CN100413832C

CN100413832C - 从发酵液中分离1,3-丙二醇的方法

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Publication number: CN100413832C
Application number: CNB2005100474973A
Authority: CN
Inventors: 王崇辉
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals
Current assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals
Priority date: 2005-10-19
Filing date: 2005-10-19
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2025-10-19
Also published as: CN1951887A

Abstract

本发明公开了一种从1，3-丙二醇发酵液中分离提取1，3-丙二醇的方法。该方法包括如下步骤：调节发酵液的pH值≤5.5，并经加热，静置沉降后，取上清液；然后对清液加热浓缩脱水，分离除去析出的盐，最后经减压蒸馏收集1，3-丙二醇馏分。本发明方法在pH值≤5.5下使菌体蛋白更加有效地絮凝，并综合了加热破乳的优点，强化了絮凝效果，使除菌过程变得更为简单而有效。本发明方法可使发酵液中存在的盐结晶析出，通过过滤或离心分离便可方便地除去，从而有效地解决了减压蒸馏过程出现的盐结晶和粘性物质阻碍蒸发的问题，使分离过程更加便于实施。

Description

从发酵液中分离1，3-丙二醇的方法

技术领域

本发明属于生物技术领域，涉及微生物发酵产品的分离技术，特别涉及到从发酵液中分离1，3-丙二醇的方法。

背景技术

1，3-丙二醇(1，3-PD)是一种重要的化工原料，在制造聚酯纤维、聚氨酯、热熔胶、粉末涂料、抗冻剂、包装材料以及有机合成中间体等方面都有着广泛的应用，其中制造高性能的聚酯纤维PTT是目前主要的用途。1，3-丙二醇可通过化学法路线和生物法路线生产，采用生物技术生产1，3-丙二醇，以其绿色化学为特征，具有反应条件温和、操作简便、副产物少、环境污染小、可利用再生资源等特点，成为新世纪生物化工研究的热点之一。

1，3-丙二醇的发酵液是一个成分非常复杂的混合体系，主要成分包括产物1，3-丙二醇、微生物菌体、有机酸盐、无机盐、甘油、水、蛋白质及其它中间代谢产物等，由于产物1，3-丙二醇分子含有两个羟基，它的亲水性较乙醇更强，目前发酵液中产物的浓度为30～70g/L，要从稀发酵液中分离回收产品就变得极为困难，产品回收率低，而且分离成本很高。

发酵液处理的第一步就是除去菌体得到澄清发酵液。由于菌体颗粒细小，发酵液外观呈乳状液形式，除含有颗粒细小的细菌细胞和细胞碎片外，还含有蛋白质和其它胶状物。直接过滤除菌几乎是不可能的，目前多采用离心、膜过滤方法或外加絮凝剂的方法使菌体产生一定程度的絮凝，便于过滤除菌。离心除菌需要高速的离心设备，不能完全除菌，产品损失大。膜过滤存在的问题是分离能力小、分离时间长，易出现膜污染堵塞等。外加絮凝剂只能使部分菌体产生絮凝沉淀，且发酵液中存在的盐类不会结晶析出，会给后续处理过程带来很大的困难。

为了能更有效地从发酵液中分离1，3-丙二醇产品，国内外科技工作者为此做出了不懈的努力，提出了许多工艺方法。如Janusz J等人采用液-液萃取方法从发酵液中分离1，3-丙二醇，并对其应用潜力作了评价(Biotechnology Techniques1999 13：127-130)，结果表明，难以选择到合适的溶剂，萃取达不到理想的分离效果。在这一研究基础上，他们又进一步研究了反应萃取分离1，3-丙二醇的方法。其方法是在酸催化剂存在下，1，3-丙二醇与乙醛反应生成缩合物，然后用苯类溶剂(甲苯、乙苯、二甲苯等)萃取，再经脱除溶剂、水解得到1，3-丙二醇。这一过程步骤繁琐，操作条件难以控制，产品收率也不高。

在US 6,603,048中，David Richard Corbin等人提出了一种沸石分子筛吸咐分离方法，选择合适的分子筛并采用程序解吸达到分离的目的，该方法所选用的沸石为中孔合成沸石H-ZSM-5，分离微生物细胞后的发酵液通过吸附柱吸附，用不同浓度的乙醇水溶液进行分步解吸，该沸石分子筛不仅吸附1，3-丙二醇，同时也吸附甘油，且吸附容量低。该方法存在的主要问题是产物的选择性不高，而且吸附容量太小，实际应用还有一定困难。US 6,479,716提出了离子交换色谱法分离1，3-丙二醇，该方法采用了类似于移动床(SMB)的技术，能够有效地从发酵液中分离回收1，3-丙二醇。树脂为聚苯乙烯磺酸型强酸性阳离子交换树脂，处理步骤包括发酵液预处理、吸附分离、解吸及纯化。这种方法一次回收率不高，整个过程的效率也不高，分离的产品纯度只有50％～90％，且树脂的再生处理会产生大量的废水，大规模生产存在着许多实际困难。针对目前发酵法生产1，3-丙二醇后续分离纯化存在的问题如成本高、分离能力小，以及减压蒸馏出现盐结晶和粘性物质阻碍蒸发等，中国专利CN1460671A提出了一种从发酵液中分离回收1，3-丙二醇的方法，具体做法是将带菌的发酵液直接蒸发浓缩到原体积的1/2～1/20，加入一定比例的醇类溶剂如甲醇、乙醇、丙醇或丙酮等，过滤或离心得到清液，蒸馏回收溶剂后，再减压精馏得到产品1，3-丙二醇。这一方法由于浓缩液还有相当量的水存在，且所用的溶剂部是亲水性的，菌体及蛋白等在这种醇(酮)水体系中的性质并未有大的改变，离心或过滤除菌仍然十分困难，得到的清液颜色较深，而且发酵液中存在的盐并没有被完全除去，减压蒸馏过程出现的盐结晶和粘性物质阻碍蒸发的问题没有得到有效的解决。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种简单易行、分离效果好的从发酵液中分离1，3-丙二醇的方法。

本发明方法主要包括微生物菌体分离、发酵液澄清、除水、脱盐(包括去除杂质)、产品纯化等步骤，具体包括：

(1)将1，3-丙二醇发酵液的pH值调到1.5～5.5，最好为2.0～4.0，加热到80～100℃，保持0.5～5.0h，静置降温并自然沉降；

(2)分离步骤(1)所得的发酵液，除去菌体及不溶性固形物，得到清液；

(3)对步骤(2)得到的清液进行加热浓缩脱水，同时析出结晶的盐；

(4)分离步骤(3)所得的浓缩液，除去析出的盐；

(5)将步骤(4)分离所得的浓缩液通过减压蒸馏，收集1，3-丙二醇馏分。

本发明所处理的1，3-丙二醇发酵液中1，3-丙二醇的含量为30～80g/L，发酵终止pH值为6.0～8.0。

通常终止发酵液的pH值为6.0～8.0，菌体及蛋白在此条件下不产生絮凝，盐也不会结晶析出，除菌除盐操作非常困难。但是，该发酵液在pH值≤5.5的条件下，菌体及蛋白能产生絮凝作用，大大提高过滤速度，而且在发酵液脱除水后，其中的盐也会结晶析出。

本发明方法在调节发酵液的pH值时，可选用一种或多种无机酸，优选无机酸中的硫酸、硝酸、盐酸和磷酸中的一种或多种，无机酸的浓度最好为2～10N。加酸时酸的浓度不宜过大，否则会因加入时局部浓度过大，使发酵液中的一些敏感物质发生氧化，加深发酵液的颜色。

步骤(3)中所述的加热浓缩通常采用蒸馏方法脱除水分，既可以采用常压蒸馏脱水，也可以采用减压蒸馏脱水。为了更快速、更彻底地脱水，可以采用低真空条件脱水，系统真空度500mmHg～80mmHg，最好为400mmHg～200mmHg。

步骤(2)和(4)中所述的分离可通过过滤或离心分离的方法。

步骤(5)中所述的减压蒸馏可采用高真空精馏的方法，其真空度控制在20mmHg～5mmHg，最好在15mmHg～8mmHg，先蒸出较轻的组分，收集富含1，3-丙二醇的馏分即为最终产品。

在步骤(1)中还可以加入一定量的助剂，所述助剂一般是具有多孔结构的粉状活性炭或者活性白土，同时具有脱色吸附和助滤的作用。根据所处理发酵液的特性，活性炭最好选用大孔型粉状活性炭，颗粒度为100目以上，最好为120目以上，加入量占发酵液重量的0.5wt％～5.0wt％，最好为1.0wt％～3.0wt％。对于活性白土，则选用酸性活性白土，颗粒度越小，效果越好，加入量占发酵液重量的1.0wt％～8.0wt％为宜，最好为1.5wt％～6.0wt％。

絮凝过程在要求的温度下，加热时间既要保证发酵液中的菌体及蛋白能够最大限度的絮凝，又要保证脱色吸附剂达到良好的吸附效果。

本发明与现有技术相比具有以下优点：(1)、本发明发酵液中微生物菌体、蛋白的絮凝和脱色在同一步骤中完成，在pH值≤5.5的条件下能使菌体和蛋白更加有效地絮凝，并综合了加热破乳的优点，强化了絮凝效果，使除菌过程变得更为简单而有效；(2)、本发明方法可使发酵液中存在的盐结晶析出，通过过滤或离心分离便可方便地除去，从而有效地解决了减压蒸馏过程出现的盐结晶和粘性物质阻碍蒸发的问题，使分离提纯过程更加便于实施。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的详述。

实施例1

本实施例所处理的发酵液是以甘油为底物，采用克雷伯氏菌发酵而得到的1，3-丙二醇发酵液，1，3-丙二醇的含量为70.7g/L，发酵终止pH值为7.0。

取500ml上述发酵液，用8N的硫酸调节pH值至4.0，加入1.2wt％的粉状活性炭，搅拌下加热到95℃，恒温0.8h，自然降温静置沉降，待絮凝完全沉降后过滤，得到无色透明的发酵清液。常压蒸馏除去清液中的水，其中所含的盐呈结晶状析出，过滤除去盐，得到含有1，3-丙二醇的浓缩液，然后在10mmHg的真空度下减压蒸馏，收集100～108℃的1，3-丙二醇馏分，得到产品的纯度为99.1wt％，回收率82.2wt％。

实施例2

本实施例中所用的1，3-丙二醇发酵液中，1，3-丙二醇含量为51.2g/L，发酵终止pH值为7.0。

取500ml上述发酵液，用6N的盐酸调节pH值至3.0，加入2.0wt％的粉状活性炭，搅拌下加热到90℃，恒温1h，自然降温静置沉降，待絮凝完全沉降后过滤，得到无色透明的发酵清液。减压蒸馏除去清液中的水，操作真空度为200mmHg，操作温度65～70℃，然后过滤除去结晶出的盐，得到含有1，3-丙二醇的浓缩液，在10mmHg的真空度下减压蒸馏，收集100～108℃的1，3-丙二醇馏分，得到产品的纯度为99.3wt％，回收率84.5wt％。

实施例3

本实施例中所用的1，3-丙二醇发酵液中，1，3-丙二醇含量为63.3g/L，发酵终止pH值为7.4。

取500ml上述发酵液，用4N的硫酸调节pH值至5.0，加入4.0wt％的粉状活性白土，搅拌下加热到82℃，恒温3.5h，自然降温静置沉降，待絮凝完全沉降后过滤，得到发酵清液。减压蒸馏除水，操作真空度为100mmHg，操作温度51～56℃，然后过滤除去结晶出的盐，得到含有1，3-丙二醇的浓缩液，在6mmHg的真空度下减压蒸馏，收集95～98℃的1，3-丙二醇馏分，得到产品的纯度为99.0wt％，回收率81.5wt％。

Claims

1. 一种从发酵液中分离提取1，3-丙二醇的方法，其步骤包括：

(1)将1，3-丙二醇发酵液的pH值调到1.5～5.5，加热到80～100℃，并保持0.5～5.0h后，静置沉降；

(4)分离步骤(3)所得的浓缩液，除去析出的盐；

2. 按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述的1，3-丙二醇发酵液中1，3-丙二醇的含量为30～80g/L，发酵终止pH值为6.0～8.0。

3. 按照权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(1)中用于调节发酵液pH值所用的酸为硫酸、硝酸、盐酸和磷酸中的一种或多种，其浓度为2～10N。

4. 按照权利要求1或3所述的方法，其特征在于步骤(1)中调节发酵液的pH值至2.0～4.0。

5. 按照权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(3)中所述的加热浓缩采用低真空条件脱水，系统真空度500mmHg～80mmHg。

6. 按照权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(2)和(4)中所述的分离是通过过滤或离心分离的方法。

7. 按照权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(5)中所述的减压蒸馏采用高真空精馏的方法，其真空度控制在20mmHg～5mmHg。

8. 按照权利要求1所述的方法，其特征在于在步骤(1)中加入助剂；所述助剂是具有多孔结构的粉状活性炭或者活性白土。

9. 按照权利要求8所述的方法，其特征在于步骤(1)所用的活性炭为大孔型粉状活性炭，颗粒度为100目以上，加入量占发酵液重量的0.5wt％～5.0wt％。

10. 按照权利要求8所述的方法，其特征在于步骤(1)所用的活性白土为酸性活性白土，加入量占发酵液重量的1.0wt％～8.0wt％。