[发明专利]有机分子的回收和纯化工艺

说明书

发明领域

本发明涉及使用固体吸附剂从含水介质中回收和纯化至少一种有机分子的能量有效的工艺。所述含水介质的塔顶蒸气相(overhead vapor phase)暴露于吸附剂，以吸附和浓缩有机分子。在第二步骤中，从吸附剂上解吸附捕集的有机分子。与传统的浓缩和纯化工艺相比，本发明的工艺可以节省显著的能量。

本发明涉及通过从含水介质中蒸气相吸附而回收、浓缩和/或纯化有机分子的能量有效的工艺。本工艺包括吸附步骤，其中在环境温度下不使用额外的热能从含水介质的蒸气相吸附有机分子。与在含水介质中的浓度相比，有机分子以更高的浓度键接在吸附剂上，并且选择吸附剂使其与水相比具有更小的热容量。因此，与例如通过在含水介质的液相中吸附的传统回收工艺相比，回收有机分子所需的能量显著减少。

作为制备石油基有机分子的替代，从发酵工艺中能量节省的回收有机分子对于供应世界化学品和燃料需求而言尤其重要。

技术背景和现有技术

用于生产有机分子的发酵工艺近年来已经作为从生物质生产日用化学品和燃料的方法受到显著的关注。预期在不久的未来将有显著量的有机分子得自于发酵工艺。

在传统发酵工艺中，微生物将可再生的原料比如糖转化成醚、醇、酮、醛、胺、酸或包含两个或更多个这些官能团的更复杂分子，例如二醇或羟基羧酸。对于许多工艺，基质(substrates)或产物的高浓度可能抑制微生物生长。这导致较低的产物滴定度和因此需要从稀释的含水介质中纯化产物。这通常需要很高量的能量，特别是当需要另外分离发酵工艺的副产物时。

传统地通过能量密集的蒸馏工艺从稀释的水溶液例如发酵介质中回收有机分子。需要显著的热能，因为发酵介质的主要组分是水，将其加热以回收少数量组分——有机分子。由于由可再生的生物质生产有机分子的成本不仅取决于发酵，而且很大地取决于通过发酵工艺生产的产物的回收和纯化，因此高能量消耗抵消了这些产物的能量平衡。

已经有许多尝试以开发用于从发酵中回收有机分子的能量有效的工艺。以前已经例证了可以通过精馏、液体吸附、膜工艺、汽提、2-相体系等将有机分子从含水介质中浓缩并且纯化。

吸附是一种用于纯化液体、气体或蒸气的工艺，其中分子通过吸附到合适的吸附剂上而被除去。在该工艺中，分子借助于化学或物理性质的相互作用由液体、气体或蒸气而保留在固体表面上，在这些表面上形成层。因此，某些分子从这些液体、气体或蒸气中减少。

通过液相吸附工艺使用吸附剂例如活性炭、离子交换树脂和分子筛有效地回收有机分子。这些吸附剂可以选择性地将水从含水有机分子中或者将有机分子从水中吸附。液相吸附工艺的主要缺陷是由于颗粒之间夹带水、细胞碎片和其他固体，与离子物质的相互作用，力学问题的可能性而导致的差的有机分子的回收，和因此由于吸附剂内表面的有限可接近性而导致对与目标有机分子的减少的容量。

特别相关的有机分子是丁醇(也被称为1-丁醇、正丁醇或丁-1-醇)。丁醇是重要的燃料和化学前体，其可以通过使用微生物通过由可再生的生物质发酵制备。能够在ABE发酵工艺中制备丁醇的微生物可属于Clostridia属，例如Clostridium acetobutylicum或者Clostridiumbeijerinckii。用于ABE发酵的工艺是文献中已知的并且可以如由Monot，F.等，1984，Appl.Microbiology and Biotechnology 19：422-425所述那样进行。

发酵制备丁醇没有变得商业成功的一个原因是发酵中丁醇的浓度低，通常在低于20g/l的范围内。主要原因是丁醇对微生物的毒性。由于低丁醇产率，因此通过蒸馏或精馏的丁醇回收成本非常高。

为了使丁醇发酵在经济上可行，研究了几种替代的产品回收技术，比如全蒸发、汽提、液-液萃取、吸附、反渗透、含水两相分离和蒸气汽提蒸馏(Qureshi，N.等，2005，Bioprocess and Biosystems Engineering，27(4)：215-222)。

通过使汽提气流通过水相，形成富集的汽提气(美国专利No.4,703,007，美国专利No.4,327,184)和通过冷凝从富集的汽提气中除去有机分子，汽提允许从水相中选择性除去挥发性有机分子。汽提的主要缺陷是缺乏选择性，因为含水介质中的所有挥发性分子，包括水被除去并且一起冷凝。此外，使汽提气冷却以使气流中的挥发物冷凝所需的能量是很显著的。

解决的问题

旨在提供一种其中与传统方法相比用于回收的能量需求显著更小的从含水介质中回收有机分子的方法。

发明描述