CN105732457B - 一种利用丁二酸发酵液制备丁二酰亚胺的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种利用丁二酸发酵液制备丁二酰亚胺的方法，该方法以微生物发酵所得的丁二酸和从发酵液中以尿素共结晶得到的产物为原料，控制丁二酸与尿素反应的起始比例合成丁二酰亚胺。该方法无需单独匹配丁二酸纯化步骤即可有效利用发酵液中的丁二酸成分，简化了操作流程；此外，该制备方法以生物制品为起始原料，污染较小，过程中剩余的发酵液对生物无害，再加之其中残留尿素成分，因此可作为生物肥料，而合成丁二酰亚胺所产生的CO2，可用于丁二酸发酵过程中微生物培养。综合来看，本发明不仅实现了丁二酸分离工艺同丁二酰亚胺合成工艺的整合，而且获得了有价值的中间产物，在改善制备效率的基础上提升附加值，同时满足环境友好的要求。

Description

一种利用丁二酸发酵液制备丁二酰亚胺的方法
技术领域
本发明涉及生物化工技术领域，进一步涉及发酵产丁二酸与化学合成丁二酰亚胺的联合方法，具体涉及一种利用丁二酸发酵液制备丁二酰亚胺的方法。
背景技术
生物基丁二酸可利用薯类、秸秆等廉价的生物质为原料生产，附加值极高。目前，Myriant、DSM等国外企业已实现了生物基丁二酸的产业化，国内也有南京工业大学、江南大学、天津大学、华东理工大学、中科院天津工业生物技术研究所和中科院过程所等多家单位进行生物发酵方法生产丁二酸的研究工作。
丁二酰亚胺(Succinimide)，又名琥珀酰亚胺(NHS)，分子式：C4H5NO2，分子量：99.09，是一种丁二酸下游的精细化工产品，主要用于有机合成、制备医药与农药的重要中间体以及镀银工业。可以用于合成溴化剂N-溴代丁二酰亚胺(NBS)，它可用作水果的保鲜剂、防腐剂、防霉剂，同时也可以用于合成溴乙腈、噻菌灵。丁二酰亚胺与次氯酸盐反应则可以合成重要的氯化剂、杀菌剂N-氯代丁二酰亚胺(NCS)。
丁二酰亚胺主要合成方法有丁二酸在氨气流中加热反应得到丁二酸铵再加热脱水反应合成；丁二酸与氨水加热在亚磷酸催化下反应得到丁二酰亚胺；丁二酸与尿素氨化反应制得。以上方法均是用纯度较高的丁二酸为原料，前期获得丁二酸需要耗费高额的分离成本。
发明内容
本发明旨在针对现有技术的技术缺陷，提供一种利用丁二酸发酵液制备丁二酰亚胺的方法，以解决现有技术中丁二酰亚胺的制备方法原料成本高、污染严重、能耗较高的技术问题。
本发明要解决的另一技术问题是现有技术中丁二酰亚胺的制备方法流程繁琐。
本发明要解决的再一技术问题是现有技术中含有丁二酸的发酵产物，除用于直接提取丁二酸外并未得到进一步利用。
本发明要解决的又一技术问题是当以丁二酸发酵液为原料制备丁二酰亚胺时，从发酵液中提取丁二酸较为繁琐。
本发明要解决的又一技术问题是当以丁二酸发酵液为原料制备丁二酰亚胺时，发酵液中的丁二酸难以得到充分利用。
本发明要解决的又一技术问题是当以丁二酸发酵液为原料制备丁二酰亚胺时，丁二酸与尿素的合成反应速度较慢、副产物较多。
本发明要解决的又一技术问题是当以丁二酸发酵液为原料制备丁二酰亚胺时，产物杂质含量较高。
为实现以上技术目的，本发明采用以下技术方案：
一种利用丁二酸发酵液制备丁二酰亚胺的方法，包括以下步骤：
1)取丁二酸发酵液，固液分离取上清，从上清液中提取丁二酸与尿素以摩尔比1:(0.5～0.9)混合；
2)向步骤1)所得的混合物中加入亚磷酸，而后于120～135℃保温0.5～2小时，再于185～205℃反应5～8小时；
3)冷却收集结晶，即得到所述丁二酰亚胺。
作为优选，步骤1)具体包括以下操作：
a)取丁二酸发酵液，固液分离取上清，调节其酸碱度至pH<2，冷却析出丁二酸结晶，分别收集丁二酸结晶和剩余溶液；
b)向步骤a)所述的剩余溶液中加入尿素溶解，于4～28℃条件下结晶2～24小时，收集固相即为丁二酸-尿素共结晶；
c)取步骤b)所述丁二酸-尿素共结晶，与丁二酸混合，至混合物中丁二酸与尿素摩尔比为1:(0.5～0.9)。
作为优选，步骤a)中所述的冷却，是在0～8℃范围内持续8～12h。
作为优选，所述剩余溶液中丁二酸的浓度为25～35g/L。
作为优选，步骤b)中尿素的加入量是所述剩余溶液中丁二酸总质量的2～8倍。
作为优选，所述固液分离取上清后，先利用活性炭对上清液脱色，再执行后续操作；在此基础上进一步优选的，脱色后上清液中丁二酸含量为70～150g/L。
作为优选，步骤3)冷却结晶前，先将步骤2)反应后的溶液在70～90℃条件下脱色，而后再冷却结晶；在此基础上进一步优选的，脱色是在80℃条件下进行的。
作为优选，所述在70～90℃条件下脱色，是70～90℃条件下向步骤2)反应后的溶液中加入水和活性炭，而后热过滤取滤液，其中水、活性炭、步骤2)反应后的溶液中丁二酰亚胺总量三者的质量比为(2～4):(0.05～0.09):1；在此基础上进一步优选的，水、活性炭、步骤2)反应后的溶液中丁二酰亚胺总量三者的质量比为3:0.08:1。
作为优选，步骤2)中亚磷酸的加入量是所述混合物中丁二酸总质量的0.3～0.5％。
作为优选，还包括步骤4)：取步骤3)所述丁二酰亚胺溶解于水中，而后利用乙醇重结晶，取固相干燥。
作为优选，步骤1)所述的固液分离是离心、过滤。
作为优选，步骤2)中保温过程或反应过程是在搅拌条件下进行的。
作为优选，步骤1)中用于与尿素混合的丁二酸，并非全部自发酵液中提取获得，也可以是其他来源的丁二酸。
作为优选，步骤b)中加入尿素后，在加热条件下或超声震荡条件下溶解。
作为优选，步骤1)中丁二酸与尿素以摩尔比1:0.55混合。
作为优选，步骤2)中所述反应的温度是195～200℃。
在以上技术方案中，所述丁二酸发酵液是指微生物产生的、含有丁二酸的发酵产物；其通常是生物法制备丁二酸的中间产物，该中间产物可用于直接提取丁二酸，而在本发明中利用该中间产物为原料制备丁二酰亚胺。
本发明提供了一种利用丁二酸发酵液制备丁二酰亚胺的方法，该方法以微生物发酵所得的丁二酸和从发酵液中以尿素共结晶得到的共结晶物为原料，控制丁二酸与尿素反应的起始比例合成丁二酰亚胺。原料就地取材，无需单独匹配丁二酸纯化步骤即可有效利用发酵液中的丁二酸成分，简化了操作流程；此外，该制备方法以生物制品作为起始原料，污染较小，制备过程中剩余的发酵液对生物无害，再加之其中残留一定的尿素成分，因此可直接作为生物肥料，而合成丁二酰亚胺所产生的CO2，则可用于前期丁二酸发酵过程的微生物培养。综合来看，本发明不仅实现了丁二酸分离工艺同丁二酰亚胺合成工艺的整合，而且获得了有价值的中间产物，在改善制备效率的基础上提升附加值，同时满足环境友好的要求。
在优选技术方案中，限定冷却结晶的温度，是发现在该温度条件下丁二酸从发酵液中结晶速度较快；限定剩余溶液中丁二酸的残留量是由于该浓度条件的丁二酸最有利于与尿素形成共结晶物；限定向剩余溶液中加入尿素的含量同样是为了保证共结晶产物品质；重结晶工序和脱色工序的引入能够显著降低产物杂质含量，而限定具体的脱色工艺是为了在保证脱色效果的基础上便于热过滤；对亚磷酸加入量的限定是发现该用量条件下反应速度较快，同时副产物极少，从而保证产品纯度。
附图说明
图1是本发明丁二酰亚胺制备方法的流程示意图；
具体实施方式
以下将对本发明的具体实施方式进行详细描述。为了避免过多不必要的细节，在以下实施例中对属于公知的结构或功能将不进行详细描述。
以下实施例中所使用的近似性语言可用于定量表述，表明在不改变基本功能的情况下可允许数量有一定的变动。因此，用“大约”、“左右”等语言所修正的数值不限于该准确数值本身。在一些实施例中，“大约”表示允许其修正的数值在正负百分之十(10％)的范围内变化，比如，“大约100”表示的可以是90到110之间的任何数值。此外，在“大约第一数值到第二数值”的表述中，大约同时修正第一和第二数值两个数值。在某些情况下，近似性语言可能与测量仪器的精度有关。
除有定义外，以下实施例中所用的技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。
以下实施例中所用的试验试剂耗材，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；以下实施例中的定量试验，均设置三次重复实验，结果取平均值；以下实施例中的％，如无特别说明，均为质量百分含量。
实施例1
将产丁二酸大肠杆菌基因工程菌发酵后的发酵液，离心过滤后，再经过活性炭脱色柱脱色，得到1L澄清的丁二酸发酵液。再将预处理后的发酵液进行酸化调节pH<2后(丁二酸的浓度为105.37g/L)，放入4℃冷却结晶罐中结晶12小时。过滤得到丁二酸固体(真空干燥得到73.6g丁二酸)与丁二酸结晶过滤后的母液。再将85.2g尿素加入丁二酸结晶过滤后的母液中，加热搅拌溶解，之后降温至4℃冷却结晶12小时，获得丁二酸尿素的共结晶物经干燥后质量为56.8g。再将共结晶物加入到反应釜中，补加入冷却结晶获得的73.6g丁二酸。加入0.3g的亚磷酸固体，开动搅拌并升温至135℃保温1小时，继续升温至185℃反应7小时。反应结束后，将温度降低到80℃，加入水与活性碳脱色1小时，趁热过滤到冷却罐中结晶。获得丁二酰亚胺粗品。再用乙醇重结晶得到62.5g丁二酰亚胺。
实施例2
将产丁二酸大肠杆菌基因工程菌发酵后的发酵液，离心过滤后，再经过活性炭脱色柱脱色，得到1L澄清的丁二酸发酵液。再将预处理后的发酵液进行酸化调节pH<2后(丁二酸的浓度为106.17g/L)，放入4℃冷却结晶罐中结晶12小时。过滤得到丁二酸固体(真空干燥得到73.7g丁二酸)与丁二酸结晶过滤后的母液。再将90g尿素加入丁二酸结晶过滤后的母液中，加热搅拌溶解，之后降温至4℃冷却结晶12小时，获得丁二酸尿素的共结晶物经干燥后质量为58.3g。再将该共结晶物投入到反应釜中，补加入冷却结晶获得的73.7g丁二酸，加入0.5g的亚磷酸固体，开动搅拌并升温至135℃保温1小时，继续升温至195℃反应8小时。反应结束后，将温度降低到80℃，加入水与活性碳脱色1小时，趁热过滤到烧杯中冷却结晶，获得丁二酰亚胺粗品。再用乙醇重结晶得到64.8g丁二酰亚胺。
实施例3
将产丁二酸大肠杆菌基因工程菌发酵后的发酵液，离心过滤后，再经过活性炭脱色柱脱色，得到1L澄清的丁二酸发酵液。再将预处理后的发酵液进行酸化调节pH<2后(丁二酸的浓度为103.25g/L)，4℃冷却结晶12小时，获得丁二酸固体经干燥后质量为72.3g。再100g尿素加入到结晶后的母液中，加热搅拌溶解，之后降温至8℃冷却结晶12小时，获得丁二酸尿素的共结晶物经干燥后质量为55.4g。然后将55.4g的共结晶物加入到反应釜中，补加丁二酸70g，并加入1.2g的亚磷酸固体，开动搅拌并升温至135℃保温1小时，继续升温至200℃反应5小时。反应结束后，将温度降低到80℃，加入水与活性碳脱色1小时，趁热过滤到冷却罐中结晶。获得丁二酰亚胺粗品。再用乙醇重结晶得到55.39g丁二酰亚胺。
实施例4
将产丁二酸大肠杆菌基因工程菌发酵后的发酵液，离心过滤后，再经过活性炭脱色柱脱色，得到5L澄清的丁二酸发酵液。再将预处理后的发酵液进行酸化调节pH<2后(丁二酸的浓度为101.4g/L)，放入4℃冷却结晶罐中结晶12小时。过滤得到丁二酸固体(真空干燥得到349.83g丁二酸)与丁二酸结晶过滤后的母液。再将475g尿素加入丁二酸结晶过滤后的母液中，加热搅拌溶解，之后降温至4℃冷却结晶12小时，获得丁二酸尿素的共结晶物经干燥后质量为312.82g。再将共结晶物加入到反应釜中，补加入冷却结晶获得的349.83g丁二酸。加入1.6g的亚磷酸固体，开动搅拌并升温至125℃保温1小时，继续升温至205℃反应7小时。反应结束后，将温度降低到80℃，加入水与活性碳脱色1小时，趁热过滤到冷却罐中结晶。获得丁二酰亚胺粗品。再用乙醇重结晶得到298g丁二酰亚胺。
实施例5
将产丁二酸大肠杆菌基因工程菌发酵后的发酵液，离心过滤后，再经过活性炭脱色柱脱色，得到5L澄清的丁二酸发酵液。再将预处理后的发酵液进行酸化调节pH<2后(丁二酸的浓度为105g/L)，放入4℃冷却结晶罐中结晶12小时。过滤得到丁二酸固体(真空干燥得到370.5g丁二酸)与丁二酸结晶过滤后的母液。再将500g尿素加入丁二酸结晶过滤后的母液中，加热搅拌溶解，之后降温至4℃冷却结晶18小时，获得丁二酸尿素的共结晶物经干燥后质量为328.8g。之后将过滤获得的共结晶物固体投入到反应釜中，补加370.5g丁二酸加入2.0g的亚磷酸固体，开动搅拌并升温至135℃保温1小时，继续升温至200℃反应6小时。反应结束后，将温度降低到80℃，加入水与活性碳脱色1小时，趁热过滤到冷却罐中结晶。获得丁二酰亚胺粗品。再用乙醇重结晶得到306.09g丁二酰亚胺。
实施例6
一种利用丁二酸发酵液制备丁二酰亚胺的方法，包括以下步骤：
1)取丁二酸发酵液，固液分离取上清，从上清液中提取丁二酸与尿素以摩尔比1:0.5混合；
2)向步骤1)所得的混合物中加入亚磷酸，而后于120℃保温0.5小时，再于185℃反应5小时；
3)冷却收集结晶，即得到所述丁二酰亚胺。
在以上技术方案的基础上，满足以下条件：
步骤1)具体包括以下操作：
a)取丁二酸发酵液，固液分离取上清，调节其酸碱度至pH＝1，冷却析出丁二酸结晶，分别收集丁二酸结晶和剩余溶液；
b)向步骤a)所述的剩余溶液中加入尿素溶解，于4℃条件下结晶2小时，收集固相即为丁二酸-尿素共结晶；
c)取步骤b)所述丁二酸-尿素共结晶，与丁二酸混合，至混合物中丁二酸与尿素摩尔比为1:0.5。
步骤a)中所述的冷却，是在0℃范围内持续8h。
所述剩余溶液中丁二酸的浓度为25g/L。
步骤b)中尿素的加入量是所述剩余溶液中丁二酸总质量的2倍。
所述固液分离取上清后，先利用活性炭对上清液脱色，再执行后续操作。
步骤3)冷却结晶前，先将步骤2)反应后的溶液在70℃条件下脱色，而后再冷却结晶。
所述在70℃条件下脱色，是70℃条件下向步骤2)反应后的溶液中加入水和活性炭，而后热过滤取滤液，其中水、活性炭、步骤2)反应后的溶液中丁二酰亚胺总量三者的质量比为2:0.05:1。
步骤2)中亚磷酸的加入量是所述混合物中丁二酸总质量的0.3％。
还包括步骤4)：取步骤3)所述丁二酰亚胺溶解于水中，而后利用乙醇重结晶，取固相干燥。
实施例7
一种利用丁二酸发酵液制备丁二酰亚胺的方法，包括以下步骤：
1)取丁二酸发酵液，固液分离取上清，从上清液中提取丁二酸与尿素以摩尔比1:0.9混合；
2)向步骤1)所得的混合物中加入亚磷酸，而后于135℃保温2小时，再于205℃反应8小时；
3)冷却收集结晶，即得到所述丁二酰亚胺。
在以上技术方案的基础上，满足以下条件：
步骤1)具体包括以下操作：
a)取丁二酸发酵液，固液分离取上清，调节其酸碱度至pH＝2，冷却析出丁二酸结晶，分别收集丁二酸结晶和剩余溶液；
b)向步骤a)所述的剩余溶液中加入尿素溶解，于28℃条件下结晶24小时，收集固相即为丁二酸-尿素共结晶；
c)取步骤b)所述丁二酸-尿素共结晶，与丁二酸混合，至混合物中丁二酸与尿素摩尔比为1:0.9。
步骤a)中所述的冷却，是在8℃范围内持续12h。
所述剩余溶液中丁二酸的浓度为35g/L。
步骤b)中尿素的加入量是所述剩余溶液中丁二酸总质量的8倍。
所述固液分离取上清后，先利用活性炭对上清液脱色，再执行后续操作。
步骤3)冷却结晶前，先将步骤2)反应后的溶液在90℃条件下脱色，而后再冷却结晶。
所述在90℃条件下脱色，是90℃条件下向步骤2)反应后的溶液中加入水和活性炭，而后热过滤取滤液，其中水、活性炭、步骤2)反应后的溶液中丁二酰亚胺总量三者的质量比为4:0.09:1。
步骤2)中亚磷酸的加入量是所述混合物中丁二酸总质量的0.5％。
还包括步骤4)：取步骤3)所述丁二酰亚胺溶解于水中，而后利用乙醇重结晶，取固相干燥。
实施例8
一种利用丁二酸发酵液制备丁二酰亚胺的方法，包括以下步骤：
1)取丁二酸发酵液，固液分离取上清，从上清液中提取丁二酸与尿素以摩尔比1:0.7混合；
2)向步骤1)所得的混合物中加入亚磷酸，而后于128℃保温1.2小时，再于195℃反应7小时；
3)冷却收集结晶，即得到所述丁二酰亚胺。
在以上技术方案的基础上，满足以下条件：
步骤1)具体包括以下操作：
a)取丁二酸发酵液，固液分离取上清，调节其酸碱度至pH＝1.5，冷却析出丁二酸结晶，分别收集丁二酸结晶和剩余溶液；
b)向步骤a)所述的剩余溶液中加入尿素溶解，于16℃条件下结晶13小时，收集固相即为丁二酸-尿素共结晶；
c)取步骤b)所述丁二酸-尿素共结晶，与丁二酸混合，至混合物中丁二酸与尿素摩尔比为1:0.7。
所述剩余溶液中丁二酸的浓度为30g/L。
所述固液分离取上清后，先利用活性炭对上清液脱色，再执行后续操作。
步骤3)冷却结晶前，先将步骤2)反应后的溶液在80℃条件下脱色，而后再冷却结晶。
所述在80℃条件下脱色，是80℃条件下向步骤2)反应后的溶液中加入水和活性炭，而后热过滤取滤液，其中水、活性炭、步骤2)反应后的溶液中丁二酰亚胺总量三者的质量比为2:0.09:1。
实施例9
一种利用丁二酸发酵液制备丁二酰亚胺的方法，包括以下步骤：
1)取丁二酸发酵液，固液分离取上清，从上清液中提取丁二酸与尿素以摩尔比1:0.6混合；
2)向步骤1)所得的混合物中加入亚磷酸，而后于125℃保温0.8小时，再于190℃反应6小时；
3)冷却收集结晶，即得到所述丁二酰亚胺。
在以上技术方案的基础上，满足以下条件：
所述固液分离取上清后，先利用活性炭对上清液脱色，再执行后续操作。
步骤3)冷却结晶前，先将步骤2)反应后的溶液在75℃条件下脱色，而后再冷却结晶。
所述在75℃条件下脱色，是75℃条件下向步骤2)反应后的溶液中加入水和活性炭，而后热过滤取滤液，其中水、活性炭、步骤2)反应后的溶液中丁二酰亚胺总量三者的质量比为4:0.05:1。
步骤2)中亚磷酸的加入量是所述混合物中丁二酸总质量的0.5％。
实施例10
一种利用丁二酸发酵液制备丁二酰亚胺的方法，包括以下步骤：
1)取丁二酸发酵液，固液分离取上清，从上清液中提取丁二酸与尿素以摩尔比1:0.8混合；
2)向步骤1)所得的混合物中加入亚磷酸，而后于130℃保温1.8小时，再于200℃反应5.5小时；
3)冷却收集结晶，即得到所述丁二酰亚胺。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明。凡在本发明的申请范围内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种利用丁二酸发酵液制备丁二酰亚胺的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)取丁二酸发酵液，固液分离取上清，从上清液中提取丁二酸与尿素以摩尔比1:(0.5～0.9)混合；
2)向步骤1)所得的混合物中加入亚磷酸，而后于120～135℃保温0.5～2小时，再于185～205℃反应5～8小时；
3)冷却收集结晶，即得到所述丁二酰亚胺；
其中步骤1)具体包括以下操作：
a)取丁二酸发酵液，固液分离取上清，调节其酸碱度至pH<2，冷却析出丁二酸结晶，分别收集丁二酸结晶和剩余溶液；
b)向步骤a)所述的剩余溶液中加入尿素溶解，于4～28℃条件下结晶2～24小时，收集固相即为丁二酸-尿素共结晶；
c)取步骤b)所述丁二酸-尿素共结晶，与丁二酸混合，至混合物中丁二酸与尿素摩尔比为1:(0.5～0.9)；
其中步骤a)中所述的冷却，是在0～8℃范围内持续8～12h；
其中所述剩余溶液中丁二酸的浓度为25～35g/L；
其中步骤b)中尿素的加入量是所述剩余溶液中丁二酸总质量的2～8倍；
其中所述固液分离取上清后，先利用活性炭对上清液脱色，再执行后续操作；
其中步骤3)冷却结晶前，先将步骤2)反应后的溶液在70～90℃条件下脱色，而后再冷却结晶；
其中所述在70～90℃条件下脱色，是70～90℃条件下向步骤2)反应后的溶液中加入水和活性炭，而后热过滤取滤液，其中水、活性炭、步骤2)反应后的溶液中丁二酰亚胺总量三者的质量比为(2～4):(0.05～0.09):1。
2.根据权利要求1述的方法，其特征在于步骤2)中亚磷酸的加入量是所述混合物中丁二酸总质量的0.3～0.5％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括步骤4)：取步骤3)所述丁二酰亚胺溶解于水中，而后利用乙醇重结晶，取固相干燥。
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