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专利名称:从稀的水溶液中回收有机组分的方法
技术领域:
本发明涉及一种从例如发酵肉汤的水培养基中回收有机组分的方法,所述水培养基含有产所述有机组分的微生物。该方法包括通过增加培养基中导致该有机组分盐析的至少一种亲水溶质的浓度来增强水培养基中的有机组分的活性。与未改造的相应微生物相比,该微生物被基因改造成能够耐受培养基中更高浓度的亲水溶质。
背景技术:
本发明的方法使得发酵具有改进的容积效率,并且实现了对发酵产物的回收。由于同时进行的发酵和回收过程增加了发酵产物的浓度,同样量的发酵肉汤所产生和回收的发酵产物的量得到增加,本发明方法还能够降低在生产中所使用的能源。因此,本发明实现了在少量的资金和降低的生产成本下进行发酵产物的生产和回收。控制发酵过程的经济表现的关键参数是产物浓度和容积效率。在某些情况下,发酵肉汤中高浓度的发酵产物可能对微生物具有某些毒性作用和/或抑制进一步的发酵过程,从而导致非常稀释的产物以及低的容积效率。低的有效产物浓度和容积效率对于产物的经济状况的多个方面具有负面影响,包括设备尺寸和效用成本。随着发酵肉汤中产物浓度的降低,水溶液的回收体积增加,从而导
致更高的资金成本和在生产设备中加工更大体积的材料。回收过程的利用使得发酵产物在生产的同时被移除,因此增加的产物容积效率和浓度可能强有力地影响产物的经济状况。例如,对于大型工业发酵设备,每完成两次发酵,其容积效率将节省几乎50%的发酵罐成本。该发酵罐的资金成本和尺寸的下降降低了设备的折旧和生产成本。同样地,回收过程使得在该过程中形成产物富集相,水富集相被隔离以及丢弃,发酵肉汤体积中的水负载在下游回收中处理,纯化设备大大减少。例如,对于给定的产品产量,回收相中产物浓度的加倍几乎使待处理的水量减半,降低了生产和资金成本。许多科技方法已被开发用于从水基发酵培养基中同时移除发酵产物,包括液/液萃取,薄膜分离(例如,全蒸发),吸附法以及吸收法。在如上所述的情况中,当发酵罐流中的发酵产物浓度较低时,这些方法对于操作和资金成本具有重大影响,由于较高的能量损耗以及昂贵的设备使得任何商业性生产均不能独立生存。例如,目前,在工业水平执行的最广泛使用的原位(insito)回收技术是液/液萃取。在该过程中,一种萃取剂被混入该发酵肉汤中。发酵产物被萃取进入该萃取剂中,并通过反萃取进入另一种萃取剂或者通过蒸馏法得到回收。除了上面所述的缺点之外,还有多种问题与液/液萃取相关联,例如对细胞的毒性,乳状液的形成,昂贵萃取剂的消耗,以及微生物细胞在萃取剂与发酵肉汤界面处的累积。全蒸发是一种薄膜基工艺,通过使用一种可选的薄膜被用于将溶剂从发酵肉汤中
移除。该液体或溶剂扩散穿过固体薄膜,而将营养物,糖,和微生物细胞留下。通常与全蒸发相关联的一个问题在于经济地提供和维持穿过薄膜的化学位梯度。那些使用真空泵或冷凝器以提供必需的化学位梯度的全蒸发工艺属于能源密集型,因此操作昂贵。随着有机化合物在原料流中的浓度降低为低水平,渗透流中可蒸发的有机化合物的分压必须被保持更低以用于渗透从而产生分离。如果真空泵被用于维持与液体原料流保持平衡的有机化合物的分压与蒸汽相渗透中可蒸发的有机化合物的分压之间的差别,该泵则必须维持非常高的真空度,从而导致高的资金和操作成本。同样地,如果使用冷凝器,必须要维持极低的温度,从而要求昂贵的以及复杂的制冷系统。因此,对于商业性生产,需要一种低成本的方法,该方法能够使发酵产物在产生的同时被移除,以阻止有毒的发酵产物的浓度超过培养物的耐受水平,从而提高容积效率,同样需要一种回收该发酵产物的方法,该方法使用相分离以降低工艺用水体积。现有技术旧2009/0171129ム1描述了ー种从例如发酵肉汤的稀的水溶液中回收C3-C6醇类(下文也表示为c3_6-醇类)的方法,-醇类在发酵肉汤的一部分中的活性至c3_6-醇类在该部分中至少饱和;-醇
的液相和富含水的液相;以及じ将富含ら_6-醇的相从富含水的相中分离。该ら_6-醇的活性可通过例如盐析来增加,即,将ー种亲水溶质加入该水溶液中。现有技术中所描述的方法具有缺陷被用于发酵的微生物通常不能耐受理想组分的盐析所要求的亲水溶质的浓度。因此,如果不是对现有技术的方法的功能不利的话,这些方法的容积效率和成本效率至少大体上下降。
发明内容
因此,本发明所解决的技术问题就是进ー步改进现有技术如US2009/0171U9A1中描述的方法。上述技术问题的解决方案通过权利要求中所描述的本发明的实施方式提供。本发明涉及ー种分离方法,用于从例如发酵肉汤的稀的水溶液中对有机组分的回收。该方法使得发酵具有改进的容积效率,并且实现了对发酵产物的回收。由于同时进行的发酵和回收过程增加了发酵产物的浓度,同样量的发酵肉汤所产生和回收的发酵产物的量得到增加,本发明方法还能够降低在生产中所使用的能源。因此,本发明实现了在少量的资金和降低的生产成本下进行发酵产物的生产和回收。特别是,本发明提供了ー种从例如发酵肉汤的水培养基中回收有机组分的方法,该水培养基中含有产该有机组分的微生物,包括以下步骤(&)增加至少ー种亲水溶质在该水培养基的至少ー部分中的浓度,从而使该有机组分在该水培养基的该部分中的活性增加至该有机组分在该部分中至少饱和;
(b)从该部分中形成富含有机组分的液相和液体的富含水的相;以及(c)将富含有机组分的液相从富含水的相中分离;其中,该微生物被基因改造成与未改造的微生物相比能够耐受水培养基的该部分中更高浓度的至少ー种亲水溶质。本发明进ー步的主题涉及ー种生产有机组分的方法,包括步骤(A)在发酵培养基中培养微生物使所述微生物生产该有机组分;(B)采用此处限定的从水溶液中回收有机组分的方法,从发酵培养基的至少ー部分中回收由该微生物释放到发酵培养基中的有机产物。
迄今为止,采用盐析在发酵产物产生的同时移除发酵产物的工艺结合采用具有耐受高盐的细胞和有机体的发酵工艺从未被报道。
具体实施例方式术语“发酵”或“发酵工艺”被定义为一种微生物在含有例如原料(feedstock)和营养物的原材料的培养基中进行培养的工艺,其中该微生物将例如原料的原材料转化成产物。术语“有机组分”可以是由微生物生产的并且出现在例如发酵肉汤中的水溶液中的任何有机化合物。该有机组分可以是醇类。优选地,该醇类是一种(3_(6-的一元醇或二元醇,特别是丙醇,丁醇,戊醇,或己醇,或相应的二元醇,例如丙二醇,丁二醇,戊二醇,或己二醇。在一些实施例中,该丙醇可以是1-丙醇或2-丙醇。在一些实施例中,该丁醇可以是
1-丁醇,
2-丁醇,叔丁醇(2-***-2-丙醇),或异丁醇(2-***-1-丙醇)。在一些实施例中,该戊醇可以是1-戊醇,2-戊醇,3-戊醇,2-***-1-丁醇,3-***-1-丁醇,2-***-2-丁醇,
3-***-2-丁醇,或2,2-二***-1-丙醇。在一些实施例中,该己醇可以是1-己醇,2-己醇,3-己醇,2-***-1-戊醇,3-***-1-戊醇,4-***-1-戊醇,2-***-2-戊醇,3-***-2-戊醇,4-***-2-戊醇,2-***-3-戊醇,3-***-3-戊醇,3,3-二***-1-丁醇,2,2-二***-1-丁醇,2,3-二***-1-丁醇,2,3-二***-2-丁醇,3,3-二***-2-丁醇,或2-乙基-1-丁醇。在其他优选的实施例中,该二元醇可以选自1,2-丙二醇,1,3-丙二醇,1,2-丁二醇,1,3-丁二醇,2,3-丁二醇以及1,4-丁二醇。在一些实施例中该有机组分可以是醛类。根据本发明,一种例如***化钠的亲水溶质被以足够引起盐析的量加入水溶液(例如发酵肉汤)中,盐析是指溶液分离成两不互溶的相;一个相是水的***化钠溶液,另一个相是有机发酵产物溶液。这两不互溶的相通过物理分离(例如,通过重力),以获得仅含较小比例的有机组分的主要是亲水溶质的水溶液,以及仅含较小比例的水的主要是有机组分的溶液。该亲水溶质优选被加入到发酵罐中的整个发酵肉汤中以在发酵产物产生的同时移除该发酵产物,从而阻止有毒的发酵产物的浓度超过培养物的耐受水平。各种盐
(例如,***化钠,或其他溶解的组分)的存在能够强烈地抑制暴露于这种条件的有机体的生长。在例如酵母或细菌的有机体中,高盐的培养基能够引起细胞脱水,同时干扰新陈代谢,导致生长抑制或细胞破坏。因此提供耐盐的有机体对于实现有机体在不利条件下生长是有用的,该不利条件通常不支持有用水平的生长,或根本不支持生长。根据本发明的一个实施例,增强有机组分的活性可能包括向该水溶液中加入一种亲水溶质。在一些实施例中,其中该水溶液是发酵肉汤,亲水溶质优选被加入到发酵罐中的整个发酵肉汤中。关于加入亲水溶质,指的是增加已存在于该溶液的该部分中的亲水溶质的浓度,或者指的是加入先前不存在于该溶液中的亲水溶质。这些浓度的增加可以是通过外部的添加完成。作为选择地,或附加地,增加浓度也可以通过对溶液的原位处理进行,比如通过水解已经存在于该溶液中的溶质,例如,水解蛋白质以将氨基酸加入到该溶液中,水解淀粉或纤维素以将乳糖加入到溶液和/或水解半纤维素以将戊糖加入到溶液中。根据另一优选实施例,该亲水溶质可以是具有营养价值并且可选地以发酵副产物流流出,比如酒糟及可溶物(distillersdriedgrainsandsolubles,DDGS)。此外或者可选地,该亲水溶质可以是可发酵的,并且可与富含水的液相转移至该发酵罐中。通常地,该亲水溶质选自
盐,氨基酸,水溶性的溶剂,糖及其组合。该方法进一步包括形成富含有机组分的相,例如从该水溶液的该部分中形成富含C3_6-醇的液相和富含水的液相,该水溶液的该部分已被处理增加了有机组分(例如,c3_6-醇)的活性。正如使用于此的一样,术语“富含有机组分的相”(例如,富含醇的液相)指的是一种液相,其中该有机组分与水的比例大于起始水溶液的该比例。术语“富含水的液相”指的是一种液相,其中水与有机组分的比例大于富含有机组分的液相中的该比例。该富含水的相也可称为缺乏有机组分的相(organiccomponent-leanphase),例如缺乏醇的相。形成两相的步骤可以是主动的。例如,在一些实施例中,该形成步骤可以包括冷凝蒸馏的蒸汽相,以在冷凝之后形成两相。可选地或此外,冷冻或冷却该水溶液的被处理的部分可导致两相的形成。用于积极形成两相的其他步骤包括使用适合于促进相分离的设备。相分离可在各种单元操作包括液_液分离器中完成,该液_液分离器包括利用相与水箱(awaterboot)之间的特定的比重区别,如离心机中的重力分离的液/液分离器,或者离心式的液-液分离器。沉降器同样适用,例如用于溶剂萃取工艺的混合沉降器。在一些实施例中,该形成步骤是被动的,并且可能简单地只是由于在先前的步骤中增加了有机组分(优选为C3_6_醇)的活性到至少饱和的自然结果。因此,在富含有机组分的液相中,该有机组分的浓度与水的比例有效高于在起始
部分中的该比例。在富含水的相中,该有机组分的浓度与水的比例有效低于在富含有机组分的液相中的该比例。该富含水的相也可以被称为缺乏有机组分的相(例如缺乏醇的相)。本发明的优选实施例涉及从稀的水溶液中对C3_6_醇类的回收,该水溶液中含有产此处定义的醇的微生物。关于具体的C3_6_醇类,在富含醇的相中的典型浓度可给出为如下所示在一些实施例中,该醇是丙醇,,,或约大于1。在其他实施例中,C3_6-醇是丁醇,在富含醇的相中丁醇与水的比率约大于1,约大于2,或约大于8。在其他实施例中,C3_6-醇是戊醇,在富含醇的相中戊醇与水的比率约大于4,约大于6,或约大于10。对于给定相的浓缩因子或富集因子,可被表示为在该相中有机化合物(例如,醇)与水的比率除以在稀的水溶液中有机组分与水的比率。因此,例如,对于富含有机组分的相的浓缩因子或富集因子,可被表示为在该富含有机组分的相中有机组分/水的比率除以在水的稀溶液中有机组分/水的比率。在一优选实施例中,在该富含有机组分的相中有机组分(例如c3_6-醇)/水的比率大于起始水溶液(例如发酵肉汤)中有机组分(例如c3_6-醇)/水的比率,至少约5倍,至少约25倍,至少约50倍,至少约100倍,或至少约300倍。本发明的方法进一步包括将富含有机组分的液相(例如,富含C3_6_醇的相
)从富含水的相中分离。该两相的分离指的是该两相的物理分离,可包括移除,撇去浮沫,倾倒,倾析或相反,将一个相从另一个相中转移,并且可以采用本领域中已知的用于分离液相的任何手段完成。根据本发明的优选实施例,该有机组分(例如醇,优选上面概述的C3-C6_—元醇或二元醇)进一步从步骤(c)中获得的富含有机组分的液相中纯化(下文也表示为步骤(d))。在多个实施例中,该步骤(心可以包含步骤蒸馏,透析,水吸附,采用溶剂萃取进行有机组分的萃取,与烃类液体接触或与亲水化合物接触,该烃类液体与水不互溶。该步骤可以产生两相,包括含有该有机化合物(例如。厂醇)和水的第一相和含有该有机组分(例如醇)的第二相,其中第二相中的水与有机组分(例如醇)的比率小于第一相中的水与有机组分(例如仏一6-醇)的比率。在多个实施例中,第二相可以含有至少约洲被。/。的醇,至少约95^1^。的醇,或至少约99*1^的醇。
〔0039〕蒸馏法是一种进一步将该有机组分从步骤化)中富含有机组分的液相中纯化出来的优选措施。在一些实施例中,蒸馏是在低于大气压以及约20-95。0的温度下进行。在一些实施例中,蒸馏步骤在大约0丨025-101381-的压力下进行。根据本发明的优选实施例,加工富含理想的有机组分(例如醇)的液相的步骤可以包含从富含醇的相中蒸馏出基本上纯的醇。在一些实施例中,加工可以包含从富含醇的相中蒸馏出