專利名稱：從發(fā)酵液中分離1,3－丙二醇的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物技術(shù)領(lǐng)域，涉及微生物發(fā)酵產(chǎn)品的分離技術(shù)，特別涉及到從發(fā)酵液中分離1，3-丙二醇的方法。
背景技術(shù)：
1，3-丙二醇(1，3-PD)是一種重要的化工原料，在制造聚酯纖維、聚氨酯、熱熔膠、粉末涂料、抗凍劑、包裝材料以及有機(jī)合成中間體等方面都有著廣泛的應(yīng)用，其中制造高性能的聚酯纖維PTT是目前主要的用途。1，3-丙二醇可通過化學(xué)法路線和生物法路線生產(chǎn)，采用生物技術(shù)生產(chǎn)1，3-丙二醇，以其綠色化學(xué)為特征，具有反應(yīng)條件溫和、操作簡便、副產(chǎn)物少、環(huán)境污染小、可利用再生資源等特點(diǎn)，成為新世紀(jì)生物化工研究的熱點(diǎn)之一。
1，3-丙二醇的發(fā)酵液是一個(gè)成分非常復(fù)雜的混合體系，主要成分包括產(chǎn)物1，3-丙二醇、微生物菌體、有機(jī)酸鹽、無機(jī)鹽、甘油、水、蛋白質(zhì)及其它中間代謝產(chǎn)物等，由于產(chǎn)物1，3-丙二醇分子含有兩個(gè)羥基，它的親水性較乙醇更強(qiáng)，目前發(fā)酵液中產(chǎn)物的濃度為30～70g/L，要從稀發(fā)酵液中分離回收產(chǎn)品就變得極為困難，產(chǎn)品回收率低，而且分離成本很高。
發(fā)酵液處理的第一步就是除去菌體得到澄清發(fā)酵液。由于菌體顆粒細(xì)小，發(fā)酵液外觀呈乳狀液形式，除含有顆粒細(xì)小的細(xì)菌細(xì)胞和細(xì)胞碎片外，還含有蛋白質(zhì)和其它膠狀物。直接過濾除菌幾乎是不可能的，目前多采用離心、膜過濾方法或外加絮凝劑的方法使菌體產(chǎn)生一定程度的絮凝，便于過濾除菌。離心除菌需要高速的離心設(shè)備，不能完全除菌，產(chǎn)品損失大。膜過濾存在的問題是分離能力小、分離時(shí)間長，易出現(xiàn)膜污染堵塞等。外加絮凝劑只能使部分菌體產(chǎn)生絮凝沉淀，且發(fā)酵液中存在的鹽類不會(huì)結(jié)晶析出，會(huì)給后續(xù)處理過程帶來很大的困難。
為了能更有效地從發(fā)酵液中分離1，3-丙二醇產(chǎn)品，國內(nèi)外科技工作者為此做出了不懈的努力，提出了許多工藝方法。如Janusz J等人采用液-液萃取方法從發(fā)酵液中分離1，3-丙二醇，并對(duì)其應(yīng)用潛力作了評(píng)價(jià)(Biotechnology Techiques1999 13127-130)，結(jié)果表明，難以選擇到合適的溶劑，萃取達(dá)不到理想的分離效果。在這一研究基礎(chǔ)上，他們又進(jìn)一步研究了反應(yīng)萃取分離1，3-丙二醇的方法。其方法是在酸催化劑存在下，1，3-丙二醇與乙醛反應(yīng)生成縮合物，然后用苯類溶劑(甲苯、乙苯、二甲苯等)萃取，再經(jīng)脫除溶劑、水解得到1，3-丙二醇。這一過程步驟繁瑣，操作條件難以控制，產(chǎn)品收率也不高。
在US 6,603,048中，David Richard Corbin等人提出了一種沸石分子篩吸咐分離方法，選擇合適的分子篩并采用程序解吸達(dá)到分離的目的，該方法所選用的沸石為中孔合成沸石H-ZSM-5，分離微生物細(xì)胞后的發(fā)酵液通過吸附柱吸附，用不同濃度的乙醇水溶液進(jìn)行分步解吸，該沸石分子篩不僅吸附1，3-丙二醇，同時(shí)也吸附甘油，且吸附容量低。該方法存在的主要問題是產(chǎn)物的選擇性不高，而且吸附容量太小，實(shí)際應(yīng)用還有一定困難。US 6,479,716提出了離子交換色譜法分離1，3-丙二醇，該方法采用了類似于移動(dòng)床(SMB)的技術(shù)，能夠有效地從發(fā)酵液中分離回收1，3-丙二醇。樹脂為聚苯乙烯磺酸型強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂，處理步驟包括發(fā)酵液預(yù)處理、吸附分離、解吸及純化。這種方法一次回收率不高，整個(gè)過程的效率也不高，分離的產(chǎn)品純度只有50％～90％，且樹脂的再生處理會(huì)產(chǎn)生大量的廢水，大規(guī)模生產(chǎn)存在著許多實(shí)際困難。針對(duì)目前發(fā)酵法生產(chǎn)1，3-丙二醇后續(xù)分離純化存在的問題如成本高、分離能力小，以及減壓蒸餾出現(xiàn)鹽結(jié)晶和粘性物質(zhì)阻礙蒸發(fā)等，中國專利CN1460671A提出了一種從發(fā)酵液中分離回收1，3-丙二醇的方法，具體做法是將帶菌的發(fā)酵液直接蒸發(fā)濃縮到原體積的1/2～1/20，加入一定比例的醇類溶劑如甲醇、乙醇、丙醇或丙酮等，過濾或離心得到清液，蒸餾回收溶劑后，再減壓精餾得到產(chǎn)品1，3-丙二醇。這一方法由于濃縮液還有相當(dāng)量的水存在，且所用的溶劑都是親水性的，菌體及蛋白等在這種醇(酮)水體系中的性質(zhì)并未有大的改變，離心或過濾除菌仍然十分困難，得到的清液顏色較深，而且發(fā)酵液中存在的鹽并沒有被完全除去，減壓蒸餾過程出現(xiàn)的鹽結(jié)晶和粘性物質(zhì)阻礙蒸發(fā)的問題沒有得到有效的解決。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種簡單易行、分離效果好的從發(fā)酵液中分離1，3-丙二醇的方法。
本發(fā)明方法主要包括微生物菌體分離、發(fā)酵液澄清、除水、脫鹽(包括去除雜質(zhì))、產(chǎn)品純化等步驟，具體包括(1)將1，3-丙二醇發(fā)酵液的pH值調(diào)到1.5～5.5，最好為2.0～4.0，加熱到80～100℃，保持0.5～5.0h，靜置降溫并自然沉降；(2)分離步驟(1)所得的發(fā)酵液，除去菌體及不溶性固形物，得到清液；(3)對(duì)步驟(2)得到的清液進(jìn)行加熱濃縮脫水，同時(shí)析出結(jié)晶的鹽；(4)分離步驟(3)所得的濃縮液，除去析出的鹽；(5)將步驟(4)分離所得的濃縮液通過減壓蒸餾，收集1，3-丙二醇餾分。
本發(fā)明所處理的1，3-丙二醇發(fā)酵液中1，3-丙二醇的含量為30～80g/L，發(fā)酵終止pH值為6.0～8.0。
通常終止發(fā)酵液的pH值為6.0～8.0，菌體及蛋白在此條件下不產(chǎn)生絮凝，鹽也不會(huì)結(jié)晶析出，除菌除鹽操作非常困難。但是，該發(fā)酵液在pH值≤5.5的條件下，菌體及蛋白能產(chǎn)生絮凝作用，大大提高過濾速度，而且在發(fā)酵液脫除水后，其中的鹽也會(huì)結(jié)晶析出。
本發(fā)明方法在調(diào)節(jié)發(fā)酵液的pH值時(shí)，可選用一種或多種無機(jī)酸，優(yōu)選無機(jī)酸中的硫酸、硝酸、鹽酸和磷酸中的一種或多種，無機(jī)酸的濃度最好為2～10N。加酸時(shí)酸的濃度不宜過大，否則會(huì)因加入時(shí)局部濃度過大，使發(fā)酵液中的一些敏感物質(zhì)發(fā)生氧化，加深發(fā)酵液的顏色。
步驟(3)中所述的加熱濃縮通常采用蒸餾方法脫除水分，既可以采用常壓蒸餾脫水，也可以采用減壓蒸餾脫水。為了更快速、更徹底地脫水，可以采用低真空條件脫水，系統(tǒng)真空度500mmHg～80mmHg，最好為400mmHg～200mmHg。
步驟(2)和(4)中所述的分離可通過過濾或離心分離的方法。
步驟(5)中所述的減壓蒸餾可采用高真空精餾的方法，其真空度控制在20mmHg～5mmHg，最好在15mmHg～8mmHg，先蒸出較輕的組分，收集富含1，3-丙二醇的餾分即為最終產(chǎn)品。
在步驟(1)中還可以加入一定量的助劑，所述助劑一般是具有多孔結(jié)構(gòu)的粉狀活性炭或者活性白土，同時(shí)具有脫色吸附和助濾的作用。根據(jù)所處理發(fā)酵液的特性，活性炭最好選用大孔型粉狀活性炭，顆粒度為100目以上，最好為120目以上，加入量占發(fā)酵液重量的0.5wt％～5.0wt％，最好為1.0wt％～3.0wt％。對(duì)于活性白土，則選用酸性活性白土，顆粒度越小，效果越好，加入量占發(fā)酵液重量的1.0wt％～8.0wt％為宜，最好為1.5wt％～6.0wt％。
絮凝過程在要求的溫度下，加熱時(shí)間既要保證發(fā)酵液中的菌體及蛋白能夠最大限度的絮凝，又要保證脫色吸附劑達(dá)到良好的吸附效果。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)、本發(fā)明發(fā)酵液中微生物菌體、蛋白的絮凝和脫色在同一步驟中完成，在pH值≤5.5的條件下能使菌體和蛋白更加有效地絮凝，并綜合了加熱破乳的優(yōu)點(diǎn)，強(qiáng)化了絮凝效果，使除菌過程變得更為簡單而有效；(2)、本發(fā)明方法可使發(fā)酵液中存在的鹽結(jié)晶析出，通過過濾或離心分離便可方便地除去，從而有效地解決了減壓蒸餾過程出現(xiàn)的鹽結(jié)晶和粘性物質(zhì)阻礙蒸發(fā)的問題，使分離提純過程更加便于實(shí)施。
具體實(shí)施例方式
下面通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳述。
實(shí)施例1本實(shí)施例所處理的發(fā)酵液是以甘油為底物，采用克雷伯氏菌發(fā)酵而得到的1，3-丙二醇發(fā)酵液，1，3-丙二醇的含量為70.7 g/L，發(fā)酵終止pH值為7.0。
取500ml上述發(fā)酵液，用8N的硫酸調(diào)節(jié)pH值至4.0，加入1.2wt％的粉狀活性炭，攪拌下加熱到95℃，恒溫0.8h，自然降溫靜置沉降，待絮凝完全沉降后過濾，得到無色透明的發(fā)酵清液。常壓蒸餾除去清液中的水，其中所含的鹽呈結(jié)晶狀析出，過濾除去鹽，得到含有1，3-丙二醇的濃縮液，然后在10mmHg的真空度下減壓蒸餾，收集100～108℃的1，3-丙二醇餾分，得到產(chǎn)品的純度為99.1wt％，回收率82.2wt％。
實(shí)施例2本實(shí)施例中所用的1，3-丙二醇發(fā)酵液中，1，3-丙二醇含量為51.2g/L，發(fā)酵終止pH值為7.0。
取500ml上述發(fā)酵液，用6N的鹽酸調(diào)節(jié)pH值至3.0，加入2.0wt％的粉狀活性炭，攪拌下加熱到90℃，恒溫1h，自然降溫靜置沉降，待絮凝完全沉降后過濾，得到無色透明的發(fā)酵清液。減壓蒸餾除去清液中的水，操作真空度為200mmHg，操作溫度65～70℃，然后過濾除去結(jié)晶出的鹽，得到含有1，3-丙二醇的濃縮液，在10mmHg的真空度下減壓蒸餾，收集100～108℃的1，3-丙二醇餾分，得到產(chǎn)品的純度為99.3wt％，回收率84.5wt％。
實(shí)施例3本實(shí)施例中所用的1，3-丙二醇發(fā)酵液中，1，3-丙二醇含量為63.3g/L，發(fā)酵終止pH值為7.4。
取500ml上述發(fā)酵液，用4N的硫酸調(diào)節(jié)pH值至5.0，加入4.0wt％的粉狀活性白土，攪拌下加熱到82℃，恒溫3.5h，自然降溫靜置沉降，待絮凝完全沉降后過濾，得到發(fā)酵清液。減壓蒸餾除水，操作真空度為100mmHg，操作溫度51～56℃，然后過濾除去結(jié)晶出的鹽，得到含有1，3-丙二醇的濃縮液，在6mmHg的真空度下減壓蒸餾，收集95～98℃的1，3-丙二醇餾分，得到產(chǎn)品的純度為99.0wt％，回收率81.5wt％。
權(quán)利要求
1.一種從發(fā)酵液中分離提取1，3-丙二醇的方法，其步驟包括(1)將1，3-丙二醇發(fā)酵液的pH值調(diào)到1.5～5.5，加熱到80～100℃，并保持0.5～5.0h后，靜置沉降；(2)分離步驟(1)所得的發(fā)酵液，除去菌體及不溶性固形物，得85到清液；(3)對(duì)步驟(2)得到的清液進(jìn)行加熱濃縮脫水，同時(shí)析出結(jié)晶的鹽；(4)分離步驟(3)所得的濃縮液，除去析出的鹽；(5)將步驟(4)分離所得的濃縮液通過減壓蒸餾，收集1，3-丙二醇餾分。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的1，3-丙二醇發(fā)酵液中1，3-丙二醇的含量為30～80g/L，發(fā)酵終止pH值為6.0～8.0。
3.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(1)中用于調(diào)節(jié)發(fā)酵液pH值所用的酸為硫酸、硝酸、鹽酸和磷酸中的一種或多種，其濃度為2～10N。
4.按照權(quán)利要求1或3所述的方法，其特征在于步驟(1)中調(diào)節(jié)發(fā)酵液的pH值至2.0～4.0。
5.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(3)中所述的加熱濃縮采用低真空條件脫水，系統(tǒng)真空度500mmHg～80mmHg。
6.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(2)和(4)中所述的分離是通過過濾或離心分離的方法。
7.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(5)中所述的減壓蒸餾采用高真空精餾的方法，其真空度控制在20mmHg～5mmHg。
8.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在步驟(1)中加入助劑；所述助劑是具有多孔結(jié)構(gòu)的粉狀活性炭或者活性白土。
9.按照權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于步驟(1)所用的活性炭為大孔型粉狀活性炭，顆粒度為100目以上，加入量占發(fā)酵液重量的0.5wt％～5.0wt％。
10.按照權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于步驟(1)所用的活性白土為酸性活性白土，加入量占發(fā)酵液重量的1.0wt％～8.0wt％。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種從1，3－丙二醇發(fā)酵液中分離提取1，3－丙二醇的方法。該方法包括如下步驟調(diào)節(jié)發(fā)酵液的pH值≤5.5，并經(jīng)加熱，靜置沉降后，取上清液；然后對(duì)清液加熱濃縮脫水，分離除去析出的鹽，最后經(jīng)減壓蒸餾收集1，3－丙二醇餾分。本發(fā)明方法在pH值≤5.5下使菌體蛋白更加有效地絮凝，并綜合了加熱破乳的優(yōu)點(diǎn)，強(qiáng)化了絮凝效果，使除菌過程變得更為簡單而有效。本發(fā)明方法可使發(fā)酵液中存在的鹽結(jié)晶析出，通過過濾或離心分離便可方便地除去，從而有效地解決了減壓蒸餾過程出現(xiàn)的鹽結(jié)晶和粘性物質(zhì)阻礙蒸發(fā)的問題，使分離過程更加便于實(shí)施。
文檔編號(hào)C07C31/20GK1951887SQ20051004749
公開日2007年4月25日 申請(qǐng)日期2005年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月19日
發(fā)明者王崇輝 申請(qǐng)人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司撫順石油化工研究院