CN104245073A - 通过多步闪蒸从发酵液中去除产物醇的方法 - Google Patents

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CN104245073A CN201280069110.2A CN201280069110A CN104245073A CN 104245073 A CN104245073 A CN 104245073A CN 201280069110 A CN201280069110 A CN 201280069110A CN 104245073 A CN104245073 A CN 104245073A
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Abstract

本发明涉及采用真空蒸发从发酵液中去除丁醇和其它产物醇的方法。用于从发酵液中去除产物醇的方法包括以下步骤：(a)蒸发发酵液或其一部分以形成一股或多股蒸气流，其中蒸发包括：(i)通过一次或多次预闪蒸蒸发所述发酵液或其一部分；以及(ii)通过闪蒸蒸发所述发酵液或其一部分；其中所述蒸气流包含选自产物醇、水和二氧化碳的一种或多种组分；以及(b)从一股或多股蒸气流或其一部分中回收产物醇。

Description

通过多步闪蒸从发酵液中去除产物醇的方法
技术领域
本发明涉及从发酵液中去除丁醇和其它产物醇的方法。
背景技术
当前，许多工业发酵涉及制造乙醇，以用在化学或燃料用途。就在燃料中的用途而言，丁醇比乙醇有优势，即丁醇具有更低的蒸气压。
有利的丁醇发酵方法可包括通过微生物将糖向丁醇完全或基本上完全转化，而不达到高于微生物的丁醇耐受性的阈值的丁醇滴度，该高于微生物的丁醇耐受性的阈值的丁醇滴度可引起丁醇制备速率降到不可取的预设速率以下。虽然将糖载量限制到使分批发酵不需要在高于耐受性水平的丁醇浓度下操作的水平是可能的，但是这个方法具有缺点，因为受限的糖载量可导致降低的主要生产能力和稀溶液，这对方法来说可能是经济上不可取的。因此，需要一种方法，通过该方法在发酵中将丁醇含量限制在等于或低于耐受性水平，同时糖载量不受考虑耐受性水平的限制。
通过其可使制备丁醇的发酵方法更有效的一种方法可以为在丁醇从发酵培养基(或发酵液)中形成时，例如通过蒸发处理将其去除，使得不达到制备丁醇的微生物的耐受性水平，使得发酵容器能够承载高载量的糖。此类“原位产物去除”(“ISPR”)方法描述于例如PCT国际公布WO2009/079362；美国专利申请公布2012/0035398；和美国专利申请公布2012/0211348中。
因为发酵依赖于微生物，所以关于微生物的任何温度限制均可以考虑。为了在可接受的温度下操作蒸发过程，必须考虑冷却和冷凝包含产物醇的蒸气流，或在真空下操作的成本和实用性。与化学过程中排热相关联的成本可为工厂位置和年度时间的函数。在许多地理区域，不可能确保在需要从蒸气流中排热的温度下进行有效的或可操作的冷却。
向换热器提供冷冻水以实施冷凝，这显著地增加了冷却介质的成本。一种替代形式可以为将蒸气流压缩至稍高的压力以使冷凝能够在更高温度下进行。所述使用溴化锂以及类似吸湿溶液吸收乙醇和水蒸气的方法可能不足以吸收蒸气流中的二氧化碳或高级醇。
此外，无论使用何种方法，均将存在残余的气体流(例如，发酵液中的二氧化碳)，所述残余的气体流必须在释放到大气中之前被压缩。虽然真空闪蒸代表了可通过其从发酵过程中去除丁醇的有效方式，但是需要对所得的包含丁醇或其它产物醇的低压蒸气流的处理进行改进。
发明内容
本文所述的方法可用于制备产物醇(例如，乙醇、丁醇)的发酵，因为期望在发酵期间去除这些醇以减弱对发酵中微生物的生产能力和/或活性的影响。本文提供的方法在发酵期间提供有效的产物回收并具有对发酵条件的最小影响。
本发明涉及用于从发酵液中去除产物醇的方法，所述方法包括：(a)至少部分地蒸发发酵液或其一部分以形成一股或多股蒸气流，其中蒸发包括：(i)通过一次或多次预闪蒸蒸发所述发酵液或其一部分；以及(ii)通过闪蒸蒸发所述发酵液或其一部分；其中所述蒸气流包含选自醇、水和二氧化碳的一种或多种组分；以及(b)从一股或多股蒸气流或其一部分中回收产物醇。在一些实施例中，闪蒸的压力可低于一种或多种预闪蒸的压力。在一些实施例中，所述方法还可包括通过使所述一股或多股蒸气流或其一部分与冷凝溶液接触而冷凝所述一股或多股蒸气流。在一些实施例中，形成所述一股或多股蒸气流的所述步骤和冷凝所述一股或多股蒸气流的所述步骤在单个容器中进行。在一些实施例中，所述方法还包括使一股或多股蒸气流与吸收液体接触，其中所述一股或多股蒸气流的至少一部分被吸收到吸收液体中以形成吸收液相；以及蒸馏包含所述一种或多种吸收的蒸气流的吸收液相以从所述吸收液体中去除产物醇、水和/或二氧化碳的至少一部分。在一些实施例中，一股或多股蒸气流与吸收液体接触可在真空条件下进行。
在一些实施例中，所述方法还可包括处理由通过闪蒸蒸发发酵液或其一部分而形成的蒸气流。在一些实施例中，可处理蒸气流以形成液体流和残余的蒸气流。在一些实施例中，所述蒸气流的处理可通过压缩、冷凝、吸收、制冷或它们的组合进行。在一些实施例中，所述方法还可包括压缩残余的蒸气流以形成压缩蒸气流。在一些实施例中，所述压缩蒸气流包含产物醇、水和/或二氧化碳。在一些实施例中，所述压缩蒸气流的产物醇含量可低于所述蒸气流(例如，本文所述的步骤(a)(ii)的蒸气流)的产物醇含量。在一些实施例中，所述方法还包括使压缩蒸气流与发酵液接触。在一些实施例中，所述发酵液可以为来自发酵容器或一次或多次预闪蒸的发酵液。
本发明还涉及用于从发酵液中去除产物醇的方法，所述方法包括：(a)至少部分地蒸发发酵液或其一部分以形成一股或多股蒸气流，其中所述蒸发包括：(i)任选地在第一压力P1下在第一预闪蒸中蒸发所述发酵液或其一部分；(ii)在第二压力P2下在第二预闪蒸中蒸发所述发酵液或其一部分；以及(iii)在第三压力P3下在闪蒸中蒸发所述发酵液或其一部分；其中所述一股或多股蒸气流包含产物醇、水和/或二氧化碳；以及(b)从所述一股或多股蒸气流中回收产物醇。在一些实施例中，第三压力P3可低于第二压力P2。在一些实施例中，所述方法还可包括通过使所述一股或多股蒸气流或其一部分与冷凝溶液接触而冷凝所述一股或多股蒸气流。在一些实施例中，形成所述一股或多股蒸气流的所述步骤和冷凝所述一股或多股蒸气流的所述步骤可在单个容器中进行。在一些实施例中，所述方法还包括使一股或多股蒸气流与吸收液体接触，其中所述一股或多股蒸气流的至少一部分被吸收到吸收液体中以形成吸收液相；以及蒸馏包含所述一种或多种吸收的蒸气流的吸收液相以从所述吸收液体中去除产物醇、水和/或二氧化碳的至少一部分。在一些实施例中，一股或多股蒸气流与吸收液体接触可在真空条件下进行。在一些实施例中，所述方法还可包括处理由通过闪蒸蒸发发酵液或其一部分而形成的蒸气流。在一些实施例中，可处理蒸气流以形成液体流和残余的蒸气流。在一些实施例中，蒸气流的处理可通过压缩和/或冷凝进行。在一些实施例中，蒸气流的处理可通过吸收进行。在一些实施例中，蒸气流的处理可通过制冷进行。在一些实施例中，所述方法还可包括压缩残余的蒸气流以形成压缩蒸气流。在一些实施例中，所述压缩蒸气流包含产物醇、水和/或二氧化碳。在一些实施例中，所述压缩蒸气流的产物醇含量可低于所述蒸气流(例如，本文所述的步骤(a)(ii)的蒸气流)的产物醇含量。在一些实施例中，所述方法还包括使压缩蒸气流与发酵液接触。在一些实施例中，所述发酵液可以为来自发酵容器或一次或多次预闪蒸的发酵液。
本发明还涉及用于从发酵液中去除产物醇的方法，所述方法包括：(a)引导气体进入所述发酵液，其中产物醇的一部分转移到气体中；(b)从发酵液中去除气体以回收所述产物醇；(c)从发酵容器中去除发酵液的一部分；(d)至少部分地蒸发发酵液或其一部分以形成一股或多股蒸气流，其中蒸发包括：(i)任选地在第一压力P1下在第一预闪蒸中蒸发所述发酵液或其一部分；(ii)在第二压力P2下在第二预闪蒸中蒸发所述发酵液或其一部分；以及(iii)在第三压力P3下在闪蒸中蒸发所述发酵液或其一部分；其中所述一股或多股蒸气流包含产物醇、水和/或二氧化碳；以及(e)从所述一股或多股蒸气流中回收产物醇。在一些实施例中，第三压力P3可低于第二压力P2。在一些实施例中，所述方法还可包括通过使所述一股或多股蒸气流或其一部分与冷凝溶液接触而冷凝所述一股或多股蒸气流。在一些实施例中，形成所述一股或多股蒸气流的所述步骤和冷凝所述一股或多股蒸气流的所述步骤可在单个容器中进行。在一些实施例中，所述方法还包括使一股或多股蒸气流与吸收液体接触，其中所述一股或多股蒸气流的至少一部分被吸收到吸收液体中以形成吸收液相；以及蒸馏包含所述一种或多种吸收的蒸气流的吸收液相以从所述吸收液体中去除产物醇、水和/或二氧化碳的至少一部分。在一些实施例中，一股或多股蒸气流与吸收液体接触可在真空条件下进行。
在本文所述方法的一些实施例中，所述冷凝溶液可包含产物醇。在本文所述方法的一些实施例中，蒸发发酵液或其一部分以形成一股或多股蒸气流的所述步骤可在约20℃至约100℃的温度下发生。
在本文所述方法的一些实施例中，所述方法还可包括在发酵液中培养微生物以制备产物醇。在一些实施例中，微生物可以为耐热微生物。在一些实施例中，所述方法还可包括用微量营养素补充发酵液。在一些实施例中，所述微量营养素可包含腐蚀性产品。在一些实施例中，所述方法还可包括通过用抗微生物剂处理所述发酵液或其流来防止发酵中的污染。
在本文所述方法的一些实施例中，所述方法还包括提供包含可发酵碳源、不溶解固体和水的原料浆液；从所述浆液中分离所述不溶解固体的至少一部分，从而产生(i)包含可发酵碳源的水溶液和(ii)包含不溶解固体的湿饼共产物；以及在发酵容器中向包含微生物的发酵液中添加所述水溶液，由此制备产物醇。在一些实施例中，所述不溶解固体通过以下方法从原料浆液中分离：滗析器碗离心、三相离心(例如，)、盘叠离心、过滤离心、滗析器离心、过滤、真空过滤、带式过滤器、压滤、使用筛网的过滤、筛分、栅滤、多孔栅滤、浮选、水力旋流器、压滤器、螺旋压力器、重力沉降器、涡旋分离器或它们的组合。
在本文所述方法的一些实施例中，所述方法还可包括在发酵容器中向包含微生物的发酵液中添加包含可发酵碳源、不溶解固体和水的原料浆液，由此制备产物醇。在一些实施例中，所述方法还可包括在一次或多次预闪蒸或闪蒸之前，将不溶解固体的至少一部分从发酵液中分离。例如，可在第一预闪蒸或第二预闪蒸之前，将所述不溶解固体的至少一部分从发酵液中分离。
在本文所述方法的一些实施例中，一次或多次预闪蒸可在预闪蒸槽中发生。例如，在一些实施例中，第一预闪蒸和/或第二预闪蒸可在预闪蒸槽中发生。在一些实施例中，预闪蒸槽可为喷雾塔。在一些实施例中，闪蒸可在闪蒸槽中发生。在一些实施例中，闪蒸槽可为喷雾塔。
在本文所述方法的一些实施例中，所述方法还可包括蒸馏液体流以回收产物醇。
在本文所述方法的一些实施例中，可以使对微生物的剪切损坏最小化的流速从发酵容器中去除发酵液。
本发明还涉及用于回收产物醇的***，所述***包括选自发酵容器、预闪蒸槽、闪蒸槽、涤气器、蒸发系列和蒸馏塔的一个或多个组件。在一些实施例中，所述蒸发系列包括四(4)主体设置双(2)效应或双(2)主体设置四(4)效应。在一些实施例中，所述预闪蒸槽和/或闪蒸槽可为喷雾塔。在一些实施例中，所述***还包括选自啤酒塔、精馏器、再沸器、冷凝器和压缩机的一个或多个组件。
本发明涉及包含通过本文所述方法回收的产物醇的组合物。本发明涉及包含由本文所述方法产生的湿饼的组合物。本发明还涉及包含所述湿饼组合物的动物饲料。
附图说明
并入本文并成为说明书的一部分的附图示出了本发明，并且与说明书一起进一步用来解释本发明的原理并使得本领域的技术人员能够利用本发明。
图1A-C示意性地示出了可用于实践根据本文所述实施例的所述方法的示例性***。
图2A和2B示意性地示出用于制备产物醇的示例性工艺流程图。
图3是本文所提供的方法的实施例的示例性流程图。
图4是本文所提供的方法的实施例的示例性流程图。
图5是本文所提供的方法的实施例的示例性流程图。
图6是可与本文所述方法一起使用的蒸发系列的例子。
图7是可与本文所述方法一起使用的蒸发系列的例子。
图8示出了可与本文所述方法一起使用的回收处理的例子。
图9示出了本文所述方法的总体处理流程的例子。
图10示出了由发酵制备产物醇到回收产物醇的例子。
图11示出了可与本文所述方法一起使用的回收处理的例子。
图12示意性地示出了用于原料制备的示例性方法。
图13示出了消毒剂对细胞活性的效应。
图14示出了丁醇发酵和闪蒸过程中的葡萄糖吸收率和细胞生长率。
图15示出了在时间零点下引发闪蒸时动态模型的输出。
具体实施方式
本文提供的方法可通过以下具体实施方式和构成本专利申请一部分的附图获得充分了解。附图说明旨在帮助理解本文所述的方法而不应理解为限制性的。此外，在附图说明中提出了方法条件，这些条件以例子形式提供，并且对这些条件的变型在本方面的精神内。
除非另行定义，否则本文所用的所有科技术语的含义与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的一样。如发生矛盾，以本专利申请(包括其定义)为准。此外，除非上下文另有所需，单数术语将包括复数并且复数术语将包括单数。为所有目的，所有的出版物、专利以及本文提及的其它参考资料均全文以引用方式并入本文。
为了进一步限定本发明，本文提供了以下术语和定义。
如本文所用，术语“包含”、“包括”、“具有”或“含有”或它们的任何其它变型将被理解为是指包括指定的整数或整数组但不排除任何其它整数或整数组。例如，包含一系列元素的组合物、混合物、工艺、方法、制品或设备不必仅限于那些元素，而可以包括其它未明确列出的元素，或此类组合物、混合物、工艺、方法、制品或设备固有的元素。此外，除非有相反的明确说明，“或”是指包含性的“或”，而不是指排他性的“或”。例如，以下中任一者均满足条件A或B：A是真的(或存在的)且B是假的(或不存在的)、A是假的(或不存在的)且B是真的(或存在的)以及A和B都是真的(或存在的)。
如本文所用，如整个说明书和权利要求中所使用的，术语“由...组成”或诸如“由...组成”的不同时态的变型表明包括任何列举的整数或整数组，但是无附加整数或整数组可加入到指定的方法、结构或组合物中。
如本文所用，如整个说明书和权利要求中所使用的，术语“基本上由...组成”或诸如“基本上由...组成”的不同时态的变型表明包括任何列举的整数或整数组，并且任选地包括未显著改变指定的方法、结构或组合物的基本或新颖特性的任何列举的整数或整数组。
同样，涉及元素或组分的例子的数目(即次数)在本发明元素或组分前的不定冠词“一个”或“一种”旨在是非限制性的。因此，应将“一个”或“一种”理解为包括一个或至少一个，并且元素或组分的词语单数形式也包括复数形式，除非有数字明显表示单数。
如本文所用，术语“发明”或“本发明”为非限制性术语，并且不旨在意指本发明的任何单独实施例，而是涵盖如专利申请所述的所有可能的实施例。
如本文所用，修饰本发明的成分或反应物的量使用的术语“约”是指可以通过例如以下方式而发生的用数字表示的量的变化：在真实世界中用于产生浓缩物或溶液的一般测定和液体处理操作；通过这些操作中非故意的误差；通过用于制备组合物或执行方法的成分的制造、来源或纯度中的差异；等。术语“约”还涵盖由于相对于由特定起始混合物所得的组合物的不同平衡条件而不同的量。无论是否通过术语“约”来修饰，权利要求包括量的等同量。在一个实施例中，术语“约”指在报告数值的10％范围内，或者在报告数值的5％范围内。
如本文所用，“生物质”指包含可水解多糖的天然产物，所述可水解多糖提供可发酵糖，包括来源于天然来源诸如玉米、甘蔗、小麦、纤维素或木质纤维素材料以及包含纤维素、半纤维素、木质素、淀粉、低聚糖、二糖和/或单糖以及它们的混合物的材料的任何糖和淀粉。生物质也可包含附加组分诸如蛋白质和/或脂质。生物质可来源于单一来源，或者生物质可包括来源于多于一种来源的混合物；例如，生物质可包括玉米棒和玉米秸秆的混合物，或草和叶的混合物。生物质包括但不限于生物能作物、农业残余物、市政固体垃圾、工业固体垃圾、来自造纸业的淤渣、庭院垃圾、废弃糖、木材和林业垃圾。生物质的例子包括但不限于：玉米粒、玉米棒、农作物残余物诸如玉米壳、玉米秸秆、草、小麦、黑麦、小麦秸秆、大麦、大麦秸秆、干草、稻秆、柳枝稷、废纸、甘蔗渣、高粱、大豆、乳清、乳清渗透物、从谷物研磨中获得的组分、树、枝、根、叶、木屑、锯末、灌木和灌丛、蔬菜、水果、花、动物粪肥以及它们的混合物。例如，醪、果汁、糖蜜或水解产物可通过本领域已知的用于出于发酵目的处理生物质的任何处理方法，诸如研磨、处理和/或液化来由生物质形成，并且包含可发酵糖，并且可包含一定量水。例如，可通过本领域技术人员已知的任何方法处理纤维素和/或木质纤维素生物质以获得包含可发酵糖的水解产物(参见，例如美国专利申请公布2007/0031918，其以引用方式并入本文)。纤维素和/或木质纤维素生物质的酶促糖化通常利用酶聚生体来降解纤维素和半纤维素以产生包含糖的水解产物，所述糖包括葡萄糖、木糖和***糖。适用于纤维素和/或木质纤维素生物质的糖化酶参见Lynd等人(Microbiol.Mol.Biol.Rev.66：506-577，2002)。
如本文所用，“真空闪蒸”或“闪蒸”是指工艺步骤，由此使液体流经受压力的下降(例如，保持在真空下)。所述液体流可来自发酵容器或单独的容器如预闪蒸槽。压力下降使得一部分液体流蒸发成气相。经受该步骤的液体流可被称为“经闪蒸的”或“经部分蒸发的”或“经蒸发的”。在一些实施例中，可将来自发酵容器的液体流传递至可保持在真空下的单独的容器中(其可以为多级蒸馏塔或单级槽)。在一些实施例中，液体流可以为发酵容器中的发酵液。在一些实施例中，闪蒸可在发酵容器中进行。
在一些实施例中，其中“闪蒸”在多级蒸馏塔中进行，闪蒸还可被称为“蒸馏”或“闪蒸蒸馏”。
如本文所用，“闪蒸槽”或“闪蒸容器”是指其中至少一部分液体流闪蒸成气相的物理位置。
如本文所用，“预闪蒸”是指闪蒸步骤之前的工艺步骤，由此使液体流经受压力的下降(例如，保持在真空下)。压力下降使得一部分液体流蒸发成气相。所述液体流可来自发酵容器或单独的容器诸如预闪蒸槽。经历该步骤的液体流可被称为“经预闪蒸的”。在一些实施例中，可具有两个或更多个预闪蒸步骤。
如本文所用，“预闪蒸槽”或“预闪蒸容器”是指其中至少一部分液体流蒸发成气相的物理位置。
如本文所用，“吸收液体”是指在过程中引入的液体，其能够吸收闪蒸期间产生的气相中的任何部分。
如本文所用，“发酵”是指工艺步骤，由此，碳底物可通过微生物的作用转化成产物，诸如产物醇。
如本文所用，“发酵液”或“发酵液体”是指任何以下物质的混合物：水、糖、溶解的固体、悬浮的固体、产生醇的微生物、产物醇以及发酵容器中容纳的材料的所有其它组分，其中产物醇通过在微生物的存在下使糖反应生成醇、水和二氧化碳(CO2)而制得。有时，如本文所用，术语“发酵培养基”和“发酵混合物”可与“发酵液”同义使用。
如本文所用，“发酵容器”是指在其中进行发酵反应，由此由可发酵碳源(例如，糖)制成产物醇诸如丁醇的容器。在一些实施例中，发酵反应可在一个或多个发酵容器中进行。术语“发酵罐”可与“发酵容器”同义使用。
如本文所用，“可发酵碳源”是指能够被本文所公开的微生物代谢以制备产物醇的碳源。适宜的可发酵碳源包括但不限于单糖，诸如葡萄糖或果糖；二糖诸如乳糖或蔗糖；低聚糖；多糖诸如淀粉或纤维素；C5糖诸如木糖和***糖；碳底物诸如甲烷；以及它们的混合物。如本文所用，术语“可发酵碳源”有时可与“碳底物”或“可发酵碳底物”同义地使用。碳源可来源于生物质。
如本文所用，“原料”是指发酵过程中的进料，所述进料包含具有或不具有不溶解固体的可发酵碳源，并且如果适用，所述进料在通过进一步加工(诸如通过液化、糖化或其它方法)已经从淀粉中释放可发酵碳源或从复糖降解中获取可发酵碳源之前或之后包含可发酵碳源。原料包括或可来源于生物质。合适的原料包括但不限于黑麦、小麦、大麦、玉米、玉米醪、甘蔗、甘蔗醪、纤维素材料、木质纤维素材料以及它们的混合物。
如本文所用，“糖”是指低聚糖、二糖和/或单糖。术语“糖类”还包括碳水化合物，包括淀粉、葡聚糖、糖原、纤维素、戊聚糖以及糖。
如本文所用，“可发酵糖”是指能够被本文所公开的微生物代谢以制备产物醇的一种或多种糖。
如本文所，“不溶解固体”指原料的不可发酵部分，其不溶解在液相中，例如胚芽、纤维和谷蛋白。例如，所述原料的不可发酵的部分包括保持为固体并且可从发酵液吸收液体的原料的部分。
如本文所用，“干酒糟及可溶物”(Dried Distillers′ Grains withSolubles，DDGS)指来自原料或生物质发酵的共产物或副产物(例如，制备产物醇的发酵谷物或谷物混合物)。在一些实施例中，DDGS还可以指由制备产物醇(例如，乙醇、丁醇、异丁醇等)的过程产生的动物饲料。
如本文所用，“液化容器”指在其中进行液化的容器。液化是其中低聚糖从原料中释放出来的过程。在其中原料是玉米的实施例中，低聚糖在液化期间从玉米淀粉内容物中释放出来。
如本文所用，“产物醇”指在发酵过程中能够由微生物产生的任何醇，所述微生物利用生物质作为可发酵碳底物的来源。产物醇包括但不限于，C1至C8烷基醇、C1至C8烷醇的异构体以及它们的混合物。在一些实施例中，产物醇是C2-C8烷基醇。在其它实施例中，产物醇是C2至C5烷基醇或C3至C6烷基醇。应当理解，C1至C8烷基醇包括但不限于甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇和己醇。同样地，C2至C8烷基醇包括但不限于乙醇、丙醇、丁醇和戊醇。“醇”在本文中也用于指产物醇。术语“发酵醇”可与产物醇同义使用。
如本文所用，“丁醇”指以单独或其混合物形式的丁醇异构体1-丁醇(1-BuOH)、2-丁醇(2-BuOH)、叔丁醇(t-BuOH)和/或异丁醇(iBuOH或i-BuOH，也称为2-甲基-1-丙醇)。
如本文所用，“羧酸”指具有一般化学式-COOH的任何有机化合物，其中碳原子通过双键与氧原子键合形成羰基(-C＝O)，并且通过单键与羟基(-OH)键合。羧酸可为质子化羧酸的形式、羧酸盐形式(例如铵盐、钠盐或钾盐)或质子化羧酸与羧酸盐的混合物的形式。术语羧酸可描述单独的化学物质(例如油酸)或羧酸的混合物，其可通过例如水解生物质来源的脂肪酸酯或甘油三酯、甘油二酯、甘油一酯和磷脂产生。
如本文所用，“重组微生物”是指已经使用分子生物技术进行工程化的微生物(例如细菌、酵母)。可任选地工程化所述微生物以表达代谢途径，和/或可任选地工程化所述微生物以减少或消除非期望的产物和/或提高期望代谢物的效率。例如，重组微生物可经工程化以表达生物合成途径，从而产生醇诸如丁醇。
如本文所用，“滴度”是指由每升发酵培养基通过发酵产生的特定醇(例如，乙醇、丁醇)的总量。
如本文所用，“速率”是指滴度除以发酵时间。
如本文所用，“收率”是指每克消耗的葡萄糖产生的总产物醇克数。
如本文所用，关于工艺物流或其组分的“主要部分”是指至少约50％的指定工艺物流或其指定组分。在一些实施例中，主要部分可包含至少约60％、至少约70％、至少约80％、至少约90％、或至少约95％的或指定的工艺物流或其指定组分。如本文所用，关于工艺物流或其组分的“主要部分”是指至少约50％的指定工艺物流或其指定组分。在一些实施例中，主要部分可包含至少约60％、至少约70％、至少约80％、至少约90％、或至少约95％的或指定的工艺物流或其指定组分。
如本文所用，关于工艺物流的“部分”或“其部分”是指保留物流组合物的任何物流部分，包括整个物流以及物流的任何一种或多种组分、包括物流的所有组分。
产物醇诸如乙醇和丁醇可使用发酵工艺来制备。为了开发经济上有竞争力的发酵工艺，在开发该工艺时可考虑所有如下多个因素，诸如，培育可制备产物醇的微生物(“生物催化剂”)、能够被微生物代谢的碳源、从发酵液中回收产物醇、共产物形成以及污染的可能性。
在培育可制备产物醇的微生物时，发酵期间产物醇的积聚可能对微生物有毒并潜在地影响微生物的性能。即，发酵的终产物(例如，产物醇)可抑制微生物的生长速率和生产率并可能导致较低的细胞密度。处理毒性的一种选择是例如通过添加水来稀释发酵液。然而，加载在发酵过程中的附加的水可降低主要生产能力并可能需要进一步处理和加工，包括需要附加的设备诸如发酵罐、泵、混合槽、储存槽、换热器、蒸馏塔等，以及附加的成本。
耐产物醇(例如，乙醇、丁醇)的微生物可改善细胞活性以及发酵过程的速率、滴度和收率。具有改善的产物醇耐受性的微生物可通过多种方法诸如筛选法来识别。例如，可在生长培养基中培养微生物的样品，并且当微生物达到某个生长期时，可将产物醇添加到生长培养基中。例如，可将浓度增加的产物醇添加到生长培养基中。微生物可继续生长一段时间，然后与产物醇接触数次以对增加的产物醇耐受性进行选择。然后可将微生物分离以分出对例如浓度增加的产物醇具有耐受性的单个菌株(参见，例如，美国专利7,659,104和7,541,173；美国专利申请公布2008/0138870；其全部公开内容全文并入本文)。
耐产物醇的微生物可通过基因修饰法诸如基因突变来产生，所述基因突变包括，例如化学诱变、通过突变基因诱变、用紫外线或X-射线照射以及转座子***。与未修饰的微生物相比，这些修饰的微生物可具有改善的产物醇耐受性。可改善产物醇耐受性的基因修饰的例子包括但不限于如下基因的表达和/或修饰：relA、spoT和dksA基因(描述于美国专利申请公布2009/0203139中，其以引用方式并入本文)、延伸酶基因(Yazawa等人，Appl.Microbiol.Biotechnol.91：1593-1600，2011)、热激蛋白(HSPs)以及与类脂和脂肪酸代谢和细胞膜组成相关联的基因(参见，例如Ma等人，Appl.Microbiol.Biotechnol.，87：829-845，2010)。
微生物的代谢途径也可经基因修饰以制备产物醇。这些途径也可经修饰以减少或去除非期望的代谢物，从而改善产物醇的收率。例如，利用微生物发酵制备丁醇以及制备丁醇的微生物公开于例如美国专利申请公布2007/0092957；2007/0259410；2007/0292927；2008/0182308；2008/0274525；2009/0305363；以及2009/0305370中，上述专利文献以引用方式并入本文。在一些实施例中，微生物包括丁醇生物合成途径或丁醇异构体诸如1-丁醇、2-丁醇或异丁醇的生物合成途径。在一些实施例中，微生物中的异源性多核苷酸编码至少一个、至少两个、至少三个或至少四个多肽，所述多肽催化途径中底物到产物的转化。
此外，具有一定程度耐热性从而更耐受升高的发酵或加工温度的微生物对于总体过程效率也可能是有益的。如果微生物可耐受更高的温度，则发酵工艺步骤诸如糖化以及回收工艺步骤诸如真空提取(真空闪蒸)可在更高温度下进行。例如，真空闪蒸可在约25℃至约60℃的温度下进行而不具有对耐热微生物和/或糖化酶的负面效应。在一些实施例中，真空闪蒸可在约20℃至约100℃的温度下进行。另外，可减少能量消耗。为了解释说明，原料的液化可在大于80℃的温度下进行，并且在添加发酵液之前，将液化的原料冷却至约30-35℃(就酵母而言的典型的温度范围)将是必要的。使用可耐受更高温度(例如，约40-50℃)的微生物，可降低总体能量消耗，因为液化的原料仅需要被冷却至约40-50℃，即，冷却可能需要更低的能量需求。
如果微生物耐受更高的温度，则也可最小化污染的可能性。例如，细菌污染可通过竞争这些营养素而影响可供给制备产物醇的微生物的营养素。此外，这些细菌污染可产生不利于制备产物醇的微生物的生长的副产物(例如，乳酸)。因此，在使细菌污染最小化的温度下进行发酵过程，但是对耐热的制备产物醇的微生物没有影响的能力将是成本上有效的。
耐热微生物的例子包括东方伊萨酵母(Issatchenkia orientalis)、马克斯克鲁维酵母(Kluyveromyces marxianus)、脆壁克鲁维酵母(Kluyveromyces fragilis)、多形汉逊酵母(Hansenula polymorpha)(参见，例如美国专利申请公布2011/0045562；；Ballesteros等人，Appl BiochemBiotechnol.28-29：307-315，1991；Edgardo等人，Enzyme Microb.Technol.43：120-123，2008)。微生物还可被基因修饰成耐热的，例如通过基因修饰微生物以表达应激相关基因，诸如涉及泛素化过程的基因编码蛋白质(参见，例如，Shahsavarani等人，Biotechnol.Adv.(2011)doi：10.1016/jbiotechadv.2011.09.002)
这些耐热微生物还可被基因修饰成表达制备产物醇的生物合成途径，诸如丁醇生物合成途径(参见，例如美国专利申请公布2007/0092957；2007/0259410；2007/0292927；2008/0182308；2008/0274525；2009/0305363；以及2009/0305370，上述专利文献以引用方式并入本文)。
如本文所述，本发明涉及利用发酵工艺制备产物醇诸如乙醇和丁醇。发酵是酶催化途径，其中糖分子在一系列氧化和还原反应中被微生物代谢分解。作为可发酵碳源适用于发酵的糖可得自多种农作物及废料诸如甘蔗、甘蔗汁、糖蜜，糖用甜菜、玉米、玉米浆、木薯、甘薯、甜高粱、菊芋、初级澄清池淤渣、新闻纸、硬纸板、棉绒、稻秆、稻壳和玉米釜馏物。就纤维素类生物质诸如农业残余物、林业残余物、废纸和庭院垃圾而言，这些材料中的纤维素和半纤维素(其为由糖分子组成的长链聚合物)可在约240℃的温度下用稀酸水解处理以水解纤维素和半纤维素，从而将分子分解成能够容易地发酵的较小级分。作为另外一种选择，纤维素酶可用于将纤维素水解成葡萄糖用于直接发酵。
除了可发酵碳源之外，如本文所述方法中所用，发酵液(或发酵培养基)还可包含各种营养素和/或微量营养素。通常用于发酵过程的营养素和/或微量营养素中包括氮、矿物质、微量元素和维生素以及生长因子。具体地讲，微量营养素可包括铬、铜、铁、锂、镁、锰、钼、钾、钒和锌。在一些实施例中，这些微量营养素可作为用于发酵过程的发酵***设备的腐蚀的副产物来提供。例如，发酵***设备可由不锈钢构成，并且不锈钢的腐蚀可导致元素诸如铬、镍和铁释放入发酵液中，其继而可被用作微生物的微量营养素源。发酵液也可用气体诸如氧气来补充，其可提高产物醇的产量。
合适的生长因子包括维生素、嘌呤、嘧啶、核苷酸、核苷、氨基酸、脂肪酸、甾醇和聚胺。氮可得自如下源，诸如气态氨；铵盐诸如硫酸铵或磷酸氢二铵；硝酸盐；尿素；氮的有机形式诸如肽和氨基酸的混合物(其继而可得自水解的植物蛋白材料诸如玉米浆、酪蛋白水解产物、大豆粉、大麦芽、玉米蛋白粉、亚麻籽粉、乳清粉、甜菜和甘蔗糖蜜、大米和小麦粉以及酵母提取物)；以及蛋白胨，其为来源于肉类、酪蛋白、明胶、角蛋白、花生、大豆粉、棉籽和向日葵籽的蛋白质水解产物。
合适的矿物质和元素通常包括磷[例如，(NH4)2HPO4]、钾(例如，KCl)、镁、硫(例如，MgSO4.7H2O)、钠、氯、钴、镍(例如，NiCl2)、铁(例如，FeCl2.H2O)、锌(例如，ZnCl2)、锰、钙(例如，CaCl2)、铜(例如，CuSO4.5H2O)和钼(例如，Na2MoO4)。合适的维生素通常包括核黄素、烟酸、泛酸、叶酸、胆碱、肌醇、生物素、吡多醇和硫胺。
可添加到发酵液中的其它试剂包括，例如，增强产物醇的相对挥发性的甘油或任何其它生物相容性化合物。在一些实施例中，这些生物相容性化合物可具有亲水性。此外，可将化合物诸如过氧化物或其它非挥发性氧化剂添加到发酵液中。
在一些实施例中，可将抗微生物剂添加到发酵容器中以使污染最小化。抗微生物剂的例子包括但不限于抗生素诸如红霉素、泰乐菌素和维及霉素，源自啤酒花的抗菌剂诸如IsoStabTM和LactoStabTM，和/或消毒剂诸如和在一些实施例中，可用抗生素、源自啤酒花的抗菌剂、消毒剂、酸处理、氨、尿素、过氧化氢和/或二氧化氯处理发酵液或料流。在一些实施例中，可在再循环至发酵容器中之前处理所述发酵液或料流用于另一次发酵循环。抗微生物剂对微生物的影响可使用实例5中所述的方法进行分析。
在一些实施例中，可通过测量和监测相对条件和变量来控制发酵过程，所述相对条件和变量可包括但不限于下列中的一个或多个：温度、压力、气体流速、液体入口和出口流速、培养物含量、培养物体积、培养物重量、培养物粘度、搅拌功率、搅拌速度、发泡、溶解氧浓度、溶解氧张力、溶解的CO2浓度、氧化还原电势、pH、电导率、离子强度、稀释率、碳水化合物浓度、总蛋白质浓度、维生素浓度、核酸浓度、总细胞计数、活细胞计数、生物质浓度、细胞大小、细胞年龄、倍增时间、基质吸收率或产物形成速率。反应条件和变量的测量可使用诸如以下的分析方法进行：高效液相色谱法、核磁共振、流式细胞术、荧光法、流动注射分析、质谱法、气相色谱法或红外光谱法。发酵条件诸如压力、温度和pH对微生物的影响可使用实例1至4中所述的方法进行分析。
此外，可使用在线测量或实时测量监测发酵过程，并且这些测量可用于改善整个发酵过程。为优化发酵条件，可进行发酵液中产物醇的原位测量，使得ISPR方法可被优化。例如，可将发酵液中的产物醇浓度的实时测量与预定的设定点进行比较，并且可调节产物醇去除的速率。例如，可将产物醇去除的速率调节成使产物醇对微生物的毒性效应最小化。实时过程测量可用于调节发酵液的去除流速以匹配产物醇的生成。以这种方式，ISPR方法可以在维持整个发酵中发酵液中的低产物醇设定点所需的速率下进行。该方法的一个有益效果是微生物经历对潜在破坏性温度和压力极限的最少暴露。使用过程测量以调节ISPR方法速率的另一个有益效果是节能的可能性。例如，根据ISPR方法的设计，在产物醇生产率增加时，可根据需要在线引入一个或多个ISPR处理单元以在发酵液中维持期望的产物醇设定点。
实时测量也可用于在ISPR处理后监控可再循环的发酵液中的产物醇浓度。该测量可影响ISPR方法的有效运行以及发酵条件。这些测量允许优化整个发酵过程中的ISPR单元操作并提供ISPR方法的任何干扰的早期指示，例如，可再循环的发酵液中产物醇浓度的增加(例如，高于期望的设定点)
过程测量还可用于改善ISPR方法的效率和操作。例如，发酵液中产物醇的生产率的实时测量可用于调节发酵液至预闪蒸槽或闪蒸槽的流速。又如，可使用实时测量监控吸收液体。这些测量可用于调节吸收液体的流速以及监控吸收液体的再生和可能抑制吸收的发酵过程的副产物的生成。实时测量可用于监控二氧化碳与吸收液体的反应、碳酸氢盐的生成以及吸收液体的再生。二氧化碳和碳酸氢盐的实时测量的例子描述于美国专利申请公布2012/0035398中，其以引用方式并入本文。碳酸氢盐测量可用于调节吸收单元和吸收液体再生单元的操作。
用于进行发酵的方法的类型可以为分批、补料分批型，其中将无菌培养基连续地或定期地添加到接种的发酵批次中，并且发酵液的体积随每次培养基的添加而增加，或者连续型，其中无菌培养基持续进料至发酵容器并持续取出发酵产物，因此发酵体积保持不变。
所述发酵可在约20℃至60℃的范围内，在约25℃至约50℃的范围内，在约25℃至约42℃的范围内，或在约28℃至约35℃范围内的温度下进行。在一些实施例中，所述发酵可以在约20℃、约25℃、约30℃、约35℃、约40℃、约45℃、约50℃、约55℃或约60℃的温度下。pH常常是一定程度地酸性，其中最佳的pH通常在约4.5至约6.5范围内，但通常具有对较低pH诸如约3或约2的耐受性。在一些实施例中，发酵可在约7、约8、约9、约10或约11的pH下进行。在一些实施例中，发酵可在约2至约7或更高的范围内的pH下进行。在一些实施例中，发酵可在约大气压下进行。在一些实施例中，发酵可在约0.9atm、约1.0atm、约2.0atm、约3.0atm、约4.0atm或约5.0atm(如，约13psia至约75psia)的压力下进行。
就本文所述的工艺和方法而言，可在发酵液中培养微生物直至获得被称为“生长期”(或“增殖期”)的某个细胞密度。此外，发酵可在有氧、微氧或厌氧条件下，并在具有或不具有搅拌的情况下进行。例如，厌氧条件为缺乏氧气的那些条件，有氧条件为包含氧气的那些条件，并且微氧条件为氧气以低于存在于空气中的含量存在的那些条件。培养物的生长可通过测量通常在600nm波长下的光密度来监控。
微生物可通过包括絮凝、离心、沉降和/或过滤在内的多种方式从发酵液中去除。这可以在发酵液循环至预闪蒸槽或闪蒸槽中之前或之后进行。在进一步需要的情况下，微生物可再循环至发酵液。微生物的循环利用产生高生物质浓度，这可减少将基质转换成产物所需的时间并提高生产能力。在一些实施例中，可在发酵过程中的任何时间将新鲜的发酵培养基和/或微生物添加到发酵容器中。
在一些实施例中，微生物可通过各种固定或封装技术来固定或封装，所述固定或封装技术包括但不限于，例如截留在凝胶基质中、共价结合至各种载体材料的表面或吸附到载体上。例如，微生物可使用藻酸盐、藻酸钙或聚丙烯酰胺凝胶来固定或封装，或通过在各种高表面积载体基质诸如硅藻土(diatomite)、硅藻土(celite)、硅藻土(diatomaceous earth)、硅胶、塑料或树脂上诱导生物膜形成来固定或封装。经固定的细胞可用于固定床或流化床反应器。固定或封装可提高生产能力诸如比体积生产能力、代谢率、产物醇收率、产物醇耐受性。
在一些实施例中，可搅拌发酵液以维持微生物悬浮，或可使发酵液通过减压装置诸如阀门、喷嘴或喷孔，所述装置可使微生物经受剪切应力。剪切应力可导致细胞损坏诸如细胞壁损坏、形态变化、改变细胞代谢和降低细胞活性。为了测定剪切应力对微生物的影响，可对多个因素进行评估，所述因素包括，例如浆液粘度、流速、能量耗散率和暴露时间(参见，例如，Lange等人，J.Chem.Technol.Biotechnol.，76：501-505，2001；KatherineSmart，Brewing Yeast Fermentation Performance，第4章(第二版，2003)；El-Temtamy等人，Eur.J.Appl.Microbiol.Biotechnol.，15：156-160，1982)。基于对这些因素的评估，可将设备操作参数诸如泵和搅拌器速度、槽占有时间、喷嘴尺寸、压力变化和流速(m/s)调节成对微生物的剪切损坏最小化。此外，固定和包封可使剪切对微生物的影响最小化。
在发酵期间，可使发酵液经受高压和低压的交替循环。在低压循环期间，可在发酵液中形成气体/蒸气气泡，并且当发酵液经受高压循环时，这些气泡可破裂(称为“气穴现象”)气体/蒸气气泡的破裂可产生强剪切力，所述强剪切力可能对微生物造成损坏(例如，细胞破碎)。为最小化高/低压循环的影响，可将发酵设备例如减压装置设计成防止气穴现象发生。可利用如Doulah等人，(Biotechnol.Bioeng.19：649-660，1977)和Baranov等人(Technol.Physics 52：927-933，2007)中所述的气穴流动模型分析气穴过程。在一些实施例中，在减压之前，微生物可例如通过离心或膜过滤从发酵液中分离，并且所述微生物可再循环至发酵容器中用于另一个发酵循环。
在所述方法的另一个实施例中，可在发酵容器中的产物醇浓度达到某个浓度范围时，在达到某个速率或滴度时或在发酵开始时，引发产物醇的去除。例如，可在丁醇的浓度为至少约5g/L至至少约40g/L时引发丁醇从发酵容器中的去除，这可能导致丁醇对微生物的抑制作用降低。在一些实施例中，丁醇的浓度可以为至少约50g/L、至少约60g/L或更高。继而，产物醇的抑制作用的降低可导致改善的发酵过程的生长、速率、滴度和/或收率。在其它实施例中，可将发酵容器中的产物醇维持在预定阈值以下。预定阈值可取决于所述微生物对产物醇的耐受性。在一些实施例中，所述阈值可以小于约20g/L。在其它实施例中，所述阈值可以低于约8g/L、低于约10g/L、低于约15g/Lg/L、低于约25g/L、低于约30g/L或低于约40g/L。使用本文所述的方法，本领域技术人员可容易地测量微生物的耐受性阈值以确定可引发产物醇去除的时间。
在发酵过程中的预定时间点，可根据预定计划表间歇地或在发酵过程中连续地从发酵液中回收产物醇。在从发酵液中回收产物醇之后，残余的发酵液可再循环回发酵容器中以继续发酵过程。根据需要，可将附加的培养基组分诸如葡萄糖或其它可发酵碳源和营养素添加到发酵容器中。
引发产物醇的去除可对微生物的活性和发酵过程的经济型运行具有影响。例如，引发产物醇去除太早可导致能量的过度消耗并且还可使微生物暴露于不必要的应力。相似地，引发产物醇去除太晚可导致由于微生物暴露于过高浓度的产物醇中而抑制微生物生长和发酵。因此，当发酵液中的产物醇浓度达到一定量时，可引发产物醇从发酵液中的去除。
引发产物醇去除的最佳时间还可例如通过建模(例如，动态建模)来确定。开发用于产物醇去除的模型可考虑的因素包括但不限于微生物生长速率、葡萄糖消耗速率和产物醇收率。还可考虑用于该模型的其它因素包括恒化器数据、分批循环数据或商业运行数据(例如，由于发酵容器污染导致的收率损失)。动态建模可使用例如(Corporation，Redmond，WA)、(The MathWorks，Inc.，Natwick，MA)和Aspen Custom或Aspen Plus(Aspen Technology，Inc.，Burlington，MA)进行；并且动态建模的例子描述于例如Nandong等人，Chemical Product and Process Modeling 1：Article 8，2006中。
通过从发酵液中去除产物醇(例如，原位产物去除)可使产物醇的抑制作用最小化。可使用如下技术从发酵液中去除产物醇，所述技术诸如液-液萃取、汽提、吸附、离子液体、全蒸发、相分离、超临界萃取、渗透萃取、真空发酵、反向渗透或这些技术的组合。在一些实施例中，产物醇可从发酵液中连续地去除。
真空闪蒸(或闪蒸发酵)是从发酵液中去除产物醇的另一种方式。该技术提供从发酵液或水溶液中回收产物醇诸如丁醇的经济型方法。
一般来讲，在真空闪蒸中，将发酵液循环至产物醇在其中蒸发的闪蒸槽(例如，真空室)中。例如，在闪蒸槽中，闪蒸的发酵液可形成富含产物醇的蒸气流和至少部分地消耗了产物醇的液体流(例如，塔底流出物)。可进一步处理蒸气流用于回收产物醇。可部分地消耗产物醇的液体流可返回到发酵容器中。真空闪蒸可以为批量处理、分批补料处理或连续处理。
如本文所述，汽提是可用于从发酵液或其它水溶液中去除产物醇的另一种技术。该技术减少了产物醇的抑制作用并且不损害微生物也不从发酵液中去除营养素。可将气体(例如，二氧化碳、氧气、氮气、氢气、空气)喷入发酵液中以去除产物醇。然后，挥发性产物醇和其它气体(包括喷射气体以及在发酵期间产生的任何气体)可被部分冷凝并从冷凝器中回收，并且气体可再循环至发酵液中(参见图1A)。在一些实施例中，发酵液可从发酵容器中去除并进料至汽提塔(或分离器)，并且然后至冷凝器中，从而从发酵液中去除产物醇。经汽提的发酵液可再循环至发酵容器中(参见图1B)。汽提器可以为例如连续的汽提塔或填充床汽提塔。气体还可使用其它方式诸如将发酵液或水溶液加热至介于约20℃至约100℃之间以使气体蒸发来去除(即，脱气或剥离)。此外，气体可通过将发酵液或水溶液的压力减小至低于大气压(即，介于约0.3psia至约10psia之间)以使气体蒸发或通过吸收来自发酵液或水溶液的气体或这些技术的组合来去除。经汽提的气体还可例如通过使用涤气器、吸收或冷凝进一步处理，以从气体中去除任何产物醇。
在一些实施例中，汽提可与真空闪蒸联合使用。通过在蒸发产物醇之前去除气体，所述气体在闪蒸回收产物醇时不被处理，并因此不变成由闪蒸处理产生的蒸气流的一部分。另外，蒸发的产物醇的体积较小并更容易处理。参见图1C，气体可喷入发酵容器中并然后离开(a)发酵容器至冷凝器中。发酵液或其一部分(b)可被引导至闪蒸槽用于蒸发从而产生包含产物醇的蒸气流。在一些实施例中，闪蒸槽可在低于发酵容器的压力下运行(例如，大气压)。蒸气流(c)可被递送至冷凝器中并最终用于进一步处理和回收产物醇、水和二氧化碳。未蒸发的并且现在部分消耗了产物醇的发酵液的部分(d)可返回到发酵容器中。在一些实施例中，可处理或中和发酵液以去除可能对发酵具有不利影响的组分，并且处理过的发酵液可再循环至发酵容器中。
另外，本文提供方法，通过所述方法使用真空闪蒸处理离开发酵容器的发酵液。真空闪蒸可在单级闪蒸槽中进行。作为另外一种选择或与之联合使用，可在多级蒸馏塔中在条件下进行真空闪蒸，所述条件使得闪蒸的发酵液形成富含产物醇的蒸气流和基本上消耗了产物醇的塔底流出物。在一些实施例中，来自闪蒸的发酵液的蒸气流可在比它能够自身冷凝的温度更高的温度下被吸收到第二液体流中。
如本文所述方法的一个实施例，包含产物醇、气体(例如，二氧化碳)、发酵液的其它组分并且可包含微生物的发酵液的料流可从发酵容器中去除，并被引导至汽提塔(或分离器)中，其中气体从发酵液中去除并且产物醇保留在发酵液中。去除气体之后，发酵液可被引导至闪蒸槽中并部分地蒸发以产生包含水和产物醇的蒸气流。所述蒸气流可包含介于约1重量％至约95重量％的产物醇。蒸发可在约20℃至约100℃的温度和真空条件(例如，约0.3psia至约10psia的压力)下进行。例如，蒸发可在约20℃、约25℃、约30℃、约35℃、约40℃、约45℃、约50℃、约55℃、约60℃、约65℃、约70℃、约80℃、约90℃、约95℃或约100℃的温度下；并且在约0.3psia、约0.4psia、约0.5psia、约1.0psia、约2.0psia、约3.0psia、约4.0psia、约5psia或约10psia的压力下进行。可将由发酵过程产生的热量用作用于闪蒸槽中蒸发的热源。可将闪蒸槽维持在低于大气压下。未蒸发并且部分消耗了产物醇的发酵液或其部分可返回至发酵容器中。可将蒸气流引导至蒸气冷凝器中用于冷凝，然后将冷凝的溶液引导至分离器中以回收产物醇。
为了有利于冷凝，可使蒸气流与冷凝溶液接触。在一些实施例中，冷凝溶液可以在小于约30℃的温度下。在一些实施例中，蒸气流的温度可与冷凝溶液的温度相差至少约1℃至至少约20℃。在一些实施例中，蒸气流的温度可与冷凝溶液的温度相差至少约1℃、至少约2℃、至少约3℃、至少约4℃、至少约5℃、至少约6℃、至少约7℃、至少约8℃、至少约9℃、至少约10℃、至少约11℃、至少约12℃、至少约13℃、至少约14℃、至少约15℃、至少约16℃、至少约17℃、至少约18℃、至少约19℃或至少约20℃。在一些实施例中，冷凝溶液可包含产物醇或另一种烷基醇。在一些实施例中，可用冷凝溶液对蒸气流进行喷洒(例如，喷雾嘴)。例如，可使包含产物醇的发酵液(或水溶液)经受闪蒸(例如，减压)以形成包含产物醇的蒸气流。然后可使该蒸气流与包含产物醇或另一种烷基醇的冷凝溶液接触以形成包含产物醇的冷凝物。冷凝物中的产物醇浓度可大于发酵液中的产物醇浓度。在一些实施例中，可将包含产物醇的冷凝物用作冷凝溶液，并且在一些实施例中，在与蒸气流接触之前，可使用例如换热器或蒸发冷却使该冷凝物冷却。在另一个实施例中，产生蒸气流的发酵液(或水溶液)的蒸发以及蒸气流的冷凝可在单个容器中进行。
在一些实施例中，冷凝物可形成富产物醇液相和贫产物醇液相(或富水液相)。在另一个实施例中，可将富产物醇液相和富水液相分离，并且可从富产物醇液相和富水液相两者中回收产物醇。富水液相的一部分可返回至发酵容器中或可用作冷凝溶液。
在一些实施例中，可使发酵液或其一部分中的产物醇的浓度增加至至少产物醇在发酵液中的饱和浓度(例如饱和点)。即，使发酵液或其一部分中的产物醇的浓度增加至至少产物醇的饱和点。在另一个实施例中，使发酵液或其一部分中的水的浓度降低至至少产物醇在发酵液中的饱和度的浓度。饱和浓度的点可取决于发酵液的条件(例如，温度、压力)。在一些实施例中，增加发酵液或其一部分中的产物醇的浓度是指相对于发酵液或其一部分中的产物醇的初始(或起始)浓度，发酵液或其一部分中的产物醇的浓度增加。
在本文所述的工艺和方法的一些实施例中，发酵液或其至少一部分可从发酵容器中转移至第二容器或“闪蒸容器”中，并且可通过真空闪蒸至少部分地蒸发。在其它实施例中，发酵液或其至少一部分可在约20℃至约100℃的温度下并在真空条件(例如，约0.3psia至约10psia)下部分地蒸发。例如，蒸发可在约20℃、约25℃、约30℃、约35℃、约40℃、约45℃、约50℃、约55℃、约60℃、约65℃、约70℃、约80℃、约90℃、约95℃或约100℃的温度下；并且在约0.3psia、约0.4psia、约0.5psia、约1.0psia、约2.0psia、约3.0psia、约4.0psia、约5psia或约10psia的压力下进行。由蒸发产生的蒸气流可包含水、产物醇和二氧化碳。在一些实施例中，蒸气流可与吸收液体接触以形成吸收液相(参见，例如WO 2011/100299和美国专利公布2012/0211348，其全部公开内容以引用方式全文并入本文)。在一些实施例中，吸收温度可大于蒸发温度。例如，吸收温度可比所述蒸发温度大约5℃、约10℃、约15℃、约20℃、约25℃、约30℃或约35℃。在一些实施例中，所述吸收压力可大于蒸发压力。例如，所述吸收压力可比蒸发压力大约1psia、约2psia、约3psia、约4psia、约5psia、约10psia或约15psia。
在一些实施例中，吸收液体可优选吸收来自蒸气流的产物醇的一部分。在一些实施例中，吸收液体可吸收二氧化碳。吸收液体最小化对温度降低(例如冷却)的需要并减少可需要增加压力(例如再压缩)的蒸气流的部分。可调节吸收液体以优化蒸气流的某些组分的去除。例如，包含2-乙基己醇和二醇的吸收液体可用于回收来自蒸气流的产物醇和水的大部分。此外，来自这一吸收的热量可提供至少一部分蒸发热。
在一些实施例中，与吸收液体的接触在接近于闪蒸操作压力的亚大气压下进行，并且在一些实施例中，所有蒸气流基本上被吸收。可在此类方法中连接闪蒸和吸收单元以最小化两种操作之间的压降。
为了回收所述产物醇，从吸收液体中去除吸收的热，例如通过经冷却器的循环除热。在此实施例中，可使用比不用吸收液体冷凝蒸汽流将需要的廉价的冷却介质(例如，使用发酵液体)，从循环流体中去除热。所述冷却可经由空气冷却器或由冷却水回路运行或直接使用例如河水的换热器进行。需要再循环的吸收液体的量取决于吸收装置中可能允许的温度上升，所述吸收装置可以为吸收器、吸收塔(例如多级吸收塔)、喷雾塔、喷射式-文丘里管涤气器、搅拌槽、液环真空泵、喷射器或能够使蒸气和液体接触的任何此类装置或设备。例如在多级吸收塔中，上部温度受在吸收压力下的溶液蒸气压的限制，而下部温度受冷却介质(例如冷却水)温度的限制。
就本文提供的方法而言，蒸气流与吸收液体的接触可在真空下进行，并且可在约0.3psia至约3psia的压力下进行。在一些实施例中，接触可在约0.3psia、约0.4psia、约0.5psia、约0.6psia、约0.7psia、约0.8psia、约0.9psia、约1psia、约2psia或约0.3psia的压力下进行。在一些实施例中，接触可在小于约3psia，或者小于约2psia的压力下进行。所述接触可在约25℃至约60℃的温度下进行。在一些实施例中，接触可在约25℃、约30℃、约35℃、约40℃、约45℃、约50℃、约55℃或约60℃的温度下进行。在一些实施例中，蒸发步骤和接触步骤在相同的压力或基本上相同的压力下进行。
合适的吸收液体包括但不限于，有机液体、有机胺和离子液体以及上述物质的生物衍生液体或它们的混合物(参见，例如，WO 2011/100299和美国专利申请公布2012/0211348，其全部公开内容以引用方式全文并入本文)。例如，可用作吸收液体的有机液体包括乙二醇、乙二醇一甲醚、二甘醇、丙二醇、双丙二醇、聚乙二醇、聚乙二醇醚、聚丙二醇醚、1，3-丙二醇或它们的混合物。可用作吸收液体的有机胺包括单乙醇胺(MEA)、2-氨基2-甲基丙醇(AMP)、甲基氨基丙胺(MAPA)、哌嗪、二乙醇胺(DEA)、三乙醇胺(TEA)、二乙氨基乙醇(DEEA)、二异丙基胺(DIPA)、氨基乙氧基乙醇(AEE)、二甲基氨基丙醇(DIMAP)以及甲基二乙醇胺(MDEA)、它们的任何混合物或它们的任何水溶液。在一些实施例中，吸收液体胺与蒸气流中的二氧化碳的摩尔比为至少约1.01至约2，即，所述摩尔比大于约1。
合适的离子液体的例子包括美国专利申请公布2010/0143993、2010/0143994以及2010/0143995中描述的那些，上述文献以引用方式并入本文。吸收液体的其它例子包括2-乙基己醇(2-EH)，异月桂醇，异鲸蜡醇，油醇，苯酚，甘油，脂肪酸、脂肪酸酯，脂肪醇，酸，醇，酰胺诸如但不限于二烷基乙酰胺、N，N-双(2-乙基己基)乙酰胺以及二异丁基异丁酰胺，酯，酮，碳酸盐，磷酸盐诸如但不限于三丁基磷酸盐和三异丁基磷酸盐，盐溶液诸如盐水、碳酸钾以及它们的混合物。脂肪酸、脂肪酸酯和脂肪醇可来源于玉米油、大豆油或蓖麻油。
在一些实施例中，在开始将所述蒸气流吸收到所述吸收液体中时，温度可大于在不存在所述吸收液体的情况下开始冷凝所述蒸气流时的温度。开始吸收或冷凝时的温度可使用标准气-液平衡方法，通过计算进行评估，所述方法基于实验数据或通过从所述方法中直接测量。在一些实施例中，在开始将蒸气流吸收到吸收液体相中时，温度可比在不存在吸收液体的情况下开始冷凝蒸气流时的温度大至少约2℃；至少约3℃；至少约5℃；至少约10℃；至少约15℃；至少约20℃；或至少约30℃。
在另一个实施例中，吸收温度可高于蒸发温度。例如，吸收温度可比所述蒸发温度高约5℃、约10℃、约15℃、约20℃、约25℃、约30℃、约35℃。在一些实施例中，所述吸收压力可高于蒸发压力。在一些实施例中，可通过例如蒸气再压缩增加吸收压力。例如，所述吸收压力可比蒸发压力高约1psia、约2psia、约3psia、约4psia、约5psia、约10psia或约15psia。
应当理解，将尽可能多的蒸气流吸收到吸收液体中是有益的。在一些实施例中，吸收液体可吸收至少约50％的蒸气流。在一些实施例中，至少约55％、至少约60％、至少约65％、至少约70％、至少约75％、至少约80％、至少约85％、至少约90％、至少约95％或至少约99％的蒸气流可被吸收到吸收液体中。在一些实施例中，在产物醇为丁醇的情况下，蒸气流可包含约50-80质量％的水、约10-40质量％的丁醇和约0-20质量％的二氧化碳。应当理解，通过在蒸气流中形成低浓度的二氧化碳可使得吸收、冷凝和类似的过程更加容易。还应当理解，通过形成丁醇与二氧化碳的高质量比可使得吸收、冷凝和类似的过程更加容易。该发酵容器排气的比率为大约1至2份丁醇对100份二氧化碳。在一些实施例中，该比率可增加到1至5份丁醇对1份二氧化碳。在一些实施例中，该比率可增加到5至30份丁醇对1份二氧化碳。在一些实施例中，该比率可增加到10至100份丁醇对1份二氧化碳。
在其中将产物醇吸收到所述吸收液体中的一些实施例中，可从吸收液体中回收所述产物醇，使得所述吸收液体同时再生和再循环。可使用以下方法完成回收和再生，所述方法包括：将所述吸收液体泵入蒸馏塔中，所述蒸馏塔包括汽提段和任选地精馏段；蒸馏所述吸收液体，使得产生底部液体产物和顶部蒸气产物；以及回收所述底部产物，其包含来自所述蒸馏塔的水和吸收液体。可使用本领域技术人员熟知的技术预热蒸馏塔的供料以减少蒸馏塔底部所需的能量输入。在一些实施例中，所述蒸馏塔可处于等于或高于大气压的压力下。
本发明还将参照附图加以描述。有时，文本和附图中所提及的术语诸如“冷凝(condense)”和“冷凝(condensation)”，“压缩(compress)”和“压缩(compression)”，或“发酵(fermentation)”或“发酵容器(fermentation vessel)”可同义使用。本文所述的方法还可包括用于通过发酵制备发酵产物诸如产物醇的方法。例如，可将包含一种或多种可发酵碳源和微生物的原料引入发酵容器中。所述微生物可代谢一种或多种可发酵碳源以制备产物醇诸如丁醇。如下文所述，在一些实施例中，在引入发酵容器中之前，可使原料液化以产生原料浆液；并且在一些实施例中，可将所述原料浆液分离以产生液相和固相。在一些实施例中，可将所述原料干磨或湿磨。在一些实施例中，同步糖化和发酵可在发酵容器中发生。由发酵方法制得的产物醇可利用本文所述以及如图所示的方法回收。如本领域的技术人员能够理解的，可以多种方式修改本文所述的方法以优化用于制备产物醇的发酵方法。
图2A和2B示出根据本发明的实施例，用于制备产物醇诸如乙醇或丁醇的示例性工艺流程图。在发酵100中制备产物醇期间，可从发酵液中去除产物醇以使产物醇对微生物的毒性效应最小化。例如，可将发酵期间产生的蒸气流102排放到例如涤气器***中。当发酵批次完成时，可将发酵容器100的全部内容物101转移到啤酒塔中，用于从发酵液中分离剩余的产物醇。
通过使发酵液的料流通过闪蒸***循环，可在整个发酵批次中连续实现产物醇去除。闪蒸***可用于从发酵液中蒸发产物醇。发酵液104可转移至预闪蒸110。可从发酵容器100的任何平面中取出发酵液104。可在预闪蒸110中使用减压以从发酵液中去除不可冷凝物106诸如二氧化碳。预闪蒸的目的是减小不可冷凝物的体积，所述不可冷凝物可通过下游冷凝器和压缩机处理。预闪蒸可通过使发酵液104通过换热器，将蒸汽注入闪蒸槽或通过任何其它方式来加热。预闪蒸可通过注入另外的不可冷凝气体增强。可在压缩160中将蒸气流106压缩至高于大气压(图2A)或可将蒸气流106引导至涤气器***中(图2B)。压缩160可以为预闪蒸中的真空源。真空和压缩可例如通过真空泵、压缩机、蒸汽喷射或本领域技术人员确定的其它方式实现。可将来自预闪蒸110的液体流105转移至闪蒸120。闪蒸的压力可在低于预闪蒸压力的压力下操作。在一些实施例中，预闪蒸的压力可以为约3psia至约25psia。在一些实施例中，可具有一次或多次预闪蒸。热量可通过在进入闪蒸120之前使液体流105通过换热器，将蒸汽608和/或热水712直接添加到闪蒸120中或通过其它方式而施加到闪蒸中。可设计并操作闪蒸以防止微生物由于暴露于过高温度而灭活。如果微生物在50℃下保持活性并持续一段时间(参见，例如，实例2)，可接受的暴露时间和温度可例如通过在暴露于例如约30℃至50℃或更高的温度的温度梯度(例如，约60℃、70℃、80℃、90℃或95℃)之后一小时内测量微生物活性的变化来确定。给定使微生物暴露于升高的温度而不使所述微生物灭活大于约10％、或大于约5％、或大于约1％的时间长度，闪蒸的温度可尽可能地高。
闪蒸可通过注入下游步骤中产生的过程蒸汽而直接加热，所述下游步骤包括吸收再生、吸收液体冷却、精制和蒸发器(例如，稀釜馏物蒸发器)。闪蒸可通过注入由基本上不含产物醇的工艺用水与精制区中真空塔的冷凝器之间的热交换产生的亚大气压蒸汽来直接加热。在本发明的一个实施例中，闪蒸可通过经由料流712注入来自精制系列(例如，来自侧汽提塔的底部)的基本上不含产物醇的热水来加热(参见图8)。在一些实施例中，热水的温度可以大于闪蒸的温度。所述热水可包含例如小于0.05重量％的产物醇。可将热水注入到挡板下，使得热水在与发酵液混合之前通过闪蒸局部闪蒸并冷却。热水可以维持全发酵容器中的恒定含量的速率注入。闪蒸还可通过注入热水和蒸汽的混合物来加热，由此选择热水的量以维持恒定的发酵液体积并且选择蒸汽的量以在制备产物醇的速率下蒸发所述产物醇，从而在基于微生物活性所选择的目标下，使产物醇浓度保持恒定。蒸汽和热水的组合可通过加热来自精制系列或稀釜馏物蒸发器的水与精制系列或吸收再生***中的冷凝蒸气来产生。
直接加热的闪蒸***可包括不具有内部构件或仅具有蒸汽喷雾器作为内部构件的真空额定压力容器。直接加热的闪蒸***可以为抗污染蒸馏塔，其包括设计成在低压降下操作的盘式塔。直接加热的闪蒸***可以为喷雾塔或挡板塔。
闪蒸可通过与气体、冷凝蒸气或液体交换来间接加热。闪蒸可用吸收液体间接加热，例如在吸收液体具有比闪蒸更高温度的情况下(参见，例如描述于美国专利申请公布2011/0162953和2011/0162954中的方法，所述专利文献以引用方式并入本文)。闪蒸可通过在该过程的其它部分中将来自真空塔的蒸气冷凝来间接加热。闪蒸可通过将压缩蒸气冷凝来间接加热，所述压缩蒸气在从闪蒸蒸气冷凝器中吸收热的制冷剂回路中产生。闪蒸可通过将闪蒸蒸气压缩至更高压力并冷凝间接交换器的热侧中的所述蒸气来间接加热。闪蒸的进料可通过在换热器中与闪蒸残渣交换来预热。在一些实施例中，闪蒸残渣可使用另一热源诸如蒸汽加热器而维持在更高的温度。在一些实施例中，闪蒸塔底流出物的一部分可通过换热器再循环以从所述过程的另一部分中吸收热，并注回到闪蒸中。
间接加热的闪蒸可以为类似于乙醇工厂稀釜馏物蒸发器的设计，其被修改使得蒸气速度不致使过量液体泡沫形成并且表面积足以确保足够的热传递。此类闪蒸的进料可进料至蒸发器之上的挡板塔或其它抗污染逆流塔，所述塔也接收来自蒸发器的蒸气。
闪蒸可通过利用本文所述工艺和方法的任何组合的直接和间接加热的组合来加热。闪蒸可通过将来自稀釜馏物蒸发器系列的蒸汽608(参见图7)或精制系列中的冷凝器生成的蒸汽冷凝，以及通过直接注入热水来间接加热。此外，预闪蒸也可通过利用本文所述工艺和方法的任何组合的直接和间接加热的组合来加热。
不必要从闪蒸中去除所有夹带的液体。来自闪蒸的流动可以为垂直上升或垂直落下。如果垂直落下，则可以脱离液体的方式使蒸气流动方向改变为垂直上升。
对于真空***的多个压力级的每一个均可提供预闪蒸或闪蒸。例如，运行一次预闪蒸或闪蒸的压力可以为水封液环泵如Roots鼓风机中产生的真空，所述泵在对应于液体密封的蒸气压的真空下，在可用冷却水的温度加上2℃至10℃的容差下操作，以从含产物醇的冷凝物中间接热传递。相比于离心式压缩机，液环泵的购买和操作可以是经济的。另外的节约措施可通过将产生比液环泵中可达到的更低的入口压力的离心式压缩机排气但是释放到液环泵的吸入口中来实现。此类***的设计还可评价可通过在所述液环泵的压力和大气闪蒸的压力中间的压力下运行一次或多次预闪蒸或闪蒸而实现的投资和运行成本节约的潜力。这可显著减小低压液环泵的尺寸。每个预闪蒸或闪蒸塔板之后均具有液体排放的可变面积孔，这对于防止通过孔上游的悬浮固体跨接而阻塞可能是必要的。就微生物而言，使剪切暴露或压力从大气压降低的速率最小化可能不需要特殊设计。合适的装置包括具有可膨胀弹性体内衬的阀或蝶阀。可优选可膨胀内衬以有利于就地清洗(CIP)。当上游闪蒸槽中的悬浮固体含量超过指示跨接可能性的目标时，可根据需要“撞击”这些阀。
参见图2A，可将包含产物醇和水的、来自闪蒸120的蒸气流107转移至冷凝130。可使用泵将来自闪蒸120的液体流(或回流管线)103返回至发酵100。所述泵可以为设置在闪蒸***下方的离心泵。泵的进料管可设计成满足泵的净正吸入压头需要，并防止气阻。循环回路可以有利于发酵批次之间的清洁的方式构造。例如，循环回路可具有允许注入热水或就地清洁溶液的喷嘴。其可具有低点排出口。其可由不锈钢或其它非腐蚀性合金构造。来自闪蒸120的回流管线103可在距闪蒸的进料管至少一个半径的位置处进入发酵100。为此可将现有循环回路改装。如果需要的话，可在循环回路中使用附加的换热器以控制温度。
冷凝130可用例如热交换冷凝器、喷雾冷凝器或其它装置来实现。冷却可例如用冷却塔水、冷却水或制冷***来实现。包含二氧化碳、产物醇和水的残余的未冷凝蒸气流108可通过一个、两个、三个或更多个压缩机级使用可引发部分冷凝的级间冷却进行压缩。来自冷凝130的蒸气流108可进入压缩140并被压缩至亚大气压或至至少大于预闪蒸110压力的压力。压缩140可以为闪蒸中的真空源。真空和压缩可例如通过真空泵、压缩机、蒸汽喷射或本领域技术人员确定的其它方式实现。来自压缩140的蒸气流111可进入冷凝150(图2A)或来自压缩140的蒸气流111可进入预闪蒸110(图2B)。冷凝150可用例如热交换冷凝器、喷雾冷凝器或其它装置来实现。冷却可例如用冷却塔水、冷冻水或制冷***来实现。可将来自冷凝150的蒸气流112转移至压缩160。在压缩160中，可将料流106和112压缩至大气压或高于大气压。可将压缩160的料流(或出口)114转移至冷凝170。冷凝170可用例如热交换冷凝器、喷雾冷凝器或其它装置来实现。冷却可例如用冷却塔水、冷冻水或制冷***来实现。可将来自冷凝130的液体冷凝物109、来自冷凝150的液体冷凝物113和/或来自冷凝170的液体冷凝物116混合以形成料流117，并可通过泵送将料流117转移至蒸馏处理区用于回收产物醇(图2A)。如图2B中所示，在另一个实施例中，可通过泵送将来自冷凝130的液体冷凝物109转移至蒸馏处理区用于回收产物醇。可将来自冷凝170的蒸气流115送入涤气器***中(图2A)。
图3代表本文所述的工艺和方法的另一个实施例。在该实施例中，初始预闪蒸可在等于或高于大气压下进行，以去除一些二氧化碳从而防止压缩该体积的需要，并显著降低压缩设备的成本。
可将发酵期间产生的蒸气流202排放到涤气器***中。当发酵完成时，可将发酵200的全部内容物201转移到啤酒塔中用于从发酵液中分离剩余的产物醇。
通过使发酵液的料流通过闪蒸***循环，可在整个发酵中连续实现产物醇去除。如果从发酵容器200的底部或下半部中取出发酵液204，则可在压力P1(例如，至少约10psia至约25psia)下在预闪蒸I(或第一预闪蒸)210中从发酵液中闪蒸二氧化碳，以允许二氧化碳205通过涤气器***大气排放，同时减少后续压缩270中处理的二氧化碳的体积。预闪蒸I 210的效果可通过用不可冷凝气体吹扫或通过使用本文所述方式中任一种添加热量来提高。
二氧化碳蒸气的附加的预闪蒸可在亚大气压下实现以减少加载在产物醇蒸气冷凝器上的二氧化碳，从而改善产物醇蒸气冷凝器的效率。来自预闪蒸I 210的料流206可转移至压力P2(例如，至少约3psia至约12psia)下的预闪蒸II(或第二预闪蒸)220。预闪蒸II 220中可使用减压以从发酵液中去除大部分不可冷凝物，诸如二氧化碳(例如，P2可以低于P1)。预闪蒸II可通过使发酵液通过换热器，将料流注入预闪蒸槽或通过本文所述的任何其它方式来加热。可将蒸气流207转移至压缩270并可压缩至高于大气压。压缩270可以为预闪蒸II 220中的真空源。真空和压缩可例如通过真空泵、压缩机、蒸汽喷射或本领域技术人员确定的其它方式实现。可将来自预闪蒸II 220的液体流208转移至闪蒸230中。
闪蒸可用于从发酵液中蒸发产物醇。闪蒸的压力P3(例如，至少约0.3psia至约10psia)可在低于预闪蒸II的压力(P2)的压力下操作。闪蒸***可通过本文所述方法中任一种加热，其包括经由料流712来自蒸馏区的热水和/或经由料流608来自蒸发区的蒸汽(参见图7和8)。可将包含产物醇和水、来自闪蒸230的蒸气流209转移至冷凝240。可使用泵将来自闪蒸230的液体流(或回流管线)203返回至发酵200。所述泵可以为设置在闪蒸***下方的离心泵。泵的进料管可设计成满足泵的净正吸入压头需要，并防止气阻。循环回路可以有利于发酵批次之间的清洁的方式构造。循环回路可具有允许注入热水或就地清洁溶液的喷嘴。其可具有低点排出口。其可由不锈钢或其它非腐蚀性合金构造。来自闪蒸230的回流管线203可在从进料管到闪蒸至少一个半径的位置处进入发酵200。为此可将现有循环回路改装。如果需要的话，可在循环回路中使用附加的换热器以控制温度。
冷凝240可用例如热交换冷凝器、喷雾冷凝器或其它装置来实现。冷却可例如用冷却塔水、冷冻水或制冷***来实现。包含二氧化碳、产物醇和/或水的残余的未冷凝蒸气流211可通过一个、两个、三个或更多个压缩机级使用可引发部分冷凝的级间冷却进行压缩。来自冷凝240的蒸气流211可进入压缩250并可被压缩至亚大气压。压缩250可以为闪蒸230中的真空源。真空和压缩可例如通过真空泵、压缩机、蒸汽喷射或本领域技术人员确定的其它方式实现。来自压缩250的蒸气流213可进入冷凝260。冷凝260可用例如热交换冷凝器、喷雾冷凝器或其它装置来实现。冷却可例如用冷却塔水、冷冻水或制冷***来实现。可将来自冷凝260的蒸气流214转移至压缩270。在压缩270中，可将料流207和214压缩至高于大气压。可将压缩270的料流(或出口)216转移至冷凝280。冷凝280可用例如热交换冷凝器、喷雾冷凝器或其它装置来实现。冷却可例如用冷却塔水、冷冻水或制冷***来实现。可将来自冷凝240的液体冷凝物212、来自冷凝260的液体冷凝物215和/或来自冷凝280的液体冷凝物218混合以形成料流219。料流219可通过泵送转移至蒸馏处理区用于回收产物醇。可将来自冷凝280的蒸气流217送入涤气器***中。
图4示出本发明的工艺和方法的另一个实施例。在该实施例中，闪蒸设备可用于在压缩步骤之间冷却和冷凝蒸气。压缩和冷凝的热量也可提供预闪蒸步骤所需热量的至少一些。
可将发酵期间产生的蒸气流302排放到涤气器***中。当发酵批次完成时，可将发酵300的全部内容物301转移到啤酒塔中用于从发酵液中分离剩余的产物醇。
通过使发酵液的料流通过闪蒸***循环，可在整个发酵中连续实现产物醇去除。如果从发酵容器300的底部或下半部中取出发酵液304，则可在压力P1(例如，至少约10psia至约25psia)下在预闪蒸I 310中从发酵液中闪蒸二氧化碳，以允许二氧化碳305通过涤气器***大气排放，同时减少后续压缩320和340中处理的二氧化碳的体积。预闪蒸I 310的效果可通过用不可冷凝气体吹扫或通过使用本文所述方式中任一种添加热来提高。另外，热量可由压缩320的热量和进入预闪蒸I 310的蒸气流306的部分冷凝提供，其可提供预闪蒸I 310的全部必需的热量。
二氧化碳蒸气的附加的预闪蒸可在亚大气压下实现以减少加载在产物醇蒸气冷凝器360上的二氧化碳，从而提高产物醇蒸气冷凝器的效率。料流307可被转移至压力P2(例如，至少约3psia至约12psia)下的预闪蒸II330。预闪蒸II 330中可使用减压以从发酵液中去除大部分不可冷凝物，诸如二氧化碳(例如，P2可以低于P1)。预闪蒸II可通过使发酵液通过换热器，将蒸汽注入闪蒸槽中或通过本文所述的任何其它方式来加热。另外，热量可由压缩340的热量和进入预闪蒸II 330的蒸气流309的部分冷凝提供，其可提供预闪蒸II 330的全部必需的热量。在压缩320中，可将蒸气流308压缩至高于大气压。压缩320可以为预闪蒸II 330中的真空源。真空和压缩可例如通过真空泵、压缩机、蒸汽喷射或本领域技术人员确定的其它方式实现。来自压缩320的蒸气流306可进入预闪蒸I 310用于冷却和冷凝。冷凝物可与预闪蒸I 310中的脱气发酵液混合。可将来自预闪蒸II 330的液体流311转移至闪蒸350中。在一些实施例中，压缩320和340可在单个多级压缩装置中进行。
闪蒸可用于从发酵液中蒸发产物醇。闪蒸350的压力P3(例如，至少约0.3psia至约10psia)可以低于预闪蒸II 330的压力(P2)。闪蒸***可通过本文所述方法中任一种加热，其包括经由料流712来自蒸馏区的热水和/或经由料流608来自蒸发区的蒸汽(参见图7和8)。可将包含产物醇和水、来自闪蒸350的蒸气流312转移至冷凝360。可使用泵使来自闪蒸350的液体流303返回至发酵300。所述泵可以为设置在闪蒸***下方的离心泵。泵的进料管可设计成满足泵的净正吸入压头需要，并防止气阻。循环回路可以有利于发酵批次之间的清洁的方式构造。循环回路可具有允许注入热水或就地清洁溶液的喷嘴。其可具有低点排出口。其可由不锈钢或其它非腐蚀性合金构造。来自闪蒸350的回流管线303可在距闪蒸的进料管至少一个半径的位置处进入发酵300。为此可将现有循环回路改装。如果需要的话，可在循环回路中使用附加的换热器以控制温度。
冷凝360可用例如热交换冷凝器、喷雾冷凝器或其它装置来实现。冷却可例如用冷却塔水、冷冻水或制冷***来实现。液体冷凝物314可通过泵送转移至蒸馏处理区用于回收产物醇。包含二氧化碳、产物醇和/或水的残余的未冷凝蒸气流313可通过一个、两个、三个或更多个压缩机级使用可引发部分冷凝的级间冷却进行压缩。压缩340可以为闪蒸350中的真空源。真空和压缩可例如通过真空泵、压缩机、蒸汽喷射或本领域技术人员确定的其它方式实现。来自压缩340的蒸气流309可进入预闪蒸II 330用于冷却和部分冷凝。冷凝物可与预闪蒸II 330中的脱气发酵液混合。在一些实施例中，预闪蒸I 310、预闪蒸II 330和/或闪蒸350可以为喷雾塔。在一些实施例中，进入喷雾塔的液体流和蒸气流可顺流或逆流接触。
图5示出本发明的工艺和方法的另一个实施例。在该实施例中，产物醇的去除可通过闪蒸和吸收来实现，例如利用吸收液体以吸收闪蒸期间产生的蒸气相的任何部分。在发酵结束时，可通过蒸馏从发酵液中回收任何剩余的产物醇。在发酵400中制备产物醇期间，可将产物醇从发酵液中去除以改善发酵条件，导致微生物生长增加和产物醇的产量增加。
可将发酵期间产生的蒸气流402排放到涤气器***中。当发酵批次完成时，可将发酵400的全部内容物401转移到啤酒塔中用于从发酵液中分离剩余的产物醇。
通过使发酵液的料流通过闪蒸***循环，可在整个发酵中连续实现产物醇去除。如果从发酵容器400的底部或下半部中取出发酵液404，则可在压力P1(例如，至少约10psia至约25psia)下在预闪蒸I 410中从发酵液中闪蒸出二氧化碳，以允许二氧化碳405通过涤气器***大气排放，同时减少后续压缩420和440中处理的二氧化碳的体积。预闪蒸I 410的效果可通过用不可冷凝气体吹扫或通过使用本文所述方式中任一种添加热来提高。另外，热量可由压缩420的热量和进入预闪蒸I 410的蒸气流406的部分冷凝提供，其可提供预闪蒸I 410的全部必需的热。
二氧化碳蒸气的附加的预闪蒸可在亚大气压下实现以减少加载在产物醇蒸气吸收/冷凝460上的二氧化碳，从而提高产物醇蒸气冷凝器的效率。可将料流407转移至压力P2(例如，至少约3psia至约12psia)下的预闪蒸II 430。预闪蒸II 430中可使用减压以从发酵液中去除大部分不可冷凝物，诸如二氧化碳(例如，P2可以低于P1)。预闪蒸II可通过使发酵液通过换热器，将蒸汽注入闪蒸槽中或通过本文所述的任何其它方式来加热。另外，热量可由压缩440的热量和进入预闪蒸II 430的蒸气流409的冷凝提供，其可提供预闪蒸II 430的全部必需的热量。在压缩420中，可将蒸气流408压缩至高于大气压。压缩420可以为预闪蒸II 430中的真空源。真空和压缩可例如通过真空泵、压缩机、蒸汽喷射或本领域技术人员确定的其它方式实现。来自压缩420的蒸气流406可进入预闪蒸I 410用于冷却和部分冷凝。冷凝物可与预闪蒸I 410中的脱气发酵液混合。可将来自预闪蒸II 430的液体流411转移至闪蒸450中。在一些实施例中，压缩420和440可在单个多级压缩装置中进行。
闪蒸可用于从发酵液中蒸发产物醇。闪蒸450的压力P3(例如，至少约0.3psia至约10psia)可以低于预闪蒸II 430的压力(P2)。闪蒸***可通过本文所述方法中任一种加热，其包括经由料流712来自蒸馏区的热水和/或经由料流608来自蒸发区的蒸汽(参见图7和8)。可将包含产物醇和水、来自闪蒸450的蒸气流412转移至吸收/冷凝460。可使用泵使来自闪蒸450的液体流403返回至发酵400。所述泵可以为设置在闪蒸***下方的离心泵。泵的进料管可设计成满足泵的净正吸入压头需要，并防止气阻。循环回路可以有利于发酵批次之间的清洁的方式构造。循环回路可具有允许注入热水或就地清洁溶液的喷嘴。其可具有低点排出口。其可由不锈钢或其它非腐蚀性合金构造。来自闪蒸450的回流管线403可在距闪蒸的进料管至少一个半径的位置处进入发酵400。为此可将现有循环回路改装。如果需要的话，可在循环回路中使用附加的换热器以控制温度。
蒸气的吸收/冷凝460可通过吸收来实现，例如利用描述于美国专利申请公布2011/0162953和2011/0162954中的方法，上述文献以引用方式并入本文。在本文所述的工艺和方法的一个实施例中，吸收剂或冷却的冷凝物的并流喷雾或并流喷雾接触器可用于离析蒸气。可将来自吸收/冷凝460的液体流414转移至借助于泵的冷却470中。冷却470的冷却源可以为适当冷的冷却水或可以为冷冻水。料流415可分离成至少两个料流，例如返回至吸收/冷凝460的料流416以及可转移至蒸馏区以从吸收剂中分离产物醇的料流417。未吸收的蒸气流413可离开吸收/冷凝460并进入压缩440。压缩440可以为闪蒸450中的真空源。真空和压缩可例如通过真空泵、压缩机、蒸汽喷射或本领域技术人员确定的其它方式实现。来自压缩440的蒸气流409可进入预闪蒸II 430用于冷却和冷凝。冷凝物可与预闪蒸II 430中的脱气发酵液混合。在一些实施例中，预闪蒸I 410、预闪蒸II 430和/或闪蒸450可以为喷雾塔。在一些实施例中，进入喷雾塔的液体流和蒸气流可顺流或逆流接触。
在本文所述的工艺和方法的另一个实施例中，蒸发系列可用于以从发酵过程期间生成的稀釜馏物中去除水。图6示出了蒸发系列的典型构造，其包括四(4)主体设置双(2)效应。该构造可在多个现有乙醇工厂中采用。前四个塔板(1-4)可在近一个气压(P1-4)下操作，后四个塔板(5-8)在接近更低的压力(P5-8)下操作(例如，P5-8低于P1-4)。在该构造中，稀釜馏物501进入第一塔板蒸发器并且来自锅炉502(或其它未示出的热源)的蒸汽进入塔板1-4。所述蒸汽和稀釜馏物可间接接触以将热从冷凝蒸汽转移至沸腾的稀釜馏物。可将来自蒸发的前四个塔板(1-4)的蒸汽冷凝物混合并经由料流503返回至锅炉。稀釜馏物可在部分水在蒸发系列的每个塔板中蒸发时被浓缩。浓缩的釜馏物可从每个塔板的底部去除并进料至后续塔板蒸发器的顶部。由稀釜馏物的浓缩制得的蒸汽离开前四个塔板(1-4)并可用作后四个塔板(5-8)的热源。釜馏物的浓度通过塔板增加直至作为浆液505离开塔板8。来自塔板5-8的冷凝物504可用于煮水。在一些实施例中，冷凝物可通过废水处理工艺处理以去除挥发性有机化合物、调节pH、调节碱度等。在一些实施例中，冷凝物可以厌氧水处理工艺处理以使挥发性有机化合物转化成生物气和类似燃料。在一些实施例中，冷凝物可以有氧水处理工艺处理以使挥发性有机化合物转化成二氧化碳。通过釜馏物在塔板5-8中浓缩所蒸发的蒸汽506可用于在蒸馏区中加热。
图7示出了可用于本文所述的方法和工艺的蒸发系列的另一个实施例。在该蒸发系列构造中，双(2)主体四(4)效应***可用于浓缩稀釜馏物。该构造的一个优点是可从来自锅炉的输入蒸汽中回收更多能量。稀釜馏物601进入第一塔板蒸发器。稀釜馏物持续通过串联的所有八个蒸发器塔板并且所得的浆液作为料流607离开。将来自锅炉的蒸汽602进料至前两个塔板(1和2)。所述蒸汽和稀釜馏物可间接接触以将热从冷凝蒸汽中转移至沸腾的稀釜馏物。在一个实施例中，在塔板1和2中从稀釜馏物中蒸发的水可用于加热塔板3和4，在塔板3和4中从稀釜馏物中蒸发的水可用于加热塔板5和6，并且在塔板5和6中从稀釜馏物中蒸发的水可用于加热塔板7和8。在另一个实施例中，塔板7和8的压力(Pd)可低于塔板5和6的压力(Pc)，所述塔板5和6的压力可以为比塔板3和4(Pb)更低的压力，所述塔板3和4的压力可以为比塔板1和2(Pa)更低的压力(例如，Pd＜Pc＜Pb＜Pa)。可将来自塔板1和2的蒸汽冷凝物混合并经由料流603返回至锅炉。可将来自塔板3-8的冷凝物604、605和606用于煮水并经由泵送转移。在一些实施例中，来自塔板3-8的冷凝物或其部分可通过废水处理工艺处理以去除挥发性有机化合物(例如，丁酸)、调节pH、调节碱度等。在一些实施例中，冷凝物或其部分可以厌氧水处理工艺处理以将挥发性有机化合物转化成生物气和类似燃料。在一些实施例中，冷凝物或其部分可以有氧水处理工艺处理以将挥发性有机化合物转化成二氧化碳。离开塔板7和8的所得的蒸汽608可处于低压(Pd)(如，相比于四(4)主体设置双(2)效应的P5-8)，并且可用于直接加热闪蒸槽。低压蒸汽也可使热应力对微生物的影响最小化。
在本文所述的工艺和方法的另一个实施例中，可使用图8所示的方法从发酵液中回收产物醇。在发酵结束时，可使用啤酒塔700从剩余的发酵液中回收产物醇。发酵液(101、201、301、401；参见图2至5)可进入啤酒塔700，所述啤酒塔形成产物醇/水塔顶共沸物701，所述共沸物随后可被送至冷凝710。来自蒸发***(506；参见图6)的低压蒸汽用于经由702提供直接接触加热，以在塔顶蒸馏产物醇/水共沸物701。可将冷凝的产物醇和水706转移至滗析770。可将来自啤酒塔700的底物703送至分离720以将稀釜馏物(501、601；参见图6和7)与酒糟固体705分离，所述酒糟固体可被送至酒糟干燥器以产生干酒糟。在干燥器之后，可将来自蒸发的浆液(505、607；参见图6和7)添加到酒糟中以制备干酒糟及可溶物(DDGS)。分离720可以为离心机、过滤器或可用于将液体与固体分离的任何其它装置。
滗析770可用于从富含产物醇的料流中分离产物醇相和水相。滗析770入口的物质可以是蒸馏塔塔顶物质(例如，来自啤酒塔的706、来自侧塔的711、来自精馏塔的716)以及来自闪蒸***的冷凝物(109、117、219、314、417；参见图2至5)。可将滗析770中产生的蒸气流721排放至涤气器***中。在一些实施例中，滗析770可在亚大气压下操作并且真空泵可用于将蒸气流721引导至涤气器***中。
可将来自滗析770的水相708送至侧塔730(以及料流16；参见图11)。侧塔可用于在水从塔底部释放用于该过程的其它部分之前回收可溶于水相中的产物醇。来自侧塔730底部的热水还可用于经由料流712向闪蒸槽提供热(参见图2至5)，其还补充闪蒸过程中损失的水并有利于控制发酵容器中发酵液的含量。侧塔730的低压蒸汽热707可由醪蒸煮过程来提供(参见图10中的料流918)。产物醇/水共沸物709可在塔顶蒸馏至冷凝740。冷凝物711可进入滗析770。
可将来自滗析770的产物醇相714送至精馏器750(以及料流15；参见图11)。精馏器750可在从精馏器750的底部释放纯化的产物醇之前去除任何可溶于产物醇相中的水。水可以产物醇/水塔顶共沸物715的形式去除并送至冷凝760。可将冷凝物716转移至滗析770。可用间接加热的再沸器780加热精馏器750。再沸器780可以为釜型、热虹吸管或通常为本领域技术人员所考虑的任何其它设计。精馏塔底物的一部分可经由料流717进入再沸器780中。来自再沸器780的蒸气流719可进入精馏器750的底部。底部侧流718可被冷却并送入产物储罐中。料流718的冷却可与其它料流热集成，例如可经由换热器将来自718的热转移至料流714。冷凝760可与其它设备和/或装置热集成。例如，冷凝760可向蒸发系列提供热。
图9描绘了如本文所述以及如图2至8中所示的方法的总体流程(例如，不同区域或过程之间的材料、蒸汽和水)。如图2至5所示，发酵区800包括发酵和闪蒸***。如图9所示，料流109、117、219、314、417、101、201、301和401以及料流15和16(参见图11)，全部均将材料从发酵区800转移至所述过程的蒸馏区810。产物醇718可从蒸馏区810中去除。来自蒸馏区810的水可通过由712和805转移而用于发酵区800。共产物DDGS 705可离开蒸馏区810。可将来自蒸馏区810的稀釜馏物(501、601；如图6和7所示)转移至蒸发区820。可将来自蒸发区820的冷凝水804用于发酵区800，例如，在醪蒸煮过程中或以发酵容器的补充用水形式。可将蒸发区820中产生的过程蒸汽608转移至发酵区800或将蒸发区820中产生的过程蒸汽506转移至蒸馏区810。蒸汽还可在动力室830中产生以向任何处理区提供热量。可经由料流801将燃料诸如天然气进料至动力室830以在锅炉中燃烧用于产生蒸汽。产生的蒸汽806可离开动力室830并可经由502和/或602递送至蒸发区820，经由802递送至蒸馏区810，或经由803递送至发酵区800。
图10示出由发酵制备乙醇到通过蒸馏回收所述乙醇。乙醇可通过在发酵900中发酵糖来制备。糖可来源于任何生物质源，其包括玉米、甘蔗、纤维素或木质纤维素材料。可将发酵期间产生的气体901排放到涤气器***中。可将发酵液902转移到啤酒塔910中。来自蒸发***的蒸汽903可进入啤酒塔910。乙醇和水可在啤酒塔910内蒸发，并且可将蒸发的料流904从塔顶送至精馏器920中。精馏器920可用于浓缩乙醇。啤酒塔910的塔底流出物915为全釜馏物，其主要包含固体和水。来自精馏器920的乙醇和水的共沸物905可从塔顶蒸发至冷凝930。可将精馏器920的塔底流出物906转移至侧塔970用于回收乙醇。来自醪蒸煮过程的闪蒸蒸气918可用于向侧塔970提供能量。可将来自侧塔970的顶部的蒸气流916转移至精馏器920的底部。侧塔970的底物917形成可重新用于所述过程中的lutter水。可将来自冷凝930的蒸气流907转移至压缩940。压缩940产生用于蒸馏处理的真空。将压缩940的输出物909转移至闪蒸960。可将来自冷凝930的液体冷凝物的一部分以回流形式转移至精馏器920的顶部并且可将另一部分908转移至分子筛***950。在分子筛***950中，剩余的水可从乙醇914中去除。在分子筛***950的再生期间，蒸气流911可离开分子筛***950，并可在进入闪蒸960之前冷凝(未示出)。离开闪蒸960的蒸气流912主要为二氧化碳，并且离开闪蒸960的液体913包含乙醇和水并可再循环至精馏器920中用于回收乙醇。
图11代表本文所述的工艺和方法的另一个实施例。在该实施例中，用于闪蒸的冷凝可使用喷雾冷凝器来实现。可将来自预闪蒸和闪蒸的冷凝的液体滗出以分离水相和有机相。可以蒸馏方式在精馏塔中纯化富含产物醇的相。可将富水相的一部分冷却以用作喷雾冷凝器中的冷凝流体，并且可将富水相的另一部分送至蒸馏用于产物醇去除。
可将来自预闪蒸1000的料流1转移至闪蒸1010中。蒸气流2可被转移至压缩1050并可被压缩至高于大气压。压缩1050可以为预闪蒸1000中的真空源。真空和压缩可通过例如真空泵、压缩机、蒸汽喷射或本领域技术人员确定的其它方式实现。
闪蒸1010可用于从发酵液中蒸发产物醇。闪蒸1010的压力可在低于预闪蒸1000的压力的压力下操作。闪蒸1010可通过本文所述方法中任一种加热，其包括经由料流712来自蒸馏区的热水和/或经由料流608来自蒸发区的蒸汽(参见图7和8)。可将包含产物醇和水、来自闪蒸1010的蒸气流3转移至冷凝1020。可使用泵使来自闪蒸1010的液体流(或尾料，未示出)返回到发酵容器中。
冷凝1020可例如用换热器或喷雾冷凝器来实现。包含二氧化碳、产物醇和水的残余的未冷凝的蒸气流4可通过一个、两个、三个或更多个压缩机级使用可引发部分冷凝的级间冷却进行压缩。可经由泵送将来自冷凝1020的冷凝物流14转移至滗析1070。来自冷凝1020的蒸气流4可进入压缩1030并可被压缩至亚大气压。压缩1030可以为闪蒸1010中的真空源。真空和压缩可例如通过真空泵、压缩机、蒸汽喷射或本领域技术人员确定的其它方式实现。来自压缩1030的蒸气流5可进入冷凝1040。冷凝1040可用例如热交换冷凝器、喷雾冷凝器或其它装置来实现。冷却可用例如冷却塔水、冷冻水或制冷***来实现。可经由泵送将来自冷凝1040的冷凝物流7转移至滗析1070。可将来自冷凝1040的蒸气流6转移至压缩1050。在压缩1050中，可将料流6和2压缩至高于大气压。可将压缩1050的输出物8转移至冷凝1060。冷凝1060可例如用热交换冷凝器、喷雾冷凝器或其它装置来实现。冷却可用例如冷却塔水、冷冻水或制冷***来实现。可通过泵送将液体冷凝物11转移至滗析1070。可将来自冷凝1060的蒸气流9送入涤气器***中。
可经由料流17将在滗析1070中收集的任何蒸气排放到涤气器***中。可将来自滗析1070的富醇相15送至蒸馏处理区用于回收产物醇。料流15可直接进入精馏塔(参见图8)。可经由料流16将来自滗析1070的富水相的一部分送至蒸馏处理，以回收产物醇和水用于再循环利用。料流16可直接进入侧汽提塔(参见图8)。来自滗析1070的富水相的另一部分可经由料流12通过冷却1080再循环至冷凝1020。冷却可例如用冷却塔水、冷冻水或制冷***来实现。来自冷却1080的冷却液体13可被喷入冷凝1020中以冷凝闪蒸蒸气的一部分。冷凝1020中仅利用来自滗析1070的富水相利用了水的相对高的热容量，从而使料流12、13和14的流量要求最小化。
在另一个实施例中，可利用多于一个的滗析步骤分离来自不同冷凝步骤的冷凝物。在另一个实施例中，可将混合相返回至冷凝1020中。
用于本文所述方法的设备可以多种方式配置。例如，闪蒸槽和/或冷凝器可部分地包括在顶部流体连接的多个平行垂直柱。所述柱可具有内部构件(例如，喷雾嘴、人字纹、除雾器)以促进传质和传热并减少夹带。所述柱可以为例如10、12或14英尺直径或适用于车间制造和用卡车或铁轨或其它标准运输方式运输至发酵工厂现场的其它直径。所述柱可受多道流动构造阻挡。柱可被评定为全真空，并且可增强真空等级。所述柱可焊接不锈钢或类似非腐蚀性合金构造，并且可具有容易排水和清洁的碟形底部。
可在一个或多个柱的中间的上方引入发酵液，并且可在这些柱的中间的下方引入以蒸汽和/或热水形式的热量。消耗产物醇的发酵液可在这些柱的底部收集并从那里流入泵中。蒸气可从进料发酵液的柱中穿过到达充当接触冷凝器的其它柱中。冷却的冷凝物可以一种或多种含量喷射到这些其它柱中以冷凝产物醇与水的一部分。该冷凝物可在这些柱的底部收集并从那里流入冷凝泵中。冷凝物或冷凝物的一部分可滗出以将富含产物醇的层与富含水的层分离。可将富产物醇相和富水相泵送至精制系列中用于回收产物醇，并使基本上不含产物醇的水再循环。可将冷凝物或其一部分冷却并泵送回冷凝柱中。在一些实施例中，可将富含水的层或其部分冷却并泵送回冷凝柱中。蒸气可从挡板或其它用于在低压降下分离蒸气与液体的***下方离开冷凝柱，或可将蒸气引导至压缩机。
冷却后，可通过一个或多个压缩和/或冷却塔板将剩余的蒸气压缩并冷却直至达到适用于释放至涤气器的压力。冷却水可被引入任一个冷却器塔板中。压缩机入口处的产物醇与二氧化碳的比率可以为，例如约2至约20，约3至约20，或约7至约20。
在一些实施例中，可在包括至少一个涤气器的涤气器***中进一步处理由闪蒸和预闪蒸蒸气的处理获得的一股或多股蒸气流以及从其它处理区(例如，蒸馏、蒸发、发酵排气)获得的蒸气流。处理中产生的蒸气流的组分可以为发酵期间形成的二氧化碳。根据环境温度和压力条件，这些蒸气流还可包含不同量的产物醇和其它挥发性有机化合物(VOC)。可能有利的是使经由这些蒸气流离开所述过程的VOC含量最小化，例如，以符合对产物醇的工业化制造所规定的管制排放限制。此外，将产物醇排放至大气环境中可能导致收益损失。使用本文所述并且例如如图2B和4所示的方法，可减少蒸气流的VOC含量。
使排放的VOC的含量最小化的一种方式是通过使用一个或多个涤气器将来自蒸气流的VOC的一部分吸收到水中，导致涤气器塔底流出物包含水。通常，涤气器塔底流出物用于补充醇制备过程中损失的水。例如，大量水可通过干燥酒糟以可溶物而损失，并且涤气器塔底流出物可用于补充这种水损失。进入涤气器的水(例如，涤气器水)可包含新鲜水和已经处理过的水。“新鲜水”是来自外部源，即醇制备过程之外的水。在一些情况下，可产生过量涤气器塔底流出物从而形成不能容易处理去除的废料流。可限制进入涤气器的新鲜水流量以防止生成废料流。
因此，能够从蒸气流中去除的VOC部分可受到进入涤气器的有限流量的新鲜水中能够吸收的量限制。在本发明的一些实施例中，涤气器水的吸收容量可通过使用添加剂来增加。这些添加剂可例如至少部分地溶于水。这些添加剂可具有降低VOC的蒸气压力、降低VOC的挥发性和/或增加VOC的溶解度的效果。在一些实施例中，添加剂可与涤气器水一起或独立地添加到涤气器***中。在一些实施例中，添加剂可以为生物相容的。在另一个实施例中，添加剂可与燃料产物相容。添加剂的一个例子为甘油。在另一个实施例中，添加剂可以为如本文和WO 2011/100299以及美国专利申请公布2012/0211348中所述的吸收液体，上述专利文献的全部公开内容全文并入本文。在一些实施例中，可处理涤气器塔底流出物以回收其中的添加剂或吸收液体以及任何产物醇和VOC。
在一些实施例中，可例如使用换热器、使用冷却水、制冷***，或通过蒸发冷却来冷却涤气器水，以增加涤气器水的吸收容量。在一些实施例中，可将涤气器塔底流出物的一部分冷却和/或冷冻并再循环至涤气器；以及在一些实施例中，该再循环部分可与涤气器水混合并且可在进入涤气器之前进一步冷却或冷冻。在一些实施例中，可进一步处理该再循环部分以去除VOC并在进入涤气器之前进一步冷却或冷冻。例如，该再循环部分可在塔(诸如侧汽提塔)中蒸馏。
在一些实施例中，进入涤气器的水或其至少一部分可以由在所述过程另一部分中生成的水流(诸如来自蒸发系列的冷凝物)的一部分提供。在一些实施例中，可将一股或多股蒸气流压缩至高于大气压的压力并在高压下在涤气器中处理以进一步提高涤气器水的产物醇吸收效率。
在一些实施例中，涤气器可例如通过冷却夹套进行外部冷却。在一些实施例中，可将涤气器的涤气器塔底流出物引入另一个涤气器中。涤气器可提供约五个、约十个、约十五个或更多个理论接触塔板，并且在一些实施例中，可以为逆流。
在本文所述的工艺和方法的另一个实施例中，可通过使产物醇去除速率改变成与整个发酵过程中发酵容器中的生产速率匹配而使能量消耗最小化。此外，输入闪蒸中的热量可根据发酵容器中变化的产物醇生产速率而改变。当产物醇产量在发酵过程结束时减少时，可降低闪蒸***的蒸汽速率以节约能源并改善本文所述方法的经济性。另外，数学建模可以用于优化本文所述工艺和方法的各种参数。例如，闪蒸的循环速率可通过开发用于发酵循环的数学模型来优化，所述数学模型包括解释能量成本和供能***容量的术语。
优化本文所述方法中能量消耗的另一种方式为热集成。例如，能量(例如，热)可以提供热来操作闪蒸这种方式来级联。提供该能量的经济型方式为对精制系列中的一个或多个真空塔的塔顶馏分使用冷凝，以在换热器诸如提供有含水冷凝物的釜式再沸器中生成亚大气压蒸汽。提供能量的另一种方式是提供来自蒸发器系列的亚大气压蒸汽的一部分以操作闪蒸。这些加热***的优点在于设备不暴露于发酵液，从而不需要在每次发酵循环之后就地清洁。另一个优点在于这些热传递装置可被***中的所有发酵容器共享。
在本文所述方法的一些实施例中，闪蒸处理可生成湿二氧化碳、腐蚀性的酸性气体；并且用于发酵***设备的构造(例如，发酵容器、预闪蒸和闪蒸槽、涤气器、冷凝器、压缩机、蒸发器、蒸馏塔等)的材料(例如，不锈钢)可能非常易受二氧化碳腐蚀和溶蚀影响。为减少湿二氧化碳的腐蚀性效应，可添加生物相容性抗蚀剂以保护发酵***设备的金属表面。此外，将湿二氧化碳流的速度维持在等于或低于指定的流速(例如，m/s)可使湿二氧化碳的腐蚀效应最小化。例如，在预闪蒸、闪蒸和/或使发酵液再循环至发酵容器之前，从各种料流中去除湿二氧化碳也可以为减少湿二氧化碳腐蚀效应的方式。使腐蚀效应最小化的其它方式包括但不限于将管道组件(例如，弯管、三通、弯头、阀、泵等)设计成减少可导致腐蚀和溶蚀的乱流的出现，在这些组件的构造中使用抗腐蚀材料和/或对这些组件施加涂层(例如，环氧树脂、硅或聚合物合金涂层)；以及表面处理诸如机械处理(例如，抛光)、化学处理(例如，烧灼、钝化)以及电化学处理(例如，电抛光)。
发酵***设备还易受污染影响。例如，真空***(例如，预闪蒸和闪蒸槽)的阀、法兰、接头等可能易受渗漏的影响，使得空气未消毒，从而使得不期望的微生物进入发酵***。为减少污染风险，可将发酵***的组件设计成消除接头和法兰，例如使用焊接构造和/或平滑的导通孔。还可安装漏气的挡板，诸如用清洗口包围法兰以监控任何渗漏。此外，可在发酵期间维持单菌条件，以确保最少的污染以及如果污染发生则将其抑制。就地清洁(CIP)和就地消毒(SIP)***也可用于自动清洁和灭菌而不进行大量拆卸和组装工作。在一个实施例中，可将CIP***设计成允许工厂的一个区域关闭并清洁同时其它区域继续工作。
本文所述的方法提供具有改善的产物醇生产收率的发酵方法。如本文所讨论的，由微生物利用发酵制备产物醇可能由于所述微生物的产物醇毒性阈值而效率低下。本文所提供的方法提供有效的方式，通过该方式可将产物醇从发酵过程中去除，导致发酵液中的产物醇浓度降低。降低的产物醇浓度使得所述产物醇对微生物的毒性效应最小化，并因此导致提高的产物醇制备收率。
气体闪蒸期间存在的固体可导致发泡和/或污染以及固体和/或液体夹带有气体。在发酵之前或在预闪蒸或闪蒸之前从原料中去除固体可减少固体从预闪蒸槽或闪蒸槽中加载，并可减少发泡的机会。在一些实施例中，可在预闪蒸或闪蒸之前去除微生物和/或固体。微生物和/或固体可使用例如过滤、离心和可用于分离的任何其它方式去除。
防止泡沫离开闪蒸槽的附加方式包括但不限于用于使泡沫破裂的机械装置诸如炉管出口，防止泡沫形成的多级闪蒸，使用消泡剂，将液体喷入闪蒸槽的顶部以使泡沫破裂，或将已脱气的再循环液体培养基喷入闪蒸槽的顶部。
作为本文所述方法的实施例的一个例子，发酵可通过将原料直接引入发酵容器中引发。适合的原料包括但不限于黑麦、小麦、玉米、玉米醪、甘蔗、甘蔗醪、大麦、纤维素材料、木质纤维素材料或它们的混合物。在一些实施例中，可将所述原料干磨或湿磨。参见图12，在一些实施例中，在引入发酵20之前，可将原料42液化以产生原料浆液45，所述原料浆液可包含不溶解的固体和糖(例如，可发酵碳源)。原料的液化可通过任何已知的液化方法来实现，所述液化方法包括但不限于酸处理、酸-酶处理、酶处理(例如，α-淀粉酶)或它们的组合。在一些实施例中，液化可在液化容器中发生。在一些实施例中，可在液化40中添加酶44(例如，α-淀粉酶)。
可将原料浆液45引导至分离50中以从原料浆液45中分离出不溶解的固体。分离可通过多种装置实现，所述装置包括但不限于滗析器碗离心、三相离心(例如，)、盘叠离心、过滤离心、滗析器离心、过滤、真空过滤、带式过滤器、压滤、使用筛网的过滤、筛分、栅滤、多孔栅滤、浮选、水力旋流器、压滤器、螺旋压力器、重力沉降器、涡旋分离器或它们的组合。对于去除不溶解的固体的方法和***的说明，参见，例如美国专利申请公布2012/0164302，其全部内容以引用方式并入本文。原料浆液45的分离产生液相55和固相52(例如，不溶解的固体)。液相55可被添加到发酵20中，并且固相52(或“湿饼”)可被进一步处理。湿饼52可包括糖与水的一部分。
作为加工湿饼52的一个例子，可用水洗涤湿饼52以回收存在于湿饼中的糖(例如，低聚糖)，并且可将回收的糖和水再循环至液化40。洗涤之后，可进一步处理湿饼52以例如形成动物饲料(例如，DDGS)。
在一些实施例中，可将微生物直接添加到发酵20中，或微生物可在增殖30中增殖，随后可添加到发酵20中。在一些实施例中，增殖可在增殖容器中发生。可用于这些处理的微生物的例子在本文中有所描述。
在一些实施例中，可向发酵20中添加原料42和/或液相55至预定含量。例如，可添加原料42和/或液相55直至其达到发酵容器20的搅拌桨。然后可激活搅拌器并可向发酵20中添加增殖30的内容物。在一些实施例中，可将原料42和/或液相55进料至发酵20直至达到稳态。在一些实施例中，原料42和/或液相55可通过外部冷却回路循环以维持低于例如35℃或任何其它控制点的温度。
在一些实施例中，同步糖化和发酵可在发酵20中发生。可使用工业上通常利用的任何已知的糖化方法，所述方法包括但不限于酸处理、酸-酶处理或酶处理。在一些实施例中，可将酶22诸如葡糖淀粉酶引入发酵20中以将存在于原料42和/或液相55中的低聚糖形式的糖降解成单糖。在一些实施例中，糖化可在单独的糖化容器中发生。在一些实施例中，糖化可在原料浆液45的分离50之前或在原料浆液的分离50之后发生。
在一些实施例中，可将料流25(例如，发酵液)从发酵20中释放并转移到预闪蒸槽或闪蒸槽用于回收产物醇。释放的料流25可包含微生物和固体，其可例如通过离心或过滤从料流25中分离。然后，微生物可再循环至发酵20，这随时间推移可提高产物醇的生产率，从而导致产物醇的生产效率提高。此外，在将料流25转移至预闪蒸槽或闪蒸槽之前去除微生物可使闪蒸条件(例如，压力和温度)对微生物的影响最小化，导致改善的活性。可使微生物返回至发酵容器用于另一个发酵循环。
在本文所述方法的另一个实施例中，作为实现改善的细胞密度和改善的发酵速率的方式，可在闪蒸发酵中采用细胞循环利用。在本文所述的方法中，可在将发酵液转移到预闪蒸槽或闪蒸槽之前从发酵液中去除微生物，并使其返回至发酵容器中用于另一个发酵循环。微生物可例如通过离心或膜过滤与其它发酵组分分离而再循环。在一些实施例中，可用酸处理微生物以调理微生物用于另一次发酵循环。该酸洗可在单独的槽(例如，再循环利用槽)中进行。作为另外一种选择，微生物(例如酵母)可与其它发酵组分分离、干燥并作为共产物销售。
可以多种方式将由本文所述经由发酵工艺制备产物醇的方法产生的各种料流混合以产生多种共产物。例如，可以产生某些动物物种(例如，奶牛)的定制饲料产品这种方式将各种料流混合并加工。如本文所述，可将酒糟固体与浆液混合以产生干酒糟及可溶物(DDGS)。
通过本发明的方法产生的醇产物具有多种应用，例如，作为试剂、溶剂和燃料。通过受权利要求书保护的方法制备的丁醇可被直接用作燃料(例如，生物燃料)、燃料添加剂、用于制备可被用作柴油或生物柴油燃料的酯的醇、塑料工业中的原料化学品、配制产品诸如化妆品中的成分和化学中间体。丁醇还可被用作油漆、涂料、清漆、树脂、树胶、染料、脂肪、蜡类、树脂、紫胶、橡胶和生物碱的溶剂。因此，本发明提供了制备醇，包括丁醇的替代性方法，其可支持对这些工业化学品的高需求。
重组微生物和生物合成途径
不受理论的束缚，据信本文所述方法可与任何产生醇的微生物、尤其是以高于其耐受性水平的滴度制备醇的重组微生物结合使用。
产生醇的微生物是本领域已知的。例如，通过甲烷氧化菌(methanotrophic bacteria)(例如发孢甲基弯菌(Methylosinustrichosporium))发酵氧化甲烷以制备甲醇，并使甲醇(C1烷基醇)接触羧酸和能够酯化羧酸与甲醇的催化剂形成羧酸甲醇酯。酵母菌株CEN.PK113-7D(CBS 8340，Centraal Buro voor Schimmelculture；van Dijken等人，Enzyme Microb.Techno.26：706-714，2000)能够产生乙醇，并且使乙醇与羧酸以及能够酯化羧酸和乙醇的催化剂接触形成乙酯。
产生醇的重组微生物也是本领域已知的(例如，Ohta等人，Appl.Environ.Microbiol.57：893-900，1991；Underwood等人，Appl.Environ.Microbiol.68：1071-1081，2002；Shen和Liao，Metab.Eng.10：312-320，2008；Hahnai等人，Appl.Environ.Microbiol.73：7814-7818，2007；美国专利5,514,583；美国专利5,712,133；PCT专利申请公布WO 1995/028476；Feldmann等人，Appl.Microbiol.Biotechnol.，38：354-361，1992；Zhang等人，Science 267：240-243，1995；美国专利申请公布2007/0031918 A1；美国专利7,223,575；美国专利7,741,119；美国专利7,851,188；美国专利申请公布2009/0203099 A1；美国专利申请公布2009/0246846 A1；和PCT专利申请公布WO 2010/075241，它们全部以引用方式并入本文)。
能够制备产物醇诸如乙醇和丁醇的合适的重组微生物是本领域已知的，并且能够制备产物醇的某些合适的微生物在本文中有所描述。在一些实施例中，所述微生物可为细菌、蓝细菌、丝状真菌或酵母。能够经由生物合成途径制备产物醇的合适的微生物包括下列中的一个成员：梭菌属(Clostridium)、发酵单胞菌属(Zymomonas)、埃希氏菌属(Escherichia)、沙门氏菌属(Salmonella)、沙雷氏菌(Serratia)、欧文氏菌属(Erwinia)、克雷伯氏菌属(Klebsiella)、志贺氏菌属(Shigella)、红球菌属(Rhodococcus)、假单胞菌属(Pseudomonas)、芽孢杆菌属(Bacillus)、乳杆菌(Lactobacillus)、肠球菌属(Enterococcus)、产碱杆菌属(Enterococcus)、克雷伯氏菌属(Klebsiella)、类芽孢杆菌(Paenibacillus)、节杆菌(Arthrobacter)、棒状杆菌(Corynebacterium)、短杆菌属(Brevibacterium)、裂殖酵母(Schizosaccharomyces)、克鲁维酵母属(Kluyveromyces)、耶氏酵母属(Yarrowia)、毕赤酵母属(Pichia)、接合酵母属(Zygosaccharomyces)、德巴利氏酵母属(Debaryomyces)、假丝酵母属(Candida)、酒香酵母属(Brettanomyces)、管囊酵母属(Pachysolen)、汉逊酵母属(Hansenula)、伊萨酵母属Issatchenkia、丝孢酵母属(Trichosporon)、Yamadazyma或酵母属(Saccharomyces)。在一些实施例中，重组微生物可选自大肠杆菌(Escherichia coli)、真养产碱杆菌(Alcaligenes eutrophus)、地衣芽孢杆菌属(Bacillus lichenifonnis)、浸麻类芽孢杆菌(Paenibacillus macerans)、红平红球菌(Rhodococcuserythropolis)、恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)、植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)、屎肠球菌(Enterococcus faecium)、鹑鸡肠球菌(Enterococcus gallinarium)、粪肠球菌(Enterococcus faecalis)、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)、萨纳瑞西斯假丝酵母(Candidasonorensis)、methanosorbosa假丝酵母(Candida methanosorbosa)、乳酸克鲁维酵母(Kluyveromyces lactis)、马克斯克鲁维酵母(Kluyveromycesmarxtanus)、耐热克鲁维酵母(Kluyveromyces thermotolerans)、东方伊萨酵母(Issatchenkia orientalis)、汉逊德巴利酵母(Debaryomyces hansenii)和啤酒糖酵母(Saccharomyces cerevisiae)。在一些实施例中，重组微生物为酵母。在一些实施例中，所述重组微生物为克拉布特里阳性(crabtree-positive)酵母，其选自酵母属(Saccharomyces)、接合酵母属(Zygosaccharomyces)、裂殖酵母属(Schizosaccharomyces)、德克酵母属(Dekkera)、球拟酵母属(Torulopsis)、酒香酵母属(Brettanomyces)、以及假丝酵母属(Candida)的一些菌种。克拉布特里阳性酵母的菌种包括但不限于，啤酒糖酵母、克鲁维酵母(Saccharomyces kluyveri)、粟酒裂殖酵母(Schizosaccharomyces pombe)、贝酵母(Saccharomyces bayanus)、mikitae酵母(Saccharomyces mikitae)、奇异酵母(Saccharomycesparadoxus)、葡萄汁酵母(Saccharomyces uvarum)、芽殖酵母(Saccharomyces castelli)、克鲁维酵母(Saccharomyces kluyveri)、鲁氏接合酵母(Zygosaccharomyces rouxii)、拜耳接合酵母(Zygosaccharomycesbailli)和光滑假丝酵母(Candida glabrata)。此外，通过本文所述方法识别的耐产物醇微生物也可适用于基因修饰以制备产物醇。
在一些实施例中，所述宿主细胞是啤酒糖酵母。啤酒糖酵母为本领域所已知并可购自多种来源，包括但不限于美国典型培养物保藏中心(Rockville，MD)、Centraalbureau voor Schimmelcultures(CBS)真菌生物多样性中心、LeSaffre、Gert Strand AB、Ferm Solutions、North AmericanBioproducts、Martrex和Lallemand。啤酒糖酵母包括但不限于BY4741、CEN.PK 113-7D、Ethanol 酵母、Ferm 酵母、XR酵母、Gert Strand Prestige Batch Turbo alcohol酵母、Gert Strand Pot Distillers酵母、Gert Strand Distillers Turbo酵母、FerMaxTM Green酵母、FerMaxTM Gold酵母、酵母、BG-1、PE-2、CAT-1、CBS7959、CBS7960和CBS7961。
在一些实施例中，微生物可被固定或封装。例如，微生物可使用藻酸盐、藻酸钙或聚丙烯酰胺凝胶固定或封装，或通过在多种高表面积载体矩阵诸如硅藻土(diatomite)、硅藻土(celite)、硅藻土(diatomaceousearth)、硅胶、塑料或树脂上诱导生物膜形成来固定或封装。在一些实施例中，ISPR可与固定的或封装的微生物联合使用。该组合可提高生产能力诸如比体积生产能力、代谢率、产物醇收率、产物醇耐受性。此外，固定和封装可使工艺条件诸如剪切对微生物的影响最小化。
由微生物利用发酵产生丁醇以及产生丁醇的微生物公开于例如美国专利7,851,188和美国专利申请公布2007/0092957；2007/0259410；2007/0292927；2008/0182308；2008/0274525；2009/0155870；2009/0305363；和2009/0305370中，它们中的每个全文以引用方式并入本文。在一些实施例中，微生物可被工程化成包括生物合成途径。在一些实施例中，生物合成途径为工程化的丁醇生物合成途径。在一些实施例中，生物合成途径将丙酮酸转化成发酵产物。在一些实施例中，生物合成途径将丙酮酸以及氨基酸转化成发酵产物。在一些实施例中，微生物中的异源性多核苷酸编码至少一个、至少两个、至少三个或至少四个多肽，所述多肽催化途径中底物到产物的转化。在一些实施例中，微生物中的异源性多核苷酸编码所有多肽，所述多肽催化途径中底物到产物的转化。在一些实施例中，催化底物以产生乙酰乳酸至2，3-二羟基异戊酸的转化的多肽和/或催化底物以产生异丁醛至异丁醇的转化的多肽能够利用还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)作为辅因子。
生物合成途径
可被使用的用于制备异丁醇的生物合成途径包括描述于美国专利7,851,188中的那些，该专利以引用方式并入本文。在一个实施例中，异丁醇生物合成途径包括下列底物至产物的转化：
a)丙酮酸至乙酰乳酸的转化，其可被例如乙酰乳酸合酶催化；
b)乙酰乳酸至2，3-二羟基异戊酸的转化，其可被例如乙酰羟酸还原异构酶催化；
c)2，3-二羟基异戊酸至α-酮异戊酸的转化，其可被例如乙酰羟酸脱水酶催化；
d)α-酮异戊酸至异丁醛的转化，其可被例如支链α-酮酸脱羧酶催化；以及，
e)异丁醛至异丁醇的转化，其可被例如支链醇脱氢酶催化。
在另一个实施例中，异丁醇生物合成途径包括下列底物至产物的转化：
a)丙酮酸至乙酰乳酸的转化，其可被例如乙酰乳酸合酶催化；
b)乙酰乳酸至2，3-二羟基异戊酸的转化，其可被例如酮醇酸还原异构酶催化；
c)2，3-二羟基异戊酸至a-酮异戊酸的转化，其可被例如二羟基酸脱水酶催化；
d)α-酮异戊酸至缬氨酸的转化，其可被例如转氨酶或缬氨酸脱氢酶催化；
e)缬氨酸至异丁胺的转化，其可被例如缬氨酸脱羧酶催化；
f)异丁胺至异丁醛的转化，其可被例如ω转氨酶催化；以及，
g)异丁醛到异丁醇的转化，其可被例如支链醇脱氢酶催化。
在另一个实施例中，异丁醇生物合成途径包括下列底物至产物的转化：
a)丙酮酸至乙酰乳酸的转化，其可被例如乙酰乳酸合酶催化；
b)乙酰乳酸至2，3-二羟基异戊酸的转化，其可被例如乙酰羟酸还原异构酶催化；
c)2，3-二羟基异戊酸至α-酮异戊酸的转化，其可被例如乙酰羟酸脱水酶催化；
d)α-酮异戊酸至异丁酰-CoA的转化，其可被例如支链酮酸脱氢酶催化；
e)异丁酰-CoA至异丁醛的转化，其可被例如酰化乙醛脱氢酶催化；以及，
f)异丁醛到异丁醇的转化，其可被例如支链醇脱氢酶催化。
用于制备可使用的1-丁醇的生物合成途径包括在美国专利申请公布2008/0182308中描述的那些，该文献以引用的方式并入本文。在一个实施例中，1-丁醇生物合成途径包括下列底物至产物的转化：
a)乙酰-CoA至乙酰乙酰-CoA的转化，其可被例如乙酰-CoA乙酰转移酶催化；
b)乙酰乙酰-CoA至3-羟丁酰-CoA的转化，其可被例如3-羟丁酰-CoA脱氢酶催化；
c)3-羟丁酰-CoA至巴豆酰-CoA的转化，其可被例如巴豆酸酶催化；
d)巴豆酰-CoA至丁酰-CoA的转化，其可被例如丁酰-CoA脱氢酶催化；
e)丁酰-CoA至丁醛的转化，其可被例如丁醛，脱氢酶催化；以及，
f)丁醛至1-丁醇的转化，其可被例如丁醇脱氢酶催化。
用于制备可使用的2-丁醇的生物合成途径包括在美国专利申请公布2007/0259410和美国专利申请公布2009/0155870中描述的那些，它们以引用的方式并入本文。在一个实施例中，2-丁醇生物合成途径包括下列底物至产物的转化：
a)丙酮酸至α-乙酰乳酸的转化，其可被例如乙酰乳酸合酶催化；
b)α-乙酰乳酸至乙偶姻的转化，其可被例如乙酰乳酸脱羧酶催化；
c)乙偶姻至3-氨基-2-丁醇的转化，其可被例如乙偶姻胺化酶催化；
d)3-氨基-2-丁醇至3-氨基-2-丁醇磷酸的转化，其可被例如氨基丁醇激酶催化；
e)3-氨基-2-丁醇磷酸至2-丁酮的转化，其可被例如氨基丁醇磷酸磷酸化酶催化；以及，
f)2-丁酮至2-丁醇的转化，其可被例如丁醇脱氢酶催化。
在另一个实施例中，2-丁醇生物合成途径包括下列底物至产物的转化：
a)丙酮酸至α-乙酰乳酸的转化，其可被例如乙酰乳酸合酶催化；
b)α-乙酰乳酸至乙偶姻的转化，其可被例如乙酰乳酸脱羧酶催化；
c)乙偶姻至2，3-丁二醇的转化，其可被例如丁二醇脱氢酶催化；
d)2，3-丁二醇至2-丁酮的转化，其可被例如二醇脱水酶催化；以及，
e)2-丁酮至2-丁醇的转化，其可被例如丁醇脱氢酶催化。
用于制备可使用的2-丁醇的生物合成途径包括在美国专利申请公布2007/0259410和美国专利申请公布2009/0155870中描述的那些，它们以引用的方式并入本文。在一个实施例中，2-丁酮生物合成途径包括下列底物至产物的转化：
a)丙酮酸至α-乙酰乳酸的转化，其可被例如乙酰乳酸合酶催化；
b)α-乙酰乳酸至乙偶姻的转化，其可被例如乙酰乳酸脱羧酶催化；
c)乙偶姻至3-氨基-2-丁醇的转化，其可被例如乙偶姻胺化酶催化；
d)3-氨基-2-丁醇至3-氨基-2-丁醇磷酸的转化，其可被例如氨基丁醇激酶催化；以及，
e)3-氨基-2-丁醇磷酸至2-丁酮的转化，其可被例如氨基丁醇磷酸磷酸化酶催化。
在另一个实施例中，2-丁酮生物合成途径包括下列底物至产物的转化：
a)丙酮酸至α-乙酰乳酸的转化，其可被例如乙酰乳酸合酶催化；
b)α-乙酰乳酸至乙偶姻的转化，其可被例如乙酰乳酸脱羧酶催化；
c)乙偶姻至2，3-丁二醇的转化，其可被例如丁二醇脱氢酶催化；
d)2，3-丁二醇至2-丁酮的转化的转化，其可被例如二醇脱水酶催化。
术语“乙酰羟酸合酶”、“乙酰乳酸合酶”和“乙酰乳酸合成酶”(缩写为“ALS”)在本文中互换使用，指催化丙酮酸转化成乙酰乳酸和二氧化碳的酶。已知乙酰乳酸合酶的例子为EC编号2.2.1.6(EnzymeNomenclature 1992，Academic Press，San Diego)。这些未经修饰的酶可得自多种来源，包括但不限于枯草芽孢杆菌(基因库编号：CAB15618、Z99122，分别是NCBI(National Center for Biotechnology Information)氨基酸序列、NCBI核苷酸序列)、肺炎克雷伯氏菌(Klebsiella pneumoniae)(基因库编号：AAA25079、M73842)和乳酸乳球菌(Lactococcus lactis)(基因库编号：AAA25161、L16975)。
术语“酮醇酸还原异构酶”(“KARI”)、“乙酰羟酸异构还原酶”和“乙酰羟酸还原异构酶”将互换使用并且是指能够催化(S)-乙酰乳酸转化成2，3-二羟基异戊酸的反应的酶。KARI酶的例子可归类为EC编号EC1.1.1.86(Enzyme Nomenclature 1992，Academic Press，San Diego)，并且得自多种微生物，包括但不限于大肠杆菌(基因库编号：NP_418222、NC_000913)、啤酒糖酵母(基因库编号：NP_013459，NC_001144)、海沼甲烷球菌(Methanococcus maripaludis)(基因库编号：CAF30210、BX957220)和枯草芽孢杆菌(基因库编号：CAB14789、Z99118)。KARIs包括Anaerostipes caccaeKARI变体“K9G9”和“K9D3”(参见美国专利申请公布2012/0149080，其以引用方式并入本文)。酮醇酸还原异构酶在美国专利申请公布2008/0261230、2009/0163376和2010/0197519以及PCT专利申请公布WO 2011/041415中有所描述，它们以引用的方式并入本文。本文所述的KARI的例子为来源于乳酸乳球菌(Lactococcus lactis)、霍乱弧菌(Vibrio cholera)、铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)PAO1和荧光假单胞菌(Pseudomonasfluorescens)PF5突变体的那些。在一些实施例中，KARI利用NADH。在一些实施例中，KARI利用还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)。
术语“乙酰羟酸脱水酶”和“二羟基酸脱水酶”(“DHAD”)是指催化2，3-二羟基异戊酸转化成α-酮异戊酸的酶。已知乙酰羟酸脱水酶的例子为EC编号EC 4.2.1.9。此类酶可得自多种微生物，包括但不限于大肠杆菌(基因库编号：YP_026248、NC000913)、啤酒糖酵母(基因库编号：NP_012550、NC 001142)、海沼甲烷球菌(M.maripaludis)(基因库编号：CAF29874、BX957219)、枯草芽孢杆菌(基因库编号：CAB14105、Z99115)、乳酸乳球菌(L.lactis)和粗糙脉孢菌(N.crassa)。以引用的方式并入本文的美国专利申请公布2010/0081154和美国专利7,851,188描述了二羟基酸脱水酶(DHAD)，其包括来自变异链球菌(Streptococcusmutans)的DHAD。
术语“支链α-酮酸脱羧酶”、“α-酮酸脱羧酶”、“α-酮异戊酸脱羧酶”或“2-酮异戊酸脱羧酶”(“KIVD”)是指催化α-酮异戊酸转化成异丁醛和二氧化碳的酶。已知支链α-酮酸脱羧酶的例子为EC编号4.1.1.72，并且得自许多来源，包括但不限于乳酸乳球菌(Lactococcus)(基因库编号：AAS49166、AY548760；CAG34226、AJ746364，鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhimurium)(基因库编号：NP_461346、NC_003197)，丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)(基因库编号：NP_149189、NC_001988)，溶酪大球菌(M.caseolyticus)和格雷氏李斯特菌(L.grayis)。
术语“支链醇脱氢酶”(“ADH”)是指催化异丁醛转化成异丁醇的酶。已知支链醇脱氢酶的例子是EC编号1.1.1.265，但是所述酶也可被归类为其它醇脱氢酶(具体地讲，EC 1.1.1.1或1.1.1.2)。醇脱氢酶可为NADPH依赖型或NADH依赖型。这些酶可得自多种来源，包括但不限于啤酒糖酵母(基因库编号：NP_010656、NC_001136、NP_014051、NC_001145)、大肠杆菌(基因库编号：NP_417484、NC_000913)，丙酮丁醇梭菌(基因库编号：NP_349892、NC_003030；NP_349891、NC_003030)。以引用方式并入本文的美国专利申请公布2009/0269823描述了SadB，来源于木糖氧化无色杆菌(Achromobacter xylosoxidans)的醇脱氢酶(ADH)。醇脱氢酶还包括马肝ADH和印度拜耶林克氏菌(Beijerinkia indica)ADH(如美国专利申请公布2011/0269199中所述，其以引用方式并入本文)。
术语“丁醇脱氢酶”是指多肽(或多种多肽)，其具有催化异丁醛转化成异丁醇或催化2-丁酮和2-丁醇的转化的酶活性。丁醇脱氢酶是乙醇脱氢酶大家族中的一个子集。丁醇脱氢酶可以为NAD-(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸)或NADP-依赖型。NAD-依赖型酶已知为EC 1.1.1.1并且可得自例如赤红球菌(Rhodococcus ruber)(基因库编号：CAD36475、AJ491307)。NADP-依赖型酶已知为EC 1.1.1.2并且可得自例如强烈火球菌(Pyrococcusfuriosus)(基因库编号：AAC25556、AF013169)。另外，丁醇脱氢酶得自大肠杆菌(基因库编号：NP 417484、NC_000913)并且环己醇脱氢酶得自不动杆菌属(Acinetobacter sp.)(基因库编号：AAG10026、AF282240)。术语“丁醇脱氢酶”也指催化丁醛转化成1-丁醇的酶，其使用NADH或NADPH作为辅因子。丁醇脱氢酶得自例如丙酮丁醇梭菌(基因库编号：NP_149325、NC_001988；注释：这种酶同时具有醛和醇脱氢酶活性)；NP_349891、NC_003030；和NP_349892、NC_003030)和大肠杆菌(基因库编号：NP_417-484、NC_000913)。
术语“支链酮酸脱氢酶”是指催化α-酮异戊酸转化成异丁酰-CoA(异丁酰-辅酶A)的酶，通常使用NAD+作为电子受体。已知支链酮酸脱氢酶的例子为编号为EC 1.2.4.4。此类支链酮酸脱氢酶由四个亚基构成，并且来自所有亚基的序列可得自多种微生物，包括但不限于枯草芽孢杆菌(基因库编号：CAB14336、Z99116；CAB14335、Z99116；CAB14334、Z99116；和CAB14337、Z99116)和恶臭假单胞菌(基因库编号：AAA65614、M57613；AAA65615、M57613；AAA65617、M57613；和AAA65618、M57613)。
术语“酰化乙醛脱氢酶”指催化异丁酰-CoA转化成异丁醛的酶，其通常使用NADH或NADPH作为电子供体。已知酰化乙醛脱氢酶的例子为EC编号1.2.1.10和1.2.1.57。此类酶得自多种来源，包括但不限于拜氏梭菌(Clostridium beijerinckii)(基因库编号：AAD31841、AF157306)、丙酮丁醇梭菌(基因库编号：NP_149325、NC_001988；NP_149199、NC_001988)、恶臭假单胞菌(基因库编号：AAA89106、U13232)和嗜热栖热菌(Thermus thermophilus)(基因库编号：YP_145486、NC_006461)。
术语“转氨酶”指催化α-酮异戊酸转化成L-缬氨酸的酶，其使用丙氨酸或谷氨酸作为胺供体。已知转氨酶的例子为EC编号2.6.1.42和2.6.1.66。这些酶可得自多个来源。依赖丙氨酸的酶的来源的例子包括但不限于大肠杆菌(基因库编号：YP_026231、NC_000913)和地衣芽孢杆菌(Bacilluslicheniformis)(基因库编号：YP_093743、NC_006322)。依赖谷氨酸的酶的来源的例子包括但不限于大肠杆菌(基因库编号：YP_026247、NC_000913)、啤酒糖酵母(基因库编号：NP_012682、NC_001142)和嗜热碱甲烷杆菌(Methanobacterium thermoautotrophicum)(基因库编号：NP_276546、NC_000916)。
术语“缬氨酸脱氢酶”指催化α-酮异戊酸转化成L-缬氨酸的酶，其通常使用NAD(P)H作为电子供体并用氨作为胺供体。已知缬氨酸脱氢酶的例子为EC编号1.4.1.8和1.4.1.9并且此类酶可得自多个来源，包括但不限于天蓝色链霉菌(Streptomyces coelicolor)(基因库编号：NP_628270、NC_003888)和枯草芽孢杆菌(基因库编号：CAB14339、Z99116)。
术语“缬氨酸脱羧酶”指催化L-缬氨酸转化成异丁胺和二氧化碳的酶。已知缬氨酸脱羧酶的例子为EC编号4.1.1.14。此类酶存在于链霉菌属(Streptomyces)中，例如生绿链霉菌(Streptomyces viridifaciens)(基因库编号：AAN10242、AY116644)。
术语“ω转氨酶”是指催化异丁胺转化成异丁醛的酶，其使用合适的氨基酸作为胺供体。已知ω转氨酶的例子为EC编号2.6.1.18，并且其得自许多来源，包括但不限于反硝化产碱菌(Alcaligenes denitrificans)(AAP92672、AY330220)、富养罗尔斯通氏菌(Ralstonia eutropha)(基因库编号：YP_294474、NC_007347)、沙雷菌(Shewanella oneidensis)(基因库编号：NP_719046、NC_004347)和恶臭假单胞菌(基因库编号：AAN66223、AE016776)。
术语“乙酰-CoA乙酰转移酶”是指催化两分子乙酰-CoA转化成乙酰乙酰-CoA和辅酶A(CoA)的酶。乙酰-CoA乙酰转移酶的例子是具有对短链酰基-CoA和乙酰-CoA的底物偏好(在正向上反应)的乙酰-CoA乙酰转移酶，并且该酶归类为E.C.2.3.1.9[Enzyme Nomenclature 1992，AcademicPress，San Diego]；但是具有更广泛底物范围的酶(E.C.2.3.1.16)也将具有功能。乙酰-CoA乙酰转移酶得自多种来源，例如，大肠杆菌(基因库编号：NP_416728、NC_000913；NCBI氨基酸序列、NCBI核苷酸序列)、丙酮丁醇梭菌(基因库编号：NP_349476.1，NC_003030；NP_149242、NC_001988，枯草芽孢杆菌(基因库编号：NP_390297、NC_000964)和啤酒糖酵母(基因库编号：NP_015297、NC_001148)。
术语“3-羟丁酰-CoA脱氢酶”是指催化乙酰乙酰-CoA转化成3-羟丁酰-CoA的酶。3-羟丁酰-CoA脱氢酶可为NADH依赖型的、具有对(S)-3-羟丁酰-CoA或(R)-3-羟丁酰-CoA的底物偏好的酶。例子可分别归类为E.C.1.1.1.35和E.C.1.1.1.30。另外，3-羟丁酰-CoA脱氢酶可为NADPH-依赖型的、具有对(S)-3-羟丁酰-CoA或(R)-3-羟丁酰-CoA的底物偏好的酶，并且其可分别归类为E.C.1.1.1.157和E.C.1.1.1.36。3-羟丁酰-CoA脱氢酶得自多种来源，例如，丙酮丁醇梭菌(基因库编号：NP_349314、NC_003030)、枯草芽孢杆菌(基因库编号：AAB09614、U29084)、富养罗尔斯通氏菌(基因库编号：YP_294481、NC_007347)和真养产碱杆菌(基因库编号：AAA21973、J04987)。
术语“巴豆酸酶”是指催化3-羟丁酰-CoA转化成巴豆酰-CoA和H2O的酶。巴豆酸酶的例子可具有对(S)-3-羟丁酰-CoA或(R)-3-羟丁酰-CoA的底物偏好并可分别归类为E.C.4.2.1.17和E.C.4.2.1.55。巴豆酸酶得自多种来源，例如，大肠杆菌(基因库编号：NP_415911、NC_000913)，丙酮丁醇梭菌(基因库编号：NP_349318、NC_003030)、枯草芽孢杆菌(基因库编号：CAB13705、Z99113)和豚鼠气单胞菌(Aeromonascaviae)(基因库编号：BAA21816、D88825)。
术语“丁酰-CoA脱氢酶”指催化巴豆酰-CoA转化成丁酰-CoA的酶。丁酰-CoA脱氢酶的例子可为NADH-依赖型的、NADPH-依赖型的或黄素-依赖型的，并且可分别归类为E.C.1.3.1.44、E.C.1.3.1.38和E.C.1.3.99.2。丁酰-CoA脱氢酶得自多种来源，例如丙酮丁醇梭菌(基因库编号：NP_347102、NC_003030)、小眼虫(Euglena gracilis)(基因库编号：Q5EU90)、AY741582)、山丘链霉菌(Streptomyces collinus)(基因库编号：AAA92890、U37135)和天蓝色链霉菌(基因库编号：CAA22721、AL939127)。
术语“丁醛脱氢酶”是指催化丁酰-CoA转化成丁醛的酶，该酶使用NADH或NADPH作为辅因子。已知具有对NADH的偏好性的丁醛脱氢酶为E.C.1.2.1.57并且得自例如拜氏梭菌(基因库编号：AAD31841、AF157306)和丙酮丁醇梭菌(基因库编号：NP.sub.--149325、NC.sub.--001988)。
术语“异丁酰-CoA变位酶”指催化丁酰-CoA转化成异丁酰-CoA的酶。这种酶使用辅酶B12作为辅因子。已知异丁酰-CoA变位酶的例子为EC编号5.4.99.13。这些酶存在于多种链霉菌属中，包括但不限于肉桂地链霉菌(Streptomyces cinnamonensis)(基因库编号：AAC08713、U67612；CAB59633、AJ246005)、天蓝色链霉菌(基因库编号：CAB70645、AL939123；CAB92663、AL939121)和阿维链霉菌(Streptomycesavermitilis)(基因库编号：NP_824008、NC_003155；NP_824637、NC_003155)。
术语“乙酰乳酸脱羧酶”指具有催化α-乙酰乳酸转化成乙偶姻的酶活性的多肽(或多种多肽)。已知乙酰乳酸脱羧酶的例子为EC 4.1.1.5并且可例如来自枯草芽孢杆菌(基因库编号：AAA22223、L04470)、土生克雷伯氏菌(Klebsiella terrigena)(基因库编号：AAA25054、L04507)和肺炎克雷伯氏菌(基因库编号：AAU43774、AY722056)。
术语“乙偶姻胺化酶”或“乙偶姻转氨酶”指具有催化乙偶姻转化成3-氨基-2-丁醇的酶活性的多肽(或多种多肽)。乙偶姻胺化酶可利用辅因子5′-磷酸吡哆醛或NADH或NADPH。所得产物可在3-位点具有(R)或(S)立体化学构型。依赖磷酸吡哆醛的酶可使用氨基酸诸如丙氨酸或谷氨酸作为氨基供体。依赖NADH-和NADPH-的酶可使用氨作为第二底物。NADH依赖的乙偶姻胺化酶，也称为氨基醇脱氢酶的合适的例子，由Ito等人进行了描述(例如，参见美国专利6,432,688)。依赖吡哆醛的乙偶姻胺化酶的例子是胺：丙酮酸氨基转移酶(也称为胺：丙酮酸转氨酶)，如Shin和Kim所述(J.Org.Chem.67：2848-2853，2002)。
术语“乙偶姻激酶”指具有催化乙偶姻转化成磷酸乙偶姻的酶活性的多肽(或多种多肽)。乙偶姻激酶可利用ATP(三磷酸腺苷)或磷酸烯醇式丙酮酸作为反应的磷酸供体。对类似底物二羟基丙酮催化类似反应的酶包括例如已知为EC 2.7.1.29的酶(参见，例如，Garcia-Alles等人，Biochemistry 43：13037-13046，2004)。
术语“乙偶姻磷酸胺化酶”指具有催化磷酸乙偶姻转化成3-氨基-2-丁醇邻位磷酸的酶活性的多肽(或多种多肽)。乙偶姻磷酸胺化酶可利用辅因子5′-磷酸吡哆醛、NADH或NADPH。所得产物可在3-位点具有(R)或(S)立体化学构型。依赖磷酸吡哆醛的酶可使用氨基酸诸如丙氨酸或谷氨酸。依赖NADH-和NADPH-的酶可使用氨作为第二底物。虽然没有对催化这种磷酸乙偶姻反应的酶的报道，但是有一种磷酸吡哆醛-依赖型的酶，提出其对相似的底物丝氨醇磷酸进行相似的反应(参见，例如，Yasuta等人，Appl.Environ.Microbial.67：4999-5009，2001)。
术语“氨基丁醇磷酸磷酸裂解酶”，也称为“氨基醇邻位磷酸裂解酶”，指具有催化3-氨基-2-丁醇邻位磷酸转化成2-丁酮的酶活性的多肽(或多种多肽)。氨基丁醇磷酸磷酸裂解酶可利用辅因子5′-磷酸吡哆醛。有对催化相似底物1-氨基-2-丙醇磷酸的类似反应的酶的报道(参见，例如Jones等人，Biochem.J.134：167-182，1973)。美国专利申请公布2007/0259410描述了来自生物胡萝卜软腐欧文氏菌(Erwinia carotovora)的氨基丁醇磷酸磷酸裂解酶。
术语“氨基丁醇激酶”指具有催化3-氨基2-丁醇转化成3-氨基-2-丁醇邻位磷酸的酶活性的多肽(或多种多肽)。氨基丁醇激酶可利用ATP作为磷酸供体。虽然没有对催化这种3-氨基-2-丁醇反应的酶的报道，但是报道了催化相似底物胆胺和1-氨基-2-丙醇的相似反应的酶(Jones等人，出处同上)。美国专利申请公布2009/0155870在实例14中描述了胡萝卜软腐欧文氏菌黑胫亚种(Erwinia carotovora subsp.Atroseptica)的氨基醇激酶。
术语“丁二醇脱氢酶”也称为“乙偶姻还原酶”，指具有催化乙偶姻转化成2，3-丁二醇的酶活性的多肽(或多种多肽)。丁二醛脱氢酶是乙醇脱氢酶大家族中的一个子集。丁二醇脱氢酶对于在醇类产物中的(R)-或(S)-立体化学构型产生可具有特异性。(S)-特异性丁二醇脱氢酶已知为EC 1.1.1.76并且可例如来自肺炎克雷伯氏菌(基因库编号：BBA13085、D86412)。(R)-特异性丁二醇脱氢酶已知为EC 1.1.1.4并且可例如来自蜡状芽孢杆菌(Bacillus cereus)(基因库编号NP 830481、NC_004722；AAP07682、AE017000)和乳酸乳球菌(基因库编号AAK04995、AE006323)。
术语“丁二醇脱水酶”，也称为“二醇脱水酶”或“丙二醇脱水酶”，是指具有催化2，3-丁二醇转化成2-丁酮的酶活性的多肽(或多种多肽)。丁二醇脱水酶可利用辅因子腺苷钴胺素(也称为辅酶Bw或维生素B12；但是维生素B12也可指不是辅酶B12的其它形式的钴胺素)。腺苷钴胺素-依赖型酶已知为EC 4.2.1.28并且可得自例如产酸克雷伯菌(Klebsiellaoxytoca)(基因库编号：AA08099(α亚基)、D45071；BAA08100(β亚基)、D45071；和BBA08101(γ亚基)、D45071(所有三个亚基是活性所需的)和肺炎克雷伯氏菌(基因库编号：AAC98384(α亚基)，AF102064；基因库编号：AAC98385(β亚基)、AF102064，基因库编号：AAC98386(γ亚基)、AF102064)。其它合适的二醇脱水酶包括但不限于B12-依赖型二醇脱水酶，其得自鼠伤寒沙门氏菌(基因库编号：AAB84102(大亚基)、AF026270；基因库编号：AAB84103(中亚基)、AF026270；基因库编号：AAB84104(小亚基)、AF026270)；和丘状菌杆菌(Lactobacillus collinoides)(基因库编号：CAC82541(大亚基)、AJ297723；基因库编号：CAC82542(中亚基)；AJ297723；基因库编号：CAD01091(小亚基)、AJ297723)；和来自短乳杆菌(Lactobacillusbrevis)(尤其是菌株CNRZ 734和CNRZ735；参见，例如，Speranza等人，J.Agric.Food Chem.45：3476-3480，1997)的酶，以及编码相应酶的核苷酸序列。二醇脱水酶基因分离方法是本领域为人们所熟知的(例如美国专利5,686,276)。
术语“丙酮酸脱羧酶”是指催化丙酮酸脱羧成乙醛和二氧化碳的酶。丙酮酸脱氢酶已知为EC编号4.1.1.1。这些酶存在于多种酵母中，包括啤酒糖酵母(基因库编号：CAA97575、CAA97705、CAA97091)。
应当理解，如本文所提供的包括异丁醇生物合成途径的宿主细胞还可包含一种或多种附加的修改。美国专利申请公布2009/0305363(以引用方式并入)公开了通过工程化酵母以表达定位于胞质的乙酰乳酸合酶和基本去除丙酮酸脱羧酶活性而提高的丙酮酸至乙酰乳酸的转化。在一些实施例中，宿主细胞包括如美国专利申请公布2009/0305363(以引用的方式并入本文)所述的修饰以降低甘油-3-磷酸脱氢酶活性和/或破坏至少一个编码具有丙酮酸脱羧酶活性的多肽的基因或破坏至少一个编码控制丙酮酸脱羧酶基因表达的调控元件的基因，包括如美国专利申请公布2010/0120105(以引用的方式并入本文)所述对宿主细胞的修饰以提供通过恩特纳-道德洛夫途径(Entner-Doudoroff Pathway)的提高的碳流量或降低的等效平衡。其他修改包括编码催化利用丙酮酸的生物合成途径中的步骤的多肽的至少一种多核苷酸的整合。其他修改包括编码具有乙酰乳酸还原酶活性的多肽的内源性多核苷酸中的至少一个缺失、突变和/或替换。在实施例中，具有乙酰乳酸还原酶活性的多肽为啤酒糖酵母的YMR226C(基因库编号EJS44181)或其同源物。附加的修改包括编码具有乙醛脱氢酶和/或醛氧化酶活性的多肽的内源性多核苷酸中的缺失、突变和/或替换。在一些实施例中，具有乙醛脱氢酶活性的多肽是来自啤酒糖酵母的ALD6。其中酵母制备宿主细胞是pdc-的具有减少葡萄糖阻遏效应的基因修饰在美国专利申请公布2011/0124060中有所描述，该文献以引用的方式并入本文。在一些实施例中，缺失或减量调节的丙酮酸脱羧酶选自：PDC1、PDC5、PDC6以及它们的组合。丙酮酸脱羧酶的例子包括但不限于来自啤酒糖酵母的Pdc1(基因库编号CAA97575)、Pdc5(基因库编号CAA97705)以及Pdc6(基因库编号CAA97091)；来自光滑假丝酵母丙酮酸脱羧酶(基因库编号CAG62667)；来自树干毕赤酵母(Pichia stipites)的Pdc1(基因库编号AAC03164)和Pdc2(基因库编号EAZ63682)；来自乳酸克鲁维酵母的丙酮酸脱羧酶(基因库编号CAA59953)；来自解脂耶氏酵母(Yarrowialipolytica)的丙酮酸脱羧酶(基因库编号CAG80835)；来自粟酒裂殖酵母的丙酮酸脱羧酶(基因库编号CAA90807)；和来自鲁氏接合酵母的丙酮酸脱羧酶(基因库编码CAR28333)。在一些实施例中，宿主细胞含有缺失或减量调节的多核苷酸，其编码催化3-磷酸甘油醛转化成1，3-二磷酸甘油酸的多肽。在一些实施例中，催化这种反应的酶是3-磷酸甘油醛脱氢酶。
在一些实施例中，任一个特定核酸分子或多肽可至少80％、85％、90％、95％、96％、97％、98％或99％与本文所述的核苷酸序列或多肽序列相同。如本领域所熟知的，术语“百分比同一性”是两条或更多条多肽序列之间或两条或更多条多核苷酸序列之间的关系，该关系通过对序列进行比较确定。本领域中“同一性”也意为多肽或多核苷酸序列之间的序列关联度，视情况而定，如由此类序列字符串的匹配来测定。“同一性”和“相似性”可容易地通过已知方法计算出来，所述的方法包括但不限于下列文献中所公开的那些：1.)Computational Molecular Biology(Lesk，A.M.编辑)OxfordUniversity：NY(1988)；2.)Biocomputing：Informatics and Genome Projects(Smith，D.W.编辑)Academic：NY(1993)；3.)Computer Analysis ofSequence Data，Part I(Griffin，A.M.和Griffin，H.G.编辑)Humania：NJ(1994)；4.)Sequence Analysis in Molecular Biology(von Heinje，G.编辑)Academic(1987)；以及5.)Sequence Analysis Primer(Gribskov，M.和Devereux，J.编辑)Stockton：NY(1991)。
设定确定同一性的方法来用于给出待测试序列之间的最佳匹配。确定同一性和相似性的方法在可公开获得的计算机程序中编成了代码。序列比对和百分比同一性计算可以用LASERGENE生物信息学计算软件包(LASERGENE bioinformatics computing suite(DNASTAR Inc.，Madison，WI))中的MegAlignTM程序进行。序列的多重比对使用“Clustal比对方法”进行，该方法涵盖若干个不同的算法，包括对应于称为Clustal V的比对方法的“Clustal V比对方法”(公开于Higgins和Sharp，CABIOS.5：151-153，1989；Higgins等人，Comput.Appl.Biosci.8：189-191(1992))中，并且可以在LASERGENE生物信息学计算软件包(DNASTAR Inc.)中的MegAlignTM程序中找到的比对方法。对于多重比对，默认值对应于GAPPENALTY＝10以及GAP LENGTH PENALTY＝10。用Clustal方法进行成对比对和蛋白质序列的百分比同一性计算的默认参数为KTUPLE＝1、GAPPENALTY＝3、WINDOW＝5以及DIAGONALS SAVED＝5。对于核酸，这些参数为KTUPLE＝2、GAP PENALTY＝5、WINDOW＝4以及DIAGONALSSAVED＝4。在使用Clustal V程序进行序列比对后，通过查看同一程序中的“序列距离”表格有可能获得“百分比同一性”。此外，也可以使用“Clustal W比对方法”，该方法对应于称为Clustal W的比对方法(描述于Higgins和Sharp，CABIOS.5：151-153，1989；Higgins等人，Comput.Appl.Biosci.8：189-191，(1992))，并且可以在LASERGENE生物信息学计算软件包(DNASTAR Inc.)中的MegAlignTMv6.1程序中找到的比对方法。用于多重比对的默认参数(GAP PENALTY＝10、GAP LENGTHPENALTY＝0.2、Delav Divergen Seqs(％)＝30、DNA转换权重(DNATransition Weight)＝0.5、蛋白质权重矩阵(Protein Weight Matrix)＝Gonnet系列和DNA权重矩阵(DNA Weight Matrix)＝IUB)。在使用Clustal W程序进行序列比对后，通过查看在同一程序中的“序列距离”表有可能获得“百分比同一性”。
标准重组DNA和分子克隆技术是本领域所熟知的并且在如下文献中有更全面的描述：Sambrook等人(Sambrook，J.，Fritsch，E.F.和Maniatis，T.(Molecular Cloning：A Laboratory Manual；Cold Spring Harbor LaboratoryPress，Cold Spring Harbor，1989，此处称为Maniatis)以及Ausubel等人(Ausubel等人，Current Protocols in Molecular Biology，由Greene PublishingAssoc.and Wiley-Interscience出版，1987)。包括丁醇生物合成途径的构造微生物的方法的例子公开于例如美国专利7,851,188和美国专利申请公布2007/0092957；2007/0259410；2007/0292927；2008/0182308；2008/0274525；2009/0155870；2009/0305363；和2009/0305370中，它们每个全文以引用方式并入本文。
尽管本发明的多个实施例已如本文所述，但是应当理解它们仅仅以举例的方式存在，并且不受限制。对相关领域的技术人员将显而易见的是能够在不脱离本发明的实质和范围下能够对其进行形式和细节的多种变型。因此，本发明的广度和范围应不受任何上述示例性实施例的限制，但应仅仅根据以下权利要求及其等同物限定。
在本说明书中提及的所有公布、专利和专利申请均指示本发明所属领域的技术人员的技术水平，并且以引用方式并入本文至如同每个单独的公布、专利或专利申请被具体且单独地指明为以引用方式并入的相同程度。
实例
以下非限制性实例将进一步示出本发明。应当理解，虽然以下实例涉及用玉米作为原料，但是其它生物质源诸如甘蔗可用作原料而不背离本发明。此外，虽然以下实例涉及乙醇和丁醇，但是可制备其它醇而不背离本发明。
实例1-5所述的测定和方法可用于确定某些发酵条件和工艺条件(例如，压力、温度、pH等)对细胞活性的影响。
实例1.真空对细胞活性的影响
被工程化以由碳水化合物源制备产物醇的啤酒糖酵母菌株在接种瓶中由冷冻培养物生长至0.55-1.1g/L干细胞重量。培养物在23-26℃下生长于以300rpm旋转的培养箱中。所述冷冻培养物原先被储存在-80℃下。
对一系列比较例进行真空对微生物活性的影响的测试。使用葡萄糖利用率、光密度(OD)和细胞计数确定微生物的健康状态。
葡萄糖浓度使用YSI Life Sciences 2700 SelectTM生物化学分析仪来测量。发酵样品在1.7mL微量离心管中以13,200rpm离心2分钟并分析含水上清液的葡萄糖浓度。
光密度使用Thermo Electron Corporation Helios α-分光光度计来测量。测量通常在600纳米的波长下进行。
细胞计数用Bright-LineTM血球计结合Zeiss Axioskop 40显微镜在40倍放大下进行。活性通过用染色死细胞的0.08％台盼蓝NaCl溶液染色来测定。
原始培养物通过在培养摇床(Innova 4200，New Brunswick Scientific，Edison，NJ)中，在30℃和250rpm下，将微生物的冷冻甘油种子原液在每2L三角烧瓶2×500mL YPD(50g/L)中培育16小时来制备。测量OD并进行细胞计数以检测真空暴露之前原始培养物的活性。
一旦进行初始测量，就将培养物无菌转移至无菌圆底反应器中，其中经过大约5分钟缓慢抽真空(“慢真空”)直至其达到52-53mmHg，在此情况下将其保持15分钟。然后将反应器恢复到大气压。收集样品用于细胞计数并接种新培养物(0.25mL到250mL的新鲜YPD)，以通过监测24小时内的生长(OD)和葡萄糖消耗来测定细胞活性。结果示于表1和表2中。
将另一原始液体培养基暴露于第二更快的真空中，约20秒(“快真空”)达到54mmHg，然后恢复到大气压。收集样品用于细胞计数以及接种新烧瓶，以通过监测24小时内的生长(OD)和葡萄糖消耗来测定细胞活性。结果示于表1和表2中。细胞活性通过使用台盼蓝鉴定死细胞进行细胞计数来测定。在显微镜下检查最终样品的培养物纯度。
表1
表2
实例2.温度对细胞活性的影响
进行研究以测定温度对啤酒糖酵母菌株(NGCI-070)活性的影响。该啤酒糖酵母菌株的构造在美国专利申请公布2011/0244536中有所描述，其全文并入本文。
原始培养物通过在培养摇床(Innova 4200，New Brunswick Scientific，Edison，NJ)中，在30℃下，将NGCI-070的种子原液在10mL培养基管中培育32小时来制备。然后，用原始培养物的等分试样接种包含50mL液体培养基的Klett烧瓶，并且所述烧瓶在培养摇床中于30℃下培育。使细胞生长直至Klett读数达到约220-250，然后将15mL等分试样添加到50mL离心管中。
将液体培养基(3.6mL)添加到无菌试管中并将试管在50℃水浴中预热10分钟。将细胞(0.4mL)添加到试管中，然后在50℃下培育并持续不同时间点(例如，0、3、6、9和12分钟)。培育之后，将0.1mL细胞接种在YPD(酵母提取物-蛋白胨-右旋糖)II平板上(3g/L葡萄糖和3g/L乙醇)并将另外0.1mL细胞添加到9.9mL培养基中用于进一步稀释。将这些稀释物也接种在YPD II平板上。YPD平板在30℃下培育5天，然后计数。结果示于表3中。
细胞活性也使用类似方案在60℃和70℃下进行评估。细胞在60℃下培育0、1、2、3和4分钟并且在70℃下培育0、15、30、45和60秒。结果示于表3中。
表3
实例3.pH对细胞活性的影响
进行研究以测定pH对酵母菌株，啤酒糖酵母活性的影响。
初始培养物通过在培养摇床(Innova 4200，New Brunswick Scientific，Edison，NJ)中，在30℃下，将酵母的种子原液在包含YPS(酵母提取物-蛋白胨-蔗糖)培养基的10mL管中培育24小时来制备。然后，用原始培养物的等分试样接种包含100mL液体培养基的Klett烧瓶，并且在培养摇床中在30℃下培育所述烧瓶。使细胞生长直至Klett读数达到约250。
将细胞(25mL)从Klett烧瓶中去除并添加到具有无菌搅拌棒的无菌烧杯中。用6N NaOH调节pH直至获得期望的pH(例如，约pH 11、12或13)。然后使细胞维持在该pH并持续不同时间点(例如，0、10、20、30分钟)。将细胞接种在YPS琼脂平板上并在30℃下培育2天，然后计数。结果示于表4中。
表4
实例4.温度和pH对细胞活性的影响
进行研究以测定温度和pH对酵母菌株，啤酒糖酵母活性的影响。
初始培养物通过在培养摇床(Innova 4200，New Brunswick Scientific，Edison，NJ)中，在30℃下，将酵母的种子原液在包含YPS培养基的10mL管中培育24小时来制备。然后，用原始培养物的等分试样接种包含50mL液体培养基的Klett烧瓶，并且在培养摇床中于30℃下培育所述烧瓶。使细胞生长直至Klett读数达到约250。
将YPS培养基的等分试样(100mL)添加到烧杯中并用6N NaOH调节pH直至获得期望的pH(例如，约pH 9、10或11)。利用0.2μ过滤器将培养基过滤灭菌，然后将等分试样(9mL)添加到无菌管中。所述管通过在40℃水浴中温育来预热，然后将向每个管中添加细胞(1mL)。在40℃下培育细胞并持续不同时间点(例如，0、2.5、5和10分钟)。细胞也在环境温度下培育并持续不同时间点(例如，0、2.5、5和10分钟)。将细胞接种在YPS平板上并在30℃下培育2天，然后计数。结果示于表5中。
表5
使用更高温度和更高pH进行类似实验。向带有无菌搅拌棒的无菌烧瓶中的90mL YPS培养基中添加细胞(10mL)。用6N NaOH调节pH直至获得期望的pH(例如，约pH 10、11或12)。然后，在50℃下培育细胞并持续不同时间点(例如，0、2.5、7.5和15分钟)。细胞也在环境温度下培育并持续不同时间点(例如，0、5、10和20分钟)。培育后，将细胞接种在YPS平板上并在30℃下培育2天，然后计数。结果示于表6中。
表6
实例5.消毒剂对细胞活性的影响
进行研究以测定消毒剂对酵母菌株，啤酒糖酵母活性的影响。
初始培养物通过在培养摇床(Innova 4200，New Brunswick Scientific，Edison，NJ)中，在30℃下，将酵母的种子原液在包含YPS培养基的10mL管中培育24小时来制备。然后，用原始培养物的等分试样接种包含50mL液体培养基的Klett烧瓶，并且在培养摇床中于30℃下培育所述烧瓶。使细胞生长直至Klett读数达到约220。
将Dey-Engley中和液体培养基(DE液体培养基)(Sigma-AldrichCorp.，St.Louis，MO)用作中和稀释剂。用15g/L琼脂制备DE液体培养基(1L)并在121℃下灭菌15分钟。将DE液体培养基/琼脂冷却至45℃，并将等分试样(10mL)添加到保持在水浴中的无菌试管中。薄板也用DE液体培养基/琼脂制备。
多种消毒剂的溶液如下制备：
a)基于碘伏的洗涤剂(Steris Corporation，Mentor，OH)：将0.938mL的添加到最终体积为100mL的水中(0.94％)(Millipore，Billerica，MA)；
b)过氧化合物、表面活性剂和有机酸的共混物(E.I.duPont deNemours and Company，Wilmington，DE)：将1g添加到最终体积为100mL的水中(1％)；
c)70％醇溶液：将70mL乙醇添加到最终体积为100mL的水中；
d)季铵类消毒剂，二癸基二甲基氯化铵和苯扎氯铵、辛基二甲基氧化胺(Reckitt Benckiser North America，Parsippany，NJ)：将0.781mL的季铵类消毒剂添加到最终体积为100mL的 水中(0.78％)；以及
e)缓冲苯酚和苯酚钠(Contec，Inc.，Spartanburg，SC)：直接使用。
将细胞(5mL)与5mL无菌PBS或5mL的消毒剂溶液混合，并且培育并持续不同时间点(0.5、1、2.5、5或10分钟)。然后，将0.1mL的细胞混合物添加到试管中的10mL DE液体培养基/琼脂中，混合并将该混合物倒在DE液体培养基/琼脂板上。干燥之后，将所述板倒置并在30℃下培育。结果示于表7和图13中。黑条表示该测试的最大检测限。
表7
*ND：未测定
本文所述方法可使用计算模型诸如Aspen模型来展示(参见，例如，美国专利7,666,282)。例如，商业建模软件Aspen(AspenTechnology，Inc.，Burlington，MA)可与物理特性数据库诸如购自American Institute of Chemical Engineers，Inc.(New York，NY)的DIPPR联合使用以开发完整的产物醇(例如，乙醇、丁醇)发酵、纯化和水管理方法的Aspen模型。这种过程建模可进行许多基本的工程计算，例如质量和能量平衡，气/液平衡以及反应速率计算。为了生成Aspen模型，信息输入可包括，例如实验数据、原料的水含量和组成、醪蒸煮和闪蒸的温度、糖化条件(例如，酶进料、淀粉转化率、温度、压力)、发酵条件(例如，微生物进料、葡萄糖转化率、温度、压力)、脱气条件、溶剂柱、预闪蒸塔、冷凝器、蒸发器、离心机等。分批发酵使用平均组成和流速以稳态、连续过程建模。实例6至10表示本文所述方法的Aspen模型。
实例6.乙醇流程图
开发Aspen模型，其中在严格的材料和能量平衡下使作为原料的玉米发酵(53400kg/h)以制备乙醇。该模型包括作为连续处理的近似序批式发酵。发酵和蒸馏过程的实例示于图10中并且蒸发系列的一个实例示于图6中。
在大气压下从发酵900中排放蒸气901，所述蒸气具有如下平均连续摩尔组成：93.6％二氧化碳、4.5％水和1.9％乙醇，并且包含361kg/h乙醇。在32℃和2atm下从发酵容器900的底部释放啤酒902，其具有129g/L的连续乙醇浓度并且包含0.33重量％溶解的二氧化碳。在94.6℃和0.8atm下，蒸发系列产生28027kg/h的水蒸气506，其提供啤酒塔910中的汽提蒸气903。在87℃和0.6atm下流量为6045kg/h的水蒸气918从液化醪中闪蒸并注入侧塔970中以提供用于回收乙醇的附加能量。从蒸馏过程中排放大气压气体流912，其具有如下摩尔组成：88.5％二氧化碳、4.8％水和6.7％乙醇，并且包含36kg/h乙醇。将涤气器用于处理总醇负载为397kg/h乙醇的两种蒸气901和912。以17939kg/h制备具有水含量为0.08重量％水的最终乙醇产物914。
实例7.不具有热或水添加的真空丁醇闪蒸
开发ASPEN模型，其中在严格的材料和能量平衡下使作为原料的玉米发酵(53400kg/h)以制备异丁醇。该模型包括作为连续处理的近似序批式发酵。该发酵过程的实例示于图2中，蒸发系列的一个实例示于图6中，并且蒸馏过程的一个实例示于图8中。
在大气压下从发酵100中排放蒸气102，所述蒸气具有如下平均连续摩尔组成：94.5％二氧化碳、4.7％水和0.8％异丁醇，并且包含129kg/h异丁醇。在恒定的32℃和2atm下从发酵容器100的底部去除混合平均流量为3666公吨/小时的料流104，所述料流具有33.4g/L的平均异丁醇浓度并且包含0.26重量％溶解的二氧化碳。在预闪蒸110中将该料流的压力绝热降低至0.3atm(约4psia)以制备包含0.03重量％溶解的二氧化碳的料流105。在29.7℃下于闪蒸120中将该料流的压力进一步绝热降低至0.0492atm(约0.7psia)，以产生平均异丁醇浓度为31.7g/L的料流103。不向所述闪蒸120中添加液态水(料流712)或气态水(料流608)。来自预闪蒸和闪蒸的蒸气通过如下构造处理，所述构造包括一个去除20.4GJ/h冷冻负荷的制冷接触冷凝器130，两个采用650kW混合功率的离心式压缩机140和160，以及两个总计9.3GJ/h负荷的水冷却器150和170。该处理产生混合液体冷凝物流117，其包含浓度为40.7重量％的6516kg/h异丁醇，以及在大气压下排放的蒸气流115，所述蒸气流具有如下平均连续摩尔组成：92.4％二氧化碳、5.5％水和2.1％异丁醇，并且包含334kg/h异丁醇。闪蒸***的物料平衡示于表8中。
表8
料流 104 106 105 712 608 107 103
温度，℃ 32 31.6 31.6 - - 29.7 29.7
压力，atm 2 0.3 0.3 - - 0.0492 0.0492
二氧化碳，kg/hr 8763 7634 1129 - - 1120 9
水，kg/hr 2890370 574 2889796 - - 9118 2880678
异丁醇，kg/hr 111994 431 111563 - - 6418 105145
在32℃和2atm下从发酵容器100的底部释放啤酒101，其包含浓度为62.5g/L的7472kg/h异丁醇并且包含0.31重量％溶解的二氧化碳。在94.8℃和0.8atm下，蒸发系列产生23124kg/h的水蒸气506，其提供啤酒塔700中的汽提蒸气702。在87℃和0.6atm下流量为5947kg/h的水蒸气707从液化醪中闪蒸并注入侧塔730中以提供附加的能量用于回收异丁醇。经由真空泵从蒸馏过程中排放气体流721，其具有如下摩尔组成：78.4％二氧化碳、15.7％水和5.9％异丁醇，并且包含49kg/h异丁醇。涤气器用于处理总醇负载为512kg/h异丁醇的蒸气102、115和721。以14487kg/h制备水含量为0.6重量％水的最终异丁醇产物718。
在该实例中，约45％的在发酵100中产生的异丁醇经由料流117去除，其中大部分剩余的产品保留有啤酒101。不向闪蒸120中添加水或蒸汽，发酵100中的最大异丁醇浓度为约60g/L。约87％的溶解于料流104中的二氧化碳在预闪蒸110中释放。对该实例的涤气器施加比制备乙醇的实例6高近30％的醇负载。
实例8.用热水但不添加蒸汽的丁醇闪蒸
开发ASPEN模型，其中在严格的材料和能量平衡下使作为原料的玉米发酵(53400kg/h)以制备异丁醇。该模型包含作为连续处理的近似序批式发酵。该发酵过程的一个实例示于图2中，蒸发系列的一个实例示于图6中，并且蒸馏过程的一个实例示于图8中。
在大气压下从发酵100中排放蒸气102，所述蒸气具有如下平均连续摩尔组成：94.5％二氧化碳、4.7％水和0.8％异丁醇，并且包含113kg/h异丁醇。在恒定的32℃和2atm下从发酵容器100的底部去除混合平均流量为3904公吨/小时的料流104，所述料流具有30.8g/L的平均异丁醇浓度并且包含0.26重量％溶解的二氧化碳。在预闪蒸110中将该料流的压力绝热降低至0.3atm(约4psia)以制备包含0.03重量％溶解的二氧化碳的料流105。在29.8℃下在闪蒸120中将该料流的压力进一步绝热降低至0.0492atm(约0.7psia)，以产生平均异丁醇浓度为29.2g/L的料流103。在78.8℃下向所述闪蒸120中添加液态水712(9016kg/h)。来自预闪蒸和闪蒸的蒸气通过如下构造处理，所述构造包括一个去除21.8GJ/h冷冻负荷的制冷接触冷凝器130，两个采用691kW混合功率的离心式压缩机140和160，以及两个总计9.9GJ/h负荷的水冷却器150和170。该处理产生混合液体冷凝物流117，其包含浓度为39.2重量％的6587kg/h异丁醇，以及在大气压下排放的蒸气流115，所述蒸气流具有如下平均连续摩尔组成：92.4％二氧化碳、5.5％水和2.1％异丁醇，并且包含354kg/h异丁醇。闪蒸***的物料平衡示出于表9中。
表9
料流 104 106 105 712 608 107 103
温度，℃ 32 31.6 31.6 78.8 - 29.8 29.8
压力，atm 2 0.3 0.3 1 - 0.0492 0.0492
二氧化碳，kg/hr 9306 8105 1201 0 - 1191 10
水，kg/hr 3118270 609 3117661 9005 - 9843 3116823
异丁醇，kg/hr 110638 432 110206 11 - 6510 103707
在32℃和2atm下从发酵容器100的底部释放啤酒101，其包含浓度为58g/L的7425kg/h异丁醇并包且含0.31重量％溶解的二氧化碳。在94.7℃和0.8atm下，蒸发系列产生23128kg/h的水蒸气506，其提供啤酒塔700中的汽提蒸气702。在87℃和0.6atm下流量为5978kg/h的水蒸气707从液化醪中闪蒸并注入侧塔730中以提供附加的能量用于回收异丁醇。经由真空泵从蒸馏过程中排放气体流721，所述气体流具有如下摩尔组成：78.4％二氧化碳、15.7％水和5.9％异丁醇，并且包含52kg/h异丁醇。涤气器用于处理总醇负载为519kg/h异丁醇的蒸气102、115和721。以14432kg/h制备水含量小于0.1重量％水的最终异丁醇产物718。
在该实例中，约45％的在发酵100中产生的异丁醇经由料流117去除，其中大部分剩余的产品保留有啤酒101。向闪蒸槽中添加热水以减少发酵液含量的下降，但是不向闪蒸120中添加蒸汽，发酵100中的最大异丁醇浓度仍然接近60g/L。约87％的溶解于料流104中的二氧化碳在预闪蒸110中释放。对该实例的涤气器施加比制备乙醇的实例6高31％的醇负载。在闪蒸冷凝器130入口处的料流107中，异丁醇与二氧化碳的摩尔比为3.2。
实例9.使用热水并添加蒸汽的丁醇闪蒸
开发ASPEN模型，其中在严格的材料和能量平衡下将作为原料的玉米发酵(53400kg/h)以制备异丁醇。该模型包括作为连续处理的近似序批式发酵。该发酵过程的一个实例示于图2中，蒸发系列的一个实例示于图7中，并且蒸馏过程的一个实例示于图8中。
在大气压下从发酵100中排放蒸气102，所述蒸气具有如下平均连续摩尔组成：94.8％二氧化碳、4.7％水和0.5％异丁醇，并且包含76kg/h异丁醇。在恒定的32℃和2atm下从发酵容器100的底部去除混合平均流量为3677公吨/小时的料流104，所述料流具有17.4g/L的平均异丁醇浓度并且包含0.26重量％溶解的二氧化碳。在预闪蒸110中将该料流的压力绝热降低至0.3atm(约4psia)以制备包含0.03重量％溶解的二氧化碳的料流105。在29.7℃下于闪蒸120中将该料流的压力进一步绝热降低至0.0452atm(约0.7psia)，以产生平均异丁醇浓度为14.4g/L的料流103。在84.1℃下向所述闪蒸120中添加液态水712(9008kg/h)并且在77.2℃下向所述闪蒸120中添加19319kg/h的水蒸气608。来自预闪蒸和闪蒸的蒸气通过如下构造处理，所述构造包括一个去除63.8GJ/h冷冻负荷的制冷接触冷凝器130，两个采用1030kW混合功率的离心式压缩机140和160，以及两个总计18.1GJ/h负荷的水冷却器150和170。该处理产生混合液体冷凝物流117，其包含浓度为26.5重量％的10531kg/h异丁醇，以及在大气压下排放的蒸气流115，所述蒸气流具有如下平均连续摩尔组成：92.4％二氧化碳、5.5％水和2.1％异丁醇，并且包含339kg/h异丁醇。闪蒸***的物料平衡示出于表10中。
表10
料流 104 106 105 712 608 107 103
温度，℃ 32 31.7 31.7 84.1 77.2 29.8 29.8
压力，atm 2 0.3 0.3 1 0.4 0.0492 0.0492
二氧化碳，kg/hr 8914 7752 1162 0 0 1159 3
水，kg/hr 3117680 582 3117098 9008 19319 28836 3116589
异丁醇，kg/hr 58949 261 58688 0 0 10609 48079
在32℃和2atm下从发酵容器100的底部释放啤酒101，其包含浓度为28.7g/L的3500kg/h异丁醇并且包含0.29重量％溶解的二氧化碳。在77.2℃和0.4atm下，蒸发系列产生19319kg/h的水蒸气608，其向闪蒸120提供蒸发能量。在84C和0.55atm下由所述过程中的废热产生低压蒸汽702(11239kg/h)并用作啤酒塔700中的汽提蒸气。在87℃和0.6atm下流量为5901kg/h的水蒸气707从液化醪中闪蒸并注入侧塔730中以提供附加的能量用于回收异丁醇。经由真空泵从蒸馏过程中排放气体流721，其具有如下摩尔组成：81.1％二氧化碳、13.7％水和5.2％异丁醇，并且包含40kg/h异丁醇。涤气器用于处理总醇负载为455kg/h异丁醇的蒸气102、115和721。以14365kg/h制备水含量小于0.1重量％水的最终乙醇产物718。
在该实例中，约73％的在发酵容器中产生的异丁醇经由料流117去除，其中大部分剩余的产品保留有啤酒101。向闪蒸槽中添加热水以减少发酵液含量的下降并且因为向闪蒸槽中添加蒸汽以蒸发发酵液体中包含的异丁醇的一部分，所以发酵100中的最大异丁醇浓度低于30g/L并且发酵100中的平均异丁醇浓度低于20g/L。约87％的溶解于料流104中的二氧化碳在预闪蒸110中释放。对该实例的涤气器施加比制备乙醇的实例6高15％的醇负载。在闪蒸冷凝器130入口处的料流107中，异丁醇与二氧化碳的摩尔比为5.4。
实例10.在添加热水、蒸汽并分级注入二氧化碳的情况下丁醇闪蒸
开发ASPEN模型，其中在严格的材料和能量平衡下将作为原料的玉米发酵(53400kg/h)以制备异丁醇。该模型包含作为连续处理的近似序批式发酵。该发酵过程的一个实例示于图4中，蒸发系列的一个实例示于图7中，并且蒸馏过程的一个实例示于图8中。
在大气压下从发酵300中排放蒸气302，所述蒸气具有如下平均连续摩尔组成：94.7％二氧化碳、4.7％水和0.5％异丁醇，并且包含97kg/h异丁醇。在恒定的32℃和2atm下从发酵容器300的底部去除混合平均流量为3695公吨/小时的料流304，所述料流具有22.3g/L的平均异丁醇浓度并且包含0.26重量％溶解的二氧化碳。将该料流的压力绝热降低至1atm(约14psia)并在喷雾塔310中与重新压缩的闪蒸蒸气接触以制备包含0.13重量％溶解的二氧化碳的料流307。将该料流的压力绝热降低至0.3atm(约4psia)并在喷雾塔330中与再压缩的闪蒸蒸气接触以制备包含0.03重量％溶解的二氧化碳的料流311。在29.8℃下于闪蒸350中将该料流的压力进一步绝热降低至0.04635atm(约0.7psia)，以产生平均异丁醇浓度为19.5g/L的料流303。在84.1℃下向所述闪蒸350中添加液态水712(9008kg/h)并且在77.2℃下向所述闪蒸350中添加15547kg/h的水蒸气608。来自预闪蒸和闪蒸的蒸气通过如下构造处理，所述构造包括一个去除71.1GJ冷冻负荷的制冷接触冷凝器130以及两个采用650kW混合功率的离心式压缩机140和160。该处理产生混合液体冷凝物流314，其包含浓度为27.8重量％的10147kg/h异丁醇，以及在大气压下排放的蒸气流305，所述蒸气流具有如下平均连续摩尔组成：94.7％二氧化碳、4.7％水和0.6％异丁醇，并且包含100kg/h异丁醇。闪蒸***的物料平衡示出于表11中。
表11
料流 304 306 305 307 309 308 311 712 608 312 303
温度，℃ 32 149.7 31.9 31.9 157.4 32.6 32.6 84.1 77.2 29.8 29.8
压力，atm 2 1 1 1 0.3 0.3 0.3 1 0.4 0.04635 0.04635
二氧化碳，kg/hr 8738 4277 8734 4281 10g9 4277 1103 0 0 1100 3
水，kg/hr 3098680 344 177 3098847 2845 344 3101348 9008 15547 29149 3096754
异丁醇，kg/hr 75637 204 100 75741 4047 204 79584 0 0 14194 65390
在32℃和2atm下从发酵容器300的底部释放啤酒301，其包含浓度为33.5g/L的4104kg/h异丁醇并且包含0.28重量％溶解的二氧化碳。在77.2℃和0.4atm下，蒸发系列产生15547kg/h的水蒸气608，其向闪蒸350提供蒸发能量。在84℃和0.55atm下由所述过程中的废热产生低压蒸汽702(11239kg/h)并用作啤酒塔700中的汽提蒸气。在87℃和0.6atm下流量为5924kg/h的水蒸气707从液化醪中闪蒸并注入侧塔730中以提供附加的能量用于回收异丁醇。经由真空泵从蒸馏过程中排放气体流721，其具有如下摩尔组成：81.1％二氧化碳、13.7％水和5.2％异丁醇，并且包含37kg/h异丁醇。涤气器用于处理总醇负载为234kg/h异丁醇的蒸气302、305和721。以14391kg/h制备水含量小于0.1重量％水的最终异丁醇产物718。
在该实例中，约70％的在发酵容器中产生的异丁醇经由料流314去除，其中大部分剩余的产品保留有啤酒301。向闪蒸槽中添加热水以减少发酵液含量的下降并且因为向闪蒸槽中添加蒸汽以蒸发发酵液体中包含的异丁醇的一部分，所以发酵容器中的最大异丁醇浓度低于35g/L，并且发酵容器中的平均异丁醇浓度低于25g/L。约87％的溶解于料流304中的二氧化碳在进入闪蒸350之前被释放。对该实例的涤气器施加比产生乙醇的实例6低41％的醇负载。在闪蒸冷凝器360入口处的料流312中，异丁醇与二氧化碳的摩尔比为7.7。在对不可冷凝物(二氧化碳)的这种较高浓度比例下，异丁醇回收变得更简单。通过预闪蒸步骤使来自闪蒸的二氧化碳蒸气的逆流级联减少了排放到涤气器的异丁醇的量并提供闪蒸中所需的一些能量以增加丁醇蒸发。
另外，如实例所示，本文所述的方法提供将发酵容器中的产物醇浓度维持在可使产物醇对微生物的抑制作用最小化的浓度下的装置。
实例11.丁醇分批发酵和闪蒸处理的动态模型
在MicrosoftExcel 3，2003 SP3(Microsoft Incorporated，SeattleWashington)中开发异丁醇分批发酵和闪蒸处理的动态模型。
该模型包括对作为32℃下异丁醇浓度的函数的葡萄糖吸收率和细胞生长速率测量的数据(图14)。其还包括乙醇和水体系在相关温度下的蒸气液体平衡数据。将这些数据与工艺设备规格结合，所述规格限定了发酵批次大小和增殖罐释放的级分所允许的规格(细胞干重)、异丁醇单程闪蒸、闪蒸回路的循环速率以及分批循环中闪蒸开始的时间。该模型在如下输入条件下操作：每克进料0.288g湿玉米、0.0155玉米水分、0.72玉米淀粉含量、378.5kg干细胞负载、12小时装载进料时间、807000加仑发酵容器体积、22,500加仑/分钟通过闪蒸的循环速率以及7.5％单程丁醇去除率。图15示出了模型的输出，其中闪蒸在发酵循环的时间零点下开始。该模型以不同的假设起始时间运行以产生以下表12中的结果。
表12
这些结果示出在发酵开始之后十小时开始闪蒸处理仅使循环时间延长0.7小时，在发酵开始之后二十小时开始闪蒸处理使循环时间延长3.4小时，并且在发酵开始之后三十小时开始闪蒸处理使循环时间延长11.2小时。
尽管本发明的多个实施例已如本文所述，但是应当理解它们仅仅以举例的方式存在，并且不受限制。对相关领域的技术人员将显而易见的是在不脱离本发明范围的情况下能够对其进行形式和细节的多种变型。因此，本发明的广度和范围应不受任何上述示例性实施例的限制，但应仅仅根据以下权利要求及其等同物限定。
在本说明书中提及的所有公布、专利和专利申请均指示本发明所属领域的技术人员的技术水平，并且以引用方式并入本文至如同每个单独的公布、专利或专利申请被具体且单独地指明为以引用方式并入的相同程度。

Claims (80)

1.一种用于从发酵液中去除产物醇的方法，所述方法包括：
(a)至少部分地蒸发发酵液或其一部分以形成一股或多股蒸气流，其中蒸发包括：
(i)通过一次或多次预闪蒸蒸发所述发酵液或其一部分；以及
(ii)通过闪蒸蒸发所述发酵液或其一部分；
其中所述蒸气流包含选自产物醇、水和二氧化碳的一种或多种组分；以及
(b)从所述一股或多股蒸气流或其一部分中回收产物醇。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述闪蒸的压力低于所述一次或多次预闪蒸的压力。
3.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括通过使所述一股或多股蒸气流或其一部分与冷凝溶液接触而冷凝所述一股或多股蒸气流。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述冷凝溶液包含产物醇。
5.根据权利要求3所述的方法，其中形成所述一股或多股蒸气流的所述步骤和冷凝所述一股或多股蒸气流的所述步骤在单个容器中进行。
6.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括
在真空条件下使所述一股或多股蒸气流与吸收液体接触，其中所述一股或多股蒸气流的至少一部分被吸收到吸收液体中以形成吸收液相；以及
蒸馏包含一种或多种吸收的蒸气流的吸收液相以从所述吸收液体中去除产物醇、水和二氧化碳的至少一部分。
7.根据权利要求1所述的方法，其中蒸发发酵液或其一部分以形成一股或多股蒸气流的所述步骤在约20℃至约100℃的温度下发生。
8.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括
处理由通过闪蒸蒸发所述发酵液或其一部分而形成的蒸气流。
9.根据权利要求8所述的方法，其中处理所述蒸气流以形成液体流和残余的蒸气流。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述蒸气流的处理选自冷凝、压缩、吸收、制冷以及它们的组合。
11.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括
压缩所述残余的蒸气流以形成压缩蒸气流。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述压缩蒸气流包含产物醇、水和二氧化碳。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述压缩蒸气流的产物醇含量低于步骤(a)(ii)的蒸气流的产物醇含量。
14.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括
使所述压缩蒸气流与发酵液接触。
15.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括
蒸馏所述液体流以回收产物醇。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述一次或多次预闪蒸在预闪蒸槽中发生。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述预闪蒸槽为喷雾塔。
18.根据权利要求1所述的方法，其中所述闪蒸在闪蒸槽中发生。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述闪蒸槽为喷雾塔。
20.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括在所述发酵液中培养微生物以制备产物醇。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述微生物为耐热微生物。
22.根据权利要求20所述的方法，所述方法还包括
用微量营养素补充所述发酵液。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述微量营养素包含腐蚀性产品。
24.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括
通过用抗微生物剂处理所述发酵液或其料流来防止发酵中的污染。
25.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括
提供包含可发酵碳源、不溶解固体和水的原料浆液；
从所述浆液中分离所述不溶解固体的至少一部分，由此产生(i)包含可发酵碳源的水溶液和(ii)包含固体的湿饼共产物；以及
在发酵容器中向包含微生物的发酵液中添加所述水溶液，由此制备产物醇。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述不溶解固体通过以下方法从原料浆液中分离：滗析器碗离心、三相离心、盘叠离心、过滤离心、滗析器离心、过滤、真空过滤、带式过滤器、压滤、使用筛网的过滤、筛分、栅滤、多孔栅滤、浮选、水力旋流器、压滤器、螺旋压力器、重力沉降器、涡旋分离器或它们的组合。
27.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括
在发酵容器中向包含微生物的发酵液中添加包含可发酵碳源、不溶解固体和水的原料浆液，由此制备产物醇。
28.根据权利要求27所述的方法，所述方法还包括
在一次或多次预闪蒸或闪蒸之前，将所述不溶解固体的至少一部分从所述发酵液中分离。
29.根据权利要求25所述的方法，其中以使对微生物的剪切损坏最小化的流速从所述发酵容器中去除发酵液。
30.一种用于从发酵液中去除产物醇的方法，所述方法包括：
(a)至少部分地蒸发发酵液或其一部分以形成一股或多股蒸气流，其中蒸发包括：
(i)任选地在第一压力P1下在第一预闪蒸中蒸发所述发酵液或其一部分；
(ii)在第二压力P2下在第二预闪蒸中蒸发所述发酵液或其一部分；以及
(iii)在第三压力P3下在闪蒸中蒸发所述发酵液或其一部分；
其中所述一股或多股蒸气流包含产物醇、水和二氧化碳；以及
(b)从所述一股或多股蒸气流中回收产物醇。
31.根据权利要求30所述的方法，其中所述第三压力P3低于所述第二压力P2。
32.根据权利要求30所述的方法，所述方法还包括通过使所述一股或多股蒸气流或其一部分与冷凝溶液接触而冷凝所述一股或多股蒸气流。
33.根据权利要求32所述的方法，其中所述冷凝溶液包含产物醇。
34.根据权利要求32所述的方法，其中形成所述一股或多股蒸气流的所述步骤和冷凝所述一股或多股蒸气流的所述步骤在单个容器中进行。
35.根据权利要求30所述的方法，所述方法还包括
在真空条件下使一股或多股蒸气流与吸收液体接触，其中所述一股或多股蒸气流的至少一部分被吸收到所述吸收液体中以形成吸收液相；以及
蒸馏包含所述一种或多种吸收的蒸气流的吸收液相以从所述吸收液体中去除产物醇、水和二氧化碳的至少一部分。
36.根据权利要求30所述的方法，其中蒸发所述发酵液或其一部分以形成一股或多股蒸气流的所述步骤在约20℃至约100℃的温度下发生。
37.根据权利要求30所述的方法，所述方法还包括
处理由通过闪蒸蒸发所述发酵液或其一部分而形成的蒸气流。
38.根据权利要求37所述的方法，其中处理所述蒸气流以形成液体流和残余的蒸气流。
39.根据权利要求38所述的方法，其中所述蒸气流的处理选自冷凝、压缩、吸收、制冷以及它们的组合。
40.根据权利要求38所述的方法，所述方法还包括
压缩残余的蒸气流以形成压缩蒸气流。
41.根据权利要求40所述的方法，其中所述压缩蒸气流包含产物醇、水和二氧化碳。
42.根据权利要求41所述的方法，其中所述压缩蒸气流的产物醇含量低于步骤(a)(ii)的蒸气流的产物醇含量。
43.根据权利要求40所述的方法，所述方法还包括
使所述压缩蒸气流与发酵液接触。
44.根据权利要求38所述的方法，所述方法还包括
蒸馏所述液体流以回收产物醇。
45.根据权利要求30所述的方法，其中所述第一预闪蒸或第二预闪蒸在预闪蒸槽中发生。
46.根据权利要求45所述的方法，其中所述预闪蒸槽为喷雾塔。
47.根据权利要求30所述的方法，其中所述闪蒸在闪蒸槽中发生。
48.根据权利要求47所述的方法，其中所述闪蒸槽为喷雾塔。
49.根据权利要求30所述的方法，所述方法还包括在所述发酵液中培养微生物以制备产物醇。
50.根据权利要求49所述的方法，其中所述微生物为耐热微生物。
51.根据权利要求49所述的方法，所述方法还包括
用微量营养素补充所述发酵液。
52.根据权利要求51所述的方法，其中所述微量营养素包含腐蚀性产品。
53.根据权利要求30所述的方法，所述方法还包括
通过用抗微生物剂处理所述发酵液或其料流来防止发酵中的污染。
54.根据权利要求30所述的方法，所述方法还包括
提供包含可发酵碳源、不溶解固体和水的原料浆液；
从所述浆液中分离所述不溶解固体的至少一部分，由此产生(i)包含可发酵碳源的水溶液和(ii)包含固体的湿饼共产物；以及在发酵容器中向包含微生物的发酵液中添加所述水溶液，由此制备产物醇。
55.根据权利要求54所述的方法，其中所述不溶解固体通过以下方法从原料浆液中分离：滗析器碗离心、三相离心、盘叠离心、过滤离心、滗析器离心、过滤、真空过滤、带式过滤器、压滤、使用筛网的过滤、筛分、栅滤、多孔栅滤、浮选、水力旋流器、压滤器、螺旋压力器、重力沉降器、涡旋分离器或它们的组合。
56.根据权利要求30所述的方法，所述方法还包括
在发酵容器中将包含可发酵碳源、不溶解固体和水的原料浆液添加到包含微生物的发酵液中，由此制备产物醇。
57.根据权利要求56所述的方法，所述方法还包括
在所述第一预闪蒸、第二预闪蒸或闪蒸之前，将所述不溶解固体的至少一部分从所述发酵液中分离。
58.根据权利要求54所述的方法，其中以使对微生物的剪切损坏最小化的流速从所述发酵容器中去除发酵液。
59.一种用于从发酵液中去除产物醇的方法，所述方法包括：
(a)引导气体进入所述发酵液，其中产物醇的一部分转移到所述气体中；
(b)从发酵液中去除气体以回收所述产物醇；
(c)从发酵容器中去除发酵液的一部分；
(d)至少部分地蒸发发酵液或其一部分以形成一股或多股蒸气流，其中蒸发包括：
(i)任选地在第一压力P1下在第一预闪蒸中蒸发所述发酵液或其一部分；
(ii)在第二压力P2下在第二预闪蒸中蒸发所述发酵液或其一部分；以及
(iii)在第三压力P3下在闪蒸中蒸发所述发酵液或其一部分；
其中所述一股或多股蒸气流包含产物醇、水和二氧化碳；以及
(e)从所述一股或多股蒸气流中回收产物醇。
60.根据权利要求59所述的方法，其中所述第三压力P3低于所述第二压力P2。
61.根据权利要求59所述的方法，所述方法还包括通过使所述一股或多股蒸气流或其一部分与冷凝溶液接触而冷凝所述一股或多股蒸气流。
62.根据权利要求61所述的方法，其中所述冷凝溶液包含产物醇。
63.根据权利要求61所述的方法，其中形成所述一股或多股蒸气流的所述步骤和冷凝所述一股或多股蒸气流的所述步骤在单个容器中进行。
64.根据权利要求59所述的方法，所述方法还包括
在真空条件下使所述一股或多股蒸气流与吸收液体接触，其中所述一股或多股蒸气流的至少一部分被吸收到所述吸收液体中以形成吸收液相；以及
蒸馏包含所述一种或多种吸收的蒸气流的吸收液相以从所述吸收液体中去除产物醇、水和二氧化碳的至少一部分。
65.根据权利要求59所述的方法，其中蒸发所述发酵液或其一部分以形成一股或多股蒸气流的所述步骤在约20℃至约100℃的温度下发生。
66.根据权利要求59所述的方法，其中所述第一预闪蒸或第二预闪蒸在预闪蒸槽中发生。
67.根据权利要求66所述的方法，其中所述预闪蒸槽为喷雾塔。
68.根据权利要求59所述的方法，其中所述闪蒸在闪蒸槽中发生。
69.根据权利要求68所述的方法，其中所述闪蒸槽为喷雾塔。
70.根据权利要求59所述的方法，所述方法还包括在所述发酵液中培养微生物以制备所述产物醇。
71.根据权利要求49所述的方法，其中所述微生物为耐热微生物。
72.根据权利要求59所述的方法，所述方法还包括
在发酵容器中向包含微生物的发酵液中添加包含可发酵碳源、不溶解固体和水的原料浆液，由此制备产物醇。
73.根据权利要求72所述的方法，所述方法还包括
在所述第一预闪蒸、第二预闪蒸或闪蒸之前，将所述不溶解固体的至少一部分从所述发酵液中分离。
74.一种用于回收产物醇的***，所述***包括选自发酵容器、预闪蒸槽、闪蒸槽、涤气器、蒸发系列和蒸馏塔的一个或多个组件。
75.根据权利要求74所述的***，其中所述蒸发系列包括四(4)主体设置双(2)效应或双(2)主体设置四(4)效应。
76.根据权利要求74所述的***，其中所述预闪蒸槽和/或闪蒸槽为喷雾塔。
77.根据权利要求74所述的***，所述***还包括选自啤酒塔、精馏器、再沸器、冷凝器和压缩机的一个或多个组件。
78.一种组合物，所述组合物包含通过权利要求1、30和59中任一项所述的方法回收的产物醇。
79.一种组合物，所述组合物包含通过权利要求25或54所述的方法制备的湿饼。
80.一种动物饲料，所述动物饲料包含权利要求79所述的组合物。
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