CN106588617B

CN106588617B - 一种分离提纯发酵液中乙偶姻的方法

Info

Publication number: CN106588617B
Application number: CN201611029819.6A
Authority: CN
Inventors: 戴建英; 关文天; 马林会; 修志龙
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2016-11-15
Filing date: 2016-11-15
Publication date: 2019-06-25
Anticipated expiration: 2036-11-15
Also published as: CN106588617A

Abstract

本发明公开了一种分离提纯发酵液中乙偶姻的方法，该方法包括在发酵液中加入无机盐和弱极性有机溶剂进行萃取的步骤；其中无机盐的加入量为发酵液体积的25～125％，有机溶剂和发酵液的体积比为1～2:1。所述的弱极性有机溶剂为乙酸乙酯、甲基叔丁基醚、乙酸丁酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯中的一种。采用本发明的方法，含乙偶姻的萃取相中几乎不含色素、残糖和有机酸杂质，萃取液可直接进行精馏，精馏过程中塔釜不易出现结垢现象；由于采用的溶剂极性小、比热容低，上相含水量低，回收能耗低，回收过程中乙偶姻损失小；操作简单，是一种具有工业应用前景的乙偶姻分离提取技术。

Description

一种分离提纯发酵液中乙偶姻的方法

技术领域

本发明属于生物工程技术领域，涉及到微生物发酵液中产物的分离技术，特别涉及一种利用多级逆流盐析萃取技术分离发酵液中乙偶姻的方法。

背景技术

乙偶姻(3-羟基-2-丁酮)是一种广泛存在于自然界的天然香料和重要的平台化合物，可用于合成香料双乙酰和四甲基吡嗪、光学活性的α-羟基酮衍生物以及多种医药中间体。

乙偶姻具有R-和S-两种光学异构体。目前商品化的乙偶姻产品多采用化学法合成，为两种光学异构体的外消旋混合物，而生物法制备获得的产物多以其中一种异构体为主，因而近年来发酵法生产乙偶姻的研究颇受关注。目前，这些研究多侧重于菌种的筛选与改造以及发酵工艺的优化，而乙偶姻的分离提取研究则较少。

已公开发表的发酵液中乙偶姻的分离主要有3种方法：1)树脂吸附法(CN102924253B)，乙偶姻发酵液通过装有吸附剂的吸附柱，经吸附、洗杂和洗脱过程，收集洗脱液得到乙偶姻溶液；2)双水相萃取法，采用丙酮和磷酸氢二钾组成的萃取体系从未预处理的发酵液中分离提取乙偶姻，上相中乙偶姻回收率可达94.1％，色素去除率为88.7％，蔗糖去除率95％(Chem.Eng.Comm.,199:1492-1503,2012)；3)发酵-衍生回收法，将发酵液中的乙偶姻转化为双乙酰(European patent,EP1826194)、四甲基吡嗪(J.Ind.Microbiol.Biotechnol.,37:815-821,2010)后回收。这些方法中，乙偶姻转化为四甲基吡嗪的转化率不是很高，转化为双乙酰是在气相中进行的；吸附法中树脂价格昂贵，处理量相对较小。相比较而言，采用丙酮-磷酸氢二钾体系进行萃取操作简单，易放大，具有一定的工业化前景。

利用亲水性有机溶剂和无机盐组成的双水相体系萃取发酵液中的生物基化学品是本课题组首先提出的一种分离新技术(CN 101012152 B)，在研究2,3-丁二醇分离时也对其前体乙偶姻的回收进行了监测，显示了与2,3-丁二醇类似的分配特性与回收率，但是在后续的操作中发现，由于乙偶姻易与水共沸，浓缩过程中乙偶姻损失较大。例如，利用旋转蒸发仪对含有62.3g/L乙偶姻的发酵清液在40～55℃进行减压蒸馏，浓缩至一半体积时蒸出的水中乙偶姻含量为34g/L，得到的浓缩液仅含94.4g/L的乙偶姻，回收率为75.8％；35～40℃减压蒸馏含84.7g/L乙偶姻的乙醇盐析萃取上相，浓缩至1/3体积时回收的乙醇中含有15.4g/L乙偶姻，浓缩液中含有202g/L乙偶姻，回收率为79.5％。另外，由于上相富含水，发酵副产物有机酸、可溶性蛋白、残糖、色素等不能彻底从发酵液中清除，例如乙醇和碳酸钾组成的双水相体系萃取盾叶薯蓣发酵液中的2,3-丁二醇时，乳酸和乙酸的去除率分别为67％和27％(化工学报，60(11):2798-2804，2009)，这给后续的分离纯化带来困难。

综上所述，利用亲水性有机溶剂-盐组成的双水相体系萃取发酵液中的乙偶姻时存在如下缺陷：1)上相富含水，浓缩过程中乙偶姻损失较大；2)上相中残留部分色素；3)糖、有机酸和蛋白未能彻底从上相中去除，若浓缩后直接精馏，则塔釜易结垢。

发明内容

本发明针对亲水性有机溶剂-盐形成的双水相萃取发酵液中乙偶姻时得到的上相含水、色素、残糖、有机酸较多、不利后续精馏等问题，提出了一种基于弱极性有机溶剂的多级逆流盐析萃取技术提取分离发酵液中乙偶姻的新方法。

本发明的技术方案如下：

一种分离提纯发酵液中乙偶姻的方法，其特征在于，该方法包括在发酵液中加入无机盐和弱极性有机溶剂进行萃取的步骤；其中无机盐的加入量为发酵液体积的25～125％，优选50～100％，更优选50～75％，弱极性有机溶剂和发酵液的体积比为1～2:1，优选1～1.5:1。

进一步地，在上述技术方案中，所述的弱极性有机溶剂为乙酸乙酯、甲基叔丁基醚、乙酸丁酯、碳酸二甲酯或碳酸二乙酯中的一种。

进一步地，在上述技术方案中，所述的弱极性有机溶剂含有按照体积百分比2～30％的乙醇、甲醇或丙酮，优选10～20％。

进一步地，在上述技术方案中，所述的无机盐为硫酸铵、磷酸氢二钾、焦磷酸钾、碳酸钠、碳酸钾中的一种，优选磷酸氢二钾。

进一步地，在上述技术方案中，所述的发酵液为去除菌体和大部分蛋白质的发酵清液，发酵液中乙偶姻的浓度为35～100g/L，优选50～75g/L。

进一步地，在上述技术方案中，在发酵液中加入无机盐和有机溶剂进行萃取时，采用二级或三级逆流萃取。

本发明所述的分离提纯发酵液中乙偶姻的方法，优选的方法包括以下步骤：

1)采用离心或/和膜过滤的方法除去发酵液中菌体和大部分蛋白质，得发酵清液；

2)发酵清液中加入无机盐，搅拌溶解，得含盐混合液；

3)含盐混合液中加入弱极性有机溶剂，混合后静置至分相，得到下层的水相和上层的有机相两层液相共存体系，有机相富含乙偶姻，水相富含盐；

4)步骤3)的有机相在20～45℃、真空度-0.08～-0.1MPa条件下减压蒸馏除去弱极性有机溶剂，剩余萃取液经分离提纯，得乙偶姻。

上述乙偶姻分离方法中，经步骤1)～3)，发酵液中的乙偶姻被萃取至有机相中，回收率高达90％以上。

进一步地，在步骤3)中，含盐混合液中加入弱极性有机溶剂，15-40℃条件下搅拌3～60min后静置4～8小时至分相。

进一步地，在步骤4)中，所述获得的萃取液可在适当的条件下精馏，获得乙偶姻，乙偶姻的纯度高达95％以上。其中，萃取液的精馏条件可以根据所采用的设备的大小适当调整，如采用实验室用的小型间歇式精馏塔时可以采用的精馏条件为：真空度-0.08～-0.1MPa，塔顶温度80～115℃，回流比为1:2～1:20。

本发明的有益效果：

本发明采用适量无机盐和乙酸乙酯、甲基叔丁基醚等弱极性有机溶剂组成的盐析萃取体系，萃取得到乙偶姻，乙偶姻分布在上相的有机相中。有机相中有机溶剂极性弱，在水中溶解度小，不能与水任意混溶，盐析得到的上相中含水量少，几乎不含色素、残糖和有机酸，所以该上相除去有机溶剂后可直接用于精馏提纯，塔釜不易结垢，有利于工业化操作；所用有机溶剂沸点低、上相中含水量少，浓缩过程所需能耗降低，乙偶姻损失较小。上相有机溶剂可回收重复使用，可降低成本。

附图说明

图1为乙醇含量对乙偶姻分配的影响，其中：R表示盐析萃取的相比；K表示分配系数；Y表示回收率；A～D的盐析萃取体系为：A，甲基叔丁基醚-乙醇/焦磷酸钾；B，甲基叔丁基醚-乙醇/磷酸氢二钾；C，乙酸乙酯-乙醇/焦磷酸钾；D，乙酸乙酯-乙醇/磷酸氢二钾。

图2为盐用量对乙偶姻分配的影响，其中：R表示盐析萃取的相比；K表示分配系数；Y表示回收率；A～D的盐析萃取体系为：A，甲基叔丁基醚-乙醇(20％)/焦磷酸钾；B，乙酸乙酯-乙醇(30％)/焦磷酸钾；C，甲基叔丁基醚-乙醇(30％)/磷酸氢二钾；D，乙酸乙酯-乙醇(20％)/磷酸氢二钾。

具体实施方式

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。下述实施例中，如无特殊说明，所使用的实验方法均为常规方法，所用试剂等均可从化学或生物试剂公司购买。

以下结合技术方案详细叙述本发明的具体实施方式。

乙偶姻发酵液：由枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis DL01(ProcessBiochem.2015,50(11):1730-1734)发酵得到，发酵碳源为葡萄糖，发酵液中乙偶姻浓度为35-80g/L。具体为：将枯草芽孢杆菌的种子培养液以1:10的接种比例接入至发酵培养基中，在37℃、200～400rpm下进行批式补料发酵，发酵时间为60～90小时，得乙偶姻发酵液。发酵培养基组成为：葡萄糖120g/L、酵母粉1.5g/L、(NH₄)₂HPO₄ 9g/L、MgSO₄ 0.2g/L、微量元素溶液3mL/L。

发酵清液：乙偶姻发酵液先经4600rpm离心30min去除发酵液中的大部分菌体、蛋白及固体杂质，再将上清液经恒流泵以20rpm泵入中空纤维膜进行处理(膜的有效面积为1.5m²，切割分子量为5000)，得最终发酵清液，发酵清液中乙偶姻浓度为35-80g/L。

盐析萃取：将适量的无机盐溶解于发酵清液中，然后加入一定量的有机溶剂，混匀，静置一定时间后取样测定上相中的乙偶姻、色素、有机酸以及下相中的残糖，计算乙偶姻的回收率和色素、有机酸以及残糖的去除率。

盐析萃取的相比(R)是指上相和下相的体积比，分配系数(K)是指上、下相中乙偶姻浓度之比，回收率(Y)是指萃取上相乙偶姻的质量占萃取前乙偶姻总量的百分比。

实施例1不同有机溶剂对乙偶姻分配的影响

100mL含35g/L乙偶姻的发酵清液中加入17.2g无水碳酸钠或120g磷酸氢二钾，搅拌后溶解得盐溶液。盐溶液和有机溶剂(表1所示)各取4mL，置于带刻度的20mL具塞试管中，涡旋1分钟后于20℃水浴静置8小时分层，上相为富含乙偶姻的有机相，下相富含盐的水相。乙偶姻的分配数据如表1所示。从表中数据可以看出，对于结构相似的有机溶剂，如醇类、乙酸酯类，乙偶姻的回收率随着溶剂极性的降低而降低。采用极性高的有机溶剂(丙醇和丁醇)，相比较大，上相含水较多，而溶剂极性弱时(酯类)，相比接近1，上相含水量较少，且几乎看不到颜色，有利于后续的溶剂回收和精馏。

表1乙偶姻在不同有机溶剂-盐析萃取体系的分配

实施例2溶剂中乙醇含量对乙偶姻分配的影响

将含60.5g/L乙偶姻的发酵清液4mL、2g无机盐和4mL溶剂置于20mL具塞试管中，涡漩振荡1min后于24℃水浴静置12h，分层，上相为富含乙偶姻的有机相，下相富含盐的水相，其中无机盐为磷酸氢二钾或焦磷酸钾，溶剂为乙酸乙酯或甲基叔丁基醚，溶剂中含有按照体积百分比0～100％的乙醇，检测在不同萃取体系中上下相的相比(R)、乙偶姻的分配系数(K)和回收率(Y)，如图1所示。图1中A～D的盐析萃取体系分别如下：A，甲基叔丁基醚-乙醇/焦磷酸钾；B，甲基叔丁基醚-乙醇/磷酸氢二钾；C，乙酸乙酯-乙醇/焦磷酸钾；D，乙酸乙酯-乙醇/磷酸氢二钾。在四个不同的盐析萃取体系中，相比、乙偶姻的分配系数和回收率均随着乙醇浓度的增加而增加，不过前期增加缓慢。在不含乙醇和乙醇含量为10％时，上相中根本检测不到残糖、有机酸和色素；当乙醇含量为30％时，肉眼可观察到上相颜色略有变深。乙醇浓度超过30％后，相比显著增大，意味着上相含水量明显增多，将导致有机酸杂质和色素增多，不利于后续精馏操作。

实施例3盐用量对乙偶姻分配的影响

含60.5g/L乙偶姻的发酵清液4mL、无机盐和4mL有机溶剂置于20mL具塞试管中，涡漩振荡1min后于24℃水浴静置12h，分层，上相为富含乙偶姻的有机相，下相富含盐的水相，其中无机盐为磷酸氢二钾或焦磷酸钾，有机溶剂为按照体积百分比含有20％或30％乙醇的乙酸乙酯或甲基叔丁基醚，检测在不同盐析萃取体系中上下相的相比(R)、乙偶姻的分配系数(K)和回收率(Y)，如图2所示。图2的A～D中横坐标为无机盐的加入量(m，g)占发酵液体积(v，mL)的质量体积百分含量，图2的A～D的盐析萃取体系分别如下：A，甲基叔丁基醚-乙醇(20％)/焦磷酸钾；B，乙酸乙酯-乙醇(30％)/焦磷酸钾；C，甲基叔丁基醚-乙醇(30％)/磷酸氢二钾；D，乙酸乙酯-乙醇(20％)/磷酸氢二钾。在有机溶剂和发酵液体积固定的情况下，上下相的相比(R)随着盐用量增加而降低，而乙偶姻的分配系数(K)和上相乙偶姻的回收率(Y)均随着盐用量的增加而增加至最大值，盐用量继续增加，分配系数和回收率反而降低。可见，无机盐的加入量为发酵液体积的80～125％时，乙偶姻的分离效果较好，尤其在100％左右时效果更佳。

实施例4搅拌时间对乙偶姻分配的影响

在工业化应用中物质的混合通常采用搅拌的方式进行，因而本实施例中混合方式改为机械搅拌。100mL发酵清液(51.2g/L乙偶姻)、100mL乙酸乙酯和50g K₂HPO₄在300rpm下搅拌混合，搅拌时间对乙偶姻分配的影响如表2所示。随着搅拌时间延长，相比几乎不变，分配系数和回收率逐渐增大至稳定值，说明搅拌时间对于分相影响不大，但影响物质在两相的分配。搅拌时间超过15分钟后，搅拌时间对乙偶姻的分配影响不大，实际操作时搅拌时间15～60分钟为宜。根据体系的总体积等因素，可以适当延长或缩短搅拌时间。

表2搅拌时间对乙偶姻分配的影响

实施例5静置时间对乙偶姻分配的影响

100mL发酵清液(79.0g/L乙偶姻)、100mL乙酸乙酯和50g K₂HPO₄在300rpm下搅拌30min后静置不同时间，测得的乙偶姻分配情况如表3所示。随着时间延长，相比不变，分配系数和回收率逐渐增加至稳定值，说明物质在两相的分配达到平衡所需时间较长，实际操作时静置时间至少得4小时。

表3静置时间对乙偶姻分配的影响

实施例6二级逆流盐析萃取回收发酵液中的乙偶姻(1)

将30g K₂HPO₄加入到含51.2g/L乙偶姻的100mL发酵清液中，搅拌15min溶解，得含盐混合液，共配置4份(含盐混合液1、2、3、4)。含盐混合液1中加入100mL乙酸乙酯后搅拌15min，静置4h，得富含乙偶姻的上相和富含盐的下相(下相1)；往下相1中加入100mL乙酸乙酯搅拌15min，静置4h，得上相(上相1，乙偶姻回收率66.9％)和下相；将上相1和含盐混合液2混合后搅拌15min，静置4h，得上相(上相2，乙偶姻回收率71.2％)和下相(下相2)；往下相2中加入100mL乙酸乙酯搅拌15min，静置4h，得上相(上相3，乙偶姻回收率71.2％)和下相；将上相3和含盐混合液3混合后搅拌15min，静置4h，得上相(上相4，乙偶姻回收率72.3％)和下相(下相3)；往下相3中加入100mL乙酸乙酯搅拌15min，静置4h，得上相(上相5，乙偶姻回收率57.0％)和下相；将上相5和含盐混合液4混合后搅拌15min，静置44h，得上相(上相6，乙偶姻回收率74.8％)和下相(下相4)。计算三次二级逆流萃取乙偶姻(上相2、4、6)的平均回收率为72.8％，上相中检测不到残糖、有机酸和色素。

实施例7二级逆流盐析萃取回收发酵液中的乙偶姻(2)

100mL发酵清液(51.2g/L乙偶姻)、100mL乙酸乙酯和50g K₂HPO₄下搅拌15min后静置4h进行二级逆流盐析萃取，萃取方法同实施例6。三次二级逆流萃取后上相乙偶姻的平均回收率为91.2％，上相中检测不到残糖、有机酸和色素。

实施例8分离提纯盐析萃取上相中的乙偶姻

按照实施例7的方法得到乙酸乙酯-磷酸氢二钾盐析萃取上相(含47.1g/L乙偶姻)，将196mL上相在20℃、-0.095MPa下用旋转蒸发仪进行浓缩，回收乙酸乙酯171mL，回收的乙酸乙酯中乙偶姻浓度为8.79g/L，损失率16.3％。

将浓缩后的盐析萃取上相用真空间歇精馏装置进行精馏。在真空度为-0.1MPa、塔顶温度80.4℃时馏分中主要成分为乙偶姻，其中回流比为1:1、1:10和1:100时馏分中的乙偶姻含量分别为85.41％、94.29％和96.66％。

Claims

1.一种分离提纯发酵液中乙偶姻的方法，其特征在于，该方法包括在发酵液中加入无机盐和弱极性有机溶剂进行萃取的步骤；其中无机盐的加入量为发酵液体积的50～100％，有机溶剂和发酵液的体积比为1～2:1；

所述的弱极性有机溶剂为乙酸乙酯、甲基叔丁基醚、乙酸丁酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯中的一种；

所述的弱极性有机溶剂含有按照体积百分比2～30％的乙醇、甲醇或丙酮；

所述的无机盐为硫酸铵、磷酸氢二钾、焦磷酸钾、碳酸钠、碳酸钾中的一种；

所述萃取为二级或三级逆流萃取。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的发酵液为发酵清液，发酵液中乙偶姻的浓度为35～100g/L。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

2)发酵清液中加入无机盐，搅拌溶解，得含盐混合液；

3)含盐混合液中加入弱极性有机溶剂，搅拌混合，静置至分相，得到下层的水相和上层的有机相两层液相共存体系，有机相富含乙偶姻，水相富含盐；

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤3)中，含盐混合液中加入弱极性有机溶剂，15-40℃条件下搅拌3～60min后静置4～8小时至分相。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤4)中，剩余萃取液经减压精馏，得乙偶姻。