CN103524327A - 一种使用电渗析法从丁二酸发酵液中提取丁二酸的方法 - Google Patents

Abstract

一种使用电渗析法从丁二酸发酵液中提取丁二酸的方法，属于生物化工技术领域。本发明以常规的丁二酸发酵液为原料，经分离菌体、电渗析进行脱蛋白和脱色、使用双极膜电渗析进行脱钠、浓缩、晶析、过滤、烘干步骤提取丁二酸。经过电渗析装置后的发酵液的透光率由15%提高到95%，脱色效果与活性炭效果相当；提取效率约为97%～98%，而使用吸附方式脱色的收率仅有80%～85%。本发明革掉了用活性炭进行脱色，避免了活性炭对于丁二酸的吸附，脱色后不再造成丁二酸的损失，提高了提取率；得到分子态的丁二酸，不需要使用盐酸或硫酸进行体系pH值的调整，使丁二酸的提纯容易进行；不使用有机溶剂，避免了有机溶剂的残留。

Description

一种使用电渗析法从丁二酸发酵液中提取丁二酸的方法

技术领域

    本发明涉及使用电渗析法从发酵方法制备的丁二酸发酵液中提取丁二酸的方法，特别是针对使用阴离子透析电渗析的方法进行脱蛋白和脱色、和双极膜电渗析进行调解体系pH值的工艺，属于生物化工技术领域。

背景技术

    丁二酸是一种重要的有机化工原料及中间体，主要用于医药工业、食品工业、化学工业等，是碳四化合物的衍生平台。传统的丁二酸是通过石油化工和煤化工途径获取的，近几年来，国内外研究者发现可以使用细菌发酵的方法将长碳链的植物纤维转化成丁二酸，从而可以低成本的方法获取丁二酸。

    目前发现的可以制备丁二酸的菌种多种多样，且不乏使用DNA改性技术的基因工程的高产菌株，根据报道，丁二酸的产率可以达到100～120g/L。但是由于生物发酵液中组分的复杂性，以廉价的方法提取高纯度的丁二酸就成为过程工艺的研究重点。

中国专利200910178134.1（一种从丁二酸发酵液中提取丁二酸的方法）中披露使用除去菌体的发酵液直接与氨水、碳酸铵或碳酸氢铵进行反应，过滤分离镁盐和丁二酸铵溶液，再使用阳离子交换树脂脱色得到相对纯净的丁二酸铵水溶液，加入盐酸调整体系pH值得到丁二酸后，进行浓缩结晶得到丁二酸固体。

中国专利1887843（一种从厌氧发酵液中分离提取丁二酸的方法）中披露使用微滤膜过滤，再用超滤膜过滤，再用活性炭脱色除杂，得到的澄清的丁二酸水溶液进行浓缩、结晶得到纯净丁二酸固体。

中国专利201210192466（一种从丁二酸发酵液或丁二酸结晶母液中萃取分离丁二酸的方法）中以酯类溶剂为萃取剂，将经过处理的发酵液与萃取剂混合，待萃取体系分层后，取出有机相；再将溶剂与丁二酸分离，即可取得纯净的丁二酸固体。

上述专利中关于发酵液中提取丁二酸的方法中存在如下一些问题，不利于发酵法制备丁二酸的规模化生产的推广。

1、已披露方法中使用树脂或活性炭进行脱色，但是在脱色过程由于树脂和活性炭对于丁二酸的吸附，造成脱色后的水溶液中丁二酸损失过大，降低了提取率。

2、为得到分子态的丁二酸，需要使用盐酸或硫酸进行体系pH值的调整，因此在体系中引入了氯离子或硫酸根离子，加大了产品提纯的难度。

3、在提取过程中使用有机溶剂，可能造成产品中的有机溶剂残留，这影响到丁二酸在食品领域中的使用。

电渗析装置是利用离子交换膜将离子与其他物质进行分离的装置。在笔者的研究中发现，电渗析装置可以有效的分离丁二酸根离子和发酵液中的蛋白和色素，研究中发现，蛋白是高分子化合物，本身无法电离，而部分色素尽管是离子态，但是由于分子量大，分子结构复杂，空间体积较大，不易通过离子交换膜。因此，通过电渗析装置完全可以实现丁二酸离子与发酵液中的有机物和色素分离的工艺要求。

双极膜电渗析是由双极膜和阳离子膜构成的，可以将发酵液体系的阳离子与阴离子进行分离，同时双极膜电解水生成氢离子和氢氧根离子，在阳极室中氢离子与丁二酸根结合即生成分子态丁二酸，而氢氧根离子在阴极室与阳离子结合生成强碱。通过这个过程实现了将离子态丁二酸根转化为丁二酸的过程，同时体系的pH值调到了2以内。

    本发明即是对于使用上述电渗析装置进行工艺过程的合理配置，实现了对于发酵液中丁二酸的提纯过程。

发明内容

    本发明的目的是提供一种使用电渗析法从丁二酸发酵液中提取丁二酸的方法，实现了对于发酵液中丁二酸的提纯过程。使用放线杆菌或基因工程的大肠杆菌作为可以将玉米粉，秸秆，葡萄糖等糖源转化为丁二酸的合成菌种，使用碳酸钠，或碳酸钾，或氢氧化钠配合二氧化碳作为中和剂，添加玉米浆或酵母膏作为氮源，同时添加一定量的磷酸二氢钾，磷酸氢钠，氯化镁，氯化钙等无机盐，发酵30～90小时，丁二酸产量为50g/L～100g/L，另外发酵液中还有蛋白，色素以及其他杂离子。

本发明的技术方案：一种使用电渗析法从丁二酸发酵液中提取丁二酸的方法，以常规的丁二酸发酵液为原料，经分离菌体、电渗析进行脱蛋白和脱色、使用双极膜电渗析进行脱钠、浓缩、晶析、过滤、烘干步骤提取丁二酸，步骤为：

（1）发酵液分离菌体：丁二酸发酵液的来源对于发酵使用的菌种类型并无特别要求；上述丁二酸发酵液经过离心机进行菌体分离，离心机为碟片式，转速1000～5000rpm，最优转速为2500～4000rpm，得到澄清透明的液体。该液体中主要的组成为微量的蛋白、色素、丁二酸钠盐、及氯离子、磷酸根、硫酸根等杂离子。

    （2）使用离子透析电渗析进行脱蛋白和脱色：步骤（1）所得液体进入离子透析电渗析装置。离子透析电渗析装置（如图1）的主要部件为膜堆，配以淡化室、浓缩室、极室、循环泵、管路、压力表、流量计、直流电源等部件。其中，膜堆由阴阳离子交换膜、隔板等组成，隔板与膜之间构成的隔室为液体流经过的通道。澄清后的发酵液放置于淡化室，接收迁移盐分的物料（一般为自来水）放置在浓缩室。

在直流电场的作用下，利用离子交换膜的选择透过性，阳离子（主要是钠离子）透过阳膜，阴离子（包括丁二酸离子、磷酸根、硫酸根等）透过阴膜，发酵液中的其他非电解质物质因为无法通过离子膜，因此实现了目标离子与非电解质杂质的分离。由于目前技术水平的限制，电渗析的膜对数及膜面积无法随着处理量的增大而增大，因此规模化装置可能用多台电渗析膜堆串联或并联使用以提高处理能力。需要说明的是，离子交换膜的类型可以是均相膜，也可以是异相膜。本工艺中，均相膜效果优于异相膜。

经过离子透析电渗析装置的发酵液的透光率由15%提高到95%，脱色效果与活性炭效果相当。提取效率约为97%～98%，而使用吸附方式脱色的收率仅有80%～85%。

其中，发酵液透光率是使用分光光度计（型号FT-100）检测。

经过脱蛋白和脱色的发酵液的pH值为6~7，丁二酸以离子形态存在于水溶液中；当pH值为2以下，丁二酸以分子态存在于水溶液中。

（3）使用双极膜电渗析进行脱钠：经过脱蛋白和脱色的发酵液进入双极膜电渗析单元进行脱钠。双极膜电渗析装置与离子透析电渗析装置结构基本相同，只是将阴离子膜替换为双极膜。在直流电场的作用下，双极膜将水离解成为氢离子和氢氧根离子，进入不同的分隔室中；体系中的阳离子（主要是钠离子）通过阳离子膜与氢氧根离子结合，生成强碱水溶液，而氢离子与停留在体系中的丁二酸根结合生产分子态的丁二酸，此时，体系pH值约为2。

（4）多效蒸发器浓缩：将步骤（3）所得含有丁二酸的酸性溶液通过多效蒸发器浓缩1倍，溶液在60℃的条件下，丁二酸含量为100g/L~200g/L。

（5）晶析：根据丁二酸在水中的溶解度，将浓缩液冷却到10℃，丁二酸晶体逐渐析出，母液中丁二酸含量约为20g/L。

（6）过滤、烘干：丁二酸晶体经过滤器滤出，再经过烘干机烘干，产品纯度为99%～99.8%。

所述的使用电渗析法从丁二酸发酵液中提取丁二酸的方法，脱蛋白和脱色电渗析装置中，该电渗析膜对数为100对，总电压120伏，离子交换膜类型为均相膜，每对膜的尺寸为400mm×800mm；实际运行中，电压控制为110伏，电流控制在75~80安培，运转时间15小时；浓缩室中液体体积为100L。

双极膜电渗析装置中，该电渗析膜对数为100对，总电压120伏，阳离子交换膜类型为均相膜，每对膜的尺寸为400mm×800mm；实际运行中，电压控制为110伏，电流控制在75~80安培，运转时间2小时；淡室物料pH值为2，体积保持为100L。

所述的使用电渗析法从丁二酸发酵液中提取丁二酸的方法的应用，可应用于与丁二酸性质相似的有机酸发酵液的后提取工艺。

本发明的有益效果：经过电渗析装置的发酵液的透光率由15%提高到95%，脱色效果与活性炭效果相当。提取效率约为97%～98%，而使用吸附方式脱色的收率仅有80～85%。革掉了用活性炭进行脱色，避免了活性炭对于丁二酸的吸附，脱色后不再造成丁二酸的损失，提高了提取率。得到分子态的丁二酸，不需要使用盐酸或硫酸进行体系pH值的调整，使丁二酸的提纯容易进行，不使用有机溶剂，避免了有机溶剂的残留。

附图说明

图1 脱色电渗析装置示意图。

具体实施方式

实施例1

    以目标体积120L来配制发酵液。发酵液营养基组成：磷酸二氢钾1.8g，磷酸氢钠0.6g，氯化镁0.05g，氯化钙0.05g，酵母膏1.2kg，玉米浆1.2kg，碳酸钠10.07kg，葡萄糖（85%）16.8kg，其余为水。使用丁二酸放线杆菌（Actinobacillus succinogenes CGMCC1593）作为合成丁二酸的合成菌种，经过实消灭菌，降温，接种后，发酵温度37～38℃，搅拌转速60rpm，发酵时间48小时，丁二酸含量95g/L。

    上述发酵液经过离心机进行菌体分离，离心机为碟片式，转速4000rpm，得到的澄清透明的液体100L，丁二酸的含量92g/L。

将澄清后的发酵液放置于脱色电渗析装置中。该电渗析膜对数为100对，总电压120伏，离子交换膜类型为均相膜，每对膜的尺寸为400mm×800mm。实际运行中，电压控制为110伏，电流控制在75~80安培，运转时间15小时。浓缩室中液体体积为100L，检测丁二酸含量为90g/L，提取率为97.8%。浓缩室液体透光率为95%。

经过脱色的发酵液进入双极膜电渗析单元。该电渗析膜对数为100对，总电压120伏，阳离子交换膜类型为均相膜，每对膜的尺寸为400mm×800mm。实际运行中，电压控制为110伏，电流控制在75~80安培，运转时间2小时。淡室物料pH值为2，体积保持为100L。

    将上述酸性溶液通过多效蒸发器浓缩1倍，溶液在60℃的条件下，丁二酸含量为178g/L。根据丁二酸在水中的溶解度，将浓缩液冷却到10℃，丁二酸晶体逐渐析出，母液中丁二酸含量约为20g/L，粗晶体重量为8.78kg

    丁二酸晶体经过滤器滤出，再经过烘干机烘干，产品纯度为99%，产品量为7.8kg。

Claims (3)

1.一种使用电渗析法从丁二酸发酵液中提取丁二酸的方法，其特征在于以常规的丁二酸发酵液为原料，经分离菌体、电渗析进行脱蛋白和脱色、使用双极膜电渗析进行脱钠、浓缩、晶析、过滤、烘干步骤提取丁二酸，步骤为：

（1）发酵液分离菌体：丁二酸发酵液的来源对于发酵使用的菌种类型并无特别要求；丁二酸发酵液经过离心机进行菌体分离，离心机为碟片式，转速1000～5000rpm，得到澄清透明的液体； 

（2）使用离子透析电渗析进行脱蛋白和脱色：使用离子透析电渗析装置对步骤（1）所得液体进行脱蛋白和脱色；

离子透析电渗析装置的主要部件为膜堆，配以淡化室、浓缩室、极室、循环泵、管路、压力表、流量计、直流电源；其中，膜堆由阴阳离子交换膜、隔板组成，隔板与膜之间构成的隔室为液体流经过的通道；澄清后的发酵液放置于淡化室，接收迁移盐分的自来水放置在浓缩室；                    

在直流电场的作用下，利用离子交换膜的选择透过性，主要是钠离子的阳离子透过阳膜，包括丁二酸离子、磷酸根及硫酸根的阴离子透过阴膜，发酵液中的其他非电解质物质因为无法通过离子膜，因此实现了目标离子与非电解质杂质的分离，规模化装置可用多台电渗析膜堆串联或并联使用以提高处理能力；离子交换膜的类型为均相膜或异相膜；本工艺中，均相膜效果优于异相膜；

（3）使用双极膜电渗析进行脱钠：使用双极膜电渗析装置对步骤（2）所得液体进行脱钠，同时调整体系pH值到2；

双极膜电渗析装置与离子透析电渗析装置结构基本相同，只是将阴离子膜替换为双极膜；在直流电场的作用下，双极膜将水离解成为氢离子和氢氧根离子，进入不同的分隔室中；体系中的阳离子，主要是钠离子，通过阳离子膜与氢氧根离子结合，生成强碱水溶液；而氢离子与停留在体系中的丁二酸根结合生成分子态的丁二酸，此时，体系pH值控制为2； 

（4）多效蒸发器浓缩：将步骤（3）所得含有丁二酸的酸性溶液通过多效蒸发器浓缩1倍，溶液在60℃的条件下，丁二酸含量为100g/L~200g/L；

（5）晶析：根据丁二酸在水中的溶解度，将浓缩液冷却到10℃，丁二酸晶体逐渐析出，母液中丁二酸含量控制为20g/L；

    （6）过滤、烘干：丁二酸晶体经过滤器滤出，再经过烘干机烘干，产品纯度为99%～99.8%。

2.根据权利要求1所述的使用电渗析法从丁二酸发酵液中提取丁二酸的方法，其特征在于脱蛋白和脱色电渗析装置中；

该电渗析膜对数为100对，总电压120伏，离子交换膜类型为均相膜，每对膜的尺寸为400mm×800mm；实际运行中，电压控制为110伏，电流控制在75~80安培，运转时间15小时；浓缩室中液体体积为100L；

双极膜电渗析装置中，该电渗析膜对数为100对，总电压120伏，阳离子交换膜类型为均相膜，每对膜的尺寸为400mm×800mm；实际运行中，电压控制为110伏，电流控制在75~80安培，运转时间2小时；淡室物料pH值为2，体积保持为100L。

3.权利要求1所述的使用电渗析法从丁二酸发酵液中提取丁二酸的方法的应用，其特征在于可应用于与丁二酸性质相似的有机酸发酵液的后提取工艺。

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