CN219279773U - 从气体发酵过程中回收至少一种产物的系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种从气体发酵过程中回收至少一种产物的系统。特别地，所述系统选择性地回收至少一种选自富含乙醇的料流、富含丙酮的料流、富含异丙醇的料流或其组合的富含产物的料流。所述系统包括真空蒸馏单元、精馏单元、丙酮去除单元、干燥单元、乙醇‑丙酮分离单元、萃取蒸馏单元或其组合中的至少一种。

Description

从气体发酵过程中回收至少一种产物的系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2021年10月13日提交的美国非临时专利申请第17/450,802号的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及一种从发酵液中回收产物的灵活方法，其中该发酵液包括乙醇、丙酮和异丙醇中的至少一种，还涉及一种从气体发酵过程中回收至少一种产物的系统。
背景技术
二氧化碳(CO2)占由人类活动引起的全球温室气体排放的约76％，其中剩下的是甲烷(16％)、氧化亚氮(6％)和氟化气体(2％)(美国环境保护局(United StatesEnvironmental Protection Agency))。尽管工业和林业实践也向大气排放CO2，但大部分CO2来自燃烧化石燃料以产生能量。减少温室气体排放，尤其是CO2排放，对于阻止全球变暖的进程以及随之而来的气候和天气变换至关重要。
长期以来已经认识到，催化方法，例如费-托方法可用于将含有二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)和/或氢气(H2)的气体，例如工业废气或合成气或其混合物转化成各种化学品，例如乙醇、丙酮和异丙醇。合成气也可以通过Monsanto工艺通过转化为甲醇作为第一步而转化为各种化学品。费-托(Fischer-Tropsch)和甲醇合成单元都以非常高的生产能力进行优化。它们需要具有低杂质的明确的进料气体组合物和合成气进料以避免催化剂中毒。费-托工艺需要复杂且昂贵的纯净设备以生成高纯度工业化学品。最近，气体发酵已成为此类气体的生物固定的替代平台。已经证明C1固定微生物将含有CO2、CO和/或H2的气体，例如工业废气或合成气或其混合物转化成产物，例如乙醇和2,3-丁二醇。
在某些情况下，调节含C1的工业气体的发酵以产生特定的化学产物，例如乙醇、丙酮或异丙醇。然而，尽管特定产物的生产是目标，但发酵产物将含有其它组分，例如乙醇和丙酮或异丙醇和乙醇。特定化学产物的下游分离和回收需要用于每种化学产物，例如乙醇、丙酮和异丙醇的单独定制的分离系统。
因此，需要一种集成回收系统，其具有使用共享的分离和回收组件而不是为每种产物组合使用定制的分离和回收组件来回收不同化学产物组合(例如乙醇/丙酮或异丙醇/乙醇)的灵活性。
发明内容
在一个实施例中，一种从发酵过程中产生和回收至少一种产物的方法包含将含C1的气体从来源引入到液体营养培养基中含有至少一种C1固定微生物的发酵生物反应器，以产生发酵液，该发酵液包含有包含乙醇和水的第一产物料流或包含乙醇、丙酮和水的第二产物料流或包含乙醇、丙酮、异丙醇和水的第三产物料流中的至少一种；以及将发酵液从发酵生物反应器转移至共享产物回收系统，用于选择性地回收至少一种选自富含乙醇的料流、富含丙酮的料流、富含异丙醇的料流或其组合的富含产物的料流。
在另一实施例中，共享产物回收系统可包含真空蒸馏单元、精馏单元、丙酮去除单元、干燥单元、乙醇-丙酮分离单元、萃取蒸馏单元或其组合中的至少一种。
在一个方面，真空蒸馏单元从包含第一产物料流的发酵液产生富含乙醇的料流和产物贫化的料流，其中产物贫化的料流返回至发酵生物反应器。在另一方面，真空蒸馏单元从包含第二产物料流的发酵液产生富含丙酮和乙醇的浓缩的料流和产物贫化的料流，其中产物贫化的料流返回至发酵生物反应器。在又一方面，真空蒸馏单元从包含第三产物料流的发酵液产生富含异丙醇、丙酮和乙醇的浓缩的料流和产物贫化的料流，其中产物贫化的料流返回至发酵生物反应器。
在一个实施例中，用另一C1固定微生物替换至少一种C1固定微生物，该另一C1固定微生物产生与由至少一种C1固定微生物产生的产物料流不同的第一产物料流、第二产物料流或第三产物料流中的一种。
在再一实施例中，将C1固定微生物从产生第一产物料流的C1固定微生物切换至产生乙醇、丙酮和水的第二产物料流或乙醇、丙酮、异丙醇和水的第三产物料流的C1固定微生物；或从产生第二产物料流的C1固定微生物至产生第一产物料流或第三产物料流的C1固定微生物；或从产生第三产物料流的C1固定微生物至产生第一产物料流或第二产物料流的C1固定微生物。
在进一步的实施例中，一种从气体发酵过程中回收至少一种产物的系统包含(a)与真空蒸馏单元流体连通的C1气体发酵生物反应器，该真空蒸馏单元被配置成从包含乙醇和水的第一产物料流产生富含乙醇的料流和产物贫化的料流，以及(b)与真空蒸馏单元流体连通的精馏单元，该精馏单元被配置成产生塔顶乙醇料流和塔底水料流。
在另一实施例中，干燥单元与精馏单元流体连通，干燥单元被配置成产生无水乙醇料流和净化料流。
在又一实施例中，一种从气体发酵过程中回收至少一种产物的系统包含(a)与真空蒸馏单元流体连通的C1气体发酵生物反应器，该真空蒸馏单元被配置成从包含乙醇、丙酮和水的第二产物料流产生富含丙酮和乙醇的浓缩的料流和产物贫化的料流(b)与真空蒸馏单元流体连通的精馏单元，该精馏单元被配置成产生富含丙酮和乙醇的塔顶料流和塔底水料流；(c)与精馏单元流体连通的干燥单元，该干燥单元被配置成产生富含丙酮和乙醇的无水浓缩的料流和净化料流；以及(d)与干燥单元流体连通的乙醇-丙酮分离单元，该乙醇-丙酮分离单元被配置成产生无水丙酮料流和无水乙醇料流。
在再一实施例中，一种从气体发酵过程中回收至少一种产物的系统包含(a)与真空蒸馏单元流体连通的C1气体发酵生物反应器，该真空蒸馏单元被配置成产生富含异丙醇、丙酮和乙醇的浓缩的料流和来自包含乙醇、丙酮、异丙醇和水的第三产物料流的产物贫化的料流；(b)与真空蒸馏单元流体连通的丙酮去除单元，该丙酮去除单元被配置成产生富含异丙醇和乙醇的塔底料流和富含丙酮的塔顶料流(c)与丙酮去除单元流体连通的精馏单元，该精馏单元被配置成产生富含异丙醇和乙醇的塔顶料流和来自塔底料流的塔底水料流(d)与精馏单元流体连通的干燥单元，该干燥单元被配置成产生富含异丙醇和乙醇的无水浓缩的料流和净化料流，和(e)与干燥单元流体连通的萃取蒸馏单元，该萃取蒸馏单元被配置成在至少一种萃取蒸馏剂存在的情况下从富含异丙醇和乙醇的无水浓缩的料流的蒸馏获得塔顶料流和蒸馏塔底料流。
进一步的实施例涉及使萃取蒸馏单元与分离塔和另一分离塔流体连通，该另一分离塔被配置成(i)从塔顶料流中回收无水乙醇的至少一部分和从蒸馏塔底料流中回收无水异丙醇的至少一部分；或(ii)从塔顶料流中回收无水异丙醇的至少一部分和从蒸馏塔底料流中回收无水乙醇的至少一部分。
在又一进一步的实施例中，丙酮去除单元与发酵生物反应器进一步流体连通，丙酮去除单元被配置成将塔顶料流再循环至发酵生物反应器。
在另一实施例中，一种从气体发酵过程中回收至少一种产物的系统包含：与真空蒸馏单元流体连通的C1气体发酵生物反应器，该真空蒸馏单元具有产物富含的乙醇料流出口和产物贫化的料流出口；与产物富含的料流出口流体连通的精馏单元，该精馏单元具有塔顶产物料流出口和塔底水料流出口；以及与塔顶产物料流出口流体连通的干燥单元，该干燥单元具有无水产物料流出口和净化料流出口。该系统可以进一步包含与真空蒸馏单元热力学集成的机械蒸汽再压缩系统。该系统可以进一步包含与无水产物料流出口流体连通的分离单元，该分离单元具有分离单元塔顶出口和分离单元塔底出口。分离单元可以是分级蒸馏单元或萃取蒸馏单元。该系统可以进一步包含与产物富含的料流出口、精馏单元和C1气体发酵生物反应器流体连通的副产物去除单元。该系统可以进一步包含与分离单元塔顶出口流体连通并具有第一蒸馏塔产物出口的第一蒸馏塔；以及与分离单元塔底出口流体连通并具有第二蒸馏塔产物出口的第二蒸馏塔。
从下面参照附图进行的详细描述中，本公开的前述和其它目的、实施例和特征将变得更加明显。
附图说明
图1是示出根据本公开的一个方面的包括发酵生物反应器和共享产物回收系统的总体气体发酵过程的示意性流程图。
图2是示出根据本公开的第一方面的共享产物回收系统的真空蒸馏单元、精馏单元和干燥单元的细节的流程图。
图3是示出根据本公开的第二方面的共享产物回收系统的真空蒸馏单元、精馏单元、干燥单元和乙醇-丙酮分离单元的细节的流程图。
图4是示出根据本公开的第三方面的共享产物回收系统的真空蒸馏单元、丙酮去除单元、精馏单元、干燥单元和具有与其连接的分离塔的萃取蒸馏单元的细节的流程图。
具体实施方式
根据本公开，发酵生物反应器下游的灵活的分离和回收方法和系统能够从生物反应器分离和回收存在于发酵液中的化学产物，例如乙醇/丙酮或异丙醇/乙醇的各种组合。灵活的回收/分离系统/方法最大限度地减少需要使用的单元数量。
定义
术语“发酵液(fermentation broth/broth)”旨在涵盖组分的混合物，其是含有未反应的进料气体、一种或多种微生物的培养物、化学营养物和发酵产物，例如乙醇、丙酮、异丙醇及其组合的多相气液水性混合物。术语微生物和术语细菌在整篇文献中可互换使用。
“营养培养基(media/medium)”用于描述微生物生长培养基。通常，此术语是指含有营养物和其它适于微生物培养物生长的组分的培养基。术语“营养物”包括可在微生物的代谢路径中利用的任何物质。示范性营养物包括钾、维生素B、微量金属、和氨基酸。
术语“富含产物的料流”用于表示在使发酵液传送到共享产物回收系统后，回收产物料流中目标产物的重量百分比浓度。例如，富含乙醇的料流包含至少15％或至少30％或至少60％或至少80％或至少95％或至少98％的乙醇。类似地，富含丙酮的料流包含至少14％、或至少32％、或至少65％、或至少85％、或至少95％、或至少99％的丙酮。富含异丙醇的料流包含至少16％、或至少33％、或至少66％、或至少87％、或至少95％、或至少99％的异丙醇。
术语“无水料流”用于表示包含重量浓度小于5％或小于2％或小于1％或小于0.5％或小于0.2％或小于0.1％的水的“无水乙醇料流”或“无水丙酮料流”或“无水异丙醇料流”。
在一个实施例中，在“生物反应器”/“发酵生物反应器”中产生发酵液。术语“生物反应器”包括由一个或多个容器和/或塔或管道布置组成的发酵装置，该发酵装置包括连续搅拌釜式反应器(CSTR)、固定化细胞再循环(ICR)、滴流床反应器(TBR)、泡罩塔、气升式发酵罐、静态混合器、循环回路反应器、膜反应器例如中空纤维膜生物反应器(HFM BR)或适合气液接触的其它容器或其它装置。生物反应器接收包含CO或CO2或H2或其混合物的气态底物。生物反应器可以包括并联或串联的多个反应器(级)的系统。例如，生物反应器可以包含培养细菌的第一生长反应器和第二发酵反应器，来自生长反应器的输出物可以进料到第二发酵反应器并产生大部分发酵产物。在一些实施例中，将生物反应器系统中的多个生物反应器置于另一个之上以形成堆叠。堆叠的生物反应器提高了生物反应器系统的生产量，而不显著增加对土地面积的需求。在一些实施例中，生物反应器包括微泡生物反应器，其在不增加能量消耗的情况下具有显著提高气液传质速率的机制。
术语“接种反应器”、“接种器”等包括一种用于建立和促进细胞生长的发酵装置。接种反应器优选地接收包含CO或CO2或H2或其混合物的气态底物。优选地，接种反应器为其中首先引发细胞生长的反应器。在各种实施例中，接种反应器是其中使先前生长的细胞复活的容器。在各种实施例中，接种反应器中的细胞生长产生接种物，其可转移至生物反应器系统，其中生物反应器促进一种或多种发酵产物的生产。在某些情况下，与随后的一个或多个生物反应器相比，接种反应器具有减小的体积。在一些实施例中，生物反应器系统中的生长反应器可以用作接种反应器。
生物反应器中的微生物可从天然存在的微生物修饰。“亲本微生物”是产生本公开的微生物。亲本微生物可以是天然存在的微生物(即野生型微生物)或先前修饰的微生物(即突变体或重组微生物)。本公开的微生物可以被修饰成表达或过表达在亲本微生物中未表达或过表达的一种或多种酶。类似地，本公开的微生物可以被修饰以含有一个或多个亲本微生物中不含的基因。本公开的微生物还可以被修饰成不表达或表达在亲本微生物中表达的较低量的一种或多种酶。根据一个实施例，亲本微生物是自产乙醇梭菌(Clostridiumautoethanogenum)、扬氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)或拉氏梭菌(Clostridiumragsdalei)。在一个实施例中，亲本微生物是自产乙醇梭菌LZ1561，其于2010年6月7日，根据布达佩斯条约(Budapest Treaty)的规定保藏于德国微生物菌种保藏中心(DeutscheSammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH，DSMZ)(位于布伦瑞克D-38124，Inhoffenstraβe 7B)以及保藏号DSM23693。该菌株在国际专利申请第PCT/NZ2011/000144号中有所描述，其公开号为WO 2012/015317。
“C1固定微生物”是从C1-碳源产生一种或多种产物的微生物。通常，本公开的微生物是C1固定型细菌。“C1碳源”是指作为微生物的部分或唯一碳源的一个碳分子。例如，C1碳源可以包含CO、CO2、CH4、CH3OH或CH2O2中的一种或多种。在一个实施例中，C1碳源包含CO和CO2中的一者或两者。
C1碳源可以从作为工业过程的副产物获得的废气或从另一来源获得，例如内燃机废气、沼气、垃圾填埋气、直接空气捕获或从电解中获得。底物和/或C1碳源可以是通过热解、焙干或气化产生的合成气。换言之，废料中的碳可通过热解、焙干或气化再循环以生成用作底物和/或C1碳源的合成气。底物和/或C1碳源可以是包含甲烷的气体，并且在某些实施例中，底物和/或C1碳源可以是非废气。
“产乙酸菌”是专性厌氧菌，其使用“Wood-Ljungdahl”途径作为(1)用于从CO2还原合成乙酰辅酶A的机制，(2)末端电子接受节约能源过程，(3)用于在细胞碳合成中固定(同化)CO2的机制(Drake,“产乙酸原核生物，在：原核生物中(Acetogenic Prokaryotes,In:The Prokaryotes)”,第3版,第354页,纽约州纽约(New York,NY),2006)通常，本公开的微生物可以是产乙酸菌。
“产乙醇菌”是一种能够产生乙醇的微生物。通常，本公开的微生物可以是产乙醇菌。
“自养生物”是能够在不存在有机碳的情况下生长的微生物。相反，自养菌使用无机碳源，例如CO和/或CO2。通常，本公开的微生物可以是自养生物。
“一氧化碳营养菌”是能够利用CO作为碳和能量的唯一来源的微生物。通常，本公开的微生物可以是一氧化碳营养菌。
“天然产物”是由未经基因修饰的微生物产生的产物。举例来说，乙醇、乙酸酯和2,3-丁二醇为自产乙醇梭菌、扬氏梭菌和拉氏梭菌的天然产物。遗传修饰的微生物产生“非天然产物”，其不是由衍生该遗传修饰的微生物的遗传未修饰的微生物产生的。
“共享产物回收系统”包含在类似操作条件下操作的经布置的装置组合，用于选择性地回收至少一种选自富含乙醇的料流、富含丙酮的料流、富含异丙醇的料流或其组合的富含产物的料流。因此，取决于待回收的产物料流，共享产物回收系统可包含真空蒸馏单元、精馏单元、丙酮去除单元、干燥单元、乙醇-丙酮分离单元、萃取蒸馏单元或其组合中的至少一种。
术语“真空蒸馏单元”旨在涵盖用于在真空下进行蒸馏的装置，其中被蒸馏的发酵产物在低压下被封闭以降低其沸点。在一个实施例中，真空蒸馏单元包括分离区段。发酵产物可以来自生物反应器。
“真空蒸馏单元”回收一种或多种“低沸点发酵产物”。“低沸点发酵产物”比水更易挥发。这些产物可包括但不限于乙醇、丙酮、异丙醇、丁醇、酮、甲基乙基酮、2-丁醇、1-丙醇、乙酸甲酯、乙酸乙酯、丁酮、1,3-丁二烯、异戊二烯和异丁烯。
“分离区段”可以由任何合适的培养基构成，该培养基为汽液接触提供大的表面积，这增加了真空蒸馏单元的效率。分离培养基被设计成提供多个理论蒸馏级。在至少一个实施例中，分离培养基是一系列蒸馏塔板。在至少一个实施例中，分离培养基由至少一种填料材料构成。填充材料通常可以包括薄的波纹金属板或丝网，布置方式迫使流体流过真空蒸馏单元中的所需路径。
“蒸馏塔板(distillation trays/distillation plates)”等旨在涵盖用于促进汽液接触的塔板(plates和/或trays)。塔板类型包括但不限于筛板、浮阀塔板和泡罩塔板。含有供蒸汽流过的孔的筛板用于以低成本提供高效率的高容量情况。尽管成本较低，但是含有带有打开和关闭阀的孔的浮阀塔板由于材料的积聚而易于受到污染。泡罩塔板具有装配在每个孔上的立管或烟囱和覆盖立管的盖子。安装盖子，使得在立管和盖子之间存在允许蒸汽传送的空间。蒸汽通过烟囱上升，并被盖子向下引导，最终通过烟囱上的孔排出，并在塔盘上起泡。泡罩塔板是三个塔板中最先进和昂贵的塔板，并在低液体料流速情况下和最大限度地减少泄漏方面非常有效。
“理论蒸馏级”是一个假设的区域，其中两相(例如物质的液相和气相)彼此建立平衡。许多分离方法的性能取决于具有一系列理论蒸馏级。可以通过提供增加的级的数量来提高分离装置(例如真空蒸馏单元)的性能。在一个实施例中，分离培养基包括足够数量的理论蒸馏级以有效地从发酵液移出至少一种产物。
术语“产物贫化的料流”是指与蒸馏前发酵液中产物的重量比例相比，通过“真空蒸馏单元”蒸馏发酵液后，产物，例如乙醇、丙酮、异丙醇及其组合的重量比例降低的料流。在某些情况下，产物贫化的料流包含少于20％的含有在发酵液中的产物、或少于10％的含有在发酵液中的产物、或少于5％的含有在发酵液中的产物、或少于2.5％的含有在发酵液中的产物、或少于2％的含有在发酵液中的产物、或少于1％的含有在发酵液中的产物。产物贫化的料流进一步含有包括，但不限于，废水、生物质、乙酸盐、2,3-丁二醇和未使用的营养物的组分。
术语机械蒸汽再压缩(MVR)系统旨在涵盖可用于再循环废热以提高热力学效率的能量回收装置。通常，通过MVR从蒸发的液体生成压缩蒸汽，并且利用其进一步的冷凝以生成液体蒸发所需的一部分加热负荷。使用与真空蒸馏单元热力学集成的相同MVR系统有助于在通过真空蒸馏单元处理的所有产物料流(即乙醇、丙酮、异丙醇或其组合)的塔顶维持相同的质量流动速率。
术语“精馏单元”旨在涵盖在真空蒸馏单元下游使用的装置，以促进从真空蒸馏单元输出中去除过量的水和/或副产物。与真空蒸馏单元相比，精馏单元通常包含更多数量的理论蒸馏级。进一步，精馏单元包括多个牵拉点以去除不需要的产物，例如在产物回收过程中可能累积的C3-C4醇。
术语“干燥单元”旨在涵盖例如容器或单元的装置，该容器或单元含有合适的吸附剂材料以从精馏单元的输出料流中吸附过量水。可以吸附水的材料包括但不限于氧化铝、二氧化硅和分子筛，例如合成或天然存在的沸石。可替代地，干燥单元可以包含聚合物膜，该聚合物膜可以选择性地允许来自该输出料流的一种组分(例如水)的一部分料流过以产生渗透料流并且不允许该输出料流的其它组分(例如乙醇、丙酮、异丙醇或其组合)的一部分流过该膜以生成滞留料流，或反之亦然。
术语“乙醇-丙酮分离单元”旨在涵盖使用分级蒸馏来分离丙酮和乙醇的装置。丙酮的沸点为约57℃，乙醇的沸点为约78℃。当乙醇-丙酮混合物沸腾时，由于丙酮的沸点低于乙醇的沸点，丙酮在冷凝过程中从混合物中分离出来。可以从乙醇-丙酮分离单元塔顶收集丙酮。可以进行多个蒸馏级以提高分离的丙酮和乙醇的纯度。
术语“萃取蒸馏单元”旨在涵盖用于通过添加第三组分(萃取蒸馏剂)来蒸馏具有低相对挥发性的组分(例如乙醇和异丙醇)以改变组分的相对挥发性的装置。为了回收萃取蒸馏剂，在萃取蒸馏单元的下游使用至少一个分离塔。
术语“萃取蒸馏剂”旨在涵盖能够改变产物的相对挥发性的任何组分。在一个实施例中，萃取蒸馏剂能够改变沸点接近的产物，例如乙醇和异丙醇的相对挥发性，以使其能够分离。除了改变相对挥发性之外，萃取蒸馏剂还可以在沸点接近的产物，例如乙醇和/或异丙醇之间具有高沸点差。
说明书
在一些实施例中，用于本公开的进料气体料流可从选自黑色金属产物制造，例如钢铁制造、有色金属产物制造、石油精炼、电力生产、炭黑生产、纸和纸浆制造、氨生产、甲醇生产、焦炭制造、石化生产、碳水化合物发酵、水泥制造、需氧消化、厌氧消化、催化过程、天然气提取、纤维素发酵、石油提取、地质储层的工业加工、化石资源例如天然气、煤和油的加工，或其任何组合的工业过程获得。工业过程内的特定处理步骤的实例包含催化剂再生、流体催化剂裂化和催化剂再生。空气分离和直接空气捕获是其它合适的工业过程。钢铁和铁合金制造中的一些实例包括高炉煤气、碱性氧气转炉煤气、焦炉煤气、铁炉炉顶煤气的直接还原和炼铁的残余气体。在这些实施例中，可以使用任何已知方法从工业过程中捕获底物和/或C1碳源，然后再将其排放到大气中。
图1示出了根据本公开的一个实施例的从含C1的进料气体料流生产和分离产物的流程图。发酵生物反应器430从管线115接收含C1的进料气体料流的第一部分。任选地，可以将管线115中的进料气体料流进料到压缩机410，其产生压缩的进料气体料流415，可以将其任选地传送到污染物去除反应器420，产生经处理的进料气体料流425。经处理的进料气体料流425传送到发酵生物反应器430。污染物去除反应器420通常从进料气体料流115中去除污染物，该污染物可能对发酵生物反应器430中所含的C1固定微生物有害。在一些实施例中，污染物去除反应器420可以包括脱氧催化剂，例如铜催化剂床以去除氧气。
经由导管445输送的含C1的进料气体料流的一部分任选地被第二压缩机450压缩以产生经由导管455输送至接种反应器460的第二压缩气体。接种反应器460启动一种或多种微生物的细胞生长以产生接种物。发酵生物反应器430通过导管465接收接种物。在一些实施例中，接种反应器460任选地直接通过导管421从污染物去除反应器420接收压缩的和经处理的气体，其经由导管465进一步转移至发酵生物反应器430。
发酵生物反应器430包含液体营养培养基中的至少一种C1固定微生物，其发酵含C1的进料气体料流115以提供包含发酵产物的发酵液435。发酵液435包含有包含乙醇和水的第一产物料流或包含乙醇、丙酮和水的第二产物料流或包含乙醇、丙酮、异丙醇和水的第三产物料流中的至少一种。乙醇通常在进料气体发酵期间作为天然产物由乙醛产生，该乙醛由发酵期间产生的乙酰辅酶A的还原合成获得。然而，乙酰辅酶A被从梭菌细菌的几种遗传修饰菌株获得的多种酶代谢以产生丙酮。这些菌株通过消除副产物，例如3-羟基丁酸和2,3-丁二醇进一步提高丙酮生产的选择性。由丙酮通过酶仲醇脱氢酶进行酶还原生产异丙醇。并非所有的丙酮都转化为异丙醇。因此，在异丙醇生产过程中，一些过量的丙酮再循环回到发酵生物反应器。产生异丙醇的示范性遗传修饰的微生物包含能够产生包含外源硫解酶、外源辅酶A转移酶和外源脱羧酶的重组微生物的培养物。产生丙酮，异丙醇和/或丙酮和/或异丙醇的前体的其它示范性遗传修饰的微生物包括能够产生一种或多种选自乙酰辅酶A乙酰转移酶、乙酰辅酶A转移酶A、乙酰辅酶A转移酶B、乙酰乙酸脱羧酶和α-酮异戊酸脱羧酶的重组微生物的培养物。授权专利US 9,365,868和公布的专利申请WO 2012/115527中公开了能够产生酶以产生丙酮/异丙醇的遗传修饰的微生物，两者均通过引用并入本文。
可以将C1固定微生物从产生第一产物料流的C1固定微生物切换至产生乙醇、丙酮和水的第二产物料流或乙醇、丙酮、异丙醇和水的第三产物料流的C1固定微生物，或从产生第二产物料流的C1固定微生物至产生第一产物料流或第三产物料流的C1固定微生物，或从产生第三产物料流的C1固定微生物至产生第一产物料流或第二产物料流的C1固定微生物。在发酵生物反应器430中切换C1固定微生物的一种方式涉及使用图1中的接种反应器460。接种反应器460关闭，而发酵生物反应器430保持运行。在关闭期间，将接种反应器容器排空、清洁并重新填充新鲜的液体营养培养基，并引入不同的C1固定微生物。关闭、排空和清洁发酵生物反应器430。在清洁发酵生物反应器430并准备好接种物后，生物反应器430经由导管465接收接种物，并且新的微生物开始产生不同的发酵产物。发酵生物反应器430的关闭和重新启动与接种反应器460的重新启动协调以最大限度地减少生产停工时间。
共享产物回收系统440从发酵生物反应器430接收发酵液435。来自共享产物回收系统440的输出料流可以包含具有富含乙醇的料流235、富含丙酮的料流340、富含异丙醇的料流345或其组合中的至少一种和过量水料流124的产物。在分离和回收产物后，产物贫化的料流436返回至发酵生物反应器430。来自共享产物回收系统440的过量水传送到废水处理过程470。来自废水处理过程470的纯净水经由导管437再循环至生物反应器430。
如图2、3和4所示，共享产物回收系统440包括真空蒸馏单元110、精馏单元120、丙酮去除单元130、干燥单元160、乙醇-丙酮分离单元140和萃取蒸馏单元150的经布置的装置组合，这取决于待从发酵液中回收和分离的产物。提供此类共享产物回收系统440避免了建造单独定制的设施来回收每种产物，例如乙醇、丙酮和异丙醇。因此，共享产物回收系统440中布置的装置组合在很大程度上降低了工厂资本支出。
在本公开的第一方面，如图2所示，公开了从包含有包含乙醇和水的第一产物料流的发酵液中回收富含的无水乙醇。根据本方面的共享产物回收系统440使用真空蒸馏单元110、精馏单元120和干燥单元160。真空蒸馏单元110从发酵生物反应器430接收发酵液435。在图2所示的实施例中，再沸器710与真空蒸馏单元110结合使用。提供再沸器710以将蒸汽料流引导至真空蒸馏单元110。通过在真空蒸馏单元110的塔底218处的液体的蒸发获得蒸汽料流，其经由导管720从该真空蒸馏单元排出。将来自再沸器710的蒸汽料流通过导管715引导至真空蒸馏单元110。进入真空蒸馏单元110的蒸汽料流通过其中向上上升。真空蒸馏单元110限定至少一个具有多个蒸馏塔板(未示出)的分离区段。真空蒸馏单元110处的分离过程的性能取决于理论蒸馏级的数量。真空蒸馏单元110在一个实施例中以多于约3个蒸馏级操作，在另一实施例中以多于约4个蒸馏级操作，在再一实施例中以多于约5个蒸馏级操作。
为了确保从发酵液中有效分离化学产物，真空蒸馏单元110通常在各种温度和压力范围下操作。在各种实施例中，温度在30℃至35℃或35℃至40℃或40℃至45℃或45℃至50℃或30℃至50℃之间。在各种实施例中，真空蒸馏单元110的塔底218处的压力通常在6kPa(a)至8kPa(a)或8kPa(a)至10kPa(a)或6kPa(a)至10kPa(a)之间。在各种实施例中，真空蒸馏单元110的塔顶217处的压力通常在3kPa(a)至5kPa(a)或5kPa(a)至7kPa(a)或7kPa(a)至8kPa(a)或3kPa(a)至8kPa(a)之间。
在穿过真空蒸馏单元110后，包含有包含乙醇和水的第一产物料流的发酵液435产生富含乙醇的料流215和返回生物反应器430的产物贫化的料流436。在一个实施例中，包含废水的产物贫化的料流436的至少一部分经由导管250穿过废水处理过程240以产生纯净水料流，该纯净水料流再循环至发酵生物反应器430(未示出)。在一般情况下，发酵液435中的乙醇浓度为约2重量％。在各种实施例中，与发酵液435中的乙醇浓度相比，富含乙醇的料流215的乙醇浓度通常提高按重量计至少4倍或按重量计至少6倍或按重量计至少8倍或按重量计至少12倍。进一步地，将真空蒸馏单元110塔顶217处的一些富含的产品蒸汽，例如富含的乙醇蒸汽，经由导管216传送到机械蒸汽压缩系统(MVR)700。来自真空蒸馏单元110塔顶217的富含产物的蒸汽的压缩和冷凝在热力学上有利于产生真空蒸馏单元110所需的加热负荷的大部分，其通常为至少50％或至少70％或至少80％或至少95％。因此，富含产物的蒸汽的此类压缩和冷凝减少了总蒸汽消耗。结果，再沸器710的负荷也得到优化。
经由MVR系统700来源于真空蒸馏单元110塔顶217的富含乙醇的料流215穿过精馏单元120。在一个实施例中，精馏单元120进一步包含至少一个分离区段(未示出)。分离区段可以包括一系列蒸馏塔板和/或填充材料以促进从富含乙醇的料流215中去除过量的水和/或副产物。在一些实施例中，精馏单元120以多于约30个理论蒸馏级操作。在一个实施例中，如图2所示，精馏单元120使用再沸器810。再沸器810将蒸汽料流引导至精馏单元120。通过在精馏单元120的塔底220处的液体的蒸发获得蒸汽料流，其经由导管820从该精馏单元120排出。该蒸汽料流通过导管815从再沸器810引导至精馏单元120。
精馏单元120产生塔顶乙醇料流225和塔底水料流245，其直接或在废水处理过程240中处理后再循环至发酵生物反应器430(未示出)。在一般情况下，富含乙醇的料流215的乙醇浓度为约14重量％。在各种实施例中，与富含乙醇的料流215的乙醇浓度相比，塔顶乙醇料流225的乙醇浓度通常提高按重量计至少3倍或按重量计至少5倍或按重量计至少7倍。在各种实施例中，精馏单元120塔顶219的温度通常在100℃至110℃或110℃至120℃或120℃至130℃或110℃至130℃之间。在各种实施例中，精馏单元120塔顶219处的压力通常在300kPa(a)至400kPa(a)或400kPa(a)至500kPa(a)或500kPa(a)至550kPa(a)或550kPa(a)至650kPa(a)或650kPa(a)至800kPa(a)或800kPa(a)至900kPa(a)或900kPa(a)至1100kPa(a)之间。精馏单元120的塔顶219处的温度和压力可用作获得其它操作条件的基础，例如通过使用本领域已知的原理获得塔底220的温度和压力。将来自精馏单元120的塔顶乙醇料流225转移至干燥单元160以产生无水乙醇料流235和净化料流400。干燥单元160包含容纳在两个或更多个容器中的两个或更多个吸附剂床、塔顶乙醇料流225料流动通过该两个或更多个容器。当吸附剂床中的一个被水饱和时，必须将水从吸附床中解吸以再生吸附能力。将饱和吸附剂床从操作中移出，并将塔顶乙醇料流切换至新鲜或再生的吸附剂床以干燥乙醇料流。现在通过使用由干燥过程产生的解吸剂，例如无水乙醇解吸水来再生废弃的或饱和的吸附剂床。从吸附剂床中解吸水的再生条件是本领域公知的。一旦吸附剂床被再生，当前运行的吸附剂床被水饱和时，它就准备好投入运行。因此，产生具有乙醇和水的净化料流400并将其从干燥单元160中取出并返回至精馏单元120用于进一步分离。在干燥单元160采用聚合物膜从产物料流(例如塔顶乙醇料流)中去除水的实施例中，仅需要使用一个吸附剂床。如上所述，聚合物膜产生滞留料流和渗透料流。取决于膜和分离条件的选择，非产物料流(无论是渗透料流还是滞留料流)类似于在使用干燥单元的吸附剂的情况下的净化料流400，并返回至精馏单元120。
在本公开的第二方面，如图3所示，示出了从包含有包含丙酮、乙醇和水的第二产物料流的发酵液中回收富含无水丙酮和乙醇的料流。根据本方面的共享产物回收系统440使用真空蒸馏单元110、精馏单元120、干燥单元160和乙醇-丙酮分离单元140。真空蒸馏单元110从生物反应器430接收发酵液435。传送到真空蒸馏单元110后的发酵液435产生富含丙酮和乙醇的浓缩的料流315和产物贫化的料流436。在一个实施例中，包含废水的产物贫化的料流436的至少一部分经由导管250传送到废水处理过程240以产生纯净水料流，该纯净水料流再循环至发酵生物反应器(未示出)。在一般情况下，发酵液435中的丙酮和乙醇浓度为约2重量％。在各种实施例中，与发酵液435中的丙酮和乙醇浓度相比，浓缩的料流315中的丙酮和乙醇浓度通常提高按重量计至少4倍或按重量计至少6倍或按重量计至少8倍或按重量计至少12倍。
将来源于真空蒸馏单元110塔顶217的富含丙酮和乙醇的浓缩的料流315经由MVR系统700传送到精馏单元120。精馏单元120产生富含丙酮和乙醇的塔顶料流325和塔底水料流245，其直接或在废水处理过程240中处理后再循环至发酵生物反应器430(未示出)。
包括MVR系统700和再沸器710和810的真空蒸馏单元110和精馏单元120的构造方面与图2的实施例中所述的相同。进一步地，本公开的第二方面中的过程设计参数，例如真空蒸馏单元110和精馏单元120的操作温度和压力，通常与本公开的第一方面相同。在一般情况下，富含丙酮和乙醇的浓缩的料流315的丙酮和乙醇浓度为约14重量％。在各种实施例中，与从真空蒸馏单元110获得的富含丙酮和乙醇的浓缩的料流315相比，塔顶料流325中丙酮和乙醇的浓度通常提高按重量计至少3倍或按重量计至少5倍或按重量计至少7倍。将来自精馏单元120的富含丙酮和乙醇的塔顶料流325传送到干燥单元160。干燥单元160产生富含丙酮和乙醇的无水浓缩的料流335和具有丙酮、乙醇和水的净化料流500。用于使用吸附剂床或聚合物膜从干燥单元160产生净化料流500的机构与本公开的第一方面相同。将净化料流500从干燥单元160中取出并返回至精馏单元120用于进一步分离。
富含丙酮和乙醇的无水浓缩的料流335穿过乙醇-丙酮分离单元140，其使用分级蒸馏原理从乙醇-丙酮分离单元140塔顶产生无水丙酮料流340和无水乙醇料流235。乙醇-丙酮分离单元也与现有技术中已知的再沸器(未示出)联合操作。
在本公开的第三方面，如图4所示，示出了从发酵液中回收的富含无水异丙醇的料流和无水乙醇料流，该发酵液包含有包含乙醇、丙酮、异丙醇和水的第三产物料流。根据本方面的共享产物回收系统440使用真空蒸馏单元110、丙酮去除单元130、精馏单元120、干燥单元160和萃取蒸馏单元150。乙醇和异丙醇具有接近的沸点，分别为约78.4℃和约82.4℃，从而使得分离具有挑战性。因此，已发现萃取蒸馏可有效地分离此类沸点接近的产物。真空蒸馏单元110从生物反应器430接收发酵液435。传送到真空蒸馏单元110后的发酵液435产生富含异丙醇、丙酮和乙醇的浓缩的料流510和返回生物反应器430的产物贫化的料流436。在一个实施例中，包含废水的产物贫化的料流436的至少一部分经由导管250传送到废水处理过程240以产生纯净水料流，该纯净水料流再循环至发酵生物反应器(未示出)。在一般情况下，发酵液435中的异丙醇、丙酮和乙醇浓度为约2重量％。在一些实施例中，与发酵液435中的异丙醇、丙酮和乙醇浓度相比，浓缩的料流510的浓度通常提高按重量计至少4倍或按重量计至少6倍或按重量计至少8倍或按重量计至少12倍。
将来源于真空蒸馏单元110塔顶217的富含异丙醇、丙酮和乙醇的料流510经由MVR单元700传送到丙酮去除单元130。丙酮去除单元130产生富含异丙醇和乙醇的塔底料流515和富含丙酮的塔顶料流340。富含丙酮的塔顶料流340从丙酮去除单元130再循环至发酵生物反应器430，使得再循环的丙酮可用于进一步生产异丙醇。进一步地，将来自丙酮去除单元130的塔底料流515传送到精馏单元120。精馏单元120产生富含乙醇和异丙醇的塔顶料流520和塔底水料流245，其直接或在废水处理过程240中处理后再循环至发酵生物反应器430(未示出)。将富含乙醇和异丙醇的塔顶料流520传送到干燥单元160。干燥单元160产生富含异丙醇和乙醇的无水浓缩的料流535和具有异丙醇、乙醇和水的净化料流600。使用吸附剂床或聚合物膜从干燥单元160产生净化料流600的机制与本公开的第一方面或第二方面相同。将净化料流600从干燥单元160中取出并返回至精馏单元120用于进一步分离。
萃取蒸馏单元150从干燥单元160接收富含异丙醇和乙醇的无水浓缩的料流535。萃取蒸馏单元150能够通过使用萃取蒸馏剂来蒸馏具有低相对挥发性的组分，例如乙醇和异丙醇。萃取蒸馏剂通过与存在于无水浓缩的料流535中的乙醇或异丙醇混合而作为溶剂起作用。在一个实施例中，萃取蒸馏剂对一种化学产物(乙醇或异丙醇)具有高亲和力，而对另一种替代产物具有低亲和力。合适的萃取蒸馏剂不应该与富含乙醇和异丙醇的无水浓缩的料流535的成分形成共沸物，并且能够在蒸馏期间在随后的分离塔中从这些产物中的每一种中分离出来。
将来自萃取蒸馏单元150的塔顶料流525传送到分离塔170以回收无水乙醇料流235的至少一部分。将来自萃取蒸馏单元150的蒸馏塔底料流530传送到另一分离塔180以回收无水异丙醇料流345的至少一部分。蒸馏的萃取蒸馏剂分别通过导管526和531从分离塔170和180再循环，并通过导管532返回至萃取蒸馏单元150。或者，在另一实施例(图4中未示出)中，将来自萃取蒸馏单元150的塔顶料流525传送到分离塔170以回收无水异丙醇料流345的至少一部分。将来自萃取蒸馏单元130的蒸馏塔底料流530传送到另一分离塔180以回收无水乙醇料流235的至少一部分。萃取蒸馏单元150和分离塔170和180也与本领域已知的再沸器(未示出)联合操作。
当从塔顶料流525中回收无水乙醇料流235的至少一部分并从蒸馏塔底料流530中回收无水异丙醇料流345的至少一部分时，萃取蒸馏剂可以选自α-蒎烯、β-蒎烯、甲基异丁基酮、柠檬烯、α-水芹烯、α-萜品烯、月桂烯、蒈烷、对薄荷-1,5-二烯、丁醚、1-甲氧基-2-丙醇、乙酸正丁酯、乙酸正戊酯、乙酸苄酯、乙二醇乙醚乙酸酯、乙酰乙酸甲酯、乙二醇二乙酸酯、2-丁氧基乙酸乙酯、丁酸甲酯、丙酸乙酯、正戊酸乙酯、苯甲酸丁酯、苯甲酸乙酯、吡啶、N,N-二甲基苯胺、邻仲丁基苯酚、3-异丙基苯酚、2,6-二甲基苯酚、邻-叔丁基苯酚、4-乙基苯酚、邻苯二甲酸二乙酯、邻苯二甲酸二异辛酯、己二酸二甲酯、三乙酸甘油酯、丙二酸二乙酯、戊二酸二甲酯、四氢呋喃、乙二醇苯醚、二丙二醇甲醚乙酸酯、二甘醇己醚、丙氧基丙醇、丁氧基丙醇、对二甲苯二醇二甲醚、二甘醇叔丁基醚甲醚、三甘醇二乙酸酯、苯甲醚、苯乙醚、苯基醚、1,2-亚甲基二氧基苯、异佛尔酮、3-乙氧基丙酸乙酯、原硅酸四乙酯、2-羟基苯乙酮、1,1,1-三氯乙烷、四氯乙烯、2,2,2-三氯乙醇、间二氯苯、氯苯、2,6-二氯甲苯、1-氯己烷、二甘醇、二甲亚砜、二甲基甲酰胺、环丁砜、异佛尔酮、2-吡咯烷酮、1-甲基-2吡咯啉酮、异癸醇、环十二烷醇、苯甲醇、1-十二烷醇、十三烷醇、苯乙醇、环己醇、环戊醇、2-硝基丙烷、1-硝基丙烷、硝基乙烷、硝基甲烷、3-硝基甲苯、2-硝基甲苯、三醋酸甘油酯、3-硝基邻二甲苯、1,4-二噁烷、乙酸异丁酯、丁酸乙酯、甲酸异戊酯、己酸甲酯、己酸乙酯、己酸丙酯、1-甲氧基-2-丙醇乙酸酯、异丁酸异丁酯、乙酸己酯、异丁酸乙酯、丁酸丙酯、丁酸异丁酯、乙酸异冰片酯、1,3-二氧戊环、硝基苯、丁酸丁酯、4-甲基-2-戊酮和聚乙二醇。
当从塔顶料流525中回收无水异丙醇料流345的至少一部分和从蒸馏塔底料流530中回收无水乙醇料流235的至少一部分时，萃取蒸馏剂可以选自乙苯、甲苯、对二甲苯、庚烷、苯酚和2-叔丁基苯酚。
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Claims (6)

1.一种从气体发酵过程中回收至少一种产物的系统，其特征在于，
与真空蒸馏单元流体连通的C1气体发酵生物反应器，所述真空蒸馏单元具有产物富含的料流和产物贫化的料流出口；以及
与所述产物富含的料流出口流体连通的精馏单元，所述精馏单元具有塔顶产物料流出口和塔底水料流出口；以及与所述塔顶产物料流出口流体连通的干燥单元，所述干燥单元具有无水产物料流出口和净化料流出口。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，与所述真空蒸馏单元热力学集成的机械蒸汽再压缩系统。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，与所述无水产物料流出口流体连通的分离单元，所述分离单元具有分离单元塔顶出口和分离单元塔底出口。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述分离单元是分级蒸馏单元或萃取蒸馏单元。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，与所述产物富含的料流出口、所述精馏单元和所述C1气体发酵生物反应器流体连通的副产物去除单元。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，与所述分离单元塔顶出口流体连通并具有第一蒸馏塔产物出口的第一蒸馏塔；以及与所述分离单元塔底出口流体连通并具有第二蒸馏塔产物出口的第二蒸馏塔。
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