CN106220512B - 一种制备丁二胺的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备丁二胺的方法，它是以丁二酸铵为原料，通过脱水反应和加氢反应获得丁二胺。同时，前述的制备方法还可以与能够耐受高浓度铵根离子并高产丁二酸的菌株相结合，通过厌氧发酵制备丁二酸铵盐，进而在未纯化分离的条件下通过简单的固液分离和脱色过程获得其澄清水溶液，制备得到乙二胺，提供了一种生物化制备乙二胺的方法。与现有技术相比，本发明过程简单，效率和收率极高。同时，整个过程以可再生生物质资源为原料，且每个过程均较为简单且可实施，具有重大的社会意义和经济价值。

Description

一种制备丁二胺的方法
技术领域
本发明属于生物化学领域，具体涉及一种制备丁二胺的方法。
背景技术
丁二酸，又名琥珀酸，是一种常见的天然有机酸，作为TCA循环的中间产物以及厌氧代谢的终端还原产物之一，在生物代谢过程中占有非常重要的地位。近年来，随着化石资源的日益枯竭和环境问题的日益严重，采用生物法制备丁二酸备受瞩目，美国能源部将丁二酸列为未来12种最有价值的生物炼制产品之一。生物合成丁二酸是利用细菌，真菌等各种微生物，以葡萄糖或其它各种水解液为碳源，经微生物发酵生产丁二酸，相对于化学合成的方法，其一大优势是原材料为可再生生物质资源。
发酵法生产丁二酸的过程中需要加碱调节pH来维持菌体的最适生长及产酸。目前能实现工艺要求的pH调节剂主要有钠盐、镁盐、钙盐以及浓氨水，前三者有试剂消耗量大、价格昂贵、下游提取工艺复杂等缺点，而采用氨水调节pH发酵生产丁二酸工艺中，不需要消耗大量的试剂，生产的副产物少，结晶的丁二酸是唯一产物，且该工艺具有闭合、清洁、廉价和高效等优点。但由于铵离子对该菌株的生长和产酸都有抑制作用，用氨水调pH发酵效果不理想。为了实现氨水调节pH的廉洁工艺，选育可以耐受高浓度铵离子产丁二酸的菌株的工作显得尤为必要。
近年来的研究结果表明丁二酸可以作为C4平台化合物合成1,4-丁二醇、四氢呋喃、γ-丁内酯等大宗化学品以及聚丁二酸丁二醇酯(PBS)类生物可降解聚酯。但作为尼龙的重要单体，丁二胺的技术始终被国外垄断，且未见相关报道，亟待技术突破。
基于以上事实和现状，若能采用微生物先生产丁二酸铵盐，进一步合成丁二胺，则整个过程具有重大的产业意义和经济社会效益。因此，本发明人先期通过改良菌株，使突变株可以在厌氧条件下耐受高浓度铵根离子并大量积累丁二酸，同时申请并获得了授权中国专利(专利号ZL201310279778.6)，主要涉及一株耐高浓度铵根离子的丁二酸生产菌株大肠埃希氏菌(Escherichia coli)BEW308，其保藏编号为：CCTCC NO：M 2013157。该菌株可以在厌氧条件下，耐受浓度>0.5mol/L的铵根离子，并积累丁二酸铵盐。
本发明还涉及直接利用含有丁二酸铵盐的发酵液上清液，通过两步脱水反应获得丁二腈并通过加氢最终获得丁二胺。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种制备丁二胺的方法，以解决现有技术存在的无法将丁二酸这一C4平台化合物合成丁二胺的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种制备丁二胺的方法，它包括如下步骤：
(1)将丁二酸铵盐晶体依次进行脱水反应和减压反应后收集馏出物，得到丁二腈；
(2)将步骤(1)中制备得到的丁二腈、溶剂、催化剂和助催化剂在加氢反应釜混合后，用氮气置换反应釜内空气，再通入氢气进行加氢反应，得到丁二胺。
步骤(1)中，所述的脱水反应的温度为185～215℃，反应时间为2～5h。
步骤(1)中，所述的减压反应的温度为185～215℃，反应时间为2～5h，反应体系内真空度为8～9kpa。
步骤(2)中，所述的溶剂为乙醇、甲醇或丁醇，所述的催化剂为雷尼镍，所述的助催化剂为氢氧化钾、氢氧化钠或氢氧化钙。
步骤(2)中，丁二腈和溶剂的体积比为1：1～1.2，催化剂的质量和丁二腈与溶剂的总体积的固液比为3～10g：100mL，助催化剂的质量和丁二腈与溶剂的总体积的固液比为0.05～0.5g：100mL。
步骤(2)中，所述的加氢反应的温度为60～100℃，反应时间为0.5～1.0h，反应体系内压力为1.5～2.5MPa。
步骤(1)中，所述的丁二酸铵盐晶体由铵根离子耐受型产丁二酸大肠杆菌BEW308(CCTCC NO：M 2013157)制备得到；其中，所述的制备方法如下：
1、将铵根离子耐受型产丁二酸大肠杆菌BEW308依次接种到平板培养基、种子培养基和发酵培养基中进行接种培养，通过离心进行固液分离，收集在发酵培养基中培养时所得上清液，即丁二酸铵的水溶液粗品；其中，平板培养基、种子培养基和发酵培养基的配方和各阶段接种培养的条件可参考现有专利ZL201310279778.6。
2、将步骤1中得到的丁二酸铵的水溶液粗品经碟片离心、超滤和过活性炭柱或微滤、超滤和过活性炭柱后，得到丁二酸铵水溶液；
其中，
碟片离心的转速为4100～4500rpm，离心时间为1～6h；
超滤的截留分子量为5000～8000Da；
活性炭柱的高径比为10～20：1；
微滤所用滤膜的孔径为0.2～0.5μm；
其中，优选使用碟片离心、超滤和过活性炭柱的方式。
3、将步骤2中制备得到的丁二酸铵水溶液在-0.09～0.1Mpa和50～60℃下进行减压蒸馏，得到丁二酸铵盐晶体。
铵根离子耐受型产丁二酸大肠杆菌BEW308在制备丁二胺中的应用也在本发明的保护范围之内。
有益效果：
本发明以丁二酸铵为原料，通过脱水反应和加氢反应获得丁二胺，提供了一种过程简单，效率和收率极高的工艺路线。同时，前述的制备方法还可以与能够耐受高浓度铵根离子并高产丁二酸的菌株相结合，通过厌氧发酵制备丁二酸铵盐，进而在未纯化分离的条件下通过简单的固液分离和脱色过程获得其澄清水溶液，制备得到乙二胺，提供了一种生物化制备乙二胺的方法。整个过程以可再生生物质资源为原料，且每个过程均较为简单且可实施，因此该技术具有重大的社会意义和经济价值。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
实施例1
本实施例说明大肠埃希氏菌BEW308发酵生产丁二酸铵盐的工艺。
本实施例所述的培养基配方：
平板培养基配方为：柠檬酸3g/L，Na2HPO4·12H2O 4g/L，KH2PO4 8g/L，MgSO4·7H2O1g/L，CaCl2·2H2O 10.0mg/L，ZnSO4·7H2O 0.5mg/L，CuCl2·2H2O 0.25mg/L，MnSO4·H2O2.5mg/L，CoCl2·6H2O 1.75mg/L，H3BO3 0.12mg/L，Al2(SO4)3 1.77mg/L，Na2MoO4·2H2O0.5mg/L，柠檬酸铁16.1mg/L，琼脂20g/L，葡萄糖10g/L，以(NH4)2HPO4提供铵根离子并使NH4 +浓度为0.5mol/L，添加量为32g/L；
种子培养基的配方为：蛋白胨10g/L，酵母粉5g/L，NaCl 5g/L；
发酵培养基的配方为：柠檬酸3g/L，以(NH4)2HPO4 10g/L，Na2HPO4·12H2O 4g/L，KH2PO4 8g/L，MgSO4·7H2O 1g/L，CaCl2·2H2O 10.0mg/L，ZnSO4·7H2O 0.5mg/L，
CuCl2·2H2O 0.25mg/L，MnSO4·H2O 2.5mg/L，CoCl2·6H2O 1.75mg/L，H3BO30.12mg/L，Al2(SO4)3 1.77mg/L，Na2MoO4·2H2O 0.5mg/L，柠檬酸铁16.1mg/L，葡萄糖40g/L，氨水调节pH6.4～6.8并提供部分铵根离子。
将大肠埃希氏菌Escherichia coli BEW308接种至平板培养基，在厌氧箱中培养，培养温度37℃，培养时间24h。将平板培养的BEW308接种到种子培养基中，100mL血清瓶装液量30mL，充二氧化碳2min，培养温度37℃，200r/min，培养时间48h；将种子接种到发酵培养基中，接种量2～5％(v/v)，5L发酵罐厌氧发酵过程装液量为2L，氨水作为pH调节剂，二氧化碳通气量为0.01vvm，培养温度为37℃，200r/min，培养时间为72h。发酵培养72h后检测OD600为7.34，丁二酸铵盐的产量为43.3g/L，转化率为95～99％。
实施例2
本实施例说明利用大肠埃希氏菌BEW308生产丁二酸铵盐，发酵结束后获得澄清上清液的工艺。
本实施例为了获得澄清上清液，建立了工艺①碟片离心、超滤、过活性炭柱；工艺②微滤、超滤、过活性炭柱两条工艺，试验结果如下：
从试验结果可知，两条工艺均能获得较好的澄清丁二酸铵盐水溶液，但就实际操作过程考虑，工艺①在产物的损失率上更小，且操作、运行成本更低。
实施例3
本实施例说明澄清丁二酸铵盐水溶液制备丁二胺的工艺，为了获得丁二胺，建立了以下工艺：
利用减压蒸馏的方式，控制浓缩罐罐压-0.09Mpa，温度在60℃，将上清液蒸干获得粗晶体为止；将该晶体转入500mL反应釜中，在常压下，温度控制在190℃反应3h，流出物主要是水和部分氨气，可直接与废水收集罐连接；接真空泵控制反应釜真空度在8～9kpa，温度控制在180℃反应2h，收集馏出物，即丁二腈；将馏出物加入加氢反应釜，乙醇为溶剂，添加量为丁二腈的1.1倍(体积比)，雷尼镍为催化剂，添加量5％，氢氧化钾为助催化剂，添加量0.1％，用氮气置换后，通氢气反应，温度上限范围控制在100℃，压力控制在2MPa，反应1.0h,最终获得丁二胺，其产物丁二胺的最终摩尔转化率为95～99％，产品纯度>99％。
上述工艺实现了由丁二酸铵盐水溶液制丁二胺纯品的目标，具有显著的经济型。

Claims (4)

1.一种制备丁二胺的方法，其特征在于，它包括如下步骤：
(1)将丁二酸铵盐依次进行脱水反应和减压反应后，得到丁二腈；
(2)将步骤(1)中制备得到的丁二腈、溶剂、催化剂和助催化剂混合后通入氢气，进行加氢反应，得到丁二胺；
步骤(1)中，所述的丁二酸铵由铵根离子耐受型产丁二酸大肠杆菌BEW308制备得到；
其中，所述的铵根离子耐受型产丁二酸大肠杆菌BEW308制备丁二酸铵的方法为：铵根离子耐受型产丁二酸大肠杆菌BEW308经接种培养和发酵得到丁二酸铵的水溶液粗品；丁二酸铵的水溶液粗品经碟片离心、超滤和过活性炭柱或微滤、超滤和过活性炭柱后，得到丁二酸铵水溶液；丁二酸铵水溶液经减压蒸馏得到丁二酸铵；
步骤(1)中，所述的脱水反应的温度为185～215℃，反应时间为2～5h；
步骤(1)中，所述的减压反应的温度为185～215℃，反应时间为2～5h，反应体系内真空度为8～9kpa。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的溶剂为乙醇、甲醇或丁醇，所述的催化剂为雷尼镍，所述的助催化剂为氢氧化钾、氢氧化钠或氢氧化钙。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，丁二腈和溶剂的体积比为1：1～1.2，催化剂的质量和丁二腈与溶剂的总体积的固液比为3～10g：100mL，助催化剂的质量和丁二腈与溶剂的总体积的固液比为0.05～0.5g：100mL。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的加氢反应的温度为60～100℃，反应时间为0.5～1.0h，反应体系内压力为1.5～2.5MPa。
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