基于丙酮-丁醇-乙醇精餾的工藝研究

倪福鑫,閆玲玲，高 源

(青島伊科思技術工程有限公司，山東 青島 266042)

丁醇通過發酵來生產最早開始于十九世紀六十年代[1]，而丙酮-丁醇-乙醇(Acetone-Butanol-Ethane，ABE)的工業化發酵制備是從二戰之后開始大規模興起的[2]。但是ABE的存在對微生物的生長代謝產生抑制，使得發酵液中ABE的濃度一般維持在23g/L以下，其中丁醇一般不超過13g/L[3]，因而造成低丁醇產量和低底物轉化率，導致丁醇的生產成本提高。因此丁醇低產量的解決方法之一是及時得分離發酵產物，即不斷移出發酵液中的丁醇使產物抑制作用降低從而提高丁醇產量。本文研究了蒸餾工藝中的重要參數改變，對整體工藝的影響情況，完成對整個工藝流程的深入分析，為以后的ABE分離工藝工業化提供理論依據和設計參考。

1 傳統的精餾工藝

傳統的精餾工藝并不復雜，依據各組分的沸點情況依次將產物分離出來。假定進料量為1000 kg/h(年產80噸丁醇中試規模)，其中水980 kg/h，丁醇11 kg/h，丙酮6 kg/h，乙醇3 kg/h。建立初步的工藝流程模型如圖1所示。

圖1 傳統精餾工藝分離ABE的工藝流程圖

1.1 醪塔的模擬計算與參數優化

醪塔T310的主要作用就是濃縮發酵液，將大部分的水分除去。這樣，從醪塔出來的物流中，含有水40%左右和ABE在60%左右。因此在規定醪塔的工藝參數時，經簡單計算得知，塔頂的采出量為34 kg/h。回流比暫定為2或者3，待設置目標函數，再優化回流比。理論板數設定同回流比一致。壓力定為0.9 bar，一方面可以滿足在分離要求一定的情況下，回流比不會太大或者太小，另一方面，壓力太低，不利于后續工藝壓力的設定，并且容易造成真空系統的壓力。

目標函數的設定主要考慮醪塔的功能，即將多余的水分從塔底除去，并且保證丁醇在塔底采出物流中的含量極低，設定為5E-05(50 ppm)。變量主要考慮回流比的變化。即回流比在一定范圍內，有個最優值，能保證，丁醇在塔底采出物流中的含量維持在50 ppm。靈敏度分析主要用來對塔的工藝參數進一步優化，得到最優值。醪塔可以優化的參數除了已經考慮的回流比之外，還有理論板數和進料板位置。下面，重點考察理論板數和進料板位置。

圖2 理論板的確定數據

由圖2可知，回流比選擇1～2之間，都是可以的，對應的理論板數為9～12；理論板數在到達12塊板時，再增加時，熱負荷沒有明顯的降低。熱負荷不宜過大，一方面避免大量的能耗，另一方面可以減少冷凝器的設備投資。綜合考慮，理論板選擇為11塊板。

進料板位置對回流比的影響如圖3數據所示。

圖3 醪塔的進料板位置確定數據

從圖3可以看出，從第3塊板進料，回流比最小。

綜上所述：醪塔的理論板為11塊，從第3塊板進料，回流比為1。

1.2 丁醇塔的模擬計算與參數優化

第一丁醇塔T320，主要的任務是塔頂分離丙酮和乙醇，塔中采出水和丁醇的共沸物，塔底采出產品丁醇。第二丁醇塔T350的任務是精制丁醇。優化的方式同上節一致，對關鍵的理論板、回流比和進出料位置優化[4]。

第一丁醇塔T320，塔頂采出物料中保證丁醇的濃度在0.001。第二丁醇塔T350，塔底采出物料中保證丁醇的濃度在0.999。分離任務的選定，可以根據塔本身的理論板數和進料板位置，隨時進行調整。T320的塔中采出，去醇相水相分離罐B360，其中，自由水回醪塔T310，包含少量丁醇和乙醇的醇相回T320。T350頂出料進醇相水相分離器，以保證丁醇和乙醇不會有大的損失。

優化計算結果：第一丁醇塔，理論板為40塊，從第8塊板進料，從第18塊側線采出，回流比為3；第二丁醇塔理論板為8，第5塊板進料，回流比為2。

1.3 丙酮塔和乙醇塔的模擬計算與參數優化

從第一丁醇塔T320塔頂采出的丙酮、乙醇和少量水的混合物直接進入丙酮塔T330。丙酮塔T330塔頂出丙酮，塔底出乙醇和水的混合物，進入乙醇塔T340。從丙酮塔塔底出來的乙醇水混合物進入乙醇塔T340，塔頂蒸出乙醇，塔底采出水。采出的水中含有微量的醇，進入醇水分離罐B360。

優化計算結果：丙酮塔T330理論板為35，第27塊板進料，回流比為4.5；乙醇塔理論板為45，第33塊板進料，回流比為3.5。

2 精餾過程中的能量平衡

采用精餾法分離ABE工藝模型建立后，各單元設備的能量平衡數據隨之產生，如表1所示。塔底再沸器工藝物料計算，按照氣化率8%～10%，溫度升高8～10℃。

表1 精餾過程的能量平衡表

表1(續)

3 結論

精餾法分離ABE工藝成熟，操作簡單，應用廣泛，但由于發酵液中的各組分含量低，總溶劑含量一般在2%左右，因此需要多次精餾，能耗很大，導致成本增高。如何采用簡單手段如萃取提高產品的濃度后再次精餾或者是在有效降低過程能耗的基礎上采用氣提或者原位萃取的方式分離ABE產品將是未來的重點研究內容。

[1] Schardinger F.Bacillus macerans, ein Aceton bildender Rottebacillus[J].Zbl Bakteriol Parasitenkd Infektionskr Hyg Abt II,1905,14:772-781.

[2] Rose A H.Industrial microbiology[J].Industrial microbiology,1961.

[3] Tomas C A,Welker N E,Papoutsakis E T.Overexpression of groESL in Clostridium acetobutylicum results in increased solvent production and tolerance, prolonged metabolism,and changes in the cell's transcriptional program[J].Applied and Environmental Microbiology,2003,69(8):4951-4965.

[4] 上海溶劑廠.發酵法制造丙酮與丁醇[M].上海：科學技術出版社,1959.