[发明专利]一种生物质发酵耦合渗透汽化分离生产丁醇的方法

说明书

技术领域

本发明属于生物质发酵过程代谢产物分离技术领域，涉及一种生物质发酵耦合渗透汽化分离生产丁醇的方法。

背景技术

全球经济的快速发展，使得各国对于能源的需求不断增加，与之相矛盾的是化石能源的储量有限、已日趋枯竭，且燃烧时产生大量有害气体，污染环境，因此，开展可再生清洁能源的研究引起了广泛的关注与重视。

作为极具潜力的第二代生物燃料丁醇，主要以玉米、糖蜜和富含纤维素、半纤维素的农业废弃物为原料通过发酵法(ABE发酵)进行生产，与化石燃料相比，具有生产原料来源广泛、可再生，燃烧时不产生NO_X或SO_X，环境效益显著的特点。此外，丁醇易于与汽油混合，使用时无需对车辆进行改造；蒸气压低，可通过现有管道进行运输；可提高汽车的燃油效率和行驶里程。

发酵法生产丁醇具有原料来源广泛、设备简单、投资少；生产条件温和、无需金属催化剂的特点。而且，发酵过程选择性好、副产物少、易于分离纯化，同时，产生的副产物丙酮、乙醇也是重要的化工原料，具有极为广泛的用途。

由于丁醇具有毒性，丁醇发酵过程中存在产物抑制现象，当发酵液中丁醇的质量浓度达到11g·L^-1时，50％左右的微生物受到抑制而不能生长，从而影响了原料的转化率、产物溶剂的浓度和生产效率。

工业生产中发酵液中的总溶剂浓度很低，从而导致后续的分离提取工艺成本很高。一般通过蒸馏的方式，在醪塔中将2％左右的总溶剂蒸出得到40％左右的总溶剂，然后溶剂进入精馏塔中分离得到产品。其中，溶剂提取浓缩过程中蒸汽的成本占总成本的30％以上，使得产物提取过程成为丁醇生产过程中能耗最大的部分，从而成为制约丁醇发酵生产工业化的瓶颈之一。

渗透汽化是在蒸汽分压差的推动下，料液侧液相混合物中组分选择性地透过膜，透过组分以蒸汽形式离开膜并被收集的过程，具有高效、单级选择性高、比能耗低的特点。此外，将渗透汽化过程与发酵过程相耦合，不仅有利于底物利用率和发酵产率的提高，同时可提高产物分离效率，且对发酵体系无污染，是一种清洁、无污染的新型分离技术。

专利CN 101805754A描述了一种生物质发酵与渗透汽化耦合原位分离丙酮、丁醇和乙醇的工艺。该工艺与普通的精馏过程相比，从一定程度上降低了对生物质发酵产生的ABE进行分离的能耗，缩短了生产时间，降低了丁醇的生产成本。但在该专利中，由于渗透汽化透过侧料液中总溶剂浓度仅为7～40％，精馏过程能耗仍较大。

因此，目前需要开发一种分离效率高、能耗低的生物质发酵与渗透汽化耦合分离生产丁醇的工艺。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供生物质发酵耦合渗透汽化分离生产丁醇的方法。该方法将生物质发酵系统与渗透汽化膜系统耦合，通过渗透汽化膜系统对生物质发酵获得的发酵液进行逐级分离浓缩获得丁醇浓缩液，在降低了丁醇的后续分离能耗的同时，也降低了丁醇对微生物细胞生长的抑制作用，提高了生物质发酵效率和底物利用率。

为此，本发明提供了一种生物质发酵耦合渗透汽化分离生产丁醇的方法，包括：

过程A，发酵：发酵底物在发酵装置中经过发酵获得丁醇发酵液；

过程C，膜分离：丁醇发酵液经过渗透汽化膜系统逐级分离浓缩获得丁醇浓缩液；

其中，渗透汽化膜系统包括一级优先透醇渗透汽化膜系统、二级优先透醇渗透汽化膜系统以及二级优先透水渗透汽化膜系统。

根据本发明，在过程C中，包括：

步骤1，丁醇发酵液经过一级优先透醇渗透汽化膜系统进行初步的分离浓缩，透过侧浓缩液经分相处理分为一级有机相料液和一级水相料液；

步骤2，步骤1分相处理获得的水相料液进入二级优先透醇渗透汽化膜系统进行分离浓缩，透过侧浓缩液经分相处理分为二级有机相料液和二级水相料液；

步骤3，一级有机相料液和二级有机相料液进入优先透水渗透汽化膜系统进行脱水浓缩，得到丁醇浓缩液。

根据本发明方法，在步骤2中，二级水相料液作为二级优先透醇渗透汽化膜系统的进料，返回二级优先透醇渗透汽化膜系统的进料端继续进行分离浓缩。

在本发明的一个实施例中，所述优先透醇渗透汽化膜系统中所使用的渗透汽化膜选自八甲基环四硅氧烷、四甲基四乙烯基环四硅氧烷、羟基封端聚二甲基硅氧烷、乙烯基封端聚二甲基硅氧烷、聚三甲基硅丙炔、聚丙烯、聚苯乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、纤维素及其改性材料所制备的渗透汽化膜中的一种或几种。