СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ РАСТВОРИТЕЛЕЙ ИЗ ФЕРМЕНТАЦИОННЫХ СРЕД
METHOD OF EXTRACTING ORGANIC SOLVENTS FROM FERMENTATION MEDIA

Изобретение относится к микробиологической промышленности и касается получения органических растворителей, таких как этанол, бутанол, ацетон, путем биосинтеза, в частности способов выделения органических растворителей из ферментационных сред.
Известные микробиологические способы получения бутанола и других органических растворителей предусматривают сбраживание раствора сахаров в ферментере с использованием различных штаммов бактерий с последующим выделением органических растворителей и газов, образующихся в процессе ферментации.
Одним из существенных недостатков процесса биосинтеза являются сложности, связанные с выделением растворителей из ферментационной среды, поскольку это наиболее энергоемкое и дорогостоящее звено в технологии их получения.
Высокая стоимость выделения органических растворителей объясняется их низкой концентрацией в ферментационной среде, поскольку известно, что в процессе биосинтеза органических растворителей, по мере их накопления, происходит снижение активности продуцирующих микроорганизмов, так как метаболиты являются ингибиторами самого процесса брожения. Так, например, известно (Kalidas Shetty et al. Food biotechnology, CRC Press, 2006), что увеличение концентрации бутанола с 10 до 40 грамм на литр на порядок снижает энергозатраты на его выделение (При концентрации бутанола в среде 10 грамм на литр соотношение количества тонн растительного масла, используемого в качестве топлива для осуществления процесса дистилляции, к количеству тонн выделяемого 100% бутанола составило 1,5; тогда как при концентрации 40 грамм на литр это соотношение было равно уже 0,25).
Для того, чтобы уменьшить затраты на выделение органических растворителей, был исследован ряд методик, включая удаление с помощью газа, первапорация, экстракция жидкость-жидкость, перстракция, обратный осмос и другие.
2
2
Известен способ выделения бутанола (ацетона и этанола) (US 2005/0089979 A1, 28.04.2005) из ферментационной жидкости с помощью газа. Азот, водород или ферментационные газы (CO, H) пропускают через ферментационную жидкость, затем газ, который захватывает с собой растворители, пропускают через конденсатор. Процесс вьщеления растворителей с помощью газа осуществляют в отдельной колонне, куда в противотоке подают ферментационную жидкость и газы.
Известен способ выделения спирта, в частности этанола (US 5215902 А, 01.06.1993), из ферментационной среды экстракцией. Процесс выделения осуществляют в отдельной экстракционной колонне. Отметим, что способ требует применения экстрагента, который бы имел высокий коэффициент распределения для ферментационных продуктов, не смешивался и не образовывал эмульсий с ферментационной средой, а самое главное он должен быть нетоксичным к продуцирующему организму. Именно токсичность экстрагента является основной проблемой при экстрактивной ферментации.
Известен способ первапорации (US 5755967, 26.05.1998) для селективного удаления через твердую мембрану ацетона и бутанола из ферментационных жидких сред. Отличительной особенностью процесса первапорации является переход веществ, проникающих через мембрану, из жидкого состояния в парообразное. Движущей силой процесса мембранного испарения является разность химических потенциалов по обе стороны мембраны, для поддержания перепада химического потенциала на достаточно высоком уровне необходимо предотвращать конденсацию пермеата на поверхности мембраны со стороны пара, что достигается непрерывным отводом пара, обдувом инертным газом или вакуумированием. Мембрана представляет собой частицы цеолита, нанесенные на матрицу из полидиметилсилоксана или ацетата целлюлозы, мембрана размещена в отдельном модуле.
Ведутся интенсивные разработки энергосберегающих методов разделения, в том числе мембранных, а большинство последних публикаций о процессе испарения через мембрану посвящено совершенствованию мембранных материалов, предназначенных для отделения этанола и других спиртов от воды. Это объясняется стремлением ряда стран использовать легко возобновляемые ресурсы энергии, в частности этанол, или бутанол, получаемые из углеводсодержащего сырья.
Мембраны - твердый или жидкий селективно-проницаемый барьер между двумя фазами, которые изготавливают из органических (в том числе полимерных) и неорганических (металлических, керамических, стеклянных и пр.) материалов.
Под жидкими мембранами понимают мембраны с жидкостью, иммобилизованной внутри пор микропористой подложки. Если мембрана смачивается жидкостью, то последняя может удерживаться в порах за счет капиллярных сил, поэтому при достаточно малых порах жидкость удерживается на подложке при разнице давлений под и над мембраной в несколько атмосфер. Используются жидкие мембраны двух типов. К первому типу относятся пассивные жидкие мембраны, в которых обычные жидкости, имеющие большую проницаемость по целевому компоненту, наносятся на мембранную подложку. Второй тип жидких мембран - мембраны с активным транспортом целевого компонента. В этом случае в качестве жидкости используются специфические переносчики целевого компонента, растворенные в соответствующем растворителе. Брок Т. Мембранная фильтрация: Пер. с англ. - М.: Мир, 1987.
Известен способ выделения этанола из ферментационной среды через жидкую мембрану на носителе (FR 2616354, 16.12.1988). Указанная жидкая мембрана состоит из органической фазы, предпочтительно высшего спирта, например изотридеканола, не смешивающейся с водной фазой, и носителя, где носитель представляет собой полимерный пористый гидрофобный материал, например политетрафторэтилен.
Наиболее близким к предложенному может являться способ выделения органических растворителей из ферментационной среды путем их диффузионного испарения через мембрану с использованием газа или вакуума, описанный в известном способе ферментационного сбраживания углеводсодержащих сред с помощью бактерий, продуцирующих бутанол, ацетон, этанол и/или изопропанол (RU 2044773, 27.09.1995).
В способе, описанном в вышеуказанном источнике, выделение целевого продукта осуществляют диффузионным испарением через мембрану из силиконового каучука при 30-90°С с использованием азота или водорода, или диоксида углерода, или их смеси, или ферментационного газа, или вакуума, или газовой отгонкой при 30-90°С с использованием этих же газов. Мембрана расположена в отдельном (пердиффузионном) модуле, куда направляют ферментационную жидкость для выделения растворителей.
Известный способ также, как и все вышеописанные, обладает следующими недостатками:
- необходимостью восстановления исходных свойств мембраны, поскольку поры или пустоты мембран могут засоряться, что связано с сорбцией низколетучих и практически не проникающих через мембрану в режиме вакуумной первапорации побочных продуктов ферментации (например, диолов);
- необходимостью создания отдельного модуля, куда отводят ферментационную жидкость для выделения растворителей. Размещение таких мембран непосредственно в ферментере сопряжено со значительными техническими трудностями, а именно отсутствием возможности тепловой стерилизации, необходимостью создания специального устройства для отвода газов брожения (поскольку в противном случае они будут накапливаться под мембраной), а также создания средств для закрепления мембраны в ферментере.
Таким образом, существует необходимость в недорогом и достаточно простом в применении способе выделения органических растворителей из ферментационных сред.
Технической задачей настоящего изобретения является создание способа выделения органических растворителей из ферментационных сред, свободного от вышеперечисленных недостатков, обеспечения недостижимой до этого возможности выделения органических растворителей из ферментационного раствора с помощью жидкой мембраны в процессе ферментации, что позволяет создать оптимальные условия для процесса брожения, обеспечив тем самым постоянно высокую активность продуцирующих микроорганизмов, особенно в непрерывном процессе ферментации.
Техническим результатом настоящего изобретения является поддержание высокой эффективности удаления целевых продуктов при сверхнизких концентрациях извлекаемых веществ, высокая селективность и избирательность процесса выделения при одновременном упрощении процесса и снижении его энергоемкости.
Для обеспечения этого результата предложен способ выделения органических растворителей из ферментационной среды путем их диффузионного испарения через мембрану с использованием газа или вакуума, отличительной особенностью которого является использование жидкой мембраны.
В данном случае под жидкой мембраной авторы понимают слой гидрофобной жидкости, размещаемый на поверхности ферментационной среды, не исключая возможности использования мембраны с гидрофобной жидкостью, иммобилизованной внутри пор микропористой подложки.
В качестве гидрофобной жидкости можно использовать синтетические масла, например силиконовое, парафиновое масло; растительные масла, например кукурузное, соевое масло; некоторые высшие спирты или высшие жирные кислоты.
Молекулы рассматриваемых органических растворителей являются дифильными, это означает, что растворенная молекула обладает как гидрофильной (имеющей сродство к воде, например гидроксильные группы в случае спиртов, карбонильная группа в кетонах) и гидрофобной частями (углеводородного радикала). При размещении гидрофобной жидкости с плотностью меньше, чем у воды (например, растительного масла) на поверхности раствора жидкость равномерно распределяется на поверхности водного раствора. Оптимальная величина слоя равна 3-30 мм. Слой не должен быть слишком тонким, поскольку газы брожения могут разрушить его, а с другой стороны при увеличении слоя возрастает диффузионное сопротивление. Молекулы органических растворителей на границе раздела между слоем масла и водной среды ориентируются так, что их гидрофильная часть остается в воде, а гидрофобная переходит в слой масла. Молекулы растворителей переходят в слой масла до тех пор, пока не наступит его насыщение. Слой гидрофобной жидкости представляет собой практически непреодолимую преграду для молекул воды, поэтому давление паров воды над указанным слоем будет пренебрежимо мало в отличие от давления паров растворителей. При создании вакуума над слоем гидрофобной жидкости молекулы органических растворителей покидают слой масла и с потоком газа направляются в холодильное устройство для конденсации. В слое гидрофобной жидкости возникает градиент концентраций, вызванный разностью в концентрациях растворителей в водном растворе и в газовой среде (в вакууме), вследствие чего устанавливается постоянный поток молекул растворителя из водного раствора через слой в вакуумируемый объем над поверхностью.
Предложенный способ, как и ряд других, может быть реализован вне процесса ферментации, однако важным является то, что согласно предложенному способу выделение органических растворителей из ферментационного раствора с помощью мембраны можно осуществлять в процессе ферментации.
Авторам неизвестны источники информации, описывающие подобный процесс.
При этом предлагаемый способ может быть применен как при сбраживании углеводсодержащего сырья, например, с помощью бактерии рода Clostridium acetobutylicum, продуцирующей ацетон, бутанол и этанол, так и при ферментации углеводсодержащего сырья с помощью дрожжей Saccharomyces cerevisiae, продуцирующих этанол.
Выделение органических растворителей из ферментационных сред в процессе ферментации предусматривает также и создание оптимальных условий для биосинтеза, поскольку известно, что в процессе биосинтеза органических растворителей, по мере их накопления, происходит снижение активности продуцирующих микроорганизмов, так как метаболиты являются ингибиторами самого процесса брожения.
Предложенный способ выделения позволяет реализовать процесс удаления растворителей, обеспечивающий высокую активность продуцирующих микроорганизмов. Для осуществления способа предпочтительно использовать гидрофобную жидкость, например силиконовое масло, и размещать ее до начала брожения непосредственно в ферментере. При достижении концентрации растворителей в ферментере, приближающейся к ингибирующей для продуцирующей культуры, над поверхностью жидкой мембраны в ферментере понижают давление и отгоняют образующиеся растворители через слой гидрофобной жидкости.
При осуществлении прямой вакуумной отгонки органических растворителей непосредственно из ферментационной среды, например, при получении бутанола, ацетона и этанола, пары воды попадают в холодильное устройство, и в результате концентрация бутанола в получаемом водном растворе оказывается не более 10%. Такой раствор требует дальнейшего концентрирования на ректификационной колонне со значительными тепло- и энергозатратами. Это можно объяснить тем, что температура кипения бутанола равна 117°С, и поэтому после ацетона и этанола будет отгоняться вода. В случае размещения слоя гидрофобной жидкости на поверхности ферментационной среды получаемый раствор содержит 75% бутанола, затраты на ректификацию существенно снижаются.
Настоящее изобретение поясняется примерами, которые не носят ограничивающего характера.
Пример 1 (известный)
2
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, создают вакуум -0,4 абс.атм (кг/см) и конденсацией отогнанных паров получают в среднем 250 мл раствора (органические растворители 17,5 мл, остальной объем - вода), содержащего 5% бутанола, 1,5% ацетона и 0,5% этанола.
Пример 2
2
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. Наслаивают на поверхность жидкости в ферментере силиконовое масло, слоем в 10 мм. Осуществляют ацетон-бутанол-этаноловое брожение при температуре 37°С. При достижении в ферментере следующих концентраций растворителей: 1,5% бутанола, 0,7% ацетона и 0,2% этанола создают вакуум -0,4 абс.атм (кг/см), отгоняют пары жидкости в процессе ферментации и направляют их в конденсатор. В результате получают 75 мл водного раствора (органические растворители 60 мл, 15 мл - вода; присутствие воды объясняется тем, что ферментационный газ, выделяющийся во время процесса ферментации, проходит через мембрану, и в этот момент вода попадает в холодильное устройство вместе с растворителями), содержащего 60% бутанола, 20% ацетона, 5% этанола.
Пример 3
2
2
В сосуд с 1000 мл раствора, содержащего 84 грамма глюкозы, добавляют 2.5 г/литр дрожжевого экстракта, 0.25 г/литр дигидрофосфата аммония, 0.025 г/литр сульфата магния·7НO. Наслаивают на поверхность жидкости соевое масло слоем в 15 мм. Значение рН было установлено 5.0, температура раствора 30°С. 10 мл суспензии, содержащей дрожжи Saccharomyces cerevisiae раса XII, было добавлено, смесь выдерживалась в течение 24 часов. Затем в сосуде создают вакуум 0,6 абс.атм (кг/см), отгоняют пары жидкости в процессе ферментации и направляют их в конденсатор. Пары направляют в конденсатор и получают 60 мл конденсата, где содержание этанола составляет 89%.
Пример 4
2
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 beijerinckii, регистрационный номер КМ МГУ №101 с плотностью 1-2 млрд/мл. На поверхности среды в ферментере размещают жидкую мембрану на носителе, представляющую собой олеиновую кислоту, иммобилизованную в порах микропористого тонкого полипропиленового листа (изготовление такой мембраны включает несколько стадий, на первой стадии олеиновую кислоту или другую гидрофобную жидкость вводят в поры полимерного носителя, например, с помощью перистальтического насоса, вызывая неупорядоченное заполнение пор жидкостью, циркуляцию жидкости продолжают в течение 15 минут, затем избытку олеиновой кислоты дают стечь с носителя, мембрану высушивают пропусканием воздуха при низком давлении в течение 2-3 часов). Осуществляют ацетон-бутанол-этаноловое брожение при температуре 37°С. При достижении в ферментере следующих концентраций растворителей: 1,5% бутанола, 0,7% ацетона и 0,2% этанола создают вакуум -0,4 абс.атм (кг/см), отгоняют пары жидкости в процессе ферментации и направляют их в конденсатор. В результате получают 68 мл смеси органических растворителей, содержащей 70% бутанола, 25% ацетона, 5% этанола.
Преимущества предложенного способа прежде всего заключаются в недостижимой до этого возможности выделения органических растворителей из ферментационного раствора с помощью жидкой мембраны в процессе ферментации, что наряду с получением целевых продуктов позволяет создать оптимальные условия для процесса брожения.
По сравнению с другими способами выделения мембранное выделение позволяет обеспечить малую энергоемкость, высокую эффективность при сверхнизких концентрациях извлекаемых веществ, высокую селективность и избирательность.
Использование предложенного способа дает возможность создавать экономически эффективные, ресурсо- и энергосберегающие и малоотходные технологии.