同的理由可以应用于膜过滤单元，比如第一膜单元11。
根据一个方面，并且参考图2A-图2B，单元11和12的膜可移动地布置在反应器13内。特别地，单元11和12的膜布置成相对于反应器13(反应器容器131)移动。第一和第二膜单元11、12各自可相应地包括相对于反应器容器131枢转地布置的支撑框架113、123。支撑框架113、123可以配置为比如通过旋转移动或摆动移动在固定到反应器容器131的枢轴114、124上转动。
第一和第二膜单元11、12的相应膜115、125被安装到相应的支撑框架113、123。这些膜有利地固定地附接到相应的支撑框架。膜115、125各自包括可以一体化在框架113、123中的与反应液132(直接)接触并有利地浸入其中的第一外表面，和例如通过适当的歧管与相应的出口导管111、121连通的相反的第二(内)表面。膜115、125有利地提供了化合物从外表面到内表面的传输，而其他化合物可以在外表面处保留或排斥。膜115、125有利地是中空纤维膜或管状膜，即使也可以使用平面膜(所谓的平片膜，并且其可以布置成平的(例如，像叶轮一样起作用)或可以螺旋缠绕)。支撑框架113、123以及膜115、125在其上的安置可以具有任何期望的构型。此种构型的具体非限制性实例是形成为径向支架(如图2A中所示)、同心环、围绕枢轴螺旋缠绕的支架等的支撑框架。
当带有膜115、125的支撑框架113、123在轴114、124上转动时，有利地混合反应液。因此，支撑框架和膜可用于代替或附加于反应器中的叶轮。这使容器中的浓度和温度梯度最小化，使膜表面上的浓度极化效应最小化和/或减少了膜115、125的积垢。支撑框架113、123的移动可以是连续的或间歇的。此移动的具体实例是在轴114、124上的连续旋转以及例如在轴114、124上来回的摆动移动，有利地在120°与240°之间的角度范围内，例如180°。可能布置在反应器容器131外的致动器，比如电动机，可以联接到轴114和/或124以提供枢转移动。
图3示出了反应器33的替代配置。反应器33与反应器13的不同之处在于，膜单元11、12安装在共用支撑框架333上，该支撑框架枢转地布置在相对于反应器容器131固定的轴314上。支撑框架333有利地包括：第一支架313，与第一膜单元11相关的膜115被安装在其上；以及第二支架323，与第二膜单元12相关的膜125被安装在其上。第一支架和第二支架可以根据需要安置在枢轴314上。例如，第一支架和第二支架可以围绕轴314交替地安置。每一个支架313、323有利地包括收集器歧管用于从膜收集相应的第一和第二流15、16并且与对应的出口导管111、121连通。
与反应器13一样，反应器33的支撑框架333可以配置为以任何期望的移动，例如(连续)旋转或摆动，在轴314上转动。支撑框架的形状没有特别限制，并且可以使用支架313、323的任何合适的形状和/或安置。在Brod等人的US 2009/0034358和Kauling等人的US8328167中描述了用于支撑框架的并且可以在本文所述的反应器中使用的可能构型。应当注意，在以上文献中，旋转膜单元被配置为对液体充气，而在本说明书中，旋转膜单元被配置为从反应器介质中取出两种不同的流。
第一和第二膜单元11、12的支撑框架113、123或放置在反应器容器131内的支撑框架333例如通过在轴114、124或314上施加枢转移动而相对于反应器有利地移动(在预定角度范围内(例如180°或更小)来回摆动)。
安装在相应支撑框架上的膜115、125与反应器介质接触。随着膜与支撑框架一体地移动，反应器介质与膜之间的相对移动得以维持。在图2A-图2B和图3的实例中，(中空纤维)膜具有平行于枢转轴114、124、314定向的纵轴，并且因此垂直于移动平面定向。这些构型可以有效地维持反应器介质在膜的外表面上的足够水平的错流。
将方便地注意到，过滤膜仅仅是可以在本文所述的设备和方法中，例如在第一膜单元11中使用的膜的一种示例性类型。其他可能的膜可以配置为经由除压力差和/或特征孔径之外的机制进行选择性的跨膜传质，这些机制比如但不限于：特定电荷类型的特性吸引(例如离子交换膜)、选择性吸附、或溶液或扩散特性(例如膜接触器)。
酯或酰胺的生产
以上关于图1至图3描述的反应器配置有利地用于涉及形成酯或酰胺的方法。
根据一个方面，以上反应器配置用于形成酯、特别是手性酯的方法中。存在形成酯的不同方法，并且在本说明书中原则上考虑了所有这些方法。形成酯的一种方法涉及直接酯化。醇和有机酸(例如羧酸)被用作底物并使其反应以形成酯和水。另一种方法涉及酯交换。醇和酯(例如甲酯)被用作底物并使其反应以形成酯和醇(例如甲醇)。形成酯的其他可能方法涉及酰氯或酸酐的醇解。
根据本文所述方面的方法对于其中一种和/或两种底物是挥发性的和/或与甲醇或水形成共沸物的酯生产是特别令人关注的。在此类情况下，由于下游工艺复杂性，氮汽提使得复杂。可以在本文所述的方法中生产的有用酯的实例为：异丙酯、甲基丙烯酸酯和丙烯酸酯。
根据另一方面，以上反应器配置用于形成酰胺、特别是手性酰胺、特别是有机酰胺的方法中。存在形成酰胺的不同方法，并且在本说明书中原则上考虑了所有这些方法。在一种形成酰胺的方法中，有利地有机胺和有机酸(例如羧酸)被用作底物并使其反应以形成(有机)酰胺和水。其他可能的方法涉及使用酸酐或酰氯。
根据本文所述方面的方法对于其中一种和/或两种底物是挥发性的和/或与甲醇/水形成共沸物的酰胺生产是特别令人关注的。在此类情况下，由于下游工艺复杂性，氮汽提使得复杂。有用方法的实例包括酰胺生产方法，其中将异丙胺或正丙胺用作底物，或其中将(甲基)丙烯酸或(甲基)丙烯酸酯用作底物。
底物被供应到反应器13或33。底物泵142可以配置为以受控的量向反应器供应底物。可以在将底物供应到反应器之前对其进行预混合，或者可以将它们单独地进料至反应器。催化剂可以固定或自由悬浮在反应器中提供在反应器中。催化剂有利地是生物催化剂，并且本文所述的方法有利地是生物催化方法。(生物)催化剂有利地包含酶(比如脂肪酶或酯酶)或由其组成。有用的催化剂的实例包括来自南极假丝酵母(Candida antarctica)、伯克氏菌属物种(Burkholderia species)、多节闪烁杆菌(Fervidobacterium nodosum)、球拟假丝酵母(Starmerella bombicola)的脂肪酶。固定化脂肪酶的商业名称是435(诺维信公司(Novozymes)，丹麦)，其固定在丙烯酸树脂上。酶(比如脂肪酶)可以自由地悬浮在反应器中，或者可以固定在载体上。(生物)催化剂可以是可以通过其中包含的酶催化反应的微生物。
例如通过流14供应的底物在反应器中可能在(生物)催化剂的存在下反应，以形成在反应液132中累积的酯或酰胺，以及水或醇。反应器中的反应条件有利地是温和的，并且反应器(反应器中的反应液)的温度可以维持在30℃与70℃之间、有利地在40℃与65℃之间、有利地在50℃与60℃之间。有利地，在反应液132中不使用(有机)溶剂来形成酯或酰胺。
在第一膜单元11中，例如经由泵112有利地施加跨膜115的合适的压力差(跨膜压)。这将从反应液中取出第一流(渗透物)，该第一流被收集在膜单元11的渗透物通道(例如，膜115的内腔)中，并进一步经由收集器歧管排至出口导管111。通过适当选择膜115的类型(例如，微滤，超滤等)，可以例如基于分子大小从反应液中选择性地回收特定化合物。这些化合物有利地包括通过在反应器中的反应获得的酯或酰胺。可能地，一部分底物可以穿过膜115。可以选择膜115以阻挡(生物)催化剂通过，该(生物)催化剂将保留在反应器中。
通过膜115收集的渗透物形成第一流15，该第一流可以经由适当的下游加工进一步加工以分离构成其的不同化合物。期望的酯或酰胺可以例如通过蒸馏从流15中回收。可以回收其他化合物(例如，底物)，并且可以将其再循环到反应器13、33。
第二膜单元12的膜125将从反应液中取出第二流16。第二流16可包含多于一种源自反应液的化合物。这些化合物中的至少一种有利地不同于通过第一膜单元的膜115收集在第一渗透物中的化合物。在本发明实施方案中，第二流有利地包含反应(副)产物(比如水或醇)，将其从反应液132中取出，以便将反应移至右侧并增加产物滴度。第二流16可以冷凝成液相，并且可以通过适当的下游加工分离成其单独的化合物。
全蒸发膜125可以是多孔的或无孔的膜，这些膜允许通过底物与渗透物侧之间的部分蒸气压梯度驱动选择性传质。在无孔膜中，通过膜维持吸附-扩散-解吸过程。用于全蒸发的膜典型地是薄膜复合膜，其包括在多孔支撑物上提供的限定膜特性的分离层。可用于全蒸发目的的分离层的材料可由聚合物材料、沸石、陶瓷材料或其组合制成(例如，具有沸石或陶瓷填料颗粒的聚合物膜)。膜可以是亲水性的或亲有机性的(疏水性的)。有用的亲水性膜的具体实例由聚乙烯醇、A型(NaA)或Y型(NaY)沸石或(混合)二氧化硅制成。有用的疏水性膜的具体实例由聚二甲基硅氧烷(PDMS)或ZSM-5(MFI)沸石制成。
亲水性全蒸发膜有利地用于从反应液中取出水。为了从反应液中取出醇产物，可以使用亲有机性全蒸发膜。可替代地，可以使用亲水性膜来取出醇产物。
膜接触器中使用的膜可以是多孔或无孔的膜。在无孔膜中，通过膜维持吸附-扩散-解吸过程。在这里同样，膜典型地是薄膜复合膜。可用于膜接触器目的的分离层的材料可由聚合物材料、沸石、陶瓷材料或其组合制成。
本文所述设备和方法的一个优点是它们是固有地更安全的，因为不涉及具有高错流的相关的(外部)回路。不存在或存在较少的可能易于泄漏和/或可能使维护操作员暴露于(潜在)有毒产物的外部管路。另一个优点是，它具有小的占用空间，与现有技术的设计相比占用小得多的空间。又另一个优点是，由于膜单元11和12在反应器内的一体化，大大降低了所需的泵送能量。
将方便地注意到，类似于本文所述的第一和第二膜单元11、12的原理，可以将另外的膜单元一体化在反应器中。例如，第三膜单元可以在反应器中或者在单独的支撑框架上提供或者一体化在第一和第二膜单元中任一个或两者的支撑框架上。第三单元的膜的支撑框架可以相对于反应器枢转地布置，或者可替代地可以固定在反应器内。第三膜单元可以配置为通过合适的多孔或无孔膜将液体或气态化合物定量给料到反应液中。另外，可以提供第四、第五以及甚至更多的膜单元。
将方便地注意到，尽管本文中将反应器13描述为由单个容器形成(例如，单阶段反应器)，但这不是必需的，并且本文所述的设备和方法适用于多阶段反应器。多阶段反应器典型地包括串联或级联布置的多个(例如两个、三个或甚至更多个)反应器容器。在此类情况下，第一膜单元11和第二膜单元12不需要布置在同一个反应器容器中，并且可以布置在不同的反应器容器中。可替代地，可以在多于一个反应器容器中提供第一膜单元11和第二膜单元12中的任一个或两者。
有机溶剂的生产
参考图4A，根据本文所述的另一个方面的设备400在反应器13内一体化了两个单独的、不同的膜单元11和12。反应器13有利地是用于将原料14、特别是生物质原料转化为有用产物、特别是有机溶剂、或多种有机溶剂的混合物的反应器。可以通过合适的(生物)催化剂(比如微生物和/或酶)来辅助该转化。有利地，经由进料泵142通过供应导管141将进料14连续地供应到反应器13。
本发明的方面中的一种或多种转化反应有利地是指发酵反应，包括在微生物(比如梭状芽胞杆菌属(Clostridium genus)的微生物，特别是丙酮丁醇梭菌)的存在下发酵原料。该一种或多种发酵反应有利地全部或部分在厌氧条件下进行。
反应器13可以是单阶段反应器，例如包括在其中转化原料14的单个容器；或多阶段反应器，包括多个串联或级联布置的反应器容器，其中转化/发酵反应以逐步方式进行。例如，反应器可以是两阶段反应器或三阶段反应器，如图4A中所示。该三阶段反应器包括与第二反应器432串联联接的第一反应器431，该第二反应器进而与第三反应器433串联联接。第一反应器431包括第一介质137，该第一介质可能包含部分转化的原料14，并且还可能包含在第一反应器431中未转化的残留原料。将介质137有利地连续地从第一反应器中取出并例如经由泵135供应到第二反应器432。第二反应器432包括第二介质138，其中可能含有残留原料14的第一反应器的介质137进一步反应。第二介质138可能已经包含期望的反应产物，比如ABE溶剂的混合物。将第二介质138有利地连续地从第二反应器中取出并供应到第三反应器433，其中可以进一步在反应器介质139中转化残留原料，比如残留碳水化合物。可以从第三反应器433中取出第三流17。将方便地注意到，介质137、138、139中的任一种或全部可以被称为发酵液。
微生物可以存在于第一反应器431、第二反应器432和第三反应器433中的任何一个或全部中。例如，在第一反应器431中，可以发生产酸发酵。在第二和第三反应器432和433中，可以发生产溶剂发酵。第三反应器可允许最大化溶剂滴度。改善的碳水化合物转化将降低底物成本，并且更高的溶剂滴度将降低进一步回收残留溶剂的成本。将方便地注意到，可以根据需要添加更多的反应器阶段，或者可以省略第一反应器阶段和第三反应器阶段中的任何一个。
原料14可以包含任何合适的生物质。原料14可以源自或包含甘蔗、玉米醪或小麦。原料14有利地包含碳水化合物，特别是水解产物，比如C5/C6碳水化合物(比如淀粉、葡萄糖、木糖)、木质纤维素水解产物或来自纸浆和造纸工业的水解产物。
有利地，本发明方面中的一种或多种发酵反应在包括在30℃与45℃之间、有利地在30℃与40℃之间、有利地在32℃与38℃之间、有利地在35℃与37℃之间的温度下进行。这是通过将反应器13(例如，第一反应器431、第二反应器432、第三反应器433中的任一个或其任何组合)中的介质维持在如所指示温度下而获得的。
有利地，将反应器中介质的pH维持在4.0与6.0之间、有利地在4.0与5.5之间、有利地在4.5与5.5之间、有利地在4.5与5.0之间。
本说明书方面中的方法可以以分批、进料分批(fed-batch)或连续的方式进行，即，在分批、进料分批或连续基础上在反应器中提供(或引入)原料14。
微生物有利地容纳在反应器中，并且可以固定或可以不固定在其中。如上文关于设备10所述，通过膜单元11和12有利地连续地从反应器中除去反应产物和可能地另外的化合物。膜单元11和12中的任一个或两者有利地配置为回收或取出特定的化合物。膜单元11和12有利地允许将微生物保留在反应器中。
在此实施方案中，有利地取出第一流(渗透物)15，以便增加反应器中(干细胞重量的)细胞浓度。这可以有利地导致进料(底物)供应速率、溶剂生产率和/或木糖利用率的增加。另外，第一膜单元的过滤膜有利地允许将微生物和其他可能的催化剂保留在反应器介质中。这允许增加反应器中的细胞/微生物浓度，这可以改善产物转化并且可以允许减少原料在反应器中的停留时间。
在此实施方案中，第二流16可以包含反应产物(比如有机溶剂或有机溶剂的混合物)或由其组成。在ABE发酵的特定情况下，例如用梭状芽胞杆菌菌株的情况下，第二流可以包含以下项中的一种或多种或由其组成、或由以下项的混合物组成：异丙醇、丙酮、正丁醇和乙醇、以及可能的水。
在第二膜单元12是全蒸发单元的特定情况下，由发酵反应产生的二氧化碳(CO2)可以有利地收集在第二流中。由于第一膜单元11的过滤膜的滤液侧的压力通常较低，所以CO2在滤液侧局部过饱和并且导致在滤液侧形成CO2气泡。这扭曲了液体流动，并导致难以控制连续发酵中的停留时间，该停留时间的控制是确保目标生产率所必需的。与过滤膜并行运行的用于溶剂回收的全蒸发膜不仅降低了发酵液中的溶剂浓度，它们还除去了CO2。这通过避免在过滤膜的滤液侧形成CO2气泡而导致改善了对发酵反应器中停留时间的控制。
参考图4B，提供了替代设备500和相关的方法方案。图4B的设备和方法方案与图4A的设备和方法方案的不同之处在于，第三膜单元18以类似的方式一体化在反应器13中，有利地与其他两个膜单元11和12中的一个或两个一体化在同一反应器容器中。第三膜单元18配置为除去CO2、H2和任选地其他不可冷凝气体。第三膜单元18可以配置为作为膜接触器运行，有利地在渗透物侧在部分真空压力下运行。合适的部分真空渗透物压力范围在75毫巴与500毫巴之间、有利地在100毫巴与400毫巴之间。在这些相对高的渗透物压力下(与标准真空条件相比)，发生溶剂的可忽略转移。可以通过第三膜单元18的膜传输的任何溶剂可以在布置在真空泵181下游的冷凝器182中冷凝。通过第三膜单元18取出的溶剂流可以在除去不可冷凝气体(作为单独的流183)之后收集为第四流19。此种第三膜单元18可以降低总体真空成本。不可冷凝气体的存在极大地影响真空泵的运行成本，如Van Hecke,W.和DeWever,H.在J.Membr.Sci.[膜科学杂志](2017),540(321-332)中所示。因此，在较高的渗透物压力下在单独的回路中除去不可冷凝气体避免了与第二膜单元12中的真空相关的过多成本(运行成本和真空泵的数量)。
根据一个方面，第一膜单元11的膜和第二膜单元12的膜布置在反应器13内、有利地至少部分地浸入反应器的介质138中。特别地，这些膜布置在反应器的容器内。反应器可以是第一反应器431、第二反应器432和第三反应器433中的任何一个或多个。在图4A-图4B的实例中，将第一和第二膜单元的膜布置在第二反应器432的容器131中、有利地至少部分且有利地完全浸入第二反应器介质138中。在替代配置中，第一和第二膜单元中的一个或两个的膜可以布置在第一反应器431的容器中，并且有利地浸入第一反应器介质137中。例如，第一膜单元11的膜可以布置在第一反应器431中，同时第一膜单元布置在第二反应器432中。又可替代地，可以在第一反应器431中布置与第一膜单元11类似运行的另外的膜单元
一体化在反应器容器内的全蒸发或液-液萃取单元简化了对温度和浓度梯度控制的要求。通过适当地维持反应器介质432相对于第二膜单元12移动，使温度梯度最小化，并且可以容易地使膜表面上的浓度梯度最小化。相同的理由适用于膜过滤单元，比如第一膜单元11。
可以从介质中作为渗出物取出第五流。与第一流和/或第二流相比，第五流可以更小。第五流有利地允许在反应器中保持细胞浓度恒定，并且因此使得能够在稳态条件下运行反应器。将方便地注意到，第五流不需要并且典型地将不通过膜取出，因为此处的目的是从反应器介质中除去较大尺寸的化合物(例如细胞)的一部分。
根据一个方面，单元11和12的膜布置成相对于反应器13移动，如以上已经关于图2A-图2B和图3所指示的。特别地，膜单元11和12可以布置在第二反应器432的容器131中并且布置成相对于该容器移动。
将方便地注意到，第一膜单元和第二膜单元可各自安置在包括反应器介质的可用反应器431、432、433中的任何一个中。例如，第一膜单元11的支撑框架113和膜115可以布置在第三反应器433中，同时支撑框架123和膜125可以布置在第二反应器432中。
在第一膜单元11中，例如经由泵112有利地施加跨膜115的合适的压力差(跨膜压)。这将从反应器介质中取出第一流15，该第一流被收集在膜单元11的渗透物通道(例如，膜115的内腔)中，并进一步经由收集器歧管排至出口导管111。通过适当选择膜115的类型(例如，微滤，超滤等)，可以例如基于分子大小从反应器介质中选择性地回收特定化合物。可以选择膜115以阻挡反应器中存在的微生物通过，该微生物将保留在反应器中。结果，该一个或多个反应器中的细胞浓度增加，这将增加原料的消耗并因此增加一种或多种有机溶剂的生产率。例如，尽管已知梭菌属菌株消耗C5碳水化合物，但与C6消耗率相比，观察到消耗率低。这妨碍溶剂生产率，并导致体积大的发酵罐。过滤膜单元允许保留细胞，并且因此将导致改善的木糖转化。
如图4A和图4B中所示，可以将第一流15引入另一个反应器阶段，例如下游阶段，比如第三反应器433，或者可以通过适当的下游加工，例如通过蒸馏，进一步加工以分离独立的化合物。
当例如经由泵122在内膜表面(渗透物侧)施加合适的部分真空或减压时，第二膜单元12的全蒸发或接触器膜125将从反应器介质中取出第二渗透物，该第二渗透物被收集在膜单元12的渗透物通道(例如，膜125的内腔)中并作为第二流16通过收集器歧管进一步排至出口导管121。在第二膜单元12被布置为全蒸发单元的情况下，第二流典型地作为蒸气被收集在膜125的内面处。第二流16可包含多于一种化合物。第二流有利地包含挥发性有机化合物，比如一种或多种有机溶剂，并且可以包含水。从反应器介质中取出一种或多种有机溶剂减轻产物毒性，并通过增加碳水化合物利用率改善水平衡。第二流16可以冷凝成液相(例如通过冷凝器161)，并且可以通过适当的下游加工分离成其单独的化合物。
将方便地注意到，类似于本文所述的第一和第二膜单元11、12的原理，可以将另外的膜单元一体化在反应器中。参考图4A和4B，第五膜单元20可以提供在下游反应器阶段433中。第五膜单元可以与第一膜单元11类似，例如布置为包括微滤膜或超滤膜的过滤单元，或者可替代地可以与第二膜单元12类似。
此外，第三膜单元18可以在反应器中或者在单独的支撑框架上提供或者一体化在第一和第二膜单元中任一个或两者的支撑框架上。第三单元的膜的支撑框架可以相对于反应器枢转地布置，或者可替代地可以固定在反应器内。可以提供又另外的膜单元，例如配置为通过合适的多孔或无孔膜将液体或气态化合物定量给料到反应器介质中。
以上关于图4A-图4B所述的反应器配置有利地用于涉及形成一种有机溶剂或有机溶剂的混合物的方法，如本文所述，比如ABE。可以将常规的下游加工应用于第二流16和/或第三流17以获得期望的纯度等级的有机溶剂。现在将关于图5所述第二流16和第三流17的可能的下游工艺的一个具体实例，特别是针对其中第二流16源自为全蒸发单元的膜单元12的情况。将第二流16作为进料供应到第一蒸馏柱34，可能作为经过冷凝器161之后的冷凝物(参见图4A-图4B)。在柱34中蒸馏第二流16以产生富含第一范围的溶剂的顶部物(overhead)流8和贫第一范围的溶剂的可能是液体的底部物(bottom)流7。蒸馏柱34有利地是多阶段蒸馏柱，比如包括范围在6与35之间的理论阶段数。
第三流17或其至少一部分也可以进料至第一蒸馏柱34。为此，第三流17可以首先被送至汽提器，例如蒸汽汽提器36。在本说明书的上下文中，蒸汽汽提器是指本领域技术人员已知的啤酒汽提器或蒸汽蒸馏设备。在将(无细胞/无颗粒)流出物送到汽提器之前，可以将第三流17离心以除去细胞/颗粒。另外或可替代地，在被进料到汽提器之前，第三流17可以例如通过经过热交换器37、38而被加热。例如，热交换器37可配置为将流17加热到包括在75℃至85℃之间的温度，此后，流17可被热交换器38进一步加热到例如包括在90℃至95℃之间的温度，并且然后送至蒸汽汽提器36。蒸汽汽提器36产生顶部(顶部物)流4，将其进料到第一蒸馏柱34，其中将其与第二流16结合蒸馏以产生底部物流7和顶部物流8。
离开第一蒸馏柱34的底部物流7可包含两个相，富溶剂相和水相。在一个具体实例中，富溶剂相包含正丁醇，并且水相包含水。随后将这两个相在合适的分离器中分离。例如，将底部物流7进料至倾析器35，其中将流7分离成富溶剂相71和水相72。在ABE发酵过程中，富溶剂相71有利地主要由正丁醇形成，例如按体积计至少51％。水相72可包含较少量的正丁醇，例如按体积计小于15％，比如按体积计3％至15％之间的正丁醇。
可以在第一蒸馏柱34与倾析器35之间布置热交换器40以将底部物流7的温度调节至适用于倾析的温度。用于倾析的合适温度取决于需要分离的产物、有利地溶剂并且将对本领域技术人员而言是显而易见的。例如，流7在进料到倾析器35时的温度范围在35℃与45℃之间。
有利地，例如通过蒸馏进一步纯化富溶剂相71。为此，可以将相71进料至与倾析器35的第一出口连通的第二蒸馏柱42。第二蒸馏柱42产生形成第一溶剂、有利地基本上纯的第一溶剂的底部物流74。在ABE发酵中，流74有利地包含(基本上纯的)正丁醇或由其组成。有利地，流74由正丁醇组成，该正丁醇具有包括在99.0％(w/w)与99.9％(w/w)之间、有利地在99.5％(w/w)与99.9％(w/w)之间、有利地在99.7％(w/w)与99.9％(w/w)之间的纯度，有利地99.8％(w/w)的纯度。
在本发明的方面中，所产生的(基本上纯的)正丁醇可以用作化学工业中的中间体。例如，所产生的正丁醇可用作溶剂、塑料工业中的原料化学品、配制产品(比如化妆品)中的成分、食品和香料工业中的食品级萃取剂、燃料、或燃料添加剂。离开第二蒸馏柱42的顶部物流73可以再循环回到倾析器35中用于倾析。
作为底部物流离开倾析器35的水相72有利地例如通过蒸馏进一步纯化。为此，可以将相72送至与倾析器35的第二出口连通的第三蒸馏柱43。第三蒸馏柱43产生形成贫有机溶剂的基本上纯的水相的底部物流76。有利地，流76仅包含痕量的(有机)溶剂，有利地，流76主要包含贫正丁醇的水。第三蒸馏柱43产生顶部物流76，该流可以再循环回到倾析器35。
在替代实施方案中，通过在倾析器35中倾析作为底部物流形成的水相72可以被送至萃取单元(未示出)。在此种萃取单元中，使用(生物)柴油或另一种燃料作为萃取剂从水中萃取出正丁醇。这导致产生富正丁醇的(生物)燃料，其可以按原样进一步使用。
第一蒸馏柱34的顶部物流8可包含一定量的有机溶剂。在ABE发酵中，例如，流8可以包含主要是丙酮和乙醇的混合物。所获得的包含丙酮和乙醇的混合物可以直接用于进一步的化学反应中。可替代地，可以例如通过蒸馏进一步纯化/分离顶部物流8，以获得(基本上纯的)丙酮流和乙醇的共沸混合物的单独流。为此，顶部物流8可以被送至与第一蒸馏柱34的第二出口连通的第四蒸馏柱41。第四蒸馏柱41产生包含(基本上纯的)第二溶剂或由其组成的顶部物流81和包含第三溶剂(并贫第二溶剂)的底部物流82。在ABE发酵中，流81有利地包含丙酮或基本上由丙酮组成。流81中获得的丙酮可以具有包括在98.0％(w/w)与99.9％(w/w)之间、有利地在98.5％(w/w)与99.5％(w/w)之间、有利地在99.0％(w/w)与99.5％(w/w)之间的纯度。流82可以富含乙醇。例如，流82可以是共沸混合物(或共沸溶液)，其包含按体积计在85％与90％之间的乙醇和按体积计在10％与15％之间的水、有利地按体积计在86％与88％之间的乙醇和按体积计在12％与14％之间的水、有利地按体积计87％的乙醇和按体积计13％的水。

Claims (19)

1.一种获得化合物的方法，该方法包括：
将底物(14)添加到包括在反应器(13，33)中的介质(132)中，
使该底物在该反应器中反应以形成该化合物，
通过第一膜(115)从该介质中分离第一流(15)，该第一流包含第一产物，
通过第二膜(125)从该介质中分离第二流(16)，该第二流包含不同于该第一产物的第二产物，和
从该反应器中单独地取出该第一流和该第二流，
其特征在于：
该第一膜是过滤膜并且该第二膜配置为用于液-气或液-液萃取，
该第一膜和该第二膜至少部分地浸入该介质中，
该第一膜和该第二膜安装在相应的支撑框架上或共用支撑框架上，其中这些相应的支撑框架或该共用支撑框架相应地在固定到该反应器的相应的枢轴上或共用枢轴上转动，
在分离该第一流和分离该第二流的步骤期间，该第一膜和该第二膜相对于该反应器转动，并且特征在于：
该第一产物或该第二产物包含该化合物或由该化合物组成。
2.如权利要求1所述的方法，其中，分离该第一流和分离该第二流的步骤是并行进行的。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，该第一膜是微滤膜、超滤膜或纳滤膜。
4.如权利要求1或2所述的方法，其中，该第二流通过该第二膜经由全蒸发或液-液萃取分离。
5.如权利要求1或2所述的方法，其中，该化合物是酯或酰胺，其中该第一产物包含该化合物，并且其中该第二产物包含水或醇。
6.如权利要求5所述的方法，其中，该反应器包括催化剂，该催化剂被该第一膜保留。
7.如权利要求6所述的方法，其中，该催化剂包括酶。
8.如权利要求1或2所述的方法，其中，该化合物是有机溶剂，其中该第二产物包含该有机溶剂。
9.如权利要求8所述的方法，其中，该有机溶剂是丁醇或丙酮。
10.如权利要求8所述的方法，其中，该第二流(16)通过该第二膜经由全蒸发分离，该第二流包含气态化合物。
11.如权利要求10所述的方法，其中，该气态化合物是二氧化碳。
12.如权利要求1或2所述的方法，其中，该化合物通过发酵过程获得。
13.如权利要求1或2所述的方法，其中，在分离该第一流和分离该第二流的步骤期间，该第一膜和该第二膜相对于该反应器旋转或摆动。
14.一种设备，其包括：
反应器(13，33)，其包括反应器容器(131)、底物供应装置(141)、第一出口(111)和第二出口(121)，
过滤单元，其包括第一膜(115)，该第一膜具有与该反应器容器连通的第一表面和与该第一表面相反的、与该第一出口连通的第二表面，以及
液-液或液-气萃取单元，其包括第二膜(125)，该第二膜具有与该反应器容器连通的第三表面和与该第三表面相反的、与该第二出口连通的第四表面，
其特征在于，该第一膜和该第二膜布置在该反应器容器内，该第一膜和该第二膜安装在相应的支撑框架上或共用支撑框架上，其中这些相应的支撑框架或该共用支撑框架被配置为相应地在固定到该反应器容器的一个或这些相应的枢轴上转动，并且，该第一膜和该第二膜布置成相对于该反应器容器移动。
15.如权利要求14所述的设备，其包括用于在该第一表面与该第二表面之间施加第一压力差的装置(112)，该第一压力差配置为产生从该第一表面到该第二表面的渗透物流。
16.如权利要求14或15所述的设备，其包括用于在该第三表面与该第四表面之间施加第二压力差的装置(122)，该第二压力差配置为通过在该第四表面处的对应蒸气来回收在该反应器容器中的液体化合物。
17.如权利要求14或15所述的设备，其中，该第一膜是微滤膜、超滤膜或纳滤膜，并且其中，该第二膜是用于全蒸发或液-液萃取的膜。
18.如权利要求14或15所述的设备，其中，该第一膜和该第二膜固定地附接到这些相应的支撑框架或该共用支撑框架。
19.如权利要求14或15所述的设备，其包括驱动装置，其用于使这些相应的支撑框架或该共用支撑框架相对于该反应器容器旋转或摆动。
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