CC BY
258
Обзоры
УДК 663.18:66.03.048;06;081:676.083
ЭФФЕКТИВНОСТЬ МЕТОДОВ ВЫДЕЛЕНИЯ ПРОДУКТОВ АЦЕТОНО-БУТИЛОВОЙ ФЕРМЕНТАЦИИ
© В.И. Сушкова , С.В. Яроцкий
Государственный научно-исследовательский институт генетики и селекции промышленных микроорганизмов, 1-й Дорожный проезд, 1, Москва, 117545 (Россия) e-mail: sushkovaval@mail.ru
В обзоре представлены данные по некоторым методам выделения растворителей из модельных водных смесей и культуральных жидкостей процесса ацетоно-бутиловой ферментации (продувка газами, жидкостная экстракция, адсорбция, первапорация и обратный осмос), которые совмещены с процессом ферментации, с целью определения наиболее эффективного метода.
При использовании каждого из обсуждаемых способов наблюдается повышение продуктивности ацетоно-бутилового брожения. Применение методов адсорбции и экстракции обеспечивает минимальный расход теплоэнергоресурсов.
В то же время пока ни один из предлагаемых способов по своей стабильности, простоте и полноте исчерпывания бутанола из культуральной жидкости не может конкурировать с процессом дистилляции.
Ключевые слова: ацетоно-бутиловое брожение, ферментация, культуральная жидкость, адсорбция, жидкостная экстракция, мембранные методы, первапорация.
В процессе ацетоно-бутилового брожения субстратов из растительного сырья (крахмал-, сахар-, целлюлозо- и пензансодержащего) получают несколько продуктов, главным образом ацетон, бутанол, этанол, масляную и уксусную кислоты и др. Каждый из них при превышении определенной концентрации оказывает отрицательное действие на рост и продуктивность микроорганизма-продуцента. Эффективность их производства зависит от толерантности используемого штамма микроорганизма к получаемым продуктам биосинтеза. Наличие токсического действия продуктов ацетоно-бутилового брожения, в основном бу-танола, на рост бактерий не позволяет перерабатывать концентрированные субстраты и получать высокие концентрации бутанола и других растворителей в отработанной культуральной жидкости.
В производстве бутанола по типовой технологии применяют разбавленные субстраты (концентрация условного крахмала 4,0-4,5%) и получают низкую концентрацию растворителей (15-22 г/л) в культуральной жидкости (содержание бутанола в составе растворителей составляет 55-60%). Это является основной причиной высоких затрат пара при их выделении из культуральной жидкости путем дистилляции и ректификации. При дистилляции расход пара - 4,77 ккал/кг (3,83 ккал/л) растворителей, при ректификации -1,44 ккал/кг (1,16 ккал/л) растворителей [1].
Технологическую продуктивность и рентабельность производства можно повысить, удаляя продукты метаболизма из культуральной жидкости. Такой процесс ферментации, совмещенный с одним из процессов выделения растворителей, в частности бутанола, из культуральной жидкости имеет ряд преимуществ:
- повышается концентрация клеток в биореакторе, выход целевых продуктов брожения от сброженных углеводов и продуктивность процесса за счет снижения токсического действия продуктов на микроорганизм;
- возможна переработка концентрированных субстратов;
- за счет повышения концентрации бутанола и других растворителей в продукте после метода выделения сокращаются затраты теплоэнергоресурсов при дистилляции.
Впервые идея о выделении растворителей в процессе ацетоно-бутилового брожения была предложена Бехтеревой (1939) [2]. Ссылки на эту работу сделаны В.Н. Шапошниковым (1940, 1948 гг.) [3] и дру-
* Автор, с которым следует вести переписку.
гими советскими учеными (1958, 1963, 1975) [4-6]. Но работы в этом направлении не проводились, возможно, по причине отсутствия остроты проблемы на производстве растворителей.
Для выделения бутанола из культуральной жидкости с целью интенсификации процесса ацетоно-бутилового брожения исследовали процессы массопередачи, процессы перехода веществ из одной фазы в другую (парогазовую, жидкую, твердую) [7, 8]. Рассматривались такие процессы, как продувка газом, жидкостная экстракция, адсорбция, ультрафильтрация, обратный осмос и первапорация. Однако по ряду причин до сих пор ни один из этих методов не был использован в производстве.
Цель данной работы заключалась в анализе имеющихся публикаций на эту тему и сравнении эффективности различных способов выделения растворителей из культуральной жидкости.
Эффективность процесса оценивали по степени извлечения целевого компонента из одной фазы в другую, выраженной в весовых процентах.
Продувка культуральной жидкости газами. Известен метод продувки сусла воздухом с целью его очистки и повышения биологической доброкачественности, который применяют в промышленном производстве кормовых дрожжей из нейтрализованных гидролизатов растительного сырья. Процесс продувки жидкостей, а также культуральных жидкостей газами с целью выделения из них легколетучих веществ не имеет широкого применения в промышленном производстве. В производстве используют обратный процесс - процесс абсорбции, очистки газов водой или водными растворами. Однако ведутся научно -исследовательские работы по выделению бутанола из культуральной жидкости газами.
В обзоре по методам выделения растворителей в ацетоно-бутиловом процессе с 1984 по 2003 г. Ezejy и др. (2003) [9] предпочтение отдают методу выделения растворителей из культуральной жидкости путем продувки ее газами (Maddox (1988), Groot (1992) и др. [10-18]) - методу «gas stripping». Отмечено, что первая работа при совмещении процессов ферментации культуры Cl. acetobutylicum и выделения растворителей путем продувки газами выполнена Ennis и др. (1986) [10].
Процесс продувки газом или совмещают с ферментацией, или проводят отдельно на линии удаления отработанной культуральной жидкости из биореактора. Ezejy и др. (2003) [9] проводили процесс продувки азотом со скоростью 4,6 л/мин или газами брожения со скоростью 3 л/мин культуральной жидкости в биореакторе объемом 2 л. Лабораторная установка включала насос для циркуляции парогазовой смеси, стеклянный холодильник для конденсации паров и приемник конденсата. В качестве хладагента использовали этиленгликоль с температурой -2 °С. Проверяли эффективность брожения питательного субстрата с концентрациями глюкозы 60, 161 и 500 г/л (табл. 1). Ферментацию свободных клеток штамма C. beijerinckii BA101 (условия ферментации: t = 33-35 °С, рН не контролировали) проводили периодическим и отъемно-доливным методами.
Таблица 1. Результаты исследований процесса ацетоно-бутиловой ферментации Cl. beijerinckii ВА 101 без и с продувкой газом культуральной жидкости [9, 19]
Концентрация глюкозы в субстрате, г/л
Наименование параметров 60 60 161,7 500 [19]
Контроль Опыты с продувкой газом
статические условия отъемно-доливной метод
Степень биоконверсии, % 75,9 100 100 95,1
Время ферментации, ч 60 39 125 201
Концентрация растворителей, г/л, в т.ч. 17,6 23,6 75,9 232,8
бутанол 11,9 16,4 46,4 151,7
ацетон 5,2 6,9 27,4 77,7
этанол 0,5 0,3 2,1 3,4
масляная кислота 0 0 0 4,2
Продуктивность растворителей, г/лч 0,29 0,61 0,60 1,16
Выход растворителей, в% 39 40 47 47
Остаточная концентрация -
бутанола, г/л 6 8,5 4
ацетона, г/л 3,5 7 3
Концентрация биомассы, г/л 3,2 4,6 11,0 15,0
Степень выделения растворителей, % - 59,7 79,6 97,0
бутанола, г/л 63,4 81,7 97,4
ацетона, г/л 49,3 74,5 96,1
этанола, г/л 100 100 100
Из данных, представленных в таблице 1, видно, что использование метода «gas stripping» для выделения растворителей из культуральной жидкости способствует повышению концентрации биомассы бактерий от 3,2 до 11-15 г/л и выхода растворителей от 0,39 до 0,40-0,47 г/г сброженной глюкозы, увеличению концентрации глюкозы в перерабатываемом питательном субстрате от 6 до 16-50%. При этом степень выделения растворителей достигает уровня 79-97%. Продуктивность процесса ацетонобутанольного брожения, совмещенного с методом «gas stripping», при этих условиях составляет 0,6-1,16 г/лч растворителей.
Ezejy и др. (2004) [20] в непрерывном процессе ацетоно-бутилового брожения получили выход растворителей - 0,40 г/г и продуктивность процесса - 0,91 г/лч растворителей с использованием свободных клеток штамма C. beijerinckii BA101 (условия ферментации не приводят).
В двухступенчатом процессе получения бутанола из глюкозы и масляной кислоты D. Ramey (2004) [21] культуральную жидкость продувал газами брожения. Бутанол из парогазовой смеси выделял путем последовательного проведения процессов: адсорбции (активированный уголь и новый золь-гелевый адсорбент), десорбции паром, конденсации (концентрация бутанола в конденсате 10-15%), декантирования и ректификации верхней фракции; нижнюю водную фракцию возвращал на адсорбцию. Используя иммобилизацию биомассы бактерий и рециркуляцию культуральной жидкости удалось создать высокую плотность клеток с непрерывным ее обновлением. Была получена высокая продуктивность процесса и выход 4,6 г/лч; 0,42 г/г по бутанолу соответственно, выход растворителей - 0,53 г/г (условия ферментации: дебит 0,9 ч-1, рН 4,3; t = 35 °С, при концентрации глюкозы и масляной кислоты в субстрате 54; 3,6 г/л соответственно) с низкой конверсией глюкозы (0,19 в.ч.) и масляной кислоты (0,31 в.ч.). При дебите 0,1-0,2 ч-1 и рН 4,3 продуктивность процесса и выход бутанола составили 1,0-1,7 г/лч; 0,25-0,28 г/г соответственно и выход растворителей 0,39-0,40 г/г, степень конверсии глюкозы и масляной кислоты не указана.
Таким образом, по результатам представленных лабораторных исследований можно сделать вывод, что использование «gas stripping» позволяет интенсифицировать процесс ацетоно-бутиловой ферментации и существенно снизить теплоэнергозатраты.
Жидкостная экстракция [7, 8]. Процесс экстрагирования широко используют для извлечения целевых продуктов из смесей, находящихся в твердом или жидком состоянии. Метод жидкостной экстракции был применен для выделения продуктов брожения из культуральной жидкости ацетонобутанольной ферментации.
Привлекательность процесса экстракции и ректификации состоит в использовании дешевого экстра-гента с высоким коэффициентом распределения и получения из водной разбавленной смеси компонентов их концентрированного раствора в экстрагенте. В этом случае затраты на ректификацию будут ниже, чем при непосредственной отгонке из культуральной жидкости.
Основные требования к экстрагентам:
- отсутствие токсичности по отношению к микроорганизмам -продуцентам растворителей;
- высокий коэффициент распределения для бутанола;
- не растворимый в воде и не образующий эмульсию с отработанной культуральной жидкостью;
- его низкая стоимость;
- возможность регенерации экстрагента в процессе выделения и очистки бутанола ректификацией.
М.Н. Бехтерова, В.Н. Шапошников и др. [2-6] в процессе ферментации культуры Cl. acetobutylicum с
касторовым маслом сбраживали заторы кукурузной муки с концентрацией крахмала до 220-300 г/л без снижения относительных выходов растворителей. Концентрация ацетона, бутанола и этанола при сбраживании затора с концентрацией крахмала 220 г/л с экстракцией повышалась до 15,42; 30,59 и 3,32 г/л соответственно в сравнении с процессом без экстракции. Данный процесс экстракции не был реализован в промышленном производстве из-за высокой стоимости и большого расхода касторового масла (400% от массы затора). Ezejy и др. (2004) [20] дают ссылку на использование субстрата с концентрацией глюкозы 339 г/л в процессе экстрактивной ферментации с олеиловым спиртом.
Для экстракции продуктов ацетоно-бутилового брожения (растворителей, масляной кислоты и др.) использовали масло зерна [20], метилированное пальмовое масло [21], углеводороды (бензол, этилбензол, пропилбензол, стирол, о-дихлорбензол, толуол, и-ксилол, гексан, циклогексан, октан, циклооктан, изоок-тан, нонан, декан, додекан), простые эфиры (дифениловый, гексиловый), спирты (олеиловый, н-октиловый, изодеканол, изотридеканол), полипропилен гликоль [21, 22-24], хладоны всех видов [25] и монофтортри-хлорметан [26], алифатические вторичные, третичные и четвертичные амины [27], винилбромид [28].
Ishizaki и др. [22] для ацетоно-бутиловой ферментации культуры Cl. saccharoperbutylacetonicum N1-4 в качестве питательного субстрата применяли триптон-дрожжевой экстракт-ацетат (TYA) c концентрацией глюкозы 90 г/л. Ферментацию проводили в 1 дм3 биореакторе c рабочим объемом 0,4 дм3 в статических условиях при температуре 30 °С в течение 80 ч. Время одного цикла брожения составляло 48 ч. Посевной материал вносили в количестве 10% об. Культивирование проводили в анаэробных условиях с предварительной продувкой субстрата азотом. Экстрагент вносили асептически на поверхность культу-ральной жидкости после окончания лаг-фазы, через 12 ч от начала ферментации. Количество экстрагента не указано. При использовании олеилового спирта концентрация и выход растворителей составили 27,9 г/л; 0,38 г/г сброженной глюкозы соответственно, продуктивность процесса - 0,52 г/лч бутанола. С метилированным пальмовым маслом концентрация и выход растворителей были равны 29 г/л; 0,40 г/г соответственно, продуктивность процесса - 0,55 г/лч бутанола. Без экстракции выход растворителей составил 0,38 г/г и продуктивность процесса - 0,51 г/лч. Результаты исследований представлены в таблице 2.
По данным таблицы 2 видно, что из двух экстрагентов коэффициенты распределения продуктов брожения выше при использовании олеилового спирта. При этом наибольшие коэффициенты распределения имеют бутанол и масляная кислота. Но выход растворителей выше с пальмовым маслом.
Процесс экстракции растворителей из культуральной жидкости проводили как в биореакторе, так и на линии удаления отработанной культуральной жидкости из биореактора в экстракторе.
Zhongping и др. (2005) [24] наиболее рациональной считают схему выделения продуктов брожения методом экстракции непосредственно в биореакторе, с последующей двухступенчатой ректификацией смеси продуктов брожения и экстрагента. Контакт фаз для экстракции олеиловым спиртом они обеспечивают двухярусной мешалкой (соотношение фаз не указывают). Авторы на основании экспериментальных данных сформулировали математическую модель по показателям «продуктивность» и «энергетические требования». Высокая продуктивность процесса 20-27 г/лч растворителей может быть достигнута при концентрации глюкозы в субстрате 400 г/л. При увеличении энергетических затрат на единицу субстрата в единицу времени повышается продуктивность. При постоянной продуктивности процесса получения растворителей с увеличением концентрации субстрата уменьшается энергетическая норма потребления (ккал/лч).
Там же исследована эффективность влияния дебитов водной и органической фаз на общую продуктивность процесса получения растворителей. С увеличением дебита (расхода) экстрагента повышается продуктивность. Максимальная продуктивность процесса ацетоно-бутилового брожения 30 г/лч растворителей будет при дебитах водной фазы - 0,35 ч-1 и экстрагента - 10 ч-1.
Серьезной проблемой при совмещении процессов экстракции и ферментации является токсичность экстрагентов по отношению к микроорганизмам.
Для оценки меры токсичности растворителей применяют показатели log P (P - коэффициент распределения данного растворителя в равномолярной смеси октанола и воды) и биосовместимость (отношение продуктивностей процессов в присутствии и отсутствии растворителя по интересуемому продукту биосинтеза, выраженное в %).
Каждый микроорганизм имеет характерный уровень log P, ниже которого скорость роста культуры снижается. Значение log P, к которому культура толерантна, называют индексом растворителя. Чем выше полярность растворителя (выше растворимость в воде), тем ниже log P и выше токсичность. Растворители с log P ниже 4 считают экстремально токсичными [30]. Установлены значения log P для большинства органических растворителей [23].
Job и др. (1989) [30] представили данные о биосовместимости додеканола (20%), олеиновой кислоты (90%) и олеилового спирта (90%) с культурой бактерий Cl. acetobutylicum. Vandak и др. (1996) [31] сообщают, что углеводороды (C6-Ci2), высшие спирты (олеиловый спирт и др.) и фталаты не токсичны по отношению к культуре Cl. acetobutylicum.
Таблица 2. Коэффициент распределения продуктов ацетоно-бутиловой экстрактивной ферментации [21]
Наименование экстрагентов Бутанол Ацетон Этанол Кислоты Выход растворителей, %
масляная уксусная
D ост.,г/л D D D D
Олеиловый спирт 3,3 5 0,30 0,20 2,85-3,40 0,21 38
Метилированное пальмовое 0,9 10 0,22 0,05 1,25 0,12 40
масло
D - коэффициент распределения.
Ezejy и др. (2004) [20, 23, 31] отмечают нетоксичность олеилового спирта, смеси его с Hostarex A327 (n-octyl(n-decyl)amine), чистого тригексилфосфата для культур Cl. beijerinckii ВА101 и Cl. butyricum S21. Christopher Job и др. (1989) [30] представили данные по биосовместимости 9 растворителей для культуры Cl. thermohydrosulfuricum. Из них биосовместимы с культурой Cl. thermohydrosulfuricum гексадекан -110%, олеиловый спирт - 130%, изооктан - 70%, керосин - 70%.
Для снижения токсического действия экстрагентов используют процесс иммобилизации клеток бактерий [28], а также совместные процессы адсорбции и мембранной жидкостной экстракции [32].
таким образом, по результатам представленных исследований можно сделать вывод, что удаление растворителей, в частности бутанола, из культуральной жидкости биосовместимым экстрагентом позволяет интенсифицировать процесс ацетоно-бутиловой ферментации и возможно сократить затраты теплоэнер-горесурсов.
Молекулярная адсорбция [2]. Способ широко используют в промышленности для выделения компонентов парогазовых смесей, осушки и т.д. Метод адсорбции был использован и для выделения растворителей в процессе ацетоно-бутилового брожения.
Qureshi и др. (2005) [33] предлагают три схемы выделения растворителей: адсорбция непосредственно в биореакторе; адсорбция в колоннах с циркуляцией культуральной жидкости через них; адсорбция растворителей в колоннах после отделения клеток бактерий на мембранном фильтре с циркуляцией как клеток, так и культуральной жидкости после адсорберов. Qureshi и др. (2005) [33] приводят результаты исследований с различными адсорбентами (цеолиты, смолы - ХАD-2, ХАD-4, ХАD-7, ХАD-8, ХАD-16; активированные угли, костный и древесный уголь, Bonopore-7 - сополимер дивинилбензола/стирола, по-ливинилпиридин) как на модельных растворах, так и с культуральной жидкостью. Ни один из исследуемых адсорбентов не был токсичен для культур. Основные адсорбенты, показавшие высокую адсорбционную емкость по бутанолу и соответственно низкий расход его, представлены в таблице 3.
По данным таблицы 3 видно, что наиболее эффективными адсорбентами бутанола из модельных растворов являются активный углерод Norit-RPW 0,8 и ХАD-4. Адсорбент Bonopore-7 авторы рекомендуют для выделения бутанола из культуральной жидкости, как наиболее эффективный в данном случае.
там же представлены данные по эффективности процесса ацетоно-бутилового брожения с удалением растворителей из культуральной жидкости адсорбентом поливинилпиридин (табл. 4).
Из данных, представленных в таблице 4, видно, что при удалении растворителей из культуральной жидкости в процессе ацетоно-бутиловой ферментации путем адсорбции продуктивность процесса и выход растворителей повышаются.
Таблица 3. Эффективность процесса выделения бутанола из водных растворов адсорбентами
(температура 25 °С) [33]
Наименование адсорбента Объем биореактора, мл Концентрация бутанола в реакторе, г/л Емкость адсорбента по бутанолу, мг/г Расход адсорбента, г/л
Модельные растворы бутанола
Активный углерод Norit-ROW 0,8 100 15,0 252 10
ХАD-4 100 14,4 100 10
Silicalite 5 10,0 48 200
Поливинилпиридин 100 14,9 68 100
Культуральная жидкость
Bonopore-7 - - 90 -
ХАD-16 (4 °С) 1000 9,2 75 85
Silicalite 10 11,7-16,8 64-85 168
Поливинилпиридин 100 11,2 - 100
Таблица 4. Эффективность ацетоно-бутиловой ферментации Cl. acetobutylicum с удалением растворителей
из культуральной жидкости адсорбентом поливинилпиридином
Без адсорбции С адсорбцией
Процесс продуктивность, выход продуктивность, выход
г/лч растворителей, г/г г/лч растворителей, г/г
Батарейный периодический 0,40 0,31 0,92 0,32
Батарейный непрерывный -«- -«- 1,33-1,69 0,32
Для того чтобы клетки не забивали адсорбент и не ухудшали сорбцию, их иммобилизуют или предварительно отделяют путем центрифугирования или микрофильтрации.
Эффективность процесса адсорбции растворителей из культуральной жидкости зависит не только от сорбционной способности адсорбента, но и эффективности процесса десорбции растворителей и регенерации адсорбента. В зависимости от вида адсорбента выделение растворителей и его регенерацию осуществляют различными способами: 1) элюированием органическим растворителем; 2) паром; 3) горячими воздухом или газами брожения.
Поливинилпиридин регенерируют метанолом. Концентрация растворителей в элюате (метаноле) составляет 30-40 г/л. Этот способ позволяет существенно экономить энергию за счет увеличения концентрации растворителей в метаноле, ликвидации процесса дистилляции, регенерации метанола в процессе ректификации растворителей.
Qureshi и др. (2005) [33] рассматривают различные технологии десорбции бутанола из цеолита, в одной из которых после десорбции воды при температуре 40 °С бутанол выделяют при температуре 150 °С. Концентрация бутанола в выделенном продукте - 790-810 г/л. По другой технологии цеолит регенерируют при температуре 78 °С. Степени выделения бутанола, ацетона и этанола при этом составляют 100, 95,5 и 80,0% соответственно. Концентрация бутанола в выделенном продукте - 500 г/л.
Процессы десорбции бутанола из древесного угля воздухом с температурой 120 °С и охлаждения его в конденсаторе до 0 °С обеспечивают степень выделения бутанола 60-65% [33].
Таким образом, по результатам представленных исследований можно сделать вывод, что удаление растворителей, в частности бутанола, из культуральной жидкости в процессе ферментации путем адсорбции позволяет интенсифицировать ацетоно-бутиловую ферментацию и сократить затраты энергии за счет повышения концентрации бутанола в конденсате после десорбции.
Процессы мембранной фильтрации. К процессам фильтрации с использованием мембран относят процессы микрофильтрации, ультрафильтрации, обратный осмос, первапорации. Ведутся исследования по изучению эффективности использования процессов обратного осмоса и первопарации для выделения бутанола из культуральной жидкости.
Обратный осмос. Процесс обратного осмоса проводят под давлением, превышающим осмотическое давление. При этом вода проходит через мембрану из раствора в воду. Данный метод обычно используют для концентрирования солевых растворов, опреснения воды, очистки сточных вод и т.д. Возможно применение процесса обратного осмоса для концентрирования растворителей ацетоно-бутилового брожения.
Garcia и др. (1985) [34] при обратном осмосе получили производительность мембранных модулей 0,05-0,6 л/мин-м2 (3-36 л/ч-м2). Степень выделения растворителей была 90% бутанола и 70% ацетона.
В настоящее время мембранные установки обратного осмоса для очистки ультрафильтрата после-спиртовой барды имеют производительность 15-20 л/ч-м2 (3,0-4,0 МПа) [35].
Первапорация. Жидкостной поток, содержащий 2 и более компонентов, приводят в контакт, с одной стороны, селективно проницаемой непористой мембраны, а с другой - удаляют компоненты, проникшие через мембрану, в виде пара за счет создания вакуума или пропускания газа-носителя [33, 36]. Основными этапами массопередачи при первапорации являются сорбция компонентов жидкой исходной смеси в мембране, их диффузия через слой мембраны и десорбция в виде пара с обратной стороны мембраны. Скорость передачи компонентов через мембрану увеличивается при повышении степени разрежения и уменьшается с увеличением толщины мембраны. Эффективность процесса первапорации оценивают показателями - производительность и коэффициент разделения.
В качестве мембран при выделении бутанола из модельных растворов использовали ацетат-целлюлозные мембраны марок МГА-95, 100 с удельной производительностью 1 кг воды/кг смеси; поли-триметилсилилпропин (PTMSP, или ПТМСП) [38-40, 42]; полидиметилсилаксан (PDMS); силикаты (гидрофобные) - Ge-ZSM-5. Другие полимерные материалы (модифицированные PTMSP и PDMS) применяли только для этанола [39].
Д. Д. Васильев (1999) [36] приводит зависимость фактора обогащения по бутанолу от его концентрации в исходной смеси при температуре 25 °С при первапорационном разделении. При концентрации бута-нола 15 г/л в культуральной жидкости фактор обогащения будет равен 30 и концентрация бутанола в пер-меате составит 45% вес.
Концентрация бутанола в пермеате 50% вес. подтверждена в работе Я.А. Селинской (2001) [37]. Такая концентрация держится только в течение 100 ч при потоке 0,6 кг/м2ч. В работе отмечена менее эффективная работа мембран ПТМСП на ферментационных жидкостях из-за наличия в них диолов, хорошо сорбирующихся, но медленно проникающих через мембрану. Автор утверждает, что асимметричные мембраны в условиях ферментации при температуре 37 °С будут демонстрировать поток не ниже 1 кг/м2ч.
Обзор по процессу первапорации и эффективности совмещения его с процессом ферментации сделан Ье1аЫ (2005) [39], который считает основным направлением интенсификации процесса брожения - увеличение концентрации биомассы микроорганизмов за счет снижения концентрации токсичных компонентов в культуральной жидкости. Процессы рециркуляции сгущенной суспензии бактерий и иммобилизации их биомассы также являются эффективными способами повышения концентрации биомассы бактерий. Целесообразность использования этих процессов зависит от состава субстрата, культуры и целевого продукта.
Ье1аМ и др. [39, 41, 42] сделали оценку по использованию концентрированных субстратов в совмещенных процессах ферментации и выделения растворителей мембранами. Применение процессов рециркуляции культуральной жидкости повышает концентрации ингибиторов в культуральных жидкостях, которые тормозят процесс ферментации и могут вызвать гибель клеток микроорганизмов. Ингибиторами являются органические кислоты (муравьиная, уксусная, лимонная, масляная, молочная), ряд органических веществ (ацетальдегид, этилацетат, метанол, изобутанол, метилбутанол, фурфурол, оксиметилфурфурол).
Схемы с совмещенными процессами ферментации и первапорации у всех авторов одинаковые и состоят из следующих стадий:
- ферментация микроорганизмов;
- выделение клеток из ОКЖ на мембранном модуле и их возвращение в биореактор;
- подогрев культуральной жидкости;
- выделение растворителей на первапорационном модуле с возвратом очищенной культуральной жидкости в биореактор;
- конденсация паров после мембранного модуля жидким азотом или рассолом.
Ье1аМ (2005) [39] делает ссылку на работу Ма18итига и др. (1998) [43] по использованию мембраны с олеиловым спиртом для выделения бутанола с последующей ректификацией растворителей.
Таким образом, совмещение процессов ферментации и мембранных методов выделения бутанола из культуральной жидкости позволяет повысить эффективность процесса ацетонобутанольного брожения и сократить затраты пара при дистилляции за счет высокой концентрации бутанола в пермеате (4,2-45% вес. при первапорации).
Сравнительный анализ методов выделения продуктов брожения, совмещенных с ацетоно-бутиловой ферментацией. Для оценки эффективности методов удаления бутанола и других продуктов брожения необходимо сформулировать задачи и требования к этим процессам. Задач может быть две: 1 -частичное удаление продуктов брожения из культуральной жидкости и повышение эффективности процесса брожения; 2 - полное удаление продуктов брожения из культуральной жидкости (остаточная концентрация бутанола не более 0,02%) и повышение их концентрации в выделенном продукте, в результате, кроме повышения эффективности процесса брожения, предполагается снижение теплоэнергозатрат при дистилляции. Главным требованием являются степень выделения (не менее 95%) и минимальная остаточная концентрация бутанола в отработанной культуральной жидкости (не более 0,02%), снижение теплоэнергетических затрат в процессе дистилляции за счет увеличения концентрации бутанола в концентрате. Сравнительные данные по методам выделения бутанола представлены в таблице 5.
По данным таблицы 5 видно, что любой способ выделения бутанола из культуральной жидкости способствует повышению продуктивности процесса ацетоно-бутилового брожения и выхода бутанола в той или иной степени. Наибольшее увеличение продуктивности процесса имеет место при использовании процесса адсорбции (1,33-1,69 г/лч) и схемы Яатеу (1,0-1,7 г/лч). При продувке культуральной жидкости газами наблюдается максимальный выхода растворителей (40-47% от сброженной глюкозы). Таким образом, можно сказать, что каждый из методов выделения бутанола из культуральной жидкости соответствует требованиям первой задачи.
Таблица 5. Основные показатели процесса ацетоно-бутиловой ферментации, совмещенного с методами выделения бутанола и других растворителей
Наименования процессов выделения растворителей Показатели процесса ферментации Показатели процессов выделения бутанола
концентрация бутанола в продукте метода выделения остаточная концентрация бутанола, г/л степень выделения, % расход тепловой энергии, кДж/кг бута-нола [33]
продуктивность, г/лч выход растворителей, %
Дистилляция и конденсация — 35,8 15-20% вес. 0,2 97-98,7 1,38
Gas stripping и конденсация [9] 0,6-1,16 40-47 данные отсутствуют 4-8,5 59,7-97 1,24
Схема Ramey D. (2004) [21] «gas stripping», адсорбция, десорбция, конденсация и декантация 1,0—1,7 39-40 10-15% вес. (в верхней фракции после декантации 500810 г/л) данные отсутствуют
Первапорация и конденсация [37, 38] 0,5 42-43 4,5-45% вес. данные отсутствуют 0,79
Экстракция [22] 0,52-0,55 38-40 27-49 г/л 5-10 65,5-82 0,52
Адсорбция из жидкости, десорбция, конденсация [34] 1,33-1,69 32 500-810 [34] данные отсутствуют 60-100 0,47
Все методы способствуют увеличению концентрации бутанола в конденсате перед дистилляцией. По расходу тепловой энергии преимущества имеют процессы адсорбции и экстракции. Необходимо отметить схему, предлагаемую D. Ramey (2004) [21], позволяющую получать концентрат бутанола после декантации (500-810 г/л) и обеспечивать наибольшую экономию теплоэнергии.
Сравнительный анализ методов выделения растворителей показал, что их использование не позволяет обеспечить полное исчерпывание бутанола из отработанной культуральной жидкости. Максимальную степень выделения бутанола из культуральной жидкости пока дает только процесс дистилляции. То есть ни один из методов не обеспечивает выполнение второй задачи и не может конкурировать с процессом дистилляции, используемом в промышленном производстве биобутанола.
Кроме того, способы выделения растворителей должны удовлетворять требованию - обеспечение необходимой производительности производства продукта. Промышленное производство растворителей по типовой технологии производительностью не менее 43 т/сутки и расходе культуральной жидкости 2157 т/сутки [1] могут обеспечить методы экстракции и адсорбции.
Мембранные методы можно использовать для очистки растворителей и выделения их из культу-ральной жидкости на производствах биобутанола с малой мощностью.
Для повышения эффективности производства бутанола исследователи идут по направлению использования нескольких способов выделения продуктов брожения: «gas stripping» и адсорбция, мембранная жидкостная экстракция, экстракция и адсорбция и т.д.
Таким образом, можно сделать вывод, что разработки методов выделения бутанола из культуральной жидкости находятся на экспериментальной стадии. Несмотря на то, что ни один из обсуждаемых способов по своей стабильности, простоте и полноте исчерпывания бутанола из отработанной культуральной жидкости пока не может конкурировать с промышленным процессом дистилляции, основными их достоинствами являются повышение эффективности процесса ацетоно-бутилового брожения и снижение тепло-энергозатрат при выделении растворителей.
Список литературы
1. Яроцкий С.В., Сушкова В.И., Синеокий С.П., Лукина Г.П. Экономический анализ производства биобутанола и перспективы его развития // Деп. в ВИНИТИ 10.04.08, №308-2008. 65 с.
2. Бехтерева М.Н. Ацетонобутиловое брожение при непрерывном удалении образующихся продуктов путем экстракции // Микробиология. 1939. Т. VIII, вып. 7. С. 854-861.
3. Шапошников В.Н. Техническая микробиология. М., 1948. 273 с.
4. Логоткин И.С. Технология ацетонобутилового производства. М., 1958. 267 с.
5. Яровенко В.Л. Непрерывное брожение в ацетонобутиловом производстве. М., 1963. 250 с.
6. Яровенко В.Л. Основные закономерности непрерывного спиртового и ацетоно-бутилового брожения. М., 1975. 103 с.
7. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л., 1987. 575 с.
8. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. М., 1972. 493 с.
9. Ezejy T.C., Qureshi N., Blaschek H.P. Production of aceton, butanol and ethanol by Clostridium beijerinckii BA 101 and in siti recovery by gas strippting // World Journal of Microbiology & Biotechnology. 2003. V. 19. Pp. 595-603.
10. Ennis B.M., Marchall C.T. Maddox I.S. & Paterson A.N.J. Continuous product recovery by in situ gas strippting/condensation during solvent production from whey permeate using Clostridium acetobutylicum // Biotechnology Letters. 1986. V. 8. Pp. 725-730.
11. Maddox I.S. The acetone-butanol-etanol fermentation: recent progress in technology // Biotechn. and Genetic Engineering Reviews. 1988. V. 7. Pp. 189-220.
12. Maddox I.S., Qureshi N. & Roberts-Thomson K. Production of acetone-butanol-etanol from concentrated substrates using Clostridium acetobutylicum in an integrated fermentation-product removal process // Process Biochemistry. 1995. V. 30. Pp. 209-215.
13. Groot W.J., van der Lans R.G.J.M. & Luyben K.Ch.A.M. Batch and continuous butanol fermentation with free cells: integration with product recovery by gas stripping // Appl. Microbiol. Biotechnol. 1989. V. 32. Pp. 305-308.
14. Groot W.J., van der Lans R.G.J.M. & Luyben K.Ch.A.M. Technologies for butanol recovery integrated with fermentations // Process Biochemistry. 1992. V. 27. Pp. 61-75.
15. Mollah A.N. & Stuckey D.C. Feasibility of in situ gas strippting for continuous aceton-butanol fermentation by Clostridium acetobutylicum // Enzyme and Microbiol Technology. 1993. V. 15. Pp. 200-207.
16. Qureshi N. & Blaschek H.P. Recovery of butanol from fermentation broth by gas strippting// Renewable Energy. 2001. V. 22. Pp. 557-564.
17. Qureshi N., Maddox I.S. Intagration of continuous production and recovery of solvents from whey permeate: use of immobilized cells of Clostridium acetobutylicum in fluidized bed bioreactor coupled with gas strippting // Bioprocess Engineering. 1991. V. 6. Pp. 63-69.
18. Qureshi N., Maddox I.S. & Friedl A. Application of continuous substrate feeding to the ABE fermentation: relif of product inhibition using extraction, perstraction, strippting and pervaporation // Biotechnology Progress. 1992. V. 8. Pp. 382-390.
19. Ezejy T.C., Qureshi N., Blaschek H.P. Aceton butanol ethanol (ABE) production from concentrated substrate: reduction in substrate inhibition by fed-batch technique and product inhibition by gas strippting // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2004. V. 63. Pp. 653-658.
20. Ezejy T.C., Qureshi N., Blaschek H.P. Butanol Fermentation Researh: Upstream and Downstream Manipulations // The Chemical Record. 2004. V. 4. Pp. 305-314.
21. Ramey D. Production of butyric acid and butanol from biomass // Final report, contract № DE-F-G02-00E86106. 2004.
22. Ayaaki Ishizaki, Shigeru Michiwaki, Edward Crabbe, Genta Kobayashi, Kenji Sonomoto, Sadazo Yoshino. Extractive Acetone-Butanol-Etanol Fermentation Using Metilated Crude Palm Oil as Extractant in Batch Culture of Clostridium saccharoperbutylacetonicum N 1-4 (ATCC 13564) // Bioscience and Bioengineering. 1999. V. 3. Pp. 352356.
23. Zigova J., Strurdik, E. Advances in biotechnological production of butyric acid // Inductrial Microbiology & Biotechnology. 2000. V. 24. Pp. 153-160.
24. Zhongping Shi, Chengyan Zhang, Jianxin Chen, Zhonggui Mao. Performance evaiution of aceton-butanol continuous flash extractive fermentation process // Bioprocess Biosyst Eng. 2005. V. 27. Pp. 175-183.
25. Патент 4568643 (US). Continuous process for producing n-butanol employing anaerobic fermrntation / Levy. Опубл. 04.02.1986.
26. Патент 4424275 (US). Continuous process for producing n-butanol employing anaerobic fermrntation / Levy. Опубл. 03.01.1984.
27. Патент 5563069 (US). Extractive fermentation using convoluted fibrous bed bioreactor / Shang-Tian Yang. Опубл. 08.08.1996.
28. Патент 4628116 (US). Vinyl bromide extraction of butyric acid and butanol from microbial fermentation broth / Cenedella, Richard. Опубл. 09.12.1986.
29. Yogita N. Sardessai, Saroj Bhosle. Organic solvent-tolerant bacteria in mangrove ecosystem // Current science. 2002. V. 82, №6. Pp. 622-623.
30. Christopher Job, Eckhart Blass. Selection of organic solvents for in situ extraction of ethanol from fermentation with Clostridium Thermohydrosulfuricum // Berichte der Bunsengeselischaft fur Physikalische Chemie. 1989. V. 93, №9. Pp. 997-1000.
31. Vandak D., Zigova J., Sturdik E. and Schlosser S. Evalution of solvent and pH for extractive fermentation of butyric acid // Proc. Biochem. 1997. V. 32. Pp. 245-251.
32. Demirci A., Cotton J.C., Pometto A.L., Harkins K.R., Hinz P.N. Resistance of Lactobacillus casei in plastic-composit-support biofilm reactors during liquid membrane extraction and optimization of the lactic acid extraction system // Biotechnol. Bioeng. 2003. V. 83(7). Pp. 749-759.
33. Qureshi N., Hughes S., Maddox I.S., Cotta M.A. Energy-efficient recovery of butanol from model solutions and fermentation broth by adsorbption // Bioprocess Biosyst Eng. 2005. V. 27. Pp. 215-222.
34. Garcia A., Iannotti E.L. and Fischer J.L. Butanol fermentation liquor production and separation by reverse osmosis // Biotech. Bioeng. 1986. V. 28. Pp. 785-791.
35. Кателевский Е.Е., Савельев С.П., Ледник Л.Ф. и др. Еще раз про барду... // Ликероводочное производство и виноделие. 2010. №7. С. 19.
36. Васильев Д.Д. Сорбция водных растворов н-бутанола и их первапорационное разделение через мембраны из политриметилсилилпропина: автореф. дис. ... канд. техн. наук. М., 1999. 22 с.
37. Селинская Я.А. Первапорационное выделение этанола и бутанола из водных растворов и ферментационных смесей с помощью мембран из политриметилсилилпропина : автореф. дис. ... канд. хим. наук. М., 2001. 26 с.
38. Быков И.Г. Разработка процесса разделения азеотропных водно-спиртовых смесей испарением через мембрану : автореф. дис. ... канд. техн. наук. М., 1994. 16 с.
39. Leland M Vane. A review of pervaporation for product recovery from biomass fermentation processes // J. Chem. Tech. and Biotech. 2005. V. 80. Pp. 603-629.
40. Шарикова Т.Г. Моделирование и оптимизация технологической схемы процесса первапорации на примере разделения водных смесей спиртов С2-С4: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Барнаул, 1999. 21 с.
41. Gapes J.R., Nimcevic D. and Friedl A. Long-term continuous cultivation of Clostridium beijerinckii in a two-stage chemostat with on-line solvent removal // Appl. and Environmental Microbiol. 1996. Sept. Pр. 3210-3219.
42. Gend Q., Park C.H. Pervaporative butanol fermentation by Clostridium acetobutylicum B18 // Biotechnol. Bioeng. 1994. V. 43. Pp. 978-986.
43. Matsumura M., Kataoke B., Sueki M. and Arabi K. Energy saving effect of pervaporation using oluyl alcohol liguid membrane in butanol purification // Bioproc. Eng. 1998. V. 3. Pp. 93-100.
Поступило в редакцию 29 сентября 2010 г.
После переработки 11 октября 2010 г.
