RU2405830C2 - Способ получения органических растворителей - Google Patents
Способ получения органических растворителей Download PDFInfo
- Publication number
- RU2405830C2 RU2405830C2 RU2009105443/10A RU2009105443A RU2405830C2 RU 2405830 C2 RU2405830 C2 RU 2405830C2 RU 2009105443/10 A RU2009105443/10 A RU 2009105443/10A RU 2009105443 A RU2009105443 A RU 2009105443A RU 2405830 C2 RU2405830 C2 RU 2405830C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- butanol
- fermenter
- organic solvents
- ethanol
- acetone
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 40
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 title claims abstract description 33
- LRHPLDYGYMQRHN-UHFFFAOYSA-N N-Butanol Chemical compound CCCCO LRHPLDYGYMQRHN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 112
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 50
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 44
- 238000000855 fermentation Methods 0.000 claims abstract description 23
- 230000004151 fermentation Effects 0.000 claims abstract description 23
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 claims abstract description 19
- 150000001720 carbohydrates Chemical class 0.000 claims abstract description 10
- 229910052500 inorganic mineral Chemical class 0.000 claims abstract description 6
- 239000011707 mineral Chemical class 0.000 claims abstract description 6
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims abstract description 5
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 claims abstract description 5
- 239000012531 culture fluid Substances 0.000 claims description 21
- 235000015097 nutrients Nutrition 0.000 claims description 11
- 241000193401 Clostridium acetobutylicum Species 0.000 claims description 8
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 5
- 238000004821 distillation Methods 0.000 claims description 4
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 24
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 23
- 235000014633 carbohydrates Nutrition 0.000 abstract description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 2
- 238000012258 culturing Methods 0.000 abstract 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 28
- 239000002609 medium Substances 0.000 description 22
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 12
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 description 11
- WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N beta-D-glucose Chemical compound OC[C@H]1O[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N 0.000 description 11
- 239000008103 glucose Substances 0.000 description 11
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 11
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 9
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 9
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 8
- 235000013312 flour Nutrition 0.000 description 8
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 8
- 239000001963 growth medium Substances 0.000 description 7
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 6
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 5
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 5
- 244000005700 microbiome Species 0.000 description 5
- SRBFZHDQGSBBOR-IOVATXLUSA-N D-xylopyranose Chemical compound O[C@@H]1COC(O)[C@H](O)[C@H]1O SRBFZHDQGSBBOR-IOVATXLUSA-N 0.000 description 4
- UVMPXOYNLLXNTR-UHFFFAOYSA-N butan-1-ol;ethanol;propan-2-one Chemical compound CCO.CC(C)=O.CCCCO UVMPXOYNLLXNTR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 4
- 239000002054 inoculum Substances 0.000 description 4
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 4
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 240000004808 Saccharomyces cerevisiae Species 0.000 description 3
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 3
- PYMYPHUHKUWMLA-UHFFFAOYSA-N arabinose Natural products OCC(O)C(O)C(O)C=O PYMYPHUHKUWMLA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- SRBFZHDQGSBBOR-UHFFFAOYSA-N beta-D-Pyranose-Lyxose Natural products OC1COC(O)C(O)C1O SRBFZHDQGSBBOR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 3
- ZXEKIIBDNHEJCQ-UHFFFAOYSA-N isobutanol Chemical compound CC(C)CO ZXEKIIBDNHEJCQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 235000000346 sugar Nutrition 0.000 description 3
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 3
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- WQZGKKKJIJFFOK-QTVWNMPRSA-N D-mannopyranose Chemical compound OC[C@H]1OC(O)[C@@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-QTVWNMPRSA-N 0.000 description 2
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 2
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 239000002551 biofuel Substances 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 2
- 238000013048 microbiological method Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 239000002594 sorbent Substances 0.000 description 2
- 150000008163 sugars Chemical class 0.000 description 2
- 235000016068 Berberis vulgaris Nutrition 0.000 description 1
- 241000335053 Beta vulgaris Species 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000193454 Clostridium beijerinckii Species 0.000 description 1
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 1
- 102000004190 Enzymes Human genes 0.000 description 1
- 108090000790 Enzymes Proteins 0.000 description 1
- 240000003183 Manihot esculenta Species 0.000 description 1
- 235000016735 Manihot esculenta subsp esculenta Nutrition 0.000 description 1
- 240000000111 Saccharum officinarum Species 0.000 description 1
- 235000007201 Saccharum officinarum Nutrition 0.000 description 1
- DKGAVHZHDRPRBM-UHFFFAOYSA-N Tert-Butanol Chemical compound CC(C)(C)O DKGAVHZHDRPRBM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000021307 Triticum Nutrition 0.000 description 1
- 241000209140 Triticum Species 0.000 description 1
- 240000008042 Zea mays Species 0.000 description 1
- 235000005824 Zea mays ssp. parviglumis Nutrition 0.000 description 1
- 235000002017 Zea mays subsp mays Nutrition 0.000 description 1
- QXZUUHYBWMWJHK-UHFFFAOYSA-N [Co].[Ni] Chemical compound [Co].[Ni] QXZUUHYBWMWJHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001476 alcoholic effect Effects 0.000 description 1
- 230000003625 amylolytic effect Effects 0.000 description 1
- PYMYPHUHKUWMLA-WDCZJNDASA-N arabinose Chemical compound OC[C@@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)C=O PYMYPHUHKUWMLA-WDCZJNDASA-N 0.000 description 1
- 238000010923 batch production Methods 0.000 description 1
- 230000001851 biosynthetic effect Effects 0.000 description 1
- BTANRVKWQNVYAZ-UHFFFAOYSA-N butan-2-ol Chemical compound CCC(C)O BTANRVKWQNVYAZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 210000000170 cell membrane Anatomy 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 238000011437 continuous method Methods 0.000 description 1
- 235000005822 corn Nutrition 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 230000002255 enzymatic effect Effects 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 239000001760 fusel oil Substances 0.000 description 1
- 150000004676 glycans Chemical class 0.000 description 1
- 239000003112 inhibitor Substances 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 229940035429 isobutyl alcohol Drugs 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 239000004922 lacquer Substances 0.000 description 1
- 229920005610 lignin Polymers 0.000 description 1
- 239000002207 metabolite Substances 0.000 description 1
- 230000002906 microbiologic effect Effects 0.000 description 1
- 238000010606 normalization Methods 0.000 description 1
- 235000016709 nutrition Nutrition 0.000 description 1
- 230000035764 nutrition Effects 0.000 description 1
- 150000007524 organic acids Chemical class 0.000 description 1
- 235000005985 organic acids Nutrition 0.000 description 1
- 230000010412 perfusion Effects 0.000 description 1
- 239000000825 pharmaceutical preparation Substances 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 229920001282 polysaccharide Polymers 0.000 description 1
- 239000005017 polysaccharide Substances 0.000 description 1
- QQONPFPTGQHPMA-UHFFFAOYSA-N propylene Natural products CC=C QQONPFPTGQHPMA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000004805 propylene group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([*:1])C([H])([H])[*:2] 0.000 description 1
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 1
- 229920002379 silicone rubber Polymers 0.000 description 1
- 239000004945 silicone rubber Substances 0.000 description 1
- 238000009331 sowing Methods 0.000 description 1
- 230000004936 stimulating effect Effects 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 229920003051 synthetic elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000005061 synthetic rubber Substances 0.000 description 1
- 238000005292 vacuum distillation Methods 0.000 description 1
- 239000002966 varnish Substances 0.000 description 1
- 230000035899 viability Effects 0.000 description 1
- 235000013343 vitamin Nutrition 0.000 description 1
- 239000011782 vitamin Substances 0.000 description 1
- 229940088594 vitamin Drugs 0.000 description 1
- 229930003231 vitamin Natural products 0.000 description 1
- 239000002023 wood Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
- C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
- C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
- C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
- C12P7/06—Ethanol, i.e. non-beverage
- C12P7/065—Ethanol, i.e. non-beverage with microorganisms other than yeasts
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
- C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
- C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
- C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
- C12P7/16—Butanols
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
- C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
- C12P7/24—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a carbonyl group
- C12P7/26—Ketones
- C12P7/28—Acetone-containing products
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
- Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel
Landscapes
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Zoology (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Microbiology (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Genetics & Genomics (AREA)
- Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
- Micro-Organisms Or Cultivation Processes Thereof (AREA)
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
Abstract
Изобретение относится к микробиологической промышленности. Способ предусматривает подготовку углеводсодержащего сырья, сбраживание его в ферментере на питательной среде с помощью бактерий, продуцирующих бутанол, ацетон и этанол. Осуществляют отгонку органических растворителей, образующихся в процессе сбраживания, и подпитку растворами углеводов и минеральных солей. При этом часть культуральной жидкости, содержащей суспензию клеток продуцирующей бактерии, отводят из ферментера в дополнительную емкость, подвергают вакуумированию и возвращают в процесс. Способ обеспечивает усиление биосинтеза органических растворителей и повышение выхода бутанола. Выход бутанола составляет 6,5%. 6 з.п. ф-лы.
Description
Изобретение относится к микробиологической промышленности и касается получения органических растворителей - бутанола, ацетона и этанола путем биосинтеза углеводсодержащих материалов.
Наиболее ценным из перечисленных растворителей является бутанол.
Бутанол - это дорогостоящий органический растворитель, широко применяется при изготовлении нитролаков и масляных лаков, в производстве сложных растворителей, синтетической резины и шелка, при экстрагировании фармацевтических препаратов, служит сырьем для производства практически всех пластмасс и их растворителей, поэтому на рынке химических реактивов и веществ имеет постоянно большой спрос.
Органические растворители могут быть использованы также и в качестве биотоплива.
В настоящее время в связи с появлением новых экономичных технологий производства резко возрос интерес к получаемому микробиологическим путем бутанолу и его использованию в качестве биотоплива. При этом бутанол обладает целым рядом преимуществ перед этанолом. По сравнению с этанолом бутанол может быть смешан в более высоких пропорциях с бензином и может использоваться в существующих двигателях автомобилей без модификации системы формирования воздушно-топливной смеси. Бутанол выделяет чистой энергии на рабочий цикл больше, чем этанол или метанол, и примерно на 10% больше, чем бензин.
Бутиловый спирт (бутанол) С4Н9OН - бесцветная жидкость с характерным запахом сивушного масла. Известны нормальный первичный бутиловый спирт СН3(СН2)3ОН, нормальный вторичный бутиловый спирт СН3СН2СН2(ОН)СН3, изобутиловый спирт (СН3)2СНСН2OН, триметилкарбинол (СН3)3СОН.
В промышленности бутанол получают оксосинтезом из пропилена с использованием никель-кобальтовых катализаторов при 130-150°С и давлении 20-35 МПа.
Бутанол начал производиться в 10-х годах XX века микробиологическим путем с использованием бактерии вида Clostridium acetobutylicum. Сырьем для производства была глюкоза сахарного тростника, свеклы, кукурузы, пшеницы, маниоки.
Так, при культивировании на мучных средах различные штаммы Clostridium acetobutylicum синтезируют общее количество растворителей, составляющее 18-19 г/л, в том числе 11-12 г/л и 4-5 г/л ацетона. Кроме того, на средах из муки синтезируется 1,5-2,5 г/л этанола (Корнеева О.С. Жеребцов Н.А. и др. Роль амилолитических ферментов Clostridium acetobutylicum в биосинтезе растворителей. Биотехнология, 1986 г., №3, стр.133-136).
Вышеописанный способ обладает всеми недостатками периодических процессов.
Известен отъемно-доливной способ получения бутанола, используемый в промышленных масштабах, который позволил частично компенсировать недостатки периодического процесса биосинтеза бутанола. При таком способе из ферментера постоянно удаляется часть объема культуральной среды и добавляется равный объем среды. Отобранная порция культуральной среды направляется на ректификацию. Очевидно, что при этом безвозвратно теряются сахара, содержащиеся в отобранной порции. Кроме того, в классическом варианте ацетонобутилового брожения с 4%-ным уровнем доступной глюкозы в культуральной среде ферментация прекращается через 72 часа по причине «выедания» микроорганизмами доступной глюкозы (в случае, когда не вносилось дополнительных питательных веществ, кроме изначальных). Более того, внесение дополнительного питания не приводит к увеличению продолжительности ферментации за счет того, что к 72 часу в культуральной среде достигается концентрация растворителей, токсическая для продуцирующего микроорганизма. Известным фактом является то, что в процессе биосинтеза спиртов по мере накопления бутанола, этанола и ацетона, происходит снижение активности биосинтезирующих микроорганизмов, т.к. спирты являются ингибиторами самого процесса спиртового брожения. С целью исключения подобного бутанол и другие органические соединения постоянно выводят из процесса.
Известен ферментационный способ получения бутанола и других органических растворителей с использованием двух различных штаммов бактерий, с постоянным отводом образующихся органических соединений. Изобретение описывает процесс получения растворителей, преимущественно бутанола, из сахара, протекающий в две стадии, за каждую из которых ответственны разные микроорганизмы (US №5753474, 1988 г.).
Известен способ сбраживания углеводсодержащих сред с помощью бактерий, продуцирующих бутанол, ацетон, этанол и/или изопропанол, состоящий, по меньшей мере, из двух стадий, причем на первой стадии в основном происходит непрерывное размножение бактерий, а на второй, проводимой непрерывно или периодически, образуется целевой продукт. Образующиеся на второй стадии продукты отводят из среды (предпочтительно непрерывно) путем диффузионного испарения, используя для этой цели перфузионную мембрану, в частности из силиконового каучука (RU 2044773, 1989 г.).
Основные недостатки описанных способов связаны со сложностями выделения органических растворителей из культуральной среды, поскольку это наиболее энергоемкое и дорогостоящее звено в технологии их получения.
Недостатками всех известных способов выделения является высокая энергоемкость и необходимость относительно частой замены или восстановления исходных свойств функциональных элементов - мембран или твердых сорбентов.
Наиболее близким к предложенному является непрерывный способ получения органических растворителей, в частности ацетон-бутанол-этанола (ABE), включающий подготовку углеводсодержащего сырья, сбраживание его в ферментере на питательной среде с помощью бактерий, продуцирующих бутанол, ацетон и этанол, отгонку органических растворителей и газов, образующихся в процессе сбраживания, и подпитку растворами углеводов и минеральных солей (US 2005089979, 2005-04-28).
Все вышеописанные способы и последний в том числе обладают недостатками, присущими известным процессам выделения целевых продуктов - высокой энергоемкостью и необходимостью восстановления исходных свойств - мембран или твердых сорбентов, а кроме того, характеризуются невысоким выходом целевых продуктов, в частности бутанола.
Ни в одном из известных авторам источников не описана возможность неспецифического воздействия на продуцирующую культуру с целью усиления процесса биосинтеза.
Многочисленные исследования, проводимые авторами, показали, что если в процессе биосинтеза органических растворителей осуществлять периодическое понижение давления в ферментере и отводить при этом газы, образующиеся в процессе сбраживания, то в период понижения давления синтез растворителей резко усиливается. Возможным объяснением этого является действие переменного давления на биологические системы, что влечет за собой изменение микроокружения клеточных мембран, приводящее к нарушению процессов переноса веществ через мембраны, изменению скоростей ферментативных процессов в клетке, возникновению и развитию репаративных реакций, сопровождаемых новыми синтезами (Акопян В.Б., Коржевенко Г.Н., Шангин-Березовский Г.Н. Скрытый резерв роста и развития живых систем. Вестник сельскохозяйственной науки, 1988, №4, (380), с.96-105).
Исследования также показали, что концентрация сахаров в процессе понижения давления практически не меняется, а в промежутках снижается. Можно предположить, что в промежутках между понижениями давления происходит накопление в культуре кислот-предшественников (масляной и уксусной). Затем, в процессе понижения давления, происходит усиленная переработка кислот-предшественников в растворители. Это может быть связано в первую очередь с перераспределением части культуры из кислотопродуцирующей морфологии в продуценты растворителей. Важно отметить, что соотношение образующихся растворителей, зафиксированное во время понижения давления, сохраняется таковым и в течение последующих 20 часов после предыдущего понижения давления, а это значит, что усиление процесса биосинтеза растворителей во время понижения давления не прекращается и после его нормализации.
Чтобы обеспечить протекание процесса вышеописанным способом, при повышении в культуральной среде концентрации органических растворителей (в частности, бутанола) до величин, приближающихся к токсическим для продуцирующей культуры, давление в ферментере над поверхностью жидкости понижают до уровня, обеспечивающего испарение органических растворителей из жидкой среды, удаление и конденсирование их паров. При создании отрицательного, относительно атмосферного, давления над поверхностью жидкой среды в ферментере, давление паров растворителей над поверхностью падает, а скорость испарения с поверхности жидкой среды ускоряется пропорционально степени понижения давления. Следовательно, удаление паров растворителей и газообразных метаболитов из пространства над поверхностью жидкой среды приводит к ускорению их эвакуации из объема.
Однако при реализации данного решения в заводских условиях авторы столкнулись со сложностями технического характера, и в частности, с тем, что сложно обеспечить периодическое понижение давления до необходимых величин в громоздких тонкостенных ферментерах.
Дальнейшие исследования авторов показали, что, если в процессе биосинтеза отводить часть культуральной жидкости с клетками продуцирующей культуры из ферментера в отдельную емкость и там подвергать ее вакуумированию с целью усиления синтеза растворителей, то неожиданным оказался тот факт, что клетки продуцирующей культуры, подвергнутые вакуумированию и возвращенные в ферментер, сохраняют активность и обеспечивают интенсивное протекание процесса биосинтеза с преимущественным образованием бутанола и в ферментере. Обеспечивая циркуляцию части культуральной жидкости, можно добиться того, что через какое-то время вся культура в ферментере будет продуцировать растворители с уровнем синтеза, зафиксированным при понижении давления в отдельной емкости.
Технической задачей настоящего изобретения является повышение выхода органических растворителей, преимущественно бутанола, за счет неспецифического воздействия на продуцирующую культуру понижением давления и резкого усиления за счет этого процесса биосинтеза при одновременном снижении энергопотребления в процессе.
Для решения этой задачи предложен способ получения органических растворителей, включающий подготовку углеводсодержащего сырья, сбраживание его в ферментере на питательной среде с помощью бактерий, продуцирующих бутанол, ацетон и этанол, отгонку органических растворителей, образующихся в процессе сбраживания, и подпитку растворами углеводов и минеральных солей, в котором часть культуральной жидкости, содержащей суспензию клеток продуцирующей бактерии, отводят из ферментера в дополнительную емкость, подвергают вакуумированию и возвращают обратно, осуществляя, таким образом, ее циркуляцию.
Как показывают исследования авторов, необходимо отводить из ферментера 8-15% культуральной жидкости, при этом отвод культуральной жидкости, содержащей суспензию клеток продуцирующей бактерии, начинают при достижении уровня концентрации бутанола в ферментере, оказывающего ингибирующее действие на продуцирующую культуру. В зависимости от используемого штамма и т.п. понижать давление начинают при достижении уровня концентрации бутанола в ферментере - 6-12 г/л.
При этом отгонку органических растворителей осуществляют одновременно с вакуумированием из отдельной емкости, а давление во время отгонки поддерживают - 0,90-0,94 кг/см2.
Как показали исследования авторов, в качестве бактерии, продуцирующей бутанол, ацетон и этанол, целесообразно использовать бактерию вида Clostridium acetobutylicum.
Предлагаемый способ получения бутанола осуществляют следующим образом.
В предварительно стерилизованный ферментер вносят подготовленную стандартным образом углеводо-минеральную смесь (раствор минеральных солей, необходимый набор витаминов и один из следующих источников углерода: глюкозу, маннозу, ксилозу, ферментолизат не пищевых полисахаридов растений, содержащий глюкозу, маннозу, ксилозу, арабинозу, отделенных от остатков древесины (лигнина), в концентрации 2-4%; затем вносят инокулят бактерий, продуцирующих бутанол, ацетон и этанол, например, Clostridium acetobutylicum, штамм ВКМ B-2531D, с плотностью клеток 1-2 млрд/мл. Через 30 мин после засева начинается интенсивное выделение газов брожения, через 5-6 часов - синтез органических кислот и на 10-12 часах - интенсивный синтез органических растворителей, скорость которого достигает максимума к 28-36 часу.
При повышении в культуральной среде концентрации органических растворителей до величин, приближающихся к токсическим для продуцирующей культуры, часть культуральной жидкости (8-15%) начинают отводить из ферментера в отдельную емкость. В указанной емкости давление над поверхностью жидкости понижают до уровня, обеспечивающего испарение органических растворителей из жидкой среды, удаление и конденсацию их паров. При создании отрицательного, относительно атмосферного, давления (-0,90-0,94 кг/см2) над поверхностью жидкой среды, давление паров растворителей над поверхностью падает, а скорость испарения с поверхности жидкой среды ускоряется пропорционально степени понижения давления. Дальнейшее понижение давления не является целесообразным, поскольку влияет на жизнеспособность культуры.
При этом, как показали исследования авторов, в период понижения давления синтез растворителей резко усиливается. После эвакуации растворителей, обедненную органическими растворителями культуральную жидкость перекачивают обратно в ферментер, заменяя ее в емкости новой порцией культуральной жидкости из ферментера. Отобранный целевой продукт направляется в холодильное устройство, где растворители конденсируются и перетекают в накопительный объем. При отводе части культуральной жидкости в отдельную емкость, в ферментер вводят питательные вещества в количестве, компенсирующем их убыль. Процесс биосинтеза продолжается, содержание органических растворителей, в частности бутанола, в среде возрастает и цикл повторяется. Необходимо отметить, что приблизительно через 28-35 часов весь объем культуральной жидкости из ферментера будет перекачен, и вся культура в ферментере будет продуцировать растворители с повышенным уровнем синтеза.
Изобретение поясняется примерами, которые не носят ограничивающего характера.
Пример 1
В предварительно стерилизованный ферментер с рабочим объемом 3 л вводят 2.5 л 4% раствора глюкозы, 120 г муки, 300 мл инокулята, состоящего из муки (40 г/л), воды и бактерий Clostridium acetobutylicum BKM B-2531D с плотностью 1-2 млрд/мл. Осуществляют ацетон-бутанол-этаноловое брожение при температуре 37°С. Ферментацию продолжают в течение 72 часов. После 72 часов процесс ферментации прекращают и конденсацией отогнанных паров получают в среднем 250 мл раствора (органические растворители 17,5 мл), содержащего 5% бутанола, 1,5% ацетона и 0,5% этанола с соотношением растворителей 60:30:10. После удаления бутанола и сопутствующих газов вводят в ферментер питательную среду, с содержанием 50 г глюкозы. Раз в три дня в питательную среду добавляют 28 г дрожжевого автолизата.
Пример 2
В предварительно стерилизованный ферментер с рабочим объемом 3 л вводят 2.5 л 4-х % раствора глюкозы, добавляют 120 г муки, 300 мл инокулята, состоящего из муки (40 г/л), воды и бактерий Clostridium beijerinckii, регистрационный номер КМ МГУ №101 с плотностью 1-2 млрд/мл. Осуществляют ацетон-бутанол-этаноловое брожение при температуре 37°С. Продолжительность процесса не менее недели. При концентрации бутанола в среде 9 г/л осуществляют отвод 0,5 литра культуральной жидкости в отдельную емкость. Давление в отдельной емкости снижают до -0,94 кг/см. Конденсацией отогнанных паров получают 50 мл раствора (органические растворители 4,2 мл), который содержит 3,75 мл бутанола, 0,35 мл ацетона и 0,125 мл этанола, соотношение растворителей бутанол:ацетон:этанол равно 89:8:3. Обедненную культуральную жидкость из отдельной емкости (концентрация бутанола 2 г/л) возвращают обратно в ферментер. В ферментер вводят питательную среду, содержащую 50 г глюкозы, процесс брожения продолжается. При концентрации бутанола в среде 9 г/л вновь осуществляют отвод 0,5 литра культуральной жидкости в отдельную емкость. Давление в отдельной емкости снижают до 0,94 кг/см2. Конденсацией отогнанных паров получают 60 мл раствора (органические растворители 5,1 мл), который содержит 4,62 мл бутанола, 0,42 мл ацетона и 0,15 мл этанола, соотношение растворителей бутанол:ацетон:этанол равно 91:6:3. Обедненную культуральную жидкость из отдельной емкости возвращают обратно в ферментер. Затем цикл повторяют вновь.
Конденсацией отогнанных паров во время всей ферментации получают в среднем 250 мл раствора (органические растворители 19,9 мл), содержащего 6,5% бутанола, 1,2% ацетона и 0,25% этанола (соотношение растворителей 81:16:3). Раз в три дня в питательную среду добавляют 28 г дрожжевого автолизата. Продуктивность процесса в среднем 10 г/л/день.
Пример 3
В предварительно стерилизованный ферментер с рабочим объемом 3 л вводят 2,5 л 4-х % раствора глюкозы, добавляют 120 г муки, 300 мл инокулята, состоящего из муки (40 г/л), воды и бактерий Clostridium acetobutylicum BKM B-2531D с плотностью 1-2 млрд/мл. Осуществляют ацетон-бутанол-этаноловое брожение при температуре 37°С. Продолжительность процесса не менее недели. При концентрации бутанола в среде 8 г/л осуществляют отвод 0,5 литра культуральной жидкости в отдельную емкость. Давление в отдельной емкости снижают до -0,90 кг/см2. Конденсацией отогнанных паров получают 50 мл раствора (органические растворители 5 мл), который содержит 4,5 мл бутанола, 0,35 мл ацетона и 0,15 мл этанола, соотношение растворителей бутанол:ацетон:этанол равно 90:7:3. Обедненную культуральную жидкость из отдельной емкости (концентрация бутанола 2 г/л) возвращают обратно в ферментер. В ферментер вводят питательную среду, содержащую 50 г глюкозы, процесс брожения продолжается. При концентрации бутанола в среде 10 г/л вновь осуществляют отвод 0,5 литра культуральной жидкости в отдельную емкость. Давление в отдельной емкости снижают до -0,92 кг/см2. Конденсацией отогнанных паров получают 70 мл раствора (органические растворители 6,2 мл), который содержит 5,2 мл бутанола, 0,75 мл ацетона и 0,25 мл этанола, соотношение растворителей бутанол:ацетон:этанол равно 84:12:4. Обедненную культуральную жидкость из отдельной емкости возвращают обратно в ферментер. Затем цикл повторяют вновь.
Конденсацией отогнанных паров во время всей ферментации получают в среднем 250 мл раствора (органические растворители 20 мл), содержащего 6,5% бутанола, 1,2% ацетона и 0,25% этанола (соотношение растворителей 81:16:3). Раз в три дня в питательную среду добавляют 28 г дрожжевого автолизата. Продуктивность процесса в среднем 9 г/л/день.
Таким образом, предлагаемый процесс биосинтеза позволяет проводить вакуумную отгонку органических растворителей, не подвергая воздействию весь объем ферментера, благодаря чему удается снизить расход энергии для понижения давления (создания вакуума), а также обеспечить неспецифическое стимулирующее воздействие пониженного давления на культуру микроорганизмов в ферментационной жидкости.
Преимуществом предложенного технического решения является повышение выхода бутанола за счет усиления процесса биосинтеза, при одновременном снижении энергопотребления на стадии выделения.
Claims (7)
1. Способ получения органических растворителей, включающий подготовку углеводсодержащего сырья, сбраживание его в ферментере на питательной среде с помощью бактерий, продуцирующих бутанол, ацетон и этанол, отгонку органических растворителей, образующихся в процессе сбраживания, и подпитку растворами углеводов и минеральных солей, отличающийся тем, что часть культуральной жидкости, содержащей суспензию клеток продуцирующей бактерии, отводят из ферментера в дополнительную емкость, подвергают вакуумированию и возвращают обратно.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что из ферментера отводят 8-15% культуральной жидкости.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что отвод культуральной жидкости, содержащей суспензию клеток продуцирующей бактерии, начинают при достижении уровня концентрации бутанола в ферментере, оказывающего ингибирующее действие на продуцирующую культуру.
4. Способ по п.2, отличающийся тем, что отвод культуральной жидкости, содержащей суспензию клеток продуцирующей бактерии, начинают при достижении уровня концентрации бутанола в ферментере - 6-12 г/л.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что отгонку органических растворителей осуществляют одновременно с вакуумированием.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что давление во время отгонки составляет 0,90-0,94 кг/см2.
7. Способ по п.1, характеризующийся тем, что бактерией, продуцирующей бутанол, ацетон и этанол, является бактерия вида Clostridium acetobutylicum.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009105443/10A RU2405830C2 (ru) | 2009-02-18 | 2009-02-18 | Способ получения органических растворителей |
| PCT/RU2009/000641 WO2010095976A2 (en) | 2009-02-18 | 2009-11-24 | Process for production of organic solvents |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009105443/10A RU2405830C2 (ru) | 2009-02-18 | 2009-02-18 | Способ получения органических растворителей |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2009105443A RU2009105443A (ru) | 2010-08-27 |
| RU2405830C2 true RU2405830C2 (ru) | 2010-12-10 |
Family
ID=42634371
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009105443/10A RU2405830C2 (ru) | 2009-02-18 | 2009-02-18 | Способ получения органических растворителей |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2405830C2 (ru) |
| WO (1) | WO2010095976A2 (ru) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2405829C2 (ru) * | 2009-02-18 | 2010-12-10 | Дэвон Инвестмент Лимитед | Способ получения органических растворителей |
| CN106008738B (zh) * | 2016-07-21 | 2019-01-04 | 南京工业大学 | 一种丙酮丁醇梭菌胞外多糖的提取分离方法 |
| CN107400646B (zh) * | 2017-08-29 | 2018-07-27 | 汕头大学 | 一株高产丁醇梭菌及其筛选与应用 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5753474A (en) * | 1995-12-26 | 1998-05-19 | Environmental Energy, Inc. | Continuous two stage, dual path anaerobic fermentation of butanol and other organic solvents using two different strains of bacteria |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5856688A (ja) * | 1981-09-25 | 1983-04-04 | Res Assoc Petroleum Alternat Dev<Rapad> | 揮発性発酵生産物の製造法 |
| JPS5871888A (ja) * | 1981-10-20 | 1983-04-28 | Toyo Eng Corp | 発酵生産物の製造方法 |
| NO884986D0 (no) | 1987-03-10 | 1988-11-09 | Effenberger Helmut | Fremgangsmÿte ved kontinuerlig fermentering av medier inneholdende karbohydrat ved hjelp av bakterier. |
| SU1604852A1 (ru) | 1988-12-21 | 1990-11-07 | Воронежский технологический институт | Способ сбраживани крахмалсодержащей среды дл получени ацетона, бутанола и этанола |
| US20050089979A1 (en) | 2003-09-18 | 2005-04-28 | Ezeji Thaddeus C. | Process for continuous solvent production |
| MY153731A (en) * | 2007-12-27 | 2015-03-13 | Gevo Inc | Recovery of higher alcohols from dilute aqueous solutions |
| RU2405829C2 (ru) * | 2009-02-18 | 2010-12-10 | Дэвон Инвестмент Лимитед | Способ получения органических растворителей |
-
2009
- 2009-02-18 RU RU2009105443/10A patent/RU2405830C2/ru not_active IP Right Cessation
- 2009-11-24 WO PCT/RU2009/000641 patent/WO2010095976A2/en not_active Ceased
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5753474A (en) * | 1995-12-26 | 1998-05-19 | Environmental Energy, Inc. | Continuous two stage, dual path anaerobic fermentation of butanol and other organic solvents using two different strains of bacteria |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| QURESHI N. et al. Butanol production from wheat straw hydrolysate using Clostridium beijerinckii. Bioprocess Biosyst. Eng. (2007), 30, pp.419-427. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2009105443A (ru) | 2010-08-27 |
| WO2010095976A2 (en) | 2010-08-26 |
| WO2010095976A3 (en) | 2011-03-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TWI537389B (zh) | 用於控制丁二醇生產之發酵方法 | |
| JP5618995B2 (ja) | 嫌気的微生物発酵によるブタンジオールの製造 | |
| RU2404248C2 (ru) | Способ производства 1,3-пропандиола с использованием сырого глицерина | |
| MX2010013307A (es) | Metodo de produccion de biomasa de levadura. | |
| US8227219B2 (en) | Method and apparatus for bio-fuel seeding | |
| EA022710B1 (ru) | Штамм бактерии clostridium autoethanogenum, способный продуцировать этанол и ацетат путем анаэробной ферментации субстрата, содержащего co | |
| CN101998997A (zh) | 醇的微生物制备方法 | |
| RU2405826C2 (ru) | Способ получения органических растворителей, установка для его осуществления, продукт, полученный описанным способом | |
| CN102559782B (zh) | 利用酪丁酸梭菌发酵甘蔗渣水解液生产丁酸的工艺 | |
| RU2375454C1 (ru) | Способ получения органических растворителей, преимущественно бутанола | |
| RU2405830C2 (ru) | Способ получения органических растворителей | |
| RU2381270C1 (ru) | ШТАММ БАКТЕРИЙ Clostridium acetobutylicum - ПРОДУЦЕНТ БУТАНОЛА, АЦЕТОНА И ЭТАНОЛА | |
| EP2697384B1 (en) | Method for producing butyric acid, butanol and butyrate ester | |
| WO1994029475A1 (en) | Cell mass from fermenters as nutrient source in biomass-to-ethanol conversion | |
| CN102925495A (zh) | 一种利用糖质原料连续发酵生产丁醇的方法 | |
| RU2405829C2 (ru) | Способ получения органических растворителей | |
| RU2404247C2 (ru) | Способ получения бутанола | |
| CN104946506A (zh) | 一种木质纤维素原料发酵生产丁醇的装置及方法 | |
| US20160068867A1 (en) | Method and apparatus for continuous flow bio-fuel production | |
| RU2406763C1 (ru) | Способ микробиологического синтеза н-бутанола | |
| JP3038151B2 (ja) | 発酵と微生物変換反応との融合方法 | |
| RU2439158C2 (ru) | Способ получения смеси насыщенных углеводородов микробиологическим путем | |
| CN101497900A (zh) | 一种制备乙醇的方法 | |
| CN111088295A (zh) | 一种利用微生物发酵生产乙醇的方法 | |
| Ghadiyali Tasnim et al. | A REVIEW ARTICLE ON DIFFERENT CULTURE AND DOWNSTREAM PROCESSES USED IN ETHANOL PRODUCTION FROM AGRICULTURE WASTE |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110219 |