[发明专利]丙酮-丁醇发酵分离耦合的工艺方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种丙酮-丁醇发酵分离耦合的工艺方法，特别是发酵与萃取蒸馏分离技术耦合的一种发酵分离耦合方法。

背景技术

丙酮和丁醇是重要的化工原料、工业溶剂及燃料，可由化学合成法和发酵法生产。发酵法生产丙酮和丁醇是以淀粉质、纸浆废液、糖蜜和野生植物等为原料，由于整个发酵过程会受到严重的产物抑制，使得反应后发酵液中只含有约1.8%(质量分数)的乙醇、丙酮和正丁醇(产物通称ABE)，其余为发酵固体物和水[陈騊声. 发酵法丙酮和丁醇生产技术[M]. 北京: 化学工业出版社, 1991.]。传统的提纯方法是使发酵液首先经过粗分离塔蒸馏提浓去掉发酵固体物和部分水，得到约含乙醇4%、丙酮10%、正丁醇26%和水60%的物料，这一过程的能耗很大。

目前，文献(Steven Roffler, Harvey W. Blanch, Charles R. Wilke. Extractive Fermentation of Acetone and Butanol: Process Design and Economic Evaluation [J]. Biotechnology Progress, 1987, 3(3): 131–140.)中已经有关于采用液液萃取与丙酮-丁醇发酵相结合的报道，该方法可以有效消除产物的抑制作用，提高了产率和原料利用率，比传统发酵方法已经有了很大的进步，但是在萃取后分离发酵产物的方法是采用传统的蒸馏方法，即将含有发酵产物的萃取液加入到蒸馏釜中，通过对蒸馏釜加热而蒸馏得到含乙醇、丙酮、正丁醇和水的物料和回收萃取剂，这种方法需要将所使用的全部萃取剂加热至高温，之后还需要将萃取剂冷却，设备复杂，能量消耗大。

发明内容

本发明的目的是提供一种丙酮-丁醇发酵分离耦合工艺方法和装置，它克服了已有萃取发酵耦合方法中发酵产物分离能耗高的缺点。

本发明所采用的技术方案是：一种丙酮-丁醇发酵分离耦合装置，它是由发酵罐、设置在发酵罐上部并与之贯通的萃取塔、安装于萃取塔上部的加热器和与萃取塔顶部连通的冷凝器组成，可以在这种装置内同时实现发酵、萃取和蒸馏三个过程，其中萃取塔外壁设置有进料口，进料口前设置有进料阀，萃取塔下部外壁设置有出料口，出料口后设置有出料阀；发酵罐外壁设置有进料口，进料口前设置有进料阀，发酵罐下部设置有出料口，出料口下部设置有出料阀。

所述萃取塔的高度H_t为0.4～20 m，优选1.5～15 m。

所述加热器的高度H_h为0.05～5 m，并且H_h＝0.01 H_t～0.3 H_t；加热器的上缘与萃取塔塔顶的距离H_p为0.05～5 m，并且H_p＝0.01 H_t～0.4 H_t，并且能够保证蒸馏时液体沸腾和汽化溢出的顺利进行，并且液体飞沫不被蒸汽带出。

所述安装于萃取塔上部的加热器可以是电加热套，安装于萃取塔上部外壁上。

一种使用如前所述的耦合装置完成丙酮-丁醇发酵分离耦合的工艺方法，它包括以下步骤：

(a) 在常规发酵罐中进行丙酮-丁醇发酵，之后将发酵液加入到如前所述的耦合装置的发酵罐中，或者直接在如前所述的耦合装置的发酵罐中进行丙酮-丁醇发酵；

(b) 在萃取塔内装有高沸点的萃取剂；

(c) 发酵产生的丙酮、丁醇和乙醇被萃取到萃取剂中，并向上迁移；

(d) 通过安装于萃取塔上部的加热器对萃取塔内上部的萃取剂进行加热，使溶于萃取剂中的丙酮、丁醇和乙醇被不断的蒸馏出去，经冷凝器冷凝后收集得含丙酮、丁醇和乙醇的溶液。

向萃取塔中加入萃取剂的液面高于安装于萃取塔上部的加热器下缘，并且与该加热器缘的距离＝0.8 H_h～1.2 H_h；萃取剂液面与萃取塔塔顶的距离能够保证蒸馏时液体沸腾和汽化溢出的顺利进行，且液体飞沫不被蒸汽带出。

该工艺方法的特征是萃取剂的密度小于丙酮-丁醇发酵液的密度，并且大于丁醇的密度，优选0.83～0.97 kg/m³。以便使萃取剂能够处于丙酮-丁醇发酵液的上方，而且发酵产物丙酮、丁醇和乙醇与萃取剂之间的浓度差和密度差可以作为丙酮、丁醇和乙醇在萃取剂中向上迁移的动力来源。

该工艺方法的特征是萃取剂的沸点为140～800℃。