生物丁醇的分离工艺
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• 丁醇是细菌通过糖类发酵的主要产物,如丙酮丁醇
梭菌(Clostridiumacetobutylicum),但发酵法生产丁 醇时,较低的pH和产物都会对发酵产生抑制作用。 在传统发酵过程中丁醇的浓度一般都低于13g/L, 当丁醇浓度达到10-15g/L时会对发酵过程产生抑 制作用。丁醇发酵是一个较为复杂的过程,首先在 产酸期生产丁酸和乙酸等主要酸类物质,其次在产 溶剂期生产丁醇、丙酮和乙醇等物质。产物抑制 导致发酵过程很难获得高浓度糖的利用率,且溶剂 产量也很低,低的溶剂浓度还会导致分离成本增加, 因此从反应器中移除对细胞有毒性的溶剂显得尤 为重要。
气提耦合丁醇发酵相关参数
参数
丁醇产量/g・L-1
提气前
11.9
提气后
151.7 232.8 2.49
倍数
12.7 13.2 3.3
总溶剂产量/g・L-1 17.6 葡萄糖利用率/g・ L-1・h-1
0.76
平均生产量/g・g1
0.39
0.47
1.16
1.2
4.0
生产率/g・L-1・h-1 0.29
生物丁醇的分离工艺
班级：制药13-1 姓名：刁洪德 学号：1309040104
目录
• 一、生物丁醇概述 • 二、生物丁醇生产中的产物抑制 • 三、生物丁醇的分离技术
• • • • •
1、吸附法 2、液液萃取法 3、反渗透法 4、渗透蒸发法 5、气提法
• 四、气提耦合发酵技术的优势 • 五、目前生物丁醇制造面临的问题
四、气提耦合发酵技术的优势
• 比较： • 吸附法 虽然操作简单,但是存在吸附剂饱
和以及解吸的问题,而且不易实现流加操作, 选择性较差容易被发酵液污染。 • 液液萃取法 可以根据两相不溶的原理轻 松分离出产物,但是萃取剂往往都有毒性,对 细胞有毒害作用,而无毒性的液体萃取剂对 产物的选择性通常很低。
三、生物丁醇的分离技术
• 产物抑制导致后期分离占了成本的一大部
分。用传统蒸馏法分离低浓度的产物需要 消耗大量能量并且不能实现在线即时控制。 为了在生产过程中实现产物的在线分离,去 除产物抑制,提高产物浓度,可采用如吸附法、 液液萃取法、反渗透法、渗透蒸发法以及 气提法等分离技术。
1、吸附法
• 吸附法是一种操作简单并能有效实现分离过程的
4、渗透蒸发法
•
渗透蒸发是利用膜对液体混合物中各组分的溶 解与扩散性能的不同来实现其分离的过程。膜对 丁醇、丙酮等有机组分有较好的溶解性,发酵液中 的挥发组分或有机组分有选择性地在膜内汽化通 过,而营养物质、糖以及微生物细胞等被截留下来, 最后到达膜的真空侧的分离组分在减压下全部气 化,并被冷凝收集。渗透蒸发法运用在分离过程中, 既有效又节能,但是高选择性的膜是必需的,而膜本 身的性质也限制了它的发展。
一、生物丁醇概述
丁醇是一种无色液体,有酒味, 微溶于水,能与乙醇、乙醚及其 他多种有机溶剂混溶。作为一 种重要的有机化工原料,丁醇在 医药工业、塑料工业、有机工 业、印染等方面具有广泛用途。 相比其他生物燃料,生物丁醇的 燃烧值和辛烷值都与汽油最接 近,在燃料性能和经济性方面具 有明显的优势。
二、生物丁醇生产中的产物抑制
• 反渗透法 仅仅利用压力作为膜分离的推动力,分
•百度文库
•
离装置简单,易于操作,但是对膜的选择性很高,而 且反渗透装置要求进水要达到一定的指标才能运 转,耗能较大。 渗透蒸发法 选择性好,分离效果好,操作简单,但 是它也是基于膜的一种分离方法,膜的高选择性限 制了它的发展,相比气提法和液液萃取法易受发酵 液颗粒的污染和堵塞。 气提法 相比其他分离方法,气提耦合发酵对培养 基无害,也不需要移出营养物质和中间产物,不需要 昂贵的萃取剂,不需要依赖膜技术,它的优势是显而 易见的。除此以外,气提法还能适用于不同的底物、 不同的发酵方式,适用范围广。
分离技术。丁醇首先被发酵罐中的吸附剂吸附,然 后通过热处理或者解吸过程来得到高浓度的产物。 目前很多材料都可以作为分离丁醇的吸附剂,文献 中报道的较多的是硅藻土、活性炭、聚乙烯吡咯 烷酮(PVP),其中硅质岩最为常用。硅质岩带有一 个与沸石类似的结构,并且具有疏水性能,它可以选 择性地吸附小的有机分子,比如从稀释的水溶液中 吸附C1~5的醇类物质。
5、气提法
• 气提是一个物理过程,它采用一个气体介质破坏原气液两
相平衡而建立一种新的气液平衡状态,使溶液中的某一组 分由于分压降低而解吸出来,从而达到分离物质的目的。 通过控制气提介质的量可以控制气提程度。当气泡在发酵 罐中形成或者破坏时,周边的液体会随之振动,从而使得溶 剂从发酵罐中移出[。气 提法简单而实用,可以实 现在线同时分离,随着反 应过程中产物的不断移 出,产物抑制作用减小, 糖的利用率大大提高,也 可以耦合底物流加过程, 从而得到高的产物浓度。
五、目前生物丁醇制造面临的问题
• 粮食原料的成本高 • 丁醇毒性造成的产物浓度低 • 发酵产物中的丙醇和乙醇的产物影响
• 导致丁醇发酵缺乏经济竞争力
参考文献
• 刘娅,刘宏娟,张建安,等.新型生物燃料———丁醇的研究进
• • •
展[J].现代化工,2008,28(6):28-33. 吴成良.生物丁醇值得期待[N].人民日报,2008-04-10(6). 唐波.丙酮丁醇梭菌的改良及发酵工艺[D].无锡:江南大 学,2008 童灿灿,杨立荣,吴坚平,等.丙酮-丁醇发酵分离耦合技术的 研究进展[J].化工进展,2008,27:1782-1788. 岑沛霖,林建平,江龙法,等.生物反应与分离耦合过程的研究 现状和趋势[J].化工时刊,1997,11(5):34-39.
3、反渗透法
• 反渗透法用一个阻止溶剂通过但是允许水
通过的膜,可以排除发酵液,液体的量因此显 著减少,产物得到富集。反渗透法仅仅利用 压力作为膜分离的推动力,分离装置简单,易 于操作,但是在反渗透过程进行前需要进行 一个预处理,使用一个空纤维超滤器移除不 再使用的微生物体和营养物质,只有这样才 可以得到较纯的产物,但也因此增加了成本。
2、液液萃取法
•
通常当水不溶性的有机萃取剂和发酵液混合在 发酵罐时,丁醇更易溶于萃取剂相而非发酵液相中。 因此丁醇可以有选择性地在萃取剂中富集,由于萃 取剂和发酵液两相不相溶,萃取剂可以容易地从发 酵罐中分离。而且液液萃取法可从发酵液中提取 丁醇而不需要移除底物、水或者营养物质。但越 是对丁醇有高的分配系数的液体萃取剂对细胞的 毒性越大。研究表明油醇作萃取剂对细胞的毒性 小且对丁醇也有好的分离效果。
•
梭菌(Clostridiumacetobutylicum),但发酵法生产丁 醇时,较低的pH和产物都会对发酵产生抑制作用。 在传统发酵过程中丁醇的浓度一般都低于13g/L, 当丁醇浓度达到10-15g/L时会对发酵过程产生抑 制作用。丁醇发酵是一个较为复杂的过程,首先在 产酸期生产丁酸和乙酸等主要酸类物质,其次在产 溶剂期生产丁醇、丙酮和乙醇等物质。产物抑制 导致发酵过程很难获得高浓度糖的利用率,且溶剂 产量也很低,低的溶剂浓度还会导致分离成本增加, 因此从反应器中移除对细胞有毒性的溶剂显得尤 为重要。
气提耦合丁醇发酵相关参数
参数
丁醇产量/g・L-1
提气前
11.9
提气后
151.7 232.8 2.49
倍数
12.7 13.2 3.3
总溶剂产量/g・L-1 17.6 葡萄糖利用率/g・ L-1・h-1
0.76
平均生产量/g・g1
0.39
0.47
1.16
1.2
4.0
生产率/g・L-1・h-1 0.29
生物丁醇的分离工艺
班级：制药13-1 姓名：刁洪德 学号：1309040104
目录
• 一、生物丁醇概述 • 二、生物丁醇生产中的产物抑制 • 三、生物丁醇的分离技术
• • • • •
1、吸附法 2、液液萃取法 3、反渗透法 4、渗透蒸发法 5、气提法
• 四、气提耦合发酵技术的优势 • 五、目前生物丁醇制造面临的问题
四、气提耦合发酵技术的优势
• 比较： • 吸附法 虽然操作简单,但是存在吸附剂饱
和以及解吸的问题,而且不易实现流加操作, 选择性较差容易被发酵液污染。 • 液液萃取法 可以根据两相不溶的原理轻 松分离出产物,但是萃取剂往往都有毒性,对 细胞有毒害作用,而无毒性的液体萃取剂对 产物的选择性通常很低。
三、生物丁醇的分离技术
• 产物抑制导致后期分离占了成本的一大部
分。用传统蒸馏法分离低浓度的产物需要 消耗大量能量并且不能实现在线即时控制。 为了在生产过程中实现产物的在线分离,去 除产物抑制,提高产物浓度,可采用如吸附法、 液液萃取法、反渗透法、渗透蒸发法以及 气提法等分离技术。
1、吸附法
• 吸附法是一种操作简单并能有效实现分离过程的
4、渗透蒸发法
•
渗透蒸发是利用膜对液体混合物中各组分的溶 解与扩散性能的不同来实现其分离的过程。膜对 丁醇、丙酮等有机组分有较好的溶解性,发酵液中 的挥发组分或有机组分有选择性地在膜内汽化通 过,而营养物质、糖以及微生物细胞等被截留下来, 最后到达膜的真空侧的分离组分在减压下全部气 化,并被冷凝收集。渗透蒸发法运用在分离过程中, 既有效又节能,但是高选择性的膜是必需的,而膜本 身的性质也限制了它的发展。
一、生物丁醇概述
丁醇是一种无色液体,有酒味, 微溶于水,能与乙醇、乙醚及其 他多种有机溶剂混溶。作为一 种重要的有机化工原料,丁醇在 医药工业、塑料工业、有机工 业、印染等方面具有广泛用途。 相比其他生物燃料,生物丁醇的 燃烧值和辛烷值都与汽油最接 近,在燃料性能和经济性方面具 有明显的优势。
二、生物丁醇生产中的产物抑制
• 反渗透法 仅仅利用压力作为膜分离的推动力,分
•百度文库
•
离装置简单,易于操作,但是对膜的选择性很高,而 且反渗透装置要求进水要达到一定的指标才能运 转,耗能较大。 渗透蒸发法 选择性好,分离效果好,操作简单,但 是它也是基于膜的一种分离方法,膜的高选择性限 制了它的发展,相比气提法和液液萃取法易受发酵 液颗粒的污染和堵塞。 气提法 相比其他分离方法,气提耦合发酵对培养 基无害,也不需要移出营养物质和中间产物,不需要 昂贵的萃取剂,不需要依赖膜技术,它的优势是显而 易见的。除此以外,气提法还能适用于不同的底物、 不同的发酵方式,适用范围广。
分离技术。丁醇首先被发酵罐中的吸附剂吸附,然 后通过热处理或者解吸过程来得到高浓度的产物。 目前很多材料都可以作为分离丁醇的吸附剂,文献 中报道的较多的是硅藻土、活性炭、聚乙烯吡咯 烷酮(PVP),其中硅质岩最为常用。硅质岩带有一 个与沸石类似的结构,并且具有疏水性能,它可以选 择性地吸附小的有机分子,比如从稀释的水溶液中 吸附C1~5的醇类物质。
5、气提法
• 气提是一个物理过程,它采用一个气体介质破坏原气液两
相平衡而建立一种新的气液平衡状态,使溶液中的某一组 分由于分压降低而解吸出来,从而达到分离物质的目的。 通过控制气提介质的量可以控制气提程度。当气泡在发酵 罐中形成或者破坏时,周边的液体会随之振动,从而使得溶 剂从发酵罐中移出[。气 提法简单而实用,可以实 现在线同时分离,随着反 应过程中产物的不断移 出,产物抑制作用减小, 糖的利用率大大提高,也 可以耦合底物流加过程, 从而得到高的产物浓度。
五、目前生物丁醇制造面临的问题
• 粮食原料的成本高 • 丁醇毒性造成的产物浓度低 • 发酵产物中的丙醇和乙醇的产物影响
• 导致丁醇发酵缺乏经济竞争力
参考文献
• 刘娅,刘宏娟,张建安,等.新型生物燃料———丁醇的研究进
• • •
展[J].现代化工,2008,28(6):28-33. 吴成良.生物丁醇值得期待[N].人民日报,2008-04-10(6). 唐波.丙酮丁醇梭菌的改良及发酵工艺[D].无锡:江南大 学,2008 童灿灿,杨立荣,吴坚平,等.丙酮-丁醇发酵分离耦合技术的 研究进展[J].化工进展,2008,27:1782-1788. 岑沛霖,林建平,江龙法,等.生物反应与分离耦合过程的研究 现状和趋势[J].化工时刊,1997,11(5):34-39.
3、反渗透法
• 反渗透法用一个阻止溶剂通过但是允许水
通过的膜,可以排除发酵液,液体的量因此显 著减少,产物得到富集。反渗透法仅仅利用 压力作为膜分离的推动力,分离装置简单,易 于操作,但是在反渗透过程进行前需要进行 一个预处理,使用一个空纤维超滤器移除不 再使用的微生物体和营养物质,只有这样才 可以得到较纯的产物,但也因此增加了成本。
2、液液萃取法
•
通常当水不溶性的有机萃取剂和发酵液混合在 发酵罐时,丁醇更易溶于萃取剂相而非发酵液相中。 因此丁醇可以有选择性地在萃取剂中富集,由于萃 取剂和发酵液两相不相溶,萃取剂可以容易地从发 酵罐中分离。而且液液萃取法可从发酵液中提取 丁醇而不需要移除底物、水或者营养物质。但越 是对丁醇有高的分配系数的液体萃取剂对细胞的 毒性越大。研究表明油醇作萃取剂对细胞的毒性 小且对丁醇也有好的分离效果。
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