CN102482691A - 从发酵物中连续分离需要的有机材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通过闪蒸从发酵物、特别是乳酸发酵物或醇类发酵物中连续分离需要的有机材料的方法。所述方法特别地可以避免抑制发酵反应，并获得很高的产量和产率。

Description

从发酵物中连续分离需要的有机材料的方法
技术领域
本发明涉及通过闪蒸从发酵物、特别是乳酸发酵物或醇类发酵物中连续分离需要的有机材料的方法。所述方法特别地可以避免抑制发酵反应，并获得很高的产量和产率。
背景技术
工业发酵、特别是乳酸发酵物或醇类发酵的方法已广为人知，这些方法使得生产能被用于各种应用的需要的有机产物成为可能。
来自发酵的需要的有机产物的分离问题，特别是它们从生物质中分离的问题会经常出现。
特别地，采用吸附剂(比如活性炭)就可以进行液/液萃取或分离。但是，对于液/液萃取，有必要找到一种在水相和有机相之间具有良好分离系数的溶剂，且如果希望将水相再循环至发酵槽中以便提高产量和产率，这种溶剂也有必要不是发酵的抑制剂，且如果可能，它在水相中应有很低的溶解度。这仍然是罕见的情形。为了用吸附剂处理，还需要热力学非常有利，且该吸附剂不能产生有毒物质。而且，有必要考虑解吸附作用和清洗相；这种解决办法对于工业规模应用常常是很复杂的。
也可以进行需要的有机产物的气提，特别是采用在发酵期间产生的不可冷凝产物，比如二氧化碳、甲烷和氢气。然而，这被证明是很复杂的，因为发酵温度在30℃或者40℃的范围，且在此温度下，根本不可能采用发酵期间产生的不可冷凝产物完全地、简单地气提有机化合物和水。因此，有必要采用大型压缩机再循环这些不可冷凝产物，在复杂发酵槽中采用搅拌***以分散这些气体，采用带有制冷单元的歧化浓缩***以便有效地捕捉有机化合物。而且，这也不会使发酵槽中的温度增加或者压力降低，从而不会损害微生物和降低需要的反应的产量。
因此，需要开发一种可靠的、工业上可实现的方法来有效地分离发酵产生的需要的有机产物，同时，还要避免上面提到的缺陷。
发明内容
本发明人开发了一种分离发酵产生的需要的有机产物的方法，包括从发酵槽中取出发酵液(must)，以便在与发酵槽分离的装置中随后分离(气提)需要的有机化合物，然后特别地将残余物从分离器再循环到发酵槽。特别地，该步骤通过在真空下工作的闪蒸室中降低发酵液的压力进行。有机化合物被闪蒸并用水携带，作为闪蒸室残余物，发酵液通过将溶剂蒸发被冷却，在一定的温度下将水再循环至发酵槽以便其吸收发酵放出的热量。在闪蒸室中，调节压力以便得到使发酵槽热平衡的温度。按照所需将热量供应于闪蒸。
为了避免微生物脆弱的缺陷(其可能在闪蒸时破裂)，在闪蒸前将生物质分离，例如，通过超滤作用，保留物被直接送回至发酵槽，滤液被送至闪蒸。
因此，这种技术解决办法可以避免将不可冷凝产物引入发酵槽，从而避免在发酵槽中使用冷凝器或复杂的搅拌装置。这也使在发酵槽中避免使用热交换器成为可能，因为通过再循环冷却的闪蒸残余物提供热平衡，因此简化发酵槽中的技术，其不再需要内部交换器或者搅拌***。特别地，该方法使得避免阻止发酵反应和获得良好的产量和产率成为可能。
因此，本发明的主要目的是连续分离来自发酵槽中发酵的有机产物，包括至少下列步骤：
a)在发酵期间从发酵槽中取出部分发酵液；
b)分离生物质，其被送至发酵槽；
c)将步骤b)中分离的液体闪蒸，并获得于气相中的有机产物；和
d)将有机产物分离。
该方法优选连续进行或者分批进行。
术语“发酵”是指将碳源、特别是葡萄糖中含有的化学能量转化成可以被细胞直接使用的另一种形式的能量的生物化学反应，特别是在分子氧不存在的情况下。本发明的发酵特别是指乳酸发酵物发酵和优选指醇类发酵，其是代谢链的结果，其将可发酵的糖类，特别是通过酵母，转化成醇类和二氧化碳，同时放出热量。本发明的发酵会导致需要的有机产物的产生。
术语“发酵液”是指反应介质，特别地包括生物质、可发酵产物和通过发酵获得的有机产物。
术语“生物质”是指存在于发酵介质中的所有的生物，一般为微生物。
本发明使用的发酵槽是一种技术装置，其中微生物(比如酵母、细菌、用显微镜可见的真菌、藻类)或者动物或植物细胞繁殖来进行需要的有机分子的生物转化。该生物反应通常使得控制培养条件成为可能，比如温度、PH和通风。在发酵槽中，温度一般在30至45℃之间。
生物质的分离一般在进行步骤c)闪蒸前的步骤b)中进行。例如，过滤、超滤、倾析、离心和/或超速离心也可进行。也可在用于进行闪蒸的气体-液体分离器中进行生物质的分离，特别是通过将气压高度的液体放置于气体-液体分离器中，以避免闪蒸期间微生物的降压打击。在这种情况下，发酵液进入闪蒸***优选发生在与发酵槽压力相同或者相等的区域。气压高度可以允许压力梯度在0.5和1bar之间。
发酵液的循环，例如，可以通过泵来进行。
得到的液体，也称为步骤b)分离的液体，与上述定义的发酵液相应，基本不含生物质。此液体一般地具有与发酵槽相同的温度。
在本发明的特别优选超滤的情形下，过滤液体被送至闪蒸步骤，滤渣或保留物被返回至发酵槽。一般利用压力下外部循环路线回路上的切向超滤***。这些超滤***，通常具有约0.01μm的截止阈值，通常在约1至3bar的跨膜压力(TMP)下操作。这种超滤***的比例依赖于待从反应器中萃取的有机产物的量和这种萃取必须进行的时间。这些参数决定了考虑到闪蒸待产生的滤液的体积。待产生的过滤液的体积和必须生产滤液的时间(即超滤***的操作时间)决定了待安装膜的表面积。根据发酵液的性能和采用的TMP，过滤流速通常在20至100l/m2·h之间。超滤组件内部的发酵液的循环速度一般在2至5m/s之间。采用的膜通常为管状无机型，其具有的优点在于能承受有效的清洗处理，且对堵塞不太敏感。
步骤c)的闪蒸，或者快速真空膨胀，包括将液体放置于真空容器中，特别地，压力为0.001至0.9bar。放置于真空使得降低饱和温度和蒸发部分液体成为可能。蒸发会通过从混合物中吸取能量然后冷却来进行。真空下的闪蒸方法在各种工业领域已经被广泛使用几十年。已经发现有各种应用，比如海水的脱盐，牛奶的浓缩和巴氏杀菌法或者负载有可溶油废水的处理。为了该目的，可以使用，例如气-液分离器，比如膨胀容器或膨胀室，也称为闪蒸室。也可以使用一种或多种膨胀容器，特别是在不同压力下。根据能量供应的需要，热交换器可以被加入或靠近气-液分离器放置，以便加热或冷却闪蒸介质。例如，可以使用管状或盘状热交换罐。
气-液分离器一般为带有垂直轴的圆筒。其包括，例如用于来自发酵槽液体的进料管，位于底部的出口和位于顶部的出口。如前面所述，柱体的高度可以依赖于所需的气压高度。
气-液分离器可以包括填料或板以便具有一些理论分离阶段。
根据本发明，闪蒸优选在10至200mbar之间的压力下进行。
闪蒸期间的温度一般在10至40℃之间。
蒸发率可以在1和70重量％之间，优选在30至60重量％之间。
该分离优选在不添加在产生自发酵物的化合物范围之外的特定溶剂的情形下进行。
因此，来自闪蒸的气相包括需要的有机产物，也包括溶解的不可冷凝产物，比如CO2、H2和CH4。
气相优选被送至冷凝装置，比如冷凝器，特别地，以便分离来自需要的有机产物的残留不可冷凝产物。
来自闪蒸的水相一般包括大量的水和少量有机化合物。此水相优选被再循环至发酵槽，温度优选低于发酵槽温度，一般地低于发酵槽温度5至20℃。
然后通过现有技术中已知的一种或几种分离技术将气相中需要的有机产物分离，比如，特别地，通过蒸馏、液-液萃取、结晶和/或吸附。当沸腾温度非常接近时，建议采用分馏的方法，其由几个连续的提纯步骤组成。在连续蒸馏的情况下，也可以将一部分馏分引入柱体的顶部，以便提高气相的纯度。
气相中的一些气体优选被再次冷凝，冷凝产物可任选地被重新引入发酵槽。来自闪蒸分离的气相中的部分或者所有的水可以被冷凝并再循环至发酵槽。发酵槽中用来运载所有生成的有机产物所必需的水一般要进行再循环。为了该目的，可以特别地采用管、盘或者螺旋形的冷凝器。
本发明的方法特别适于分离来自蔗糖蜜发酵的生物丁醇。在这种情况下，步骤c)的气相一般包括CO2、H2、丁醇/水非均相共沸混合物、水、丙酮和乙醇，闪蒸液相基本由水组成。本发明的方法也适于分离发酵产生的乙醇。
本发明也涵盖了用于实施根据本发明方法的设备。优选的设备与图1相应，其特别地包括发酵槽(2)，其含有用于营养物、气体、发酵液等的进料器(1)和用于排出发酵液的装置(3)。发酵液被送至用于分离生物质的装置(4)，比如超滤组件。生物质通过合适的运送装置(8)被返回至发酵槽(2)。不含其生物质的发酵液体被送至闪蒸***(5)，比如气-液分离器(5)。液相通过合适的装置(7)被运送至发酵槽(2)，然后将气相排出至分离需要的有机产物与残留不可冷凝产物的冷凝器(6)中。然后通过一种或多种传统的分离技术将残留不可冷凝产物分离。在冷凝器(6)的出口，部分液体被逆向返回至气-液分离器(5)的顶部。
为了方便地理解本发明的原理，在说明书中使用了特殊的术语。但是应该理解，通过使用这些术语不能想像为对本发明的限制。特别地，本领域技术人员在他们自身的常识基础上可以预想地进行变化、改进和优化。
术语“和/或”包括含义“和”与“或”以及与该术语相关成分的所有其他可能组合。
本发明的其他细节或者优点在考虑下面给出的实施例的单独指示下会更加明显。
具体实施方式
试验的设备对应于图1中的设备，特别地包括发酵槽(2)，体积为1000m3，在温度38℃下操作。发酵槽包括发酵开始时的浓缩甘蔗绿汁。使用的分离装置(4)是切向超滤组件。闪蒸***是闪蒸室型的气-液分离器(5)。液相通过合适的装置(7)送至发酵槽(2)，然后将气相排出至冷凝器(6)。来自气相的部分冷凝水(不含有机产物)被送至发酵槽进行再循环。生产循环为200小时。以一定的方式控制超滤出口流速，比如90％的质量通过装置(8)再循环至发酵槽，10％的质量通过超滤组件(4)的膜。闪蒸分离在温度30℃和气相压力为0.045bar下进行。
闪蒸室的蒸发率为40mol％或50mol％(以质量计)，获得进入和离开闪蒸的下述流：
  产物   进入的液体   离开的气体   离开的液体
  丁醇   5   8.6   0.9
  丙酮   1.6   3.6   小于0.001
  乙醇   0.1   0.2   小于0.001
  水   适量   适量   适量
以重量％计
得到了发酵槽中1000kg/h的丁醇和离开冷凝器(6)的1000kg/h流。
因此，观察到气相中需要的有机产物很好地被分离，且具有良好的产量，同时确保了将闪蒸残余物再循环至发酵槽的热平衡，使得避免阻止发酵槽中的反应成为可能。

Claims (13)

1.一种从发酵槽中的发酵物中连续分离有机产物的方法，包括至少下列步骤：
a)在发酵期间从发酵槽中取出部分发酵液；
b)分离生物质，其被送至发酵槽；
c)将步骤b)中分离的液体闪蒸，并获得于气相中的有机产物；和
d)将有机产物分离。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于在进行闪蒸的步骤c)之前的步骤b)中进行生物质的分离。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于通过过滤、超滤、倾析、离心和/或超速离心进行步骤b)中的生物质的分离。
4.如权利要求1-3的任一项所述的方法，其特征在于在用于进行闪蒸的气-液分离器中进行生物质的分离。
5.如权利要求1-4的任一项所述的方法，其特征在于在10至200mbar之间的压力下进行闪蒸。
6.如权利要求1-5的任一项所述的方法，其特征在于闪蒸期间的温度在10至40℃之间。
7.如权利要求1-6的任一项所述的方法，其特征在于，在闪蒸期间，蒸发率在1和70重量％之间。
8.如权利要求1-7的任一项所述的方法，其特征在于，在不添加在产生自发酵物的化合物范围之外的特定溶剂的情形下，进行闪蒸期间的分离。
9.如权利要求1-8的任一项所述的方法，其特征在于产生自闪蒸分离的水相温度低于发酵槽温度，且被再循环至发酵槽。
10.如权利要求1-9的任一项所述的方法，其特征在于产生自闪蒸分离的气相的水被冷凝并再循环至发酵槽。
11.如权利要求1-10的任一项所述的方法，其特征在于其适于分离蔗糖蜜发酵产生的生物丁醇。
12.用于实施如权利要求1-11的任一项所述的方法的设备。
13.如权利要求12的设备，包括发酵槽2，该发酵槽2包括用于营养物、气体、发酵液等的进料器1和用于排出发酵液的装置3；发酵液被送至分离生物质的装置4，比如超滤组件，生物质通过合适的运送装置8被送回至发酵槽2，不含其生物质的发酵液体被送至闪蒸***5，比如气-液分离器5，液相通过合适的装置7被送至发酵槽2，然后将气相排出到冷凝器6中，它能够分离残留的不可冷凝产物和需要的有机产物。
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