СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ БУТАНОЛА ИЗ КУЛЬТУРАЛЬНОЙ СРЕДЫ
METHOD OF BUTANOL SEPARATION FROM CULTURAL ENVIRONMENT

Изобретение относится к биотехнологии и, в частности, может быть использовано для ускорения выделения целевых продуктов метаболизма микроорганизмов, например органических растворителей, из культуральной среды в процессе их культивирования.
Из предшествующего уровня техники известны многочисленные способы и устройства для их реализации, обеспечивающие удаление продуктов биосинтеза микроорганизмов из культуральной среды их культивирования, базирующиеся на различных принципах или механизмах. Разработка таких способов и устройств обусловлена необходимостью предотвращения ингибирования процесса биосинтеза собственными продуктами метаболизма используемых микроорганизмов [1].
Общим в этих способах и устройствах их реализации является либо высокие энергетические затраты, связанные с процессами дистилляции, либо необходимость частой замены рабочих элементов и устройств для выделения, например мембран [2]. В полной мере относится это и к бутанолу, биосинтез которого подавляется при ~ 2% этого метаболита в культуральной среде ацетонобутилового брожения [3, 4], а выделение его дистилляцией из водной культуральной среды весьма проблематично, т.к температура кипения бутанола составляет 118°С.
Традиционный способ выделения органических растворителей из культуральных жидкостей, состоящих в основном из воды, основан на их отгонке [1, 5, 6]. Однако, в случае бутанола, такой способ требует значительных затрат энергии, так как бутанол, имея температуру кипения выше температуры кипения воды, отгоняется последним. Существуют и другие способы выделения летучих метаболитов, в частности бутанола из гетерогенной биотехнологической среды: продувка культуральной жидкости газами [7, 8]; разделение на мембранах [9, 10]; первапорация [11, 12]; вымораживание [13]; высаливание [14]; жидкостная экстракция [15, 16, 17]; сепарация с помощью сорбентов твердых [18, 19]. Среди перечисленных, наиболее простым в технологическом исполнении, а также экономически целесообразным является также не лишенный недостатков сорбционный метод, для реализации которого могут быть использованы, жидкие и твердые сорбенты - активированные угли, цеолиты, поливинилпиридин, смолы серии XAD, Bonopore-7 и т.д.
Многочисленность способов и устройств для их реализации, многообразие технических решений выделения органических растворителей из культуральных сред свидетельствует о тех или иных недостатках каждого из них и потребности в новых решениях, максимально соответствующих требованиям конкретных разрабатываемых и используемых технологий.
Целью настоящего изобретения является разработка способа выделения бутанола из культуральной среды.
Поставленную цель достигают ускоренной ультразвуком сорбцией бутанола и сопутствующих органических растворителей (ацетона и этанола) гидрофобным твердым сорбентом, таким как ССПС MN 202 (сверхсшитый полистирольный сорбент), из культуральной среды или ее части, которую освобождают (фильтрованием или центрифугированием) от биомассы микроорганизмов Clostridium acetobutylicum - продуцентов бутанола, ацетона, этанола, обезвоживают сорбент под вакуумом, (например, с использованием тонкопленочного испарителя), десорбируют в СВЧ реакторе бутанола, ацетона и этанола [20]. Выделенную из культуральной среды биомассу микроорганизмов Clostridium acetobutylicum - продуцентов бутанола возвращают обратно в процесс культивирования [21], а сорбент, после десорбции бутанола в СВЧ - реакторе повторно (и многократно) используют в процессе удаления бутанола, ацетона и этанола из культуральной среды.
Изобретение поясняется примерами, которые не носят ограничивающего характера.
Пример 1.
Культуральную жидкость (КЖ) бактерий Clostridium acetobutylicum, штамм ВКПМ 1787, отделяют от биомассы центрифугированием. В культуральную жидкость, содержащую продукты биосинтеза (бутанол, ацетон, этанол и др.), при комнатной температуре вводят гидрофобный сорбент ССПС MN202 (Purolite) в соотношении КЖ : сорбент = 10:1 и смесь выдерживают 3-4 часа до достижения сорбционного равновесия. Отделяют сорбент от жидкости и определяют содержание бутанола, ацетона и этанола в исходной КЖ и пермеате методом газожидкостной хроматографии.
Отделяют сорбент декантацией и для полного удаления влаги помещают в выпарную колбу тонкопленочного ротационного испарителя при постоянном вакуумировании. Отгонку осуществляют в течение 60 мин, при t=50°С. Измерения показывают, что при отгонке отделяется раствор бутанола в воде, но не бутанол, связанный с сорбентом.
Десорбируют бутанол из сорбента ССПС в микроволновой системе фокусированного действия Discover (СЕМ). Насыщенный бутанолом, предварительно обезвоженный образец сорбента ССПС MN202, помещают в микроволновый реактор. Отогнанные пары охлаждают, и они конденсируются в жидкость. Содержание бутанола в конечном продукте превышает 87%.
После завершения процесса десорбции регенерированный сорбент ССПС MN202 остужают до комнатной температуры и возвращают в процесс для повторного использования в качестве сорбента для извлечения бутанола из водных растворов.
Время, затраченное на выделение бутанола из одного образца культуральной жидкости, >5 часов.
Пример 2.
2
КЖ центрифугируют и отделяют от биомассы. В КЖ, содержащую продукты биосинтеза (бутанол, ацетон, этанол и др.), при комнатной температуре вводят гидрофобный сорбент ССПС MN202 в соотношении КЖ : сорбент = 10:1 и для ускоренного достижения сорбционного равновесия смесь подвергают в течение 1 минуты действию ультразвука с частотой 22 кГц, плотностью мощности 0,5 Вт/см. Увеличение времени воздействия ультразвуком приводит к частичному разрушению сорбента.
Отделяют сорбент от жидкости и определяют содержание бутанола, ацетона и этанола в исходной КЖ и степень их извлечения из КЖ.
Отделяют сорбент декантацией и для полного удаления влаги помещают в выпарную колбу тонкопленочного ротационного испарителя при постоянном вакуумировании. Отгонку осуществляют в течение 60 мин, при t=50°С. Измерения показывают, что при отгонке отделяется раствор бутанола в воде, но не бутанол, связанный с сорбентом.
Десорбируют бутанол из сорбента ССПС в микроволновой системе фокусированного действия Discover (СЕМ), помещая насыщенный бутанолом, предварительно обезвоженный образец сорбента ССПС MN202, в микроволновый (СВЧ) реактор. Отогнанные пары охлаждают, и они конденсируются в жидкость. Содержание бутанола в конечном продукте превышает 87%.
После завершения процесса десорбции регенерированный сорбент ССПС MN202 остужают до комнатной температуры и возвращают в процесс для повторного использования в качестве сорбента для извлечения бутанола из водных растворов.
Время, затраченное на выделение бутанола из одного образца культуральной жидкости, <45 минут.
Таким образом, реализация метода в полной мере позволяет сократить длительность процесса более, чем в 5 раз, возвращать биомассу бактерий биосинтезирующих бутанол, ацетон и этанол обратно в процесс, что создает перспективу для разработки непрерывного процесса культивирования, а также многократно использовать сорбент, после очередного десорбирования бутанола и сопутствующих растворителей.
Как следует из вышеприведенных примеров, совокупность отличительных признаков описываемого изобретения обеспечивает достижение указанного результата.
Неожиданным результатом изобретения является весьма существенное (в 240 раз) сокращение времени достижения сорбционного равновесия и возможность многократного использования сорбента после очередного десорбирования с него бутанола в микроволновом (СВЧ) реакторе.
Заявляемое изобретение позволяет ускорить процесс выделения бутанола из культуральной среды и повысить его эффективность за счет интенсификации низкочастотным ультразвуком стадии сорбции бутанола, ацетона и этанола сверхсшитым полистирольным сорбентом ССПС MN202 и быстрой десорбции бутанола, ацетона и этанола из сорбента в СВЧ поле.
В результате проведенного анализа уровня техники выделения бутанола, ацетона и этанола из биотехнологических сред источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного способа, не обнаружен, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".
Дополнительный поиск известных решений показал, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку предложенный способ обладает свойствами, обеспечивающими интенсификацию процесса выделения бутанола и сопутствующих органических растворителей из ферментационных сред, возможность возвращения биомассы обратно в процесс биосинтеза и возможность повторного, многократного использования сорбента.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «изобретательский уровень».
Для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в изложенной формуле изобретения, нет препятствий для его реализации с получением вышеуказанного результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".
Предлагаемый способ создает необходимое разнообразие, обеспечивая возможность оптимального выбора средств для решения конкретных задач, направленных на выделение целевого продукта из жидких сред продуктов биологического и химического синтеза.
Список использованной литературы
1. Бирюков В.В. Основы промышленной биотехнологии. М.: «КолосС» «Химия», 2004. - 296 с.
2. Воробьева Г.И., Сушкова В.И. Безотходная конверсия растительного сырья в биологически активные вещества. М.: ДеЛи принт, 2008. - 215 с.
3. Sidney Levy Continuous process for producing N-butanol employing anaerobic fermentation, US 4424275 A, 1984.
4. Давидов E.P., Каныгин П.С, Филиппов К.Б., Фракин О.А., Черемнов И.В. Способ получения бутанола. Патент РФ 2404247, 2008.
5. Сюй Ихой Том. Система и способы выделения спирта и сгущения побочных продуктов перегонки. RU 2012130949, 2006
6. Сачаво М.С. Способ дистилляции. Патент РФ 2099125, 1997.
7. Ezejy Т.С., Qureshi N., Blaschek H.P. «Production of aceton, butanol and ethanol by Clostridium beijerinckii BA 101 and insiti recovery by gas strippting» World Journal of Microbiology & Biotechnology. 2003. 19. Pp. 595-603.
8. Qureshi N. Blaschek H.P. Recovery of butanol from fermentation broth by gas stripping Renewable Energy. 2001, 22(4), P. 557-564.
9. Хванг С.Т., Каммермайер К. Мембранные процессы разделения. М.: Химия, 1981.
10. Шапошник В.А. Мембранная электрохимия. Соросовский Образовательный Журнал. 1999. 2. С. 71-77.
11. Васильев Д.Д. «Сорбция водных растворов н-бутанола и их первапорационное разделение через мембраны из политриметилсилилпропина»: автореф. диссертации канд. техн. наук. М., 1999. 22 с.
12. Волков А.В., Волков В.В., Борисов И.Л., Финкельштейн Е.Ш., Ушаков Н.В., Хотимский В.С. Способ выделения и концентрирования органических веществ из водных сред. Патент РФ 2435629.
13. Пап Л.  Концентрирование вымораживанием. М., 1982.
14. Yaqin Sun, Zhigang Li, Zhilong Xiu. Method for salting-out extraction of acetone and butanol from a fermentation broth US 20130190536 A1, 2010.
15. AyaakiIshizaki ShigeruMichiwaki, et al. «Extractive ABE Fermentation Using Metilated Crude Palm Oil as Extractant in Batch Culture of Clostridium saccharoperbutylacetonicum» N 1-4 (ATCC 13564) // Bioscience and Bioengineering. 1999. 3. Pp. 352-356.
16. Day D.F., Hoogewind A.K., Randhava S.S., Oswald J., Madsen L, Kim M. Method for Producing Butanol and Isopropanol, US 20130149757 A1, 2013.
17. Kamal A., Khan F. Effect of Extraction and Adsorption on Re-refining of Used Lubricating Oil. Oil & Gas Science and Technology - Rev. IFP, 2009, 64, 2, pp. 191-197.
18. Сушкова В.И., Яроцкий С.В. «Эффективность методов выделения продуктов АБЭ ферментации»// Химия растительного сырья. 2011, 3. С. 5-14.
19. Qureshi N., Hughes S., Maddox I.S., Cotta M.A. Energy-efficientrecovery of butanol from model solution and fermentation broth by adsorbption // Bioprocess Biosyst Eng. 2005. 27. Pp. 215-222.
20. Румянцев А.И., Иванов B.B., Мюллер P.O., Свинцов А.Д. Применение СВЧ - реакторов в нефтехимии. Журн. Экспозиция нефть газ. 2009, 2/Н (02), с 15-18.
21. HongjunDong, WenwenTao, ZongjieDai, LiejianYang, FuyuGong, YanpingZhang, YinLi. Biobutanol. Adv Biochem Engin / Biotechnol, 2011, 10, p. 128.