RU2636002C1 - Способ выделения бутанола из культуральной среды - Google Patents
Способ выделения бутанола из культуральной среды Download PDFInfo
- Publication number
- RU2636002C1 RU2636002C1 RU2017105346A RU2017105346A RU2636002C1 RU 2636002 C1 RU2636002 C1 RU 2636002C1 RU 2017105346 A RU2017105346 A RU 2017105346A RU 2017105346 A RU2017105346 A RU 2017105346A RU 2636002 C1 RU2636002 C1 RU 2636002C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- butanol
- sorbent
- acetone
- ethanol
- culture medium
- Prior art date
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
- C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
- C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
- C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
- C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
- C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
- C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
- C12P7/06—Ethanol, i.e. non-beverage
- C12P7/065—Ethanol, i.e. non-beverage with microorganisms other than yeasts
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
- C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
- C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
- C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
- C12P7/16—Butanols
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
- Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel
Landscapes
- Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области биохимии. Предложен способ выделения бутанола из культуральной среды. Способ включает ускоренную ультразвуком сорбцию гидрофобным твердым сорбентом бутанола, ацетона и этанола из культуральной среды, обезвоживание сорбента и десорбцию бутанола, ацетона и этанола из сорбента в СВЧ реакторе. Изобретение обеспечивает сокращение длительности процесса, возможность возврата биомассы бактерий, биосинтезирующих бутанол, ацетон, этанол, обратно в процесс и многократное использование сорбента после десорбции бутанола, ацетона и этанола. 2 табл., 2 пр.
Description
Изобретение относится к биотехнологии и, в частности, может быть использовано для ускорения выделения целевых продуктов метаболизма микроорганизмов, например органических растворителей, из культуральной среды в процессе их культивирования.
Из предшествующего уровня техники известны многочисленные способы и устройства для их реализации, обеспечивающие удаление продуктов биосинтеза микроорганизмов из культуральной среды их культивирования, базирующиеся на различных принципах или механизмах. Разработка таких способов и устройств обусловлена необходимостью предотвращения ингибирования процесса биосинтеза собственными продуктами метаболизма используемых микроорганизмов [1].
Общим в этих способах и устройствах их реализации является либо высокие энергетические затраты, связанные с процессами дистилляции, либо необходимость частой замены рабочих элементов и устройств для выделения, например мембран [2]. В полной мере относится это и к бутанолу, биосинтез которого подавляется при ~ 2% этого метаболита в культуральной среде ацетонобутилового брожения [3, 4], а выделение его дистилляцией из водной культуральной среды весьма проблематично, т.к температура кипения бутанола составляет 118°С.
Традиционный способ выделения органических растворителей из культуральных жидкостей, состоящих в основном из воды, основан на их отгонке [1, 5, 6]. Однако, в случае бутанола, такой способ требует значительных затрат энергии, так как бутанол, имея температуру кипения выше температуры кипения воды, отгоняется последним. Существуют и другие способы выделения летучих метаболитов, в частности бутанола из гетерогенной биотехнологической среды: продувка культуральной жидкости газами [7, 8]; разделение на мембранах [9, 10]; первапорация [11, 12]; вымораживание [13]; высаливание [14]; жидкостная экстракция [15, 16, 17]; сепарация с помощью сорбентов твердых [18, 19]. Среди перечисленных, наиболее простым в технологическом исполнении, а также экономически целесообразным является также не лишенный недостатков сорбционный метод, для реализации которого могут быть использованы, жидкие и твердые сорбенты - активированные угли, цеолиты, поливинилпиридин, смолы серии XAD, Bonopore-7 и т.д.
Многочисленность способов и устройств для их реализации, многообразие технических решений выделения органических растворителей из культуральных сред свидетельствует о тех или иных недостатках каждого из них и потребности в новых решениях, максимально соответствующих требованиям конкретных разрабатываемых и используемых технологий.
Целью настоящего изобретения является разработка способа выделения бутанола из культуральной среды.
Поставленную цель достигают ускоренной ультразвуком сорбцией бутанола и сопутствующих органических растворителей (ацетона и этанола) гидрофобным твердым сорбентом, таким как ССПС MN 202 (сверхсшитый полистирольный сорбент), из культуральной среды или ее части, которую освобождают (фильтрованием или центрифугированием) от биомассы микроорганизмов Clostridium acetobutylicum - продуцентов бутанола, ацетона, этанола, обезвоживают сорбент под вакуумом, (например, с использованием тонкопленочного испарителя), десорбируют в СВЧ реакторе бутанола, ацетона и этанола [20]. Выделенную из культуральной среды биомассу микроорганизмов Clostridium acetobutylicum - продуцентов бутанола возвращают обратно в процесс культивирования [21], а сорбент, после десорбции бутанола в СВЧ - реакторе повторно (и многократно) используют в процессе удаления бутанола, ацетона и этанола из культуральной среды.
Изобретение поясняется примерами, которые не носят ограничивающего характера.
Пример 1.
Культуральную жидкость (КЖ) бактерий Clostridium acetobutylicum, штамм ВКПМ 1787, отделяют от биомассы центрифугированием. В культуральную жидкость, содержащую продукты биосинтеза (бутанол, ацетон, этанол и др.), при комнатной температуре вводят гидрофобный сорбент ССПС MN202 (Purolite) в соотношении КЖ : сорбент = 10:1 и смесь выдерживают 3-4 часа до достижения сорбционного равновесия. Отделяют сорбент от жидкости и определяют содержание бутанола, ацетона и этанола в исходной КЖ и пермеате методом газожидкостной хроматографии.
Отделяют сорбент декантацией и для полного удаления влаги помещают в выпарную колбу тонкопленочного ротационного испарителя при постоянном вакуумировании. Отгонку осуществляют в течение 60 мин, при t=50°С. Измерения показывают, что при отгонке отделяется раствор бутанола в воде, но не бутанол, связанный с сорбентом.
Десорбируют бутанол из сорбента ССПС в микроволновой системе фокусированного действия Discover (СЕМ). Насыщенный бутанолом, предварительно обезвоженный образец сорбента ССПС MN202, помещают в микроволновый реактор. Отогнанные пары охлаждают, и они конденсируются в жидкость. Содержание бутанола в конечном продукте превышает 87%.
После завершения процесса десорбции регенерированный сорбент ССПС MN202 остужают до комнатной температуры и возвращают в процесс для повторного использования в качестве сорбента для извлечения бутанола из водных растворов.
Время, затраченное на выделение бутанола из одного образца культуральной жидкости, >5 часов.
Пример 2.
КЖ центрифугируют и отделяют от биомассы. В КЖ, содержащую продукты биосинтеза (бутанол, ацетон, этанол и др.), при комнатной температуре вводят гидрофобный сорбент ССПС MN202 в соотношении КЖ : сорбент = 10:1 и для ускоренного достижения сорбционного равновесия смесь подвергают в течение 1 минуты действию ультразвука с частотой 22 кГц, плотностью мощности 0,5 Вт/см2. Увеличение времени воздействия ультразвуком приводит к частичному разрушению сорбента.
Отделяют сорбент от жидкости и определяют содержание бутанола, ацетона и этанола в исходной КЖ и степень их извлечения из КЖ.
Отделяют сорбент декантацией и для полного удаления влаги помещают в выпарную колбу тонкопленочного ротационного испарителя при постоянном вакуумировании. Отгонку осуществляют в течение 60 мин, при t=50°С. Измерения показывают, что при отгонке отделяется раствор бутанола в воде, но не бутанол, связанный с сорбентом.
Десорбируют бутанол из сорбента ССПС в микроволновой системе фокусированного действия Discover (СЕМ), помещая насыщенный бутанолом, предварительно обезвоженный образец сорбента ССПС MN202, в микроволновый (СВЧ) реактор. Отогнанные пары охлаждают, и они конденсируются в жидкость. Содержание бутанола в конечном продукте превышает 87%.
После завершения процесса десорбции регенерированный сорбент ССПС MN202 остужают до комнатной температуры и возвращают в процесс для повторного использования в качестве сорбента для извлечения бутанола из водных растворов.
Время, затраченное на выделение бутанола из одного образца культуральной жидкости, <45 минут.
Таким образом, реализация метода в полной мере позволяет сократить длительность процесса более, чем в 5 раз, возвращать биомассу бактерий биосинтезирующих бутанол, ацетон и этанол обратно в процесс, что создает перспективу для разработки непрерывного процесса культивирования, а также многократно использовать сорбент, после очередного десорбирования бутанола и сопутствующих растворителей.
Как следует из вышеприведенных примеров, совокупность отличительных признаков описываемого изобретения обеспечивает достижение указанного результата.
Неожиданным результатом изобретения является весьма существенное (в 240 раз) сокращение времени достижения сорбционного равновесия и возможность многократного использования сорбента после очередного десорбирования с него бутанола в микроволновом (СВЧ) реакторе.
Заявляемое изобретение позволяет ускорить процесс выделения бутанола из культуральной среды и повысить его эффективность за счет интенсификации низкочастотным ультразвуком стадии сорбции бутанола, ацетона и этанола сверхсшитым полистирольным сорбентом ССПС MN202 и быстрой десорбции бутанола, ацетона и этанола из сорбента в СВЧ поле.
В результате проведенного анализа уровня техники выделения бутанола, ацетона и этанола из биотехнологических сред источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного способа, не обнаружен, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".
Дополнительный поиск известных решений показал, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку предложенный способ обладает свойствами, обеспечивающими интенсификацию процесса выделения бутанола и сопутствующих органических растворителей из ферментационных сред, возможность возвращения биомассы обратно в процесс биосинтеза и возможность повторного, многократного использования сорбента.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «изобретательский уровень».
Для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в изложенной формуле изобретения, нет препятствий для его реализации с получением вышеуказанного результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".
Предлагаемый способ создает необходимое разнообразие, обеспечивая возможность оптимального выбора средств для решения конкретных задач, направленных на выделение целевого продукта из жидких сред продуктов биологического и химического синтеза.
Список использованной литературы
1. Бирюков В.В. Основы промышленной биотехнологии. М.: «КолосС» «Химия», 2004. - 296 с.
2. Воробьева Г.И., Сушкова В.И. Безотходная конверсия растительного сырья в биологически активные вещества. М.: ДеЛи принт, 2008. - 215 с.
3. Sidney Levy Continuous process for producing N-butanol employing anaerobic fermentation, US 4424275 A, 1984.
4. Давидов E.P., Каныгин П.С, Филиппов К.Б., Фракин О.А., Черемнов И.В. Способ получения бутанола. Патент РФ 2404247, 2008.
5. Сюй Ихой Том. Система и способы выделения спирта и сгущения побочных продуктов перегонки. RU 2012130949, 2006
6. Сачаво М.С. Способ дистилляции. Патент РФ 2099125, 1997.
7. Ezejy Т.С., Qureshi N., Blaschek H.P. «Production of aceton, butanol and ethanol by Clostridium beijerinckii BA 101 and insiti recovery by gas strippting» World Journal of Microbiology & Biotechnology. 2003. 19. Pp. 595-603.
8. Qureshi N. Blaschek H.P. Recovery of butanol from fermentation broth by gas stripping Renewable Energy. 2001, 22(4), P. 557-564.
9. Хванг С.Т., Каммермайер К. Мембранные процессы разделения. М.: Химия, 1981.
10. Шапошник В.А. Мембранная электрохимия. Соросовский Образовательный Журнал. 1999. 2. С. 71-77.
11. Васильев Д.Д. «Сорбция водных растворов н-бутанола и их первапорационное разделение через мембраны из политриметилсилилпропина»: автореф. диссертации канд. техн. наук. М., 1999. 22 с.
12. Волков А.В., Волков В.В., Борисов И.Л., Финкельштейн Е.Ш., Ушаков Н.В., Хотимский В.С. Способ выделения и концентрирования органических веществ из водных сред. Патент РФ 2435629.
13. Пап Л. Концентрирование вымораживанием. М., 1982.
14. Yaqin Sun, Zhigang Li, Zhilong Xiu. Method for salting-out extraction of acetone and butanol from a fermentation broth US 20130190536 A1, 2010.
15. AyaakiIshizaki ShigeruMichiwaki, et al. «Extractive ABE Fermentation Using Metilated Crude Palm Oil as Extractant in Batch Culture of Clostridium saccharoperbutylacetonicum» N 1-4 (ATCC 13564) // Bioscience and Bioengineering. 1999. 3. Pp. 352-356.
16. Day D.F., Hoogewind A.K., Randhava S.S., Oswald J., Madsen L, Kim M. Method for Producing Butanol and Isopropanol, US 20130149757 A1, 2013.
17. Kamal A., Khan F. Effect of Extraction and Adsorption on Re-refining of Used Lubricating Oil. Oil & Gas Science and Technology - Rev. IFP, 2009, 64, 2, pp. 191-197.
18. Сушкова В.И., Яроцкий С.В. «Эффективность методов выделения продуктов АБЭ ферментации»// Химия растительного сырья. 2011, 3. С. 5-14.
19. Qureshi N., Hughes S., Maddox I.S., Cotta M.A. Energy-efficientrecovery of butanol from model solution and fermentation broth by adsorbption // Bioprocess Biosyst Eng. 2005. 27. Pp. 215-222.
20. Румянцев А.И., Иванов B.B., Мюллер P.O., Свинцов А.Д. Применение СВЧ - реакторов в нефтехимии. Журн. Экспозиция нефть газ. 2009, 2/Н (02), с 15-18.
21. HongjunDong, WenwenTao, ZongjieDai, LiejianYang, FuyuGong, YanpingZhang, YinLi. Biobutanol. Adv Biochem Engin / Biotechnol, 2011, 10, p. 128.
Claims (1)
- Способ выделения бутанола из культуральной среды, характеризующийся тем, что бутанол, ацетон и этанол подвергают в течение 1 минуты с частотой ультразвука 22 кГц и плотностью мощности 0,5 Вт/см2 ускоренной ультразвуком сорбции гидрофобным твердым сорбентом, таким как ССПС MN202, из культуральной среды, отделенной от биомассы микроорганизмов Clostridium acetobutylicum, являющихся продуцентами бутанола, ацетона и этанола, после чего сорбент обезвоживают, а бутанол, ацетон и этанол десорбируют из сорбента в СВЧ реакторе и конденсируют, причем выделенную из культуральной среды биомассу микроорганизмов возвращают обратно в процесс культивирования, а сорбент после десорбции бутанола, ацетона и этанола используют повторно.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017105346A RU2636002C1 (ru) | 2017-02-20 | 2017-02-20 | Способ выделения бутанола из культуральной среды |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017105346A RU2636002C1 (ru) | 2017-02-20 | 2017-02-20 | Способ выделения бутанола из культуральной среды |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2636002C1 true RU2636002C1 (ru) | 2017-11-17 |
Family
ID=60328629
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017105346A RU2636002C1 (ru) | 2017-02-20 | 2017-02-20 | Способ выделения бутанола из культуральной среды |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2636002C1 (ru) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2044773C1 (ru) * | 1987-03-10 | 1995-09-27 | Др.Хельмут Эффенбергер | Способ сбраживания углеводсодержащих сред с помощью бактерий, продуцирующих бутанол, ацетон, этанол и/или изопропанол, и устройство для его осуществления |
| RU2381270C1 (ru) * | 2008-08-28 | 2010-02-10 | Открытое акционерное общество "Корпорация Биотехнологии" | ШТАММ БАКТЕРИЙ Clostridium acetobutylicum - ПРОДУЦЕНТ БУТАНОЛА, АЦЕТОНА И ЭТАНОЛА |
| RU2404247C2 (ru) * | 2008-08-28 | 2010-11-20 | Открытое акционерное общество "Корпорация Биотехнологии" | Способ получения бутанола |
| RU152470U1 (ru) * | 2015-01-29 | 2015-06-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)" | Устройство для выделения бутанола из водных растворов |
| RU2560167C2 (ru) * | 2010-03-17 | 2015-08-20 | Торэй Индастриз, Инк. | Способ получения бутанола |
-
2017
- 2017-02-20 RU RU2017105346A patent/RU2636002C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2044773C1 (ru) * | 1987-03-10 | 1995-09-27 | Др.Хельмут Эффенбергер | Способ сбраживания углеводсодержащих сред с помощью бактерий, продуцирующих бутанол, ацетон, этанол и/или изопропанол, и устройство для его осуществления |
| RU2381270C1 (ru) * | 2008-08-28 | 2010-02-10 | Открытое акционерное общество "Корпорация Биотехнологии" | ШТАММ БАКТЕРИЙ Clostridium acetobutylicum - ПРОДУЦЕНТ БУТАНОЛА, АЦЕТОНА И ЭТАНОЛА |
| RU2404247C2 (ru) * | 2008-08-28 | 2010-11-20 | Открытое акционерное общество "Корпорация Биотехнологии" | Способ получения бутанола |
| RU2560167C2 (ru) * | 2010-03-17 | 2015-08-20 | Торэй Индастриз, Инк. | Способ получения бутанола |
| RU152470U1 (ru) * | 2015-01-29 | 2015-06-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)" | Устройство для выделения бутанола из водных растворов |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Qureshi et al. | Production of acetone butanol ethanol (ABE) by a hyper‐producing mutant strain of Clostridium beijerinckii BA101 and recovery by pervaporation | |
| Xue et al. | Butanol production in acetone-butanol-ethanol fermentation with in situ product recovery by adsorption | |
| Lin et al. | Using butanol fermentation wastewater for biobutanol production after removal of inhibitory compounds by micro/mesoporous hyper-cross-linked polymeric adsorbent | |
| RU2012102626A (ru) | Извлечение высших спиртов из разбавленных водных растворов | |
| JP2011514140A (ja) | 低濃度水溶液からの高級アルコールの回収 | |
| US8658845B2 (en) | Process and adsorbent for separating ethanol and associated oxygenates from a biofermentation system | |
| CN111689842A (zh) | 一种节能环保的从纤维素材料生产目标化学化合物的方法 | |
| JP2011177159A (ja) | 乳酸発酵液からの乳酸の単離・精製方法 | |
| US20120220003A1 (en) | Method for continuously separating organic materials of interest from fermentation | |
| Qureshi et al. | Recovery of butanol from Clostridium beijerinckii P260 fermentation broth by supercritical CO2 extraction | |
| RU2636002C1 (ru) | Способ выделения бутанола из культуральной среды | |
| BR112012013917B1 (pt) | um método para obtenção de etanol durante a fermentação | |
| Habe et al. | Electrodialytic separation of levulinic acid catalytically synthesized from woody biomass for use in microbial conversion | |
| Nanda et al. | Butanol from renewable biomass: Highlights of downstream processing and recovery techniques | |
| US8766019B2 (en) | Method for separating butanol | |
| RU2692618C2 (ru) | Способ экстракции молекул, образующихся в ходе анаэробной ферментации, из ферментационной биомассы | |
| CA1192141A (en) | Concentration of organic chemicals from dilute aqueous solutions | |
| Qureshi | Integrated Bioprocessing and simultaneous product recovery for butanol production | |
| JP2018000032A (ja) | ３ｈｂエステルの製造方法 | |
| JP2023503181A (ja) | 生成物の精製プロセス | |
| CN107460035B (zh) | 一种微生物油脂及其制备方法 | |
| KR101710857B1 (ko) | 미생물 배양액으로부터 1,3-프로판디올과 2,3-부탄디올의 분리 및 정제방법 | |
| JP5897130B2 (ja) | アルコール精製装置及びアルコール精製方法 | |
| KR102474634B1 (ko) | 제올라이트를 이용한 부티르산 흡착제 및 이를 이용한 부티르산 흡착 분리 방법 | |
| CN107519665A (zh) | 一种原位萃取发酵中发酵产物粗分离的方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190221 |