CN102701930B

CN102701930B - 一种1,3-二羟基丙酮的分离提取方法

Info

Publication number: CN102701930B
Application number: CN201210151489.3A
Authority: CN
Inventors: 郑裕国; 胡忠策
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2012-05-16
Filing date: 2012-05-16
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2032-05-16
Also published as: CN102701930A

Abstract

本发明提供了一种1,3-二羟基丙酮的分离提取方法，所述方法包括：将DHA发酵液先用膜过滤设备进行固液分离，得到滤液进行活性碳脱色，然后用真空膜膜蒸馏技术进行浓缩。浓缩后的物料加入无水乙醇，搅拌、过滤，弃去沉淀，得到DHA乙醇溶液进行用旋转蒸发器进行真空浓缩，浓缩液中加入无水乙醇在0℃结晶，过滤得到晶体，用0℃丙酮淋洗，然后在40℃下进行真空干燥，得到DHA产品。本发明有益效果为节能、操作简单、方便。本发明利用陶瓷微孔膜过滤技术进行DHA发酵液固液分离，提高过滤效率；利用真空膜蒸馏技术进行DHA发酵液浓缩，提高浓缩效率，节约能耗。本发明的DHA分离提取工艺具有操作简单方便、节能、生产效率高等特点，可适合于工业化大规模生产。

Description

一种1,3-二羟基丙酮的分离提取方法

（一）技术领域

本发明涉及一种1,3-二羟基丙酮的分离提取方法。

（二）背景技术

1,3-二羟基丙酮（1,3-Dihydroxyacetone）又称为二羟基丙酮（以下简称DHA），是最简单的酮糖，带有甜味的白色粉末状结晶，易溶于水、乙醇、丙酮和乙醚等有机溶剂。这种化学物质的分子量为90.08，其化学结构式如下：

DHA用途广泛，市场容量大。DHA是一种重要的化工原料、医药中间体和食品添加剂，用途广泛：（1）DHA分子中含有三个官能团，化学性质活泼，广泛参与诸如聚合、缩合等各种化学反应，是一种重要的化学合成的中间体，也是一个重要的多功能试剂，如能有效地参与从甲醛到羟醛、羟酮的缩合反应。（2）DHA广泛应用于化妆品中，能阻止皮肤的水份的过度蒸发，对皮肤起到保湿和防晒作用，在制革工业中，DHA可作为皮革制品的保护剂。（3）DHA是一种重要的医药中间体和药物，现已应用于低血糖和糖尿病及某些皮肤病的治疗。（4）DHA可作为一种食品添加剂，可应用于食品生产。

以甘油为底物，氧化葡糖杆菌（Gluconobacter oxydans）发酵法制备得到DHA。从发酵液中分离提取DHA的研究也有不少专利与文献。Yamada（Journal of Fermentation Technology,1979,57(3):221-225）等报道有关DHA的提取工艺路线：（1）发酵液中加入2.0%硅藻土与2.0%活性碳，机械搅拌20min，过滤；（2）滤过液用离子树脂与阴离子树脂去除杂质与离子；然后进行真空浓缩，再用活性炭进行脱色，真空浓缩；（3）在1.9L的浓缩液中加入6L乙醇，40℃真空浓缩，重复进行（3）操作；（4）得到的浓缩液在5℃条件下进行结晶。马丽娟(高校化学工程学报，2010，24（4）：620-625)报道了DHA分离提取工艺：（1）发酵液加入0.3g/L壳聚糖，进行抽滤；然后加3.0%活性碳，70℃机械搅拌30min，进行脱色处理。（2）脱色后进行真空浓缩，得到浓缩液，加入3倍无水乙醇，进行乙醇提取（乙醇沉淀），弃去沉淀得到DHA乙醇溶液；（3）再进行真空浓缩，重复（2）操作；（4）将饱和DHA乙醇溶液的温度从40℃降低到5℃，进行结晶操作；（5）最后真空干燥得到DHA结晶体。该文献报道，总提取收率为72%。

美国专利（US4076589）报道了DHA的提取工艺路线：（1）在2L发酵液中加入22g助滤剂与22g碳酸钡，机械搅拌15min后，过滤；（2）过滤液经过酸性阳离子树脂和阴离子树脂分离去除杂质，真空浓缩；（3）220mL浓缩液加入440mL正丁醇，40℃以下真空浓缩；（4）在室温下直接结晶，结晶体用0℃丙酮进行清洗，干燥得到结晶体。

DHA是热不稳定物质，在分离提取过程中要避免高于40℃操作，在DHA分离提取过程，浓缩是必须的工序。采用40℃以下真空浓缩，浓缩效率低，浓缩过程时间长，能耗高。

膜蒸馏技术是指将膜分离过程和蒸馏过程相结合，利用疏水微孔膜两侧蒸汽压力差为传质驱动力的新兴的分离方法。真空膜蒸馏技术是膜蒸馏技术的一种，可以应用于物料浓缩，其特点是可在较低温度和负压下得到较高的浓缩效率。未见文献报道有关真空膜蒸馏技术应用于DHA分离提取工艺。

（三）发明内容

本发明目的在于提供一种高效、节能、操作简单方便的DHA分离提取新工艺。

本发明采用的技术方案是：

一种1,3-二羟基丙酮的分离提取方法，所述方法包括：

（1）将含有1,3-二羟基丙酮的发酵液用孔径0.1~0.4μm的陶瓷微孔膜过滤装置进行固液分离，操作压力为0.1MPa，收集滤液；

（2）滤液进行活性碳脱色，脱色条件为：活性碳加入量为3~5%（w/w），温度40℃，脱色15～30min;

（3）脱色后的滤液，进行真空膜蒸馏浓缩，膜孔径0.1~0.2μm，操作条件为：温度为40℃，滤液进料流速为50～80L/h，真空度为80～100kPa，浓缩时间为8～10h；浓缩后的物料体积约为原体积（脱色后的滤液）的1/3；

（4）浓缩后的物料，加入3~4倍体积的无水乙醇，搅拌、过滤，弃去沉淀，得到DHA乙醇溶液；

（5）DHA乙醇溶液进行用旋转蒸发器进行浓缩，浓缩至原体积（DHA乙醇溶液）的1/3～1/4；

（6）步骤（5）所得浓缩液中加入2～3倍体积的无水乙醇，在0℃结晶40～50h，过滤，收获晶体；

（7）过滤得到的晶体，用0℃的丙酮淋洗一次，然后在40℃下进行真空干燥1～4h，即得所述1,3-二羟基丙酮。

所述方法还可进一步包括步骤（8）：步骤（6）收获晶体后剩余的结晶母液浓缩至原体积（结晶母液）的1/6，再进行（6）~（7）步骤操作，得到所述1,3-二羟基丙酮。

优选的，步骤（1）所用为孔径0.2μm的陶瓷微孔膜过滤装置。

优选的，步骤（2）所用膜为孔径为0.1μm的中空纤维膜。

含有1,3-二羟基丙酮的发酵液（DHA发酵液）由产甘油脱氢酶的菌株在发酵培养基中添加甘油进行发酵获得，可采用现有已知的方法进行制备，例如CN101591681A中提到的方法。具体可如下：使用的菌种为CN101591681A中提到的氧化葡糖杆菌（Gluconobacter oxydans）ZJB-605（CCTCC No：M 208069）。发酵培养基组成如下：甘油：30g/L，酵母提取粉：0.5g/L，蛋白胨：0.1g/L，NaH₂PO₄·2H₂O：2g/L，余量为水，pH值5.5。在15L机械搅拌式发酵罐中进行发酵，发酵温度为30℃，通风量为0.8vvm，发酵开始装液量为10L培养基，在发酵10h后开始连续加入甘油，甘油加入速率为50g/h，总共加入3kg甘油，发酵时间为72h，得到DHA发酵液。

本发明中，DHA的分析方法可采用气相色谱与薄层层析方法进行：

DHA薄层层析方法：实验采用G型硅胶板（20mm×10mm），展开剂：氯仿-甲醇-蒸馏水混合溶剂（体积比为80∶19∶1）,显色剂组成为：磷钼酸3g，甲醇45mL，蒸馏水45mL和浓硫酸10mL。具体操作步骤：将点样后的硅胶薄板以基准线向下放置在装有展开剂的层析缸中展开10～15min，直至展开剂扩散至距离薄板顶端1～2cm处。取出薄板，吹干，碘缸中熏蒸2～5min，显色，放入烘箱中，在110℃下烘烤10min左右，即可呈现DHA斑点，采用CAMMA的薄层扫描仪测定DHA含量。

DHA气相色谱分析方法：所用的仪器：瓦里安varian cp-3800气相色谱仪，带氢火焰离子化检测器；PY-2020iD型裂解器（Frontier LaboratoriesLtd.Japan）。所用试剂：TMAH（25%水溶液），DHA（色谱纯）,甘油、无水甲醇（分析纯），蒸馏水。色谱条件：Ultra ALLOY-5不锈钢毛细管柱(30m×0.25mm×0.25μm)；汽化温度400℃；检测器温度280℃；柱温50℃开始以1℃/min升至60℃，再以10℃/min升至280℃；分流比30∶1；载气，氮气；柱流量1mL/min。加样：0.2μL发酵上清夜和0.4μL TMAH（25%水溶液）。

本发明利用陶瓷微孔膜过滤技术进行DHA发酵液固液分离，提高过滤效率；利用真空膜蒸馏技术进行DHA发酵液浓缩，提高浓缩效率，节约能耗。本发明的DHA分离提取工艺具有操作简单方便、节能、生产效率高等特点，可适合于工业化大规模生产。

（四）附图说明

图1为本发明真空膜蒸馏装置结构示意图。1：原料槽（恒温）；2：磁力泵；3：液体流量计；4：压力表；5：温度计；6：真空纤维膜组件；7：冷凝管；8：循环水式真空泵；9：储水槽。

（五）具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

本发明所用的陶瓷微孔膜过滤设备装置是合肥世杰膜工程有限公司生产，膜过滤设备型号为SJM-10-22，膜是陶瓷膜，孔径为0.2μm。

本发明所用的真空膜蒸馏装置主要由热侧回路、真空侧回路和疏水性中空纤维膜（聚丙烯中空纤维膜，膜孔径0.1μm）组件构成。物料在恒温水浴锅中加热到预定温度后，通过流量计调节流量达到预定值。其结构参见图1。

实施例1：

斜面培养基配方：葡萄糖：20g/L，酵母提取粉：5g/L，琼脂20g/L，用自来水配制，用1.0mol/L的HCl或者1.0mol/L NaOH溶液将pH调到7.0，加热溶解琼脂，121℃灭菌20min后，摆置成斜面，冷却后得到斜面培养基备用。

摇瓶液体种子培养基的配方：甘油10mL/L，酵母提取粉2g/L，蛋白胨1g/L，NaH₂PO₄·2H₂O 2g/L，溶剂为水，用1.0mol/L的HCl调pH到5.5。

将保藏在4℃冰箱中斜面菌株氧化葡糖杆菌CCTCC No：M 208069取出，接种到新配制的斜面培养基中，30℃下，培养24h，将作为斜面种子备用。

取600mL摇瓶液体种子培养基，装到12个500mL三角瓶中装入，每个摇瓶装50mL，121℃灭菌20min，将斜面种子接种至500mL三角瓶，30℃、200rpm振荡培养24h，得到种子液，待用。

发酵培养基的配方：甘油30g/L，酵母提取粉5g/L，蛋白胨1g/L，NaH₂PO₄·2H₂O 2g/L，溶剂为水，用1.0mol/L的HCl调pH到5.5。

按上述发酵培养基配方制备发酵培养基10L，装入15L发酵罐，121℃灭菌20min后。接入种子液500mL，进行DHA发酵，发酵条件如下：温度30℃，转速250rpm，通风量为0.8vvm，培养过程中采用1.0mol/L的HCl或者1.0mol/L NaOH控制pH为5.5。在发酵10h后开始连续加入甘油，甘油加入速率为50g/h，总共加入3kg甘油，发酵时间为72h。

取10L上述发酵完毕的发酵液，发酵液中DHA含量为280g/L。用陶瓷微滤膜进行固液分离，得到滤液。滤液用活性碳进行脱色，活性碳用量为3%，脱色时间为15min，脱色温度为40℃。脱色后的物料，用真空膜蒸馏设备进行浓缩，浓缩条件为：操作温度为40℃，物料进料流速为50L/h，真空度为80kPa，浓缩时间为10h。浓缩后物料的体积减少至原体积的1/3。在浓缩液中加入其3倍体积的无水乙醇，搅拌15min。过滤，弃去沉淀，得到DHA乙醇溶液。DHA乙醇溶液进行真空浓缩，浓缩后物料的体积减少至原体积的1/3。浓缩后的DHA乙醇溶液加入其2倍体积无水乙醇，在0℃下结晶50h，过滤得到湿晶体，用0℃丙酮进行淋洗，最后在40℃下真空干燥4h。结晶母液再进行浓缩，浓缩至原体积的1/6，浓缩液再加入其2倍体积的无水乙醇，在0℃下结晶50h；过滤得到湿晶体，用0℃丙酮进行淋洗，最后在40℃下真空干燥4h。

最后得到2008g DHA产品，产品中DHA纯度为98.6%。总提取收率为70.7%。

实施例2：

DHA发酵同实施例1。

取10L上述发酵完毕的发酵液，发酵液中DHA含量为280g/L。用陶瓷微滤膜进行固液分离，得到滤液。滤液用活性碳进行脱色，活性碳用量为5%，脱色时间为30min，脱色温度为40℃。脱色后的物料，用真空膜蒸馏设备进行浓缩，浓缩条件为：操作温度为40℃，物料进料流速为80L/h，真空度为100kPa，浓缩时间为8h。浓缩后物料的体积减少至原体积的1/3。在浓缩液中加入其3倍体积的无水乙醇，搅拌15min。过滤，弃去沉淀，得到DHA乙醇溶液。DHA乙醇溶液进行真空浓缩，浓缩后物料的体积减少至原体积的1/3，浓缩后物料加入其2倍体积无水乙醇。在0℃下结晶40h。过滤得到湿晶体，用0℃丙酮进行淋洗，最后在40℃下真空干燥4h。结晶母液再进行浓缩，浓缩至原体积的1/6，浓缩液再加入其2倍体积的无水乙醇，在0℃下结晶40h；过滤得到湿晶体，用0℃丙酮进行淋洗，最后在40℃下真空干燥4h。

最后得到2215g DHA产品，产品中DHA纯度为99.7%。总提取收率为78.9%。

实施例3：

DHA发酵同实施例1。

取10L上述发酵完毕的发酵液，发酵液中DHA含量为280g/L。用陶瓷微滤膜进行固液分离，得到滤液。滤液用活性碳进行脱色，活性碳用量为4%，脱色时间为25min，脱色温度为40℃。脱色后的物料，用真空膜蒸馏设备进行浓缩，浓缩条件为：操作温度为40℃，物料进料流速为80L/h，真空度为80kPa，浓缩时间为10h。浓缩后物料的体积减少至原体积的1/3。在浓缩液中加入其4倍体积的无水乙醇，搅拌15min。过滤，弃去沉淀，得到DHA乙醇溶液。DHA乙醇溶液进行真空浓缩，浓缩后物料的体积减少至原体积的1/6。浓缩后的DHA乙醇溶液加入其3倍体积无水乙醇。在0℃下结晶45h。过滤得到湿晶体，用0℃丙酮进行淋洗，最后在40℃下真空干燥1h。结晶母液再进行浓缩，浓缩至原体积的1/4，浓缩液再加入其3倍体积的无水乙醇，在0℃下结晶45h；过滤得到湿晶体，用0℃丙酮进行淋洗，最后在40℃下真空干燥1h。

最后得到2103g DHA产品，产品中DHA纯度为98.7%。总提取收率为74.1%。

实施例4：

DHA发酵同实施例1。

取10L上述发酵完毕的发酵液，发酵液中DHA含量为280g/L。用陶瓷微滤膜进行固液分离，得到滤液。滤液用活性碳进行脱色，活性碳用量为3%，脱色时间为30min，脱色温度为30℃。脱色后的物料，用真空膜蒸馏设备进行浓缩，浓缩条件为：操作温度为40℃，物料进料流速为70L/h，真空度为100kPa，浓缩时间为10h。浓缩后物料的体积减少至原体积的1/3。在浓缩液中加入其4倍体积的无水乙醇，搅拌15min。过滤，弃去沉淀，得到DHA乙醇溶液。DHA乙醇溶液进行真空浓缩，浓缩后物料的体积减少至原体积的1/3。浓缩后的DHA乙醇溶液加入其3倍体积的无水乙醇。在0℃下结晶40h。过滤得到湿晶体，用0℃丙酮进行淋洗，最后在40℃下真空干燥2h。结晶母液再进行浓缩，浓缩至原体积的1/6，浓缩液再加入其3倍体积的无水乙醇，在0℃下结晶40h；过滤得到湿晶体，用0℃丙酮进行淋洗，最后在40℃下真空干燥2h。

最后得到2285g DHA产品，产品中DHA纯度为99.8%。总提取收率为81.4%。

Claims

1.一种1,3-二羟基丙酮的分离提取方法，所述方法包括：

(1)将含有1,3-二羟基丙酮的发酵液用孔径0.1～0.4μm的陶瓷微孔膜过滤装置进行固液分离，操作压力为0.1MPa，收集滤液；

(2)滤液进行活性碳脱色，脱色条件为：活性碳加入量为3～5％，温度40℃，脱色15～30min；

(3)脱色后的滤液，进行真空膜蒸馏浓缩，膜孔径0.1～0.2μm，操作条件为：温度为40℃，滤液进料流速为50～80L/h，真空度为80～100kPa，浓缩时间为8～10h；

(4)浓缩后的物料，加入3～4倍体积的无水乙醇，搅拌、过滤，弃去沉淀，得到1,3-二羟基丙酮的乙醇溶液；

(5)1,3-二羟基丙酮的乙醇溶液用旋转蒸发器进行浓缩，浓缩至原体积的1/3～1/4；

(6)步骤(5)所得浓缩液中加入2～3倍体积的无水乙醇，在0℃结晶40～50h，过滤，收获晶体；

(7)过滤得到的晶体，用0℃的丙酮淋洗一次，然后在40℃下进行真空干燥1～4h，即得所述1,3-二羟基丙酮。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法还进一步包括步骤(8)：步骤(6)收获晶体后剩余的结晶母液浓缩至原体积的1/6，再进行(6)～(7)步骤操作，得到所述1,3-二羟基丙酮。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(1)所用过滤装置为孔径0.2μm的陶瓷微孔膜过滤装置。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(3)所用膜为孔径为0.1μm的中空纤维膜。