CN104529755B - 一种从转化液中分离α-酮戊二酸的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种从转化液中分离α-酮戊二酸的方法，包括以下步骤：依次将转化液经过陶滤、超滤和反渗透工艺得到α-酮戊二酸的浓缩液；再将所得浓缩液与过量氯化钙反应，过滤得到α-酮戊二酸盐；将α-酮戊二酸盐与乙醇加入反应釜中，缓慢滴加硫酸，使乙醇溶液PH值在1.3～1.5停止加酸，搅拌反应，生成硫酸钙沉淀，过滤，收集滤液为酮戊二酸的乙醇溶液；用乙醇将硫酸钙洗脱残留的α-酮戊二酸，收集洗液；将滤液和洗液混合，减压加热浓缩，析出α-酮戊二酸晶体。本发明采用膜过滤技术，避免大量蒸水，具有节约能源、生产收率高、晶型好、晶粒颜色浅、产品质量稳定和易于实现工业化大规模生产的优点。

Description

一种从转化液中分离α-酮戊二酸的方法

技术领域

本发明涉及α-酮戊二酸的制备技术领域。

背景技术

α-酮戊二酸是一种重要的有机酸，在微生物细胞的代谢中起着重要的作用，是三羟酸循环的重要中间代谢产物之一，参与氨基酸、糖类、蛋白质以及脂肪代谢等重要生理过程，是合成多种氨基酸和蛋白质的重要前体物质，因此在食品、医药、化工和化妆品行业有广泛的应用，市场需求量巨大。目前α-酮戊二酸的生产制备方法主要有化学合成法、微生物发酵合成法和酶催化转化法，其中化学合成方法由于存在化学合成路线长、收率低、合成过程中有毒化学试剂的使用等问题，发展受到制约；微生物发酵合成法和酶催化转化法相似，生产过程主要为：（1）菌株的选育或构建；（2）菌株的培养；（3）向反应容器中加入底料和培养的菌株，生产α-酮戊二酸；（4）转化液中α-酮戊二酸的分离纯化。具有如下优点：1、由于酶催化反应条件比较温和，通常在常温、常压、PH接近中性的条件下进行，可减少或避免强酸强碱或有毒物质的使用，从而减轻对环境的污染；2、转化率高，通过对某一转化的微生物进行菌种选育和转化条件的优化，可以得到极高的转化率；3、微生物生物量累计快，产生的酶量也相应多，转化时间短，能够提高生产效率。同时酶催化转化法还具有：集团专一性强，不需要对集团进行保护，所形成的副产物少，手性和旋光性好的特点。

但是，发酵法的缺陷在于发酵副产物较多，后续的分离纯化工作困难，收率低，纯化成本过高。酶催化转化法虽然副产物较发酵法少，但是也存在后续的分离纯化工作困难，收率低，纯化成本过高的问题。

目前转化液中α-酮戊二酸的分离纯化方法主要为：首先要对转化液进行预处理，向转化液中添加使用包括硫酸铝、聚丙烯酰胺、壳聚糖或者其他无机铝盐、铁盐、高分子絮凝剂等，然后再进行过滤；过滤完后的转化液再过阳离子树脂和阴离子树脂吸附、洗脱，其中洗脱剂多半采用硫酸或者氨水等碱液，从而引入了其他杂质，影响后续提纯，造成产品质量差并且收率低，结晶产品为黄白色或黄色粉末；而且传统工艺往往先结晶不合格粗品，再进行二次结晶以使产品达到合格标准，两次结晶成本高，过程复杂，且由于溶剂是水，蒸发温度高，能源浪费严重，物料不能实现多次循环利用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种从转化液中分离α-酮戊二酸的方法，采用膜过滤技术，避免大量蒸水，具有节约能源，生产收率高，产品纯度高、晶型好、晶粒颜色浅，产品质量稳定和易于实现工业化大规模生产的优点。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种从转化液中分离α-酮戊二酸的方法，包括以下步骤：

（1）将转化液通过膜孔径为0.01～0.1μm的陶滤膜过滤，收集陶滤透过液；

（2）将步骤（1）收集的陶滤透过液通过能够截留分子量大于3000的超滤膜过滤，收集超滤透过液；

（3）将步骤（2）收集的超滤透过液通过反渗透膜浓缩过滤，收集提取浓缩液；

（4）将步骤（3）收集提取的浓缩液升温到30℃～40℃，搅拌条件下向反应液中加入氯化钙，母液中的α-酮戊二酸与氯化钙反应生成不溶于水的α-酮戊二酸盐，检测液相中酮戊二酸残留，残留大于或等于0.05%，继续补加氯化钙搅拌反应，直至残留小于0.05%，降温到15℃～20℃，过滤得到α-酮戊二酸盐；

（5）向反应釜中加入乙醇，搅拌条件下再加入步骤（4）得到的α-酮戊二酸盐，搅拌控制温度25～30℃；

（6）向反应釜中缓慢滴加硫酸，控制温度25～30℃，滴加过程中检测乙醇溶液的PH值，PH值在1.3～1.5停止加酸，搅拌反应，生成硫酸钙沉淀，过滤，收集滤液为酮戊二酸的乙醇溶液；

（7）将步骤（6）所得硫酸钙用乙醇洗脱残留的酮戊二酸，再将硫酸钙用离心机高速甩干1h，得到洗液为酮戊二酸的乙醇溶液；

（8）将步骤（6）和步骤（7）得到的酮戊二酸的乙醇溶液混合，减压加热浓缩，控制温度在45～60℃，当浓缩液中酮戊二酸的质量分数达到80%后，降温到35～40℃，加入酮戊二酸晶种养晶，再继续缓慢降温，当温度降到20℃时，大量晶体析出后再养晶，过滤得到酮戊二酸晶体；过滤后得到的母液中α-酮戊二酸的质量分数大于或等于95%，将所述母液加入到下一批α-酮戊二酸的提纯步骤（8）的酮戊二酸的乙醇溶液中；过滤后得到的母液中α-酮戊二酸的质量分数小于95%，将所述母液加入到下一批α-酮戊二酸的提纯步骤（3）所得浓缩液中。

所述步骤（1）的操作压力为5.5～9.3Mpa，操作温度为10～40℃，PH为6.5～7.5；所述步骤（2）的操作压力5.5～9.3Mpa，操作温度为10～40℃，PH为6.5～7.5；所述步骤（3）的操作压力为10～15Mpa，操作温度为10～30℃，PH为6.5～7.5。

所述超滤膜的材质为聚碳酸酯、聚偏氟乙烯、聚砜、聚砜酰胺中的一种。

所述反渗透膜的材质为醋酸纤维素、聚酰胺或醋酸纤维素和聚酰胺的复合膜。

所述步骤（5）中加入乙醇的质量与所述α-酮戊二酸盐的质量比范围为1.5:1～4:1。

所述步骤（8）中每次养晶时间均为1小时。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明采用膜过滤技术，除去大部分杂质，实现了物料多次循环利用，晶型好颜色浅，产品质量稳定；采用乙醇代替水作为溶剂，降低了浓缩结晶温度，避免了大量蒸水，节约能源；采用氯化钙的提纯工艺，显著提高了α-酮戊二酸的纯度，提升了收率，同时能够得到副产品硫酸钙，收益高，综合成本低；一次结晶工艺简单高效，母液实现循环利用，进一步提升收率，易于实现工业化大规模生产，具有极高的经济效益。

附图说明

图1是本发明实施例1中的α-酮戊二酸产品的高效液相色谱图；

图2是本发明实施例2中的α-酮戊二酸产品的高效液相色谱图；

图3、图4分别是传统分离方法的α-酮戊二酸产品的高效液相色谱图；

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

具体实施方式

实施例1

（1）取5L含有酮戊二酸质量分数为8%的转化液5kg，通过膜孔径为0.05μm的陶滤膜过滤，控制压力在6.5～7.5Mpa，温度在20～30℃，收集陶滤透过液；

（2）将陶滤透过液通过能够截留分子量大于3000的聚偏氟乙烯超滤膜过滤，操作压力7.5～8.5Mpa，操作温度为20～30℃，收集超滤透过液；

（3）将超滤透过液通过醋酸纤维素和聚酰胺的复合膜，反渗透浓缩过滤，操作压力10～12Mpa，操作温度为20～30℃，收集提取得到1.7L的浓缩液，检测其透光为96.3%；

（4）将提取的浓缩液升温到33℃～37℃，搅拌条件下向浓缩液中缓慢加入氯化钙132g，加料时间为30min，搅拌反应2h，α-酮戊二酸与氯化钙反应生成不溶于水的钙盐，检测液相中酮戊二酸残留为0.01%，降温到18℃，用离心机离心过滤得到酮戊二酸钙湿粉1100.4g；

（5）向4000mL反应瓶中依次加入2016ml的乙醇和1100.4g的酮戊二酸钙，搅拌控制温度25～30℃；

（6）搅拌条件下向反应瓶中滴加80%的硫酸，控制温度25～30℃，检测PH值为1.3～1.5时，停止加酸，搅拌反应30分钟，生成硫酸钙沉淀，离心过滤，收集滤液为酮戊二酸的乙醇溶液；

（7）将硫酸钙用200ml的乙醇淋洗，洗脱硫酸钙上残留的酮戊二酸，将硫酸钙离心机高速甩干1h，收集洗液；

（8）将步骤（6）得到的酮戊二酸的乙醇溶液和步骤（7）得到的洗液混合，减压加热浓缩，控制温度在45～60℃，当浓缩液中酮戊二酸的质量分数达到80%后，降温到35～40℃，加入酮戊二酸晶种2g，养晶1h，再继续缓慢降温，当温度降到20℃时，大量晶体析出后再养晶1h，过滤得到酮戊二酸晶体300g，收率75%；用液相色谱检测母液中α-酮戊二酸的含量小于95%，下一批α-酮戊二酸的提纯工艺条件与此批相同，将此批母液加入到下一批α-酮戊二酸的提纯步骤（3）所得浓缩液中，结晶时可以得到固体酮戊二酸380g收率达到95%，两次平均收率为85%。

经检测产品透光率为：99.8%，产品纯度为：100.0%。产品的高效液相色谱分析结果为：

实施例2

（1）取8L含有酮戊二酸质量分数为11%的转化液8kg，通过膜孔径为0.01μm的陶滤膜过滤，控制压力在8.5～9.3Mpa，温度在30～35℃，收集陶滤透过液；

（2）将陶滤透过液通过能够截留分子量大于3000的聚碳酸酯超滤膜过滤，操作压力8.5～9.3Mpa，操作温度为30～35℃，收集超滤透过液；

（3）将超滤透过液通过聚酰胺反渗透膜，反渗透浓缩过滤，操作压力14～15Mpa，操作温度为30～35℃，收集提取得到2.8L的浓缩液，检测其透光为97%；

（4）将提取的浓缩液升温到35℃～40℃，搅拌条件下向浓缩液中加入氯化钙300g，加料时间为50min，搅拌反应2.5h，α-酮戊二酸与氯化钙反应生成不溶于水的钙盐，检测液相中酮戊二酸残留为0.03%，降温到15℃，用离心机离心过滤得到酮戊二酸钙湿粉2221g；

（5）向1L反应瓶中依次加入6500ml的乙醇和2221g的酮戊二酸钙，搅拌控制温度25～30℃；

（6）搅拌条件下向反应瓶中滴加80%的硫酸，控制温度25～30℃，检测PH值为1.3～1.5时，停止加酸，搅拌反应45分钟，生成硫酸钙沉淀，离心过滤，收集滤液为酮戊二酸的乙醇溶液；

（7）将硫酸钙用500ml的乙醇淋洗，洗脱硫酸钙上残留的酮戊二酸，将硫酸钙离心机高速甩干1h，收集洗液；

（8）将步骤（6）得到的酮戊二酸的乙醇溶液和步骤（7）得到的洗液混合，减压加热浓缩，控制温度在45～60℃，当浓缩液中酮戊二酸的质量分数达到80%后，降温到35～40℃，加入酮戊二酸晶种4g，养晶1h，再继续缓慢降温，当温度降到20℃时，大量晶体析出后再养晶1h，过滤得到酮戊二酸晶体695.2g，收率79%；用液相色谱检测母液中α-酮戊二酸的含量大于95%，下一批α-酮戊二酸的提纯工艺条件与此批相同，将此批母液加入到下一批α-酮戊二酸的提纯步骤（8）的酮戊二酸的乙醇溶液中结晶，可以得到固体酮戊二酸844.8g，收率达到96%，两次平均收率为87.5%。

经检测产品透光率为：99.2%，产品纯度为：99.3%。产品的高效液相色谱分析结果为：

实施例3

（1）取3L含有酮戊二酸质量分数为9%的转化液3kg，通过膜孔径为0.10μm的陶滤膜过滤，控制压力在5.5～6.5Mpa，温度在10～20℃，收集陶滤透过液；

（2）将陶滤透过液通过能够截留分子量大于3000的聚砜酰胺超滤膜过滤，操作压力5.5～6.5Mpa，操作温度为10～20℃，收集超滤透过液；

（3）将超滤透过液通过醋酸纤维素反渗透膜，反渗透浓缩过滤，操作压力12～14Mpa，操作温度为10～20℃，收集提取得到0.95L的浓缩液，检测其透光为97.5%；

（4）将提取的浓缩液升温到30℃～35℃，搅拌条件下向浓缩液中缓慢加入氯化钙85g，加料时间为20min，搅拌反应1.5h，α-酮戊二酸与氯化钙反应生成不溶于水的钙盐，检测液相中酮戊二酸残留为0.04%，降温到20℃，用离心机离心过滤得到酮戊二酸钙湿粉720g；

（5）向4000mL反应瓶中依次加入1100ml的乙醇和720g的酮戊二酸钙，搅拌控制温度25～30℃；

（6）搅拌条件下向反应瓶中滴加80%的硫酸，控制温度25～30℃，检测PH值为1.3～1.5时，停止加酸，搅拌反应20分钟，生成硫酸钙沉淀，离心过滤，收集滤液为酮戊二酸的乙醇溶液；

（7）将硫酸钙用100ml的乙醇淋洗，洗脱硫酸钙上残留的酮戊二酸，将硫酸钙离心机高速甩干1h，收集洗液；

（8）将步骤（6）得到的酮戊二酸的乙醇溶液和步骤（7）得到的洗液混合，减压加热浓缩，控制温度在45～60℃，当浓缩液中酮戊二酸的质量分数达到80%后，降温到35～40℃，加入酮戊二酸晶种0.8g，养晶1h，再继续缓慢降温，当温度降到20℃时，大量晶体析出后再养晶1h，过滤得到酮戊二酸晶体197.1g，收率73%；用液相色谱检测母液中α-酮戊二酸的含量小于95%，下一批α-酮戊二酸的提纯工艺条件与此批相同，将此批母液加入到下一批α-酮戊二酸的提纯步骤（3）所得浓缩液中，结晶时可以得到固体酮戊二酸254.88g收率达到94.4%，两次平均收率为83.7%。

经检测产品透光率为：99.4%，产品纯度为：99.5%。

以上所有实施例的产品质量经检测均符合如下标准：

采用本发明方法与传统分离方法提纯α-酮戊二酸产品质量的对比：

图3所示传统分离方法的α-酮戊二酸产品的高效液相色谱图分析结果为：

图4所示传统分离方法的α-酮戊二酸产品的高效液相色谱图分析结果为：

从图1、图2和图3、图4的色谱图及其分析结果可看出，传统分离方法的α-酮戊二酸产品纯度低，杂质含量多，杂质种类多，产品质量不稳定；而本发明方法提纯α-酮戊二酸产品纯度高，均大于99%，杂质含量少，杂质种类少，产品质量稳定。

本发明采用膜过滤技术，除去大部分杂质和副产物，副产物还可通过提纯实现回收，转化液中的母液可以多次循环利用，α-酮戊二酸晶体晶型好、颜色浅，产品质量稳定；传统工艺蒸水时温度最低50～60℃，改用乙醇时只需30-40℃，减压加热浓缩对α-酮戊二酸降解慢，并且节约了能源；采用氯化钙的提纯工艺，显著提高了α-酮戊二酸的纯度，提升了收率，同时能够得到副产品硫酸钙，收益高，综合成本低；提纯过程中引入杂质少，一次结晶工艺简单高效，即可实现产品达到合格标准，α-酮戊二酸浓缩液实现循环利用，进一步提升收率，易于实现工业化大规模生产，具有极高的经济效益。

Claims (6)

1.一种从转化液中分离α-酮戊二酸的方法，包括以下步骤：

（1）将转化液通过膜孔径为0.01～0.1μm的陶滤膜过滤，收集陶滤透过液；

（2）将步骤（1）收集的陶滤透过液通过能够截留分子量大于3000的超滤膜过滤，收集超滤透过液；

（3）将步骤（2）收集的超滤透过液通过反渗透膜浓缩过滤，收集提取浓缩液；

（4）将步骤（3）收集提取的浓缩液升温到30℃～40℃，搅拌条件下向反应液中加入氯化钙，母液中的α-酮戊二酸与氯化钙反应生成不溶于水的α-酮戊二酸盐，检测液相中酮戊二酸残留，残留大于或等于0.05%，继续补加氯化钙搅拌反应，直至残留小于0.05%，降温到15℃～20℃，过滤得到α-酮戊二酸盐；

（5）向反应釜中加入乙醇，搅拌条件下再加入步骤（4）得到的α-酮戊二酸盐，搅拌控制温度25～30℃；

（6）向反应釜中缓慢滴加硫酸，控制温度25～30℃，滴加过程中检测乙醇溶液的pH值，pH值在1.3～1.5停止加酸，搅拌反应，生成硫酸钙沉淀，过滤，收集滤液为α-酮戊二酸的乙醇溶液；

（7）将步骤（6）所得硫酸钙用乙醇洗脱残留的α-酮戊二酸，再将硫酸钙用离心机高速甩干，得到洗液为α-酮戊二酸的乙醇溶液；

（8）将步骤（6）和步骤（7）得到的α-酮戊二酸的乙醇溶液混合，减压加热浓缩，控制温度在45～60℃，当浓缩液中α-酮戊二酸的质量分数达到80%后，降温到35～40℃，加入α-酮戊二酸晶种养晶，再继续缓慢降温，当温度降到20℃时，大量晶体析出后再养晶，过滤得到α-酮戊二酸晶体；过滤后得到的母液中α-酮戊二酸的质量分数大于或等于95%，将所述母液加入到下一批α-酮戊二酸的提纯步骤（8）的α-酮戊二酸的乙醇溶液中；过滤后得到的母液中α-酮戊二酸的质量分数小于95%，将所述母液加入到下一批α-酮戊二酸的提纯步骤（3）所得浓缩液中。

2.根据权利要求１所述的一种从转化液中分离α-酮戊二酸的方法，其特征在于所述步骤（1）的操作压力为5.5～9.3Mpa，操作温度为10～40℃，pH为6.5～7.5；所述步骤（2）的操作压力5.5～9.3Mpa，操作温度为10～40℃，pH为6.5～7.5；所述步骤（3）的操作压力为10～15Mpa，操作温度为10～30℃，pH为6.5～7.5。

3.根据权利要求１所述的一种从转化液中分离α-酮戊二酸的方法，其特征在于所述超滤膜的材质为聚碳酸酯、聚偏氟乙烯、聚砜、聚砜酰胺中的一种。

4.根据权利要求１所述的一种从转化液中分离α-酮戊二酸的方法，其特征在于所述反渗透膜的材质为醋酸纤维素、聚酰胺或醋酸纤维素和聚酰胺的复合膜。

5.根据权利要求１所述的一种从转化液中分离α-酮戊二酸的方法，其特征在于所述步骤（5）中加入乙醇的质量与所述α-酮戊二酸盐的质量比范围为1.5:1～4:1。

6.根据权利要求１所述的一种从转化液中分离α-酮戊二酸的方法，其特征在于所述步骤（8）中每次养晶时间均为1小时。