由非纖維素生物質(zhì)產(chǎn)生丁醇的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了根據(jù)衍生自非纖維素生物質(zhì)的消化的材料的發(fā)酵回收丁醇并優(yōu)選地增加其產(chǎn)生的速率和/或產(chǎn)量的方法。
【專利說(shuō)明】由非纖維素生物質(zhì)產(chǎn)生丁醇的方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求于2011年12月14日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)61/570639的優(yōu)先權(quán)，其公開內(nèi)容全文以引用方式并入。
【背景技術(shù)】
[0003]非纖維素生物質(zhì)變成在開發(fā)可持續(xù)能源的努力中越來(lái)越重要的燃料產(chǎn)生來(lái)源。丁醇是作為構(gòu)建單元化學(xué)物質(zhì)和潛在“普適性(drop-1n)”運(yùn)輸燃料的高價(jià)值分子。丁醇由于其更高的能量密度和更低的水吸收而具有下列除由乙醇所提供的那些優(yōu)點(diǎn)之外作為運(yùn)輸燃料的附加優(yōu)點(diǎn)。雖然目前由原油產(chǎn)生兩種類型的丁醇(1-丁醇和異丁醇)，但也可使用玉米衍生的糖和可能的纖維素衍生的糖經(jīng)由發(fā)酵來(lái)產(chǎn)生丁醇。然而，技術(shù)和經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)限制了由發(fā)酵工藝大規(guī)模產(chǎn)生丁醇。
[0004]這些挑戰(zhàn)之一為在發(fā)酵工藝結(jié)束時(shí)丁醇的低效價(jià)。丁醇對(duì)于形成丁醇的微生物是高度毒性的。因此，相比于酵母發(fā)酵液體培養(yǎng)基中的12-20重量％乙醇，最終丁醇濃度常常僅為1-2重量％。這減少了丁醇從發(fā)酵液體培養(yǎng)基中的回收。此外，丁醇具有比水(100°C )更高的沸點(diǎn)(1-丁醇為117°C，異丁醇為108°C )，使得其難以通過(guò)蒸餾經(jīng)濟(jì)地分離。當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)蒸餾工藝進(jìn)行丁醇回收時(shí)，丁醇的低發(fā)酵效價(jià)和較高沸點(diǎn)導(dǎo)致顯著更高的能量 消耗，如下列文獻(xiàn)中所述:Kraemer等人,“Separation of butanolfrom acetone-butano1-ethanol fermentation by a hybrid extraction-distillationprocess (通過(guò)混合萃取-蒸餾工藝從丙酮_ 丁醇-乙醇發(fā)酵中分離丁醇)”，Computer AidedChemical Engineering《計(jì)算機(jī)輔助化學(xué)設(shè)計(jì)》，28:7-12 (2010) ；Lee 等人，“FermentativeButanol Production by Clostridia(通過(guò)梭菌進(jìn)行的發(fā)酵性丁醇生產(chǎn))”，Biotechnologyand Bioengineering《生物技術(shù)與生物工程》，101:209-228 (2008)；以及Ezeji等人，“Bioproduction of Butanol from Biomass: from Genes to Bioreactors (由生物質(zhì)進(jìn)行的丁醇的生物制備:從基因到生物反應(yīng)器)”，Current Opinion in Biotechnology《生物技術(shù)新見》，18:220 - 227 (2007)。為使生物丁醇生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)上可行，需要一種高性價(jià)比的回收工藝。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]持續(xù)需要有效且高效的方法來(lái)由非纖維素生物質(zhì)獲得燃料。本公開提供了從衍生自非纖維素生物質(zhì)消化的材料的發(fā)酵回收丁醇并優(yōu)選地增加其產(chǎn)生的速率和/或產(chǎn)量的方法。更具體地，在某些實(shí)施例中，本公開提供了通過(guò)膜溶劑萃取進(jìn)行的丁醇富集。
[0006]在一個(gè)實(shí)施例中，產(chǎn)生丁醇的方法包括:將包含得自非纖維素生物質(zhì)的碳水化合物的水性混合物引入發(fā)酵罐中；使該水性混合物發(fā)酵以提供第一發(fā)酵液體培養(yǎng)基，該發(fā)酵液體培養(yǎng)基包含:用于產(chǎn)生丁醇的微生物；來(lái)自非纖維素生物質(zhì)的碳水化合物；和丁醇；以及通過(guò)經(jīng)第一多孔膜的第一液-液萃取用第一溶劑萃取劑從第一發(fā)酵液體培養(yǎng)基至少部分地萃取丁醇，以提供第一萃取物和第二發(fā)酵液體培養(yǎng)基。在該方法中，第一溶劑萃取劑包含具有7至12個(gè)碳原子的直鏈或支化醇。作為該方法的結(jié)果，第二發(fā)酵液體培養(yǎng)基具有比第一發(fā)酵液體培養(yǎng)基更低的丁醇濃度。第一液-液萃取在包括下述物質(zhì)的液-液萃取元件中進(jìn)行:多個(gè)第一層對(duì)，每個(gè)第一層對(duì)包括:第一聚合物微孔膜；和以第一流動(dòng)方向取向的第一流動(dòng)通道層，所述第一流動(dòng)通道層具有設(shè)置在液-液萃取元件的第一相對(duì)側(cè)上的第一流體入口和第一流體出口 ；以及多個(gè)第二層對(duì)，其中至少一個(gè)第二層對(duì)設(shè)置在兩個(gè)第一層對(duì)之間并且至少一個(gè)第一層對(duì)設(shè)置在兩個(gè)第二層對(duì)之間以便形成層疊堆，每個(gè)第二層對(duì)包括:第二聚合物微孔膜；和以第二流動(dòng)方向取向的第二流動(dòng)通道層，所述第二流動(dòng)方向不同于所述第一流動(dòng)方向，并且具有設(shè)置在萃取元件的第二相對(duì)側(cè)上的第二流體入口和第二流體出口。
[0007]當(dāng)二次發(fā)酵液體培養(yǎng)基被引導(dǎo)回發(fā)酵罐中時(shí)(與不進(jìn)行此類循環(huán)的方法相比)，該方法可使丁醇產(chǎn)生的速率增加兩倍或更多倍。
[0008]在一個(gè)實(shí)施例中，從發(fā)酵液體培養(yǎng)基回收丁醇的方法包括:將包含得自非纖維素生物質(zhì)的碳水化合物的水性混合物引入發(fā)酵罐中；使該水性混合物發(fā)酵以提供第一發(fā)酵液體培養(yǎng)基，該發(fā)酵液體培養(yǎng)基包含:用于產(chǎn)生丁醇的微生物；來(lái)自非纖維素生物質(zhì)的碳水化合物；和丁醇；通過(guò)經(jīng)第一多孔膜的第一液-液萃取用第一溶劑萃取劑從第一發(fā)酵液體培養(yǎng)基至少部分地萃取丁醇，以提供第一萃取物和第二發(fā)酵液體培養(yǎng)基；以及從第一萃取物回收丁醇的至少一部分。在該方法中，第一溶劑萃取劑包含具有7至12個(gè)碳原子的直鏈或支化醇。作為該方法的結(jié)果，第二發(fā)酵液體培養(yǎng)基具有比第一發(fā)酵液體培養(yǎng)基更低的丁醇濃度。第一液-液萃取在包括下述物質(zhì)的液-液萃取元件中進(jìn)行:多個(gè)第一層對(duì)，每個(gè)第一層對(duì)包括:第一聚合物微孔膜；和以第一流動(dòng)方向取向的第一流動(dòng)通道層，所述第一流動(dòng)通道層具有設(shè)置在液-液萃取元件的第一相對(duì)側(cè)上的第一流體入口和第一流體出口 ；以及多個(gè)第二層對(duì)，其中至少一個(gè)第二層對(duì)設(shè)置在兩個(gè)第一層對(duì)之間并且至少一個(gè)第一層對(duì)設(shè)置在兩個(gè)第二層對(duì)之間以便形成層疊堆，每個(gè)第二層對(duì)包括:第二聚合物微孔膜；和以第二流動(dòng)方向取向的第二流 動(dòng)通道層，所述第二流動(dòng)方向不同于所述第一流動(dòng)方向，并且具有設(shè)置在萃取元件的第二相對(duì)側(cè)上的第二流體入口和第二流體出口。優(yōu)選地，回收丁醇包括通過(guò)從萃取溶劑中閃蒸分離和/或真空蒸餾來(lái)使其濃縮。
[0009]在本申請(qǐng)中，諸如“一個(gè)”、“一種”和“所述”的術(shù)語(yǔ)并非僅旨在指單一實(shí)體，而是包括一般類別，其具體實(shí)例可用于舉例說(shuō)明。術(shù)語(yǔ)“一個(gè)”、“一種”和“所述”與術(shù)語(yǔ)“至少一個(gè)”互換使用。后接列表的短語(yǔ)中的至少一個(gè)”和“包含...中的至少一個(gè)”是指所述列表中的項(xiàng)目中的任一個(gè)和所述列表中的兩個(gè)或更多個(gè)項(xiàng)目的任何組合。除非另外指明，所有數(shù)值范圍均包括它們的端點(diǎn)以及端點(diǎn)之間的非整數(shù)值。
[0010]如本文所用，術(shù)語(yǔ)“或”一般按其通常的意義采用，包括“和/或”，除非上下文清楚地另外指出。術(shù)語(yǔ)“和/或”指所列要素中的一個(gè)或全部，或者所列要素中的任何兩個(gè)或更多個(gè)的組合。
[0011]在本公開中使用了術(shù)語(yǔ)“第一”和“第二”。應(yīng)當(dāng)理解，除非另有說(shuō)明，那些術(shù)語(yǔ)僅以其相對(duì)含義使用。具體地，在一些實(shí)施例中，某些組件可以可互換方式和/或相同多個(gè)(例如，對(duì))的方式存在。對(duì)于這些組件，“第一”和“第二”的命名可能被施加到組件僅僅是為了方便描述實(shí)施例中的一個(gè)或多個(gè)。
[0012]術(shù)語(yǔ)“水性”是指包含水。
[0013]術(shù)語(yǔ)“丁醇”是指1-丁醇或異丁醇(取決于發(fā)酵工藝中所使用的微生物)或者1-丁醇和異丁醇的混合物(如果使用微生物的混合物)。
[0014]包括第一萃取劑或第二萃取劑的“萃取劑”包括一種化合物或化合物的混合物。通常，萃取劑是指有機(jī)溶劑或有機(jī)溶劑的混合物。
[0015]“液-液萃取”是一種用于將溶解于第一液體中的溶質(zhì)轉(zhuǎn)移到第二液體的方法。
[0016]術(shù)語(yǔ)“夾帶”包括當(dāng)?shù)谝惠腿腋　⒔亓艋蛉芙庥谒曰旌衔镏袝r(shí)。
[0017]“非纖維素生物質(zhì)”指包含大于I重量百分比(重量％)的淀粉、糊精、糖(如，右旋糖、蔗糖、木糖、果糖、纖維二糖和麥芽糖)或其它可發(fā)酵碳水化合物的碳水化合物或材料。來(lái)源包括例如:玉米、甘蔗、甜菜、木薯、小麥、一些作物殘余物和食物垃圾。不包括在非纖維素生物質(zhì)范圍內(nèi)的是下列物質(zhì)，如果它們包含少于I重量％的可發(fā)酵碳水化合物:蒸餾器的干燥谷物、作物殘余物、植物物質(zhì)和廢棄材料。這些通常被認(rèn)為是纖維素生物質(zhì)材料。纖維素生物質(zhì)材料大量作為農(nóng)業(yè)廢棄物(如，來(lái)自作物和草)、木材、廢木材(如,來(lái)自造紙廠、伐木殘余物、枯木、森林灌木叢清除、果園和葡萄園)以及其它廢棄物(如，城市廢棄物)生成。
[0018]本公開的上述
【發(fā)明內(nèi)容】
并非旨在描述本公開每個(gè)所公開實(shí)施例或每種實(shí)施方式。以下描述更具體地例示了示例性實(shí)施例。在本申請(qǐng)全文的多處，通過(guò)實(shí)例列表提供指導(dǎo)，實(shí)例可用于多種組合中。在每種情形下，所引用的列表僅作為代表性群組，并且不應(yīng)被理解為排他性列表。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】 [0019]參照下面結(jié)合附圖對(duì)多個(gè)實(shí)施例的詳細(xì)描述可更全面地理解本公開，其中:
[0020]圖1為根據(jù)本公開的方法的一個(gè)示例性實(shí)施例的示意性流程圖；
[0021]圖2為根據(jù)本公開的方法的第二示例性實(shí)施例的示意性流程圖；
[0022]圖3為根據(jù)本公開的方法的第三示例性實(shí)施例的示意性流程圖；
[0023]圖4為根據(jù)本公開的方法的第四示例性實(shí)施例的示意性流程圖；并且
[0024]圖5為可用于實(shí)施本文所公開的方法的示例性膜萃取模塊的示意性透視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]根據(jù)本公開的方法可用于例如從非纖維素生物質(zhì)回收丁醇(1-丁醇或異丁醇)并且優(yōu)選地增加其產(chǎn)生的速率和/或產(chǎn)量。非纖維素生物質(zhì)包含大于I重量％的淀粉、糊精、糖(如，右旋糖、蔗糖、木糖、果糖、纖維二糖和麥芽糖)或其它可發(fā)酵碳水化合物。來(lái)源包括例如:玉米、甘蔗、甜菜、木薯、小麥、一些作物殘余物和食物垃圾。不包括在非纖維素生物質(zhì)范圍內(nèi)的是下列物質(zhì)，如果它們包含少于I重量％的可發(fā)酵碳水化合物:蒸餾器的干燥谷物、作物殘余物、植物物質(zhì)和纖維素廢棄材料。這些通常被認(rèn)為是纖維素生物質(zhì)材料。纖維素生物質(zhì)的示例性來(lái)源包括廢木材或樹皮、來(lái)自紙漿或造紙廠的廢棄樹干木屑、森林廢棄物(如，根、枝和葉)、果園和葡萄園修剪物、來(lái)自棉植物、竹、稻、小麥和玉米的莖桿和葉(即，秸桿)、廢棄農(nóng)產(chǎn)品(如，稻、小麥和玉米)、農(nóng)副產(chǎn)品(如，蔗渣和大麻)以及廢紙(如，報(bào)紙、計(jì)算機(jī)用紙和紙板盒)。纖維素生物質(zhì)的常見來(lái)源為玉米秸桿。這些纖維素材料中的一些(如，軟木和硬木材料及作物)為包含木質(zhì)素、纖維素和半纖維素的木質(zhì)纖維素材料。[0026]可經(jīng)由水性混合物的發(fā)酵產(chǎn)生1- 丁醇和/或異丁醇，所述水性混合物包含衍生自非纖維素生物質(zhì)的一種或多種來(lái)源的碳水化合物(如，玉米衍生或甘蔗衍生的糖或可能的其它基于淀粉的糖)。包含來(lái)自非纖維素生物質(zhì)的碳水化合物的水性混合物可通過(guò)消化非纖維素生物質(zhì)的已知方法獲得。此類已知的消化方法通常在高溫下使用酶，例如淀粉酶和葡糖淀粉酶。
[0027]可使用產(chǎn)生丁醇的微生物對(duì)經(jīng)消化的非纖維素生物質(zhì)進(jìn)行發(fā)酵，所述產(chǎn)生丁醇的微生物為天然的或工程化的，如丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)、拜氏梭菌(Clostridium bei jerinckii)、酵母或大腸桿菌(E.Coli)。通常,產(chǎn)生1_丁醇或異丁醇取決于特定微生物。遺憾的是，丁醇為產(chǎn)生其的微生物的強(qiáng)效反饋抑制劑。例如，低至2重量％的丁醇濃度可使發(fā)酵停止。當(dāng)使用例如如本文所述的膜溶劑萃取連續(xù)地從發(fā)酵液體培養(yǎng)基萃取丁醇時(shí)，可減輕該丁醇的反饋抑制，導(dǎo)致加快發(fā)酵速率和/或提高丁醇產(chǎn)量。萃取后，可例如通過(guò)閃蒸分離、真空蒸餾或其它下游富集工藝回收丁醇和少量的水。顯著地，與通過(guò)常規(guī)蒸餾的分離相比，這可導(dǎo)致丁醇分離的更低總能量。
[0028]適用于本文所述方法中的發(fā)酵系統(tǒng)可為廣泛種類中的任一種。這可包括例如單罐分批發(fā)酵、多罐分批發(fā)酵、單罐補(bǔ)料分批發(fā)酵、多罐補(bǔ)料分批發(fā)酵、單罐連續(xù)發(fā)酵或多罐連續(xù)發(fā)酵。
[0029]適于在使用非纖維素生物質(zhì)產(chǎn)生丁醇的發(fā)酵系統(tǒng)中使用的微生物包括如下文獻(xiàn)中所述的那些:Chkwuemeka等人,“Bioproduction of Butanol from Biomass: from Genes toBioreactors (由生物質(zhì)進(jìn)行的丁醇的生物制備:從基因到生物反應(yīng)器)” Current Opinionin Biotechnology《 生物技術(shù)新見》，2007，18:220-227 和 Lee 等人，“Fermentive ButanolProduction by Clostridia (通過(guò)梭菌進(jìn)行的發(fā)酵性丁醇生產(chǎn))” Biotechnology andBioengineering《生物技術(shù)與生物工程》，2008，101:209-228，以及下述:天然的和工程化的丙酮丁醇梭菌；天然的和工程化的拜氏梭菌；工程化的大腸桿菌；工程化的枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis);以及工程化的釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)(酵母)。這些在本文中稱為“丁醇發(fā)酵微生物”或“產(chǎn)生丁醇的微生物”。優(yōu)選的此類微生物包括天然的或工程化的丙酮丁醇梭菌、拜氏梭菌、酵母或大腸桿菌。如果期望產(chǎn)生1-丁醇和異丁醇的混合物，可使用微生物的混合物。
[0030]圖1中顯示了根據(jù)本公開方法的示例性實(shí)施例的工藝流程圖10。在流程圖10中，將在具有其它營(yíng)養(yǎng)素(例如氨、金屬離子和維生素)的水中包含衍生自非纖維素生物質(zhì)(如，通過(guò)酶消化)的碳水化合物例如葡萄糖、其它糖以及它們的低聚物的水性混合物連同用于進(jìn)行發(fā)酵的一種或多種微生物一起沿管線11引入發(fā)酵罐Fl中。然后將包含丁醇的發(fā)酵液體培養(yǎng)基(第一發(fā)酵液體培養(yǎng)基)沿管線12輸送到貯存器Rl并收集于其中。發(fā)酵液體培養(yǎng)基將通常包含2重量％或更少的丁醇。然后將該發(fā)酵液體培養(yǎng)基沿管線13引導(dǎo)到膜溶劑萃取單元MSEl中。在萃取器MSEl中，使第一發(fā)酵液體培養(yǎng)基(沿管線13引入)和溶劑萃取劑(沿管線15引入)彼此緊密接觸，使得產(chǎn)生的丁醇在發(fā)酵液體培養(yǎng)基和萃取劑之間分配。然后將溶劑萃取劑和產(chǎn)生的丁醇(即萃取物)的所得混合物沿管線16輸送用于回收，例如通過(guò)閃蒸分離、真空蒸餾、其它下游丁醇富集工藝、或它們的組合。在該工藝中，在通過(guò)MSEl后，將從中萃取丁醇的發(fā)酵液體培養(yǎng)基(即，第二發(fā)酵液體培養(yǎng)基具有比第一發(fā)酵液體培養(yǎng)基更低的丁醇濃度)沿管線14移除但不循環(huán)回發(fā)酵罐中。因此，預(yù)期發(fā)生相對(duì)于發(fā)酵液體培養(yǎng)基中丁醇的最終效價(jià)的丁醇富集。例如，可能從2重量％增加到至多20
重量％，或甚至高達(dá)50重量％。
[0031]圖2中示出了根據(jù)本公開的方法的示例性實(shí)施例的工藝流程圖20。在流程圖20中，將在含其它營(yíng)養(yǎng)素(例如氨、金屬離子和維生素)的水中包含衍生自非纖維素生物質(zhì)(如，通過(guò)酶消化)的碳水化合物例如葡萄糖、其它糖及其低聚物的水性混合物連同用于進(jìn)行發(fā)酵的一種或多種微生物一起沿管線21引入發(fā)酵罐F2中。然后將包含丁醇(通常2重量％或更少)的第一發(fā)酵液體培養(yǎng)基沿管線22直接輸送到膜溶劑萃取單元MSE2(不使用如圖1中所示的貯存器)。在萃取器MSE2中，使發(fā)酵液體培養(yǎng)基(沿管線22引入)和溶劑萃取劑(沿管線24引入)彼此緊密接觸，使得產(chǎn)生的丁醇在發(fā)酵液體培養(yǎng)基和溶劑萃取劑之間分配。然后將萃取劑和丁醇(即萃取物)的所得混合物沿管線25輸送用于回收，例如通過(guò)閃蒸分離、真空蒸餾或其它下游丁醇富集(即濃縮)工藝、或它們的組合。在該工藝中，在通過(guò)MSE2后，將從中萃取丁醇的發(fā)酵液體培養(yǎng)基(即，第二發(fā)酵液體培養(yǎng)基具有比第一發(fā)酵液體培養(yǎng)基更低的丁醇濃度)沿管線23移除但不循環(huán)。因此，正如圖1中所示的工藝流程圖10 —樣，預(yù)期發(fā)生丁醇富集。
[0032]圖3中示出了根據(jù)本公開的方法的示例性實(shí)施例的工藝流程圖30。在流程圖30中，將在含其它營(yíng)養(yǎng)素(例如氨、金屬離子和維生素)的水中包含衍生自非纖維素生物質(zhì)(如，通過(guò)酶消化)的碳水化合物例如葡萄糖、其它糖及其低聚物的水性混合物連同用于進(jìn)行發(fā)酵的一種或多種微生物一起沿管線31引入發(fā)酵罐F3中。然后將包含丁醇的第一發(fā)酵液體培養(yǎng)基沿管線32輸送到貯存器R3并收集于其中。第一發(fā)酵液體培養(yǎng)基將通常包含2重量％或更少的丁醇。然后將第一發(fā)酵液體培養(yǎng)基沿管線33引導(dǎo)到膜溶劑萃取單元MSE3中。在萃取器MSE3中，使第一發(fā)酵液體培養(yǎng)基(沿管線33引入)和溶劑萃取劑(沿管線35引入)彼此緊密接觸，使 得產(chǎn)生的丁醇在發(fā)酵液體培養(yǎng)基和萃取劑之間分配。然后將溶劑萃取劑和產(chǎn)生的丁醇(即萃取物)的所得混合物沿管線36輸送用于回收，例如通過(guò)閃蒸分離、真空蒸餾或其它下游丁醇富集工藝、或它們的組合。在該工藝中，在通過(guò)MSE3后，將第二發(fā)酵液體培養(yǎng)基(從中萃取了丁醇，并且因此具有比第一發(fā)酵液體培養(yǎng)基更低的丁醇濃度)沿管線34移除并且不循環(huán)回發(fā)酵罐F3(沿管線34)中。因此，使用該工藝預(yù)期發(fā)生丁醇富集(相對(duì)于發(fā)酵液體培養(yǎng)基中丁醇的最終效價(jià)，其通常為2重量％或更少)和發(fā)酵加速(相對(duì)于不循環(huán)發(fā)酵液體培養(yǎng)基的方法(即，非循環(huán)方法))。例如，可從2重量％增加到至多20重量％，或甚至高達(dá)50重量％，并且在丁醇產(chǎn)生加速方面可增加至少2倍。通常采用沿管線31引入的原料流中的碳水化合物起始物質(zhì)(來(lái)自消化的非纖維素生物質(zhì))的輸送速率的增加來(lái)維持該加速。
[0033]圖4中示出了根據(jù)本公開的方法的示例性實(shí)施例的工藝流程圖40。在流程圖40中，將在含其它營(yíng)養(yǎng)素(例如氨、金屬離子和維生素)的水中包含衍生自非纖維素生物質(zhì)(如，通過(guò)酶消化)的碳水化合物例如葡萄糖、其它糖及其低聚物的水性混合物連同用于進(jìn)行發(fā)酵的一種或多種微生物一起沿管線41引入發(fā)酵罐F4中。然后將包含丁醇(通常2重量％或更少)的第一發(fā)酵液體培養(yǎng)基沿管線42直接輸送到膜溶劑萃取單元MSE4。在萃取器MSE4中，使第一發(fā)酵液體培養(yǎng)基(沿管線42引入)和溶劑萃取劑(沿管線44引入)彼此緊密接觸，使得產(chǎn)生的丁醇在發(fā)酵液體培養(yǎng)基和萃取劑之間分配。然后將所得的萃取物(溶劑萃取劑和產(chǎn)生的丁醇的混合物)沿管線45輸送用于回收，例如通過(guò)閃蒸分離、真空蒸餾、其它下游丁醇富集工藝、或它們的組合。在該工藝中，在通過(guò)MSE4后，將第二發(fā)酵液體培養(yǎng)基(從中萃取了丁醇，從而具有比第一發(fā)酵液體培養(yǎng)基更低的丁醇濃度)沿管線43移除并且不循環(huán)回發(fā)酵罐F4(沿管線43)中。因此，正如圖3中所示的工藝流程圖30，使用該工藝預(yù)期發(fā)生丁醇富集和發(fā)酵加速。正如圖3中的工藝流程圖30，通常采用沿管線41引入的原料流中的碳水化合物起始物質(zhì)(來(lái)自非纖維素生物質(zhì)的酶消化)的輸送速率的增加來(lái)維持該加速。
[0034]第一萃取劑包含具有7至12個(gè)(在一些實(shí)施例中為8至12個(gè)或8至11個(gè))碳原子的直鏈或支化醇。在優(yōu)選的實(shí)施例中，萃取劑的沸點(diǎn)比產(chǎn)生的丁醇(或產(chǎn)生的更高沸點(diǎn)的丁醇(如果產(chǎn)生混合物))高至少30°C。在這些實(shí)施例的一些中，直鏈或支化醇為伯醇。在一些實(shí)施例中，第一萃取劑包含具有7至12個(gè)(在一些實(shí)施例中為8至12個(gè)或8至11個(gè))碳原子的直鏈 醇。在這些實(shí)施例的一些中，第一萃取劑包含2-辛醇、2-乙基-1-己醇、1-壬醇、2，6-二甲基-4-庚醇、1-癸醇、4-癸醇、2-丙基-1-庚醇、或它們的組合中的至少一者。對(duì)于異丁醇，優(yōu)選的第一萃取劑包含2-辛醇、2-乙基-1-己醇、1-壬醇、2，6- 二甲基-4-庚醇、1-癸醇、4-癸醇和2-丙基-1-庚醇。對(duì)于1- 丁醇，優(yōu)選的第一萃取劑包含
2-辛醇、2-乙基-1-己醇、2，6-二甲基-4-庚醇、4-癸醇和2-丙基-1-庚醇。如果需要，可使用此類醇的多種組合。
[0035]在本文所公開的方法(包括以上結(jié)合圖1至4所述的方法)的一些實(shí)施例中，所述方法還可包括回收丁醇(如，異丁醇和/或1-丁醇)的至少一部分。如上所述，例如可通過(guò)閃蒸分離和/或真空蒸餾來(lái)使丁醇濃縮。
[0036]在一些實(shí)施例中，第一萃取劑的一部分可夾帶在第二發(fā)酵液體培養(yǎng)基中。在此類實(shí)施例中，本公開的方法還可包括通過(guò)第二液-液萃取用第二萃取劑從第二發(fā)酵液體培養(yǎng)基至少部分地萃取夾帶的第一萃取劑，這可通過(guò)采用膜萃取工藝進(jìn)行。示例性第二萃取劑包含十二烷和癸烷，但通常優(yōu)選十二烷。
[0037]多種多孔膜和膜萃取設(shè)備可用于實(shí)施本公開。一般來(lái)講，萃取速率取決于液-液界面的面積。因此，通常所需的是具有較大膜表面積的膜萃取設(shè)備設(shè)計(jì)，盡管也可使用具有相對(duì)較小膜表面積的設(shè)計(jì)。
[0038]多孔膜和設(shè)備的下列實(shí)施例可用于第一液-液萃取(即，丁醇的萃取)或任選的第二液-液萃取(即，夾帶的第一萃取劑的萃取)。膜萃取設(shè)備可具有任何設(shè)計(jì)，只要待萃取的萃取劑和水溶液在多孔膜的至少一個(gè)孔內(nèi)、通常多個(gè)孔內(nèi)具有液-液界面即可。
[0039]為了便于在多孔膜內(nèi)的水溶液與萃取劑之間形成界面，無(wú)論水溶液或萃取劑中的哪一者潤(rùn)濕膜最不充分，均可保持在比另一者更高的壓力下。例如，就疏水多孔膜而言，水溶液可具有比萃取劑更高的流體壓力。該壓力差通常應(yīng)足以充分穩(wěn)定水溶液與萃取劑之間的界面，但優(yōu)選不大至足以引起對(duì)多孔膜的損壞。該壓力差可通過(guò)多種已知方法實(shí)現(xiàn)，所述方法包括節(jié)流閥(如，萃取物出口上的背壓閥)、流體高度差等。如果存在，水溶液與萃取劑之間的壓力差可為例如4°C下至少IOcm水柱(IkPa)、至少I磅/平方英寸(psi) (6.9kPa),并且可為至多l(xiāng)lpsi (76kPa)，盡管也可使用更高和更低的壓力。
[0040]可用于實(shí)施本公開的微孔膜通常具有在膜的主表面之間延伸的微米尺寸的孔(即，微孔)。例如，微孔可為分離的或互連的。微孔膜可以由其中具有微孔的任何材料形成，例如微孔熱塑性聚合物。微孔膜可例如為柔性的或剛性的。在根據(jù)本公開的一些實(shí)施例中，可用的熱塑性微孔膜可包含類似或不類似的熱塑性聚合物的共混物，所述熱塑性聚合物各自任選地具有不同的分子量分布(如，超高分子量聚乙烯和高分子量聚乙烯的共混物)。
[0041]在本文所公開的方法中，微孔膜的微孔尺寸、厚度和組成通常決定萃取的速率。微孔膜的微孔的尺寸應(yīng)足夠大以允許微孔內(nèi)的水溶液與萃取劑之間接觸(如，以形成液-液萃取界面)，但不大至發(fā)生水溶液通過(guò)微孔膜溢流到萃取劑中。
[0042]可用于實(shí)施本發(fā)明的微孔膜可為例如親水的或疏水的。微孔膜可通過(guò)本領(lǐng)域熟知的方法制備并且描述于例如美國(guó)專利N0.3，801, 404 (Druin等人)、3，839，516 (Williams等人)、3，843, 761 (Bierenbaum 等人)、4，255, 376 (Soehngen 等人)、4，257, 997 (Soehngen等人)、4，276, 179 (Soehngen)、4，973, 434 (Sirkar等人)中，和/或可廣泛地從供應(yīng)商例如北卡羅來(lái)納州夏洛特的 Celgard 公司(Celgard, Inc.(Charlotte, North Carolina));賓夕法尼州艾維蘭的德彩公司(Tetratec, Inc.(Ivyland, Pennsylvania));德國(guó)威斯巴登的Nadir Filtration 公司(Nadir Filtration GmbH (Wiesbaden, Germany));或德國(guó)伍拍塔爾的Membrana公司(Membrana, GmbH (Wuppertal, Germany))商購(gòu)獲得。不例性親水膜包括微孔聚酰胺(如，微孔尼龍)、微孔聚碳酸酯、微孔乙烯乙烯醇共聚物、以及微孔親水聚丙烯的膜。示例性疏水膜包括微孔聚乙烯、微孔聚丙烯(如，熱誘導(dǎo)相分離微孔聚丙烯)及微孔聚四氟乙烯的膜。
[0043]通常，可用的微孔膜的平均孔徑(如根據(jù)ASTM E1294-89 (1999) “Standard TestMethod for Pore Size Characteristics of Membrane Filters Using Automated LiquidPorosimeter"(用自動(dòng)液體孔率計(jì)檢驗(yàn)薄膜過(guò)濾器的孔徑特性的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法)所測(cè)量)可大于約0.07微米(如，大于約0.1微米或大于約0.25微米)，并且可小于約1.4微米(如，小于1.0微米、小于約0.4微米或小于約0.3微米)，盡管也可使用具有更大或更小平均孔徑的微孔膜。為了減少乳液形成和/或溢流穿過(guò)膜，微孔膜可基本上不含直徑超過(guò)100微米的孔、縫或其它洞。
[0044]基于微孔膜的體積計(jì)，可用的微孔膜通常具有至少約20% (如，至少30%或至少40% )至80%、87%或甚至95%范圍內(nèi)的孔隙率。通常，可用的微孔膜具有至少約25微米(如，至少35微米或至少40微米)的厚度，和/或可具有小于約80微米(如，小于60微米或甚至小于50微米)的厚度，盡管可使用任何厚度的膜。通常，微孔膜單獨(dú)使用或與任選的多孔支撐構(gòu)件組合時(shí)應(yīng)具有足夠大的機(jī)械強(qiáng)度，以承受預(yù)期操作條件下可能橫跨微孔膜施加的任何壓力差。
[0045]對(duì)于本文所公開的任何液-液萃取，可串聯(lián)或并聯(lián)使用多個(gè)微孔膜。示例性膜形式包括片材、袋和管，并且可為大致平坦或不平坦的(如，打褶、螺旋纏繞濾芯、板框或中空纖維束)。在本文所公開的方法的一些實(shí)施例中，微孔膜可包括微孔中空纖維膜，如在例如美國(guó)專利 N0.4, 055, 696 (Kamada 等人)、4，405, 688 (Lowery 等人)和 5，449, 457 (Prasad)中所述。當(dāng)然，萃取設(shè)備的性質(zhì)(如，形狀、尺寸、組件)可根據(jù)所選的膜形式而變化。
[0046]微孔膜可包含至少一種疏水(即，不自發(fā)地被水浸透)材料。示例性疏水材料包括聚烯烴(如聚丙烯、聚乙烯、聚丁烯、前述任一種的共聚物、以及任選的烯鍵式不飽和單體)以及它們的組合。如果微孔膜為疏水的，可相對(duì)于萃取劑對(duì)水溶液施加正壓，以有助于潤(rùn)濕微孔膜。[0047]在本文所公開的方法的一些實(shí)施例中，微孔膜可為親水的，例如標(biāo)稱平均孔徑范圍為0.2至0.45微米的親水多孔聚丙烯膜(例如，如由密歇根州安娜堡的頗爾生命科學(xué)公司(Pall Life Sciences Inc.(Ann Arbor, Michigan))以商品名 “GH P0LYPR0 MEMBRANE” 銷售)。如果微孔膜為親水的，可相對(duì)于水溶液對(duì)萃取劑施加正壓，以有利于微孔膜內(nèi)液-液界面的穩(wěn)定。示例性膜包括如美國(guó)專利N0.3,801, 404 (Druin等人)、3，839，516 (Williams等人)、3，843，761(Bierenbaum 等人)、4，255，376 (Soehngen)、4，257，997 (Soehngen等人)和 4，276，179(Soehngen)、4，726，989(Mrozinski)、5，120，594 (Mrozinski)及5，238，623 (Mrozinski)中所述的微孔膜。
[0048]適用于本文所述方法的合適的膜溶劑萃取(MSE)單元包括例如單個(gè)MSE模塊或多個(gè)MSE模塊。若干可用的微孔膜萃取設(shè)備例如描述于美國(guó)專利N0.7，105，089 (Fanselow等人)和美國(guó)專利申請(qǐng)公布N0.2007/0119771 (Shukar等人)中。可用于實(shí)施本公開的膜萃取設(shè)備的膜萃取元件(即，膜溶劑萃取單元)的示例性實(shí)施例在圖5中示出。膜萃取元件300包括第一層對(duì)310和第二層對(duì)320。第二層對(duì)320設(shè)置成鄰近第一層對(duì)310，以形成層疊堆350。層疊堆350具有如圖5中所示的X軸、y軸和z軸。z軸為層疊堆350的厚度方向。在所示實(shí)施例中，X軸和y軸均為層疊堆350的平面內(nèi)軸線并且彼此正交。
[0049]第一層對(duì)310包括第一聚合物微孔膜312和以第一流動(dòng)方向F1 (沿圖5中的x軸)取向的第一流動(dòng)通道層314，第一流動(dòng)通道層314具有設(shè)置在萃取元件300的第一相對(duì)側(cè)(沿圖5中的y軸)上的流體入口 316和流體出口 318。因此，在圖5中示出的示例性實(shí)施例中，第一流動(dòng)方向F1與液-液萃取元件300的第一相對(duì)側(cè)正交。
[0050]第二層對(duì)320包括第二聚合物微孔膜322和以第二流動(dòng)方向F2 (沿圖5中的y軸)取向的第二流動(dòng)通道層324，所述第二流動(dòng)方向不同于第一流動(dòng)方向F1，并且第二流動(dòng)通道層324具有設(shè)置在膜萃取元件300的第二相對(duì)側(cè)上(沿圖5的X軸)的流體入口 326和流體出口 328。因此，在 圖5中示出的示例性實(shí)施例中，第二流動(dòng)方向F2與膜萃取元件300的第二相對(duì)側(cè)正交。所示的第一微孔膜312設(shè)置在第一流動(dòng)通道層314與第二流動(dòng)通道層324之間。在所示實(shí)施例中，第一流動(dòng)方向F1與第二流動(dòng)方向F2正交，但并非必須。
[0051]在許多實(shí)施例中，液-液萃取元件300包括多個(gè)(兩個(gè)或更多個(gè))交替的第一層對(duì)310和第二層對(duì)320。在一些實(shí)施例中，膜萃取元件300包括從10至2000個(gè)、或25至1000個(gè)、或50至500個(gè)垂直配準(zhǔn)(沿z軸)層疊的交替的第一層對(duì)310和第二層對(duì)320，其中第一流動(dòng)方向F1(沿X軸)與第二流動(dòng)方向F2(沿y軸)正交。
[0052]流動(dòng)通道層314、324和微孔膜層312、322的層厚度(沿z軸)為任何可用值。在許多實(shí)施例中，第一流動(dòng)通道層314和第二流動(dòng)通道層324每一層的厚度范圍為10至250、或25至150微米。在許多實(shí)施例中，第一聚合物微孔膜312和第二聚合物微孔膜322每一層的厚度范圍為I至200、或10至100微米。萃取元件300的總體厚度(沿z軸)為任何可用值。在一些實(shí)施例中，萃取元件300的總體厚度(沿z軸)范圍為5至100、或10至50厘米。
[0053]膜萃取元件300可具有任何可用形狀(如，直線形狀)。萃取元件300的寬度(沿y軸)和長(zhǎng)度(沿X軸)為任何可用值。在一些實(shí)施例中，萃取元件300的總體寬度(沿y軸)范圍為10至300、或50至250厘米。在一些實(shí)施例中，萃取元件300的總體長(zhǎng)度(沿X軸)范圍為10至300、或50至250厘米。在一個(gè)實(shí)施例中，萃取元件300長(zhǎng)度等于或基本上等于其寬度。
[0054]第一流動(dòng)通道層314和第二流動(dòng)通道層324可根據(jù)需要由相同或不同的材料形成，并且采用相同或不同的形式。第一流動(dòng)通道層314和第二流動(dòng)通道層324可使液體在第一微孔膜312與第二微孔膜322之間流動(dòng)。在許多實(shí)施例中，第一流動(dòng)通道層314和第二流動(dòng)通道層324的結(jié)構(gòu)可使得第一流動(dòng)通道層314和第二流動(dòng)通道層324在微孔膜312、322之間形成流動(dòng)通道。在一些實(shí)施例中，第一流動(dòng)通道層314和第二流動(dòng)通道層324沒有孔，并由聚合材料(如，聚烯烴)形成。
[0055]在一些實(shí)施例中，第一流動(dòng)通道層314和第二流動(dòng)通道層324為波紋形(具有平行交替的峰和谷)，以形成微孔膜312、322之間的流動(dòng)通道。在許多實(shí)施例中，波紋可提供與流動(dòng)方向平行的流動(dòng)通道。這些波紋可具有任何可用的節(jié)距(即，相鄰的峰或谷之間的距離)。在一些實(shí)施例中，波紋的節(jié)距范圍為0.05至1、或0.1至0.7厘米。波紋可通過(guò)任何可用的方法(如，壓印或模塑)形成。
[0056]如圖5中所示，萃取元件300的示例性構(gòu)造包括具有第一平面聚合物微孔膜312的第一層對(duì)310和以第一流動(dòng)方向F1 (沿圖5的X軸)取向的第一波紋形流動(dòng)通道層314。因此，在圖5中示出的示例性實(shí)施例中，第一流動(dòng)方向F1與第一波紋形流動(dòng)通道層314的波紋平行。第二層對(duì)320包括第二平面聚合物微孔膜322和以第二流動(dòng)方向F2(沿圖5中的y軸)取向的第二波紋形流動(dòng)通道層324，其中第二流動(dòng)方向F2與第一流動(dòng)方向F1正交，并且與第二波紋形流動(dòng)通道層324的波紋平行。因此，如該示例性實(shí)施例中所示，第一流動(dòng)方向F1與第二流動(dòng)方向F2正交，并且第一波紋形流動(dòng)通道層314的波紋與第二波紋形流動(dòng)通道層324的波紋正交。
[0057]萃取元件300可任選地包括沿萃取元件300所選邊緣設(shè)置的層密封330、340?？稍谝粚拥亩嗫啄づc位 于該多孔膜下的流動(dòng)通道層之間(以該流動(dòng)通道層的流動(dòng)方向)、沿液-液萃取元件300的相對(duì)側(cè)形成第一層密封330?？稍谝粋€(gè)層的多孔膜與位于該多孔膜下的流動(dòng)通道層之間(以該流動(dòng)通道層的流動(dòng)方向)、沿萃取元件300的相對(duì)側(cè)形成第二層密封340。在一些實(shí)施例中，第一層密封330和第二層密封340在相對(duì)側(cè)上交替，如圖5中所示。
[0058]在一些實(shí)施例中，層之間的層密封330、340可為粘合劑的球珠、聲波密封或熱密封。因此，可形成雙向液-液萃取流動(dòng)模塊，其中第一流體以第一方向流動(dòng)穿過(guò)該模塊，通過(guò)每隔一層的波紋形墊片和多孔膜，在一側(cè)上均勻地接觸多孔膜層；以及引導(dǎo)第二流體以第二方向(常常與第一方向正交)流動(dòng)穿過(guò)液-液萃取模塊，穿過(guò)替代第一層的層的波紋形墊片，在另一側(cè)上均勻地接觸膜層。
[0059]在一些實(shí)施例中，第一多孔非織造層(未示出)設(shè)置在第一聚合物微孔膜312與第一流動(dòng)通道層314之間，并且第二多孔非織造層(未示出)設(shè)置在第二聚合物微孔膜322與第二流動(dòng)通道層324之間。該多孔非織造層可幫助加強(qiáng)微孔膜層和/或流動(dòng)通道層。多孔非織造層可為任何可用的材料，例如紡粘層。該多孔非織造層可以可任選地附接(粘合、超聲密封、熱密封等)到聚合物微孔膜和/或流動(dòng)通道層。
[0060]在一些實(shí)施例中，包含一定體積發(fā)酵液體培養(yǎng)基的第一容器(未示出)與多個(gè)第一層對(duì)310流體連通。在這些實(shí)施例的一些中，包含一定體積第一萃取劑的第二容器(未示出)與多個(gè)第二層對(duì)320流體連通。第一容器可連接至與每個(gè)第一層對(duì)310的第一流體入口 316流體連通的第一進(jìn)口歧管(未示出)。發(fā)酵液體培養(yǎng)基可穿過(guò)歧管進(jìn)入所有第一層對(duì)310。在本文所公開的膜萃取系統(tǒng)的一些實(shí)施例中，第二發(fā)酵液體培養(yǎng)基穿過(guò)其而從所有第一層對(duì)310離開的第一出口歧管與每個(gè)第一層對(duì)310的第一流體出口 318流體連通。在本文所公開的膜萃取系統(tǒng)的一些實(shí)施例中，與每個(gè)第二層對(duì)320的第二流體入口 326流體連通的第二進(jìn)口歧管(未示出)連接至第二容器，并且允許第一萃取劑進(jìn)入所有第二層對(duì)320。在一些實(shí)施例中，萃取物穿過(guò)其而從所有第二層對(duì)320離開的第二出口歧管(未示出)與每個(gè)第二層對(duì)320的第二流體出口 328流體連通。
[0061]根據(jù)本公開的方法優(yōu)選地增加產(chǎn)生丁醇(如，異丁醇和/或1-丁醇)的發(fā)酵速率和/或增加發(fā)酵工藝中產(chǎn)生的丁醇的產(chǎn)量。即，與對(duì)來(lái)自非纖維素生物質(zhì)的水性混合物進(jìn)行發(fā)酵而不經(jīng)受從發(fā)酵罐萃取丁醇時(shí)相比，當(dāng)使用根據(jù)本公開的方法以從發(fā)酵罐至少部分地移除丁醇時(shí)，丁醇的產(chǎn)生可以更高的速率發(fā)生。
_2] 本公開的所選實(shí)施例
[0063]實(shí)施例1為一種產(chǎn)生丁醇的方法，所述方法包括:
[0064]將包含得自非纖維素生物質(zhì)的碳水化合物的水性混合物引入發(fā)酵罐中；
[0065]使所述水性 混合物發(fā)酵以提供第一發(fā)酵液體培養(yǎng)基，所述發(fā)酵液體培養(yǎng)基包含:
[0066]用于產(chǎn)生丁醇的微生物；
[0067]來(lái)自非纖維素生物質(zhì)的碳水化合物；和
[0068]丁醇；以及
[0069]通過(guò)經(jīng)第一多孔膜的第一液-液萃取用第一溶劑萃取劑從第一發(fā)酵液體培養(yǎng)基至少部分地萃取丁醇，以提供第一萃取物和第二發(fā)酵液體培養(yǎng)基；
[0070]其中所述第一溶劑萃取劑包含具有7至12個(gè)碳原子的直鏈或支化醇；
[0071]其中所述第二發(fā)酵液體培養(yǎng)基具有比所述第一發(fā)酵液體培養(yǎng)基更低的丁醇濃度；
[0072]其中所述第一液-液萃取在包括下述物質(zhì)的液-液萃取元件中進(jìn)行:
[0073]多個(gè)第一層對(duì)，每個(gè)第一層對(duì)包括:
[0074]第一聚合物微孔膜；和
[0075]以第一流動(dòng)方向取向的第一流動(dòng)通道層，所述第一流動(dòng)通道層具有設(shè)置在所述液-液萃取元件的第一相對(duì)側(cè)上的第一流體入口和第一流體出口 ；以及
[0076]多個(gè)第二層對(duì)，其中至少一個(gè)第二層對(duì)設(shè)置在兩個(gè)第一層對(duì)之間并且至少一個(gè)第一層對(duì)設(shè)置在兩個(gè)第二層對(duì)之間以便形成層疊堆，每個(gè)第二層對(duì)包括:
[0077]第二聚合物微孔膜；和
[0078]以第二流動(dòng)方向取向的第二流動(dòng)通道層，所述第二流動(dòng)方向不同于所述第一流動(dòng)方向，并且具有設(shè)置在所述萃取元件的第二相對(duì)側(cè)上的第二流體入口和第二流體出口。
[0079]實(shí)施例2為實(shí)施例1的方法，其中所述產(chǎn)生的丁醇為1- 丁醇。
[0080]實(shí)施例3為實(shí)施例1或2的方法，還包括將第二發(fā)酵液體培養(yǎng)基引導(dǎo)回發(fā)酵罐中，從而相對(duì)于非循環(huán)方法增加丁醇產(chǎn)生的速率。
[0081]實(shí)施例4為前述實(shí)施例中任一項(xiàng)的方法，其中所述第一萃取劑具有比所述產(chǎn)生的丁醇高至少30°C的沸點(diǎn)，或者如果產(chǎn)生混合物，則比產(chǎn)生的較高沸點(diǎn)丁醇高30°C。
[0082]實(shí)施例5為前述實(shí)施例中任一項(xiàng)的方法，其中所述第一萃取劑包含具有8至11個(gè)碳原子的直鏈或支化醇。
[0083]實(shí)施例6為實(shí)施例5的方法，其中所述第一萃取劑包含2-辛醇、2-乙基_1_己醇、
1-壬醇、2，6- 二甲基-4-庚醇、1-癸醇、4-癸醇、2-丙基-1-庚醇、或它們的組合。
[0084]實(shí)施例7為前述實(shí)施例中任一項(xiàng)的方法，其中所述用于產(chǎn)生丁醇的微生物包括天然的或工程化的丙酮丁醇梭菌、拜氏梭菌、酵母、大腸桿菌、或它們的組合。
[0085]實(shí)施例8為前述實(shí)施例中任一項(xiàng)的方法，其中所述第一萃取劑的一部分變成被夾帶在所述第二發(fā)酵液體培養(yǎng)基中，所述方法還包括通過(guò)第二液-液萃取用第二萃取劑從所述第二發(fā)酵液體培養(yǎng)基至少部分地萃取所述夾帶的第一萃取劑。
[0086]實(shí)施例9為實(shí)施例8的方法，其中所述第二萃取劑包含十二烷。
[0087]實(shí)施例10為前述實(shí)施例中任一項(xiàng)的方法，其中非纖維素生物質(zhì)包括玉米、甘蔗、甜菜、木薯、小麥、或它們的混合物。
[0088]實(shí)施例11為一種從發(fā)酵液體培養(yǎng)基回收丁醇的方法，所述方法包括:
[0089]將包含得自非纖維素生物質(zhì)的碳水化合物的水性混合物引入發(fā)酵罐中；
[0090]使所述水性混合物發(fā)酵以提供第一發(fā)酵液體培養(yǎng)基，所述發(fā)酵液體培養(yǎng)基包含:
[0091]用于產(chǎn)生丁醇的微生物；
[0092]來(lái)自非纖維素生物質(zhì)的碳水化合物；和
[0093]丁醇；
[0094]通過(guò)經(jīng)第一多孔膜的第一液-液萃取用第一溶劑萃取劑從第一發(fā)酵液體培養(yǎng)基至少部分地萃取所述丁醇，以提供第一萃取物和第二發(fā)酵液體培養(yǎng)基；以及
[0095]從所述第一萃取物回收所述丁醇的至少一部分；
[0096]其中所述第一溶劑萃取劑包含具有7至12個(gè)碳原子的直鏈或支化醇；
[0097]其中所述第二發(fā)酵液體培養(yǎng)基具有比所述第一發(fā)酵液體培養(yǎng)基更低的丁醇濃度；
[0098]其中所述第一液-液萃取在包括下述物質(zhì)的液-液萃取元件中進(jìn)行:
[0099]多個(gè)第一層對(duì)，每個(gè)第一層對(duì)包括:
[0100]第一聚合物微孔膜；和
[0101]以第一流動(dòng)方向取向的第一流動(dòng)通道層，所述第一流動(dòng)通道層具有設(shè)置在所述液-液萃取元件的第一相對(duì)側(cè)上的第一流體入口和第一流體出口 ；以及
[0102]多個(gè)第二層對(duì)，其中至少一個(gè)第二層對(duì)設(shè)置在兩個(gè)第一層對(duì)之間并且至少一個(gè)第一層對(duì)設(shè)置在兩個(gè)第二層對(duì)之間以便形成層疊堆，每個(gè)第二層對(duì)包括:
[0103]第二聚合物微孔膜；和
[0104]以第二流動(dòng)方向取向的第二流動(dòng)通道層，所述第二流動(dòng)方向不同于所述第一流動(dòng)方向，并且具有設(shè)置在所述萃取元件的第二相對(duì)側(cè)上的第二流體入口和第二流體出口。
[0105]實(shí)施例12為實(shí)施例11的方法，其中回收所述丁醇包括通過(guò)閃蒸分離和/或真空蒸餾來(lái)使其濃縮。
[0106]實(shí)施例13為實(shí)施例11或12的方法，其中所述第一萃取劑具有比所述產(chǎn)生的丁醇高至少30°C的沸點(diǎn)，或者如果產(chǎn)生混合物，則比產(chǎn)生的較高沸點(diǎn)丁醇高30°C。
[0107] 實(shí)施例14為前述實(shí)施例11至13中任一項(xiàng)的方法，其中所述第一萃取劑包含具有8至11個(gè)碳原子的直鏈或支化醇。[0108]實(shí)施例15為實(shí)施例14的方法，其中所述第一萃取劑包含2-辛醇、2-乙基_1_己醇、1-壬醇、2，6- 二甲基-4-庚醇、1-癸醇、4-癸醇、2-丙基-1-庚醇、或它們的組合。
[0109]實(shí)施例16為前述實(shí)施例11至15中任一項(xiàng)的方法，其中所述用于產(chǎn)生丁醇的微生物包括天然的或工程化的丙酮丁醇梭菌、拜氏梭菌、酵母、大腸桿菌、或它們的組合。
[0110]實(shí)施例17為前述實(shí)施例11至16中任一項(xiàng)的方法，其中所述第一萃取劑的一部分變成被夾帶在所述第二發(fā)酵液體培養(yǎng)基中，所述方法還包括通過(guò)第二液-液萃取用第二萃取劑從所述第二發(fā)酵液體培養(yǎng)基至少部分地萃取所述夾帶的第一萃取劑。
[0111]實(shí)施例18為實(shí)施例17的方法，其中所述第二萃取劑包含十二烷。
[0112]實(shí)施例19為前述實(shí)施例11至18中任一項(xiàng)的方法，其中非纖維素生物質(zhì)包括玉米、甘蔗、甜菜、木薯、小麥、或它們的混合物。
[0113]實(shí)施例20為前述實(shí)施例11至19中任一項(xiàng)的方法，其中所述產(chǎn)生的丁醇為異丁醇。
[0114]通過(guò)以下非限制性實(shí)例，進(jìn)一步說(shuō)明了本公開的目的和優(yōu)點(diǎn)，但是這些實(shí)例中引用的具體材料及其量以及其它條件和細(xì)節(jié)不應(yīng)視為對(duì)本公開的不當(dāng)限制。
[0115]實(shí)M
[0116]除非另有說(shuō)明，實(shí)例和其余說(shuō)明書中的所有份數(shù)、百分比、比率等是按重量計(jì)的。以下實(shí)例中使用這些縮寫:g =克，min =分鐘，hr =小時(shí)，mL =毫升，L =升。如果未另外在下表中指示，則化學(xué)品可購(gòu)自密蘇里州圣路易斯的西格瑪奧德里奇公司(Sigma-Aldrich, St.Louis, MO)。
[0117]實(shí)例1-8:對(duì)于1- 丁醇具有高分配系數(shù)和高選擇性的溶劑
[0118]方法:
[0119]油醇、2-乙基-1-己醇和4-癸醇可購(gòu)自馬薩諸塞州沃德希爾的阿法埃莎公司(Alfa Aesar (Ward Hill, MA)) ?均三甲苯、癸烷、2-辛醇、1-壬醇、2，6- 二甲基-4-庚醇和
1-癸醇可購(gòu)自密蘇里州圣路易斯的西格瑪奧德里奇公司(SigmaAldrich (St.Louis, MO))。
2-丙基-1-庚醇可購(gòu)自新澤西州弗洛厄姆帕爾克的巴斯夫公司(BASF(Florham Park, NJ))。將2mL的2重量％ 1- 丁醇水溶液和2mL的每種溶劑添加到6mL的玻璃小瓶中并充分振蕩。振蕩后，將樣品在室溫(25°C )下溫育過(guò)夜。通過(guò)配備有熱導(dǎo)檢測(cè)器和蠟柱(DB-WAX，安捷倫科技公司(Agilent Technologies))的氣相色譜儀(HP6890系統(tǒng),加利福尼亞州圣克拉拉的安捷倫科技公司(Agilent Technologies, Santa Clara, CA))分析來(lái)自每種相的樣品，以定量?jī)煞N相中的1- 丁醇和水濃度。
[0120]分配系數(shù):
[0121]1-丁醇的分配系數(shù)Kdb定義為:
[0122]Kdb = [BuOH] SLV/ [BuOH] AQU
[0123]其中[BuOH] SLJ為溶劑相中1-丁醇的重量百分比，并且[Bu0H]AQU為水相中1-丁醇
的重量百分比。
[0124]以相同的方式，水的分配系數(shù)Kdw定義為:
[0125]Kdw — [H2O] SLV/ [H2O] AQU
[0126]其中[H20]sw為溶劑相中水的重量百分比，并且[H20]AQU為水相中水的重量百分比。[0127]分離因子(α):
[0128]分離因子α或alpha定義為1_ 丁醇分配系數(shù)與水分配系數(shù)的比率。
【權(quán)利要求】
1.一種產(chǎn)生丁醇的方法，所述方法包括: 將包含得自非纖維素生物質(zhì)的碳水化合物的水性混合物引入發(fā)酵罐中； 使所述水性混合物發(fā)酵以提供第一發(fā)酵液體培養(yǎng)基，所述發(fā)酵液體培養(yǎng)基包含: 用于產(chǎn)生丁醇的微生物； 來(lái)自所述非纖維素生物質(zhì)的碳水化合物；和 丁醇；以及 通過(guò)經(jīng)第一多孔膜的第一液-液萃取用第一溶劑萃取劑從所述第一發(fā)酵液體培養(yǎng)基至少部分地萃取所述丁醇，以提供第一萃取物和第二發(fā)酵液體培養(yǎng)基； 其中所述第一溶劑萃取劑包含具有7至12個(gè)碳原子的直鏈或支化醇； 其中所述第二發(fā)酵液體培養(yǎng)基具有比所述第一發(fā)酵液體培養(yǎng)基更低的所述丁醇濃度； 其中所述第一液-液萃取在包括下述物質(zhì)的液-液萃取元件中進(jìn)行: 多個(gè)第一層對(duì)，每個(gè)第一層對(duì)包括: 第一聚合物微孔膜；和 以第一流動(dòng)方向取向的第一流動(dòng)通道層，所述第一流動(dòng)通道層具有設(shè)置在所述液-液萃取元件的第一相對(duì)側(cè)上的第一流體入口和第一流體出口 ；以及 多個(gè)第二層對(duì)，其中至少一個(gè)第二層對(duì)設(shè)置在兩個(gè)第一層對(duì)之間并且至少一個(gè)第一層對(duì)設(shè)置在兩個(gè)第二層對(duì)之間以便形成層疊堆，每個(gè)第二層對(duì)包括: 第二聚合物微孔膜；和 以第二流動(dòng)方向取向的第二流動(dòng)通道層，所述第二流動(dòng)方向不同于所述第一流動(dòng)方向，并且具有設(shè)置在所述萃取元件的第二相對(duì)側(cè)上的第二流體入口和第二流體出口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述產(chǎn)生的丁醇為1-丁醇。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的方法，還包括將所述第二發(fā)酵液體培養(yǎng)基引導(dǎo)回所述發(fā)酵罐中，從而相對(duì)于非循環(huán)方法增加丁醇產(chǎn)生的速率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述第一萃取劑具有比所述產(chǎn)生的丁醇高至少30°C的沸點(diǎn)，或者如果產(chǎn)生混合物，則比所述產(chǎn)生的較高沸點(diǎn)丁醇高30°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述第一萃取劑包含具有8至11個(gè)碳原子的直鏈或支化醇。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述第一萃取劑包含2-辛醇、2-乙基-1-己醇、1-壬醇、2，6- 二甲基-4-庚醇、1-癸醇、4-癸醇、2-丙基-1-庚醇、或它們的組合。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述用于產(chǎn)生丁醇的微生物包括天然的或工程化的丙酮丁醇梭菌、拜氏梭菌、酵母、大腸桿菌、或它們的組合。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述第一萃取劑的一部分變成被夾帶在所述第二發(fā)酵液體培養(yǎng)基中，所述方法還包括通過(guò)第二液-液萃取用第二萃取劑從所述第二發(fā)酵液體培養(yǎng)基至少部分地萃取所述夾帶的第一萃取劑。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述第二萃取劑包含十二烷。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述非纖維素生物質(zhì)包括玉米、甘蔗、甜菜、木薯、小麥、或它們的混合物。
11.一種從發(fā)酵液體培養(yǎng)基回收丁醇的方法，所述方法包括:將包含得自非纖維素生物質(zhì)的碳水化合物的水性混合物引入發(fā)酵罐中； 使所述水性混合物發(fā)酵以提供第一發(fā)酵液體培養(yǎng)基，所述發(fā)酵液體培養(yǎng)基包含: 用于產(chǎn)生丁醇的微生物； 來(lái)自所述非纖維素生物質(zhì)的碳水化合物；和 丁醇； 通過(guò)經(jīng)第一多孔膜的第一液-液萃取用第一溶劑萃取劑從所述第一發(fā)酵液體培養(yǎng)基至少部分地萃取所述丁醇，以提供第一萃取物和第二發(fā)酵液體培養(yǎng)基；以及從所述第一萃取物回收所述丁醇的至少一部分； 其中所述第一溶劑萃取劑包含具有7至12個(gè)碳原子的直鏈或支化醇； 其中所述第二發(fā)酵液體培養(yǎng)基具有比所述第一發(fā)酵液體培養(yǎng)基更低的所述丁醇濃度； 其中所述第一液-液萃取在包括下述物質(zhì)的液-液萃取元件中進(jìn)行: 多個(gè)第一層對(duì)，每個(gè)第一層對(duì)包括: 第一聚合物微孔膜；和 以第一流動(dòng)方向取向的 第一流動(dòng)通道層，所述第一流動(dòng)通道層具有設(shè)置在所述液-液萃取元件的第一相對(duì)側(cè)上的第一流體入口和第一流體出口 ；以及 多個(gè)第二層對(duì)，其中至少一個(gè)第二層對(duì)設(shè)置在兩個(gè)第一層對(duì)之間并且至少一個(gè)第一層對(duì)設(shè)置在兩個(gè)第二層對(duì)之間以便形成層疊堆，每個(gè)第二層對(duì)包括: 第二聚合物微孔膜；和 以第二流動(dòng)方向取向的第二流動(dòng)通道層，所述第二流動(dòng)方向不同于所述第一流動(dòng)方向，并且具有設(shè)置在所述萃取元件的第二相對(duì)側(cè)上的第二流體入口和第二流體出口。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中回收所述丁醇包括通過(guò)閃蒸分離和/或真空蒸餾來(lái)使其濃縮。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或權(quán)利要求12所述的方法，其中所述第一萃取劑具有比所述產(chǎn)生的丁醇高至少30°C的沸點(diǎn)，或者如果產(chǎn)生混合物，則比所述產(chǎn)生的較高沸點(diǎn)丁醇高30°C。
14.根據(jù)權(quán)利要求11至13中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述第一萃取劑包含具有8至11個(gè)碳原子的直鏈或支化醇。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述第一萃取劑包含2-辛醇、2-乙基-1-己醇、1-壬醇、2，6- 二甲基-4-庚醇、1-癸醇、4-癸醇、2-丙基-1-庚醇、或它們的組合。
16.根據(jù)權(quán)利要求11至15中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述用于產(chǎn)生丁醇的微生物包括天然的或工程化的丙酮丁醇梭菌、拜氏梭菌、酵母、大腸桿菌、或它們的組合。
17.根據(jù)權(quán)利要求11至16中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述第一萃取劑的一部分變成被夾帶在所述第二發(fā)酵液體培養(yǎng)基中，所述方法還包括通過(guò)第二液-液萃取用第二萃取劑從所述第二發(fā)酵液體培養(yǎng)基至少部分地萃取所述夾帶的第一萃取劑。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述第二萃取劑包含十二烷。
19.根據(jù)權(quán)利要求11至18中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述非纖維素生物質(zhì)包括玉米、甘蔗、甜菜、木薯、小麥、或它們的混合物。
20.根據(jù)權(quán)利要求11至19中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述產(chǎn)生的丁醇為異丁醇。
【文檔編號(hào)】C12P7/16GK104024196SQ201280061593
【公開日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2012年12月4日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月14日
【發(fā)明者】中村雅之, D·L·凡塞洛, M·K·卡哈恩 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司