CN104878048A - 一种制备丁二酸二甲酯的方法 - Google Patents

一种制备丁二酸二甲酯的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种制备丁二酸二甲酯的方法，其制备方法为（1）丁二酸二钠发酵液的制备（2）丁二酸二钠发酵液的处理（3）利用双极膜电渗析设备制备丁二酸二甲酯；省却了传统制备过程的催化剂清洗，再生以及失活催化剂的去除处理等过程，且整个反应过程绿色，清洁，完全符合现代化工工业的运转要求。

Description

一种制备丁二酸二甲酯的方法
技术领域
本发明涉及一种使用丁二酸二钠发酵液，不需要进行丁二酸的提纯直接制备丁二酸二甲酯的方法，本发明属于生物化工技术领域。
背景技术
丁二酸（succinic acid）又名琥珀酸，广泛存在于生物体中，是一种重要的二元有机羧酸，也是微生物三羧酸循环糖酵解途径的重要代谢产物。目前，丁二酸可以通过微生物发酵制备而得。
传统的丁二酸酯的制备都是由丁二酸和小分子醇（甲醇、乙醇、丁醇等）在强酸性催化剂的条件下，高温高压的条件下完成的；强酸性催化剂有浓硫酸、氟磺酸、发烟硫酸等液体酸，也有酸性阳离子交换树脂、杂多酸等固体酸等。
传统制备过程中涉及到丁二酸提纯、催化剂清洗，再生以及失活催化剂的去除处理等过程，制备过程较为复杂，丁二酸转化率也不高。
发明内容
    本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种制备丁二酸二甲酯的方法，省却了传统制备过程的催化剂清洗，再生以及失活催化剂的去除处理等过程，且整个反应过程绿色，清洁，完全符合现代化工工业的运转要求。
本发明是通过以下技术方案予以实现的。
一种制备丁二酸二甲酯的方法，其制备方法如下：
（1）丁二酸二钠发酵液的制备：
①在发酵釜中使用种子培养基对琥珀酸放线杆菌进行培养，所述种子培养基的组成成分按质量浓度计为：蛋白胨5g/L，玉米浆20g/L，葡萄糖20g/L，磷酸二氢钾 1.5g/L，磷酸氢二钠1.5g/L，酵母膏5g/L，去离子水配置；
②将经过种子培养基培养的琥珀酸放线杆菌移入发酵培养基中，在发酵釜中进行培养得丁二酸二钠发酵液，所述发酵培养基的组成成分按质量浓度计为：蛋白胨5g/L，玉米浆10g/L，葡萄糖100g/L，磷酸二氢钾 2.5g/L，磷酸氢二钠2.5g/L，酵母膏5g/L，乙酸钠5g/L，用去离子水配置；
（2）丁二酸二钠发酵液的处理
①使用板框过滤机对丁二酸二钠发酵液进行过滤处理，得清液原液，此时，清液原液蛋白质含量为0.03-0.05%，重金属离子总量为0.02~0.04%；
②在经步骤（2）①得到的清液原液中加入粉状活性炭，去除清液原液中的蛋白和色素得到初处理清液，加入粉状活性炭的质量占清液原液质量的2%~5%，处理温度为60~80度，时间为30~40分钟，此时，初处理清液的透光率达到92%~95%，蛋白质含量小于0.001%，重金属离子含量未减少；
③将步骤（2）②得到的初处理清液，先在常温下，浸泡在硅胶层析柱中2小时，再在常温下，浸泡在阳离子交换树脂中2小时后，得清液，此时，清液中重金属离子总含量小于0.0001%；
（3）制备丁二酸二甲酯
①将经步骤（2）处理后的蛋白质含量和重金属离子含量达到要求的清液，加入双极膜电渗析设备的物料罐中，物料罐中预先放置甲醇，清液与甲醇混合即为物料，所述甲醇与清液中丁二酸含量的摩尔比为3:1—5:1；
②开启双极膜电渗析设备中的物料空间、氢氧化钠水溶液空间、电极液空间循环，各空间流量分别为物料空间2m3/h，氢氧化钠水溶液空间2m3/h，电解液空间500L/h，各空间循环流体温度为35-37℃；并开启双极膜电渗析装置电源，调整电压为200V，电流为160A，即可制得丁二酸二甲酯。
上述一种制备丁二酸二甲酯的方法，其中，所述发酵釜中需要通入二氧化碳，二氧化碳的每分钟体积通入量为发酵罐体积的0.1%~0.5%，发酵过程中流加1mol/L氢氧化钠，将体系PH值稳定在6.0-7.0。
上述一种制备丁二酸二甲酯的方法，其中，所述电解液空间中使用质量浓度为3%的氢氧化钠溶液。
本发明的有益效果为：
使用琥珀酸放线杆菌（Actinobacillus succinogenes）CGMCC 1593厌氧发酵进行丁二酸的制备是一种非常可靠的高效的方法，发酵液中主要组成物质为丁二酸二钠和发酵过程的培养基残留物。
双极膜是一种新型的离子交换复合膜 , 它通常由阳离子交换层、界面亲水层和阴离子交换层复合而成 , 是真正意义上的反应膜。在直流电场作用下 , 双极膜可将水离解 ,在膜两侧分别得到氢离子和氢氧根离子。利用这一特点 , 将双极膜与其他阴阳离子交换膜组合成的双极膜电渗析系统 , 能够在不引入新组分的情况下将水溶液中的盐转化为对应的酸和碱 , 这种方法称为双极膜电渗析法。
本发明中，丁二酸二钠与小分子醇的反应体系可以利用双极膜电渗析的特点，在电场的作用下将钠离子转化为氢氧化钠，而丁二酸与醇结合生成丁二酸酯，反应过程生成的小分子水通过串联的精馏塔分离水、甲醇、反应相，反应相和甲醇回流至双极膜电渗析中，促使反应相中未反应的丁二酸继续转化。
该过程省却了传统制备过程的催化剂清洗，再生以及失活催化剂的去除处理等过程，且整个反应过程绿色，清洁，完全符合现代化工工业的运转要求。
使用本发明的方法用丁二酸二钠发酵液制备丁二酸二甲酯，丁二酸二钠的转化率能够达到95%以上，丁二酸二甲酯的纯度能够达到95%-98%。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本发明所述的硅胶层析柱采购于青岛海洋化工厂，所述阳离子交换树脂采购于杭州争光树脂厂，所述的双极膜电渗析设备采购于杭州水处理中心。
实施例一
一种制备丁二酸二甲酯的方法，其制备方法如下：
（1）丁二酸二钠发酵液的制备：
①称取蛋白胨5kg，玉米浆20kg，葡萄糖20kg，磷酸二氢钾 1.5kg，磷酸氢二钠1.5kg，酵母膏5kg，去离子水947kg配置成总质量为1000kg的种子培养基，在发酵釜中使用种子培养基对琥珀酸放线杆菌进行培养，所述发酵釜中需要通入二氧化碳，二氧化碳的每分钟体积通入量10L，发酵过程中流加1mol/L氢氧化钠，将体系PH值稳定在7.0；
②称取蛋白胨50kg，玉米浆100kg，葡萄糖1000kg，磷酸二氢钾 25kg，磷酸氢二钠25kg，酵母膏50kg，乙酸钠50kg，去离子水8700kg配置成总质量为10000kg的发酵培养基，将经过种子培养基培养的琥珀酸放线杆菌移入发酵培养基中，在发酵釜中进行培养得质量浓度为8%的丁二酸二钠发酵液，所述发酵釜中需要通入二氧化碳，二氧化碳的每分钟体积通入量10L，发酵过程中流加1mol/L氢氧化钠，将体系PH值稳定在7.0；
（2）丁二酸二钠发酵液的处理
①使用板框过滤机对丁二酸二钠发酵液进行过滤处理，得清液原液，此时，清液原液蛋白质含量为0.03%，重金属离子总量为0.03%；
②在经步骤（2）①得到的清液原液中加入粉状活性炭，去除清液原液中的蛋白和色素得到初处理清液，加入粉状活性炭的质量占清液原液质量的4%，处理温度为60度，时间为30分钟，此时，初处理清液的透光率达到92%，蛋白质含量0.0005%，重金属离子含量为0.03%；
③将步骤（2）②得到的初处理清液，先在常温下，浸泡在硅胶层析柱中2小时，再在常温下，浸泡在阳离子交换树脂中2小时后，得清液，此时，清液中重金属离子总含量为0.00009%；
（3）制备丁二酸二甲酯
①将经步骤（2）处理后的蛋白质含量和重金属离子含量达到要求的清液，加入双极膜电渗析设备的物料罐中，物料罐中预先放置甲醇853kg，甲醇与清液中丁二酸含量的摩尔比为4:1，清液与甲醇混合即为物料；
②开启双极膜电渗析设备中的物料空间、氢氧化钠水溶液空间、电极液空间循环，各空间流量分别为物料空间2m3/h，氢氧化钠水溶液空间2m3/h，电解液空间500L/h，解液空间中使用质量浓度为3%的氢氧化钠溶液，各空间循环流体温度为36℃；并开启双极膜电渗析装置电源，调整电压为200V，电流为160A，即可制得丁二酸二甲酯。
经检测双极膜电渗析设备运行60小时后，丁二酸二钠转化率达到99.7%，丁二酸二甲酯纯度为97%。
实施例二
一种制备丁二酸二甲酯的方法，其制备方法如下：
（1）同具体实施例一的步骤制备得质量浓度为10%的丁二酸二钠发酵液的制备：
（2）丁二酸二钠发酵液的处理
①使用板框过滤机对丁二酸二钠发酵液进行过滤处理，得清液原液，此时，清液原液蛋白质含量为0.035%，重金属离子总量为0.03%；
②在经步骤（2）①得到的清液原液中加入粉状活性炭，去除清液原液中的蛋白和色素得到初处理清液，加入粉状活性炭的质量占清液原液质量的5%，处理温度为60度，时间为30分钟，此时，初处理清液的透光率达到93%，蛋白质含量0.0007%，重金属离子含量为0.03%；
③将步骤（2）②得到的初处理清液，先在常温下，浸泡在硅胶层析柱中2小时，再在常温下，浸泡在阳离子交换树脂中2小时后，得清液，此时，清液中重金属离子总含量为0.00009%；
（3）制备丁二酸二甲酯
①将经步骤（2）处理后的蛋白质含量和重金属离子含量达到要求的清液，加入双极膜电渗析设备的物料罐中，物料罐中预先放置甲醇1067kg，甲醇与清液中丁二酸含量的摩尔比为5:1，清液与甲醇混合即为物料；
②开启双极膜电渗析设备中的物料空间、氢氧化钠水溶液空间、电极液空间循环，各空间流量分别为物料空间2m3/h，氢氧化钠水溶液空间2m3/h，电解液空间500L/h，解液空间中使用质量浓度为3%的氢氧化钠溶液，各空间循环流体温度为36℃；并开启双极膜电渗析装置电源，调整电压为200V，电流为160A，即可制得丁二酸二甲酯。
经检测双极膜电渗析设备运行60小时后，丁二酸二钠转化率达到99.6%，丁二酸二甲酯纯度为96%。
实施例三
一种制备丁二酸二甲酯的方法，其制备方法如下：
（1）同具体实施例一的步骤制备得质量浓度为10%的丁二酸二钠发酵液的制备：
（2）丁二酸二钠发酵液的处理
①使用板框过滤机对丁二酸二钠发酵液进行过滤处理，得清液原液，此时，清液原液蛋白质含量为0.035%，重金属离子总量为0.03%；
②在经步骤（2）①得到的清液原液中加入粉状活性炭，去除清液原液中的蛋白和色素得到初处理清液，加入粉状活性炭的质量占清液原液质量的3%，处理温度为60度，时间为30分钟，此时，初处理清液的透光率达到89%，蛋白质含量0.0009%，重金属离子含量为0.03%；
③将步骤（2）②得到的初处理清液，先在常温下，浸泡在硅胶层析柱中2小时，再在常温下，浸泡在阳离子交换树脂中2小时后，得清液，此时，清液中重金属离子总含量为0.00009%；
（3）制备丁二酸二甲酯
①将经步骤（2）处理后的蛋白质含量和重金属离子含量达到要求的清液，加入双极膜电渗析设备的物料罐中，物料罐中预先放置甲醇640kg，甲醇与清液中丁二酸含量的摩尔比为3:1，清液与甲醇混合即为物料；
②开启双极膜电渗析设备中的物料空间、氢氧化钠水溶液空间、电极液空间循环，各空间流量分别为物料空间2m3/h，氢氧化钠水溶液空间2m3/h，电解液空间500L/h，解液空间中使用质量浓度为3%的氢氧化钠溶液，各空间循环流体温度为36℃；并开启双极膜电渗析装置电源，调整电压为200V，电流为160A，即可制得丁二酸二甲酯。
经检测双极膜电渗析设备运行60小时后，丁二酸二钠转化率达到99.5%，丁二酸二甲酯纯度为98%。
由上述实施例可以看出，本发明制备丁二酸二甲酯的方法，丁二酸二钠的转化率与丁二酸二甲酯的纯度明显高于传统方法，生产效率高，降低了生产成本。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中，因此，本发明不受本实施例的限制，任何采用等效替换取得的技术方案均在本发明保护的范围内。

Claims (3)

1.一种制备丁二酸二甲酯的方法，其特征为，其制备方法如下：
（1）丁二酸二钠发酵液的制备：
①在发酵釜中使用种子培养基对琥珀酸放线杆菌进行培养，所述种子培养基的组成成分按质量浓度计为：蛋白胨5g/L，玉米浆20g/L，葡萄糖20g/L，磷酸二氢钾 1.5g/L，磷酸氢二钠1.5g/L，酵母膏5g/L，去离子水配置；
②将经过种子培养基培养的琥珀酸放线杆菌移入发酵培养基中，在发酵釜中进行培养得丁二酸二钠发酵液，所述发酵培养基的组成成分按质量浓度计为：蛋白胨5g/L，玉米浆10g/L，葡萄糖100g/L，磷酸二氢钾 2.5g/L，磷酸氢二钠2.5g/L，酵母膏5g/L，乙酸钠5g/L，用去离子水配置；
（2）丁二酸二钠发酵液的处理
①使用板框过滤机对丁二酸二钠发酵液进行过滤处理，得清液原液，此时，清液原液蛋白质含量为0.03-0.05%，重金属离子总量为0.02~0.04%；
②在经步骤（2）①得到的清液原液中加入粉状活性炭，去除清液原液中的蛋白和色素得到初处理清液，加入粉状活性炭的质量占清液原液质量的2%~5%，处理温度为60~80度，时间为30~40分钟，此时，初处理清液的透光率达到92%~95%，蛋白质含量小于0.001%，重金属离子含量未减少；
③将步骤（2）②得到的初处理清液，先在常温下，浸泡在硅胶层析柱中2小时，再在常温下，浸泡在阳离子交换树脂中2小时后，得清液，此时，清液中重金属离子总含量小于0.0001%；
（3）制备丁二酸二甲酯
①将经步骤（2）处理后的蛋白质含量和重金属离子含量达到要求的清液，加入双极膜电渗析设备的物料罐中，物料罐中预先放置甲醇，清液与甲醇混合即为物料，所述甲醇与清液中丁二酸含量的摩尔比为3:1—5:1；
②开启双极膜电渗析设备中的物料空间、氢氧化钠水溶液空间、电极液空间循环，各空间流量分别为物料空间2m3/h，氢氧化钠水溶液空间2m3/h，电解液空间500L/h，各空间循环流体温度为35-37℃；并开启双极膜电渗析装置电源，调整电压为200V，电流为160A，即可制得丁二酸二甲酯。
2.如权利要求1所述的一种制备丁二酸二甲酯的方法，其特征为，所述发酵釜中需要通入二氧化碳，二氧化碳的每分钟体积通入量为发酵罐体积的0.1%~0.5%，发酵过程中流加1mol/L氢氧化钠，将体系PH值稳定在6.0-7.0。
3.如权利要求1所述的一种制备丁二酸二甲酯的方法，其特征为，所述电解液空间中使用质量浓度为3%的氢氧化钠溶液。
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