CN105420296B - 一种发酵法生产丁二酸的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种发酵法生产丁二酸的方法，包括如下步骤：发酵培养液的制备，将葡萄糖、玉米浆、水混合115℃灭菌，降温后加入碱式碳酸镁，通无菌空气下，接入菌种，发酵，得发酵培养液；将发酵培养液灭活过滤除菌后，脱色，酸化，得到浓缩液，抽滤得到丁二酸结晶粗品，滤液为硫酸镁及丁二酸一次母液；将丁二酸结晶粗品，溶入水中，加热至80℃后冷至4℃，得到纯净的丁二酸结晶和丁二酸二次母液，经回收处理后，即可完成丁二酸的生产工艺。本发明产品纯度高，安全可靠，可循环可反复回用，成本优势明显。
Description
技术领域
本发明涉及发酵法生产丁二酸提取工艺，具体涉及一种发酵法生产丁二酸的提取工艺方法。
背景技术
丁二酸主要应用于工业用表面活性剂、清洗剂、生物基聚合材料、食品添加剂和医药生产等领域。以前主要以石油为原料化学合成为主，近年来以可持续循环的生物基原料发酵生产丁二酸发展迅速，属国家支持和引导行业。
发酵法生产丁二酸，是以葡萄糖为基础原料，接种丁二酸菌种，固定化二氧化碳发酵制取。发酵过程中为控制发酵液酸度，需要添加中和剂，通过提取和净化工艺，制取合格的产成品。发酵过程中选择添加不同的中和剂，会导致提取工艺的极大变化。目前多数使用的是可溶性盐的工艺，其工艺特点如下：
1、液/液萃取法——这在化学工业中是一种效果良好、使用广泛的方法，并且在过去20年对以发酵为基础的产品的生产技术的改进起了一些作用。
使用这种方法的缺点是在提取过程中需使用大量有机溶剂(如环己烷或甲苯)，但有机溶剂残留使产品在食品级和医药级产品的生产中使用将会对最终产品的质量有不良影响。
2、电渗析法——发酵过程中流加氢氧化钠做中和剂，产生的可溶的丁二酸钠，发酵液用微过滤器分离出细胞和不溶的颗粒，过滤后的丁二酸钠打入电渗析单元。通过直流电的作用，离子部分和非离子部分(糖)以及大分子物质(蛋白质和多糖)分离开。脱盐的电渗析膜，具有离交功能，膜上带有固定的电荷。带正电荷膜选择性地允许丁二酸离子通过，排除钠离子；带负电荷的膜选择性地允许钠离子通过而排除丁二酸离子。通过这种机制，丁二酸钠和其它离子的部分通过离交膜与浓缩的糖、蛋白质及氨基酸分开。在交替叠放的阳极室和阴极室中分别得到了丁二酸溶液和氢氧化钠。离子通过阳离子膜和氢氧根结合形成氢氧化钠，可重新用于发酵罐中的中和反应。最后，丁二酸溶液经过一个蒸发结晶器以产生丁二酸晶体。
该工艺膜设备投资较大，膜寿命较短，电耗巨大，运营成本很高。
3、国外较多采用的是氨循环生产工艺。生产和纯化方法的第一步是以氨做中和剂，发酵生产出丁二酸二铵(6％～10％)，通过过滤器除去死细胞和蛋白质等不溶杂质，然后通过多效蒸发器浓缩至25％至30％。在丁二酸结晶器中，加入硫酸氢铵或硫酸，将浓缩液的pH值调至1.5～1.8，形成硫酸铵和丁二酸，丁二酸的溶解度较低(室温下的饱和溶解度为7％左右)，所以结晶出来。得到的晶浆过滤、洗涤，得到丁二酸用甲醇溶解，分离丁二酸中残留的不溶性硫酸盐，丁二酸的甲醇溶液进行浓缩结晶，甲醇回收使用，硫酸铵用热裂解装置在500℃以上温度下裂解为氨和硫酸氢铵，氨用于发酵过程的pH控制，硫酸氢铵循环用于结晶器中的丁二酸盐酸解，理论上良好运行的提取过程丁二酸是唯一的产物。
由于丁二酸的溶解度较低，浓缩结晶是主要的提取工艺。通过简化提取步骤，降低提取过程中的能量和物耗是决定提取工艺可行性的关键，该种工艺中使用了高温裂解和易挥发有机溶剂，工业化设备投资和能耗较大，丁二酸综合生产成本远高于石化法。
发明内容
本发明所提供一种发酵法生产丁二酸的提取工艺方法，用以达到提高效率、降低成本的目的。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种发酵法生产丁二酸的提取工艺方法，包括以下步骤：
一种发酵法生产丁二酸的方法，包括如下步骤：
(1)发酵培养液的制备，将葡萄糖、玉米浆、水混合后置于发酵罐中，115℃灭菌30min后，降温至36-38℃，加入碱式碳酸镁，调混合液pH值至6-8，通无菌空气下，保持正压0.02-0.03MPa，接入菌种，搅拌均匀后，静置，在36-38℃下发酵50-60h，每4-5小时对葡萄糖含量检测一次，同时镜检菌种生长及杂菌感染情况。发现杂菌多量感染后，立即升温灭活，并重新接种。检测葡萄糖含量小于0.2％以下时，发酵结束，发酵液升温至90℃灭活，发酵液经布式过滤器过滤，得发酵培养液。
(2)丁二酸的分离，将发酵培养液灭活过滤除菌后，经脱色树脂柱脱色至标准黄色7号色，加入质量分数为50％硫酸调pH值至1.5-1.8后，在0.04-0.1MPa，温度控制为65-70℃下使物料进行酸化，得到浓缩液，将该浓缩液在8-10h内冷却至室温，抽滤得到丁二酸结晶粗品，滤液为硫酸镁及丁二酸一次母液。
(3)丁二酸的纯化，将丁二酸结晶粗品，溶入去离子水中，加热至80℃后冷至4℃，得到纯净的丁二酸结晶和丁二酸二次母液。
(4)回收处理，丁二酸一次母液和丁二酸二次母液混合，加入等量乙醇混合，降温至4℃，丁二酸结晶析出，母液蒸馏出乙醇回用，即可完成丁二酸的生产工艺。
碱式碳酸镁的回收循环利用——蒸馏出乙醇的母液，主要富含可溶性的硫酸镁。在母液中加入碳酸钠反应，调pH值至7.5—8.0，生成硫酸钠溶液，同时析出不溶性的碱式碳酸镁(湿基)，过滤后的碱式碳酸镁回用于发酵液的配制。
所述的葡萄糖的质量分数为5-10％，玉米浆的质量分数为1.5-5％，其余为水；碱式碳酸镁的加入量为发酵液总量的5-10％。
所述的葡萄糖的质量分数为7.5％，玉米浆的质量分数为2.5％，其余为水；碱式碳酸镁的加入量为发酵液总量的6.7％。
所述的菌种为大肠埃希氏菌。
工艺相关反应式：
葡萄糖与中和剂碱式碳酸镁发酵生成丁二酸镁：
CH2OH(CHOH)4CHO+4MgCO3·Mg(OH)2·5H2O→(CH2)2(COO)2Mg
发酵液用硫酸酸化，生成丁二酸和硫酸镁：
(CH2)2(COO)2Mg+H2SO4→COOH(CH2)2COOH+MgSO4+CO2↑
结晶；残留母液中的硫酸镁与碳酸钠反应，回收沉淀中的碱式碳酸镁中和剂
MgSO4+Na2CO3→4MgCO3·Mg(OH)2·5H2O↓+Na2SO4
发酵法生产丁二酸所采用的中和剂为碱式碳酸镁(MgCO3·Mg(OH)2·5H2O)，在提取工艺中，通过脱色净化，硫酸、氢氧化钠复分解反应置换，在较温和的条件下得到丁二酸产成品。回收的碱式碳酸镁(MgCO3·Mg(OH)2·5H2O)，以及为提高产品收率而应用的乙醇辅料，安全可靠，可循环可反复回用，成本优势明显。其方法简单，操作方便，得到的丁二酸产品符合相关标准规定的要求。
具体实施方式
实施例1
一种发酵法生产丁二酸的方法，具体步骤如下：
1、发酵——在50升智能发酵罐中，加入3567ml的自来水，333克一水葡萄糖粉(含葡萄糖300克)，100克玉米浆膏，配制成发酵培养配比液。
2、在智能发酵罐的夹套中通入0.2MPa的蒸汽，在搅拌状态下，发酵培养配比液逐渐升温至115℃，高温灭菌30min后，夹套通水降温至37℃。
3、在上述发酵培养配比液中，加入干基灭活后的碱式碳酸镁273克做中和剂。通入无菌氮气保持正压0.03MPa，管道接入二级制备菌种2000ml开始发酵，所述的菌种为大肠埃希氏菌。
4、在搅拌状态下，在智能发酵罐的夹套中通入36-38℃的恒温循环水，使罐内发酵液在36-38℃环境中发酵；每5小时取样对葡萄糖含量检测一次，同时镜检菌种生长及杂菌感染情况。发酵至49小时时，检测葡萄糖含量0.12％，发酵结束；排出夹套恒温循环水，夹套通入0.1MPa的蒸汽，12分钟后，发酵液升温至90℃，停止蒸汽通入，保持5分钟灭活。发酵液在放出时经布式过滤器过滤，得澄清发酵液4100ml。
5、丁二酸的分离——将发酵液灭活过滤除菌后，使用脱色树脂柱脱色，脱色流速10ml/min，流加完后用150ml洗涤，检测交换液标准黄色5号色；交换液中加入50％硫酸调pH值1.8酸化；酸化液在减压状态下(负压0.09Mpa)，控制物料温度在66℃，加热浓缩至丁二酸含量32％，得到的浓缩液在室温环境下，冷却结晶8小时，抽滤得到丁二酸结晶粗品295克。含有硫酸镁及丁二酸的母液另行处理。
6、丁二酸的纯化——将295克丁二酸结晶粗品，溶入590ml无离子水中(重量比1:2)，加热至80℃后冷至4℃，得到较纯净的丁二酸结晶287克(湿基)和二次母液593ml。
7、结晶母液的回收处理——第一次结晶母液和第二次结晶母液混合。加入1200ml乙醇混合，降温至4℃，析出11克丁二酸结晶。收集所有丁二酸结晶，置于烘箱中，95℃烘干后为产成品。母液蒸馏出乙醇回用。
碱式碳酸镁的回收循环利用——蒸馏出乙醇的母液，主要富含可溶性的硫酸镁。在母液中加入碳酸钠反应，调pH值至7.1，生成硫酸钠溶液，同时析出不溶性的碱式碳酸镁(湿基)，过滤后的碱式碳酸镁回用于发酵液的配制。生成的硫酸钠溶液经浓缩冷却，结晶出十水硫酸钠。
Claims (1)
1.一种发酵法生产丁二酸的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）发酵——在50升智能发酵罐中，加入3567ml的自来水，333克一水葡萄糖粉，100克玉米浆膏，配制成发酵培养配比液；
（2）在智能发酵罐的夹套中通入0.2MPa的蒸汽，在搅拌状态下，发酵培养配比液逐渐升温至115℃，高温灭菌30min后，夹套通水降温至37℃；
（3）在上述发酵培养配比液中，加入干基灭活后的碱式碳酸镁273克做中和剂，通入无菌氮气保持正压0.03MPa，管道接入二级制备菌种2000ml开始发酵，所述的菌种为大肠埃希氏菌；
（4）在搅拌状态下，在智能发酵罐的夹套中通入36-38℃的恒温循环水，使罐内发酵液在36-38℃环境中发酵；每5小时取样对葡萄糖含量检测一次，同时镜检菌种生长及杂菌感染情况，发酵至49小时时，检测葡萄糖含量0.12%，发酵结束；排出夹套恒温循环水，夹套通入0.1MPa的蒸汽，12分钟后，发酵液升温至90℃，停止蒸汽通入，保持5分钟灭活，发酵液在放出时经布式过滤器过滤，得澄清发酵液4100ml；
（5）丁二酸的分离——将发酵液灭活过滤除菌后，使用脱色树脂柱脱色，脱色流速10ml/min，流加完后用150ml洗涤，检测交换液标准黄色5号色；交换液中加入50%硫酸调pH值1.8酸化；酸化液在减压状态下，负压0.09Mpa，控制物料温度在66℃，加热浓缩至丁二酸含量32%，得到的浓缩液在室温环境下，冷却结晶8小时，抽滤得到丁二酸结晶粗品295克，含有硫酸镁及丁二酸的母液另行处理；
（6）丁二酸的纯化——将295克丁二酸结晶粗品，溶入590ml无离子水中，丁二酸结晶粗品与无离子水的重量比为1:2，加热至80℃后冷至4℃，得到较纯净的丁二酸结晶287克，丁二酸结晶为湿基状态和二次母液593ml；
（7）结晶母液的回收处理——第一次结晶母液和第二次结晶母液混合，加入1200ml乙醇混合，降温至4℃，析出11克丁二酸结晶，收集所有丁二酸结晶，置于烘箱中，95℃烘干后为产成品，母液蒸馏出乙醇回用；
碱式碳酸镁的回收循环利用——蒸馏出乙醇的母液，主要富含可溶性的硫酸镁，在母液中加入碳酸钠反应，调pH值至7.1，生成硫酸钠溶液，同时析出不溶性的碱式碳酸镁，碱式碳酸镁为湿基状态，过滤后的碱式碳酸镁回用于发酵液的配制，生成的硫酸钠溶液经浓缩冷却，结晶出十水硫酸钠。
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