本申請(qǐng)要求2014年7月11日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?2/023,467的權(quán)益，將該臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)此引用而結(jié)合。

關(guān)于聯(lián)邦資助的研究和合作研究的聲明

本發(fā)明的研究部分地由美國(guó)能源部(United States Department of Energy)基金號(hào)DE-FG36-08GO18134來(lái)提供資金，并且是在35U.S.C.§103(c)的意義內(nèi)與明尼蘇達(dá)礦業(yè)公司(Minnesota Mining Company)(3M)的聯(lián)合研究協(xié)議的一部分。

發(fā)明領(lǐng)域

本發(fā)明涉及用于通過(guò)發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)分子如乙醇的方法和系統(tǒng)，特別地涉及從發(fā)酵培養(yǎng)基中回收乙醇的方法，并且還更特別地涉及通過(guò)將乙醇穿過(guò)半滲透膜分配到有機(jī)溶劑中回收乙醇。

背景

在體積基礎(chǔ)上，酒精發(fā)酵代表了用于生產(chǎn)傳統(tǒng)酒精飲料(葡萄酒、啤酒、烈性酒精飲料等)以及工業(yè)和燃料乙醇的工業(yè)生物技術(shù)的最大領(lǐng)域之一。用于發(fā)酵的原料典型地是糖源，如衍生自玉米淀粉的葡萄糖或者來(lái)自甜菜和甘蔗(它們是可再生的農(nóng)作物)的蔗糖。燃料乙醇與常規(guī)的化石衍生的燃料競(jìng)爭(zhēng)、或者至少充當(dāng)常規(guī)的化石衍生的燃料的補(bǔ)充，但是沒(méi)有環(huán)境影響，因?yàn)橄啾韧ㄟ^(guò)生長(zhǎng)的農(nóng)作物從大氣中吸收碳，沒(méi)有更多的碳通過(guò)燃燒乙醇排放至大氣內(nèi)。然而，為了與常規(guī)化石燃料競(jìng)爭(zhēng)并且被更廣泛地適配，從可再生的農(nóng)作物生產(chǎn)乙醇的成本需要被減少并且通過(guò)該乙醇生產(chǎn)工藝本身排放的二氧化碳也需要被減少以便降低環(huán)境影響。

燃料等級(jí)乙醇生產(chǎn)的最昂貴組成部分之一是對(duì)于從其中制作乙醇的水性發(fā)酵培養(yǎng)基中蒸餾該乙醇所要求的能量。典型地，用于蒸餾的能量是從常規(guī)化石燃料獲得的。因此，可以從降低蒸餾附帶的能量成本實(shí)現(xiàn)的任何節(jié)省將同時(shí)降低乙醇生產(chǎn)的成本以及其生產(chǎn)附帶的二氧化碳排放。

乙醇生產(chǎn)的蒸餾成本是高的原因之一是構(gòu)成該發(fā)酵培養(yǎng)基的水具有乙醇可混溶的液體的最高熱容量之一。另一個(gè)原因是乙醇和水形成恒沸物，該恒沸物使得難以通過(guò)蒸餾有效地分離這些物種，尤其因?yàn)樗鼈兊姆悬c(diǎn)僅僅是相差22℃。如果乙醇能夠首先從該水性發(fā)酵培養(yǎng)基中萃取至有機(jī)溶劑內(nèi)，將減少蒸餾成本，該有機(jī)溶劑具有比水更低的熱、并且具有顯著不同的沸點(diǎn)并且不與乙醇形成恒沸物。

已經(jīng)描述了相對(duì)于水允許使有機(jī)化合物如乙醇優(yōu)先通過(guò)的某些選擇性可滲透膜。在美國(guó)專(zhuān)利號(hào)7,794,593、7,517,455、7,105,089和7,122,709中已經(jīng)描述了此類(lèi)選擇性膜的實(shí)例。如果能夠設(shè)計(jì)利用此類(lèi)膜的選擇滲透性將該化合物從水性發(fā)酵培養(yǎng)基轉(zhuǎn)移至有機(jī)溶劑內(nèi)的高效系統(tǒng)，對(duì)于乙醇生產(chǎn)領(lǐng)域、或者更一般地說(shuō)對(duì)于通過(guò)發(fā)酵生產(chǎn)任何有機(jī)分子的領(lǐng)域?qū)⑹怯幸娴?，該系統(tǒng)將減少與通過(guò)發(fā)酵制作的有機(jī)化合物的制造和分離相關(guān)的碳足跡、成本和能量。

在下文中描述的本發(fā)明提供了此種系統(tǒng)，該系統(tǒng)是特別對(duì)于乙醇制造例示的，但是總體上適用于通過(guò)發(fā)酵制造任何有機(jī)化合物，其中該化合物可以穿過(guò)選擇性可滲透膜被萃取以便從該水性發(fā)酵培養(yǎng)基中分離該化合物。

發(fā)明簡(jiǎn)要概述

在此描述的是一種用于通過(guò)發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)化合物的系統(tǒng)和方法，包括用于將該有機(jī)化合物從水性發(fā)酵培養(yǎng)基中穿過(guò)半滲透膜萃取至有機(jī)溶劑內(nèi)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在發(fā)酵結(jié)束時(shí)分批地操作或者更優(yōu)選地在該發(fā)酵工藝過(guò)程中連續(xù)地操作，其中使該工藝中使用的多種組分(即，發(fā)酵介質(zhì)、生物質(zhì)、和萃取溶劑)在該系統(tǒng)內(nèi)再循環(huán)。該系統(tǒng)和方法通過(guò)生產(chǎn)并且萃取乙醇特別地很好地適配并且例示。

更特別地，在此描述的是一種用于通過(guò)發(fā)酵從糖源生產(chǎn)有機(jī)化合物的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)包括用于容納發(fā)酵培養(yǎng)基的發(fā)酵容器；與該發(fā)酵容器流體連接以接收該發(fā)酵培養(yǎng)基的至少一部分的固體分離裝置，其中所述固體分離裝置被配置成從該發(fā)酵培養(yǎng)基中分離懸浮的固體以便生產(chǎn)澄清的培養(yǎng)基。該發(fā)酵介質(zhì)中的固體包括生物質(zhì)并且可以包括其他不溶解的材料如糧食顆粒。該固體分離裝置被配置成引導(dǎo)該澄清的培養(yǎng)基的流離開(kāi)該分離裝置。膜模塊被配置成接收該澄清的培養(yǎng)基的流，其中所述膜模塊包括被配置成相對(duì)于水允許使該有機(jī)化合物優(yōu)先通過(guò)的選擇性可滲透膜。該膜模塊包括：培養(yǎng)基入口端口，用于在與該膜相切的第一流動(dòng)方向上接收來(lái)自該固體分離裝置的該澄清的培養(yǎng)基的流；培養(yǎng)基離開(kāi)端口，用于引導(dǎo)來(lái)自該膜模塊的包含殘留萃取溶劑的溶劑萃取過(guò)的培養(yǎng)基的流；溶劑入口端口，用于在與該膜相切的第二流動(dòng)方向上接收萃取溶劑的流；出口端口，該出口端口被配置成引導(dǎo)來(lái)自該膜模塊的含有該有機(jī)化合物的該萃取溶劑的流；以及加壓裝置，用于相對(duì)于該膜模塊中萃取溶劑的流在該澄清的培養(yǎng)基的流上維持正壓力。該加壓裝置可進(jìn)一步包括用于釋放包含在來(lái)自該膜模塊的該澄清的培養(yǎng)基中的二氧化碳的排氣件(vent)。

該系統(tǒng)可進(jìn)一步包括被配置成接收來(lái)自該膜模塊的該溶劑萃取過(guò)的培養(yǎng)基的流并且使包含一部分所述殘留萃取溶劑的萃取溶劑相與該溶劑萃取過(guò)的培養(yǎng)基的水相分離的傾析器。該傾析器可進(jìn)一步被配置成使該水相返回到該發(fā)酵容器。

在某些實(shí)施例中，該分離裝置包括過(guò)濾器件，并且在一些實(shí)施例中，多個(gè)該過(guò)濾器件。在令人希望的實(shí)施例中，該過(guò)濾器件被配置有用于使這些分離的懸浮的固體的至少一部分返回到該發(fā)酵容器的裝置。在示例性實(shí)施例中，該過(guò)濾器件是超濾器。

在其他實(shí)施例中，該固體分離裝置包括離心機(jī)。在示例性實(shí)施例中，該離心機(jī)是連續(xù)流離心機(jī)。該連續(xù)流離心機(jī)可進(jìn)一步被配置有用于使這些分離的懸浮的固體的至少一部分返回到該發(fā)酵容器的裝置。還可以將其中該固體分離裝置包括離心機(jī)的實(shí)施例與附加地包括過(guò)濾器件的固體分離裝置組合。

典型地，進(jìn)入該系統(tǒng)的懸浮的材料包括殘留量的該發(fā)酵培養(yǎng)基，并且該固體分離裝置被配置有用于從該殘留發(fā)酵培養(yǎng)基中分離這些懸浮的固體的裝置。

在該系統(tǒng)中使用的發(fā)酵容器應(yīng)該包括用于接收進(jìn)入該容器的碳水化合物原料流的第一發(fā)酵罐入口端口；用于接收進(jìn)入該發(fā)酵容器的該溶劑萃取過(guò)的培養(yǎng)基的流的第二發(fā)酵罐入口端口；以及被配置成引導(dǎo)來(lái)自該發(fā)酵容器的該發(fā)酵培養(yǎng)基的一部分到該固體分離裝置的發(fā)酵罐離開(kāi)端口。該系統(tǒng)可進(jìn)一步包括被配置用于接收分離的固體的第三發(fā)酵罐入口端口。在該系統(tǒng)的某個(gè)實(shí)施例中，該發(fā)酵容器包括串聯(lián)連接的級(jí)聯(lián)串的多個(gè)發(fā)酵容器。

該系統(tǒng)典型地可包括可操作地連接到膜模塊上的泵以便相對(duì)于進(jìn)入并且離開(kāi)所述膜模塊的該萃取溶劑的流的速率增加所述模塊內(nèi)的該萃取溶劑的流的速率。擴(kuò)充的系統(tǒng)可進(jìn)一步包括被配置成接收來(lái)自該膜模塊的該溶劑萃取流并且通過(guò)蒸餾使該萃取溶劑與該有機(jī)化合物分離的蒸餾器件。在理想實(shí)施例中，該系統(tǒng)被進(jìn)一步配置成使來(lái)自該蒸餾器件的蒸餾過(guò)的溶劑返回到進(jìn)入該膜模塊的該萃取溶劑流。

該系統(tǒng)可進(jìn)一步包括可操作地連接到該傾析器上的分離增強(qiáng)裝置以便減緩該溶劑萃取過(guò)的培養(yǎng)基的流的速率并且從而增強(qiáng)該萃取溶劑相與該水相的分離。在示例性實(shí)施例中，該分離增強(qiáng)裝置是豎直管，該豎直管具有超過(guò)進(jìn)料至該豎直管內(nèi)的管的增加的直徑。該系統(tǒng)可進(jìn)一步包括在該傾析器與該發(fā)酵容器之間的沉降槽。

在一些實(shí)施例中，該系統(tǒng)可包括液/液萃取模塊，該液/液萃取模塊與該傾析器流體連通并且被配置成接收該溶劑萃取過(guò)的培養(yǎng)基并且使該溶劑萃取過(guò)的培養(yǎng)基與第二萃取溶劑接觸，該第二萃取溶劑優(yōu)先地將殘留萃取溶劑相對(duì)于水相分配到第二萃取溶劑相。在此類(lèi)實(shí)施例中，該系統(tǒng)可進(jìn)一步包括第二蒸餾器件，該第二蒸餾器件被配置成接收該第二萃取溶劑相并且使該膜模塊萃取溶劑與該第二萃取溶劑分離。該蒸餾器件可以被配置成使該膜模塊萃取溶劑返回到進(jìn)入該膜模塊的該萃取溶劑流并且使該第二萃取溶劑返回到該液/液萃取模塊。在某些實(shí)施例中，該液/液萃取模塊被進(jìn)一步配置成使該水相返回到該發(fā)酵容器。

在示例性實(shí)施例中，該有機(jī)化合物是乙醇并且該膜模塊萃取溶劑包括選自由十二烷和2,4二甲基庚醇組成的組的溶劑。在這些實(shí)施例中，該第二萃取溶劑可包括十二烷。

在另一個(gè)方面中，在一種通過(guò)發(fā)酵制作有機(jī)化合物的方法中采用該系統(tǒng)的前述實(shí)施例，該方法包括在如在此描述的系統(tǒng)中制作該有機(jī)化合物的用有機(jī)體的發(fā)酵；并且收集該有機(jī)化合物。在該示例性實(shí)施例中，該有機(jī)化合物是乙醇，該膜模塊萃取溶劑包括選自由十二烷和2,4二甲基庚醇組成的組的溶劑，并且該第二萃取溶劑包括十二烷。

本發(fā)明的附加方面，連同其附屬的優(yōu)點(diǎn)和新穎特征，將部分地在下面的描述中陳述，并且部分地一經(jīng)檢查以下對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將變得明顯，或可以從本發(fā)明的實(shí)踐中學(xué)習(xí)。本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)可以借助于在所附權(quán)利要求書(shū)中特別指出的手段以及組合來(lái)實(shí)現(xiàn)和獲得。

附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。

詳細(xì)說(shuō)明

在此描述的是一種用于使用發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)化合物的系統(tǒng)和方法，其中在該系統(tǒng)內(nèi)再循環(huán)該系統(tǒng)的多種組分。該系統(tǒng)和方法允許在分批或優(yōu)選地連續(xù)流系統(tǒng)中從發(fā)酵培養(yǎng)基中萃取高濃度的有機(jī)化合物，該連續(xù)流系統(tǒng)允許在該發(fā)酵過(guò)程中同時(shí)使生物質(zhì)、水性發(fā)酵培養(yǎng)基和萃取溶劑再循環(huán)。該系統(tǒng)和方法特別地很好地適配用于生產(chǎn)并且萃取乙醇。

本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例是如圖1中描繪的。該系統(tǒng)包括與固體分離裝置12流體連通的用于容納發(fā)酵培養(yǎng)基的發(fā)酵容器10，該固體分離裝置接收該發(fā)酵培養(yǎng)基的至少一部分。該固體分離裝置被配置成從該發(fā)酵培養(yǎng)基中分離懸浮的固體(即，生物質(zhì)和/或未溶解的材料如糧食顆粒)以便生產(chǎn)澄清的培養(yǎng)基并且引導(dǎo)該澄清的培養(yǎng)基流離開(kāi)分離裝置12。

通過(guò)包括選擇性可滲透膜16的膜模塊14接收離開(kāi)固體分離裝置12的該澄清的培養(yǎng)基，該選擇性可滲透膜被配置成相對(duì)于水允許使該有機(jī)化合物穿過(guò)該膜并且進(jìn)入萃取溶劑的優(yōu)先通過(guò)。來(lái)自膜模塊14的該溶劑萃取過(guò)的培養(yǎng)基流行進(jìn)到與膜模塊14流體連通的傾析器18。傾析器18被配置成從該萃取溶劑中分離渡過(guò)該膜的殘留水。同樣可以使該溶劑萃取過(guò)的培養(yǎng)基的水相通過(guò)沉降槽20以便在使該水相返回到發(fā)酵容器10之前從該水相中分離傳遞至該培養(yǎng)基內(nèi)的殘留萃取溶劑。

離開(kāi)膜模塊14的具有萃取的有機(jī)化合物的萃取溶劑流在進(jìn)入蒸餾器件22之前被保持容器24接收，該蒸餾器件被配置成接收該萃取的混合物并且通過(guò)蒸餾使該萃取溶劑與該有機(jī)化合物分離。收集該有機(jī)化合物，并且優(yōu)選地使該蒸餾過(guò)的膜模塊萃取溶劑再循環(huán)至進(jìn)入膜模塊14的該萃取溶劑流中。該蒸餾過(guò)的溶劑在被返回到膜模塊14之前可以被保持在膜萃取溶劑儲(chǔ)槽25中。

已經(jīng)總體上描述了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，現(xiàn)在描述在本發(fā)明的某些實(shí)施例中的系統(tǒng)的某些元件的附加細(xì)節(jié)。

在該有機(jī)化合物的最佳生產(chǎn)速率過(guò)程中，優(yōu)選地將該發(fā)酵培養(yǎng)基從發(fā)酵容器10抽出。在某些實(shí)施例中，包括當(dāng)該有機(jī)化合物是乙醇時(shí)，當(dāng)該有機(jī)化合物的生產(chǎn)是1-5g/L/小時(shí)時(shí)、通常地當(dāng)生產(chǎn)是2-3g/L/小時(shí)時(shí)，優(yōu)選地將該發(fā)酵培養(yǎng)基從發(fā)酵容器10中去除。在此類(lèi)時(shí)間下脫去該發(fā)酵培養(yǎng)基使產(chǎn)品輸出和系統(tǒng)生產(chǎn)量的效率最大化。進(jìn)一步地，從該發(fā)酵培養(yǎng)基中連續(xù)地去除并且萃取該有機(jī)化合物的一部分防止該有機(jī)化合物在該發(fā)酵容器中積累至其中該有機(jī)化合物使發(fā)酵有機(jī)體中毒的水平，從而允許在最佳速率下進(jìn)行該發(fā)酵而不減速持續(xù)不定的時(shí)間段。

固體分離裝置12被配置成從該發(fā)酵培養(yǎng)基中分離懸浮的固體以形成澄清的發(fā)酵培養(yǎng)基。從該發(fā)酵培養(yǎng)基中去除懸浮的固體是重要的以防止淤塞膜模塊14中的選擇性可滲透膜16，這是非常重要的以使該系統(tǒng)能夠在連續(xù)工藝中運(yùn)行。去除這些懸浮的固體允許改進(jìn)的乙醇溶劑萃取以及改進(jìn)的乙醇-溶劑混合物穿過(guò)膜16的選擇性和通量。當(dāng)該系統(tǒng)被用于干研磨工藝中時(shí)，在該工藝中整個(gè)玉米粒被糖化以便從淀粉中釋放可溶的葡萄糖，固體分離裝置12是特別重要的，因?yàn)榇罅康某什豢扇芾w維和胚芽組織形式的細(xì)粉(如果不被充分地去除將淤塞膜模塊14)。在某些實(shí)施例中，在離開(kāi)發(fā)酵容器10的該發(fā)酵培養(yǎng)基中的懸浮的固體含量是1.0-1.5％w/w。懸浮的固體包括細(xì)胞生物質(zhì)，并且在干研磨工藝中包括糧食顆粒和作為該發(fā)酵工藝的結(jié)果存在于該發(fā)酵培養(yǎng)基中的其他固體元素。

在某些實(shí)施例中，該系統(tǒng)和固體分離裝置12優(yōu)選地被配置成使這些懸浮的固體的全部或更優(yōu)選地一部分返回到發(fā)酵槽。通過(guò)在乙醇萃取之前從該培養(yǎng)基中分離這些懸浮的固體(包括發(fā)酵有機(jī)體)，并且使該材料的至少一部分返回到該發(fā)酵容器，在該系統(tǒng)中可以維持該發(fā)酵有機(jī)體和固體材料的最佳生產(chǎn)水平。從該發(fā)酵培養(yǎng)基中去除的懸浮的固體典型地含有一些殘留發(fā)酵培養(yǎng)基?？梢允乖摎埩舭l(fā)酵培養(yǎng)基與這些懸浮的固體分離并且使其返回到發(fā)酵容器10，并且這些懸浮的固體的分離的部分可以被用于其他目的-如被干燥以形成動(dòng)物飼料成分。

在某些實(shí)施例中，該發(fā)酵有機(jī)體是絮凝化的酵母菌株。在一些其他實(shí)施例中，在該發(fā)酵培養(yǎng)基中使用引起酵母絮凝的絮凝劑，優(yōu)選二價(jià)陽(yáng)離子，如Zn、Mg或Mn。該發(fā)酵有機(jī)體的絮凝可以幫助從該發(fā)酵培養(yǎng)基中分離這些酵母細(xì)胞。

可以通過(guò)用于固/液分離的本領(lǐng)域中已知的任何適合的裝置從該發(fā)酵培養(yǎng)基中去除懸浮的固體，這些裝置包括，但不限于：用于沉降、離心或其他固體濃縮步驟如過(guò)濾中的一種或多種的裝置。固體分離裝置12優(yōu)選地包括至少一個(gè)固/液分離裝置并且優(yōu)選地包括一系列固/液分離裝置。

在某些實(shí)施例中，固體分離裝置12包括離心機(jī)26，優(yōu)選地連續(xù)流離心機(jī)，該離心機(jī)被配置有用于使含有該發(fā)酵有機(jī)體的懸浮的固體的至少一部分返回到發(fā)酵容器10的裝置。典型地，此種裝置是導(dǎo)管，該導(dǎo)管可以?xún)?yōu)選地被放成與單獨(dú)的泵29流體連通以使這些懸浮的固體或其一部分返回到該發(fā)酵容器。

在某些實(shí)施例中，固體分離裝置12包括一個(gè)或多個(gè)過(guò)濾器件28以從發(fā)酵培養(yǎng)基中分離懸浮的固體并且優(yōu)選地使這些懸浮的固體的至少一部分返回到發(fā)酵容器10。至少一個(gè)過(guò)濾器件28優(yōu)選地包括超濾器，如超濾器袋。該超濾器優(yōu)選地是1-2μ過(guò)濾器。本領(lǐng)域中已知的或今后開(kāi)發(fā)的符合本發(fā)明的其他過(guò)濾器件可以采用。

在某些實(shí)施例中，固體分離裝置12包括至少一個(gè)與至少一個(gè)過(guò)濾器件28流體連通的離心機(jī)26。該過(guò)濾器件可以被放置于發(fā)酵容器10與固體分離裝置12之間和/或于固體分離裝置12與膜模塊14之間。在一些實(shí)施例中，除了離心機(jī)26之外采用一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)或更多個(gè)過(guò)濾器件28。

固體分離裝置12被配置成引導(dǎo)該澄清的培養(yǎng)基的流離開(kāi)該分離裝置。該系統(tǒng)被配置成將該澄清的培養(yǎng)基的流遞送至膜模塊14中，該膜模塊被配置成接收該澄清的培養(yǎng)基的流。該膜模塊被配置成從該澄清的發(fā)酵培養(yǎng)基中萃取有機(jī)化合物。該膜模塊包括選擇性可滲透膜16，該選擇性可滲透膜相對(duì)于水并且因此相對(duì)于該水性發(fā)酵培養(yǎng)基允許該有機(jī)化合物的優(yōu)先通過(guò)。適用于與本發(fā)明一起使用的膜描述于美國(guó)專(zhuān)利號(hào)7,794,593、7,517,455、7,105,089和7,122,709中，關(guān)于此類(lèi)披露將這些專(zhuān)利通過(guò)引用結(jié)合。通過(guò)適合的萃取溶劑幫助通過(guò)可滲透膜16從該發(fā)酵培養(yǎng)基中萃取該有機(jī)化合物。在某些實(shí)施例中，該膜模塊萃取溶劑包括選自由十二烷和2,4二甲基庚醇組成的組的溶劑。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，該膜模塊萃取溶劑包括2,4二甲基庚醇。在一些實(shí)施例中，添加熱，優(yōu)選地通過(guò)熱交換器，以改進(jìn)溶劑萃取。

在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，在可滲透膜16的一側(cè)上，膜模塊14包括用于在與膜16相切的第一流動(dòng)方向上接收來(lái)自固體分離裝置12的該澄清的培養(yǎng)基的流的培養(yǎng)基入口端口30以及用于引導(dǎo)溶劑萃取過(guò)的培養(yǎng)基的流離開(kāi)膜模塊14的培養(yǎng)基離開(kāi)端口32。在選擇性可滲透膜16的另一側(cè)上，膜模塊14包括用于在與膜16相切的第二流動(dòng)方向上接收萃取溶劑的流的溶劑入口端口34以及被配置成引導(dǎo)來(lái)自膜模塊14的含有該有機(jī)化合物的該萃取溶劑的流的溶劑出口端口36。該澄清的培養(yǎng)基流和該萃取溶劑流是在該選擇性可滲透膜的相反側(cè)上并且這兩個(gè)的方向相對(duì)于彼此可以是逆流或錯(cuò)流。逆流在此被定義為在彼此成180°的角度的相反方向上移動(dòng)的兩種液體的流動(dòng)。錯(cuò)流在此被定義為在彼此成范圍從≥90°至<180°的角度的方向上移動(dòng)的兩種液體的流動(dòng)。

本發(fā)明的系統(tǒng)包括用于維持該澄清的培養(yǎng)基的壓力相對(duì)于膜模塊14中的該萃取溶劑的壓力更高的加壓裝置38。加壓裝置38可以是該膜模塊的一部分或者可操作地連接到膜模塊14上。加壓裝置38可以包括可操作地連接到膜模塊14上以調(diào)節(jié)膜模塊14內(nèi)的流動(dòng)的閥38或一系列閥以便實(shí)現(xiàn)所希望的壓差。該加壓裝置優(yōu)選地包括用于維持恒定壓差的控制系統(tǒng)，包括可操作地連接到一個(gè)或多個(gè)用于壓差控制的自動(dòng)閥的可編程序邏輯控制(PLC)系統(tǒng)。

通過(guò)該加壓裝置產(chǎn)生的壓差是必要的以防止該萃取溶劑穿越選擇性可滲透膜16并且接觸該發(fā)酵培養(yǎng)基。因此，該壓力在膜模塊14的培養(yǎng)基側(cè)上較高。在某些優(yōu)選的實(shí)施例中，穿過(guò)選擇性可滲透膜16的壓差是在0.5與10psi之間、在0.5與7.5psi之間、或者在0.5與5.0psi之間。在一些實(shí)施例中，該壓差是1psi。即使具有正壓差，該萃取溶劑中的一些可能穿越膜16至過(guò)濾培養(yǎng)基內(nèi)。在一些實(shí)施例中，該壓力選擇為使得在離開(kāi)膜模塊14的該溶劑萃取過(guò)的發(fā)酵培養(yǎng)基中的此殘留萃取溶劑的濃度是不大于約100--400ppm。

加壓裝置38的全部或一部分可以包括用于控制在膜16中的壓差的裝置。作為該發(fā)酵工藝的結(jié)果，二氧化碳存在于該發(fā)酵培養(yǎng)基中。然而，如果被允許積累，二氧化碳取代足夠量的發(fā)酵培養(yǎng)基至產(chǎn)生在所希望的范圍以外的更高壓力。加壓裝置38可以包括排氣件，該排氣件用于控制二氧化碳的釋放以幫助維持所希望的壓差并防止膜16破裂。在一些實(shí)施例中，該排氣件包括液體柱。在一些實(shí)施例中，該排氣件包括具有立管的在膜模塊14的頂部上安裝的“T”裝配件，該立管被附接以允許二氧化碳從該發(fā)酵培養(yǎng)基排放。經(jīng)由在膜模塊14的頂部樹(shù)脂玻璃蓋中的多個(gè)分接頭，該T可以被附接到該膜模塊上。二氧化碳的排放進(jìn)一步維持膜模塊14中的培養(yǎng)基的較高濃度，這允許穿過(guò)選擇性可滲透膜16的較高的質(zhì)量傳遞。

在某些實(shí)施例中，本發(fā)明的系統(tǒng)進(jìn)一步包括可操作地連接到膜模塊14上以相對(duì)于進(jìn)入并且離開(kāi)該膜模塊的該萃取溶劑的流的速率增加模塊14內(nèi)的該萃取溶劑的流的速率的泵40。泵40使膜模塊14內(nèi)的該萃取溶劑再流通，導(dǎo)致可以是大于10倍進(jìn)來(lái)的新鮮萃取溶劑和流出的含有該有機(jī)化合物的廢萃取溶劑的速率的模塊14內(nèi)的萃取溶劑流速。此增加的流速增加了沿著膜16的層流的濁度，有效地減少了在膜模塊14的表面處的邊界層厚度。這增加了該有機(jī)化合物到該萃取溶劑內(nèi)的混溶性，并且產(chǎn)生了較高的該有機(jī)化合物到該萃取溶劑內(nèi)的傳遞速率。優(yōu)選地，進(jìn)入并且離開(kāi)膜模塊14的流速是1–1.5L/分鐘。優(yōu)選地，膜模塊14內(nèi)的該萃取溶劑的流速是15–20L/分鐘、或1加侖/分鐘/平方英尺。

在某些實(shí)施例中，該膜模塊被配置有就地清潔的閥70，這些閥包括排液閥、截止閥和清潔閥以允許就地清潔的工藝用于清潔膜模塊14。該清潔工藝從膜16中去除生物膜，如果被允許累積，該生物膜將阻礙流通過(guò)膜16。該就地清潔的工藝優(yōu)選地以維持通過(guò)該膜的所希望的流速的頻率運(yùn)行，優(yōu)選地一周至少一次。這些截止閥，當(dāng)閉合時(shí)，阻止通過(guò)培養(yǎng)基入口和離開(kāi)端口30和32以及溶劑輸入和離開(kāi)端口34和36的流進(jìn)入并且流出膜模塊14。這些排液閥，當(dāng)打開(kāi)時(shí)，允許膜模塊14的內(nèi)含物排入收集槽72內(nèi)。這些清潔閥可操作地連接到保持清潔溶液的槽74上，并且當(dāng)打開(kāi)時(shí)，允許清潔溶液進(jìn)入該膜模塊。該清潔溶液優(yōu)選地包含1至2N氫氧化鈉溶液和聚山梨酯60表面活性劑。為了清潔膜模塊14，閉合這些培養(yǎng)基入口和溶劑輸入截止閥并允許該萃取溶劑離開(kāi)模塊14。然后閉合這些培養(yǎng)基離開(kāi)端口和溶劑出口端口。打開(kāi)這些清潔閥以允許該清潔溶液進(jìn)入該膜模塊。操作這些排液閥和清潔閥以維持對(duì)于清潔膜模塊14有利的清潔溶液的流速。在清潔之后，閉合這些清潔閥并且打開(kāi)這些培養(yǎng)基入口端口和溶劑輸入端口30和34持續(xù)足夠的時(shí)間以通過(guò)排液閥排出任何剩余的清潔溶液。然后閉合這些排液閥并且打開(kāi)這些培養(yǎng)基離開(kāi)端口和溶劑出口端口32和36以便使膜模塊14返回到正常操作。

在某些實(shí)施例中，膜模塊14的培養(yǎng)基離開(kāi)端口32是與一個(gè)或多個(gè)液/液分離裝置流體連通，該一個(gè)或多個(gè)液/液分離裝置被配置成從該溶劑萃取過(guò)的培養(yǎng)基中分離泄漏到該培養(yǎng)基內(nèi)的任何萃取溶劑。如果不去除，當(dāng)使該培養(yǎng)基返回到發(fā)酵容器10時(shí)，該殘留的萃取溶劑可能殺死該發(fā)酵有機(jī)體。優(yōu)選地，溶劑在該培養(yǎng)基中的濃度減少至小于400ppm、更優(yōu)選地小于100ppm。在一些實(shí)施例中，該液/液萃取裝置包括一個(gè)或多個(gè)傾析器18。該傾析器優(yōu)選地是沒(méi)有離心機(jī)的水平傾析器。該萃取溶劑分離離開(kāi)該水性培養(yǎng)基相并且進(jìn)入該傾析器內(nèi)的上部萃取溶劑相內(nèi)。該傾析器進(jìn)一步被配置成使該水性培養(yǎng)基相返回到發(fā)酵容器10。在此類(lèi)實(shí)施例中，該系統(tǒng)可被配置有在傾析器18與發(fā)酵容器10之間的沉降槽20。沉降槽20優(yōu)選地是重力分離容器，其允許任何殘留的較低密度的萃取溶劑分離并且從較高密度的培養(yǎng)基傾析出來(lái)，該較高密度的培養(yǎng)基離開(kāi)槽20的底部返回到該發(fā)酵容器。

在某些實(shí)施例中，水平傾析器18可操作地連接到分離增強(qiáng)裝置42上，該分離增強(qiáng)裝置被配置成增加在從該水性溶劑萃取過(guò)的培養(yǎng)基中分離模塊膜萃取溶劑過(guò)程中該溶劑萃取過(guò)的液體在該系統(tǒng)中的停留時(shí)間。優(yōu)選地，該分離增強(qiáng)裝置是位于該膜模塊與該傾析器之間的豎直管，該豎直管具有，相對(duì)于進(jìn)料至分離增強(qiáng)裝置42內(nèi)的管，增加的直徑。直徑增加減緩該溶劑萃取過(guò)的培養(yǎng)基的流的速率，允許該溶劑更多的時(shí)間來(lái)上升到頂部并且該培養(yǎng)基在底部處分離出來(lái)。在某些優(yōu)選的實(shí)施例中，直徑增加是在1.5與2.0英寸之間。

在某些實(shí)施例中，該系統(tǒng)進(jìn)一步包括液/液萃取模塊44，優(yōu)選位于該傾析器與該發(fā)酵容器之間。液/液萃取模塊44包括使該溶劑萃取過(guò)的培養(yǎng)基與第二萃取溶劑接觸的裝置，該第二萃取溶劑優(yōu)先地將任何殘留的膜模塊萃取相對(duì)于該發(fā)酵培養(yǎng)基的水相分配到第二萃取溶劑相。該液/液萃取模塊優(yōu)選地包括用在與該溶劑萃取過(guò)的培養(yǎng)基的方向相反的方向上移動(dòng)的該第二萃取溶劑的逆流萃取，兩者在豎直方向上移動(dòng)。該第二萃取溶劑優(yōu)選地包括選自由十二烷和2,4二甲基庚醇組成的組的溶劑。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，該第二萃取溶劑包括十二烷。

在某些實(shí)施例中，該液/液萃取模塊被進(jìn)一步配置成或者直接地或者經(jīng)由該沉降槽和/或其他液/液分離裝置使該水性培養(yǎng)基相返回到該發(fā)酵容器。在某些實(shí)施例中，本發(fā)明的系統(tǒng)進(jìn)一步包括被配置成接收該第二萃取溶劑相并且使該膜模塊萃取溶劑與該第二萃取溶劑分離的第二蒸餾器件46。優(yōu)選地使該膜模塊萃取溶劑返回到進(jìn)入膜模塊14的該萃取溶劑流，優(yōu)選地經(jīng)由溶劑儲(chǔ)槽25，并且優(yōu)選地使該第二萃取溶劑返回到液/液萃取模塊44，優(yōu)選地經(jīng)由第二溶劑儲(chǔ)槽48。

在某些實(shí)施例中，從第一蒸餾器件22收集的該有機(jī)化合物被收集為離開(kāi)該蒸餾器件的頂部的蒸汽，并且被送到第二高真空蒸餾器件50中，在該第二高真空蒸餾器件中該有機(jī)化合物被進(jìn)一步濃縮。在一些實(shí)施例中，通過(guò)液環(huán)式真空泵系統(tǒng)、干環(huán)式真空泵系統(tǒng)或蒸汽噴射器維持高真空，其中的每種從該器件中去除不凝的氣體。在一些實(shí)施例中，通過(guò)專(zhuān)用的液環(huán)式真空泵將連續(xù)穩(wěn)定的真空供應(yīng)給該第二高真空蒸餾器件。

在某些實(shí)施例中，發(fā)酵容器10包括多個(gè)以級(jí)聯(lián)串安排的發(fā)酵容器。

在某些實(shí)施例中，發(fā)酵容器10包括用于接收進(jìn)入該容器的碳水化合物原料流的第一發(fā)酵罐入口端口、用于接收進(jìn)入發(fā)酵容器10的該溶劑萃取過(guò)的培養(yǎng)基流的第二發(fā)酵罐入口端口56、以及被配置成引導(dǎo)來(lái)自發(fā)酵容器10的該發(fā)酵培養(yǎng)基的一部分到固體分離裝置12的發(fā)酵罐離開(kāi)端口58。該發(fā)酵容器優(yōu)選地包括被配置用于接收分離的懸浮的固體(包括來(lái)自固體分離裝置12的分離的發(fā)酵有機(jī)體)的第三發(fā)酵罐入口端口60。發(fā)酵容器10優(yōu)選地包括管道網(wǎng)絡(luò)以及將發(fā)酵蒸汽放至大氣中的排氣系統(tǒng)。風(fēng)扇可以可操作地聯(lián)接到該排氣系統(tǒng)上以幫助放掉該蒸汽。

在某些實(shí)施例中，膜模塊溶劑是綠色溶劑，即，可以從可再生的原料產(chǎn)生的溶劑，以增強(qiáng)從該發(fā)酵培養(yǎng)基中回收該有機(jī)化合物。在一些實(shí)施例中，在酵母發(fā)酵工藝中產(chǎn)生該綠色溶劑。符合本發(fā)明的綠色溶劑可以選自由存在于雜醇油中的醇或有機(jī)酸的乙酯組成的組。存在于雜醇油中的醇包括戊醇和丙醇。有機(jī)酸的乙酯包括乙酸乙酯、乳酸乙酯、以及丙酸乙酯。其他適合的綠色溶劑包括生物柴油的脂肪酸甲酯。綠色溶劑相比其他有機(jī)溶劑(如十二烷和2,4二甲基庚醇)是對(duì)于發(fā)酵有機(jī)體更低毒的。

在某些實(shí)施例中，該系統(tǒng)包括用于調(diào)節(jié)貫穿該系統(tǒng)的各種流的PLC系統(tǒng)控制系統(tǒng)。

本發(fā)明進(jìn)一步包括一種通過(guò)用發(fā)酵有機(jī)體發(fā)酵碳水化合物源制作有機(jī)化合物的方法，該方法使用本發(fā)明的系統(tǒng)并且收集該有機(jī)化合物制作該有機(jī)化合物。該方法特別地很好地適合用于制作乙醇。

從前述將看出的是本發(fā)明是很好地適配于達(dá)到在上文中陳述的所有目標(biāo)和目的、同時(shí)具有顯而易見(jiàn)的并且本發(fā)明固有的其他優(yōu)點(diǎn)的一種。

因?yàn)樵S多可能的實(shí)施例可以構(gòu)成本發(fā)明而不背離本發(fā)明的范圍，所以應(yīng)當(dāng)理解在此陳述的或附圖所示的所有事項(xiàng)應(yīng)當(dāng)解釋為說(shuō)明性的而非限制性的意義。

雖然已經(jīng)示出并且討論了具體實(shí)施例，但是當(dāng)然可以做出各種修改，并且本發(fā)明不限于在此描述的零件和步驟的特定形式或安排，除非此類(lèi)限制被包括在以下權(quán)利要求書(shū)中。進(jìn)一步地，將理解的是，某些特征和子組合具有實(shí)用性并且可以不參考其他特征和子組合來(lái)采用。這是通過(guò)權(quán)利要求書(shū)的范圍預(yù)期的并且在該權(quán)利要求書(shū)的范圍內(nèi)。