CN106496022B - 一种从微生物发酵液或酶转化液中提取丙酮酸的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种从微生物发酵液或酶转化液中提取丙酮酸的方法，属于生物分离提取技术领域。本发明经离心去菌体和其他可见固型物、超滤去除大分子杂质、减压蒸发浓缩后用乙酸乙酯或乙酸丁酯等非水溶性有机溶剂萃取、减压蒸馏萃取剂乙酸乙酯和或乙酸丁酯等非水溶性有机溶剂及其中的水，继续采用高真空减压蒸馏或分子蒸馏获取合格的丙酮酸产品。本发明具有工艺操作简单高效、费用低、产品纯度高等优点，适合于丙酮酸的工业化生产。

Description

一种从微生物发酵液或酶转化液中提取丙酮酸的方法

技术领域

本发明涉及一种从微生物发酵液或酶转化液中提取丙酮酸的方法，属于生物分离提取技术领域。

背景技术

丙酮酸(Pyruvic acid)是三大营养物质代谢联系中起着重要枢纽作用的代谢中间物质，可通过乙酰CoA和三羧酸循环实现体内糖、脂肪和氨基酸间的互相转化，在科研、医药卫生、农用化学品和食品工业等领域广泛应用。

目前，工业上丙酮酸的合成方式主要有化学法及生物合成法两种，生物合成法主要是利用微生物发酵将廉价的碳源物质或酶法将其他物质转化成丙酮酸。丙酮酸提取的常规方法有离子交换法、直接减压蒸馏法、有机溶剂萃取法和双膜法，离子交换法虽然有操作简单和提取成本低等优点，但产品纯度和提取效率仍有待加强。直接减压蒸馏法是化学法生产丙酮酸常用的提取方法，但对于成分复杂和丙酮酸含量较低的微生物发酵液或酶转化液，提取困难较大。有机溶剂萃取法和双膜法更趋向于获取丙酮酸盐固体，而非丙酮酸液体，而在与碱反应的过程中，由于高温和碱性条件下丙酮酸理化不稳定易发生聚合反应生一系列的聚合物，导致提取效率和产品纯度低等问题。

此外，为获得食品、医药级的丙酮酸，需要丙酮酸纯度达到99％以上。上述纯化方法很难兼顾产品收率和纯度。

发明内容

为解决上述提取方法所存在的缺点，本发明提供了一种从微生物发酵液或酶转化液中分离提取丙酮酸的方法，所述方法是将含有丙酮酸的溶液进行浓缩、酸化、萃取、蒸馏。

在本发明的一种实施方式中，所述浓缩是将含丙酮酸的微生物发酵液或酶转化液进行浓缩，使丙酮酸浓度≥120g/L。

在本发明的一种实施方式中，所述酸化是调节溶液pH≤1.5。

在本发明的一种实施方式中，所述萃取采用乙酸乙酯或乙酸丁酯等非水性有机溶剂，在5～40℃下萃取10～60min。

在本发明的一种实施方式中，所述浓缩前还进行分离和过滤，所述分离和过滤包括离心分离，超滤，微滤，板框过滤。

在本发明的一种实施方式中，所述酸化前将浓缩后的溶液经过离子交换树脂处理。

在本发明的一种实施方式中，所述离子交换树脂为阳离子交换树脂。

在本发明的一种实施方式中，所述萃取后还进行减压蒸馏，压力为-0.07～-0.1Mpa，25～60℃。

在本发明的一种实施方式中，所述方法包括如下步骤：

1)含有丙酮酸的微生物发酵液或酶转化液的预处理：将含有丙酮酸发酵液的微生物发酵液或酶转化液分离去除菌体和其他可见固型物，经过滤去除大分子物质，再蒸馏浓缩使丙酮酸浓度≥120g/L，然后经阳离子交换树脂去除高价金属离子，进一步酸化后获得含有丙酮酸的预处理液；

2)丙酮酸粗品的获取：以乙酸乙酯或乙酸丁酯萃取预处理液中的丙酮酸，萃取结束后，减压蒸馏去除萃取液中的萃取剂及其中的水，获得丙酮酸粗品；

3)丙酮酸纯品的获取：减压蒸馏丙酮酸粗品，获得丙酮酸精品。

在本发明的一种实施方式中，所述方法的具体操作步骤如下：

a：将含有丙酮酸的微生物发酵液或酶转化液去除菌体和其他可见固型物，所述方法包括离心分离、板框过滤分离和微滤过滤分离。

b：将去除菌体和其他可见固型物后的清液经超滤处理，去除其中的菌体碎片、色素、脂质、蛋白质和多糖等大分子物质，并用少量水洗涤过滤残留液。所述超滤膜组件可为卷式膜、管式膜和板式膜，膜截留分子量为500～3000Da。

c：将超滤过滤液经蒸馏浓缩处理，使丙酮酸浓度≥120g/L，所述蒸馏条件为：-0.07～-0.095Mpa，50～80℃。

d：将蒸馏后的浓缩液通过阳离子交换树脂，去除高价阳离子，同时起到部分酸化的作用。所述离子交换树脂可以为732阳离子交换树脂。

e：将上述阳离子交换树脂处理后的浓缩液边搅拌边加入浓硫酸调节过滤液至pH≤1.5。

f：向酸化液中加入乙酸乙酯萃取，所述萃取条件为5～40℃，萃取剂加入量为≥2倍酸化液体积，萃取时间10～60min，萃取次数≥2次。

g：蒸馏去除萃取剂和溶解在其中的水，所述蒸馏条件为：-0.07～-0.095Mpa，35～60℃。

h：将上述所得丙酮酸粗品采用高真空度泵抽真空蒸馏或采用分子蒸馏器蒸馏，蒸馏获得丙酮酸纯品，所述蒸馏条件为：-0.098～-0.1Mpa，25～60℃。

有益效果：本发明的提取方法有效解决了从微生物发酵液或酶转化液中提取丙酮酸的问题，丙酮酸的纯度达99％以上，为浅黄色透明液体，产品质量达到食品、医药级等合格标准，提取工艺的收率达80％以上，相比于传统技术的50％的收率有明显提高，具有更高的经济价值。因此，本发明具有工艺操作简单高效、费用低、具有很大的工业化应用潜力。

附图说明

图1为本发明的一种实施方式的提取工艺流程图，以乙酸乙酯萃取为例。

具体实施方式

丙酮酸的测定方法：高效液相色谱(HPLC)

仪器：Agilent 1260高效液相色谱仪(配紫外可见检测器和工作站)，色谱条件：色谱柱：Aminex HPX-87H ion exchange column；流动相：5mM H₂SO₄；流速：0.5mL/min；柱温：40℃；进样量：10μL；紫外检测器波长：210nm。

纯度计算方法：

f₁—HPLC检测的标品溶液峰面积；

f₂—HPLC检测的试样溶液峰面积；

m₁—标品质量，单位为克(g)；

m₂—试样质量，单位为克(g)；

p—标品的纯度，数值以％表示。

收率计算方法：

M—提取所得精品总质量；

W—所得的精品的纯度；

C—发酵液中样品的浓度；

V—去除菌体后发酵液的体积。

下述实施例是从含有丙酮酸的微生物发酵液或酶转化液中提取丙酮酸的方法，在以光滑球拟酵母(Candida glabrata)CCTCC NO:M202019为发酵菌种获得的发酵液中提取丙酮酸为例。其他类似含有丙酮酸的微生物发酵液或酶转化液，均可按本发明的实施方式进行，并经过简单的改进获得具有较高纯度的丙酮酸成品。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

实施例1

(1)离心过滤：将含有丙酮酸的发酵液泵入离心机中，离心去除菌体和其他可见固型物。离心条件：常温，转速3000r/min。

(2)膜过滤：采用超滤过滤去除杂质，将离心去除菌体和其他可见固型物后的清液经超滤处理，去除发酵液中的菌体碎片、色素、脂质、蛋白质和多糖等大分子物质，并用少量水洗涤过滤残留液以提高超滤过程收率。所用超滤膜组件管式膜组件，膜材料为截留分子量为500～3000Da的聚乙烯膜，超滤条件：常温，操作压力4～10Bar。

(3)浓缩：将超滤过滤液在-0.08Mpa，65℃条件下减压蒸发浓缩，使丙酮酸浓度至120g/L以上。

(4)离子交换树脂除杂：将732阳离子交换树脂酸化至pH 2.0，清水洗涤至中性(钠型树脂转化成氢型树脂)，上柱，将浓缩液通过交换树脂处理，少量乙酸乙酯洗涤。此操作目的在于去除浓缩液中的高价阳离子，同时起到部分酸化作用。

(5)酸化：在常温条件下，边搅拌边往上述经离子交换树脂处理后的浓缩液中加入浓硫酸，将浓缩液pH调节至≤1.5。

(6)萃取：向酸化液中加入3倍酸化液体积的乙酸乙酯，15℃条件下萃取，萃取时间为20min，分离出有机相，共萃取3次。

(7)蒸馏：将萃取后分理处的有机溶剂乙酸乙酯在-0.09Mpa，40℃条件下减压蒸馏出乙酸乙酯，然后升高温度至55℃蒸馏出其中的水，得到丙酮酸粗品。

(8)精制：所得粗品采用高真空度泵抽真空，在-0.099Mpa，50℃蒸馏得到丙酮酸精品。成品为浅黄色透明液体，对于液体丙酮酸，当液体颜色从浅黄透明、黄色透明逐渐变为红色透明、红色粘稠时，丙酮酸的纯度是逐渐下降的。经质量检测丙酮酸纯度为99.6％，整个过程的提取收率为81.9％。

实施例2

在实施例1的基础上，省略步骤(4)，即浓缩后、酸化前不进行离子交换树脂除杂。对制备获得的丙酮酸含量进行检测，其纯度为99.4％，收率为76.3％。不进行离子交换树脂除杂，蒸馏时阳离子等只会残留在蒸馏后的母液中，从而会影响蒸馏过程的传质效果，使收率有所降低。

实施例3

在实施例1的基础上，省略步骤(2)，即浓缩前不进行膜过滤。对制备获得的丙酮酸含量进行检测，其纯度为99.5％，收率为70.2％。

实施例4

在实施例1的基础上，步骤(5)酸化时，将浓缩液pH调节至2～4。对制备获得的丙酮酸含量进行检测，其纯度为99.6％，收率为42.8％。

实施例5

在实施例1的基础上，酸化后不进行有机溶剂萃取，直接将酸化后的溶液进行后续减压蒸馏。对制备获得的丙酮酸含量进行检测，其纯度为99.4％，收率为54.6％。

实施例6

在实施例1的基础上，步骤(6)采用乙醇替换乙酸乙酯进行萃取，但乙醇与水互溶无法达到萃取效果，仅析出部分多糖等物质，过滤去除析出物质，在-0.08Mpa，35℃条件下蒸馏出乙醇，待乙醇蒸馏完后，继续减压蒸馏、精制等过程。对制备获得的丙酮酸含量进行检测，其纯度为98.4％，收率为30.3％。

实施例7

在实施例1的基础上，采用乙酸丁酯替换乙酸乙酯进行萃取和精制洗涤。对制备获得的丙酮酸含量进行检测，其纯度为99.5％，收率为81.6％。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (5)

1.一种分离提取丙酮酸的方法，其特征在于，将含有丙酮酸的溶液进行浓缩、酸化、萃取、蒸馏；所述浓缩是将含丙酮酸的微生物发酵液或酶转化液进行浓缩，使丙酮酸浓度≥120g/L；所述酸化是调节浓缩液pH≤1.5；所述萃取是采用非水性有机溶剂，在5～40℃下萃取10～60min；所述蒸馏为减压蒸馏，压力为-0.07～-0.1Mpa，25～60℃；所述浓缩前还进行分离和过滤，所述分离和过滤包括离心分离、超滤、微滤、板框过滤，所述酸化前还将浓缩后的溶液经过离子交换树脂处理；所述离子交换树脂为阳离子交换树脂，所述非水性有机溶剂为乙酸乙酯或乙酸丁酯。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

1)含有丙酮酸的微生物发酵液或酶转化液的预处理：将含有丙酮酸发酵液的微生物发酵液或酶转化液分离去除菌体和其他可见固型物，经过滤去除大分子物质，再蒸馏浓缩使丙酮酸浓度≥120g/L，然后经阳离子交换树脂去除高价金属离子，进一步酸化后获得含有丙酮酸的预处理液；

2)丙酮酸粗品的获取：以乙酸乙酯或乙酸丁酯萃取预处理液中的丙酮酸，萃取结束后，减压蒸馏去除萃取液中的萃取剂及其中的水，获得丙酮酸粗品；

3)丙酮酸纯品的获取：减压蒸馏丙酮酸粗品，获得丙酮酸精品。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，具体操作步骤如下：

a：将含有丙酮酸的微生物发酵液或酶转化液分离去除菌体和其他可见固型物；

b：超滤处理去除大分子物质，并用少量水洗涤过滤残留液；

c：将超滤过滤液经蒸馏浓缩，使丙酮酸浓度≥120g/L，所述蒸馏条件为：-0.07～-0.095Mpa，50～80℃；

d：将蒸馏后的浓缩液通过阳离子交换树脂；

e：将阳离子交换树脂处理后的浓缩液边搅拌边加入浓硫酸调节过滤液至pH≤1.5；

f：向酸化液中加入乙酸乙酯萃取，所述萃取条件为5～40℃，萃取剂加入体积量为≥2倍酸化液体积，萃取时间10～60min，萃取次数≥2次；

g：蒸馏去除萃取剂和溶解在其中的水，所述蒸馏条件为：-0.07～-0.095Mpa，35～60℃；

h：将上述所得丙酮酸粗品采用高真空度泵抽真空蒸馏或采用分子蒸馏器蒸馏，蒸馏获得丙酮酸纯品，所述蒸馏条件为：-0.098～-0.1Mpa，25～60℃。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤b所述超滤膜组件为卷式膜、管式膜或板式膜，膜截留分子量为500～3000Da。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤d所述离子交换树脂可以为732阳离子交换树脂。