一種利用連續色譜技術分離丁醇發酵液的工藝的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于生物技術加工領域，具體涉及利用連續色譜技術從丁醇發酵液中提取 丁醇的方法。
【背景技術】
[0002] 丁醇（正丁醇或1-丁醇）及其衍生物是重要的化工原料，廣泛應用于食品、醫藥、 農業、化工能源等領域。丁醇主要用于生產丙烯酸丁酯和甲基丙烯酸丁酯類增塑劑，用于各 種塑料和橡膠行業中，約占丁醇消費總量的40% ;丁醇還可用于藥物的合成，如抗生素、維 生素和激素等，以及作為，香料的萃取劑，制動液的最佳稀釋劑。由于丁醇的能量密度、空燃 比、汽化熱和辛烷值都和汽油比較接近，可以在不對現有汽油發動機燃料混合系統進行徹 底改造的前提下，以一定比例與汽油混用，是一種極具潛力的新型生物燃料。
[0003] 現有丁醇制備方法主要有化學合成法和微生物發酵法。近年來隨著國際石油價 格的劇烈波動以及石油等化石資源的不可再生，微生物發酵法制備丁醇成為主要的研宄方 向。微生物發酵法是利用可再生的生物質能源（纖維素、淀粉、糖蜜等）為原料，在丙酮-丁 醇梭菌作用下得到丙酮（Acetone)、乙醇（Ethanol)和丁醇（Butanol)發酵液，該發酵過程 也稱為ABE發酵。整個發酵過程會受到嚴重的產物抑制作用，會導致發酵的總溶劑質量分 數< 2%，因此必須開發有效、經濟的方法將產物丁醇及時地從發酵液中移出，降低產物抑 制，從而提高發酵效率與時空效率，降低工業成本。
[0004] 為了獲得商品化的丁醇，采用常規精餾方法直接分離發酵液中的1. 2%的丁醇， 能耗需求高，生產It溶劑需要消耗蒸汽10~15t，水50~70t。當丁醇濃度由10g/ L提升至40g/L，所消耗的能量可以降低幾個數量級。針對生物丁醇下游工藝中存在 能耗高的問題，目前應用在丁醇產業上的主要分離方法有：氣提法（gasstripping)、 液液萃取法（liquid-liquidextraction)、滲透氣化法（pervaporation)和吸附法 (adsorption)(Grootff,VanderLansR,LuybenK.Technologiesforbutanolrecovery integratedwithfermentations)。Qureshi，N.等（Qureshi，N. ，etal. ，Bioprocess andBiosystemsEnfineering)從能耗方面考慮用吸附-解吸方法回收生物丁醇，主要 考察了活性炭、骨炭、硅質巖、高分子樹脂XAD-4和XAD-7等一些吸附介質的吸附性能。 但吸附容量較低，丁醇的總回收率低下。Liu等（LiuF,LiuL,FengX.Separationof acetone-butanol-ethanol(ABE)fromdiluteaqueoussolutionsbypervaporation)利 用聚醚嵌段酰胺共聚物膜分離ABE發酵液，但滲透汽化法分離生物丁醇受膜材料本身性質 的影響比較大，成本較高。DIJK(W0 2008/095896A1)等采用一種超高交聯度的微孔樹脂分 離生物丁醇，但是該樹脂對丙酮、乙醇同時具有一定的吸附量，增大了后期ABE分離工藝的 費用。
[0005] 現有的連續色譜技術多采用四段式的操作方式，即吸附、洗雜、解吸、再生。吸附段 中所需組分與雜質均會被樹脂吸附，隨著吸附過程的進行，弱吸附組分會被強吸附組分置 換出來，因在連續工藝中，樹脂的切換方向與料液的流動方向相反，強吸附組分會隨著樹脂 的轉動進入后續階段，而弱吸附組分則會隨著料液的流動流出樹脂柱。洗雜段主要是除去 樹脂顆粒外空隙中的這部分料液，傳統洗雜劑多用水。經過洗雜段洗滌的負載樹脂進入洗 脫段進行洗脫操作。洗脫完成后再進行樹脂的再生。在連續分離系統運行時，吸附、洗雜、 洗脫和再生4個工序是同步開始的，不存在非活性樹脂，樹脂使用率大大提高。
【發明內容】
[0006] 本發明所要解決的技術問題是提供一種從丁醇發酵液中提取丁醇的方法，以解決 丁醇產業中下游分離難題，并極大降低了丁醇分離過程中的能耗，實現丁醇的規模清潔化 生產。
[0007] 為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案如下：
[0008] -種利用連續色譜技術分離丁醇發酵液的工藝，所述的丁醇發酵液為ABE發酵 液，將丁醇發酵液經過過濾和超濾處理后，得到的清液泵入裝有疏水性大孔聚合物吸附劑 的連續分離裝置中進行吸附，再用乙醇作為解吸劑進行解吸，即可得產品丁醇，以純水作為 再生劑進行吸附劑再生。
[0009] 其中，按照現有技術描述的所有丁醇發酵菌進行發酵，所得到的ABE發酵液都可 以采用本發明分離方法進行處理。所述的ABE發酵液優選由丙酮丁醇梭菌發酵，以果糖為 底物，在厭氧環境下制備得到。
[0010] 其中，所述的超濾，使用截留分子量為5000~lOOOODalton的超濾膜。
[0011] 其中，超濾后得到的清液中，丁醇的含量為8~12g/L。
[0012] 其中，所述的疏水性大孔聚合物吸附劑為弱極性樹脂，以聚苯乙烯二乙基苯為骨 架，功能基團為酯基。
[0013] 其中，所述的疏水性大孔聚合物吸附劑的內表面積為850~900m2/g，平均粒徑為 0? 6~0? 8mm，孔徑為14. 5~15. 5nm，孔容為0? 22~0? 66cm3/g，空隙率為65 %，濕密度為 1. 02 ~1. 08g/L，含水量為 40 ~70wt%。
[0014] 其中，所述的連續分離裝置，由10~30根裝填有吸附劑的樹脂柱串聯方式組成， 通過組合式閥門將整個系統分為吸附、解吸和再生三個工段，按順序切換，將吸附丁醇飽和 后的樹脂柱移出吸附段送入解吸段進行解吸，解吸段末根樹脂柱出口處收集產品液，解吸 丁醇完成后移出解吸段送入再生段進行再生，再生清洗完成后移出再生段送入吸附段再進 行吸附，如此循環的操作過程，且每個工段的第1根樹脂柱的狀態切換同步進行，并保證至 少有一根樹脂柱處于吸附階段。
[0015] 優選的是，吸附段由4~12根樹脂柱組成，吸附流速為12~21BV/h ;解吸段由 3~10根樹脂柱組成，解吸流速為1. 4~2. 0BV/h ;再生段由2~8根樹脂柱組成，再生流 速為1. 2~1. 8BV/h。
[0016] 更優選的是，樹脂柱由吸附段轉至解吸段前，并不進入洗雜段，而是將存在于樹脂 床層空隙體積中的料液以1. 0~1. 5BV/h的流量排空，避免了用水洗雜造成的產品液濃度 降低、后續精餾工藝能耗的增加和高樹脂用量。同時將排出的料液循環至原料液中重新進 入吸附段吸附。樹脂柱排空后進入解吸段前，用收集的產品液以1.〇~1. 5BV/h流量浸潤 樹脂，再開始解吸。
[0017] 更優選的是，解吸丁醇完成后的樹脂柱進入再生段前，存留于樹脂床層空隙體積 中的解吸劑以1. 0~1. 5BV/h流量排空，將排出的液體繼續用作解吸劑。樹脂柱排空后進 入再生段前，用純水以1. 0~1. 5BV/h流量浸潤樹脂，再進行下一步再生。
[0018] 其中，所述的產品液靜置分層，下層溶液返回至原料液中繼續進入吸附段吸附。
[0019] 其中，所述的連續分離裝置各工段切換時間為20~50min。
[0020] 有益效果：與現有技術相比，本發明提供了一種分離提取丁醇的方法，其優點在 于：
[0021] 1)本發明通過分析ABE發酵液丙酮、乙醇、丁醇三組分間吸/脫附競爭關系，設 計出一種性能優良的連續色譜分離工藝，該工藝能較好的分離發酵液中的丁醇，丁醇收率 99 %以上、純度93 %以上，丁醇提濃24~32倍。
[0022] 2)采用連續色譜技術分離發酵液中的丁醇提高了設備利用率，優化了分離工藝， 步驟簡單，解吸出來的產品液中丁醇濃度高，產品品質有所保證。
[0023] 3)較固定床分離法，本發明可實現樹脂用量節約30~50%，解吸劑、再生劑的用 量節約25~40%，操作費用節約40~60%，投資費用節約40~50%，所有操作均可在室 溫下進行，大大降低了分離過程的能耗。
[0024] 4)本發明的連續分離工藝簡便易行，設備投資、運行成本低廉，并可進行工藝放 大，實現從公斤級到噸級的分離，效果好。廢水排放量低，避免環境污染問題，是一種清潔高 效的生產工藝，不僅可用于ABE的分離，還可應用于其他糖類、醇類等大眾化學品的分離提 純。
【附圖說明】
[0025] 圖1本發明實施例2連續分離工藝示意圖；
[0026] 圖2本發明實施例3連續分離工藝示意圖；
[0027] 圖3本發明實施例4連續分離工藝示意圖。
[0028] 具體實施方法
[0029] 根據下述實施例，可以更好地理解本發明。然而，本領域的技術人員容易理解，實 施例所描述的內容僅用于說明本發明，而不應當也不會限制權利要求書中所詳細描述的本 發明。
[0030] 以下實施例中使用外標法對料液中的丙酮、乙醇、丁醇濃度進行檢測，色譜條件 為：
[0031] 1)檢測器：Agilent1200型高效液相色譜儀-示差檢測器；
[0032] 2)色譜柱：Bi〇-radAmiricx?HPX-87H(300mmX7. 5mmi.d.，5ym);
[0033] 3)流動相：0? 5mmol/L硫酸；
[0034] 4)流速：0?5mL/min；
[0035] 5)柱溫：15°C;
[0036] 6)進樣體積：20yL。
[0037] 檢測方法及步驟：
[0038] 1)色譜柱的平衡：配置好的流動相0. 5mmol/L硫酸用孔徑0. 22ym的混合微孔濾 膜過濾，再進行超聲處理30min。用處理好的流動相以0. 5mL/min的流速沖洗色譜柱，同時 開啟柱溫箱，開始采集基線，待基線趨于直線時，平衡結束。
[0039] 2)樣品的檢測：按照色譜條件編寫進樣序列及方法，將過膜處理后的標準品及樣 品按照進樣序列置于自動進樣器的相應位置上，開始進樣并收集圖譜信息。
[0040] 使用以下公式計算解吸后的丁醇的收率：
[0041 ]收率（％ ) =m解吸/m進*100%
[0042] 其中別表示為丁醇在吸附段進樣與解吸段流出的質量之比。
[0043] 以下實施例，所使用的疏水性大孔聚合物吸附劑（簡稱KA-I)為：弱極性樹脂，以 聚苯乙烯二乙基苯為骨架，功能基團為酯基。所述的疏水性大孔聚合物吸附劑的內表面積 為850~900m2/g，平均粒徑為0. 6~0. 8mm，孔徑為14. 5~15. 5nm，孔容為0. 22~0. 66cm3/ g，空隙率為65 %，濕密度為1. 02~1. 08g/L，含水量為40~70wt%。樹脂廠家可以根據上 述條件自行合成。
[0044] 以下實施例所用連續分離裝置，由10~30根裝填有吸附劑的樹脂柱串聯方式組 成，通過組合式閥門將整個系統分為吸附、解吸和再生三個工段，按順序切換，將吸附丁醇 飽和后的樹脂柱移出吸附段送入解吸段進行解吸，解吸段末根樹脂柱出口處收集產品液， 解吸丁醇完成后移出解吸段送入再生段進行再生，再生清洗完成后移出再生段送入吸附段 再進行吸附，如此循環的操作過程，且每個工段的第1根樹脂柱的狀態切換同步進行，并 保證至少有一根樹脂柱處于吸附階段，吸附段由4~12