從稀水溶液回收高級醇的製作方法

2023-05-19 23:29:01 2

專利名稱：從稀水溶液回收高級醇的製作方法
技術領域：
本申請一般性地涉及從稀水溶液(dilute aqueous solutions)如發酵肉湯 (fermentation borths)中回收 C3-C6 醇的方法。
背景技術：
生物燃料具有很長的歷史，可追溯至20世紀初。早在1900年，RudolfDiesel在法國巴黎的世博會上展示了靠花生油運轉的發動機。其後不久，Henry R)rd展示了他的靠源自玉米的乙醇運轉的Model Τ。在20世紀30年代和40年代，源自石油的燃料由於低成本供給增加和效率增加而代替了生物燃料。市場在20世紀七十年代由於阿拉伯石油禁運和伊朗革命而波動，伴隨著美國石油生產的降低導致原油價格上升，對生物燃料的興趣復興。而今，許多感興趣的組織(包括決策者，工業設計者，意識到的公民和金融界)都對用源自生物質(biomass)的生物燃料代替源自石油的燃料感興趣。開發生物燃料的一種最主要的動機是經濟方面的，即，「峰油 (peak oil)」(原油的消耗速率超過供應速率，從而導致燃料成本顯著增加的點)的威脅導致對可供選擇的燃料的需求增加。目前，生物燃料往往使用局部農業來源在許多相對小的設備中生產，並且被視作提供穩定和安全的燃料供應，其不受與石油相關的地區問題影響。同時，生物燃料能夠提高國家經濟的農業比重。另外，由於燃料的化石來源(fossil sources)花費數億年再生和它們的使用增加了大氣中的二氧化碳水平，導致氣候變化憂慮，所以持續(sustainability) 是重要的社會和倫理驅動力，其正在開始導致政府管制和政策，例如汽車二氧化碳排放的上限、二氧化碳排放的賦稅和對於使用生物燃料的稅收刺激。生物燃料的接受性(acceptance)主要取決於當與源自石油的燃料比較時生物燃料的經濟競爭力。在成本方面不能與源自石油的燃料競爭的生物燃料將限於特殊的應用 (specialty applications)和狹縫市場(niche markets)。當今，生物燃料的使用限於乙醇和生物柴油。目前，乙醇通過發酵製備，在美國用玉米，在巴西用甘蔗，以及在世界範圍內用其它穀物。如果原油保持在每桶50美元以上，則乙醇可與源自石油的汽油競爭，補貼或賦稅益處除外。當原油超過$60/桶時，生物柴油可與基於石油的柴油競爭(Nexant Chem Systems，2006， Final Report， Liquid Biofuels -Substituting for Petroleum， White Plains，New York)。數個因素影響基於碳水化合物的生物燃料來源的核心操作成本。除了含碳的，植物製造原料的成本之外，對於乙醇或其它潛在的基於醇的生物燃料如丁醇，在產品經濟成本中的主要因素是從水流(aqueous streams)回收和純化生物燃料。已經開發了許多技術手段，用於從水基發酵培養基經濟地除去醇。當今使用最廣泛的回收技術使用蒸餾和分子篩乾燥來生產乙醇。例如，通過基於梭菌的丙酮-丁醇-乙醇發酵進行的丁醇生產也依靠蒸餾回收和純化產品。從水溶液蒸餾需要消耗大量能量。對於乙醇，需要另外的加工設備以破壞乙醇/水共沸混合物。這種設備，分子篩，也使用大量能量。
已經研究了許多單元操作用於回收和純化發酵生產的醇，包括過濾、液/液萃取、 膜分離(例如，切向流過濾、滲透蒸發和滲透萃取(perstraction))、氣提和溶液的"鹽析"、吸附和吸收。取決於產品的回收情況和產品的物理和化學性質以及它所駐留的基體， 每種手段均具有優點和缺點。可以將控制生物燃料生產成本的變量的特點在於影響操作成本、資本成本或者操作成本和資本成本的變量。通常，控制發酵經濟性能的主要變量包括目標產物的碳水化合物收率(carbohydrate yield to desired product)、產口口口濃度禾口容禾只生產率(volumetric productivity)。所有三個主要變量(收率、產品濃度和容積生產率)均既影響資本成本， 又影響操作成本。當基於發酵碳水化合物的產品收率增加時，對於給定的生產單元，生產成本相對於原料成本線性地減少。基於碳水化合物的產品收率也影響設備尺寸、資本支出、設施 (utilities)消耗量和原料製備材料(feed stock preparation materials)如酶、礦物、養料(維生素)和水。例如，在理論上，由葡萄糖生成丁醇的產率從50%增加至90%，這導致直接操作成本減少44 %。此外，90 %的提高收率減少了處理和加工的原料量。增加的收率直接減少了生產設施所需要的資本投資，這是因為從碳水化合物製備至純化和回收的所有設備均減小了尺寸。如果收率從50%增加至90%，則設備、管道和設施需求可降低32%。產品收率對生產成本的直接影響使它成為影響生物燃料的成本和市場可行性的主要因素。提高產品收率的一種手段涉及遺傳工程微生物(Genetically Engineered Microorganisms) (GEM)，可以構造所述遺傳工程微生物以操縱生物的代謝途徑，從而減少或消除不希望的產物，增加希望的代謝物的效率或既減少或消除不希望的產物又增加希望的代謝物的效率。 這容許去掉低價值產物(low cost product)和不希望的產物中的一種或兩種，從而增加希望的產物的生產。例如，美國專利申請公開文本20050089979披露了利用拜氏梭菌微生物 (Clostridium beijerinckii microorganism)的發酵方法，該方法產生含 5. 3g/L 丙酮、 11. 8g/L 丁醇和5g/L乙醇的產物混合物。適當修飾的遺傳工程微生物消除了丙酮和乙醇產物，同時提高了碳水化合物向丁醇的轉化率。將碳水化合物原料(feedstock)的產物從乙醇和丙酮轉向丁醇使丁醇產量從11.8g/L提高至18. 9g/L，丁醇產量相對於碳水化合物消耗提高了 60%。因為需要較少的設備來完成回收和純化，所以乙醇和丙酮副產物的消除也使資本成本降低。生物化學工具(包括遺傳工程和傳統菌株發展)的應用也能夠影響最終產物濃度 (g/L)和生物催化劑發酵容積生產率(g/L-hr)。最終產物濃度和容積生產率影響產品經濟的幾個方面，包括設備尺寸、原料使用和設施成本。當在發酵中可容許的產物濃度增加時， 水溶液的回收體積將降低，這導致減少的資本成本和在生產設施中處理較小體積的材料。容積生產率直接影響實現相同的產物生產量所需要的發酵器容積。例如，常規的拜季林斯基梭菌(Clostridium beijerinckii)丙酮-丁醇-乙醇(ABE)發酵生成成比例的丙酮、丁醇和乙醇。遺傳工程微生物容許設計生產單一產物，例如正丁醇、異丁醇或 2-丁醇(Donaldson 等人，美國專利申請 11/586,315)。丁醇耐受宿主(Butanol tolerant hosts)可以通過使用識別技術識別和強化丁醇耐受性(-Bramucci等人，美國專利申請 11/743，220)。然後可以將這兩種技術組合起來，從而以商業上的相對濃度和容積生產率生成丁醇。利用GEM來增加產物容積生產率和濃度可以強烈影響產品經濟。例如，對於大型工業化的生物燃料發酵設施，以兩倍的容積生產率完成的丁醇發酵將減少發酵器成本將近 50%。發酵器資本成本和尺寸的降低減少了設施的折舊和操作成本。類似地，如果GEM得到了可耐受較高丁醇濃度的生物體，則對於給定的生產體積，操作和資本成本將降低。例如，如果野生型菌株能夠耐受20g/L 丁醇和相應的基因改善或基因強化的微生物耐受40g/ L 丁醇，則在下遊回收和純化設備中處理的發酵器的發酵肉湯體積中的水負荷量降低一半。 在該實例中，在發酵肉湯中產物濃度的加倍幾乎將在回收單元操作中回收和處理的水量減半。大量的較小价值組分也影響生物燃料生產的操作和資本成本。能夠影響發酵的示例性因素包括但不限於化學添加劑，PH控制、表面活性劑和汙染是所述因素中的一些，但是許多另外的因素也能夠影響發酵產物成本。

發明內容
本發明描述了從稀水溶液諸如發酵肉湯回收C3-C6醇的方法、相關體系以及方法。在一個實施方案中，本發明提供了從包含微生物、氣體和C3-C6醇的發酵培養基回收C3-C6醇的方法，包括從所述發酵培養基除去至少部分所述氣體；將所述C3-C6醇在部分發酵培養基中的活度提高到至少為所述C3-C6醇在所述部分中達到飽和時的活度，或者將水在部分發酵培養基中的活度降低到至少為所述C3-C6醇在所述部分中達到飽和時的活度；從所述部分發酵培養基形成C3-C6醇富集液相和水富集液相；以及使所述C3-C6醇富集相與所述水富集相分離。所述方法還可包括在發酵培養基中培養微生物以產生C3-C6醇和氣體；以及將至少部分水富集相引導至所述發酵培養基中。所述方法還可包括將包含多糖和至少一種其它化合物的原料水解以產生可發酵的水解產物；使至少部分可發酵的水解產物在發酵培養基中發酵以產生C3-C6醇和氣體， 其中所述發酵培養基還包含至少一種不發酵的化合物；以及使所述至少一種不發酵的化合物與所述發酵培養基、或者與所述水富集相或者與所述發酵培養基和水富集相分離。在另一個實施方案中，本發明提供了由在包含微生物、氣體和C3-C6醇的發酵培養基中的C3-C6醇產生產物的方法，包括從所述發酵培養基除去至少部分所述氣體；從所述發酵培養基蒸餾包含水和C3-C6醇的蒸氣相；使蒸氣相中的所述C3-C6醇反應以形成產物。所述方法還包括在發酵培養基中培養微生物以產生C3-C6醇和氣體；以及將至少部分水富集液相引導至所述發酵培養基中；其中提高所述C3-C6醇的活度或者降低水的活度的步驟還包括蒸餾所述部分發酵培養基以產生液相和包含水和C3-C6醇的蒸氣相。在另一個實施方案中，本發明提供了從包含第一含量的C3-C6醇和氣體的稀水溶液回收C3-C6醇的方法，包括從所述稀水溶液除去至少部分所述氣體；蒸餾部分稀水溶液以得到包含C3-C6醇和水的蒸氣相，其中所述蒸氣相包含來自所述部分稀水溶液的第一含量的C3-C6醇，所述第一含量的C3-C6醇按重量計在約和約45%之間；以及凝結所述蒸氣相。在另一個實施方案中，本發明提供了操作改造的乙醇生產裝置以產生C3-C6醇的方法，所述改造的乙醇生產裝置包括預處理單元、多重發酵單元和發酵醪蒸餾器，所述方法包括在所述預處理單元中預處理原料以形成可發酵糖；在第一發酵單元中在包含所述可發酵糖的發酵培養基中培養微生物以產生C3-C6醇；從所述發酵培養基除去至少部分所述氣體；處理包含所述C3-C6醇的部分發酵培養基以除去部分C3-C6醇；將處理過的部分發酵培養基返至所述第一發酵單元中；以及將所述發酵培養基從所述第一發酵單元轉移至所述發酵醪蒸餾器中。在一些實施方案中，所述氣體中的一種為二氧化碳且在各個實施方案中，至少約 30 %、至少約35 %、至少約40 %、至少約45 %、至少約50 %、至少約55 %、至少約60 %、至少約65 %、至少約70 %、至少約75 %、至少約80 %、至少約85 %、至少約90 %或者至少約95 % 的二氧化碳在從稀水溶液或者發酵肉湯除去至少部分氣體的步驟中除去。所述方法還可在除去步驟中包括選自加熱、降低壓力至低於大氣壓、吸附以及它們的組合的步驟。所述方法還可在除去步驟中包括降低壓力至約Ipsia和約IOpsia之間的壓力，或者降低壓力至約2psia至約5psia之間的壓力。所述方法還可包括將所述除去的二氧化碳引導至發酵單元用於pH控制，排出二氧化碳或者它們的組合。所述方法還可包括處理所述氣體以除去所述C3-C6醇和排出所述氣體。所述方法還可包括從所述發酵培養基或者稀水溶液中除去至少一種雜質。所述雜質可包括乙醇、乙酸、丙醇、苯基乙醇或者異戊醇。在另一個實施方案中，本發明提供了提高C3-C6醇在水溶液中的濃度的方法，包括將包含所述C3-C6醇的水溶液的第一流體引入至容器；使包含所述C3-C6醇的所述水溶液的第一流體經歷減壓以形成包含所述C3-C6醇的蒸氣；使包含所述C3-C6醇的所述蒸氣與包含所述C3-C6醇的溶液接觸以形成包含C3-C6醇的凝結蒸氣的凝結物，其中C3-C6醇在凝結物中的濃度大於C3-C6醇在所述水溶液的第一流體中的濃度。在另一個實施方案中，本發明提供了從包含微生物和C3-C6醇的發酵培養基回收 C3-C6醇的方法，包括將C3-C6醇在部分發酵培養基中的活度提高到至少為所述C3-C6醇在所述部分中達到飽和時的活度以形成包含所述C3-C6醇的蒸氣，或者將水在部分發酵培養基中的活度降低到至少為所述C3-C6醇在所述部分中達到飽和時的活度以形成包含所述C3-C6醇的蒸氣；通過使包含所述C3-C6醇的所述蒸氣與包含所述C3-C6醇的溶液接觸來凝結所述C3-C6醇蒸氣；從所述凝結蒸氣形成C3-C6醇富集液相和水富集液相；以及使所述C3-C6醇富集相與所述水富集相分離。所述方法還可包括在發酵培養基中培養微生物以產生C3-C6醇；以及將至少部分水富集相引導至所述發酵培養基中。所述方法還可包括將包含多糖和至少一種其它化合物的原料水解以產生可發酵的水解產物；使至少部分可發酵的水解產物在發酵培養基中發酵以產生C3-C6醇，其中所述發酵培養基還包含至少一種不發酵的化合物；以及使至少一種不發酵的化合物與所述發酵培養基、或者與所述水富集相或者與所述發酵培養基和水富集相分離。
本發明提供了產生C3-C6醇的方法，包括在發酵培養基中培養微生物以產生 C3-C6醇；提高所述C3-C6醇在部分發酵培養基中的活度；蒸餾所述部分發酵培養基以形成液相和包含水和C3-C6醇的蒸氣相；通過使蒸氣相與包含所述C3-C6醇的溶液接觸來凝結所述蒸氣相；以及將所述液相引導至所述發酵培養基。在另一個實施方案中，本發明提供了從包含第一含量的C3-C6醇的稀水溶液回收 C3-C6醇的方法，包括蒸餾部分稀水溶液以形成包含所述C3-C6醇和水的蒸氣相，其中所述蒸氣相包含來自所述部分稀水溶液的第一含量的C3-C6醇，所述第一含量的C3-C6醇按重量計在約和約45%之間；以及通過使蒸氣相與包含所述C3-C6醇的溶液接觸來凝結所述蒸氣相。所述方法還可包括將包含所述C3-C6醇的所述溶液噴霧至包含所述C3-C6醇的所述蒸氣。在所述方法的一些實施方案中，包含所述C3-C6醇的所述溶液包含C3-C6醇的凝結物。在所述方法的一些實施方案中，在與所述C3-C6醇蒸氣接觸之前將所述凝結物冷卻。在所述方法的其它實施方案中，形成所述蒸氣或者蒸氣相的步驟以及凝結所述蒸氣或者蒸氣相的步驟在單一容器中進行。在所述方法的其它實施方案中，所述容器包括限定含有第一流體的部分和含有第二流體的部分的堰，其中所述含有第一流體的部分適於容納所述水溶液或者包含微生物和 C3-C6醇的所述發酵培養基，且所述含有第二流體的部分適於容納所述凝結蒸氣。在一些實施方案中，所述含有第一流體的部分包含用於將所述水溶液或者包含微生物和C3-C6醇的所述發酵培養基引導至所述含有第一流體的部分的管道以及用於將所述水溶液或者包含微生物和C3-C6醇的所述發酵培養基引導出所述含有第一流體的部分的管道，其中在引導出所述含有第一流體的部分的所述水溶液或者所述發酵培養基中的C3-C6醇的含量小於在引導至所述含有第一流體的部分的所述水溶液或者所述發酵培養基中的C3-C6醇的含量。在其它實施方案中，所述含有第二流體的部分包含用於將所述凝結蒸氣引導出所述含有第二流體的部分的管道。在另一個實施方案中，本發明提供了用於提高C3-C6醇在水溶液中的濃度的閃蒸罐/直接接觸凝結器體系，包括容器；用於將包含所述C3-C6醇的水溶液的流體引入至所述容器的裝置；用於使包含所述C3-C6醇的所述水溶液的流體經歷減壓以形成包含所述 C3-C6醇的蒸氣的裝置；用於使包含所述C3-C6醇的所述蒸氣與包含所述C3-C6醇的溶液接觸以形成包含C3-C6醇的凝結蒸氣的凝結物的裝置，其中C3-C6醇在凝結物中的濃度大於C3-C6醇在所述水溶液的第一流體中的濃度。在一些實施方案中，所述容器包括由堰分開的兩個含有流體的隔室或者部分，其中所述堰在所述容器底部將所述隔室或者部分隔開。在一些實施方案中，所述用於使包含所述C3-C6醇的所述水溶液的流體經歷減壓的裝置包括用於產生真空的裝置。在一些實施方案中，所述用於使包含所述C3-C6醇的所述蒸氣與包含所述C3-C6醇的溶液接觸以形成凝結物的裝置包括噴嘴。在另一個實施方案中，本發明提供了從包含微生物和C3-C6醇的發酵培養基回收 C3-C6醇的方法，包括將氣體引入至發酵培養基，其中將部分C3-C6醇轉移至所述氣體；將所述氣體從所述發酵培養基引導至回收單元；以及從所述氣體回收所述C3-C6醇。在一些實施方案中，所述方法還包括將所述C3-C6醇在部分發酵培養基中的活度提高到至少為所述C3-C6醇在所述部分中達到飽和時的活度，或者將水在部分發酵培養基中的活度降低到至少為所述C3-C6醇在所述部分中達到飽和時的活度；從所述部分發酵培養基形成C3-C6醇富集液相和水富集液相；以及使所述C3-C6醇富集相與所述水富集相分離。在一些實施方案中，所述方法還包括在發酵培養基中培養微生物以產生C3-C6 醇；以及將所述水富集相引導至所述發酵培養基。在其它實施方案中，所述方法還包括將包含多糖和至少一種其它化合物的原料水解以產生可發酵的水解產物；使至少部分可發酵的水解產物在發酵培養基中發酵以產生 C3-C6醇，其中所述發酵培養基還包含至少一種不發酵的化合物；以及使所述至少一種不發酵的化合物與所述發酵培養基、或者與所述水富集相或者與所述發酵培養基和水富集相分離。在一些實施方案中，所述方法還包括蒸餾包含水和C3-C6醇的蒸氣相；以及使蒸氣相中的所述C3-C6醇反應以形成產物。在其它實施方案中，所述方法還包括在發酵培養基中培養微生物以產生C3-C6 醇；提高所述C3-C6醇在部分發酵培養基中的活度；蒸餾所述部分發酵培養基以產生液相和包含水和C3-C6醇的蒸氣相；以及將所述液相引導至所述發酵培養基。在其它實施方案中，所述方法還包括將部分稀水溶液蒸餾為包含C3-C6醇和水的蒸氣相，其中所述蒸氣相包含來自所述部分稀水溶液的第一含量的C3-C6醇，所述第一含量的C3-C6醇按重量計在約和約45%之間；以及凝結所述蒸氣相。操作改造的乙醇生產裝置以產生C3-C6醇的方法，所述改造的乙醇生產裝置包括預處理單元、多重發酵單元和發酵醪蒸餾器，所述方法包括在所述預處理單元中預處理原料以形成可發酵糖；在發酵單元中在包含所述可發酵糖的發酵培養基中培養微生物以產生 C3-C6醇；將氣體引入至所述發酵培養基，其中將部分C3-C6醇轉移至所述氣體；將所述氣體從所述發酵培養基引導至回收單元；從所述氣體回收所述C3-C6醇；處理包含所述C3-C6 醇的部分發酵培養基以除去部分C3-C6醇；將處理過的部分發酵培養基返至所述發酵單元；以及將所述發酵培養基從所述發酵單元轉移至所述發酵醪蒸餾器。在一些實施方案中，至少約50 %、至少約60%、至少約70%、至少約80 %、至少約 85%、至少約90%或者至少約95%的所述C3-C6醇可從所述氣體回收。在一個實施方案中，本發明提供了產生C3-C6醇的方法，包括在發酵培養基中培養微生物以使所述微生物生長；在發酵培養基中培養所述微生物以產生C3-C6醇；在培養步驟中從所述發酵培養基回收所述C3-C6醇；以及在產生C3-C6醇的步驟中將包含氧氣的氣體以小於每小時每升發酵培養基約20毫摩爾的氧氣的氧轉移率(OTR)引入至所述發酵培養基。在一些實施方案中，所述引入步驟包括在產生C3-C6醇的步驟中將包含氧氣的氣體以小於每小時每升發酵培養基約10毫摩爾的氧氣的OTR引入至所述發酵培養基，以及在其它實施方案中，所述引入步驟還包括將包含氧氣的氣體以大於產生C3-C6醇所需的水平諸如在每小時每升發酵培養基約0. 5和約5毫摩爾之間的氧氣的OTR引入至所述發酵培養基。在一些實施方案中，從所述發酵培養基回收所述C3-C6醇的步驟包括以下步驟 將所述C3-C6醇在部分發酵培養基中的活度提高到至少為所述C3-C6醇在所述部分中達到飽和時的活度，或者將水在部分發酵培養基中的活度降低到至少為所述C3-C6醇在所述部分中達到飽和時的活度；從所述部分發酵培養基形成C3-C6醇富集液相和水富集液相；以及使所述C3-C6醇富集相與所述水富集相分離。在一些實施方案中，所述方法還包括以下步驟將所述水富集相引導至所述發酵
培養基。在一些實施方案中，所述方法還包括以下步驟從所述發酵培養基蒸餾包含水和 C3-C6醇的蒸氣相；以及使蒸氣相中的所述C3-C6醇反應以形成產物。在另一個實施方案中，本發明提供了產生C3-C6醇的方法，包括在發酵培養基中培養微生物以產生C3-C6醇；在產生C3-C6醇的步驟中將包含氧氣的氣體以小於每小時每升發酵培養基約20毫摩爾的氧氣的氧轉移率(OTR)引入至所述發酵培養基；提高所述 C3-C6醇在部分發酵培養基中的活度；蒸餾所述部分發酵培養基以產生液相和包含水和 C3-C6醇的蒸氣相；以及將所述液相引導至所述發酵培養基。在另一個實施方案中，本發明提供了操作改造的乙醇生產裝置以產生C3-C6醇的方法，所述改造的乙醇生產裝置包括預處理單元、多重發酵單元和發酵醪蒸餾器，所述方法包括在所述預處理單元中預處理原料以形成可發酵糖；在第一發酵單元中在包含所述可發酵糖的發酵培養基中培養微生物以使所述微生物生長；在第一發酵單元中在包含所述可發酵糖的發酵培養基中培養所述微生物以產生C3-C6醇；在產生C3-C6醇的步驟中將包含氧氣的氣體以小於每小時每升發酵培養基約20毫摩爾的氧氣的氧轉移率(OTR)引入至所述發酵培養基；處理包含所述C3-C6醇的部分發酵培養基以除去部分C3-C6醇；將處理過的部分發酵培養基返至所述發酵單元；以及將所述發酵培養基從所述發酵單元轉移至所述發酵醪蒸餾器。在所述方法的一些實施方案中，產生C3-C6醇的步驟為厭氧性的。在另一個實施方案中，本發明提供了操作用於產生並回收C3-C6醇的過程的方法，所述操作包括在小於大氣壓操作的多重單元操作，所述方法包括以下步驟在第一單元操作中將蒸汽引入至第一噴射器以產生小於大氣壓的壓力；以及在第二單元操作中將蒸汽從所述第一噴射器引導至第二噴射器以產生小於大氣壓的壓力。在一些實施方案中，所述多重單元操作包括選自下述的單元操作水再生回收、第一有效蒸發器、第二有效蒸發器、發酵醪蒸餾器、側線氣提塔和整流器。在一些實施方案中，所述第一和第二單元操作是相同的以及在其它實施方案中， 所述第一和第二單元操作是不同的。在另一個實施方案中，本發明提供了將產生C3-C6醇的微生物培養成高細胞密度的方法，包括以下步驟使所述微生物在發酵培養基中生長並在所述生長步驟中從所述發酵培養基回收所述C3-C6醇；其中所述微生物達到範圍為從約每升5g至約每升150g乾重的細胞密度。在另一個實施方案中，本發明提供了產生C3-C6醇的方法，包括以下步驟在發酵培養基中培養產生所述C3-C6醇的微生物以產生C3-C6醇並從所述發酵培養基回收所述 C3-C6醇；其中所述C3-C6醇的產生為以每升每小時至少約Ig的速率。在一些實施方案中，所述C3-C6醇的產生為以每升每小時至少約2g的速率。在一些實施方案中，所述C3-C6醇為丁醇以及在其它實施方案中，所述C3-C6醇為異丁醇。在其它實施方案中，本發明還提供了在第一溫度(Tl)從稀水溶液回收C3-C6醇的方法，包括從所述稀水溶液蒸餾包含水和C3-C6醇的蒸氣相；將所述蒸氣相在第二溫度 (T2)用冷卻的水流凝結；控制蒸餾步驟的壓力、Tl和C3-C6醇滴定率以使得所述蒸氣相的溫度為第三溫度(T3)，其中T3和T2之間的差異為至少約1°C。在一些實施方案中，所述T3和T2之間的差異為至少約5°C，以及在其它實施方案中，所述T3和T2之間的差異為至少約10°C。在一些實施方案中，T2為小於約30°C。在其它實施方案中，所述冷卻的水流在第二溫度(1 通過蒸發冷卻產生。在其它實施方案中，部分凝結蒸氣相用作為所述冷卻的水流。在一些實施方案中，所述方法還包括從所述凝結蒸氣相形成C3-C6醇富集液相和水富集液相。在一些實施方案中，所述方法還包括使所述C3-C6醇富集相與水富集相分離。在其它實施方案中，所述蒸氣相包含來自所述稀水溶液的按重量計約2%和約 40%之間的C3-C6醇。在一些實施方案中，所述蒸餾步驟為絕熱的以及在其它實施方案中，所述蒸餾步驟為等溫的。在一些實施方案中，所述稀水溶液包含含微生物的發酵培養基，所述方法還包括在發酵培養基中培養所述微生物以產生C3-C6醇；以及將所述水富集相引導至發酵培養基。


圖1表示產生和回收異丁醇的本發明實施方案。圖2表示以對預處理過的玉米同時進行糖化和發酵的方法從發酵肉湯產生和回收丁醇的本發明實施方案。圖3表示使用氣體分離器(gas scalper)從發酵肉湯產生並回收C3-C6醇的本發明實施方案。圖4表示閃蒸罐/直接接觸凝結器單元的實施方案。圖5表示使用閃蒸罐/直接接觸凝結器單元從發酵肉湯產生並回收C3-C6醇的本發明實施方案。圖6表示使用氣體氣提塔從發酵肉湯產生並回收C3-C6醇的本發明實施方案。圖7表示使用通氣(aeration)從發酵肉湯產生並回收C3-C6醇的本發明實施方案。
圖8表示使用閃蒸罐/直接接觸凝結器單元和氣體分離器從發酵肉湯產生並回收 C3-C6醇的本發明實施方案。圖9表示使用閃蒸罐/直接接觸凝結器單元和氣體氣提塔從發酵肉湯產生並回收 C3-C6醇的本發明實施方案。圖10提供了在發酵器中的異丁醇液滴定率(實心標記)與在閃蒸罐後所述液中的剩餘異丁醇滴定率(空心標記)的比較。圖11顯示了在10，000升生產發酵器中的以g/L和加侖計的有效異丁醇滴定率以及容積生產率。異丁醇由以90%理論產率的消耗的葡萄糖的量來計算。圖12表示用於通過使用兩個柱體系蒸餾來純化異丁醇的工藝流程。圖13表示使用閃蒸罐/直接接觸凝結器單元、氣體分離器和三泵迴路(three pump loop)從發酵肉湯產生並回收C3-C6醇的本發明實施方案。
具體實施例方式本發明描述了從稀水溶液諸如發酵肉湯回收C3-C6醇的方法、相關體系以及方法。相關方法包括例如在稀水溶液中的C3-C6醇產生產物的方法。本申請使用的術語C3-C6 醇是指含三個、四個、五個或者六個碳原子的醇，包括其所有的異構體，和前述任何醇的混合物。因此，所述C3-C6醇可以選自丙醇、丁醇、戊醇和己醇。更具體地，C3醇可為1-丙醇或者2-丙醇；C4醇可為1- 丁醇、2- 丁醇、叔丁醇O-甲基-2-丙醇)或者異丁醇O-甲基-1-丙醇)；C5醇可為1-戊醇、2-戊醇、3-戊醇、2-甲基-1-丁醇、3-甲基丁醇、2-甲基-2-丁醇、3-甲基-2-丁醇或者2，2-二甲基-1-丙醇；以及C6醇可為1-己醇、2-己醇、3-己醇、2-甲基-1-戊醇、3-甲基-1-戊醇、4-甲基-1-戊醇、2-甲基-2-戊醇、3-甲基-2-戊醇、4-甲基-2-戊醇、2-甲基-3-戊醇、3-甲基-3-戊醇、3，3_ 二甲基-1-丁醇、2， 2-二甲基-1-丁醇、2，3-二甲基-1-丁醇、2，3-二甲基-2-丁醇、3，3-二甲基-2-丁醇或者 2-乙基-1-丁醇。在優選的實施方案中，C3-C6醇為異丁醇O-甲基-1-丙醇)。在一些實施方案中，在稀水溶液中C3-C6醇對水的比率小於約10/90 (w/w)、小於約9/91 (w/w)、小於約 8/92 (w/w)、小於約 7/93 (w/w)、小於約 6/94 (w/w)、小於約 5/95 (w/w)、小於約 4/96 (w/w)、 小於約 3/94 (w/w)、小於約 2. 5/97. 5 (w/w)、小於約 2/98 (w/w)、小於約 1. 5/98. 5 (w/w)、小於約l/99(w/w)或者小於約0. 5/99. 5 (w/w)。本申請使用的「稀」水溶液是指所含的C3-C6醇的濃度低於所述C3-C6醇在所述溶液中的溶解度極限的溶液。濃度可以用許多不同的單位表示，例如重量或者體積百分數、摩爾濃度、質量摩爾濃度或者醇/水的w/w或者ν/ν比率。 然而，除非另外指明，本申請的濃度表示為重量百分數。在包含至少一種另外的化合物(例如溶質、溶劑、吸附劑等)的流體的情況下，本申請使用的醇重量濃度如下計算100乘以該流體中的醇重量除以在該流體中醇和水的重量之和。在一些實施方案中，本發明的方法包括以下步驟在回收C3-C6醇或者由C3-C6醇生產產物之前從發酵肉湯或者稀水溶液進行氣體分離(或者除去氣體)。氣體分離用於除去CO2和其它氣體。存在於發酵肉湯或者稀水溶液中的所述氣體可包括存在於空氣中或者在發酵過程中產生的任何氣體。所述氣體的實例包括但不限於二氧化碳、氧氣和氮氣。氣體的除去可通過採用任何已知方法來完成。例如，所述氣體可通過加熱、施用減壓並抽出 (pulling)部分真空、加入適當的吸附劑以吸附所述氣體或者這些方法的組合來除去。在優選的實施方案中，氣體分離在包含C3-C6醇的流體中在如下討論的將流體引入至閃蒸罐、 蒸餾操作或者涉及揮發所述醇的任何隨後處理之前進行。在所述隨後處理之前的氣體分離慮及許多優點。當通過使用閃蒸罐、蒸餾操作或者其它類似處理將醇從流體回收時，如果所述流體也包括一種或者多種氣體諸如二氧化碳，則在所述流體中的任何氣體將很好揮發並成為部分的所述蒸氣。氣體連同所述醇的揮發具有顯著缺點，即增加包含所述醇的蒸氣的容積。對於處理較大容積和相關能量成本的儀器和方法需求顯著地增加所述操作的成本。相反地，通過在揮發所述醇之前選擇性除去所述氣體，含有所述醇的蒸氣的容積較小且可更有效地處理。例如，在如下討論的實施方案中，其中通過使用連續的流體噴射器在閃蒸罐抽出深真空(de印vacuum)，經噴射器噴出的在閃蒸罐中的不可壓縮的氣體種類的容積由先前的氣體分離而大大降低。氣體分離可在本發明的各個實施方案諸如下述實施方案中使用。例如，在一個實施方案中，本發明包括從所述C3-C6醇的稀水溶液諸如包含微生物、氣體和C3-C6醇的發酵肉湯回收C3-C6醇的方法。所述方法包括從所述水溶液除去至少部分所述氣體以及將所述C3-C6醇在部分水溶液中的活度提高到至少為所述C3-C6醇在所述部分中達到飽和時的活度，或者類似地，將水在部分發酵培養基中的活度降低到至少為所述C3-C6醇在所述部分中達到飽和時的活度。所述方法還包括從所述部分水溶液形成 C3-C6醇富集液相和水富集液相，以及使所述C3-C6醇富集相與所述水富集相分離。該實施方案還可包括在發酵培養基中培養微生物以產生C3-C6醇和氣體，將至少部分水富集相引導至發酵培養基中，以及任選地，蒸餾部分發酵培養基以產生液相和包含水和C3-C6醇的蒸氣相。應該認識到提及將至少部分水富集相引導至所述發酵培養基中，可表示將所述水富集相本身引導至所述發酵培養基中或者更通常地，處理所述水富集相例如以由其回收更多的醇然後將一些剩餘部分水富集相引導至所述發酵培養基。例如，相比於所述發酵培養基，如果所述水富集相具有更高的醇的濃度，則將其引入至所述發酵培養基是不太可能有益的。典型地，在所述情況下，在將部分水富集相引導至所述發酵培養基之前，所述水富集餾分將進一步在諸如發酵醪蒸餾器中加工以回收更多的醇。可替換地，該實施方案可包括將包含多糖和至少一種其它化合物的原料水解以產生可發酵的水解產物；使至少部分可發酵的水解產物在發酵培養基中發酵以產生C3-C6醇和氣體，其中所述發酵培養基還包含至少一種不發酵的化合物；以及使所述不發酵的化合物與所述發酵培養基、或者與所述水富集相或者與所述發酵培養基和水富集相分離。在另一個實施方案中，本發明提供了由在包含微生物、氣體和C3-C6醇的發酵培養基中的C3-C6醇產生產物的方法。所述方法包括從所述發酵培養基除去至少部分所述氣體；從所述發酵培養基蒸餾包含水和C3-C6醇的蒸氣相；以及使蒸氣相中的所述C3-C6醇反應以形成產物。在另外的實施方案中，本發明提供了從包含第一含量的C3-C6醇和氣體的稀水溶液中回收所述C3-C6醇的方法。所述方法包括從所述稀水溶液除去至少部分所述氣體以及蒸餾部分稀水溶液以得到包含C3-C6醇和水的蒸氣相，其中所述蒸氣相包含來自所述部分稀水溶液的第一含量的C3-C6醇，所述第一含量的C3-C6醇按重量計在約和約45%之間；以及凝結所述蒸氣相。在各個可替換的實施方案中，所述蒸氣相可包含存在於所述部分稀水溶液中的按重量計約2%和約40%之間的所述C3-C6醇、按重量計約3%和按重量計約35%之間的所述C3-C6醇以及按重量計約4%和按重量計約30%之間的所述C3-C6醇以及按重量計約5%和按重量計約25%之間的所述C3-C6醇。通過控制或者限制醇在蒸餾為所述蒸氣相的所述溶液中的量，實現了許多重要的優點，例如在WO 2009/086391A2中討論，將其的全部內容引入本申請作為參考。涉及氣體分離的另外的實施方案為操作改造的乙醇生產裝置以產生C3-C6醇的方法，所述改造的乙醇生產裝置包括預處理單元、多重發酵單元和發酵醪蒸餾器。所述方法包括在所述預處理單元中預處理原料以形成可發酵糖以及在第一發酵單元中在包含所述可發酵糖和氣體的發酵培養基中培養微生物以產生C3-C6醇。所述得到還可包括從所述發酵培養基除去至少部分所述氣體，處理包含所述C3-C6醇的部分發酵培養基以除去部分 C3-C6醇，將處理過的部分發酵培養基返至所述第一發酵單元，以及將所述發酵培養基從所述第一發酵單元轉移至所述發酵醪蒸餾器。在其中使用所述氣體分離的本發明實施方案中，儘管可存在如上所述的其它氣體，但是二氧化碳為首要考慮的，這是因為其為典型地在所述發酵肉湯中溶解的氣體的最大組成部分。因此，在各個實施方案中，至少約30%、至少約35%、至少約40%、至少約 45 %、至少約50 %、至少約55 %、至少約60 %、至少約65 %、至少約70 %、至少約75 %、至少約80%、至少約85%、至少約90%或者至少約95%的二氧化碳在從稀水溶液或者發酵肉湯除去至少部分氣體的步驟中除去。如上所述，氣體除去(或者分離)可通過任何適當的方法來完成，諸如加熱所述水流以揮發所述氣體、降低對流體的壓力為低於大氣壓以揮發所述氣體、從所述水流吸附所述氣體以及它們的組合。在其中所述除去步驟包括加熱所述水流以揮發所述氣體的實施方案中，適當的揮發溫度取決於對所述流體的壓力，以及待除去的具體的一種或者多種氣體和使所述醇保留在溶液中而不揮發的溫度。更具體地，適當的溫度可為約20°c和約95°C之間、約25°C和約55°C之間或者約30°C和約50°C之間。在其中所述除去步驟包括降低壓力以揮發所述氣體的實施方案中，所述壓力可降低為約Ipsia和約IOpsia之間、約Ipsia和約8psia之間、約3psia和約IOpsia之間或者約2psia和約5psia之間的壓力。一旦除去，所述分離的氣體(包含二氧化碳或者其它氣體)可被排除或者整合至總體過程。例如，在其中所述氣體為二氧化碳或者包括二氧化碳的情況下，所述二氧化碳可引導至發酵單元用於PH控制。可替換地，可壓縮二氧化碳以製備乾冰。此外，所述除去的氣體也可包括連同所述氣體揮發的一定量的C3-C6醇，即使大部分C3-C6醇意在保留在所述水流中。在所述情況下，可處理所述除去的氣體以從所述氣體除去所述C3-C6醇。例如， 可通過使用水洗塔、增壓和凝結或者吸附(例如用炭吸附)來回收C3-C6醇。所述發酵肉湯或者稀水溶液除了含有C3-C6醇以及一種或者多種氣體之外，還可含有其它雜質。因此，在一些實施方案中，所述方法還包括從所述發酵培養基或者稀水溶液中除去至少一種雜質。術語「雜質」是指除了水和待純化的醇以外的任何化合物。術語雜質包括發酵方法的任何量或者不希望的量的任何副產物或者共生物，即，與醇的生產相關， 除醇以外的產物。在一些實施方案中，所述雜質可選自乙醇、乙酸、丙醇、苯基乙醇、異戊醇或者這些雜質的組合。除去雜質可通過任何適當的方法來完成，諸如加熱所述水流以揮發所述雜質、降低對流體的壓力至低於大氣壓以揮發所述雜質或者這些方法的組合。在其中所述除去步驟包括加熱所述水流以揮發所述雜質的實施方案中，適當的揮發溫度取決於對所述流體的壓力，以及待除去的具體的一種或者多種雜質以及使所述醇保留在溶液中而不揮發的溫度。更具體地，適當的溫度可為約20°C和約95°C之間、約25°C和約55°C之間或者約30°C和約50°C之間。在其中所述除去步驟包括降低壓力以揮發所述雜質的實施方案中，所述壓力可降低至約Ipsia和約IOpsia之間、約Ipsia和約8psia之間、約3psia和約 IOpsia之間或者約2psia和約5psia之間的壓力。本申請提及的純化或者除去雜質是指增加產物和另外的化合物(除了水)之間的比率。除去雜質在提高醇的活度、降低水的活度或者蒸餾回收的所述醇之前有益地發生。除去所述雜質可在其中除去所述氣體的相同的操作過程中或者在所述操作之後進行。 在使用提高的溫度、減壓或者它們的組合的情況下，典型地首先除去氣體諸如二氧化碳和氮氣。取決於所述雜質和醇產物的相對揮發度，接下來除去所述雜質，即在所述氣體排出之後但在任何顯著除去所述C3-C6醇發生之前進行。相對揮發度為活度係數、分子濃度和蒸氣壓力飽和度的函數。可在該步驟中，一些C3-C6醇連同雜質一起消失。然而，可能的是從該流體回收所述C3-C6醇。在隨後處理回收的醇產物之前除去雜質慮及許多優點。當通過使用閃蒸罐、蒸餾操作或者其它類似的處理來將醇從流體回收時，如果所述流體也包括與所述醇蒸發的可揮發雜質諸如乙酸，則在所述流體中的任何所述雜質將很好地揮發並成為部分所述蒸氣。連同所述醇的雜質的揮發具有增加包含所述醇的蒸氣的容積的顯著缺點。對於處理較大容積和相關能量成本的儀器和方法需求顯著地增加所述操作的成本。相反地，通過在揮發所述醇之前選擇性除去所述雜質，含有所述醇的蒸氣的容積較小且可更有效地處理。參看圖3，顯示了示例說明使用分離的本發明實施方案。發酵在發酵器60中進行。 發酵器60中的發酵肉湯包括C3-C6醇產物以及其它發酵培養基組分。在發酵過程中，包含微生物的發酵肉湯的流體從所述發酵器60經62引導至分離罐70。分離器可在約1至約 IOpsia的壓力操作。在這些條件下，首要的是當所述C3-C6醇保留在發酵肉湯中時，溶解的氣體從所述發酵肉湯除去。由於所述溶解的氣體在閃蒸(flash)之前除去，它們不構成閃蒸氣流量(flash vapor traffic)的一部分且因此不用C3-C6醇回收體系進行處理。從所述分離罐除去氣體通過由真空泵72抽出部分真空經68傳遞至排出流體80來完成。繁殖罐74將原始培養物經64引導至發酵器60。在分離罐從所述發酵肉湯除去氣體後，再將所述發酵肉湯經66引導至閃蒸罐78以用於蒸餾。所述發酵熱量可部分提供在閃蒸體系中發酵所需的熱量。所述閃蒸罐78保持在低於大氣壓的環境由此在將脫氣的發酵肉湯引入閃蒸罐78時，部分發酵肉湯得到蒸發。所述部分蒸發的發酵肉湯僅包括在發酵肉湯中的部分醇以及水蒸氣。在閃蒸罐78中蒸餾後，未蒸餾的剩餘部分發酵肉湯經94和泵96返至發酵器60。返至發酵器的所述發酵肉湯目前部分耗盡所述醇。在閃蒸罐78中蒸發的部分發酵肉湯作為蒸氣經82引導至蒸氣凝結器84。在將混合醇和水蒸氣凝結後，所述凝結溶液經 86引導至液-液分離器88。然後進一步將未凝結的剩餘蒸氣經90和92引導至出口。在一些實施方案中，本發明的方法涉及提高C3-C6醇在水溶液中的濃度、從發酵培養基或者稀水溶液回收C3-C6醇或者產生C3-C6醇，所述產生C3-C6醇包括形成含有 C3-C6醇的蒸氣相以及使所述蒸氣與包含所述C3-C6醇的溶液接觸以凝結所述蒸氣相。所述方法的顯著優點為通過使蒸氣與凝結溶液(與在殼管式凝結器中間接接觸相比)直接接觸，所述蒸氣和凝結溶液之間的溫度差異可為相對小的且仍然有效地凝結所述蒸氣。因此，用於冷卻所述凝結溶液的能量需求較小，這導致更多的能量有效方法。所述方法的另外的顯著優點(特別是當所述凝結溶液的C3-C6醇含量與凝結時所述蒸氣的含量大致相同時) 為所述凝結溶液和凝結蒸氣可混合而不顯著降低二者中任一個的醇含量。在這些實施方案中，所述水溶液可經歷減壓和/或者升高的溫度以揮發所述醇並形成蒸氣。例如，所述水溶液可在引導至閃蒸罐之前例如通過採用熱交換器進行加熱，或者可在閃蒸罐內例如通過採用加熱線圈進行加熱。例如，在一個實施方案中，本發明提供了提高C3-C6醇在水溶液中的濃度的方法。 該方法包括將包含所述C3-C6醇的水溶液的第一流體引入至容器；使所述第一流體經歷減壓以形成包含所述C3-C6醇的蒸氣；使所述蒸氣與包含所述C3-C6醇的溶液接觸以形成凝結物，其中C3-C6醇在凝結物中的濃度大於C3-C6醇在所述水溶液的第一流體中的濃度。在另一個實施方案中，本發明提供了從包含微生物和C3-C6醇的發酵培養基回收 C3-C6醇的方法。該方法包括將C3-C6醇在部分發酵培養基中的活度提高到至少為所述 C3-C6醇在所述部分中達到飽和時的活度以形成包含所述C3-C6醇的蒸氣，或者將水在部分發酵培養基中的活度降低到至少為所述C3-C6醇在所述部分中達到飽和時的活度以形成包含所述C3-C6醇的蒸氣。通過使包含所述C3-C6醇的所述蒸氣與包含所述C3-C6醇的溶液接觸來凝結所述C3-C6醇蒸氣。從所述凝結蒸氣形成C3-C6醇富集液相和水富集液相，且所述方法進一步包括使所述C3-C6醇富集相與所述水富集相分離。該方法可進一步包括在發酵培養基中培養微生物以產生C3-C6醇；以及將至少部分水富集相引導至發酵培養基。慮及涉及發酵過程的其它實施方案，諸如進一步包括水解含有多糖的原料的步驟的實施方案，其在本申請其它部分有述。在另外的實施方案中，本發明提供了通過在發酵培養基中培養微生物產生C3-C6 醇的方法。該方法進一步包括提高C3-C6醇在部分發酵培養基中的活度以及蒸餾所述部分發酵培養基以形成包含水和C3-C6醇的蒸氣相以及液相。所述蒸氣相通過使其與含有 C3-C6醇的溶液接觸、並將所述液相弓I導至發酵培養基來凝結。包括使蒸氣與包含所述C3-C6醇的溶液接觸以凝結所述蒸氣相的另外的實施方案為從含有第一含量的C3-C6醇的稀水溶液回收C3-C6醇的方法，其通過蒸餾部分稀水溶液以形成C3-C6醇和水的蒸氣相來完成，其中所述蒸氣相包含來自所述部分稀水溶液的第一含量的C3-C6醇，所述第一含量的C3-C6醇按重量計在約和約45%之間。該方法進一步包括通過與含有C3-C6醇的溶液接觸來凝結所述蒸氣相。在包括形成含有C3-C6醇的蒸氣相以及使所述蒸氣與包含所述C3-C6醇的溶液接觸的本發明的實施方案中，所述接觸步驟可包括將含有C3-C6醇的溶液噴霧至含有C3-C6 醇的所述蒸氣。在其它實施方案中，含有C3-C6醇的所述溶液可為來自所述蒸氣相的C3-C6 醇的凝結物或者可包括所述凝結物。也就是說，當所述蒸氣凝結以形成溶液時，所述溶液部分可用作為包含C3-C6醇的所述溶液以凝結額外的蒸氣。按照該方式，C3-C6醇在所述溶液中的濃度以及在凝結蒸氣中的濃度如果不相同則為相似的且無需考慮到降低C3-C6醇的濃度。在其中使所述蒸氣與含有C3-C6醇的溶液接觸的實施方案中，所述溶液包括來自所述蒸氣相的C3-C6醇的凝結物，所述溶液可在與所述C3-C6醇蒸氣接觸之前冷卻。可使用任何常規冷卻方法冷卻所述凝結物，例如，使用熱交換器。可使用諸如冷凍或者如下討論的蒸發冷卻的方法冷卻在所述熱交換器中使用的任何冷卻流體。形成所述蒸氣或者蒸氣相的步驟以及凝結所述蒸氣或者蒸氣相的步驟在單一容器中進行。所述容器可包括限定含有第一和第二流體的所述容器部分的堰(在所述容器底部分隔隔室或者部分的局部屏障)。所述兩個含有流體的隔室或者部分在所述容器頂部打開且彼此相通，這保持了流體的分開而允許蒸氣的移動。在該實施方案中，所述含有第一流體的部分將容納所述水溶液或者包含微生物和C3-C6醇的發酵培養基，以及所述含有第二流體的部分將容納所述凝結蒸氣。在一些實施方案中，所述含有第一流體的容器部分包括用於將所述水溶液或者包含微生物和C3-C6醇的所述發酵培養基引導至所述含有第一流體的部分的管道以及用於將所述水溶液或者包含微生物和C3-C6醇的所述發酵培養基引導出所述含有第一流體的部分的管道。在引導出所述含有第一流體的部分的所述水溶液或者所述發酵培養基中的 C3-C6醇的含量小於在引導至所述含有第一流體的部分的所述水溶液或者所述發酵培養基中的C3-C6醇的含量。在其它實施方案中，所述含有第二流體的部分包括用於將所述凝結蒸氣引導出所述含有第二流體的部分的管道。包括形成含有C3-C6醇的蒸氣相以及使所述蒸氣與包含所述C3-C6醇的溶液接觸以凝結所述蒸氣相的本發明另外的實施方案為在第一溫度(Tl)從稀水溶液回收C3-C6醇的方法，其包括從所述稀水溶液蒸餾包含水和C3-C6醇的蒸氣相。所述方法還包括將所述蒸氣相在第二溫度0 用冷卻的水流凝結以及控制蒸餾步驟的壓力、Tl和C3-C6醇滴定率以使得所述蒸氣相的溫度為第三溫度(T3)，其中T3和T2之間的差異為至少約1°C。在該方法的一些實施方案中，所述T3和T2之間的差異為至少約2°C、約3°C、約4°C、約5°C、 約 6°C、約 7°C、約 8°C、約 9°C、約 10°C、約 11°C、約 12°C、約 13°C、約 14°C或者約 15°C。在其它實施方案中，T2為小於約30 V、約四V、約觀°C、約27 °C、約沈°C、約25 °C、約M V、約 23°C、約 22°C、約 21°C、約 20°C。在該方法的其它實施方案中，所述冷卻的水流在第二溫度(1 通過蒸發冷卻產生。本申請提及通過蒸發冷卻產生是指所討論的流體溫度已經由蒸發冷卻過程改變或者受到影響。例如，在該實施方案中，所述通過蒸發冷卻產生的冷卻的水流可指作例如通過熱交換器冷卻的流體，其中冷卻所述冷卻的水流的流體本身通過蒸發冷卻進行冷卻。蒸發冷卻是指通過採用部分液體蒸發的潛熱來降低流體的溫度。該方法的顯著優點通過使用由蒸發冷卻產生的冷卻的水流來完成。更具體地，蒸發冷卻的用途(相對於例如使用壓縮機的冷卻器進行冷卻)是蒸發冷卻為顯著地更加能量有效的(more energy efficient)。通過控制蒸餾步驟的壓力、Tl和C3-C6醇滴定率以至於所述蒸氣相的溫度為使得所述蒸氣相可與通過蒸發冷卻產生的所述冷卻的水流在T2凝結的溫度，所述方法相比於當所述冷卻的水流通過更加能量密集方法(more energy intensive process)產生時來說更加能量有效的。在該方法的其它實施方案中，部分凝結蒸氣相可用作為所述冷卻的水流。此外，該方法還可包括回收步驟。具體地，C3-C6醇富集液相和水富集液相可從所述凝結蒸氣相形成。然後可分離所述C3-C6醇富集相和水富集相。而且，所述蒸餾步驟可為絕熱的或者等溫的。此外，在一些實施方案中，所述蒸氣相包含來自所述稀水溶液的按重量計約2%和約 40%之間的C3-C6醇，特別是在絕熱蒸餾的情況下。此外，在其它實施方案中，所述蒸氣相包含來自所述稀水溶液的按重量計約2%和按重量計約90%之間的C3-C6醇，特別是在等溫蒸餾的情況下。所述稀水溶液可為包含微生物的發酵培養基，且所述方法可包括在發酵培養基中培養所述微生物以產生C3-C6醇；以及將所述水富集相引導至所述發酵培養基。本發明的另外實施方案包括具有作為蒸氣的閃蒸罐和直接接觸凝結器的雙重功能的體系，其在提高C3-C6醇在水溶液中的濃度中起作用。所述體系包括容器。這些功能的組合允許形成足以閃蒸含有C3-C6醇的流體並回收醇的深真空而降低資本和操作成本。為了確保與分開的閃蒸罐和直接接觸凝結器相似的壓降(pressure drop)，需要涉及顯著開支的相對大的連接管道。因此，由於避免對大的連接基礎設施的需求而減少資本。具體地， 用於提高C3-C6醇在水溶液中的濃度的閃蒸罐/直接接觸凝結器體系的一個實施方案包括容器；用於將包含所述C3-C6醇的水溶液的流體引入至所述容器的管道或者其它輸送工具；用於使包含所述C3-C6醇的所述水溶液的流體經歷減壓以形成包含所述C3-C6醇的蒸氣的管道或者其它輸送工具；用於使包含所述C3-C6醇的所述蒸氣與包含所述C3-C6醇的溶液接觸以形成包含C3-C6醇的凝結蒸氣的凝結物的管道或者其它輸送工具，其中C3-C6 醇在凝結物中的濃度大於C3-C6醇在所述水溶液的第一流體中的濃度。閃蒸罐真空蒸發操作就真空壓降而言具有更少工程憂慮(engineering concerns)，這是因為閃蒸罐充當單級分離，在閃蒸罐上沒有影響體系的壓降的多級液體， 以及在整個閃蒸罐操作過程中的壓差可以非常低。可以適當地選擇對閃蒸罐中的蒸氣產生和管道體系的尺寸的設計計算，以實現低壓降。與蒸餾塔相比，在閃蒸罐中蒸餾C3-C6醇需要較小的真空度，因此，只要設備尺寸較小且結構較簡單，閃蒸罐具有較低的操作成本和資本成本。在包括閃蒸含有C3-C6醇的溶液的步驟的本發明的任意實施方案中，所述閃蒸可絕熱或者等溫完成。如上所述，來自閃蒸操作的所述蒸氣相可包括來自稀水溶液的按重量計約2%和按重量計約40%的所述C3-C6醇，特別是在絕熱蒸餾的情況下。此外，在其它實施方案中，所述蒸氣相可包括來自稀水溶液的按重量計約2%和按重量計約90%的所述 C3-C6醇，特別是在等溫蒸餾的情況下。絕熱閃蒸的使用具有如下優點用於進行所述過程的裝置為簡單的且因此具有相對低的資本。然而，可在這些條件下除去的C3-C6醇的量相比於使用等溫方法的量而言在實際上受到限制。因此，為了滿足從所述發酵器除去醇的需求，絕熱操作的達到/來自閃蒸罐的流速(且因此所述發酵器的周轉率(turnover rate) 表示為1/hr)可顯著地大於等溫操作的閃蒸罐的流速。因此，閃蒸罐的等溫操作具有允許閃蒸罐和發酵器之間的較低流速的顯著優點，這導致使用較小且更標準的裝置的能力。在包括閃蒸操作的本發明的實施方案中，所述周轉率可在約0.033/hr和約1/hr 之間或者約0. 125/hr和約0. 25/hr之間。在包括閃蒸操作且特別是等溫閃蒸操作的本發明實施方案中，所述周轉率可在約0. 033/hr和約0. 33/hr或者約0. 04/hr和約0. 25/hr之間。在包括閃蒸操作且特別是絕熱閃蒸操作的本發明實施方案中，所述周轉率可在約0. 25/ hr和約Ι/hr或者約0. 25/hr和約0. 5/hr之間。應該認識到通過這些周轉率表示的達到/ 來自閃蒸罐的流速取決於所述發酵器的容積。等溫閃蒸的另外優點是由於其在恆溫操作，所述醇在所述蒸氣中的量大於在絕熱操作中的量(其中在閃蒸過程中溫度降低)。因此，當所述蒸氣凝結時，所述凝結物在醇中更加富集且在所述醇回收時將處理較少的水。
閃蒸罐/直接接觸凝結器單元的實施方案在圖4中顯示。如圖顯示，所述單元包括含有兩個含有流體的隔室106、108或者部分的容器100，所述隔室或者部分由堰或者局部屏障分開，所述堰或者局部屏障在所述容器100底部隔開隔室106、108或者部分。因此， 兩個含有流體的隔室106、108或者部分在所述容器100頂部打開且彼此相通，這保持了流體分開而允許蒸氣移動。所述閃蒸罐/直接接觸凝結器單元適於產生真空，諸如使用機械真空裝置或者噴射器真空裝置，以使得可揮發C3-C6醇。經104和泵102左側部分或者含有第一流體的部分106適於容納含有C3-C6醇的稀水溶液。所述溶液可為含有微生物和所述C3-C6醇的發酵肉湯。由此，該部分可包括兩個管道，其中一個用於將稀水溶液的流體經 104和泵102引入至該部分106，例如管道或者管，且另外一個用於在閃蒸和揮發所述C3-C6 醇後將所述溶液(部分耗盡醇)經110和泵112引導出該部分。右側部分或者含有第二流體的部分108適於容納用於凝結蒸氣的包含所述C3-C6醇的溶液118。儘管該溶液可包含水或者任意C3-C6醇，在優選的實施方案中其包含待產生和/或者回收的相同的C3-C6醇。 所述第二部分108也包括兩個管道，其中一個用於將包含所述C3-C6醇的所述溶液引入至該部分116且另一個用於將凝結蒸氣引導出該部分114，例如，達到液-液分離器111。可通過採用噴霧機構109諸如噴嘴、噴球或者其它適於凝結包含C3-C6醇的蒸氣的機構引入所述溶液。閃蒸罐/直接接觸凝結器單元100的具體實施方案在圖5中顯示。在該實施方案中，將來自發酵器的包含微生物和C3-C6醇的發酵肉湯的流體經104和泵102引入至左側單元或者第一部分閃蒸罐/直接接觸凝結器單元106。使所述發酵肉湯經歷低壓以形成包含所述C3-C6醇的蒸氣將部分發酵肉湯進行閃蒸。所述低壓通過蒸汽噴射器109產生。 通過噴射器136抽出的所述流體133可進行進一步加工並回收對發酵醪蒸餾器或者蒸發器138有價值的醇。將剩餘的發酵肉湯經110和泵112返至所述發酵器；並且在返回發酵肉湯的過程中，所述C3-C6醇的含量小於在所述發酵肉湯的原始流體中的含量。包含所述 C3-C6醇的所述蒸氣與溶液在所述單元的右側部分或者第二部分108接觸以凝結所述蒸氣以形成包含所述C3-C6醇(所述凝結物)的溶液。所述C3-C6醇在凝結物中的含量大於在所述發酵肉湯的原始流體中的含量。所述凝結物可經114引導至液-液分離器111以進一步回收和加工。所述凝結物部分可經120和泵122輸送至冷卻器1 並冷凍。將所述冷凍的凝結物進一步輸送並噴射至所述含有第二流體的部分108以凝結包含所述C3-C6醇的所述蒸氣。在一些實施方案中，本發明的方法涉及用於從溶液諸如發酵肉湯回收C3-C6醇的方法，其中將氣體引入至發酵肉湯以完成將所述C3-C6醇轉移至所述氣體，且隨後從所述氣體回收C3-C6醇。例如，在一個實施方案中，本發明提供了從含有微生物和所述C3-C6醇的發酵培養基回收C3-C6醇的方法，包括將氣體引入至發酵培養基以使得部分C3-C6醇轉移至所述氣體；將所述氣體從所述發酵培養基引導至回收單元；以及從所述氣體回收所述 C3-C6醇。在該實施方案中，所述氣體可為用於回收所述C3-C6醇的任何適當的氣體，包括空氣、二氧化碳或者氮氣。參看圖6，示例說明了本發明的實施方案，包括用於施用氣體氣提(或者分離)的裝置以從發酵肉湯回收C3-C6醇。當與閃蒸回收聯用時，氣體氣提可增強C3-C6醇的回收。 發酵在發酵器130中進行。在發酵器130中的所述發酵肉湯包括C3-C6醇產物，以及發酵培養基的其它組分。繁殖罐144將原始培養物經134引導至所述發酵器130。氣體氣提可在發酵器130或者閃蒸罐148中發生。因此，如在圖6中顯示，在一些實施方案中，氣體經 132和在發酵器130中的壓縮機139噴射至包含微生物和C3-C6醇的發酵肉湯。在一些實施方案中，所述氣體可為空氣。在一些實施方案中，所述氣體可為不與所述C3-C6醇反應的非反應性氣體，諸如氮氣或者二氧化碳。在發酵肉湯中的所述C3-C6醇擴散至所述噴射的氣泡並作為部分廢氣經140排出所述發酵器且經140輸送至蒸氣凝結器154。在發酵過程中，可包含微生物的所述發酵肉湯的流體從所述發酵器130引導至閃蒸罐148。包含在閃蒸罐蒸氣中的所述C3-C6醇與噴射的氣泡在凝結器154中混合以結合所述閃蒸氣流量。然後可將所述C3-C6醇從所述閃蒸氣回收。所述部分蒸發的發酵肉湯僅包含在所述發酵肉湯中的部分醇以及水蒸氣和噴射的氣體。在閃蒸罐148中蒸發的所述部分發酵肉湯作為蒸氣經152引導至蒸氣凝結器154。在所述混合醇和蒸氣凝結時，所述凝結溶液經156引導至液-液分離器158。然後將未凝結的剩餘蒸氣經160和泵162引導至出口。在閃蒸罐148中蒸餾後，將未蒸餾的剩餘部分發酵肉湯經164和泵166返至發酵器 130。待返至發酵器的該發酵肉湯目前部分耗盡醇。圖7示例說明了本發明實施方案，其中包含氧氣的無菌空引入至發酵器。發酵在發酵器I30中進行。在發酵器130中的所述發酵肉湯包含C3-C6醇產物以及發酵培養基的其它組分。繁殖罐144將原始培養物經134引導至發酵器130。無菌空氣經132和在發酵器130中的壓縮機139噴射至包含微生物和C3-C6醇的發酵肉湯。在發酵肉湯中的C3-C6 醇擴散至噴射的空氣鼓泡並作為部分廢氣經140排出所述發酵器。所述C3-C6醇可從所述廢氣中回收，諸如通過與來自所述閃蒸罐148的蒸氣在凝結器154中混合或者通過在水洗塔中捕獲C3-C6醇來完成。在發酵過程中，可包含微生物的所述發酵肉湯的流體從所述發酵器130引導至閃蒸罐148。然後可將所述C3-C6醇從所述閃蒸氣回收。所述部分蒸發的發酵肉湯僅包含在所述發酵肉湯中的部分醇以及水蒸氣。在閃蒸罐148中蒸發的所述部分發酵肉湯作為蒸氣經152引導至蒸氣凝結器154。在所述混合醇和蒸氣凝結時，所述凝結溶液經156引導至液-液分離器158。然後將未凝結的剩餘蒸氣經160和泵162引導至出口。在閃蒸罐148 中蒸餾後，將未蒸餾的剩餘部分發酵肉湯經164和泵166返至發酵器130。待返至發酵器的該發酵肉湯目前部分耗盡醇。本申請所述的發酵方法的其它方面可有利地與該實施方案組合，諸如單獨或者組合的下述任何方面在發酵培養基中培養微生物以產生C3-C6醇；以及將所述水富集相引導至所述發
酵培養基；將含有多糖和至少一種其它化合物的原料水解以產生可發酵的水解產物以及本申請另外描述的隨後步驟；蒸餾含有水和所述C3-C6醇的蒸氣相；以及使蒸氣相中的所述C3-C6醇反應以形成產物；提高所述C3-C6醇在部分發酵培養基中的活度；蒸餾部分稀水溶液為包含C3-C6醇和水的蒸氣相，其中所述蒸氣相包含來自所述部分稀水溶液的按重量計約和按重量計約45%的所述第一含量的C3-C6醇；以及凝結所述蒸氣相。本發明另外的實施方案為操作改造的乙醇生產裝置以產生C3-C6醇的方法，所述改造的乙醇生產裝置包括預處理單元、多重發酵單元和發酵醪蒸餾器，所述方法包括將氣體引入發酵肉湯以完成將所述C3-C6醇轉移至所述氣體以及隨後從氣體回收C3-C6醇。在包括將氣體引入發酵肉湯以完成將所述C3-C6醇轉移至所述氣體以及隨後從氣體回收C3-C6醇的這些實施方案中，至少約50%、至少約60%、至少約70%、至少約 80%、至少約85%、至少約90%、至少約95%的所述C3-C6醇可從所述氣體回收。在一些實施方案中，本發明包括在發酵肉湯中培養微生物以使所述微生物生長至高細胞密度(也稱為生長期或者繁殖期)以及進一步培養所述微生物以產生C3-C6醇(稱為產生期)。當C3-C6醇的濃度在所述發酵肉湯中提高時，可抑制所述微生物的生長以及所述C3-C6醇的進一步產生，這是由於所述C3-C6醇在發酵肉湯中的累積。本發明的方法還包括從所述發酵肉湯除去所述C3-C6醇以在培養步驟中進一步回收和加工。在生長期或者繁殖期從所述發酵肉湯除去所述C3-C6醇降低了所述微生物的生長抑制，這是由於所述 C3-C6醇的高濃度，由此允許所述細胞生長至更高的細胞密度。在產生期從所述發酵肉湯除去所述C3-C6醇降低了由所述微生物對C3-C6醇產生的抑制且允許產生更高批量濃度的醇。本發明也提供了從溶液諸如發酵肉湯產生C3-C6醇的方法，其中所述培養在兩個時期(生長和產生期)進行，其中產生期在低氧氣條件下進行，包括厭氧性條件。因此，在一個實施方案中，本發明提供了產生C3-C6醇的方法，包括在發酵培養基中培養微生物以使所述微生物生長、在發酵培養基中培養所述微生物以產生C3-C6醇以及在培養步驟中從所述發酵培養基回收所述C3-C6醇。所述方法的特徵在於在使所述微生物生長的步驟中將包含氧氣的氣體以小於每小時每升發酵培養基約5和約150毫摩爾之間的氧氣的氧轉移率 (OTR)引入至所述發酵培養基。所述方法的特徵也在於在產生C3-C6醇的步驟中將包含氧氣的氣體以小於每小時每升發酵培養基約20毫摩爾的氧氣的氧轉移率(OTR)引入至所述發酵培養基。OTR的限制通過限制所述微生物生長的能力來促進醇的產生。在其它實施方案中，在產生C3-C6醇的步驟中將含有氧氣的氣體以小於每小時每升發酵培養基約10毫摩爾的氧氣或者小於每小時每升發酵培養基約5毫摩爾的氧氣的OTR的轉移至所述發酵培養基。已經令人驚訝的發現在該實施方案中，在產生期的某些點，當生產率減慢時，生產率下降可通過提高OTR進行逆轉。不受理論所束縛，認為該步驟可恢復或者增強細胞生長和/或者C3-C6醇的生產。因此，本發明的該實施方案也可包括在發酵的產生期(即OTR 已經由在生長期中的所述OTR降低的時間點)提高所述0TR。更具體地，該實施方案可包括在生產所述C3-C6醇的過程中將包含氧氣的氣體以超過產生C3-C6醇所需的OTR引入至發酵培養基。應該認識到對於C3-C6醇的不同的生產微生物將具有生產醇所需的改變的 OTR0例如，一些微生物可在厭氧性條件下生產醇，而一些微生物可能需要少量的氧氣。更具體地，所述OTR可為每小時每升發酵培養基約0. 5和約5毫摩爾之間的氧氣、每小時每升發酵培養基約0. 5和約4毫摩爾之間的氧氣、每小時每升發酵培養基約0. 5和約3毫摩爾之間的氧氣、每小時每升發酵培養基約0. 5和約2毫摩爾之間的氧氣或者每小時每升發酵培養基約0. 5和約1毫摩爾之間的氧氣。
OTR可用於確定每單位發酵容積每單位時間的氧氣的消耗。該信息對於正確的發酵器體系設計以及操作是重要的。可控制OTR以建立厭氧性、微氧性以及全氧性(fully aerobic)條件。這些OTR的不同方案可用於建立微生物生長或者預期代謝產物諸如醇的產率之間的平衡控制。在發酵體系中實現的OTR取決於若干變量包括但不限於發酵器設計 (擋板、高寬比、攪拌體系)、氣體注射體系、壓力、溫度、介質粘度和組成。OTR可由基本過程數據以及計算結果來確定，其將氧氣從所述氣相表徵至個體細胞。一旦理解了給定發酵體系的OTR特徵，可操作特定控制以調整通氣方案。通常用於OTR控制的過程變量為氣體補料速率、發酵器壓力以及混合強度。此外，採用的注射氣體可選擇為包括空氣或者其可為一種或者多種純化氣體的混合物。純化氣體的實例包括氧氣、氮氣和二氧化碳。已經開發了測量和表徵發酵體系的OTR的若干方法。一些測量方法確定了在發酵器中無活性培養物的 OTR0其它方法測量了具有活性培養物體系的0TR。用於該工作機構(body of work)的所述OTR方法為在活性發酵中的氧氣平衡技術。氧氣消耗通過測量提供給發酵器的氧氣速率 (mMol O2/小時)並減去排出所述發酵器的氧氣速率(mMol 02/hr)來確定。將該氧氣的轉移率除以按升計的發酵容積來建立OTR(mMol 02/L-hr)。氧氣流速以及入口和出口氣流的組成可通過不同方法測量。一種用於測量氣體流速和組成的確定方法包括使用氣體流量計和質譜儀。進入和排出體系的氣體流速典型地使用理想氣體定律以每單位時間的容積率測量並且轉化為每單位時間的摩爾流速(molar flow rate) (mMol/hr)。所述質譜儀測量原料和排出氣體的組成且可用於由所述總體氣體流速(mMol/hr)計算氧氣摩爾流速(mMol O2/ hr)。所述發酵器容積通過許多裝置中的一種測量，所述裝置包括壓差物位變送器、標刻的容積觀察鏡以及雷達水平儀或者其它裝置。在產生C3-C6醇的方法的所述實施方案中，所述回收步驟可包括將所述C3-C6醇在部分發酵培養基中的活度提高到至少為所述C3-C6醇在所述部分中達到飽和時的活度， 或者將水在部分發酵培養基中的活度降低到至少為所述C3-C6醇在所述部分中達到飽和時的活度；從所述部分發酵培養基形成C3-C6醇富集液相和水富集液相；以及使所述C3-C6 醇富集相與所述水富集相分離。該實施方案也可包括將所述水富集相引導至發酵培養基。 在這些實施方案中，將所述C3-C6醇在部分發酵培養基中的活度提高到至少為所述C3-C6 醇在所述部分中達到飽和時的活度的步驟可包括從所述發酵培養基蒸餾包含水和C3-C6 醇的蒸氣相以及使蒸氣相中的所述C3-C6醇反應以形成產物。本發明包括其它實施方案，其特徵在於在產生C3-C6醇的步驟中將包含氧氣的氣體以小於每小時每升發酵培養基約20毫摩爾的氧氣的氧轉移率(OTR)引入至發酵培養基。 具體地，本發明包括產生C3-C6醇的方法，包括在發酵培養基中培養微生物以產生C3-C6 醇、在培養過程中將包含氧氣的氣體以小於每小時每升發酵培養基約20毫摩爾的氧氣的 OTR引入至發酵培養基、提高C3-C6醇在部分發酵培養基中的活度、蒸餾所述部分發酵培養基以產生液相和包含水和C3-C6醇的蒸氣相，以及將所述液相引導至發酵培養基。另外的方法為操作改造的乙醇生產裝置以產生C3-C6醇的方法，所述改造的乙醇生產裝置包括預處理單元、多重發酵單元和發酵醪蒸餾器。該方法包括在所述預處理單元中預處理原料以形成可發酵糖，以及在第一發酵單元中在包含所述可發酵糖的發酵培養基中培養微生物以使所述微生物生長。所述方法還包括在第一發酵單元中在包含所述可發酵糖的發酵培養基中培養所述微生物以產生C3-C6醇，同時將包含氧氣的氣體以小於每小時每升發酵培養基約20毫摩爾的氧氣的OTR引入至所述發酵培養基。通過處理包含所述C3-C6醇的部分發酵培養基以除去部分C3-C6醇以及將處理過的部分發酵培養基返至所述發酵單元來回收所述C3-C6醇。所述方法還包括將所述發酵培養基從所述發酵單元轉移至所述發酵醪蒸餾
ο在這些實施方案的任意一個中，所述產生C3-C6醇的步驟可為厭氧性的。發酵器可如下製成厭氧性的停止引入空氣或者任何其它含有氧氣的氣體以使得在介質中的任何殘留氧氣被所述微生物使用之後，所述介質將為厭氧性的。可替換地，發酵培養基可用氮氣、二氧化碳或者其它惰性氣體衝洗以產生厭氧性介質。本發明其它實施方案包括以能量有效方式產生並回收C3-C6醇的方法。在一些實施方案中，本發明包括使用用於熱集成的噴射器，其導致降低的總體設備能量消耗且提供本質上成本節約。在這些方法中使用的噴射器為蒸汽驅動的文氏裝置(venturi device), 其用於產生真空。高壓蒸汽經過噴射器以在一次操作中產生真空且可用於推進其它操作。 因此，在一個實施方案中，本發明包括操作用於產生並回收C3-C6醇的過程的方法，所述操作包括在小於大氣壓操作的多重單元操作。所述方法包括在第一單元操作中將蒸汽引入至第一噴射器以產生小於大氣壓的壓力；以及在第二單元操作中將蒸汽從所述第一噴射器引導至第二噴射器以產生小於大氣壓的壓力。所述第一和第二單元操作可為相同或者可為不同的。在相關的實施方案中，本發明提供了操作用於產生並回收C3-C6醇的過程的方法，所述操作包括在連續較低壓力操作的多重單元操作。所述方法包括以下步驟在第一單元操作中將流體在壓力Pl引入至第一噴射器以產生小於大氣壓的壓力；以及將流體和其它氣體(例如蒸發的丁醇和二氧化碳)從所述第一噴射器在壓力P2引導至第二噴射器以產生更大的真空，其中P2 > P1。所述多重單元操作可包括在生產並回收C3-C6醇的方法中使用的任何單元操作，包括但不限於水再生回收、第一有效蒸發器、第二有效蒸發器、發酵醪蒸餾器、側線氣提塔和/或者整流器。在另一個實施方案中，如在圖5中顯示，高壓蒸汽經133經過噴射器136，在閃蒸罐-直接接觸凝結器單元100中產生真空。在來自所述閃蒸罐-直接接觸凝結器單元的過量蒸汽、蒸汽凝結物和非凝結產物蒸氣中含有的熱量途徑噴射器達到發酵醪蒸餾器或者蒸發器138。通過轉移至在所述發酵醪蒸餾器或者蒸發器中的隨後過程步驟中將所述熱量整合至產生和回收方法中。本發明還提供了從溶液諸如發酵肉湯回收C3-C6醇的方法，其中採用高細胞密度的培養方法。例如，在一個實施方案中，本發明提供了將產生C3-C6醇的微生物培養成高細胞密度的方法，包括使所述微生物在發酵培養基中生長並在所述生長步驟中從所述發酵培養基回收所述C3-C6醇。在該方法中，所述微生物達到範圍為從約每升5g至約每升150g乾重的細胞密度。在可替換的實施方案中，所述微生物可達到範圍為約5g/l乾重至約150g/ 1乾重的細胞密度。具體地，所述範圍的低端點可選自約5g/l、約15g/l、約25g/l、約50g/ 1、約75g/l和約100g/l乾重的所述微生物且所述範圍的高端點可選自約150g/l、約125g/ 1、約100g/l、約75g/l、約50g/l和約25g/l乾重的所述微生物。這些實施方案可包括下限中的任意一個以及上限中的任意一個。在另一個實施方案中，本發明提供了產生C3-C6醇的方法，包括以下步驟在發酵培養基中培養產生所述C3-C6醇的微生物以產生C3-C6醇並從所述發酵培養基回收所述C3-C6醇；其中所述C3-C6醇的產生為以每升每小時至少約Ig的速率。在可替換的實施方案中，所述C3-C6醇的產生為以每升每小時至少約2g的速率。在優選的實施方案中，所述 C3-C6醇可為丁醇或者具體地異丁醇。上面討論的不同實施方案可彼此組合。例如，如在圖8和9中顯示，氣體分離或者氣體氣提可在與閃蒸罐-直接接觸凝結器單元聯用時進行以提供醇回收的更大有效性。圖 8表示使用閃蒸罐/直接接觸凝結器單元100和氣體分離器從發酵肉湯產生並回收C3-C6 醇的本發明實施方案。繁殖發酵器(propagation fermentor) 170將原始培養物經172引導至產生發酵器174。廢氣由發酵器經178排出至水洗塔182。在發酵過程中，可包含微生物的發酵肉湯的流體從所述發酵器174經188引導至熱交換器190，然後引導至分離器194。 從所述分離器除去氣體通過機械真空泵206經198引導至水洗塔210來完成。可包含微生物的發酵肉湯的流體經188引導至體系100。更特別地，所述發酵肉湯進一步引導至閃蒸罐部分106以蒸餾。在體系的閃蒸罐部分106中產生的所述蒸氣輸送至體系的直接接觸凝結器部分108並且暴露至可含有醇產物的凝結液體109的精細噴霧以提高凝結率。來自所述體系的直接接觸凝結器部分108的蒸汽在高壓經132經過噴射器136， 在閃蒸罐-直接接觸凝結器單元100中產生真空。在來自所述閃蒸罐-直接接觸凝結器單元的過量蒸汽、蒸汽凝結物和非凝結產物蒸氣中含有的熱量途徑噴射器達到發酵醪蒸餾器或者蒸發器138。未用作為凝結液體109的剩餘的所述凝結物經114輸送至液-液分離器 111。在閃蒸罐部分106中蒸餾後，未蒸餾的剩餘部分發酵肉湯(部分耗盡醇)可經110和泵112返至發酵器。圖9表示使用閃蒸罐/直接接觸凝結器單元和氣體氣提塔從發酵肉湯產生並回收 C3-C6醇的本發明實施方案。氣體經132和壓縮機139經過包含微生物和C3-C6醇的發酵肉湯噴射至發酵器174。在一些實施方案中，所述氣體可為空氣。在一些實施方案中，所述氣體可為不與C3-C6醇反應的非反應性氣體，諸如氮氣。在發酵肉湯中的C3-C6醇擴散至噴射的氣泡。可包含微生物的發酵肉湯的流體經104和泵102引導至體系100。更特別地，所述發酵肉湯進一步引導至閃蒸罐部分106以蒸餾。氣體經218和壓縮機214噴射至閃蒸罐部分106。在體系的閃蒸罐部分106中產生的所述蒸氣輸送至體系的直接接觸凝結器部分 108並且暴露至可含有醇產物的凝結液體109的精細噴霧以提高凝結率。來自所述體系的直接接觸凝結器部分108的蒸汽在高壓經133經過噴射器136，在閃蒸罐-直接接觸凝結器單元100中產生真空。在來自所述閃蒸罐-直接接觸凝結器單元的過量蒸汽、蒸汽凝結物和非凝結產物蒸氣中含有的熱量途徑噴射器達到發酵醪蒸餾器或者蒸發器138。未用作為凝結液體109的剩餘的所述凝結物經114輸送至液-液分離器111。在閃蒸罐部分106中蒸餾後，未蒸餾的剩餘部分發酵肉湯(部分耗盡醇)可經110和泵112返至發酵器。參看圖13，顯示了使用閃蒸罐/直接接觸凝結器單元100以及氣體分離器和三泵迴路從發酵肉湯產生並回收C3-C6醇的本發明另外的實施方案。繁殖發酵器170將原始培養物經172引導至產生發酵器174。氣體經132和壓縮機139經過包含微生物和C3-C6醇的發酵肉湯噴射至發酵器174。在一些實施方案中，所述氣體可為空氣。在一些實施方案中，所述氣體可為不與C3-C6醇反應的非反應性氣體，諸如氮氣。在發酵肉湯中的C3-C6醇擴散至噴射的氣泡。廢氣經178由發酵器排出至水洗塔182。
在發酵過程中，可包含微生物的發酵肉湯的流體從所述發酵器174經泵186引導至熱交換器190，然後經188引導至分離器194。從所述分離器除去氣體通過由機械真空泵 206經198引導至水洗塔210來完成。可包含微生物的發酵肉湯的流體經泵220和202引導至體系100。部分發酵肉湯在閃蒸罐/直接接觸凝結器單元100中蒸發並且所述蒸氣經222 真空除去以達到發酵醪蒸餾器或者蒸發器138。一些凝結蒸氣經114輸送至液-液分離器 111。在閃蒸罐部分106蒸餾後，未蒸餾的剩餘部分發酵肉湯(部分耗盡醇)可經110和泵 112返至發酵器。作為前述本發明實施方案的背景和上下文，用於異丁醇回收的連續真空閃蒸方法的示意圖在圖1中顯示。發酵在發酵器10中進行。在發酵器10的所述發酵肉湯包含C3-C6 醇產物諸如丁醇以及發酵培養基的其它組分。在發酵過程中，可包含微生物的發酵肉湯的流體從所述發酵器10經12引導至熱交換器20。所述熱交換器20用於將發酵肉湯的溫度提高至適於隨後蒸餾的溫度。在所述發酵肉湯的溫度提高至適當溫度之後，所述發酵肉湯進一步經22引導至閃蒸罐30以用於蒸餾。發酵熱量可部分提供在閃蒸體系中蒸發所需的熱量。閃蒸罐30保持在低於大氣壓的壓力以至於在將加熱的酵液引入至閃蒸罐30時，部分發酵肉湯得到蒸發。部分所述蒸發的發酵肉湯僅在發酵肉湯中包含部分丁醇以及水蒸氣。 在閃蒸罐30中蒸餾後，未蒸餾的剩餘部分發酵肉湯經34返至發酵器10。返至發酵器的該發酵肉湯目前部分耗盡丁醇。在閃蒸罐30中蒸發的部分發酵肉湯作為蒸氣經32引導至蒸氣凝結器40，其可被例如冰冷的水經42冷卻。在混合丁醇和水蒸氣凝結時，所述凝結溶液經44引導至相分離器50。然後將未凝結的剩餘蒸氣進一步經48引導至出口。在相分離器中的凝結溶液允許分離為重液相(heavy liquid phase)和輕液相(light liquid phase) 0 所述重液相主要由水以及在水中溶解的一定量的丁醇組成。所述輕液相主要由丁醇以及一定量的可溶解水組成。來自所述相分離器，所述含有丁醇的輕液相可通過與所述重液相分離來回收並且可處理以進一步純化。主要由水組成的重液相可以在體系中用於其它應用或者用途。13、35為液體泵且47為真空泵。參看圖2，且作為前述本發明實施方案的另外背景和上下文，示例說明了通過對預處理過的玉米同時進行糖化和發酵來生產丁醇，以及對丁醇側流進行共沸蒸餾的具體實施方案。將幹玉米磨成細粉。將碾磨(磨碎)的玉米1、稀薄釜餾物3、CIP發酵器清洗劑 31、循環水43和蒸汽2添加至玉米澱粉預處理體系32，在該處將混合物漿化並加熱至約 990C (CIP(就地清洗(Clean in Place))發酵器清洗劑是苛性水溶液，用於在批次之間清潔和消毒發酵器。通常使用NaOH，但是也可以使用其它強鹼和其它消毒化學品。廢CIP溶液含有來自於發酵器(附著至壁)的固體、養料、碳水化合物等，可將其再次引入到玉米預處理的前端(front end))。將α -澱粉酶50添加至玉米澱粉預處理體系32，其中保持時間可為約1小時或者較少。在將溶液冷卻至約50°C至約65°C的溫度後，添加葡糖澱粉酶 4。在約5-6小時的短的糖化時間後，將漿液冷卻至約32°C。在該點的漿液固體濃度可為約 361g/kg，包括不溶和溶解的固體。又向玉米糊混合物添加足以在約32小時內完成糖化的酶4，將其轉移至發酵器5。發酵在同時糖化和發酵(SSF)模式下於32°C運行。從發酵器5 連續除去含約丁醇的側流6，並使用閃蒸罐換熱器33將閃蒸罐進料7的溫度控制在約34°C。在閃蒸罐34上產生約50mm Hg的真空並形成共沸蒸氣組合物11。丁醇水蒸氣共沸物11的組成可為約丁醇和約46wt%水。通過真空泵35泵取共沸物蒸氣11並供應至化學轉化過程13或者凝結器12。將凝結的蒸氣相36引導至液/液分離器37，在該處它進行相分離。凝結的蒸氣相分成丁醇富集相37a和水富集相37b。丁醇富集相37a的丁醇濃度為約680g/L 丁醇。水富集相37b的丁醇濃度為約86g/L。上層37a對下層37b產生的體積比為3比1。使閃蒸罐34中的含細胞、水、養料、碳水化合物和約未蒸發丁醇的未蒸發組分9返至發酵器5。未蒸發組分9耗盡了丁醇，以及當返至發酵器5時能夠繼續生成丁醇， 生成的丁醇如上所述通過處理側流6進行回收。將水富集重相37b從液/液分離器37作為15引導至發酵醪蒸餾器38並蒸餾。在發酵醪蒸餾器38中產生丁醇-水共沸組合物18並將其引導至凝結器39進行凝結。將凝結的蒸氣19引導至液/液分離器40中，分離成水富集重相40b和丁醇富集輕相40a。將含約86g/L 丁醇的水富集重相40b作為20循環回至發酵醪蒸餾器38。丁醇富集相40a的丁醇濃度為約680g/L 丁醇。將液/液分離器40中的丁醇富集輕相40a作為21引導至蒸餾體系41。又將液/ 液分離器37中的丁醇富集輕相37a作為16引導至蒸餾體系41，並且可以與丁醇富集輕相 40a合併。在大氣壓操作蒸餾體系41以及以約99wt%丁醇的濃度作為高沸點產物22產生純化的丁醇(在其它實施方案中，蒸餾體系可以在低於大氣壓的壓力、大氣壓或者高於大氣壓的壓力操作)。產生丁醇水共沸物蒸氣23並將其送至凝結器45進行凝結。將凝結蒸氣46引導至液/液分離器47，分離成水富集重相47b和丁醇富集輕相47a。將水富集重相 47b作為48再循環至發酵醪蒸餾器38。將丁醇富集輕相47a作為51引導至蒸餾體系41 並且可以將其與其它輸入物16、21合併。使發酵器5中的SSF發酵進行52小時。將未通過真空閃蒸罐34除去的含約2% 丁醇的發酵肉湯作為8引導至發酵醪蒸餾器38。將發酵肉湯中的丁醇作為丁醇-水共沸物 18從塔頂蒸餾。從發酵醪蒸餾器38，將水、未轉化的碳水化合物、養料、細胞、纖維、玉米胚、 酶和其它發酵組分作為底部產物17取出並含有約0. 05wt%丁醇。將發酵醪蒸餾器底流17 分至蒸餾器幹顆粒乾燥器27和清洗流觀。通過清洗流觀產生稀薄釜餾物3。通過乾燥器 27產生乾燥的蒸餾器顆粒四。乾燥器27也產生水蒸氣30，將水蒸氣30通過凝結器42凝結並作為43再循環至玉米澱粉預處理體系32。發酵器5、凝結器12 (具有來自於閃蒸罐34的流入物)、凝結器39 (具有來自於發酵醪蒸餾器38的流入物)和凝結器45 (具有來自於蒸餾體系41的流入物)具有含丁醇、 水、CO2和其它惰性氣體的排氣流10、25、對、49。在排氣收集體系44中合併這些流並在下遊設備26中進行處理以回收和純化丁醇和C02。本發明的前述實施方案可以在改造的玉米乙醇生產裝置中進行，其中主要的操作 (包括玉米澱粉預處理體系、發酵器、發酵醪蒸餾器、蒸餾體系和乾燥器)是先前用於生產乙醇的操作。該體系具有循環操作的多個發酵器(通常5至7個)，使得每個發酵器在注入發酵醪蒸餾器之前進行發酵約52小時。在發酵器上遊的操作(例如，玉米澱粉預處理體系)基本上連續操作，從而為第一發酵器製備原料，然後為第二發酵器製備原料，等等。在發酵器下遊的操作(例如，發酵醪蒸餾器、蒸餾體系和乾燥器)基本上連續操作，從而當完成發酵周期時從每一發酵器取出發酵肉湯，以回收乙醇，生產DDGS，清洗流和稀薄釜餾物。
可以通過結合本申請所述的各種生成和回收工藝改造該乙醇生產裝置，以生成丁醇。典型地，生產乙醇的微生物對發酵肉湯中的高濃度乙醇具有耐受性。然而，在發酵肉湯中的高濃度的C3-C6醇可以使微生物中毒。因此，需要在生產時連續地除去醇的低成本方法，以操作乙醇裝置來生成C3-C6醇(而非乙醇)。由於在丁醇生產生物停工前不能產生如乙醇濃度一樣高的丁醇濃度，所以本申請所述的生成和回收方法可用於結合至乙醇裝置中，以允許有效地生成丁醇。通過結合丁醇回收方法，其中將部分發酵肉湯(可含微生物)引導至回收操作如閃蒸罐，以從所述部分發酵肉湯中回收丁醇部分和將丁醇減少流體返至發酵器，可以顯著提高發酵的有效丁醇濃度，使得可以將丁醇生產方法引入到乙醇生產裝置中。改造裝置的方法可以包括將生產如上所述的側流6、閃蒸罐進料7和未蒸發組分流9的設備引入到設備中。另外，可以引入進行液/液分離的設備(如分離器37、40)以提供丁醇的有效回收。因此，在一些實施方案中，本發明提供採用在相關實施方案中所述的方法步驟來操作改造的乙醇生產裝置的方法。例如，在一個實施方案中，本發明包括操作改造的乙醇生產裝置來生成C3-C6醇的方法。在該實施方案中，所述改造的乙醇生產裝置包含預處理單元、多重發酵單元和發酵醪蒸餾器以生成C3-C6醇。所述方法包括以下步驟在預處理單元中預處理原料以形成可發酵糖；在第一發酵單元中用產生C3-C6醇的微生物在發酵培養基中發酵可發酵糖；處理部分發酵培養基以除去C3-C6醇；將處理過的部分返至第一發酵單元；任選地從所述發酵培養基除去氣體以達到所述第一發酵單元，以及將發酵培養基從第一發酵單元轉移至發酵醪蒸餾器。本發明的一些方法包括在預處理單元中預處理原料以形成可發酵糖的步驟。所述預處理單元連續地接受原料進行預處理。術語預處理是指諸如以下的處理粉碎、碾磨、使碳源與其它組分如蛋白質分離、解晶、膠凝、液化、糖化和藉助於化學和/或者酶催化劑催化的水解。例如，所述原料可為幹玉米，可將其磨碎，與水混合，在預處理單元中加熱和與澱粉酶反應以生成含可發酵糖的適於用作微生物發酵培養基的糊或者漿液。本發明的一些方法還包括在第一發酵單元中用生成C3-C6醇的微生物在發酵培養基中發酵可發酵糖的步驟。發酵單元含有發酵培養基，發酵培養基包含能夠在培養時將可發酵糖轉化成C3-C6醇的微生物。上面已經詳細地描述了該微生物。改造的設備包含多重發酵單元。將含可發酵糖的預處理過的原料流體從預處理單元引入到第一發酵單元中， 在該處將它與含微生物的發酵培養基合併。微生物發酵存在的可發酵糖以生成C3-C6醇。本發明的一些方法還包括處理部分發酵培養基以除去C3-C6醇的步驟。所述發酵培養基包含C3-C6醇、水以及微生物。將發酵培養基的一部分(例如，側流)從第一發酵單元取出以除去其中所含的C3-C6醇。處理可以包括本申請所述的從稀水溶液純化和回收C3-C6醇的方法中的任何一種或者多種，並且具體地，可以包括以下步驟蒸餾含水和 C3-C6醇的蒸氣相、添加親水性溶質、添加水溶性碳源、反滲透和滲析，以及它們的組合，所有這些步驟均已經在上面進行了詳細描述。在優選的實施方案中，該步驟包括將側流從第一發酵單元引導至閃蒸罐，其中蒸餾步驟在低於大氣壓的壓力進行。上面已經詳細描述了閃蒸罐的設計。
本發明的一些方法還包括將處理過的部分返至第一發酵單元的步驟。處理過的部分耗盡C3-C6醇以及包含水和可以包含微生物，將二者均返至發酵培養基。通過從發酵培養基除去C3-C6醇部分和將所述培養基返至發酵器，將在發酵肉湯中C3-C6醇的濃度維持在對C3-C6醇的進一步生產有害的濃度以下。本發明的一些方法還包括將發酵培養基從發酵單元轉移至發酵醪蒸餾器的步驟。 該步驟在希望完成發酵時進行。當所有可發酵碳水化合物被消耗，或者當碳水化合物轉化速率降低，使得希望終止發酵時，完成發酵。在該方法的一些實施方案中，預處理速率與該設備在生產乙醇時的預處理速率相同和/或者與常規乙醇裝置的預處理速率相同。當在本申請中使用時，所提及的速率「相同，，包括速率完全相同，但是也包括速率在所述速率的約25 %以內(多出或者減少)，在所述速率的約15%以內，在所述速率的約10%以內，在所述速率的約9%以內，在所述速率的約8 %以內，在所述速率的約7 %以內，在所述速率的約6 %以內，在所述速率的約5 %以內， 在所述速率的約4%以內，在所述速率的約3 %以內，在所述速率的約2 %以內，在所述速率的約以內。因此，如果改造乙醇裝置的預處理速率為約115公噸/小時，則在該速率約 25%內的預處理速率包括約7. 5噸/小時至約12. 5噸/小時的速率。預處理速率是指將預處理原料引導至發酵單元的速率。在這些方法的一些其它實施方案中，發酵單元的循環時間與該設備在生產乙醇時的循環時間相同和/或者與常規乙醇裝置的循環時間相同。循環時間是指從引入接種物至向發酵醪蒸餾器排空發酵器的時間。例如，發酵器的典型循環時間為約52小時。在一些實施方案中，改造裝置的C3-C6醇生產量為改造前所述裝置的乙醇最大生產量的C3-C6醇等價物的至少約80 %。在其它實施方案中，所述改造裝置的C3-C6醇生產量為改造前所述裝置的乙醇最大生產量的C3-C6醇等價物的至少約81%，至少約82%，至少約83 %，至少約84 %，至少約85 %，至少約86 %，至少約87 %，至少約88 %，至少約89 %，至少約90 %，至少約91 %，至少約92 %，至少約93 %，至少約94 %，至少約95 %，至少約96 %， 至少約97 %，至少約98 %，至少約99 %。醇裝置的最大生產量是該裝置生產的醇量的量度，可以表示為每年生產的醇的加侖數或者每時間期限測量體積或者重量的其它單位數。裝置的生產量取決於特定裝置的尺寸和設計。術語「改造前裝置的乙醇最大生產量」是指在改造以生成C3-C6醇之前裝置生產的乙醇的最大量或者對裝置設計的乙醇的最大量。如上所述，用於生產乙醇的微生物對發酵肉湯中的高濃度乙醇具有耐受性，但是用於生成C3-C6醇的微生物對高濃度C3-C6醇通常不耐受。有利的是，通過使用本發明方法，有可能改造乙醇裝置以與乙醇相當的生產量水平生成C3-C6醇，僅受限於該特定醇的理論轉化效率。葡萄糖向乙醇的理論轉化效率，基於重量，為51%或者0.51(然而實際上， 一些葡萄糖被微生物用於生產細胞群(cell mass)和不同於醇的代謝產物，實際的轉化效率小於理論最大值)。取決於微生物使用的發酵途徑，葡萄糖向丙醇的理論轉化效率可為 0. 33至0. 44，向丁醇的理論轉化效率可為0. 27至0. 41，向戊醇的理論轉化效率可為0. 33 至0. 39，以及向己醇的理論轉化效率可為0. 28至0. 38。術語「C3-C6醇等價物」是指特定 C3-C6醇的理論轉化效率對乙醇理論轉化效率的比率，以及對於所使用的發酵途徑是特有的。因此，本申請使用的「乙醇的異丁醇等價物」(對於一個葡萄糖分子分成一個異丁醇分子、兩個ATP分子和兩個CO2分子的途徑)為0. 401 + 0. 51 = 0. 806。例如，假設改造前裝置的乙醇最大生產量為約100X IO6加侖/年的乙醇裝置。通過使用本發明的方法，有可能改造裝置並操作該裝置以約80. 6 X IO6加侖/年的理論最大生產量生成丁醇。然而，給定乙醇密度為0. 7894以及異丁醇密度為0. 8106，所以異丁醇的實際理論最大生產量為約78X IO6 加侖/年。每年的加侖數的準確數值可以通過使用密度信息、理論收率和/或者得到的實際收率計算出來。在各個實施方案中，對於任何給定的C3-C6醇，可以改造乙醇裝置和以理論最大生產量的至少約80%的生產量操作(考慮了密度差)。在其它實施方案中，改造裝置的C3-C6醇生產量可為理論最大生產量的至少約81%，至少約82%，至少約83%，至少約 84 %，至少約85 %，至少約86 %，至少約87 %，至少約88 %，至少約89 %，至少約90 %，至少約91 %，至少約92 %，至少約93 %，至少約94 %，至少約95 %，至少約96 %，至少約97 %，至少約98%，至少約99% (考慮了密度差)。本發明的不同實施方案包括在發酵培養基中培養微生物以及從發酵肉湯回收的步驟。將術語「發酵」或者「發酵方法」或者「培養微生物」定義為在含原材料(例如原料和養料)的培養基中培養生物催化劑的方法，其中所述生物催化劑將原料如原料轉化成產物。適用於本發明的生物催化劑和相關發酵方法在以下進行了詳細討論美國專利申請 12/820，505，提交於 06-22-2010，發明名稱為「Yeast Organism Producing Isobutanol at a High Yield」(未公布)；美國專利申請 12/610，784，提交於 11-02-2009， 發明名禾爾為"Engineered Microorganisms Capable of Producing Target Compounds under Anaerobic Conditions」 (公布為 US 2010/0143997) ；PCT/US09/69390,提交於 12-23-2009，發明名稱為「Engineered Yeast Microorganisms for Production of One or More Target Compounds」(未公布)；美國專利申請 61/:350, 209，提交於 06—01—2010，發明名禾爾為"Methods and Compositions for Increasing Dihydroxyacid Dehydratase Activity and Isobutanol Production" ； ^ H # ^lJ φ if 61/304, 069, 交於 02-12-2010，發明名稱為 「Increased Isobutanol Yield in Yeast Biocatalysts by Elimination of the Fermentation By—Product Isobutyrate"；美 15 專禾Il 串請 61/308，568，提交於02-26-2010，發明名稱為「Decreased Production of the By-Product Isobutyrate During Isobutanol Fermentation Through Use of Improved Alcohol Dehydrogenase」 ；美國專利申請 61/352, 133，提交於 06-07-2010，發明名稱為 「Reduction of 2,3-Dihydroxy-2-Methylbutanoic Acid(DH2MB)Production in Isobutanol Producing Yeast」;美國專利申請 12/371，557，提交於 2-13-2009，發明名稱為「Engineered Microorganisms for Producing Propanol」(公布為 US 2009/0246842)；美國專利申請 61Λ92，522，提交於 1-06-2010，發明名稱為 「Fermentative Process for Production of Isopropanol at High Yield」;美國專利申請 11/963，542，提交於 12-21-2007，發明名稱為 "Butanol Production by Metabolically Engineered Yeast"(US2010/0062505)； 美國專利申請 11/949，724，提交於 12-03-2007，發明名稱為 『『Engineered Microorganisms for Producing N-Butanol and Related Methods，，(公布為 US 2009/0155869)，將其全部內容通過引用的方式併入本文。所述生物催化劑可為能夠將選擇的原料轉化成希望的 C3-C6醇的任何微生物。下面討論了生物催化劑的其它方面。含可水解碳源的任何原料均適用於本發明。術語「發酵肉湯」和「發酵培養基」的意義相同。除非明確地指出，應將術語發酵肉湯解釋為包括含微生物的發酵肉湯以及不含微生物的發酵肉湯。類似地，術語發酵肉湯包括含氣體的發酵肉湯以及不含氣體的發酵肉湯。在發酵培養基中的氣體可由微生物在發酵肉湯中產生，或者可引入至發酵培養基，如下詳細討論。在一些實施方案中，所述發酵肉湯含有氣體且至少部分所述氣體從所述發酵肉湯除去。氣體除去如上詳細討論。含可發酵碳源的任何原料均適用於包括培養微生物步驟的本發明實施方案。實例包括含多糖的原料如澱粉、纖維素和半纖維素，含二糖的原料如蔗糖、甘蔗汁和含蔗糖的糖蜜(molasses)，和單糖如葡萄糖和果糖。適合的原料包括含澱粉的農作物如玉米和小麥、甘蔗和甜菜、糖蜜和木質纖維素材料。適合的原料還包括藻類和微藻類。當希望時，可以處理原料，例如粉碎、碾磨、使碳源與其它組分如蛋白質分離、解晶、膠凝、液化、糖化和藉助於化學和/或者酶催化劑催化的水解。該處理可以在發酵之前進行或者與發酵同時進行，例如， 如在同時糖化和發酵中。本發明發酵肉湯典型地具有單一液相，但是不一定是均相的，因為它可以含有非經發酵的不溶固體，例如呈懸浮的形式。發酵原料可以含有具有有限的水溶性和任選地還具有有限的發酵能力或者不具有發酵能力的化合物。例如，根據本發明的實施方案，所述發酵原料為粉碎玉米以及碳源是在玉米中所含的澱粉。可能地，將所述澱粉膠凝、液化和/或者糖化，但是不溶組分，無論是含澱粉的還是其它的(例如非經發酵的蛋白質)，仍可能存在於發酵肉湯中。根據另外的實施方案，發酵原料是木質纖維素材料以及碳源是水解纖維素和/或者半纖維素。同樣，一些原料組分具有有限的水溶性。在這些和其它情況下，發酵肉湯可以由醇的水溶液和在醇的水溶液中懸浮著的固體組成。然而，根據本發明的一個重要方面，在所有這些情況下，在發酵肉湯中僅存在單一液相。在包括發酵的本發明各個實施方案中，所述發酵步驟可與其它方法步驟諸如本申請所述的各個回收方法同時進行，其包括提高C3-C6醇的活度的步驟以及水解原料以製備發酵底物的步驟。在該方法中，所述水解步驟可包括能夠使聚合碳水化合物裂解為可發酵產物的任何方法。因此，所述水解步驟可為化學催化或者酶催化的水解或者自動水解以及糖化作用。 在該方法中，所述水解和發酵步驟可在所述方法的至少部分時間內同時進行，可在所述方法的全部時間內同時進行，或者可在不同時間內進行。用於本發明方法的適當微生物可以選自天然存在的微生物、遺傳工程微生物和通過傳統技術開發的微生物或者它們的組合。該微生物可以包括但不限於細菌和真菌(包括酵母)。例如，適合的細菌可以包括能夠生產醇的細菌，例如梭菌物種的細菌。這些的實例包括但不限於丁酸梭菌、丙酮丁酸梭菌、糖乙酸多丁醇梭菌、糖丁酸梭菌和拜氏梭菌 (Clostridium beijerickii)。適當的細菌和真菌也包括能夠水解碳水化合物且可遺傳加工以產生醇的那些。適當的微生物可以選自天然存在的微生物、遺傳工程微生物和通過傳統技術開發的微生物或者它們的組合，且已經如上詳細討論。實例包括但不限於梭菌目(例如溶纖維丁酸弧菌(Butyrovibrio fibrisolvens))、芽孢桿菌目(Bacilliales)(例如環狀芽胞桿菌)、放線菌目(例如Streptomyces cellulolyticus)、絲狀桿菌目(例如產琥珀酸絲狀桿菌(Fibrobacter succinogenes))、黃單胞菌目(黃單胞菌目物種(Xanthomonas species))和假單胞菌目 (例如門多薩假單胞菌)細菌和真菌如根黴菌目、酵母樣菌目(Saccharomycopsis)、麴黴菌目、許旺酵母目和Polysporus目的真菌。真菌可以能夠有氧或者厭氧性地進行轉化。 厭氧真菌的實例包括但不限於單鞭毛菌物種(例如菌株E2 (strain E2))、厭氧真菌物種 (Orpinomyces species)(例如 Orpinomyces bovis)、新剛鞭毛菌物禾中(Neocallimastix species) (N. frontalis) >Caecomyce 物禾中、Anaeromyces 物禾中禾口 Ruminomyces 物禾中。如上所述，能夠生產醇的任何微生物(無論是天然存在的還是人工的)均可使用以及本發明方法不限於這裡列舉的實例。在一些實施方案中，所述微生物在約20°C至約95°C的溫度是可存活的。所提及的微生物在給定溫度或者溫度範圍可存活是指微生物能夠在暴露於該溫度的情況下存活，並且隨後能夠在相同或者不同的條件下生長和/或者生產代謝產物。在其它實施方案中，所述微生物是耐溫微生物。將術語「抗耐性(resistance)」定義為在發酵肉湯中抑制劑濃度提高的情況下生物催化劑具有低抑制率的性質。術語「更抗耐」是指一種生物催化劑在面對抑制劑時具有較低抑制率，與之相比的是另一種生物催化劑在面對相同抑制劑時具有較高抑制率。例如，兩種生物催化劑A和B (均具有對抑制劑生物燃料前體2% 的耐受性和每小時每g CDff Ig產物的單位生產率)在3%生物燃料前體時分別呈現每小時每g CDff 0. 5g產物和每小時每g CDffO. 75g產物的單位生產率。生物催化劑B比A更具有抗耐性。術語「耐溫」是指一種生物催化劑在給定溫度具有較低抑制率，與之相比的是另一種生物催化劑在相同溫度具有較高的抑制率。將術語「耐受性(tolerance)，，定義為在給定的抑制劑濃度，生物催化劑維持它的單位生產率的能力。術語「耐受」是指在給定的抑制劑濃度，生物催化劑維持它的單位生產率。例如，如果在2%抑制劑的存在下生物催化劑維持它在O至2%所具有的單位生產率， 則生物催化劑耐受2%的抑制劑或者具有對2%抑制劑的耐受性。將術語「溫度耐受性」定義為在給定的溫度生物催化劑維持它的單位生產率的能力。在一些實施方案中，所述微生物歷經分批發酵周期的生存期總計具有每小時至少約0. 5g/L的C3-C6醇的生產率。在一些實施方案中，歷經分批發酵周期的生存期，生產率總計為至少約1，至少約1. 5，至少約2. 0，至少約2. 5，至少約3，至少約3. 5，至少約4. 0，至少約4. 5和至少約5. Og/L/h的C3-C6醇。在一些實施方案中，歷經分批發酵周期的生存期， 生產率為約0. 5g/L/h至約5g/L/h的C3-C6醇。在其它實施方案中，優選的微生物是生產希望的醇且不具有共生物或者副產物或者具有最小限度的共生物或者副產物的微生物。還優選的是使用簡易和低成本發酵培養基的微生物。本發明的一些方法包括將所述C3-C6醇在部分水溶液中的活度提高到至少為所述C3-C6醇在所述部分中達到飽和時的活度。該步驟導致一些C3-C6醇不再溶於水溶液和使得能夠形成C3-C6醇富集液相和水富集液相。將C3-C6醇的活度提高到至少為所述 C3-C6醇在水溶液中達到飽和時的活度是指處理水溶液部分以形成含C3-C6醇的組合物， 其中所述C3-C6醇相對於水溶液的有效濃度比在初始部分中的大。該處理能夠包含各種處理步驟，包括但不限於添加親水性溶質、蒸餾含水和C3-C6醇的蒸氣相、反滲透、滲析、選擇性吸附和溶劑萃取。所述步驟如下詳細解釋。C3-C6醇的活度是指C3-C6醇在水溶液中的有效濃度。術語C3-C6醇在水溶液中的飽和度是指C3-C6醇在水溶液的條件(例如溫度和壓力)下的最大濃度。當在本申請中使用時，所提及的「部分」的物(例如發酵肉湯)既包括整個物(例如，整個發酵肉湯)，也包括小於整個物的整個物的某部分(例如，發酵肉湯的側流)。溶液部分或者部分發酵肉湯也包括轉變為蒸氣相的溶液或者發酵肉湯。C3-C6醇的活度將取決於溫度、壓力和組成。因為在非理想溶液如發酵培養基中的分子彼此相互作用和與不同類型的分子具有不同的相互作用，所以能夠改變或者修改物種的活度。提高醇的活度的實例是當例如通過蒸餾、萃取和吸附將醇相對於水選擇性地除去以形成另一相時，其中所述其它相分別為氣相、溶劑相和固體吸附劑相。在氣相凝結、從溶劑分離或者從吸附劑分離後，形成第二液相，其中醇的活度高於起始溶液。降低水的活度的實例是當例如通過水的選擇性吸附、萃取和甚至冷凍將水相對於醇選擇性地除去以形成另一相時。結果是降低了在起始溶液中水的活度。一些方法既提高醇的活度又降低水的活度。 例如，如果將親水性溶質添加至醇的水溶液，則它既降低水的活度又提高醇的活度。根據本發明實施方案，提高C3-C6醇的活度可以包括向水溶液添加親水性溶質。 在一些實施方案中，所述親水性溶質可為水溶性碳源。例如，如果將親水性溶質引入到異丁醇水溶液中，則與異丁醇相比，親水性溶質將以較大的親和力與溶液中的水相互作用。異丁醇在溶液中的活度由此將提高。化合物在水溶液中的活度係數是該化合物在與該溶液相平衡的蒸氣相中將以什麼濃度存在的指標以及是化合物在水中的濃度的函數。化合物在溶液中的活度是化合物濃度和它的活度係數的乘積。例如，在異丁醇-水混合物中，異丁醇的活度係數比水大。因此，在與水溶液相平衡的蒸氣相中異丁醇的濃度將比在溶液中高。在一些實施方案中(其中所述水溶液是發酵肉湯)，可以在發酵肉湯具有微生物的情況下或者在除去微生物後將親水性溶質添加至發酵器中的整個發酵肉湯或者添加至取自發酵器的部分流體。所提及的添加親水性溶質可以表示提高在溶液部分中已存在的親水性溶質的濃度或者表示添加先前在溶液中不存在的親水性溶質。該濃度的提高可以通過外部添加進行。可替換地，或者另外地，提高濃度也可以通過原位處理溶液進行，例如通過水解在溶液中已存在的溶質，例如，水解蛋白質以向溶液添加胺基酸、水解澱粉或者纖維素以向溶液添加葡萄糖和/或者水解半纖維素以向溶液添加戊糖。根據另一個優選的實施方案，所述親水性溶質可為具有營養價值和任選地在發酵共生物流中終止的親水性溶質，例如蒸餾器幹顆粒和可溶物(distillers dried grains and solubles，DDGS)。另外地或者可替換地，所述親水性溶質可為可發酵的和能夠與水富集液相一起轉移至發酵器。添加足夠的親水性溶質以使得能夠形成第二液相，僅僅通過添加親水性溶質或者與其它處理步驟組合。所需的量取決於醇的化學性質，所需的量通常隨醇中的碳原子數增加而減少，以及與仲醇或者叔醇和支化醇相比，伯醇和直鏈醇所需的量較少。所需的量還隨著發酵肉湯中醇濃度的增加而減少，以及可能也隨著發酵肉湯中其它溶質濃度的增加而減少。從本發明來看，在各種情況下所需要的量可以根據實驗測定。優選的親水性溶質是具有降低水溶液的水蒸氣分壓的強烈效果的親水性溶質。所添加的親水性溶質可為鹽、胺基酸、水溶性溶劑、糖或者它們的組合。優選的水溶性碳源是具有降低水溶液的水蒸氣分壓的強烈效果的水溶性碳源和能夠被良好發酵的水溶性碳源。所添加的水溶性碳源可為碳水化合物，例如單糖、二糖或者低聚糖和它們的組合。該碳水化合物可以包括己糖，例如葡萄糖和果糖和戊糖(例如木糖或者阿拉伯糖)和它們的組合。該碳水化合物的前體也是適合的，例如澱粉、纖維素、半纖維素和蔗糖或者它們的組合。在相關的實施方案中，可以將所述水溶性碳源回收。例如，如果稀水溶液是發酵肉湯且添加以提高C3-C6醇在發酵肉湯中的活度的親水性溶質是CaCl2,則在形成醇富集和水富集液相後，CaCl2將主要存在於水富集液相中並且可以從水富集液相中回收。作為另外實例，如果稀水溶液是部分發酵肉湯和添加以提高C3-C6醇在發酵肉湯中的活度的水溶性碳源是葡萄糖，則葡萄糖將主要存在於水富集液相中並且可以將葡萄糖導回至發酵肉湯以為發酵提供碳。在一些實施方案中，所述方法包括蒸餾以至於蒸發C3-C6醇和水以形成醇耗盡的液相(alcohol-d印leted phase)和醇富集的蒸氣相。蒸餾步驟可以通過提高水溶液溫度， 降低水溶液上的大氣壓或者其組合來完成。在一些實施方案中，其中所述部分水溶液為部分發酵肉湯，所述蒸餾步驟可在發酵容器中進行。在這些實施方案中，在蒸氣相中的C3-C6醇濃度大於在水溶液中的C3-C6醇濃度。 根據優選的實施方案，在蒸氣相中C3-C6醇的濃度比水溶液中C3-C6醇的濃度大至少約5 倍，優選為大約10倍，優選為大約15倍，優選為大約20倍，優選為大約25倍，以及優選為大約30倍。可以將所述蒸氣相例如在選擇的條件凝結，使得形成不混溶的醇富集溶液和水富集(即，醇貧瘠)溶液。蒸餾步驟可以在低於大氣壓的壓力進行，在約大氣壓的壓力進行或者在高於大氣壓的壓力進行。本申請提及的大氣壓是在海平面的大氣壓，以及除非另外指明，本申請表示的所有壓力是絕對壓力。適合的低於大氣壓的壓力包括以下壓力約0.025巴至約1.01 巴，約0.075巴至約1.01巴，和約0. 15巴至約1.01巴。適合的高於大氣壓的壓力包括以下壓力約1. 01巴至約10巴，約1. 01巴至約6巴，和約1. 01巴至約3巴。在蒸餾步驟在低於大氣壓的壓力進行的實施方案中，溫度可為約20°C至約95°C， 約25°C至約95°C，約30°C至約95°C，或者約35°C至約95°C。在另外實施方案中(其中所述水溶液是部分發酵肉湯且包含微生物，以及其中蒸餾步驟在蒸餾容器中進行)，所述部分發酵肉湯在引入蒸餾容器前的溫度為約20°C至約 95°C，約25°C至約95°C，約30°C至約95°C，或者約35°C至約95°C。在另一實施方案中，在引入蒸餾容器後將所述部分發酵肉湯的溫度調節至希望的值。優選地，使用在這些溫度可存活的微生物，並且甚至更優選地，使用在這些溫度既可存活又具有生產能力的微生物。任選地，在蒸餾步驟後，可以將發酵肉湯的醇耗盡的剩餘部分從蒸餾容器引導至發酵容器。任選地，可以將發酵肉湯的醇耗盡的剩餘部分與水混合，與原料和/或者可能的其它養料混合以形成用於進一步發酵的培養基。在提高C3-C6醇的活度的步驟包括蒸餾含水和C3-C6醇的蒸氣相和凝結所述蒸氣相的情況下，所述方法也可以包括處理所述稀水溶液部分以降低水的活度。在各個實施方案中，所述降低水的活度包括在蒸餾步驟之前或者與蒸餾步驟同時地除水。處理步驟可以包括選擇性地除去水，選擇性地結合水或者選擇性地排斥水。根據各個實施方案，處理步驟可以包括添加親水性溶質、添加碳源、反滲透、滲析、在選擇性吸附劑上吸附醇、將醇萃取至選擇性萃取劑中、在選擇性吸附劑上吸附水或者將水萃取至選擇性萃取劑中。在優選的實施方案中，蒸餾步驟在閃蒸罐(flash tank)中進行，該閃蒸罐能夠有效地連接至發酵容器，以及所述方法還可以包括使培養基從發酵容器循環至閃蒸罐和使培養基從閃蒸罐循環至發酵容器。閃蒸是單級蒸餾，其中蒸氣和液體從閃蒸體系的出口彼此之間呈相平衡，以及每一相的溫度和壓力幾乎相同。另一方面，蒸餾包含順序地串在一起的一系列閃蒸級(flash stages) 0與閃蒸中相比，在蒸餾期間，即，在多級閃蒸體系(例如蒸餾塔)中，從頂部出去的蒸氣和從底部出去的液體以不同的溫度離開。根據另一實施方案，所述方法包括與發酵容器中的壓力相比降低在蒸餾容器中的壓力。該壓力降低加上絕熱蒸發允許從蒸餾容器內的發酵容器中生成的水溶液的部分發酵肉湯除去熱量。可替換地或者另外地，所述方法可包括對在發酵容器中的來自蒸餾容器的水溶液提高壓力。該壓力增加產生熱量，所述熱量可用於在各個點預熱體系。例如，所述熱量可用於預熱在閃蒸罐、發酵醪蒸餾器和/或者蒸餾塔中的進料，以及還可以在用於將稀薄釜餾物濃縮成漿料的蒸發器中使用。這些組件下面將詳細討論。在優選的實施方案中，當提高C3-C6醇的活度的步驟包括蒸餾含水和C3-C6醇的蒸氣相時，混合蒸氣包含共沸組合物(azeotropic composition)。當分子力致使兩種或者更多種分子物種表現為新的蒸氣/液體物種時，形成共沸物。因為共沸物組合物「窄點 (pinch point)」妨礙將混合物蒸餾成純組分，共沸物通常被化學工藝工業視為限制。共沸物並不能從蒸餾過程產生純組分，而是共沸物本身表現為在蒸餾塔頂部的共沸組合物(作為最低沸點共沸物)或者表現為蒸餾塔底部的共沸組合物(作為最高沸點共沸物)。當發酵產物與水形成最高沸點共沸物時，必須將所有的非共沸物結合的水蒸發和置頂蒸餾。在發酵肉湯中的產物典型地是稀的。結果，當形成最高沸點共沸物時，滾沸和除去額外的未結合水所需要的能量的量是很大的熱負荷，並且這能夠常常使得蒸餾的蒸發和凝結過程不經濟。另外，最高沸點共沸物在高於純物種沸點的溫度出現，從而提高了蒸餾體系中的底部溫度。結果，具有最高沸點的底部產物經歷與純物質相比較高的熱歷史。這種高溫熱歷史能夠降低發酵的主要產物和共生物的價值。蒸餾器幹顆粒和可溶物(DDGQ (其典型地用作進料成分)是該共生物的一個實例，其在暴露於高熱量的情況下能夠降低品質並失去營養價值。因為共沸物的活度係數大於1，最低沸點共沸物也稱為正共沸物。因為活度係數小於1，最高沸點共沸物也稱為負共沸物。活度係數的大小支配共沸本體的非理想活動的程度。已經研究了這種非理想度和在共沸物分離中的困難。活度係數不固定，但是為化合物在水中的濃度的函數。結果，因為組分濃度改變，所以共沸物組合物的溶液沸點也改變。結果，在多級蒸餾塔中提高的壓降導致在相同的塔頂真空水平的較高溫度分布。根據優選實施方案，C3-C6醇的水溶液形成最低沸點共沸物。根據相關的優選實施方案，C3-C6醇在混合蒸氣中的濃度基本上等於在選擇的蒸餾壓力醇在最低沸點共沸物中的濃度。在一些特別優選的實施方案中，C3-C6醇在混合蒸氣中的濃度大於醇在最低沸點共沸物中的濃度，如在這樣的一些情況下除了醇以外，水溶液包含影響水的分蒸氣壓的其它溶質。已知一些共沸物在寬範圍的操作壓力下是穩定的，而其它共沸物體系能夠被低壓和高壓所「破壞」。例如，乙醇-水共沸物在小於70託的壓力破壞。對於在真空下能夠被破壞的共沸物，蒸餾塔的使用有時受到限制，這是由於真空蒸餾塔要求蒸餾塔中的壓降足夠顯著，使得需要在真空源處產生更高的真空。例如，將真空蒸餾塔進料壓力維持為150mmHg的嘗試要求塔中的壓降非常小，以確保真空泵能夠維持適當的真空水平。在具有多重塔板的真空塔中實現低壓降要求在蒸餾塔板上的液體高度小。在塔中的低壓降和低液體高度通常提高塔的資本成本(由於增加了塔的直徑)。在一些實施方案中，提高C3-C6醇的活度的步驟包括滲析。滲析根據以下原則工作通過半透膜的溶質擴散和流體超濾。從水溶液選擇性地除去水的任何膜分離體系均適用於本發明方法。根據優選實施方案，滲析在含兩個或者更多個隔室的體系中進行。將醇的水溶液引入一個隔室中，並將水從該溶液通過所述膜選擇性地轉移至其它隔室。根據優選實施方案，水的轉移由滲透壓導致。接受水的隔室含有親水性化合物，例如CaCl2或者碳水化合物，或者該化合物的濃縮溶液。濃縮溶液在接受水的隔室中形成。根據各個實施方案處理該溶液以再生溶質或者溶質的濃縮溶液，或者用於其它應用。再生可以通過已知的方法進行，例如水的蒸餾。在溶質是碳水化合物或者另一種可發酵碳源的情況下，可以使用該溶液，以向發酵步驟提供可發酵物。在一些實施方案中，提高C3-C6醇的活度的步驟包括反滲透。在反滲透中，使水溶液在第一隔室中在壓力下與反滲透膜接觸，由此水通過所述膜選擇性地轉移至第二隔室， 而醇留在第一隔室中。作為水選擇性地轉移至第二隔室的結果，在第一隔室的液體中醇的濃度(和活度)提高且優選的是達到飽和，由此在該第一隔室中形成第二相。根據該實施方案，該隔室包含兩種液相，其中之一是醇飽和的水相以及另一種是水飽和的醇溶液。在一些實施方案中，提高C3-C6醇的活度的步驟包括溶劑萃取。在溶劑萃取中，使水溶液與另一液相(溶劑或者萃取劑)接觸，其中水和所述醇中的至少一種不充分混溶。將兩相混合，然後沉降。根據一個實施方案，提高C3-C6醇的活度的步驟包括將C3-C6醇萃取到醇選擇性萃取劑中。術語「醇-選擇性萃取劑」是指與水相比更優選醇，使得在萃取劑中的醇/水比率大於在剩餘水溶液中的醇/水比率的萃取劑。因此，醇選擇性萃取劑或者溶劑具有對醇的選擇性(與醇相比，疏水性相似或者更疏水)，以及醇優先轉移至萃取劑或者溶劑中以形成含醇的萃取劑或者溶劑，也稱為萃取液。在一些優選實施方案中，醇選擇性溶劑可為乙酸丁酯、磷酸三丁酯、癸醇、2-庚酮或者辛烷。在另外的實施方案中，提高C3-C6醇的活度的步驟包括將水萃取至水選擇性萃取劑中。術語「水選擇性萃取劑」是指與醇相比更優選水，使得在萃取劑中的醇/水比率小於在剩餘水溶液中的醇/水比率的萃取劑。因此，水選擇性萃取劑或者溶劑具有對水的選擇性(與醇相比更親水)，使得水優先轉移至水選擇性萃取劑或者溶劑中。在優選的實施方案中，醇選擇性溶劑可為酸性的、基於胺的萃取劑。該萃取劑可以通過以下方法製備使胺與稀釋劑混合併使該混合物與酸接觸。適於形成萃取劑的胺包括伯、仲、叔和季胺，並且優選的是包括伯、仲、叔胺。適合的胺也是以游離和鹽的形式(即，當酸與它們結合時)均不溶於水的。優選地，在胺上的碳原子的合計/總數至少為20。脂族和芳族胺均適合，並且優選為脂族胺。稀釋劑可為沸點為至少約60°C，並且優選為至少約 80°C的烴或者另一種非反應性有機溶劑。酸可為任何強酸，例如PKa(離解常數的負對數) 不大於3的酸，以及既可以為無機酸又可以為有機酸。在一個實例中，胺可為三辛基胺，酸可為硫酸以及稀釋劑可為癸烷。將酸萃取(與胺結合)以形成萃取劑。在一些實施方案中，提高C3-C6醇的活度的步驟包括在選擇性吸附劑上吸附 C3-C6醇或者水。在吸附中，使水溶液與對醇或者水具有較大選擇性的選擇性吸附劑接觸。在一個實施方案中，提高C3-C6醇的活度的步驟包括在醇-選擇性吸附劑上吸附C3-C6醇。 「醇選擇性吸附劑」是指與水相比優選醇，使得在吸附劑上的醇/水比率大於在剩餘水溶液中的醇/水比率的吸附劑。在另外的實施方案中，提高C3-C6醇的活度的步驟包括在水選擇性吸附劑上吸附水。「水選擇性吸附劑」是指與醇相比優選水，使得在吸附劑上的醇/水比率小於在剩餘水溶液中的醇/水比率的吸附劑。因此，使水相與水選擇性吸附劑接觸後，形成承載水的吸附劑，並且水溶液富集了 C3-C6醇。根據各個實施方案，所述水吸附劑具有親水性，具有能夠形成氫鍵的表面功能和/或者具有尺寸適合於水分子尺寸的空隙。在一些實施方案中，所述吸附劑可為固體。根據優選實施方案，發酵原料如磨碎玉米可為吸附劑。 例如，可以使原料與水溶液接觸以選擇性地從水溶液吸附出水。在一些實施方案中，所述吸附劑可為分子篩。所述方法還包括從所述水溶液部分(其已進行過處理以提高C3-C6醇的活度)形成C3-C6醇富集液相和水富集液相的步驟。本申請使用的術語「醇富集液相」是指醇對水的比率大於在所述水溶液部分中的醇對水的比率的液相。術語「水富集液相」是指水對醇的比率大於醇富集液相的水對醇的比率的液相。在下文中也將水富集相稱為醇貧瘠相。形成所述兩相的步驟可為主動的。例如，在一些實施方案中，形成的步驟可以包括凝結蒸餾的蒸氣相，該蒸餾的蒸氣相在凝結後形成兩相。可替換地或者另外地，冷凍或者冷卻處理過的部分水溶液能夠導致形成兩相。主動地形成兩相的其它步驟可以包括使用成某種形狀以促進相分離的設備。相分離能夠在含液-液分離器的各種單元操作中完成，所述液-液分離器包括利用在相和水接受器(water boot)之間的比重差的液-液分離器、如離心機中的地心引力分離或者離心液-液分離器。沉降器也是適合的，如在用於溶劑萃取方法的混合器-沉降器單元中的沉降器。在一些實施方案中，形成步驟是被動的，以及可以僅為將C3-C6醇的活度至少提高至飽和的活度的前述步驟的自然結果。在醇富集液相中，C3-C6醇相對於水的濃度比率與在初始部分中相比明顯較大。在水富集相中，C3-C6醇相對於水的濃度比率與在醇富集液相中相比明顯較小。也可以將水富集相稱為醇貧瘠相。在一些實施方案中，所述C3-C6醇為丙醇以及在醇富集相中丙醇對水的重量比率為大於約0. 2，大於約0. 5或者大於約1。在一些實施方案中，所述C3-C6醇為丁醇以及在醇富集相中丁醇對水的重量比率為大於約1，大於約2或者大於約8。在一些實施方案中， 所述C3-C6醇為戊醇以及在醇富集相中戊醇對水的重量比率為大於約4，大於約6或者大於約10。對於給定的相，可以將濃縮因子或者富集因子表示為在該相中醇對水的比率除以在稀水溶液中醇對水的比率。因此，例如，對於醇富集相，可以將濃縮或者富集因子表示為在醇富集相中的醇/水比率除以在稀水溶液中的醇/水比率。在一些實施方案中，在C3-C6醇富集相中的C3-C6醇對水的比率比在發酵肉湯中的C3-C6醇對水的比率大至少約5倍，至少約25倍，至少約50倍，至少約100倍或者至少約300倍。所述方法還包括使C3-C6醇富集相與水富集相分離。分離兩相是指將兩相物理分離，以及可以包括去除(removing)、撇去(skimming)、倒出(pouring out)、潷析 (decanting)或者以其它方式將一相從另一相移開以及可以通過本領域已知的用於分離液相的任何方法完成。在一些實施方案中，所述方法還包括冷卻C3-C6醇富集相以提高在所述醇富集相中C3-C6醇對水的比率的步驟。在一些實施方案中，所述方法還包括從醇富集相回收C3-C6醇。回收是指從醇富集相分離C3-C6醇。回收也包括富集或者提高C3-C6醇在醇富集相中的濃度。在各個實施方案中，該步驟可以包括選自以下的方法蒸餾、滲析、水吸附(例如，使用分子篩)、溶劑萃取、與在水中不可混溶的烴液體接觸和與親水性化合物接觸以產生含C3-C6醇和水的第一相和含C3-C6醇的第二相，其中在第二相中水對C3-C6醇的比率小於在第一相中水對C3-C6 醇的比率。在優選的實施方案中，第二相包含按重量計至少約80 %，約85 %，約90 %，約 95%或者約99%的C3-C6醇。本申請使用的在水中不可混溶的液體在水中的混溶度小於約 Iwt %。上面關於提高C3-C6醇的活度的步驟討論了蒸餾和滲析的方法，相似的方法可用於從C3-C6醇富集相回收C3-C6醇。關於使用水吸附從C3-C6醇富集相回收C3-C6醇，使醇富集相與選擇性地將水從醇富集相吸附出來的吸附劑接觸。形成承載水的吸附劑並且醇富集相進一步富集了 C3-C6醇。根據各個實施方案，所述水吸附劑具有親水性，具有能夠形成氫鍵的表面功能和/或者具有尺寸適合於水分子尺寸的空隙。在一些實施方案中，所述吸附劑可為固體。根據優選實施方案，發酵原料如磨碎玉米可為吸附劑。例如，可以使原料與C3-C6醇富集相接觸以選擇性地從C3-C6醇富集相吸附出水。在一些實施方案中，所述吸附劑可為分子篩。也可以使用溶劑萃取從C3-C6醇富集相回收C3-C6醇。在溶劑萃取中，使醇富集相與另一液相(溶劑)接觸，其中水和醇中的至少一種不充分混溶。將兩相混合，然後沉降。根據一個實施方案，所述溶劑具有對水的選擇性(與醇相比更親水)，水優先轉移至溶劑相以及在其它相中醇對水的比率提高。根據另外的實施方案，所述溶劑具有對醇的選擇性(與醇相比，親水性相似或者更親水)。在一些優選實施方案中，醇選擇性溶劑可為乙酸丁酯、磷酸三丁酯、癸醇、2-庚酮或者辛烷。醇優先轉移至所述溶劑中。在以下步驟中，以與醇富集相相比具有較高的醇對水的比率的形式使醇從所述溶劑分離。與在水中不可混溶的烴液體接觸也可用於從C3-C6醇富集相回收C3-C6醇。該液體是疏水溶劑以及如上面對疏水溶劑所述起作用，即，從醇富集相萃取醇。該烴液體的實例包括汽油、原油、Fischer Tropsch材料和生物燃料。與親水性化合物接觸也可用於從C3-C6醇富集相回收C3-C6醇。這種回收方法類似於上述的使用親水性化合物提高醇活度或者降低水活度的方法。在本發明的另外的實施方案中，所述方法可以包括在提高活度的步驟後，將稀水溶液的剩餘部分如發酵肉湯引導(或者輸送)至發酵容器。在該實施方案中，所述稀水溶液的剩餘部分可以包含雜質以及所述方法還包括在將所述剩餘部分引導至發酵容器之前， 從至少部分的剩餘部分除去至少部分的雜質。該雜質可為，例如，乙醇、乙酸鹽、醛類如丁醛和短鏈脂肪酸。在一些實施方案中，所述稀水溶液可以包含雜質以及在C3-C6醇富集液相中雜質對C3-C6醇的比率大於在水富集相中雜質對C3-C6醇的比率。在一些實施方案中， 在水富集液相中雜質對C3-C6醇的比率大於在C3-C6醇富集相中雜質對C3-C6醇的比率。在本發明的又一些實施方案中，進一步處理C3-C6醇富集相以提高該相的價值或者效用。進一步處理的其它實施方案披露於美國專利申請20090299109，將其全部內容引入本申請作為參考。例如，C3-C6醇富集相可以通過以下方法進一步處理(i)從C3-C6醇富集相蒸餾基本上純的C3-C6醇，(ii)從C3-C6醇富集相蒸餾C3-C6醇的共沸物，(iii) 使C3-C6醇富集相與C3-C6醇選擇性吸附劑接觸，或者(ν)使C3-C6醇富集相與在水中不可混溶的烴液體混合。在從C3-C6醇富集相蒸餾基本上純的C3-C6醇的情況下，基本上純的C3-C6醇可以具有低比例的雜質(例如通過具有低的雜質對C3-C6醇的比率反映出來)。 例如，在基本上純的C3-C6醇中雜質對C3-C6醇的比率可為小於約5/95，小於約2/98或者小於約1/99。可替換地，基本上純的C3-C6醇的水含量可為小於約5wt%，小於約1襯％或者小於約0. 5wt%0在使C3-C6醇富集相與在水中不可混溶的烴液體混合的情況下，所得的組合可以形成單一均相。可替換地，在使C3-C6醇富集相與在水中不可混溶的烴液體混合的情況下， 所得的組合可以形成輕相和重相以及在輕相中C3-C6醇對水的比率大於在重相中C3-C6 醇對水的比率。根據所述方法的實施方案，所述烴液體為燃料如汽油。根據相關實施方案，C3-C6醇富集燃料通過使燃料與還含水的C3-C6醇富集相混合形成。作為混合的結果， C3-C6醇選擇性地轉移至燃料相中以形成所述富集燃料，而最初在醇富集相中所含的水的大部分分離為水富集重相，使其與燃料分離。這些方法的可替換的實施方案是生成C3-C6醇的方法，該方法包括在發酵培養基中培養微生物以生成C3-C6醇。上面詳細地描述了培養步驟。所述方法還包括提高在部分發酵培養基中C3-C6醇的活度，和蒸餾所述部分發酵培養基以生成液相和含水和C3-C6醇的蒸氣相。上面關於本發明的其它實施方案討論了提高活度和蒸餾的步驟。所述方法還包括將得自蒸餾步驟的液相(已消耗的液相)引導至發酵培養基。在優選實施方案中，所述部分發酵培養基(其中提高了 C3-C6醇的活度)包含微生物，將該微生物留在已消耗的液相中並返至發酵培養基，用於進一步通過微生物生成C3-C6醇。在一些實施方案中，所述液相包含雜質，以及所述方法還包括從至少部分的液相除去至少部分的雜質，然後將所述液相引導至發酵培養基。在這種方法的實施方案中，在所述部分發酵培養基中C3-C6醇對水的比率小於約 10/90 (w/w)，小於約 7. 5/92. 5 (w/w)，小於約 5. 0/95 (w/w)，小於約 2. 5/97. 5 (w/ w)，小於約 2/98 (w/w)，小於約 1. 5/98. 5 (w/w)，小於約 1/99 (w/w)或者小於約 0. 5/99. 5 (w/
W) O蒸餾步驟可為絕熱的或者等溫的。在絕熱蒸餾中，在蒸餾體系和環境之間不發生顯著的熱傳遞，並且體系壓力保持恆定。在等溫蒸餾中，在蒸餾體系和環境之間允許熱傳遞，並且體系溫度保持恆定。在該方法的各實施方案中，醇從稀水溶液至蒸氣的富集度為至少約5倍，約6倍， 約7倍，約8倍，約9倍，約10倍，約11倍，約12倍，約13倍，約14倍或者約15倍。術語 「富集度」是指在凝結蒸氣中醇/水的比率除以在稀水溶液中醇/水的比率。本發明的另外的實施方案是從水溶液萃取C3-C6醇的方法，該方法包括使水溶液與酸性的、基於胺的萃取劑接觸。酸性的、基於胺的萃取劑可以通過如上所述的酸化有機胺溶液形成。在使水溶液與萃取劑接觸後，通過使酸性的、基於胺的萃取劑與水溶液混合進行萃取。可以從接觸後形成的萃取劑相回收C3-C6醇。在下面提供的實施例中詳細描述了本發明的各個方面。然而，提供這些實施例用於說明目的，不意在限制本發明範圍。將本申請引用的每一出版物和文獻的全部內容通過引用的方式併入本文。儘管詳細描述了本發明的各實施方案，但是很明顯，本領域技術人員將想起這些實施方案的修飾和改變。然而，應清楚地理解，該修飾和改變在本發明範圍內， 本發明範圍如以下典型權利要求中所闡述。實施例實施例1該實施例示例說明了本發明異丁醇生產過程的放大，由實驗室規模至IMM GPY(加侖/年)證實規模。產生異丁醇的根據WO 2008/098227的教導代謝加工的大腸桿菌 (Gevo2525)經三個發酵器接種培養進行繁殖以接種於10，000L生產發酵器。異丁醇通過真空蒸發從所述培養物除去並且通過直接接觸凝結和液-液分離來回收。Gevo2525經三個階段接種培養(three stage seed train)進行繁殖，每個階段控制在30°C和pH = 7。在第一階段，在三個3L搖瓶中，培養物生長至平均光密度(0D_J為 6.5。在第二階段，在一個50L發酵器中，培養物生長至OD6tltlnm = 7.1。在最後階段，在一個 500L發酵器中，OD600nm達到觀(約8. Ig細胞乾重/升)。500L發酵器的全部容積用於接種 10，000L生產發酵器。對於Gev02525，IOD600nm相應於約0. 45g細胞乾重/升。在產生發酵器中的培養物最初在好氧條件下生長。接種後一小時，在OD6tltlnm = 2 時，加入IPTG以達到0. ImM的濃度以化學誘導在所述微生物中加工的酶的產生。約8小時後，在OD6tltlnm = 12(約5. 4g細胞乾重/升的細胞密度)的細胞濃度和6. 2g/L的異丁醇濃度時，所述發酵器用氬氣噴射以保證厭氧性條件。所述氣體噴射也從所述發酵肉湯分離可揮發化合物，包括醇產物。在廢氣中的醇產物可通過將其由所述廢氣凝結來回收。為了在產生相保持發酵器異丁醇濃度低於抑制水平，加熱所述發酵肉湯或者培養基並且經分離器從所述發酵肉湯送出以除去至少一些氣體並且送至閃蒸罐以在返至所述發酵器之前回收至少部分醇產物。達到分離器的入口流體由30°C加熱至36°C並且在4psia 操作分離器而在0. 5psia操作閃蒸罐。所述0. 5psia壓力通過串聯排列的兩個蒸汽噴射器產生。所述分離器從所述發酵器發酵肉湯除去大部分溶解的(X)2並且降低在閃蒸罐中的不可凝結的負載。Aspen Plus 2006. 5 (Aspen Technology, Inc. , Burlington, MA)建模評估了進入分離器的75%的(X)2在36°C和4psia除去。在閃蒸罐中的滯留時間足以達到平衡且每道次(per pass)除去14%的發酵肉湯異丁醇。在0. 5psia時，相比於在發酵肉湯中的0. 5wt%，所述蒸氣將具有的異丁醇。如果可揮發化合物的抑制水平在生長期中出現時，則所述發酵肉湯可在除去它們的過程的階段經閃蒸罐再循環。在閃蒸罐之後，剩餘發酵培養基再循環至產生發酵器。再循環迴路(發酵器-預熱-分離器-閃蒸罐-發酵器)以50gpm運行。如在圖4中示例說明且在說明書中所述，所述閃蒸罐為閃蒸罐/直接接觸凝結器體系的一部分。在體系的閃蒸罐部分中產生的所述蒸氣運輸至上所述體系的直接接觸凝結器部分且暴露至含有醇產物的再循環凝結物的精細噴霧以提供凝結率。用於凝結所述蒸氣的再循環凝結物首先經熱交換器冷卻。未用作為精細噴霧的剩餘所述凝結物輸送至液-液分尚器。在完成在產生發酵器中的生產後，用過的發酵肉湯輸送至發酵醪蒸餾器。在用過的發酵肉湯中的iBuOH在所述發酵醪蒸餾器中回收並且生產微生物失活。
參看圖10，示例說明了異丁醇在發酵器發酵肉湯以及在閃蒸後發酵肉湯中的濃度。可以看出在所述發酵肉湯返至所述發酵器之前閃蒸罐除去約15% -20%的發酵肉湯 iBuOH。對於厭氧期的異丁醇生產是基於葡萄糖消耗(假定為90%的0. 41g異丁醇/g葡萄糖理論收率)且考慮到由於汙染微生物以產生乳酸鹽(主要副產物)而消耗的葡萄糖來計算的。圖11顯示了有效滴定率和生產率與先前的小型(bench scale)實驗相當。該發酵進行和回收的結果在如下表1中顯示。表1 異丁醇生產的匯總
權利要求
1.從包含微生物、氣體和C3-C6醇的發酵培養基中回收C3-C6醇的方法，包括a.從所述發酵培養基除去至少部分所述氣體；b.將所述C3-C6醇在部分發酵培養基中的活度提高到至少為所述C3-C6醇在所述部分中達到飽和時的活度，或者將水在部分發酵培養基中的活度降低到至少為所述C3-C6醇在所述部分中達到飽和時的活度；c.從所述部分發酵培養基形成C3-C6醇富集液相和水富集液相；以及d.使所述C3-C6醇富集相與所述水富集相分離。
2.權利要求1的方法，還包括在發酵培養基中培養微生物以產生C3-C6醇和氣體；以及將至少部分水富集相引導至發酵培養基中。
3.權利要求1的方法，還包括將包含多糖和至少一種其它化合物的原料水解以產生可發酵的水解產物； 使至少部分可發酵的水解產物在發酵培養基中發酵以產生C3-C6醇和氣體，其中所述發酵培養基還包含至少一種不發酵的化合物；以及使所述至少一種不發酵的化合物與所述發酵培養基、或者與所述水富集相或者與所述發酵培養基和水富集相分離。
4.由在包含微生物、氣體和C3-C6醇的發酵培養基中的C3-C6醇產生產物的方法，包括a.從所述發酵培養基除去至少部分所述氣體；b.從所述發酵培養基蒸餾包含水和C3-C6醇的蒸氣相；c.使蒸氣相中的所述C3-C6醇反應以形成產物。
5.權利要求1的方法，還包括在發酵培養基中培養微生物以產生C3-C6醇和氣體；以及將至少部分水富集液相引導至發酵培養基中；其中提高所述C3-C6醇的活度或者降低水的活度的步驟還包括蒸餾所述部分發酵培養基以產生液相和包含水和C3-C6醇的蒸氣相。
6.從包含第一含量的C3-C6醇和氣體的稀水溶液中回收所述C3-C6醇的方法，包括a.從所述稀水溶液除去至少部分所述氣體；b.蒸餾部分稀水溶液以得到包含C3-C6醇和水的蒸氣相，其中所述蒸氣相包含來自所述部分稀水溶液的第一含量的C3-C6醇，所述第一含量的C3-C6醇按重量計在約和約 45%之間；以及c.凝結所述蒸氣相。
7.操作改造的乙醇生產裝置以產生C3-C6醇的方法，所述改造的乙醇生產裝置包括預處理單元、多重發酵單元和發酵醪蒸餾器，所述方法包括a.在所述預處理單元中預處理原料以形成可發酵糖；b.在第一發酵單元中在包含所述可發酵糖的發酵培養基中培養微生物以產生C3-C6醇；c.從所述發酵培養基除去至少部分氣體；d.處理包含所述C3-C6醇的部分發酵培養基以除去部分C3-C6醇；e.將處理過的部分發酵培養基返至所述第一發酵單元；以及f.將所述發酵培養基從所述第一發酵單元轉移至所述發酵醪蒸餾器。
8.權利要求1-7中任一項的方法，其中所述氣體包括二氧化碳。
9.權利要求8的方法，其中至少約30%的所述二氧化碳在除去步驟期間被除去。
10.權利要求8的方法，其中至少約75%的所述二氧化碳在除去步驟期間被除去。
11.權利要求8的方法，其中至少約85%的所述二氧化碳在除去步驟期間被除去。
12.權利要求8的方法，其中至少約90%的所述二氧化碳在除去步驟期間被除去。
13.權利要求8的方法，其中所述除去步驟包括選自加熱、降低壓力至低於大氣壓、吸附以及它們的組合的步驟。
14.權利要求8的方法，其中所述除去步驟包括降低壓力至約Ipsia和約IOpsia之間的壓力。
15.權利要求14的方法，其中所述除去步驟包括降低壓力至約2psia至約5psia之間的壓力。
16.權利要求8的方法，其中將所述除去的二氧化碳引導至發酵單元用於pH控制，排出二氧化碳或者它們的組合。
17.權利要求8的方法，還包括處理所述氣體以除去所述C3-C6醇和排出所述氣體。
18.權利要求8的方法，還包括從所述發酵培養基或者稀水溶液中除去至少一種雜質。
19.權利要求18的方法，其中所述至少一種雜質選自乙醇、乙酸、丙醇、苯基乙醇和異戊醇。
20.提高C3-C6醇在水溶液中的濃度的方法，包括a.將包含所述C3-C6醇的水溶液的第一流體引入至容器；b.使包含所述C3-C6醇的所述水溶液的第一流體經歷減壓以形成包含所述C3-C6醇的蒸氣；c.使包含所述C3-C6醇的所述蒸氣與包含所述C3-C6醇的溶液接觸以形成包含C3-C6 醇的凝結蒸氣的凝結物，其中C3-C6醇在凝結物中的濃度大於C3-C6醇在所述水溶液的第一流體中的濃度。
21.從包含微生物和C3-C6醇的發酵培養基回收C3-C6醇的方法，包括a.將C3-C6醇在部分發酵培養基中的活度提高到至少為所述C3-C6醇在所述部分中達到飽和時的活度以形成包含所述C3-C6醇的蒸氣，或者將水在部分發酵培養基中的活度降低到至少為所述C3-C6醇在所述部分中達到飽和時的活度以形成包含所述C3-C6醇的蒸氣；b.通過使包含所述C3-C6醇的所述蒸氣與包含所述C3-C6醇的溶液接觸來凝結所述 C3-C6醇蒸氣；c.從所述凝結蒸氣形成C3-C6醇富集液相和水富集液相；以及d.使所述C3-C6醇富集相與所述水富集相分離。
22.權利要求21的方法，還包括在發酵培養基中培養微生物以產生C3-C6醇；以及將至少部分水富集相引導至所述發酵培養基。
23.權利要求21的方法，還包括將包含多糖和至少一種其它化合物的原料水解以產生可發酵的水解產物；使至少部分可發酵的水解產物在發酵培養基中發酵以產生C3-C6醇，其中所述發酵培養基還包含至少一種不發酵的化合物；以及使至少一種不發酵的化合物與所述發酵培養基、或者與所述水富集相或者與所述發酵培養基和水富集相分離。
24.產生C3-C6醇的方法，包括a.在發酵培養基中培養微生物以產生C3-C6醇；b.提高所述C3-C6醇在部分發酵培養基中的活度；c.蒸餾所述部分發酵培養基以形成液相和包含水和C3-C6醇的蒸氣相；d.通過使蒸氣相與包含所述C3-C6醇的溶液接觸來凝結所述蒸氣相；以及e.將所述液相引導至所述發酵培養基。
25.從包含第一含量的C3-C6醇的稀水溶液回收C3-C6醇的方法，包括a.蒸餾部分稀水溶液以形成包含所述C3-C6醇和水的蒸氣相，其中所述蒸氣相包含來自所述部分稀水溶液的第一含量的C3-C6醇，所述第一含量的C3-C6醇按重量計在約1 %和約45%之間；以及b.通過使蒸氣相與包含所述C3-C6醇的溶液接觸來凝結所述蒸氣相。
26.權利要求20-25中任一項的方法，其中將包含所述C3-C6醇的所述溶液噴霧至包含所述C3-C6醇的所述蒸氣。
27.權利要求20-25中任一項的方法，其中包含所述C3-C6醇的所述溶液包含C3-C6醇的凝結物。
28.權利要求27的方法，其中在與所述C3-C6醇蒸氣接觸之前將所述凝結物冷卻。
29.權利要求20-25中任一項的方法，其中形成所述蒸氣或者蒸氣相的步驟以及凝結所述蒸氣或者蒸氣相的步驟在單一容器中進行。
30.權利要求29的方法，其中所述容器包括限定含有第一流體的部分和含有第二流體的部分的堰，其中所述含有第一流體的部分適於容納所述水溶液或者包含微生物和C3-C6 醇的所述發酵培養基，且所述含有第二流體的部分適於容納所述凝結蒸氣。
31.權利要求30的方法，其中所述含有第一流體的部分包含用於將所述水溶液或者包含微生物和C3-C6醇的所述發酵培養基引導至所述含有第一流體的部分的管道以及用於將所述水溶液或者包含微生物和C3-C6醇的所述發酵培養基引導出所述含有第一流體的部分的管道，其中在引導出所述含有第一流體的部分的所述水溶液或者所述發酵培養基中的C3-C6醇的含量小於在引導至所述含有第一流體的部分的所述水溶液或者所述發酵培養基中的C3-C6醇的含量。
32.權利要求30的方法，其中所述含有第二流體的部分包含用於將所述凝結蒸氣引導出所述含有第二流體的部分的管道。
33.用於提高C3-C6醇在水溶液中的濃度的閃蒸罐/直接接觸凝結器體系，包括a.容器；b.用於將包含所述C3-C6醇的水溶液的流體引入至所述容器的裝置；c.用於使包含所述C3-C6醇的所述水溶液的流體經歷減壓以形成包含所述C3-C6醇的蒸氣的裝置；d.用於使包含所述C3-C6醇的所述蒸氣與包含所述C3-C6醇的溶液接觸以形成包含 C3-C6醇的凝結蒸氣的凝結物的裝置，其中C3-C6醇在凝結物中的濃度大於C3-C6醇在所述水溶液的第一流體中的濃度。
34.權利要求33的閃蒸罐/直接接觸凝結器體系，其中所述容器包括由堰分開的兩個含有流體的隔室或者部分，其中所述堰在所述容器底部將所述隔室或者部分隔開。
35.權利要求34的閃蒸罐/直接接觸凝結器體系，其中所述裝置(c)包括用於產生真空的裝置。
36.權利要求34的閃蒸罐/直接接觸凝結器體系，其中所述裝置(d)包括噴嘴。
37.從包含微生物和C3-C6醇的發酵培養基回收C3-C6醇的方法，包括a.將氣體引入至發酵培養基，其中將部分C3-C6醇轉移至所述氣體；b.將所述氣體從所述發酵培養基引導至回收單元；以及c.從所述氣體回收所述C3-C6醇。
38.權利要求37的方法，還包括d.將所述C3-C6醇在部分發酵培養基中的活度提高到至少為所述C3-C6醇在所述部分中達到飽和時的活度，或者將水在部分發酵培養基中的活度降低到至少為所述C3-C6醇在所述部分中達到飽和時的活度；e.從所述部分發酵培養基形成C3-C6醇富集液相和水富集液相；以及f.使所述C3-C6醇富集相與所述水富集相分離。
39.權利要求38的方法，還包括在發酵培養基中培養微生物以產生C3-C6醇；以及將所述水富集相引導至所述發酵培養基。
40.權利要求38的方法，還包括將包含多糖和至少一種其它化合物的原料水解以產生可發酵的水解產物； 使至少部分可發酵的水解產物在發酵培養基中發酵以產生C3-C6醇，其中所述發酵培養基還包含至少一種不發酵的化合物；以及使所述至少一種不發酵的化合物與所述發酵培養基、或者與所述水富集相或者與所述發酵培養基和水富集相分離。
41.權利要求37的方法，還包括 蒸餾包含水和C3-C6醇的蒸氣相；以及使蒸氣相中的所述C3-C6醇反應以形成產物。
42.權利要求37的方法，還包括在發酵培養基中培養微生物以產生C3-C6醇； 提高所述C3-C6醇在部分發酵培養基中的活度；蒸餾所述部分發酵培養基以產生液相和包含水和C3-C6醇的蒸氣相；以及將所述液相引導至所述發酵培養基。
43.權利要求37的方法，包括將部分稀水溶液蒸餾為包含C3-C6醇和水的蒸氣相，其中所述蒸氣相包含來自所述部分稀水溶液的第一含量的C3-C6醇，所述第一含量的C3-C6醇按重量計在約和約45% 之間；以及凝結所述蒸氣相。
44.操作改造的乙醇生產裝置以產生C3-C6醇的方法，所述改造的乙醇生產裝置包括預處理單元、多重發酵單元和發酵醪蒸餾器，所述方法包括a.在所述預處理單元中預處理原料以形成可發酵糖；b.在發酵單元中在包含所述可發酵糖的發酵培養基中培養微生物以產生C3-C6醇；c.將氣體引入至所述發酵培養基，其中將部分C3-C6醇轉移至所述氣體；d.將所述氣體從所述發酵培養基引導至回收單元；e.從所述氣體回收所述C3-C6醇；f.處理包含所述C3-C6醇的部分發酵培養基以除去部分C3-C6醇；g.將處理過的部分發酵培養基返至所述發酵單元；以及h.將所述發酵培養基從所述發酵單元轉移至所述發酵醪蒸餾器。
45.權利要求37-44中任一項的方法，其中從所述氣體回收至少約50%的所述C3-C6醇。
46.權利要求37-44中任一項的方法，其中從所述氣體回收至少約70%的所述C3-C6醇。
47.權利要求37-44中任一項的方法，其中從所述氣體回收至少約85%的所述C3-C6醇。
48.權利要求37-44中任一項的方法，其中從所述氣體回收至少約90%的所述C3-C6醇。
49.產生C3-C6醇的方法，包括a.在發酵培養基中培養微生物以使所述微生物生長；b.在發酵培養基中培養所述微生物以產生C3-C6醇；c.在培養步驟中從所述發酵培養基回收所述C3-C6醇；以及d.在步驟(b)中將包含氧氣的氣體以小於每小時每升發酵培養基約20毫摩爾的氧氣的氧轉移率(OTR)引入至所述發酵培養基。
50.權利要求49的方法，其中所述引入步驟包括在步驟(b)中將包含氧氣的氣體以小於每小時每升發酵培養基約10毫摩爾的氧氣的OTR引入至所述發酵培養基。
51.權利要求49的方法，其中所述引入步驟包括在步驟(b)中將包含氧氣的氣體以小於每小時每升發酵培養基約0. 1和約5毫摩爾之間的氧氣的OTR引入至所述發酵培養基。
52.權利要求49的方法，其中從所述發酵培養基回收所述C3-C6醇的步驟包括以下步驟將所述C3-C6醇在部分發酵培養基中的活度提高到至少為所述C3-C6醇在所述部分中達到飽和時的活度，或者將水在部分發酵培養基中的活度降低到至少為所述C3-C6醇在所述部分中達到飽和時的活度；從所述部分發酵培養基形成C3-C6醇富集液相和水富集液相；以及使所述C3-C6醇富集相與所述水富集相分離。
53.權利要求52的方法，還包括以下步驟 將所述水富集相引導至所述發酵培養基。
54.權利要求49或者50的方法，還包括以下步驟從所述發酵培養基蒸餾包含水和C3-C6醇的蒸氣相；以及使蒸氣相中的所述C3-C6醇反應以形成產物。
55.產生C3-C6醇的方法，包括a.在發酵培養基中培養微生物以產生C3-C6醇；b.在步驟(a)中將包含氧氣的氣體以小於每小時每升發酵培養基約20毫摩爾的氧氣的氧轉移率(OTR)引入至所述發酵培養基；c.提高所述C3-C6醇在部分發酵培養基中的活度；d.蒸餾所述部分發酵培養基以產生液相和包含水和C3-C6醇的蒸氣相；以及e.將所述液相引導至所述發酵培養基。
56.操作改造的乙醇生產裝置以產生C3-C6醇的方法，所述改造的乙醇生產裝置包括預處理單元、多重發酵單元和發酵醪蒸餾器，所述方法包括a.在所述預處理單元中預處理原料以形成可發酵糖；b.在第一發酵單元中在包含所述可發酵糖的發酵培養基中培養微生物以使所述微生物生長；c.在第一發酵單元中在包含所述可發酵糖的發酵培養基中培養所述微生物以產生 C3-C6 醇；d.在步驟(c)中將包含氧氣的氣體以小於每小時每升發酵培養基約20毫摩爾的氧氣的氧轉移率(OTR)引入至所述發酵培養基；e.處理包含所述C3-C6醇的部分發酵培養基以除去部分C3-C6醇；f.將處理過的部分發酵培養基返至所述發酵單元；以及g.將所述發酵培養基從所述發酵單元轉移至所述發酵醪蒸餾器。
57.權利要求49、55或者56的方法，其中產生C3-C6醇的步驟為厭氧性的。
58.操作用於產生並回收C3-C6醇的過程的方法，所述操作包括在小於大氣壓操作的多重單元操作，所述方法包括以下步驟a.在第一單元操作中將蒸汽引入至第一噴射器以產生小於大氣壓的壓力；以及b.在第二單元操作中將蒸汽從所述第一噴射器引導至第二噴射器以產生小於大氣壓的壓力。
59.權利要求57的方法，其中所述多重單元操作包括選自下述的單元操作水再生回收、第一有效蒸發器、第二有效蒸發器、發酵醪蒸餾器、側線氣提塔和整流器。
60.權利要求57的方法，其中所述第一和第二單元操作是相同的。
61.權利要求57的方法，其中所述第一和第二單元操作是不同的。
62.將產生C3-C6醇的微生物培養成高細胞密度的方法，包括以下步驟使所述微生物在發酵培養基中生長並在所述生長步驟中從所述發酵培養基回收所述C3-C6醇；其中所述微生物達到範圍為從約每升5g至約每升150g乾重的細胞密度。
63.產生C3-C6醇的方法，包括以下步驟在發酵培養基中培養產生所述C3-C6醇的微生物以產生C3-C6醇並從所述發酵培養基回收所述C3-C6醇；其中所述C3-C6醇的產生為以每升每小時至少約Ig的速率。
64.權利要求63的方法，其中所述C3-C6醇的產生為以每升每小時至少約2g的速率。
65.權利要求64的方法，其中所述C3-C6醇為丁醇。
66.權利要求64的方法，其中所述C3-C6醇為異丁醇。
67.在第一溫度(Tl)從稀水溶液回收C3-C6醇的方法a.從所述稀水溶液蒸餾包含水和C3-C6醇的蒸氣相；b.將所述蒸氣相在第二溫度0 用冷卻的水流凝結；c.控制蒸餾步驟的壓力、Tl和C3-C6醇滴定率以使得所述蒸氣相的溫度為第三溫度 (T3)，其中T3和T2之間的差異為至少約1°C。
68.權利要求67的方法，其中所述T3和T2之間的差異為至少約5°C。
69.權利要求67的方法，其中所述T3和T2之間的差異為至少約10°C。
70.權利要求67的方法，其中T2為小於約30°C。
71.權利要求67的方法，其中所述冷卻的水流在第二溫度(1 通過蒸發冷卻產生。
72.權利要求67的方法，其中部分凝結蒸氣相用作為所述冷卻的水流。
73.權利要求67的方法，還包括從所述凝結蒸氣相形成C3-C6醇富集液相和水富集液相。
74.權利要求73的方法，還包括使所述C3-C6醇富集相與水富集相分離。
75.權利要求67的方法，其中所述蒸氣相包含來自所述稀水溶液的按重量計約2%和約40%之間的C3-C6醇。
76.權利要求67的方法，其中所述蒸餾步驟為絕熱的。
77.權利要求67的方法，其中所述蒸餾步驟為等溫的。
78.權利要求67的方法，其中所述稀水溶液包含含微生物的發酵培養基，所述方法還包括在發酵培養基中培養所述微生物以產生C3-C6醇；以及將所述水富集相引導至發酵培養基。
全文摘要
本發明涉及從稀水溶液諸如發酵肉湯中回收C3-C6醇的方法。該方法為發酵提供改善的容積生產率和容許回收醇。由於通過同時發酵和回收方法提高了醇產物的凝結效率，該方法也容許在生產和用過的發酵肉湯的乾燥中減少能量的使用，所述同時發酵和回收方法提高了每乾燥一定量的發酵肉湯生成和回收的醇量。因此，本發明容許以低資本和減少的操作成本生成和回收C3-C6醇。
文檔編號C12P7/16GK102482689SQ201080037706
公開日2012年5月30日 申請日期2010年6月25日 優先權日2009年6月26日
發明者A.A.阿里斯蒂多, A.C.霍金斯, K.埃文斯, K.德羅比什, M.布拉澤斯, S.盧卡斯, W.A.伊文科 申請人:格沃股份有限公司