用于回收和純化丙酸的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種用于從水性混合物中純化和回收丙酸的方法，所述水性混合物含有由使用甘油作為底物的發(fā)酵工藝而得到的發(fā)酵產(chǎn)物。所述方法包括：可選地將所述水性混合物酸化至pH低于4.5；使所述水性混合物經(jīng)歷使用含有重提取劑和可選的作為稀釋劑的輕提取劑的提取試劑的提取，以得到含有所述提取試劑和有機(jī)酸的提取液和含有水和任何未反應(yīng)的甘油的提余液；以及使所述提取液經(jīng)歷真空蒸發(fā)，以將含丙酸的有機(jī)酸與提取劑分離。
【專利說明】用于回收和純化丙酸的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于從水性混合物中回收和純化丙酸的方法，所述水性混合物含有由使用甘油作為底物的發(fā)酵工藝而得到的發(fā)酵產(chǎn)物。
【背景技術(shù)】
[0002]丙酸(propionic acid)(也稱為初油酸,propanoic acid)是一種天然存在的化學(xué)式為CH3CH2COOH的羧酸。它可以被用作溶劑，用作食品防腐劑，或用于除草劑制造中。丙酸也可在其它化學(xué)品特別是聚合物的生產(chǎn)中用作中間體。纖維素-乙酸酯-丙酸酯是一種有用的熱塑性塑料。在具有例如乙烯、氯乙烯和(甲基)丙烯酸酯的(共)聚合物中，丙酸乙烯酯也被用作單體。在更專門的應(yīng)用中，它也被用于制造殺蟲劑和藥物。丙酸的酯具有水果氣味并且有時被用作溶劑或人造香料。
[0003]丙酸的生產(chǎn)工藝是本領(lǐng)域已知的。目前，幾乎所有的丙酸都是由石油原料通過化學(xué)合成而生產(chǎn)的。
[0004]US2011/0124913公開了一種用于由甘油來工業(yè)制造丙酸的工藝。這使得能夠由可再生資源得到生物資源的丙酸。在含有若干耗能的分離步驟的該復(fù)雜的化學(xué)工藝中，甘油首先進(jìn)行脫氫成丙烯醛，丙烯醛被氧化成丙烯酸，以及丙烯酸最終被氫化成丙酸。
[0005]丙酸也可以經(jīng)由伴隨有乙酸和琥珀酸作為副產(chǎn)物的二羧酸途徑通過丙酸桿菌來生產(chǎn)，但由丙酸對細(xì)胞生長和丙酸合成的抑制而導(dǎo)致的低產(chǎn)率和低生產(chǎn)力(productivity)成為問題。像大多數(shù)有機(jī) 酸發(fā)酵，丙酸發(fā)酵被酸性PH和主要酵產(chǎn)物丙酸所抑制。此外，發(fā)酵是非均質(zhì)的，即，丙酸鹽隨同其它副產(chǎn)物一起產(chǎn)生。這不僅導(dǎo)致低的產(chǎn)物產(chǎn)率，而且使產(chǎn)物純化變得困難且昂貴。
[0006]為了緩和丙酸對微生物生長和丙酸合成的抑制，已經(jīng)發(fā)展了兩種途徑一提取性丙酸發(fā)酵和具有經(jīng)由適應(yīng)性進(jìn)化所得到的丙酸耐受菌的丙酸生產(chǎn)。盡管這些進(jìn)步，目前微生物丙酸生產(chǎn)仍不能在經(jīng)濟(jì)上與石油化工途徑相競爭。由農(nóng)業(yè)和工業(yè)廢棄物來生產(chǎn)丙酸可以使微生物丙酸生產(chǎn)具有經(jīng)濟(jì)競爭力。甘油是生物柴油工業(yè)的一種主要副產(chǎn)物，因此甘油可能是生產(chǎn)丙酸的廉價原料。當(dāng)對由產(chǎn)丙酸丙酸桿菌(Propionibacteriumacidipropionici)來生產(chǎn)丙酸的大多數(shù)研究集中在葡萄糖和乳清乳糖時，一些研究已經(jīng)探索了甘油作為碳源，并且觀察到甘油可能是有利的，因為在消耗甘油期間產(chǎn)生了較少的乙酸(Zhu等人，“用甘油作為碳源通過丙酸耐受的產(chǎn)丙酸丙酸桿菌來生產(chǎn)丙酸的優(yōu)化和放大”，《生物資源技術(shù)》，101 期，(2010 年),8902-8906 頁(Zhu et al.0ptimization andscale-up of propionic acid production by propionic acid-tolerant Propionibacteriumacidipropionici with glycerol as the carbon source, Bioresource TechnologylOl (2010),8902 - 8906))。
[0007]生物乙醇和生物柴油的迅速擴(kuò)大的市場顯著地改變著甘油的成本和可得性。在一般情況下，每100磅生產(chǎn)的生物柴油形成大約10磅的粗甘油。生物乙醇工藝也產(chǎn)生高達(dá)所消耗的總糖的10% (w/w)的甘油作為副產(chǎn)物。因而，粗甘油已被廣泛認(rèn)為是化工行業(yè)的有吸引力的可持續(xù)資源?；诟视偷纳锞珶捠鞘褂昧畠r且容易得到的甘油作為原料來生產(chǎn)燃料和化學(xué)品的微生物發(fā)酵工藝。低級粗甘油的發(fā)酵中的主要挑戰(zhàn)是得到對有害的抑制成分(諸如粗甘油中存在的鹽和有機(jī)溶劑)耐受的微生物菌種。已經(jīng)有通過使用經(jīng)由微生物篩選和代謝途徑工程的重構(gòu)微生物系統(tǒng)來探索甘油的厭氧微生物同化作用的一些嘗試。結(jié)果，發(fā)現(xiàn)通過甘油的微生物發(fā)酵生產(chǎn)了燃料以及一些高價值的產(chǎn)物(Choi，ff.J.，“用于燃料和化學(xué)品的基于甘油的生物精煉”，《最近的生物技術(shù)專利》，2008年，2(3)期，173-80 頁(Choi, ff.J., Glycerol-Based Biorefinery for Fuels and Chemicals, Recent PatBiotechnol.2008 ；2(3):173-80))。
[0008]甘油(glycerol)(或丙三醇，glycerin)是甘油三酯的主要成分,它是清澈、無味且粘稠的液體。已在動物脂肪、植物油或石化原料中發(fā)現(xiàn)甘油三酯，并且甘油三酯來自肥皂或生物柴油的生產(chǎn)。Choi (2008年，同上)描述了用于燃料和化學(xué)品的甘油的微生物代謝途徑，以及不同的基于甘油的發(fā)酵產(chǎn)物，諸如乙醇、生物氣和有機(jī)酸。
[0009]Zhu等人(2010年，同上)描述了在分批培養(yǎng)中通過以甘油作為唯一的碳源，用丙酸耐受的產(chǎn)丙酸丙酸桿菌來生產(chǎn)丙酸，然后使用優(yōu)化的條件在10m3的發(fā)酵槽中進(jìn)行的放
大生產(chǎn)。
[0010]Zhang 和 Yang(《生物化學(xué)工藝》，44 期，(2009 年),1346-1351 頁(ProcessBiochemistry44(2009) 1346-1351))描述了通過在無細(xì)胞發(fā)酵中使用代謝工程化的產(chǎn)丙酸丙酸桿菌由甘油來生產(chǎn)丙酸的工藝。
[0011]Boyaval, P.等人(《酶微生物技術(shù)》，1994 年,第 16 卷,883-886 頁(EnzymeMicrobTechnol., 1994, vol.16,883-886))描述了通過丙酸細(xì)菌來發(fā)酵甘油以得到?jīng)]有乙酸的丙
酸。該方法包括使培養(yǎng)基經(jīng)歷超濾。
[0012]提取性發(fā)酵通常是通過發(fā)酵來生產(chǎn)多種化學(xué)產(chǎn)物的工藝，其中，當(dāng)產(chǎn)物形成時，通過使用與水不混溶的提取劑的液-液提取，從發(fā)酵培養(yǎng)基中除去產(chǎn)物。
[0013]Yang和Lewis( “一種用于由乳清乳糖來生產(chǎn)丙酸的新型提取性發(fā)酵工藝”，《生物技術(shù)進(jìn)展》，1992 年，8 期，104-110 頁(A Novel Extractive Fermentation Process forPropionic Acid Production from Whey Lactose, Biotechnol.Prog, 1992, 8, 104-110))描述了一種用于由乳糖來生產(chǎn)丙酸鹽的提取性發(fā)酵工藝。提取性發(fā)酵從反應(yīng)器中除去抑制的酸性產(chǎn)物，因此提供了對反應(yīng)器更好的PH控制并產(chǎn)生較高的反應(yīng)速率。在用于從乳清乳糖來生產(chǎn)丙酸鹽的提取性發(fā)酵工藝中，阿拉明(Alamine) 336/2-辛醇混合物被用作提取劑。在乳糖發(fā)酵中，主要副產(chǎn)物是乙酸和二氧化碳。
[0014]需要用于純化和回收來自以甘油用作起始材料的發(fā)酵的丙酸的新型且有效的方法。具體條件諸如在例如乳糖發(fā)酵中的不同副產(chǎn)物使其具有挑戰(zhàn)性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明提供一種用于從水性混合物中純化和回收丙酸的方法，所述水性混合物含有由使用甘油作為底物的發(fā)酵工藝而得到的發(fā)酵產(chǎn)物，所述方法包括:
[0016]可選地將所述水性混合物酸化至pH低于4.5 ;
[0017]使所述水性混合物經(jīng)歷使用含有重提取劑和可選的作為稀釋劑的輕提取劑的提取試劑的提取，以獲得含有所述提取試劑和有機(jī)酸的提取液和含有水和任何未反應(yīng)的甘油的提余液；以及
[0018]使所述提取液經(jīng)歷真空蒸發(fā)，以將含丙酸的有機(jī)酸與提取劑分離。
[0019]本發(fā)明的優(yōu)點是得到非常純的終產(chǎn)物。本發(fā)明的方法具有優(yōu)異的拆分(resolving)性質(zhì)。起始材料的所有組分都可以被分離。尤其當(dāng)純化丙酸時，不需要水蒸發(fā)或需要非常少的水蒸發(fā)。此外，來自發(fā)酵工藝的任何剩余的甘油可以被容易地回收并循環(huán)回到發(fā)酵中。而且，甚至在單個步驟中可以回收提取稀釋劑。
[0020]本發(fā)明的另一個優(yōu)點是在丙酸的分離中不需要過濾步驟，諸如超濾。
[0021]由于產(chǎn)物純度，含有提取和蒸餾的本方法優(yōu)于例如通常使用的CaO沉淀的方法。常規(guī)沉淀產(chǎn)生了難以分離的鹽的混合物，諸如Ca-丙酸鹽、Ca-乙酸鹽和Ca-琥珀酸鹽。
[0022]本發(fā)明的另一個優(yōu)點是純的丙酸被回收而不是丙酸鹽被回收。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1示出了從水性進(jìn)料到終產(chǎn)物的下游分離和回收工藝的工藝流程圖。
[0024]圖2示出了作為濃度曲線的提取柱中的組成分布。餾分:1 =頂部，8 =底部。
[0025]圖3示出了在分 批蒸餾中從提取液(具有環(huán)己烷的Alamine336)中回收丙酸。Tr是反應(yīng)器溫度，Tv是餾出物蒸氣的溫度，以及TJ-Tr是加熱介質(zhì)溫度與反應(yīng)器溫度之間的溫度差，Pres =壓力以及Frac =懼分。
【具體實施方式】
[0026]本發(fā)明人已經(jīng)開發(fā)了一種用于由粗甘油來生產(chǎn)基于生物的有機(jī)酸諸如丙酸的工藝。該工藝可以被應(yīng)用于在連續(xù)固定化細(xì)胞柱反應(yīng)器(continuousimmobilized cellcolumn reactor)中生產(chǎn)有機(jī)酸,而且用優(yōu)化的提取工藝和蒸懼工藝回收產(chǎn)物。
[0027]該工藝可用于由不同的富含糖的生物質(zhì)來生產(chǎn)多種有機(jī)酸，但優(yōu)選的工藝是由粗甘油來生產(chǎn)丙酸，粗甘油可以來源于例如FAME生物柴油生產(chǎn)工藝。根據(jù)Zhang和Yang(同上)，與葡萄糖作為碳源相比，在甘油發(fā)酵中細(xì)胞生長(0.05h-1與0.13h-1)和丙酸生產(chǎn)力(0.026g/l h與0.22g/l h)都顯著較低，雖然丙酸產(chǎn)率(0.55g/g與0.37g/g)顯著較高。甘油作為更加還原的底物使代謝途徑移向丙酸生產(chǎn)，使得細(xì)胞能保持氧化還原平衡。此外，甘油發(fā)酵不產(chǎn)生任何二氧化碳。因此，甘油是用于丙酸生產(chǎn)的優(yōu)良的原材料。
[0028]粗甘油通常含有80%的甘油和副產(chǎn)物，諸如有機(jī)物質(zhì)和鹽。為了除去這些副產(chǎn)物，在供給槽之前可以將膜直接安裝到粗甘油管線和/或安裝到來自下游區(qū)的提余液水管線。
[0029]在所描述的丙酸生產(chǎn)工藝中，丙酸是在發(fā)酵液中通常濃度為約3% (w/w)的主產(chǎn)物。琥珀酸和乙酸通常形成為主要副產(chǎn)物。該溶液也可含有其它有機(jī)化合物，諸如C4~C6一元酸、丙醇和尚未在發(fā)酵中使用的未反應(yīng)或剩余的甘油。當(dāng)粗甘油用作碳源而且酵母提取液用作氮源時，該工藝的丙酸生產(chǎn)力通常為I~5g/h/l。其它營養(yǎng)物質(zhì)，諸如磷酸酯和鹽，也被優(yōu)化用于細(xì)胞生長和酸生產(chǎn)。在一個實施例中，供給流含有40~100g/l甘油，通過柱生物反應(yīng)器的稀釋率被調(diào)整至優(yōu)選0.1~0.011/1，工藝pH通過使用在線NaOH供給裝置而保持在約6，而且工藝溫度優(yōu)選保持在+32~37°C。
[0030]通過使用提取階段和蒸餾階段來從發(fā)酵液中回收丙酸。也可使用若干提取化學(xué)品。為了提高提取效率，提取可在逆流柱中進(jìn)行。然后，可以使用蒸餾和/或堿洗滌來將這些酸與重反應(yīng)性提取劑分離。根據(jù)蒸餾的壓力和溫度，丙酸和其它輕酸可被收集并通過另外的蒸餾進(jìn)行進(jìn)一步的純化。琥珀酸可通過堿洗滌成為鹽而從重提取劑中除去。
[0031]通過使用此方法，基于生物的丙酸可以以環(huán)境上和經(jīng)濟(jì)上可行的方式進(jìn)行生產(chǎn)，并且進(jìn)一步地所形成的丙酸可被用作生物質(zhì)(進(jìn)料)防腐或被用作丙酸鹽生產(chǎn)的原材料，該丙酸鹽待出售例如作為食品行業(yè)的防腐劑。在一些應(yīng)用中也可以使用輕酸餾分。
[0032]本發(fā)明提供一種用于從水性混合物中純化和回收丙酸的方法，所述水性混合物含有由使用甘油作為底物的發(fā)酵工藝而得到的發(fā)酵產(chǎn)物。如果需要的話，首先可以將水性混合物從PH約為6~6.5酸化至pH低于4.5，以將羧酸鹽轉(zhuǎn)化成游離酸，然后將該游離酸從水性相提取到有機(jī)相中。
[0033]含有發(fā)酵產(chǎn)物的發(fā)酵液或水性混合物或溶液通常含有丙酸鈉、乙酸鈉、琥珀酸鈉的單鹽和二鹽、甘油和水作為主要組分，并且它的pH約為6，例如約為6.2。
[0034]在一個實施方式中，用無機(jī)酸諸如硫酸將水性混合物酸化至pH低于4.5。在一個實施方式中，酸化的水性混合物的pH被酸化至pH約為4。在一個實施方式中，酸化的水性混合物的PH被酸化至pH約為3.5。在酸化后，水性溶液含有主要是酸的形式的成分，諸如丙酸、乙酸、琥珀酸和H2SO4 (當(dāng)用H2SO4酸化時)，以及作為無機(jī)鹽的成分。如果NaOH被用于發(fā)酵的PH控制而H2SO4被用于酸化，在該步驟中形成Na2S04。
[0035]接著，使水性混合物經(jīng)歷使用含有重提取劑和可選的作為稀釋劑的輕提取劑的提取試劑的提取，以得到含有提取試劑和有機(jī)酸的提取液以及含有水和任何未反應(yīng)的甘油的提余液。在本文所用的術(shù)語“提余液”是指在提取后殘留的含甘油的水性相。為了提高對丙酸的提取選擇性，可以有一次或多次提取或一個或多個提取步驟，諸如兩個、三個或四個步驟。
[0036]在一個實施方式中，使來自提取的含甘油的提余液再循環(huán)回到發(fā)酵工藝中，諸如回到發(fā)酵液中。來自提余液的甘油在再循環(huán)回到發(fā)酵中之前可以通過膜過濾而被濃縮。
[0037]在本文使用的術(shù)語“提取液”是指在提取后形成的含有待回收的提取試劑和有價值的化合物(例如有機(jī)酸)的組合物。在本文所用的術(shù)語“提取劑”和“提取溶劑”通常是指提取試劑。提取試劑可以含有重提取劑和輕提取劑，其中，重提取劑通常含有提取試劑本身而可選的輕提取劑含有稀釋劑或溶劑。
[0038]提取試劑或提取溶劑可以含有15~36個碳的重三烷基胺作為重提取劑，諸如三己胺、三辛胺、三異辛胺、三辛/癸胺(諸如Alamine336)和三月桂胺或它們的混合物，上述重提取劑可選地組合有6或7個碳的烴稀釋劑作為輕提取劑，諸如正己烷、正庚烷、環(huán)己烷、苯或甲苯或它們的混合物。在一個【具體實施方式】中，提取試劑包括具有環(huán)己烷的三辛/癸胺。稀釋劑的目的是降低提取劑的粘度，促進(jìn)相分離，并且攜帶輕副產(chǎn)物和雜質(zhì)。所需的量(如果有的話)取決于所用的胺和在發(fā)酵產(chǎn)物中輕組分的濃度。在一個實施方式中，提取試劑含有10~50% (w/w)的量，優(yōu)選40~50% (w/w)的量的輕提取劑。在一個實施方式中，提取試劑包括具有環(huán)己烷的三辛/癸胺，諸如具有40~50% (w/w)的環(huán)己烷，例如約45% (w/w)的環(huán)己烷的三辛/癸胺。提取試劑與輕提取劑的比例(w/w)可以在80:20~30:70的范圍內(nèi)，諸如在50:50~70:30的范圍內(nèi)，例如在60:40~70:30的范圍內(nèi)，諸如約67:33。
[0039] 提取可以在約10_80°C的范圍內(nèi)、諸如在約10~70°C的范圍內(nèi)、例如在約20~40°C的范圍內(nèi)的溫度下進(jìn)行。提取可以在500kPa的壓力下、諸如在300kPa的壓力下、例如在環(huán)境壓力(約IOOkPa)下進(jìn)行，其中，所述壓力沒有限制。
[0040]在一個實施方式中，在進(jìn)料中稀的水性混合物與提取試劑的質(zhì)量比(“水性進(jìn)料比有機(jī)進(jìn)料”)在0.25~4.0的范圍內(nèi)，例如在0.75~2.0的范圍內(nèi)。該比例也可以表示為“o/w”(有機(jī)/水)，它是提取劑/進(jìn)料((g/g)的比例。
[0041]在一個實施方式中，提取是在逆流操作提取柱中進(jìn)行，諸如在連續(xù)操作逆流提取柱中進(jìn)行。提取柱可包括若干室，每個室可以包括混合以確保組分之間的有效接觸以及更可控的濃度分離。
[0042]當(dāng)提取在逆流提取柱中進(jìn)行時，由提取液(有機(jī)相)來計算，提取后丙酸的產(chǎn)率通常大于60% (w/w)。
[0043]在相分離后所得到的有機(jī)相(提取液)通常含有:提取劑；有機(jī)酸，諸如丙酸、乙酸、琥珀酸等；和痕量的甘油和水。所得到的水性相(提余液)通常含有水、甘油、Na2SOjPH2SO4 (當(dāng)用NaOH調(diào)節(jié)pH并用H2SO4酸化pH時)。
[0044]接著，使提取液經(jīng)歷一次或多次真空蒸餾或蒸發(fā)以將含丙酸的輕有機(jī)酸尤其是丙酸與含重有機(jī)酸諸如琥珀酸的重提取劑分離。真空蒸發(fā)步驟也可以被稱為汽提，諸如汽提蒸餾，在本文中所用的汽提通常是指將提取的化合物與有機(jī)提取劑分離。在一個實施方式中，使來自真空蒸發(fā)的提取劑再循環(huán)并洗滌回到提取中。重有機(jī)羧酸諸如琥珀酸可通過用堿性水溶液洗滌重提取劑而作為鹽被回收。在一個實施方式中，使直接來自提取的提取液，即中間沒有另外的步驟，經(jīng)歷一次或多次真空蒸餾或蒸發(fā)。
[0045]通過真空蒸發(fā)從 重提取試劑中除去輕有機(jī)酸諸如丙酸和乙酸在30~200°C的范圍內(nèi)，諸如在50~180°C的范圍內(nèi)，例如在60~170°C的范圍內(nèi)的溫度下進(jìn)行。在一個實施方式中，真空蒸發(fā)在低于25kPa、例如低于IOkPa的壓力下進(jìn)行。
[0046]在一個實施例中，含有輕有機(jī)酸例如乙酸和丙酸的真空蒸發(fā)的頂部流包括小于5
重量％的水。
[0047]該工藝還可以包括其它步驟，諸如共溶劑蒸餾(如果在提取中存在溶劑的話)，以及一次或多次酸蒸餾以進(jìn)一步純化終產(chǎn)物。
[0048]在真空蒸發(fā)之前，可以使含有有機(jī)酸的提取液經(jīng)歷共溶劑蒸餾以得到從蒸餾柱的頂部取出的、含有輕提取劑溶劑和一些水的餾出物以及基本上含有有機(jī)酸(例如丙酸、乙酸、琥珀酸)和重提取劑的底部流。
[0049]因此，在一個實施方式中，該方法進(jìn)一步包括使來自提取的提取液經(jīng)歷共溶劑蒸餾以將含有任何輕提取劑、輕副產(chǎn)物和水的共溶劑餾分與含有重提取劑、有機(jī)酸和任何雜質(zhì)的提取液分離。在一個實施方式中，該方法通常在餾出物中的輕提取劑和水分離后包括:使輕提取劑再循環(huán)回到提取中，更精確地回到提取劑制備中，和/或使水再循環(huán)回到提取柱中。在另一個實施方式中，該方法在提取和真空蒸發(fā)之間沒有共溶劑蒸餾或其它純化步驟或分離步驟的情況下進(jìn)行。
[0050]通過所述蒸餾從提取液中除去輕提取試劑可以在30~110°C的范圍內(nèi)，優(yōu)選在35~105°C的范圍內(nèi)且最優(yōu)選在35~85°C的范圍內(nèi)，諸如約35~45°C的溫度下進(jìn)行。在一個實施方式中，當(dāng)蒸餾環(huán)己烷和水時，蒸餾在通常低至25kPa的壓力下進(jìn)行。所述蒸餾溫度是指蒸餾柱的頂部部分的溫度。[0051]在一個實施例中，含有重提取劑和有機(jī)酸(諸如丙酸、乙酸和琥珀酸)的蒸餾柱的底部流含有小于5重量％的水和小于0.2%的輕提取試劑，諸如環(huán)己烷。
[0052]最后，可以使來自真空蒸發(fā)的有機(jī)酸經(jīng)歷一次或多次酸蒸餾以分離并回收丙酸。在一個實施方式中，有機(jī)酸的蒸餾包括第一蒸餾，以得到富含乙酸的餾出物和富含丙酸的底部(粗丙酸流)，該粗丙酸流然后經(jīng)歷第二蒸餾以得到純的或基本純的丙酸。在本文所用的“基本純的”是指具有蒸餾后仍然存在的少量雜質(zhì)的純化的丙酸。在一個實施方式中，蒸餾是真空蒸餾。在一個實施方式中，真空蒸餾是真空分批蒸餾。在另一個實施方式中，真空蒸餾是連續(xù)真空蒸餾。在蒸餾中，可以將不同的酸分離并回收作為不同的餾分，諸如乙酸、丙酸和丁酸。
[0053]在一個實施方式中，存在一次酸蒸餾。在另一個實施方式中，存在兩次酸蒸餾。在一個【具體實施方式】中，該方法在最后也沒有進(jìn)行任何酸蒸懼。在一些實施方式中，該方法作為整體由本文描述的實施方式的任何組合組成，即，在方法過程中所提及的步驟之間沒有額外的步驟。
[0054]圖1示出了用于從丙酸、乙酸和琥珀酸的稀的含甘油的水性混合物中分離并隨后回收丙酸、乙酸和琥珀酸的合適的裝置的一種可能的示意性布局。
[0055]在圖1的示例性裝置中，用硫酸102酸化含有甘油和丙酸鹽的稀的水性混合物101，其后將它與提取劑104—起供給到提取單元103，優(yōu)選供給到連續(xù)操作逆流提取柱。提取劑含有新鮮的重提取劑122、再循環(huán)的重提取劑121、新鮮的共溶劑124和再循環(huán)的共溶劑 114。
[0056]在提取中連續(xù)相可以是水性相或有機(jī)相。在水性相是連續(xù)相的情況下，有機(jī)相是分散相；反之亦然。
[0057]將所形成的含有提取劑、丙酸、乙酸、琥珀酸、一些水、共提取的甘油和雜質(zhì)諸如C4~C6的一元酸和1-丙醇的提取液105引導(dǎo)至溶劑蒸餾單元107，在該蒸餾單元107中蒸餾共溶劑和水的混合物。
[0058]將基本含有水、甘油和無機(jī)鹽的提余液106從提取單元103的底部取出并且引導(dǎo)至進(jìn)一步的處理。
[0059]將來自溶劑蒸餾107的含有重反應(yīng)性提取劑、丙酸、乙酸、琥珀酸和其它共提取的有機(jī)化合物的底部流108引導(dǎo)至真空蒸發(fā)單元110。
[0060]將餾出物109從蒸餾單元107的上部部分取出并且供給到傾析器111，在該傾析器111中分離各相，而將有機(jī)相114供給到提取劑制備槽113。將來自傾析器111的水性相115供給回到提取單元103。
[0061 ] 將來自真空蒸發(fā)110的富含提取劑和琥珀酸的底部流116引導(dǎo)至堿洗滌單元112，在該堿洗滌單元中，用水性氫氧化鈉117洗滌琥珀酸和其它重酸性組分并且將水118與作為去除流(purge stream) 119和120的重提取劑分離。將去除流引導(dǎo)至進(jìn)一步的處理。將洗滌的提取劑121引導(dǎo)至提取劑制備槽113。
[0062]在此實施方式中，將來自真空蒸發(fā)器110的富含丙酸的流123供給到分批真空蒸餾單元126，在該分批真空蒸餾單元中首先蒸餾富含乙酸和輕副產(chǎn)物的餾分129和130，之后將丙酸分餾作為純的產(chǎn)物131。蒸餾比丙酸重的揮發(fā)性有機(jī)酸諸如丁酸和戊酸作為最終餾分(final cut) 132。使含丙酸的中間餾分再循環(huán)回到下一蒸餾批次。將蒸餾殘流125引導(dǎo)至進(jìn)一步的處理。
[0063]發(fā)酵工藝可利用生物反應(yīng)器，諸如含有發(fā)酵微生物的細(xì)胞的生物反應(yīng)器柱。在本文所用的生物反應(yīng)器是指可被用于培養(yǎng)諸如用于發(fā)酵的微生物細(xì)胞的任何合適的容器、器皿或柱。通常，生物反應(yīng)器也可以被稱為生物反應(yīng)器柱。
[0064]在一個實施方式中，發(fā)酵是通過將提取試劑直接供給到生物反應(yīng)器中原位進(jìn)行的提取性發(fā)酵。在一個實施方式中，發(fā)酵是在分立的單元中進(jìn)行發(fā)酵和提取的異位發(fā)酵。
[0065]在一個實施方式中，在純化和回收之前，在含有發(fā)酵微生物的細(xì)胞的生物反應(yīng)器柱中進(jìn)行發(fā)酵，該發(fā)酵微生物的細(xì)胞附著在放置在柱內(nèi)的固定基質(zhì)(immobilizingmatrix)的表面上。若干固定基質(zhì)通常是本領(lǐng)域已知的。
[0066]在一個實施例中，固定基質(zhì)含有包括片狀多孔材料的層的第一支撐材料和沉積在第一支撐材料 上的第二細(xì)胞保留材料(cell-retaining material),其中，第一支撐材料的層和第二細(xì)胞保留材料被布置成卷繞結(jié)構(gòu)或折疊結(jié)構(gòu)，以允許細(xì)胞懸浮培養(yǎng)基充分流過固定基質(zhì)。第一支撐材料和第二細(xì)胞保留材料是不同且獨(dú)立的材料，并非例如兩種材料的共聚物。
[0067]固定基質(zhì)允許培養(yǎng)基充分流過基質(zhì)而沒有任何竄流問題(channeling problem)。當(dāng)通過基質(zhì)的流不均勻而在基質(zhì)的某些區(qū)域形成通道的時候，在填充的柱中通常發(fā)生竄流。第一材料和第二材料被布置成折疊結(jié)構(gòu)諸如纏繞結(jié)構(gòu)或卷繞結(jié)構(gòu)以允許流通過該結(jié)構(gòu)。一般地，流的方向是基質(zhì)的卷繞或折疊的軸向。
[0068]在一個實施例中，首先在連續(xù)流動攪拌槽(continuous-flow stirred tank,CSTR)生物反應(yīng)器中培養(yǎng)產(chǎn)酸細(xì)胞，例如用于生產(chǎn)丙酸的產(chǎn)丙酸丙酸桿菌，直至達(dá)到指數(shù)生長階段。在此階段，將細(xì)胞轉(zhuǎn)移到含有優(yōu)化固定基質(zhì)的柱反應(yīng)器中。這種柱填充物允許流充分流過基質(zhì)而沒有竄流問題。由于來自CSTR生物反應(yīng)器的流通過柱填充材料并且回到CSTR反應(yīng)器中，細(xì)胞附著到柱填充物上。該流可以是單路或雙路、向上或向下或者雙向的。為了增加細(xì)胞含量和加快細(xì)胞附著，可以可選地用加壓流進(jìn)行細(xì)胞負(fù)載。負(fù)載階段可以繼續(xù)至CSTR生物反應(yīng)器沒有細(xì)胞而柱填充物已經(jīng)達(dá)到細(xì)胞飽和。這時候，將柱與CSTR反應(yīng)器拆離并將柱連接到底物供給槽和產(chǎn)物槽以開始連續(xù)生產(chǎn)。
[0069]實施例
[0070]實施例1:提取
[0071]用96%硫酸(0.49kg)酸化來自發(fā)酵的水性溶液(28.28kg)，使pH從5.8降低至
3.5。以4.00kg/h的速率將該溶液供給到攪拌的實驗室規(guī)模的KUhni提取柱的頂部，在該柱中，以逆流模式用以1.13kg/h的速率供給到柱的下部的三辛/癸胺(Alamine336)_環(huán)己烷(53:47w/w)來提取此溶液。水性進(jìn)料與有機(jī)進(jìn)料的質(zhì)量比為3.53。提取柱的直徑為55mm,柱的有效高度為1.75m,提取柱具有50個混合室，每個混合室各裝有渦輪葉輪。柱在頂部和底部處具有沉降區(qū)。以250rpm的攪拌速度將有機(jī)相分散到連續(xù)水性相中。清晰的液-液界面存在于上部沉降區(qū)中。提取溫度為26°C。以1.21g/h的速率從柱的頂部取出提取液。以3.92kg/h的速率從提取柱的底部取出提余液。
[0072]表1示出了用HPLC分析的材料流中的主要發(fā)酵組分以及計算出的每個組分的提取率(從總量中提取的％)。
[0073]表1[0074]
【權(quán)利要求】
1.一種用于從水性混合物中純化和回收丙酸的方法，所述水性混合物含有由使用甘油作為底物的發(fā)酵工藝而得到的發(fā)酵產(chǎn)物，其特征在于，所述方法包括: 可選地將所述水性混合物酸化至pH低于4.5 ; 使所述水性混合物經(jīng)歷使用含有重提取劑和可選的作為稀釋劑的輕提取劑的提取試劑的提取，以得到含有所述提取試劑和有機(jī)酸的提取液以及含有水和任何未反應(yīng)的甘油的提余液；以及 使所述提取液經(jīng)歷真空蒸發(fā)，以將含丙酸的有機(jī)酸與提取劑分離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括使來自所述真空蒸發(fā)的所述有機(jī)酸經(jīng)歷一次或多次蒸餾，以分離和回收所述丙酸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法還包括使來自所述提取的所述提取液經(jīng)歷共溶劑蒸餾，以將含有任何輕提取劑、輕副產(chǎn)物和水的共溶劑餾分與含有所述重提取劑和所述有機(jī)酸的提取液分離。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法包括使來自所述共溶劑蒸餾的所述輕提取劑再循環(huán)回到所述提取中。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述方法包括使來自真空蒸發(fā)的所述提取劑再循環(huán)回到所述提取中。
6.根據(jù)前述權(quán) 利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述提取是逆流提取。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述方法包括使來自所述提取的含甘油的所述提余液再循環(huán)回到所述發(fā)酵工藝中。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述重提取劑選自三己胺、三辛胺、三異辛胺、三辛/癸胺、三月桂胺以及它們的混合物。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述重提取劑包括三辛/癸胺。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述輕提取劑選自正己烷、正庚烷、環(huán)己烷、苯、甲苯以及它們的混合物。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述提取試劑包括具有環(huán)己烷的三辛/癸胺，諸如具有約45% (w/w)的環(huán)己烷的三辛/癸胺。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，在進(jìn)料中稀的所述水性混合物與所述提取試劑的質(zhì)量比在0.25~4.0的范圍內(nèi)，優(yōu)選在0.75~2.0的范圍內(nèi)。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述提取是在10~80°C的范圍內(nèi)，優(yōu)選在10~70°C的范圍內(nèi)，且最優(yōu)選在20~40°C的范圍內(nèi)的溫度下，并且在500kPa的壓力下，優(yōu)選在300kPa的壓力下，且更優(yōu)選在環(huán)境壓力下進(jìn)行。
14.根據(jù)權(quán)利要求3~13中任一項所述的方法，其特征在于，所述共溶劑蒸餾是在30~110°C的范圍內(nèi)，優(yōu)選在35~105°C的范圍內(nèi)，且最優(yōu)選在35~85°C的范圍內(nèi)的溫度下進(jìn)行，諸如在約35~45°C的溫度下進(jìn)行。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述真空蒸發(fā)是在30~200°C的范圍內(nèi)，優(yōu)選在50~180°C的范圍內(nèi)，且最優(yōu)選在60~170°C的范圍內(nèi)的溫度下進(jìn)行。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述真空蒸發(fā)是在低于25kPa，優(yōu)選低于IOkPa的壓力下進(jìn)行。
17.根據(jù)權(quán)利要求2~16中任一項所述的方法，其特征在于，所述有機(jī)酸的蒸餾包括:第一蒸餾，以得到富含丙酸的流，所述富含丙酸的流然后經(jīng)歷第二蒸餾以得到純的丙酸。
18.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述發(fā)酵工藝是提取性發(fā)酵工藝。
19.根據(jù)權(quán)利要求1~17中任一項所述的方法，其特征在于，所述發(fā)酵工藝是異位發(fā)酵工藝，其中，所述發(fā) 酵和所述提取在分立的單元中進(jìn)行。
【文檔編號】C07C51/44GK104024209SQ201280063537
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2012年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月1日
【發(fā)明者】湯姆·格蘭思特羅姆, J·阿霍拉, J·海塔拉, E·蒂洛寧 申請人:塔明克芬蘭公司