CN103420826A

CN103420826A - 从发酵液中提取丁二酸的方法

Info

Publication number: CN103420826A
Application number: CN2012101522048A
Authority: CN
Inventors: 万屹东; 潘春; 芮新生
Original assignee: CHANGMAO BIOCHEMICAL ENGINEERING Co Ltd
Current assignee: CHANGMAO BIOCHEMICAL ENGINEERING Co Ltd
Priority date: 2012-05-15
Filing date: 2012-05-15
Publication date: 2013-12-04

Abstract

本发明公开了一种从发酵液中提取丁二酸的方法，步骤为：（1）将丁二酸钠发酵液通过孔径为0.1~0.5um的微滤膜进行错流过滤，除去菌体和颗粒较大的杂质颗粒；（2）将步骤（1）获得的溶液通过截留分子量为500~2000的纳滤膜进行错流过滤，除去蛋白质和色素，得到澄清丁二酸钠溶液；（3）通过双极膜电渗析，分别得到含少量丁二酸钠的丁二酸溶液和氢氧化钠溶液；（4）将含少量丁二酸钠的丁二酸溶液通过氢型强酸型阳离子交换树脂，除去残余的钠离子，得到纯净的丁二酸溶液；（5）蒸发，结晶得到丁二酸晶体。本发明的方法各步骤之间串联紧密，料液始终在密闭的条件下循环，工艺流程短，步骤简单，对设备要求低，产品纯度高。

Description

从发酵液中提取丁二酸的方法

技术领域

本发明属于生物化工技术领域，涉及一种从发酵液中提取丁二酸的方法。

背景技术

丁二酸（琥珀酸）是一种重要的C4平台化合物，广泛的用于医药、农药、染料、香料、油漆、食品、塑料和照相材料工业。是1，4-丁二醇、四氢呋喃，γ-丁内酯、PBT树脂、N-甲基吡咯烷酮、己二酸等重要大宗化学品和专用化学品的基础原料。

丁二酸的合成方法主要有化学法和微生物发酵法。化学法主要有石蜡氧化、氯乙酸甲酯的氰化水解、环烯的臭氧氧化、顺丁烯二酸酐或反丁烯二酸的催化加氢和顺丁烯二酸的电解。化学合成法中生产丁二酸会造成大量的污染，而且化学合成法的原料是不可再生的石油化工产品，使其广泛应用受到了限制。微生物发酵生产丁二酸的原料为可再生资源如玉米浆、甘蔗、葡萄糖等，此外，发酵工程中吸收CO₂，从环保和资源的利用上来看，发酵法生产丁二酸是一种新兴、很有发展潜力的绿色工艺。目前微生物发酵较好的水平为发酵液中丁二酸的含量为50g/L左右。所以发酵液中所含的成分除丁二酸外还主要包括菌体、颗粒状培养基组分、可溶性生物大分子、小分子有机物及有机酸（甲酸、乙酸）等。因此针对微生物发酵液制备丁二酸的后处理和提纯的研究具有重要意义。

利用微生物发酵制备丁二酸的提纯方法主要有钙盐法，氨盐法，溶剂萃取法，常规电渗析法，膜分离法。

美国专利US5143833，US5168055公开了钙盐提取丁二酸的方法，向发酵液中加入氢氧化钙，产生丁二酸钙的沉淀，过滤后酸化，除去硫酸钙后得到丁二酸溶液，但是上述方法的收率较低，存在提取过程中产生大量的硫酸钙废弃物，酸碱消耗量大，能耗大的缺陷。

美国专利US5958744公开了一种氨盐提取丁二酸的方法，先用氢氧化钠调节发酵液的pH大于6.5，然后再加入硫酸氢铵，进行结晶，最后通过甲醇纯化。铵盐法路线长，需用大量的溶剂，结晶条件不易掌握，步骤较繁，难度大，操作费用高，后处理的成本高。

美国专利US503415公开了常规电渗析后再经脱盐电渗析除去大部分盐得到纯度较高的丁二酸溶液。但是电渗析法路线长，能耗高，处理杂质离子有很大的局限性，如不能处理二价离子，对设备投资大，操作困难。

Lee SY(Proess Biochem,2006,41:1461-1465)，王大为（高校化学工程学报，1994，8（2）；143。报道了用溶剂的方法提取丁二酸，但是在提取的过程中需消耗大量昂贵的有机溶剂，导致提纯成本较高，同时残留溶剂的毒性对食品级及医药级产品的质量有不良影响，该法还不适合高强离子强度的发酵液体系。

中国专利CN1887843公开了一种采用微滤膜过滤，然后用超滤膜过滤，再用活性炭脱色，浓缩，结晶来提取丁二酸的方法，但是这种方法不能将丁二酸盐转化为丁二酸，最后还要加酸酸化，会导致溶液中引入大量的盐，结果会导致提纯产品较为困难，收率较低。

中国专利CN101348428A和CN101348429A公开了一种用阴、阳树脂提纯丁二酸的方法，但是在离子交换的过程中会消耗大量的水，使得蒸发成本较高，增加了能耗成本，并且再生的过程会产生大量的废水。同时用于发酵液中含盐量高，导致树脂污染严重，再生困难，树脂寿命缩短。

上述提取方法中存在后处理提纯成本高，所用试剂材料较为昂贵，工艺路线长，方法过于复杂，能耗大的问题，不利于发酵法生产丁二酸的规模化生产。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种工艺条件温和，操作简便，路线短，成本低，选择性好，产品质量高以及副产氢氧化钠溶液的从发酵液中提取丁二酸的方法。

本发明的技术方案概述如下：

从发酵液中提取丁二酸的方法，包括如下步骤：

（1）将通过微生物发酵法生产的丁二酸钠发酵液通过孔径为0.1~0.5um的微滤膜在操作压力为0.1-0.15MPa，操作温度为10~30℃的条件下进行错流过滤，浓缩倍数15~25倍，洗水量为发酵液体积的10~50%，除去菌体和颗粒较大的杂质颗粒；

（2）将步骤（1）获得的溶液通过截留分子量为500~2000的纳滤膜在压力为1~5MPa，温度为20~60℃的条件下进行错流过滤，浓缩倍数20~40倍，洗水量为发酵液体积的10~30%，除去发酵液中残留的蛋白质和色素，得到澄清丁二酸钠溶液；

（3）将所述澄清丁二酸钠溶液在5~40℃的条件下通过双极膜电渗析，分别得到含少量丁二酸钠的丁二酸溶液和氢氧化钠溶液；

（4）将所述含少量丁二酸钠的丁二酸溶液通过氢型强酸型阳离子交换树脂，除去残余的钠离子，得到纯净的丁二酸溶液；

（5）将所述纯净的丁二酸溶液减压蒸发，降温结晶得到白色丁二酸晶体。

所述氢型强酸型阳离子交换树脂的型号优选为001*4、001*7、001*8、001*10、D001或SQD-65。

本发明的方法省去了传统的脱色过程，避免了活性炭对丁二酸的吸附，减少了操作步骤；也避免了传统的用酸碱对pH值进行调整，同时使得系统中副产的氢氧化钠得以回收利用，降低了生产成本。本发明各步骤之间串联紧密，料液始终在密闭的条件下循环，整个工艺过程条件温和，不添加任何有机溶剂和其他有机化合物，工艺流程短，步骤简单，对设备要求不高，最后的产品纯度高，经HPLC分析丁二酸含量达到99.4%。其它指标均符合USP30标准。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

（1）将20L通过微生物发酵生产的含丁二酸50g/L的丁二酸钠发酵液经0.3um的微滤膜在操作压力为0.12MPa，操作温度为30℃的条件下进行错流过滤，浓缩倍数19倍，洗水量为4L，除去菌体及颗粒杂质；

（2）将步骤（1）获得的溶液通过截留分子量为500的纳滤膜在操作压力为2MPa，温度为40℃的条件下进行错流过滤，浓缩倍数35倍，洗水水量为2L，除去发酵液中残留的蛋白质和色素，得到澄清丁二酸钠溶液；

（3）将澄清丁二酸钠溶液在25℃的条件下通过双极膜电渗析，分别得到含少量丁二酸钠的丁二酸溶液和氢氧化钠溶液，氢氧化钠溶液回收；

（4）将所述含少量丁二酸钠的丁二酸溶液通过型号为001*4氢型强酸型阳离子交换树脂，除去残余的钠离子，得到纯净的丁二酸溶液；

（5）将所述纯净的丁二酸溶液在60℃减压蒸发，丁二酸浓度大于20%后降温结晶得到白色丁二酸晶体，过滤，烘干得到895g白色的丁二酸成品,收率89.5%。

实施例2

从发酵液中提取丁二酸的方法，包括如下步骤：

（1）将20L通过微生物发酵生产的含丁二酸50g/L的丁二酸钠发酵液通过孔径为0.2um的微滤膜在操作压力为0.12MPa，操作温度为15℃的条件下进行错流过滤，浓缩倍数20倍，洗水量为发酵液体积的10%，除去菌体和颗粒较大的杂质颗粒；

（2）将步骤（1）获得的溶液通过截留分子量为1000的纳滤膜在压力为3MPa，温度为40℃的条件下进行错流过滤，浓缩倍数30倍，洗水量为发酵液体积的20%，除去发酵液中残留的蛋白质和色素，得到澄清丁二酸钠溶液；

（3）将所述澄清丁二酸钠溶液在30℃的条件下通过双极膜电渗析，分别得到含少量丁二酸钠的丁二酸溶液和氢氧化钠溶液；

（4）将所述含少量丁二酸钠的丁二酸溶液通过型号为001*7氢型强酸型阳离子交换树脂，除去残余的钠离子，得到纯净的丁二酸溶液；

（5）将所述纯净的丁二酸溶液在60℃减压蒸发，丁二酸浓度大于20%后降温结晶得到白色丁二酸晶体，过滤，烘干得到880g白色的丁二酸成品,收率88.0%。

实施例3

从发酵液中提取丁二酸的方法，包括如下步骤：

（1）将20L通过微生物发酵生产的含丁二酸50g/L的丁二酸钠发酵液通过孔径为0.1um的微滤膜在操作压力为0.15MPa，操作温度为30℃的条件下进行错流过滤，浓缩倍数15倍，洗水量为发酵液体积的50%，除去菌体和颗粒较大的杂质颗粒；

（2）将步骤（1）获得的溶液通过截留分子量为800的纳滤膜在压力为2MPa，温度为30℃的条件下进行错流过滤，浓缩倍数20倍，洗水量为发酵液体积的20%，除去发酵液中残留的蛋白质和色素，得到澄清丁二酸钠溶液；

（3）将所述澄清丁二酸钠溶液在25℃的条件下通过双极膜电渗析，分别得到含少量丁二酸钠的丁二酸溶液和氢氧化钠溶液；

（4）将所述含少量丁二酸钠的丁二酸溶液通过型号001*8氢型强酸型阳离子交换树脂，除去残余的钠离子，得到纯净的丁二酸溶液；

（5）将所述纯净的丁二酸溶液在60℃减压蒸发，丁二酸浓度大于20%后降温结晶得到白色丁二酸晶体，过滤，烘干得到890g白色的丁二酸成品,收率89.0%。

实施例4

从发酵液中提取丁二酸的方法，包括如下步骤：

（1）将20L通过微生物发酵生产的含丁二酸50g/L的丁二酸钠发酵液通过孔径为0.5um的微滤膜在操作压力为0.1MPa，操作温度为10℃的条件下进行错流过滤，浓缩倍数25倍，洗水量为发酵液体积的20%，除去菌体和颗粒较大的杂质颗粒；

（2）将步骤（1）获得的溶液通过截留分子量为500的纳滤膜在压力为1MPa，温度为20℃的条件下进行错流过滤，浓缩倍数20倍，洗水量为发酵液体积的10%，除去发酵液中残留的蛋白质和色素，得到澄清丁二酸钠溶液；

（4）将所述含少量丁二酸钠的丁二酸溶液通过型号为001*10氢型强酸型阳离子交换树脂，除去残余的钠离子，得到纯净的丁二酸溶液；

（5）将所述纯净的丁二酸溶液在60℃减压蒸发，丁二酸浓度大于20%后降温结晶得到白色丁二酸晶体，过滤，烘干得到875g白色的丁二酸成品,收率87.5%。

实施例5

从发酵液中提取丁二酸的方法，包括如下步骤：

（1）将20L通过微生物发酵生产的含丁二酸50g/L的丁二酸钠发酵液通过孔径为0.3um的微滤膜在操作压力为0.12MPa，操作温度为20℃的条件下进行错流过滤，浓缩倍数20倍，洗水量为发酵液体积的30%，除去菌体和颗粒较大的杂质颗粒；

（2）将步骤（1）获得的溶液通过截留分子量为2000的纳滤膜在压力为5MPa，温度为60℃的条件下进行错流过滤，浓缩倍数40倍，洗水量为发酵液体积的30%，除去发酵液中残留的蛋白质和色素，得到澄清丁二酸钠溶液；

（3）将所述澄清丁二酸钠溶液在5℃的条件下通过双极膜电渗析，分别得到含少量丁二酸钠的丁二酸溶液和氢氧化钠溶液；

（4）将所述含少量丁二酸钠的丁二酸溶液通过型号为D001氢型强酸型阳离子交换树脂，除去残余的钠离子，得到纯净的丁二酸溶液；

实施例6

从发酵液中提取丁二酸的方法，包括如下步骤：

（1）将20L通过微生物发酵生产的含丁二酸50g/L的丁二酸钠发酵液通过孔径为0.2um的微滤膜在操作压力为0.13MPa，操作温度为15℃的条件下进行错流过滤，浓缩倍数22倍，洗水量为发酵液体积的20%，除去菌体和颗粒较大的杂质颗粒；

（2）将步骤（1）获得的溶液通过截留分子量为1000的纳滤膜在压力为4MPa，温度为50℃的条件下进行错流过滤，浓缩倍数30倍，洗水量为发酵液体积的20%，除去发酵液中残留的蛋白质和色素，得到澄清丁二酸钠溶液；

（3）将所述澄清丁二酸钠溶液在40℃的条件下通过双极膜电渗析，分别得到含少量丁二酸钠的丁二酸溶液和氢氧化钠溶液；

（4）将所述含少量丁二酸钠的丁二酸溶液通过型号为SQD-65氢型强酸型阳离子交换树脂，除去残余的钠离子，得到纯净的丁二酸溶液；

（5）将所述纯净的丁二酸溶液在60℃减压蒸发，丁二酸浓度大于20%后降温结晶得到白色丁二酸晶体，过滤，烘干得到885g白色的丁二酸成品,收率88.5%。

Claims

1.从发酵液中提取丁二酸的方法，其特征是包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的从发酵液中提取丁二酸的方法，其特征是所述氢型强酸型阳离子交换树脂的型号为001*4、001*7、001*8、001*10、D001或SQD-65。