[发明专利]利用活性炭原位吸附在线分离提纯发酵液中丁醇、丙酮和乙醇的方法

说明书

技术领域

本发明涉及利用活性炭原位吸附在线分离提纯发酵液中丁醇、丙酮和乙醇的方法，属于生物技术领域。

背景技术

丁醇是一种重要的液体能源和化学品，可以通过微生物发酵法获得，通常采用丙酮-丁醇-乙醇（ABE）发酵生产丁醇，同时会产生丙酮和乙醇，及少量有机酸。(详见非专利文献：Kumar，M,Gayen，K..Developments in biobutanol production:new insights.Applied Energy,88:1999-2012，2011).但是发酵液中终点的丁醇浓度通常在1.0～2.0%（w/v）,丙酮浓度在0.5～1.0%（w/v）。并且，丁醇的沸点为117.7℃，高于水的沸点100℃。因此，如果利用传统的精馏或蒸馏分离法，其分离成本极高，经济上是不可行的，很难实现工业化生产（详见非专利文献：Matsumura,M.,Kataoka,H.,Sueki,M.,Araki,K.Energy saving effect of pervaporation using oleyl alcohol liquid membrane in butanolpurification.Bioprocess Eng.3：93-100,1988）。

目前国内通常采用精馏，萃取和渗透汽化三种方法进行丁醇的分离。如果利用传统精馏方法，从含有0.5%（w/v）丁醇的发酵液中分离纯化丁醇到99.9%（w/v），需要能量79.5MJ/kg丁醇。如果发酵液中的丁醇浓度提高到1.0%（w/v）,需要的能量可以减少到36MJ/kg丁醇，和丁醇自有的能量相等（详见非专利文献：Oudshoorn,A.,Vander Wielen LAM,Straathof AJJ.Assessment of options for selective1-butanol recoveryfrom aqueous solutions.Ind Eng Chem Res.48:7325-7336,2009）。另外，采用精馏塔进行分离，通常需要多个精馏塔串联，虽然分离得到的丁醇浓度高，但是需要大量的蒸汽加热，从能量消耗平衡角度看，经济上是不可行的（详见专利文献：李春利，王洪海，王荣良，方静，张鹏。分离乙醇、丙酮和丁醇发酵醪液的精馏工艺方法。公开号CN101397236A；徐西东，孙太喜。一种节能环保的丁醇丙酮生产方法；公开号CN101302542A；欧阳胜利，李永辉，张志强，陶敏莉，钱胜华，吕惠生，董秀芹，张敏华。制备生物丁醇中乙醇塔的热耦合节能系统及操作方法。公开号CN101530672A）。如果利用萃取的方法，液体油水层之间容易形成乳化层，不容易分离。另外，所用的萃取剂通常对生产菌至少产生轻微毒害，影响发酵效率。最后，对萃取剂层中溶解的丁醇浓度不高，导致分离效率很低，并且萃取剂的比热容大、沸点高，再次分离需要消耗的能量很大。因此，综合考虑，萃取技术尤其很大的弊端和局限性（详见专利文献：应明。一种丙酮丁醇原位萃取连续发酵装置及工艺。CN101948737A；王建设，王绍鹏。一种连续萃取发酵生产生物丁醇的方法和装置。CN101787378A;张延平，王鑫昕，李寅，王少华。一种生产丁醇的方法。CN101418320A）。利用渗透汽化技术分离丁醇的研究也较多，并且渗透汽化分离可以获得相对高浓度的丁醇，但是最大的问题是渗透汽化膜的制作成本高，容易被污染，因此给分离过程带来生产安全隐患（详见专利文献：秦培勇，李树峰，谭天伟，秦帆。一种生物质发酵耦合渗透汽化分离生产丁醇。CN102757984A;王建设，王绍鹏。一种连续渗透汽化耦合发酵生产生物丁醇的装置。CN201686697U）。因此，需要开发新技术对产物进行提纯，提高分离效率。

因此，本发明利用活性炭吸附法进行发酵产物丁醇，丙酮和乙醇的原位分离纯化，可以有效得到高浓度的丁醇，丙酮和乙醇，降低分离成本。其中，活性炭吸附法的优势在于，通过微生物发酵与吸附耦合原位分离丁醇，丙酮和乙醇，可以边发酵，边移除抑制性产物丁醇，丙酮和乙醇。并且，活性炭可以快速吸附发酵液中的丁醇，丙酮和乙醇，并通过加热快速脱附回收丁醇，丙酮和乙醇。由于活性炭的比热容很低，因此加热脱附需要的能量相应很低，整个工艺过程的能耗极低。到目前为止，未见使用活性炭原位吸附法偶联发酵装置对丁醇，丙酮和乙醇同时进行分离纯化的报道和相关专利。

发明内容

本发明通过利用活性炭原位吸附在线分离提纯发酵液中丁醇、丙酮和乙醇，不仅能提高发酵效率产生更多的丁醇、丙酮和乙醇，分离纯化丁醇、丙酮和乙醇时还能节约大量能耗。