[发明专利]一种分离纯化丁醇和丙酮的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种分离纯化丁醇和丙酮的装置及方法，属于生物技术领域。

背景技术

丁醇作为一种重要的替代性液体能源和化学品，可以通过微生物发酵法获得，详见文献：Dürre, P. Biobutanol: an attractive biofuel. Biotechnol. J. 2： 1525–1534，2007。但是用丙酮丁醇梭菌或拜氏梭菌发酵生产丁醇时，同时会产生丙酮，发酵液中终点的丁醇浓度通常不超过2.0%（w/v）,丙酮浓度不超过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（Matsumura, M., Kataoka, H., Sueki, M., Araki, K. Energy saving effect of pervaporation using oleyl alcohol liquid membrane in butanol purification. Bioprocess Eng. 3：93-100，1988）。

可替代性分离技术如液-液萃取、气提、吸附等，可以通过在发酵过程中不断移除并回收对细胞产生抑制的产物丁醇，提高发酵效率，是提高生物法生产丁醇的有效技术。但是目前利用这些分离技术进行分离，主要的问题是分离效率低，分离产物浓度低，因此，需要开发新技术对产物进行脱水提纯，提高分离效率。

因此，本发明利用气提-渗透气化耦合提纯法进行发酵产物丁醇和丙酮的分离纯化，可以有效得到高浓度的丁醇和丙酮，降低分离成本。其中，气提-渗透气化耦合提纯法的优势在于，通过偶联发酵系统在线分离丁醇和丙酮，和其他在线分离回收技术相比，操作简单、对细胞无毒害、分离产品清洁无杂质，目标产物和细胞自然分离等优点（Ezeji TC, Qureshi N, Blaschek HP. Production of acetone, butanol and ethanol by Clostridium beijerinckii BA101 and in situ recovery by gas stripping. World J Microbiol Biotechnol. 19:595-603,2003）。利用渗透气化膜对丁醇和丙酮的高选择性，纯化气提冷凝法分离得到的丁醇和丙酮产物，可以得到高浓度的丁醇和丙酮。其优点在于，利用传统的膜分离技术分离丁醇之前，需要价格昂贵的超滤膜从发酵液中分离细胞，如果细胞分离不彻底，容易造成整个装置的膜污染，导致生产成本急剧增加（Qureshi, N., Meagher, M.M., Huang, J.C., Hutkins, R.W. Acetone butanol ethanol (ABE) recovery by pervaporation using silicalite-silicone composite membrane from fed-batch reactor of Clostridium acetobutylicum. J. Membr. Sci. 187：93-102,2001）。而本发明可以节省分离细胞的成本，并且解决了渗透气化膜的污染问题。到目前为止，未见使用气提-渗透气化耦合提纯法对丁醇和丙酮进行分离纯化的报道和相关专利。

发明内容

本发明提供了一种高效生产并分离纯化丁醇和丙酮的装置及方法。

为实现上述目的，本发明提供了分离纯化丁醇和丙酮的结构装置如下： 

一种分离纯化丁醇和丙酮的装置，是一种气提-渗透气化耦合提纯装置与发酵装置偶联的装置，装置包括两部分：发酵装置和气提-渗透气化耦合提纯装置；

发酵装置由种子培养罐、泵G、生物反应器、泵A、和细胞固定化装置连接而成；气提-渗透气化耦合提纯装置包括气提冷凝装置和渗透气化冷凝装置；气提冷凝装置由冷凝管、冷凝液储罐A、低温冷却恒温槽、泵B、泵C和泵E组成；渗透气化冷凝装置由泵D、恒温加热器、储罐A、膜池、储罐B、真空泵、冷阱、泵F和冷凝液储罐B连接而成。

利用上述装置分离纯化丁醇和丙酮的方法，通过先培养丙酮丁醇生产菌，再用丙酮丁醇生产菌发酵得到丁醇和丙酮；采用气提-渗透气化耦合提纯法从发酵液在线分离纯化丁醇和丙酮；其中气提-渗透气化耦合提纯法具体步骤如下：