CN105087676A

CN105087676A - 基于双极膜电渗析技术的l-(+)-酒石酸清洁生产工艺

Info

Publication number: CN105087676A
Application number: CN201410160082.6A
Authority: CN
Inventors: 周铁成; 王云山; 王自强; 周煜昊; 冯晓东; 龚树
Original assignee: Great Wall Bio-Chemical Engineering Co Ltd
Current assignee: Great Wall Bio-Chemical Engineering Co Ltd
Priority date: 2014-04-21
Filing date: 2014-04-21
Publication date: 2015-11-25

Abstract

本发明的目的是提供一种基于双极膜电渗析技术的L-(+)-酒石酸清洁生产工艺。该工艺包括如下步骤：顺式环氧琥珀酸钠盐经L-型顺式环氧琥珀酸水解酶（L-ESH）水解后，得到L-(+)-酒石酸钠转化液，通过双极膜电渗析器将所述L-(+)-酒石酸钠转化液所含的L-(+)-酒石酸钠转化为L-(+)-酒石酸。本发明可取代目前的L-(+)-酒石酸钙酸化工艺，L-(+)-酒石酸的收率达到了96%以上，且无需外加酸来提供H+；同时，生成的NaOH溶液可用来合成前体顺式环氧琥珀酸钠，整个生产过程中不产生任何酸碱盐废液。该生产工艺能够减少环境污染，降低原料消耗，具有显著的工业应用价值和环境效益。

Description

基于双极膜电渗析技术的L-(+)-酒石酸清洁生产工艺

技术领域

本发明涉及一种L-(+)-酒石酸清洁生产工艺，具体而言涉及应用双极膜电渗析器从酶法转化生产L-(+)-酒石酸的转化液中分离L-(+)-酒石酸根离子的方法，属于膜技术领域。

背景技术

L-(+)-酒石酸是一种天然有机酸，广泛分布于自然界，特别是葡萄和罗望子果中。L-(+)-酒石酸是一种重要的食品添加剂和化工原料。作为食品添加剂，L-(+)-酒石酸可作为酸味剂、防腐剂和乳化稳定剂；在工业方面主要用于印染的防染剂、照相显影剂、金属离子隐匿剂；在制药工业中，可作为药物拆分剂，特别是在抗结核药乙胺丁醇的生产过程中，L-(+)-酒石酸作为唯一的、不可替代的手性拆分剂已取得成功应用；L-(+)-酒石酸在电镀和制革等行业也有广泛的用途。

目前，生产L-(+)-酒石酸的方法主要有抽提法、糖质发酵法、化学拆分法和生物酶法，其中，生物酶法转化生产L-(+)-酒石酸是目前应用最为广泛的方法之一。在L-(+)-酒石酸生产中，通常采用钙盐法来提取L-(+)-酒石酸，一般通过在转化液中加入钙中和剂使之生成L-(+)-酒石酸钙，经反复结晶、洗净后加入硫酸酸解提取L-(+)-酒石酸，并需通过活性炭脱色、离子交换去除杂离子后才可得到精纯产品。传统的钙盐法在生产过程中会消耗大量的硫酸，产生副产物硫酸钙，且提取精制过程步骤繁多，劳动强度和生产成本高。

专利申请CN102093208A在传统的生物酶转化生产方法的基础上作出了改进，通过循环使用硫酸钙，减少了固体废弃物副产物的生成，解决了环境污染的问题；然而，这一方法仍需消耗大量硫酸，并且同样存在提取精制过程繁琐的缺陷。

双极膜电渗析技术通过使用双极膜，在溶液中直接将水电离为H+和OH-，因此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，近年来在研究和应用两方面都得到了迅速发展。国内已有利用电渗析技术制备L-(+)-酒石酸的报道，CN102698603A报道了一种酒石酸的生产方法，使用电渗析技术从粗酒石（主要成分为酒石酸氢钾）中提取L-(+)-酒石酸。在这一方法中，尽管在提取前使用氢氧化钾将酒石中的酒石酸氢钾转化为溶解度较高的酒石酸钾，但是在提取过程中，由于阴离子交换膜和阳离子交换膜对离子的通透性能不同，还很容易形成溶解度较低的酒石酸氢钾（25℃条件下，溶解度仅为约8g/L），进而导致膜堵塞，这是不利于工业使用的；为了避免膜堵塞等不利因素，溶液中酒石酸根离子的浓度必须保持在较低水平，导致电导率较低，需特别采用导电隔板；并且其生产效率也较低。同时，受葡萄产量、产区及季节的影响，不同地区葡萄中的酒石酸氢钾含量不同，从而不利于工业生产，并且其产量也无法满足现代工业的需要。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种基于双极膜电渗析技术的L-(+)-酒石酸清洁生产工艺，从而有利地将酶法转化生产酒石酸与双极膜电渗析技术相结合，高效地从酶法转化液中提取L-(+)-酒石酸，简化了生产过程，同时实现氢氧化钠的重复利用。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种基于双极膜电渗析技术的L-(+)-酒石酸清洁生产方法，主要包括如下步骤：

（1）使用L-型顺式环氧琥珀酸水解酶（L-ESH）催化水解顺式环氧琥珀酸钠，生成L-(+)-酒石酸钠转化液；

（2）通过双极膜电渗析器将所述L-(+)-酒石酸钠转化液中所含的L-(+)-酒石酸钠转化为L-(+)-酒石酸。

优选的是，所述步骤（2）中使用的电渗析器的膜池构型为：（1）用阴离子交换膜分隔成的盐/酸二室式；或者（2）用阴离子交换膜、阳离子交换膜分隔成的酸/盐/碱三室式。

在盐/酸二室式的情况下，在生产时，将L-(+)-酒石酸钠转化液输送入盐室，将L-(+)-酒石酸溶液输送入酸室，物料在蠕动泵的作用下循环流动，并采用下列生产条件中的一种或多种：电流密度为80-140mA/cm²，优选140mA/cm²；操作温度为25-50℃，优选50℃；以及反应时间为4-6h，优选6h。

在酸/盐/碱三室式的情况下，在生产时，将L-(+)-酒石酸钠转化液输送入盐室，将L-(+)-酒石酸溶液输送入酸室，将NaOH溶液输送入碱室，物料在蠕动泵的作用下循环流动，并采用下列生产条件中的一种或多种：电流密度为80-140mA/cm²，优选80mA/cm²；操作温度为25-50℃，优选40℃；以及反应时间为4-6h，优选6h。

本发明的电渗析器中可具有多个膜池，所述多个膜池采取并联或串联的排列方式。优选地，本发明的电渗析器中可具有3个相串联的膜池，所述膜池优选可采取盐/酸二室式构型。

优选地，在本发明中，在所述步骤（1）之前，所述方法还包括下述步骤：用具有序列SEQIDNO：1的基因进行编码，得到所述L-型顺式环氧琥珀酸水解酶。

本发明的工艺采用了双极膜电渗析技术对酒石酸进行分离，避免了现有技术中生产步骤繁琐、需要消耗大量硫酸、不可避免地产生副产品等各种缺陷，并在优选的实施方式中实现了氢氧化钠的循环利用，整个工艺流程采用封闭式循环，具有显著的工业应用价值和环境效益；另一方面，由于本发明以酶转化法来制备L-(+)-酒石酸，避免了使用酒石作为原料所产生的各种不利问题，同时，由于L-(+)-酒石酸钠的高溶解性，本发明的工艺能够以较高浓度对L-(+)-酒石酸进行分离，提高了L-(+)酒石酸的生产效率。

附图说明

图1为本发明的L-(+)-酒石酸生产工艺的流程示意图。

图2为本发明的盐/酸二室式电渗析装置制备L-(+)-酒石酸的工作原理图，其中，从左至右依次为酸室和盐室。

图3为本发明的酸/盐/碱三室式电渗析装置制备L-(+)-酒石酸的工作原理图，其中，从左至右依次为酸室、盐室和碱室。

以下对本发明的优选实施方式进行详细说明。

具体实施方式

本发明的酒石酸生产工艺使用L-型顺式环氧琥珀酸水解酶（L-ESH）对顺式环氧琥珀酸钠进行水解，以获得L-(+)-酒石酸钠。L-ESH是一种环氧化合物水解酶（EpoxideHydrolases，EH），属于胞内酶，能够立体选择性地将水分子加成到顺式环氧琥珀酸盐上形成L-(+)-酒石酸盐。产L-ESH菌的使用是本领域已知的，已经报道用于产生L-ESH的菌种主要包括假单胞杆菌（Pseudomonassp.，US4028185A）、产碱杆菌（Alcaligenes，US3957579A）、棒状杆菌（Corynebacterium，张建国，棒状杆菌固定化细胞生产L-(+)-酒石酸，生物工程学报，2000，16（2）：188-192）、瓦氏根瘤菌（Rhizobiumvalidum，US4028185A）、酒石酸诺卡氏菌（Nocardiatartaricans，郑璞等，用诺卡氏菌酶法转化顺式环氧琥珀酸生产L-(+)-酒石酸的研究，工业微生物，1994，4（3）：12-17）、赤红球菌（Rhodococcusruber，潘克侠等，产顺式环氧琥珀酸水解酶的红球菌M1菌株的分离鉴定及其产酶条件优化，微生物学报，2004，44（3）：276-280）、博德特氏菌（Bordetella，潘海峰等，产顺式环氧琥珀酸水解酶的博德特氏菌BK-52的筛选、鉴定及其产酶条件优化，微生物学报，2008，48（8）：1075-1081）等，以引用的方式将以上文献的全部内容并入本文。

在优选的实施方式中，将能够对L-ESH进行编码的基因片段连接至质粒载体上，并导入E.coli细胞，获得重组工程菌，并将其用于本发明。因此，在优选的实施方式中，本发明所使用的“L-型顺式环氧琥珀酸水解酶”也可以是指在反应体系中使用的上述重组工程菌。

优选地，本发明使用下述基因片段（SEQIDNO：1）对L-型顺式环氧琥珀酸水解酶进行编码：

SEQIDNO：1

ATGCAGCTGAACAACGCTAACGACAACACCCAGTTCCGTGCTCTGCTGTTCGACGTTCAGGGTACCCTGACCGACTTCCGTTCTACCCTGATCGAACACGGTCTGTCTATCCTGGGTGACCGTGTTGACCGTGAACTGTGGGAAGAACTGGTTGACCAGTGGCGTGGTTGCTACCGTGACGAACTGGACTCTCTGGTTAAACAGGAAAAATGGCGTTCTGTTCGTGCTGTTTACCGTGACTCTCTGATCAACCTGCTGGCTAAATTCTCTGACTCTTTCTGCGCTACCTCTGCTGAAGTTGAACTGCTGACCGACGGTTGGGAACGTCTGCGTTCTTGGCCGGACGTTCCGTCTGGTCTGGAACAGCTGCGTTCTAAATACCTGGTTGCTGCTCTGACCAACGCTGACTTCTCTGCTATCGTTAACGTTGGTCGTTCTGCTAAACTGCAGTGGGACGCTGTTCTGTCTGCTCAGCTGTTCGGTGCTTACAAACCGCACCGTTCTACCTACGAAGGTGCTGCTACCCTGCTGGGTATCGCTCCGTCTGAAATCCTGATGGTTGCTTCTCACGCTTACGACCTGGAAGCTGCTCGTGAAGTTGGTGCTGGTACCGCTTACGTTCGTCGTCCGCTGGAATACGGTCCGACCGGTCGTACCGAAGACGTTCCGGACGGTCGTTTCGACTTCCTGGTTGACTCTATCTCTGAACTGGCTGACCAGCTGGGTTGCCCGCGTCTGGGTGGTACCGCTGGTATCGACTAA

目前市场上的商品化二室式或三室式双极膜电渗析器均可用于本发明。优选的是，本发明中所使用的电渗析器由隔板、双极膜、阳离子交换膜和阴离子交换膜按照设定的膜池构型组成一个膜组单位，一个或数个模组单位组装在一对电极之间，形成双极膜电渗析装置。膜池构型为用阴离子交换膜分隔成的盐/酸二室（如图2所示）或者为用阴离子交换膜、阳离子交换膜分隔成的酸/盐/碱三室式（如图3所示）。

在本发明的盐/酸二室式膜池中，两张双极膜间用阴离子交换膜分隔成酸室与盐室。转化液进入右边的盐室，在直流电场作用下，阴离子L-(+)-酒石酸根通过阴离子交换膜进入左边酸室，形成L-(+)-酒石酸；而在盐室中的阳离子（Na⁺）与双极膜产生的OH-形成碱。这种电渗析法可制得纯L-(+)-酒石酸和盐与碱的混合物。

在本发明的酸/盐/碱三室式膜池中，两张双极膜间用阴离子交换膜和阳离子交换膜分隔组成酸室、盐室和碱室。转化液进入中间的盐室后，在直流电场作用下，阳离子（Na⁺）通过阳离子交换膜进入碱室，与双极膜产生的OH-形成碱；而阴离子L-(+)-酒石酸根则通过阴离子交换膜进入酸室，与双极膜产生的H+形成L-(+)-酒石酸。

优选地，本发明中所使用的电渗析器中的模组单位可采取并联或串联的方式进行。

优选地，本发明中的电渗析器的操作参数为：生产时，将L-(+)-酒石酸钠转化液输送入盐室，将L-(+)-酒石酸溶液输送入酸室（二室式和三室式），将NaOH溶液输送入碱室（三室式），物料在蠕动泵的作用下循环流动，电流密度为80-140mA/cm2，操作温度为25-50℃，反应时间为4-6h。

以下结合实施例对本发明进行描述。

实施例

以下实施例1中，底物顺式环氧琥珀酸钠的合成方法为：将300mL去离子水加入1000mL烧瓶中，在搅拌下加入顺丁烯二酸酐120g，待其溶解后，缓慢加入由50g片碱、180mL纯水配制的NaOH溶液，反应温度逐渐升至55℃。然后将7g钨酸钠加入烧瓶中，再将162mL27.5％H₂O₂滴入烧瓶中，过程中保持温度为60℃。H₂O₂滴加完后，保温反应2h。反应结束后，用NaOH调节pH至8.5左右，待用。

用于底物合成所使用的其它试剂（如顺丁烯二酸酐、NaOH、钨酸钠、H₂O₂等）均为国产分析纯。

以下实施例2-4中，所使用的双极膜电渗析器的型号为CJ-BMED-A，由合肥科佳高分子材料科技有限公司生产，外型尺寸为650×650×950mm，膜堆尺寸为170mm×110mm，离子交换膜为耐酸碱型。实施例1L-型顺式环氧琥珀酸水解酶的制备及其酶促水解

将SEQIDNO：1的基因片段连接至pBV220质粒载体上，然后将重组质粒导入E.coliBL21（DE3）感受态细胞中，得到重组L-型顺式环氧琥珀酸水解酶工程菌。工程菌的培养条件为：在500mL三角瓶中装入100mLLB培养基，挑取工程菌单菌落接入培养基，置于37℃，200rpm条件下振荡培养，当OD600=0.6-0.8时，将温度升至42℃诱导培养5h后结束，8000g离心收集菌体细胞，待用。

在500mL1.2M的顺式环氧琥珀酸钠溶液（pH8.0）中加入上述0.4gE.coli菌体细胞，于200rpm，37℃条件下进行催化反应，约12h后停止反应，得到转化液，顺式环氧琥珀酸钠的转化率可达到98%以上。

实施例2盐/酸二室式电渗析装置制备L-(+)-酒石酸

将2L由实施例1中得到的转化液以60L/h的速度泵入盐/酸二室式电渗析器的盐室（图2），同时以40L/h的速度将0.5L0.2M的L-(+)-酒石酸溶液泵入酸室以增加其导电性。控制电压使电流密度维持在140mA/cm2，操作温度为50℃，循环反应6h，L-(+)-酒石酸根的转化率达到90%，能耗为2.13kW·h/kg，电流效率为87%左右，L-(+)-酒石酸回收率达到96%。

实施例3酸/盐/碱三室式电渗析装置制备L-(+)-酒石酸

将2L由实施例1中得到的转化液以80L/h的速度泵入酸/盐/碱三室式电渗析器的盐室（图3），同时以60L/h的速度将1L0.2M的L-(+)-酒石酸溶液泵入酸室，以60L/h的速度将1L0.1M的NaOH溶液泵入碱室，以增加其导电性。控制电压使电流密度维持在80mA/cm²，操作温度为40℃，循环反应6h，L-(+)-酒石酸根的转化率达到95%，能耗为2.43kW·h/kg，电流效率为89%左右，L-(+)-酒石酸回收率达到98%。

实施例4二室式模组单位串联型电渗析装置制备L-(+)-酒石酸

在电渗析器的一对电极之间串联3组图2所示的模组单位，形式阳极室-酸室-盐室-酸室-盐室-酸室-盐室-阴极室多个隔室。酸室均灌注0.2M的L-(+)-酒石酸溶液，流速为80L/h，以增加酸室的导电性。盐室均灌注含1.2ML-(+)-酒石酸根离子的转化液（由实施例1中得到），流速为100L/h。控制电压使得电流密度维持在140mA/cm²，操作温度为30℃，反应4h，L-(+)-酒石酸根的转化率达到92%，能耗为3.0kW·h/kg，电流效率为90%左右，L-(+)-酒石酸回收率达到98%。

对比例1与现有技术中利用双极膜电渗析技术生产L-(+)-酒石酸的对比

作为现有技术的专利CN102698603A中已报道了利用双极膜电渗析技术生产酒石酸，但该现有方法以酒石中含有的酒石酸氢钾为原料，其溶解度很低；为避免膜堵塞等不利因素，溶液中酒石酸根离子的浓度仅为0.5M。同时受葡萄产量、产区及季节的影响，不同地区葡萄中的酒石酸氢钾含量不同，从而不利于工业生产。本发明则以酶转化法来制备L-(+)-酒石酸，避免了上述不利因素。同时，由于L-(+)-酒石酸钠的高溶解性（可高达3.0M），提高了L-酒石酸的生产效率。本发明生产的酒石酸的浓度可达到170～175g/L，相比于专利CN102698603A公开的最高浓度131.4g/L（CN102698603A中的两个实施例所制得的L-(+)-酒石酸浓度为54.3～131.4g/L），至少提高了29.4%。

Claims

1.一种L-(+)-酒石酸生产方法，包括如下步骤：

（1）使用L-型顺式环氧琥珀酸水解酶催化水解顺式环氧琥珀酸钠，生成L-(+)-酒石酸钠转化液；

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（2）中使用的电渗析器的膜池构型为用阴离子交换膜分隔成的盐/酸二室式。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（2）中使用的电渗析器的膜池构型为用阴离子交换膜、阳离子交换膜分隔成的酸/盐/碱三室式。

4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述电渗析器中具有多个膜池，所述多个膜池采取并联或串联的排列方式。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在生产时，将所述L-(+)-酒石酸钠转化液输送入盐室，将L-(+)-酒石酸溶液输送入酸室，物料在蠕动泵的作用下循环流动，并采用下列生产条件中的一种或多种：

电流密度为80-140mA/cm²，优选140mA/cm²；

操作温度为25-50℃，优选50℃；以及

反应时间为4-6h，优选6h。

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在生产时，将所述L-(+)-酒石酸钠转化液输送入盐室，将L-(+)-酒石酸溶液输送入酸室，将NaOH溶液输送入碱室，物料在蠕动泵的作用下循环流动，并采用下列生产条件中的一种或多种：

电流密度为80-140mA/cm²，优选80mA/cm²；

操作温度为25-50℃，优选40℃；以及

反应时间为4-6h，优选6h。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，将碱室中产生的氢氧化钠溶液重新用于顺式环氧琥珀酸钠的生产。

8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述电渗析器具有三组串联的二室式膜池，在生产时，将所述L-(+)-酒石酸钠转化液输送入各个膜池的盐室，将L-(+)-酒石酸溶液输送入酸室，物料在蠕动泵的作用下循环流动，并采用下列生产条件中的一种或多种：

电流密度为80-140mA/cm²，优选140mA/cm²；

操作温度为25-50℃，优选30℃；以及

反应时间为4-6h，优选4h。

9.如权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤（1）之前，所述方法还包括下述步骤：用具有序列SEQIDNO：1的基因进行编码，得到所述L-型顺式环氧琥珀酸水解酶。