專利名稱：從發(fā)酵物中連續(xù)分離需要的有機(jī)材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過閃蒸從發(fā)酵物、特別是乳酸發(fā)酵物或醇類發(fā)酵物中連續(xù)分離需要的有機(jī)材料的方法。所述方法特別地可以避免抑制發(fā)酵反應(yīng)，并獲得很高的產(chǎn)量和產(chǎn)率。
背景技術(shù)：
工業(yè)發(fā)酵、特別是乳酸發(fā)酵物或醇類發(fā)酵的方法已廣為人知，這些方法使得生產(chǎn)能被用于各種應(yīng)用的需要的有機(jī)產(chǎn)物成為可能。來自發(fā)酵的需要的有機(jī)產(chǎn)物的分離問題，特別是它們從生物質(zhì)中分離的問題會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)。特別地，采用吸附劑(比如活性炭)就可以進(jìn)行液/液萃取或分離。但是，對(duì)于液 /液萃取，有必要找到一種在水相和有機(jī)相之間具有良好分離系數(shù)的溶劑，且如果希望將水相再循環(huán)至發(fā)酵槽中以便提高產(chǎn)量和產(chǎn)率，這種溶劑也有必要不是發(fā)酵的抑制劑，且如果可能，它在水相中應(yīng)有很低的溶解度。這仍然是罕見的情形。為了用吸附劑處理，還需要熱力學(xué)非常有利，且該吸附劑不能產(chǎn)生有毒物質(zhì)。而且，有必要考慮解吸附作用和清洗相；這種解決辦法對(duì)于工業(yè)規(guī)模應(yīng)用常常是很復(fù)雜的。也可以進(jìn)行需要的有機(jī)產(chǎn)物的氣提，特別是采用在發(fā)酵期間產(chǎn)生的不可冷凝產(chǎn)物，比如二氧化碳、甲烷和氫氣。然而，這被證明是很復(fù)雜的，因?yàn)榘l(fā)酵溫度在30°C或者 40°C的范圍，且在此溫度下，根本不可能采用發(fā)酵期間產(chǎn)生的不可冷凝產(chǎn)物完全地、簡單地氣提有機(jī)化合物和水。因此，有必要采用大型壓縮機(jī)再循環(huán)這些不可冷凝產(chǎn)物，在復(fù)雜發(fā)酵槽中采用攪拌系統(tǒng)以分散這些氣體，采用帶有制冷單元的歧化濃縮系統(tǒng)以便有效地捕捉有機(jī)化合物。而且，這也不會(huì)使發(fā)酵槽中的溫度增加或者壓力降低，從而不會(huì)損害微生物和降低需要的反應(yīng)的產(chǎn)量。因此，需要開發(fā)一種可靠的、工業(yè)上可實(shí)現(xiàn)的方法來有效地分離發(fā)酵產(chǎn)生的需要的有機(jī)產(chǎn)物，同時(shí)，還要避免上面提到的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明人開發(fā)了一種分離發(fā)酵產(chǎn)生的需要的有機(jī)產(chǎn)物的方法，包括從發(fā)酵槽中取出發(fā)酵液(must)，以便在與發(fā)酵槽分離的裝置中隨后分離(氣提)需要的有機(jī)化合物，然后特別地將殘余物從分離器再循環(huán)到發(fā)酵槽。特別地，該步驟通過在真空下工作的閃蒸室中降低發(fā)酵液的壓力進(jìn)行。有機(jī)化合物被閃蒸并用水?dāng)y帶，作為閃蒸室殘余物，發(fā)酵液通過將溶劑蒸發(fā)被冷卻，在一定的溫度下將水再循環(huán)至發(fā)酵槽以便其吸收發(fā)酵放出的熱量。在閃蒸室中，調(diào)節(jié)壓力以便得到使發(fā)酵槽熱平衡的溫度。按照所需將熱量供應(yīng)于閃蒸。為了避免微生物脆弱的缺陷(其可能在閃蒸時(shí)破裂)，在閃蒸前將生物質(zhì)分離，例如，通過超濾作用，保留物被直接送回至發(fā)酵槽，濾液被送至閃蒸。因此，這種技術(shù)解決辦法可以避免將不可冷凝產(chǎn)物引入發(fā)酵槽，從而避免在發(fā)酵槽中使用冷凝器或復(fù)雜的攪拌裝置。這也使在發(fā)酵槽中避免使用熱交換器成為可能，因?yàn)橥ㄟ^再循環(huán)冷卻的閃蒸殘余物提供熱平衡，因此簡化發(fā)酵槽中的技術(shù)，其不再需要內(nèi)部交換器或者攪拌系統(tǒng)。特別地，該方法使得避免阻止發(fā)酵反應(yīng)和獲得良好的產(chǎn)量和產(chǎn)率成為可能。因此，本發(fā)明的主要目的是連續(xù)分離來自發(fā)酵槽中發(fā)酵的有機(jī)產(chǎn)物，包括至少下列步驟a)在發(fā)酵期間從發(fā)酵槽中取出部分發(fā)酵液；b)分離生物質(zhì)，其被送至發(fā)酵槽；c)將步驟b)中分離的液體閃蒸，并獲得于氣相中的有機(jī)產(chǎn)物；和d)將有機(jī)產(chǎn)物分離。該方法優(yōu)選連續(xù)進(jìn)行或者分批進(jìn)行。術(shù)語“發(fā)酵”是指將碳源、特別是葡萄糖中含有的化學(xué)能量轉(zhuǎn)化成可以被細(xì)胞直接使用的另一種形式的能量的生物化學(xué)反應(yīng)，特別是在分子氧不存在的情況下。本發(fā)明的發(fā)酵特別是指乳酸發(fā)酵物發(fā)酵和優(yōu)選指醇類發(fā)酵，其是代謝鏈的結(jié)果，其將可發(fā)酵的糖類，特別是通過酵母，轉(zhuǎn)化成醇類和二氧化碳，同時(shí)放出熱量。本發(fā)明的發(fā)酵會(huì)導(dǎo)致需要的有機(jī)產(chǎn)物的產(chǎn)生。術(shù)語“發(fā)酵液”是指反應(yīng)介質(zhì)，特別地包括生物質(zhì)、可發(fā)酵產(chǎn)物和通過發(fā)酵獲得的有機(jī)產(chǎn)物。術(shù)語“生物質(zhì)”是指存在于發(fā)酵介質(zhì)中的所有的生物，一般為微生物。本發(fā)明使用的發(fā)酵槽是一種技術(shù)裝置，其中微生物(比如酵母、細(xì)菌、用顯微鏡可見的真菌、藻類)或者動(dòng)物或植物細(xì)胞繁殖來進(jìn)行需要的有機(jī)分子的生物轉(zhuǎn)化。該生物反應(yīng)通常使得控制培養(yǎng)條件成為可能，比如溫度、PH和通風(fēng)。在發(fā)酵槽中，溫度一般在30至 45°C之間。生物質(zhì)的分離一般在進(jìn)行步驟C)閃蒸前的步驟b)中進(jìn)行。例如，過濾、超濾、傾析、離心和/或超速離心也可進(jìn)行。也可在用于進(jìn)行閃蒸的氣體_液體分離器中進(jìn)行生物質(zhì)的分離，特別是通過將氣壓高度的液體放置于氣體-液體分離器中，以避免閃蒸期間微生物的降壓打擊。在這種情況下，發(fā)酵液進(jìn)入閃蒸系統(tǒng)優(yōu)選發(fā)生在與發(fā)酵槽壓力相同或者相等的區(qū)域。氣壓高度可以允許壓力梯度在0.5和Ibar之間。 發(fā)酵液的循環(huán)，例如，可以通過泵來進(jìn)行。得到的液體，也稱為步驟b)分離的液體，與上述定義的發(fā)酵液相應(yīng)，基本不含生物質(zhì)。此液體一般地具有與發(fā)酵槽相同的溫度。在本發(fā)明的特別優(yōu)選超濾的情形下，過濾液體被送至閃蒸步驟，濾渣或保留物被返回至發(fā)酵槽。一般利用壓力下外部循環(huán)路線回路上的切向超濾系統(tǒng)。這些超濾系統(tǒng)，通常具有約0. 01 μ m的截止閾值，通常在約1至3bar的跨膜壓力(TMP)下操作。這種超濾系統(tǒng)的比例依賴于待從反應(yīng)器中萃取的有機(jī)產(chǎn)物的量和這種萃取必須進(jìn)行的時(shí)間。這些參數(shù)決定了考慮到閃蒸待產(chǎn)生的濾液的體積。待產(chǎn)生的過濾液的體積和必須生產(chǎn)濾液的時(shí)間 (即超濾系統(tǒng)的操作時(shí)間)決定了待安裝膜的表面積。根據(jù)發(fā)酵液的性能和采用的TMP，過濾流速通常在20至1001/m2 · h之間。超濾組件內(nèi)部的發(fā)酵液的循環(huán)速度一般在2至5m/ s之間。采用的膜通常為管狀無機(jī)型，其具有的優(yōu)點(diǎn)在于能承受有效的清洗處理，且對(duì)堵塞不太敏感。
步驟c)的閃蒸，或者快速真空膨脹，包括將液體放置于真空容器中，特別地，壓力為0. 001至0. 9bar。放置于真空使得降低飽和溫度和蒸發(fā)部分液體成為可能。蒸發(fā)會(huì)通過從混合物中吸取能量然后冷卻來進(jìn)行。真空下的閃蒸方法在各種工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛使用幾十年。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有各種應(yīng)用，比如海水的脫鹽，牛奶的濃縮和巴氏殺菌法或者負(fù)載有可溶油廢水的處理。為了該目的，可以使用，例如氣-液分離器，比如膨脹容器或膨脹室，也稱為閃蒸室。也可以使用一種或多種膨脹容器，特別是在不同壓力下。根據(jù)能量供應(yīng)的需要，熱交換器可以被加入或靠近氣-液分離器放置，以便加熱或冷卻閃蒸介質(zhì)。例如，可以使用管狀或盤狀熱交換罐。氣-液分離器一般為帶有垂直軸的圓筒。其包括，例如用于來自發(fā)酵槽液體的進(jìn)料管，位于底部的出口和位于頂部的出口。如前面所述，柱體的高度可以依賴于所需的氣壓尚度。氣-液分離器可以包括填料或板以便具有一些理論分離階段。根據(jù)本發(fā)明，閃蒸優(yōu)選在10至200mbar之間的壓力下進(jìn)行。閃蒸期間的溫度一般在10至40°C之間。蒸發(fā)率可以在1和70重量％之間，優(yōu)選在30至60重量％之間。該分離優(yōu)選在不添加在產(chǎn)生自發(fā)酵物的化合物范圍之外的特定溶劑的情形下進(jìn)行。因此，來自閃蒸的氣相包括需要的有機(jī)產(chǎn)物，也包括溶解的不可冷凝產(chǎn)物，比如 CO2、H2 和 CH4 ο氣相優(yōu)選被送至冷凝裝置，比如冷凝器，特別地，以便分離來自需要的有機(jī)產(chǎn)物的殘留不可冷凝產(chǎn)物。來自閃蒸的水相一般包括大量的水和少量有機(jī)化合物。此水相優(yōu)選被再循環(huán)至發(fā)酵槽，溫度優(yōu)選低于發(fā)酵槽溫度，一般地低于發(fā)酵槽溫度5至20°C。然后通過現(xiàn)有技術(shù)中已知的一種或幾種分離技術(shù)將氣相中需要的有機(jī)產(chǎn)物分離， 比如，特別地，通過蒸餾、液_液萃取、結(jié)晶和/或吸附。當(dāng)沸騰溫度非常接近時(shí)，建議采用分餾的方法，其由幾個(gè)連續(xù)的提純步驟組成。在連續(xù)蒸餾的情況下，也可以將一部分餾分引入柱體的頂部，以便提高氣相的純度。氣相中的一些氣體優(yōu)選被再次冷凝，冷凝產(chǎn)物可任選地被重新引入發(fā)酵槽。來自閃蒸分離的氣相中的部分或者所有的水可以被冷凝并再循環(huán)至發(fā)酵槽。發(fā)酵槽中用來運(yùn)載所有生成的有機(jī)產(chǎn)物所必需的水一般要進(jìn)行再循環(huán)。為了該目的，可以特別地采用管、盤或者螺旋形的冷凝器。本發(fā)明的方法特別適于分離來自蔗糖蜜發(fā)酵的生物丁醇。在這種情況下，步驟C) 的氣相一般包括co2、H2、丁醇/水非均相共沸混合物、水、丙酮和乙醇，閃蒸液相基本由水組成。本發(fā)明的方法也適于分離發(fā)酵產(chǎn)生的乙醇。本發(fā)明也涵蓋了用于實(shí)施根據(jù)本發(fā)明方法的設(shè)備。優(yōu)選的設(shè)備與

圖1相應(yīng)，其特別地包括發(fā)酵槽(2)，其含有用于營養(yǎng)物、氣體、發(fā)酵液等的進(jìn)料器(1)和用于排出發(fā)酵液的裝置(3)。發(fā)酵液被送至用于分離生物質(zhì)的裝置(4)，比如超濾組件。生物質(zhì)通過合適的運(yùn)送裝置(8)被返回至發(fā)酵槽(2)。不含其生物質(zhì)的發(fā)酵液體被送至閃蒸系統(tǒng)(5)，比如氣-液分離器(5)。液相通過合適的裝置(7)被運(yùn)送至發(fā)酵槽(2)，然后將氣相排出至分離需要的有機(jī)產(chǎn)物與殘留不可冷凝產(chǎn)物的冷凝器(6)中。然后通過一種或多種傳統(tǒng)的分離技術(shù)將殘留不可冷凝產(chǎn)物分離。在冷凝器(6)的出口，部分液體被逆向返回至氣-液分離器 (5)的頂部。為了方便地理解本發(fā)明的原理，在說明書中使用了特殊的術(shù)語。但是應(yīng)該理解，通過使用這些術(shù)語不能想像為對(duì)本發(fā)明的限制。特別地，本領(lǐng)域技術(shù)人員在他們自身的常識(shí)基礎(chǔ)上可以預(yù)想地進(jìn)行變化、改進(jìn)和優(yōu)化。術(shù)語“和/或”包括含義“和”與“或”以及與該術(shù)語相關(guān)成分的所有其他可能組
合 O本發(fā)明的其他細(xì)節(jié)或者優(yōu)點(diǎn)在考慮下面給出的實(shí)施例的單獨(dú)指示下會(huì)更加明顯。
具體實(shí)施例方式試驗(yàn)的設(shè)備對(duì)應(yīng)于圖1中的設(shè)備，特別地包括發(fā)酵槽(2)，體積為1000m3，在溫度 38°C下操作。發(fā)酵槽包括發(fā)酵開始時(shí)的濃縮甘蔗綠汁。使用的分離裝置(4)是切向超濾組件。閃蒸系統(tǒng)是閃蒸室型的氣-液分離器(5)。液相通過合適的裝置(7)送至發(fā)酵槽(2)， 然后將氣相排出至冷凝器(6)。來自氣相的部分冷凝水(不含有機(jī)產(chǎn)物)被送至發(fā)酵槽進(jìn)行再循環(huán)。生產(chǎn)循環(huán)為200小時(shí)。以一定的方式控制超濾出口流速，比如90%的質(zhì)量通過裝置(8)再循環(huán)至發(fā)酵槽，10%的質(zhì)量通過超濾組件(4)的膜。閃蒸分離在溫度30°C和氣相壓力為0. 045bar下進(jìn)行。閃蒸室的蒸發(fā)率為40mol%或50mol% (以質(zhì)量計(jì))，獲得進(jìn)入和離開閃蒸的下述流
權(quán)利要求
1.一種從發(fā)酵槽中的發(fā)酵物中連續(xù)分離有機(jī)產(chǎn)物的方法，包括至少下列步驟a)在發(fā)酵期間從發(fā)酵槽中取出部分發(fā)酵液；b)分離生物質(zhì)，其被送至發(fā)酵槽；c)將步驟b)中分離的液體閃蒸，并獲得于氣相中的有機(jī)產(chǎn)物；和d)將有機(jī)產(chǎn)物分離。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在進(jìn)行閃蒸的步驟c)之前的步驟b)中進(jìn)行生物質(zhì)的分離。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于通過過濾、超濾、傾析、離心和/或超速離心進(jìn)行步驟b)中的生物質(zhì)的分離。
4.如權(quán)利要求1-3的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于在用于進(jìn)行閃蒸的氣-液分離器中進(jìn)行生物質(zhì)的分離。
5.如權(quán)利要求1-4的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于在10至200mbar之間的壓力下進(jìn)行閃蒸。
6.如權(quán)利要求1-5的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于閃蒸期間的溫度在10至40°C之間。
7.如權(quán)利要求1-6的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在閃蒸期間，蒸發(fā)率在1和70重量％之間。
8.如權(quán)利要求1-7的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在不添加在產(chǎn)生自發(fā)酵物的化合物范圍之外的特定溶劑的情形下，進(jìn)行閃蒸期間的分離。
9.如權(quán)利要求1-8的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于產(chǎn)生自閃蒸分離的水相溫度低于發(fā)酵槽溫度，且被再循環(huán)至發(fā)酵槽。
10.如權(quán)利要求1-9的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于產(chǎn)生自閃蒸分離的氣相的水被冷凝并再循環(huán)至發(fā)酵槽。
11.如權(quán)利要求1-10的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于其適于分離蔗糖蜜發(fā)酵產(chǎn)生的生物丁醇。
12.用于實(shí)施如權(quán)利要求1-11的任一項(xiàng)所述的方法的設(shè)備。
13.如權(quán)利要求12的設(shè)備，包括發(fā)酵槽2，該發(fā)酵槽2包括用于營養(yǎng)物、氣體、發(fā)酵液等的進(jìn)料器1和用于排出發(fā)酵液的裝置3 ；發(fā)酵液被送至分離生物質(zhì)的裝置4，比如超濾組件， 生物質(zhì)通過合適的運(yùn)送裝置8被送回至發(fā)酵槽2，不含其生物質(zhì)的發(fā)酵液體被送至閃蒸系統(tǒng)5，比如氣-液分離器5，液相通過合適的裝置7被送至發(fā)酵槽2，然后將氣相排出到冷凝器6中，它能夠分離殘留的不可冷凝產(chǎn)物和需要的有機(jī)產(chǎn)物。
全文摘要
本發(fā)明涉及通過閃蒸從發(fā)酵物、特別是乳酸發(fā)酵物或醇類發(fā)酵物中連續(xù)分離需要的有機(jī)材料的方法。所述方法特別地可以避免抑制發(fā)酵反應(yīng)，并獲得很高的產(chǎn)量和產(chǎn)率。
文檔編號(hào)B01D3/00GK102482691SQ201080039312
公開日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2010年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月3日
發(fā)明者J·施瓦茨, P·馬里翁 申請(qǐng)人:羅地亞經(jīng)營管理公司