CN106861236B - 一种利用超高交联树脂吸附分离戊二胺的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用超高交联树脂吸附分离戊二胺的方法，将经过预处理的戊二胺发酵液通过装有超高交联树脂的吸附柱，经吸附、洗杂和解吸的过程得到戊二胺己二酸溶液。本发明方法采用吸附柱分离发酵液中的戊二胺，所有操作均可在室温下进行，大大降低了分离过程的能耗，以及有机萃取剂的用量；所选用的吸附介质具有对戊二胺吸附容量大、物化性质稳定性高、吸附选择性好、解吸条件温和、再生容易、使用周期长等优点；并且所用吸附介质用水即可再生，不需要消耗酸碱或有机溶剂，可降低能耗减少废水排放量，避免环境污染问题，是一种更加清洁环保的生产工艺。

Description

一种利用超高交联树脂吸附分离戊二胺的方法
技术领域
本发明属于生物技术领域，特别是涉及一种利用超高交联树脂吸附分离戊二胺的方法。
背景技术
一直以来，化学工业依赖以石油和天然气为原料来生产聚合物制品，成为现代文明社会的重要支柱。但随着石油和天然气资源的逐渐枯竭以及石油制品的生产和使用导致的温室效应日趋严重，寻找石化资源的替代产品，特别是基于可再生资源的绿色制品，成为当今化学工业的重要发展方向。尼龙是一类非常重要的聚合物材料，在汽车、高档纺织等多个领域有着重要的用途，目前全球尼龙聚合物年产量在600万吨以上，而中国的消费量占全球尼龙产量的30％。在这一背景下，基于生物原料的1,5-戊二胺的开发就显得非常令人期待。从1,5-戊二胺出发，可以合成尼龙-56或全生物基的尼龙产品尼龙510，这些产品可以应用在电子电器、机械设备、汽车部件等日常生产生活的多个方面。
关于戊二胺的生产和纯化有以下公开技术：在专利EP1482055A1中，在酶转化过程中，用己二酸控制酶转化的pH值，100％转化赖氨酸；然后用戊二胺量20％的活性炭脱色，浓缩至70～77％尼龙盐浓度；尼龙盐溶液温度从60℃降低到10℃，结晶得到戊二胺尼龙盐。在专利CN101981202A中，通过直接发酵得到戊二胺溶液，戊二胺浓度为72g/L。然后发酵液在103℃下，回流5小时，裂解发酵液中的副产物；用丁醇多次萃取，蒸发有机溶剂得到戊二胺产品。在专利CN102056889A中，戊二胺碳酸盐酶反应液用UF 12000分子量的有机膜处理，降低反应液中三官能团有机物，三官能团有机物含量相对戊二胺为0.0063。加热戊二胺碳酸盐溶液到100℃以上分解戊二胺碳酸盐，然后蒸馏戊二胺粗品得到产品。在JP2009096796A、JP2009131239A中，将碱与戊二胺盐水溶液混合，使戊二胺游离，同时盐沉淀，然后蒸馏出戊二胺。在专利CN105777555A中将戊二胺粗品的水溶液经过一次精馏除去水和沸点低于水的杂质；然后进行二次精馏除去沸点低于戊二胺的杂质；最后进行三次精馏除去沸点高于戊二胺的杂质，即得纯化后的戊二胺。
综上，通过发酵法生产戊二胺，为戊二胺的大量生产开辟了新的途径。但由于发酵液组成的复杂性，给戊二胺的分离、提取、精制带来了困难，为了保证能够利用戊二胺进行有效的与己二酸合成尼龙，就需要利用纯度大于99.5％的戊二胺己二酸单体，这意味着下游的处理过程比较苛刻。发酵液是一个复杂的多相体系，其中含有未反应的赖氨酸、发酵副产物(如氨丙基戊二胺、乙酰基-二氨基戊烷等)、无机离子、微生物细胞及其碎片、未利用的培养基和代谢产物以及微生物的分泌物等，给戊二胺的提取和精制带来困难，尤其是其中含有大量蛋白质、色素等杂质，严重影响产品纯度和外观质量。现有技术中并没有比较绿色环保、并且收率高、纯度高的适宜分离方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种从发酵液中提取戊二胺的方法，以解决戊二胺工业中的下游分离难题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种利用超高交联树脂吸附分离戊二胺的方法，将经过预处理的戊二胺发酵液通过装有超高交联树脂的吸附柱，经吸附、洗杂，并用己二酸水溶液做解吸剂进行解吸，得戊二胺己二酸溶液；
其中，所述的超高交联树脂是以聚苯乙烯-二乙烯基苯为骨架，通过Friedel-Crafts交联反应得到，该超高交联树脂弱极性，亲水性好；平均粒径为0.5-0.8mm，含水量为43-48wt％，平均孔径为4.94-6.3nm，孔隙率30％-40％，湿密度1.09g/cm3，平均比表面积为806-857m2/g，平均孔容0.995-1.113cm3/g，功能基团为羰基。
其中所述戊二胺发酵液的来源没有特别限制，可以为任意生物法制备的含戊二胺的发酵液。例如，将赖氨酸或赖氨酸盐用赖氨酸脱羧酶催化后即可得到的戊二胺发酵液。
所述超高交联树脂的制备方法参见专利CN105884956A，命名为HD-6。
所述戊二胺发酵液的预处理为：离心除去残余的菌体、取上清液用活性炭脱色、然后离心过滤除去活性炭，并调节pH为12.5-13.5。经过预处理的戊二胺发酵液中戊二胺的含量为50-200g/L。
所述取上清液用活性炭脱色固液比为1-3％，此处固液比是指质量体积比，单位为g/L。
所述离心过滤除去活性炭是指以6000-8000rpm转速离心5-10分钟，再通过板框过滤即可。
使用工业碱调节pH，例如可以使用NaOH调节pH。
经过预处理的戊二胺发酵液中的戊二胺完全处于分子状态。
所述吸附条件为：室温、吸附流速1-4BV/h，采用固定床吸附，树脂柱高径比为12-18。
所述洗杂采用去离子水洗杂，其中，洗杂流速为0.5-2.0BV/h。
所述解吸条件为：解吸使用的解吸剂为0.2-0.8mol/L的己二酸水溶液，控制解吸流速为0.5-2.0BV/h。
经过吸附、洗杂和解吸的吸附柱可通过再生操作，重新进行吸附、洗杂和解吸；再生条件为：以去离子水为再生剂，再生剂流速为1-3BV/h。
本发明通过分析吸附质戊二胺分子的结构与理化性质、料液的组成和吸附剂的骨架结构、孔径、比表面积和极性等各方面的因素，筛选出一种性能优良的超高交联树脂，该树脂对发酵液中的戊二胺具有较高的吸附容量和吸附选择性，且较易解吸，戊二胺的收率可达96％以上，并可将戊二胺提浓2-4倍。
有益效果：本发明方法采用吸附柱分离发酵液中的戊二胺，所有操作均可在室温下进行，大大降低了分离过程的能耗，以及有机萃取剂的用量；所选用的吸附介质具有对戊二胺吸附容量大、物化性质稳定性高、吸附选择性好、解吸条件温和、再生容易、使用周期长等优点；并且所用吸附介质用水即可再生，不需要消耗酸碱或有机溶剂，可降低能耗减少废水排放量，避免环境污染问题，是一种更加清洁环保的生产工艺；适用于各种戊二胺粗品，对粗品含有的各种杂质都能有效去除，得到的高纯度的戊二胺己二酸成品，完全可以满足尼龙聚合物对戊二胺己二酸单体的质量要求，可扩大戊二胺以及尼龙等下游产品的生产和应用。
附图说明
图1本发明工艺流程图；
图2本发明超高交联树脂HD-6的孔径分布图；
图3本发明超高交联树脂HD-6的BET图；
图4是饱和吸附剂的解吸曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作出详细说明。
以下实施例中使用外标法对料液中的戊二胺浓度进行检测，色谱条件为：
色谱柱：Zorbax XDB-C18
流动相：A三氟乙酸-乙腈-水体积比为0.06:5:95B乙腈-三氟乙酸-水体积比0.45/5/95
流速：0.7ml/min
柱温：35℃
进样体积：20ul
梯度洗脱条件：
检测器：蒸发光散射检测器
氮气流量：2.5L/min
漂移管温度：40℃
使用以下公式计算解吸后的戊二胺的收率：
收率(％)＝m解吸/m进*100％
其中，m解吸、m进分别表示为戊二胺在解吸前进样与解吸下来的质量之比。
实施例1
戊二胺发酵液的制备以及预处理
戊二胺粗品的水溶液来源没有特别限制，可以为任意生物法制备的含戊二胺的发酵液，例如，将赖氨酸或赖氨酸盐用赖氨酸脱羧酶催化后得到的戊二胺粗品转化液。转化液离心除去菌体，上清液加入1.5％(g/L)的活性炭在20℃下搅拌1小时，进行脱色，然后以6000-8000rpm转速离心5-10分钟，再通过板框过滤除去活性炭，再加入足量NaOH使戊二胺游离，并调节pH为12.5-13.5。
经过上述预处理之后的戊二胺发酵液中戊二胺的含量约为70g/L。
实施例2
超高交联树脂HD-6的制备以及预处理
所述超高交联树脂的制备方法可参见专利CN105884956A，即以聚苯乙烯-二乙烯基苯为骨架，通过Friedel-Crafts交联反应得到，该超高交联树脂弱极性，亲水性好；平均粒径为0.5-0.8mm，含水量为43wt％，平均孔径为4.94nm，孔隙率30％-40％，湿密度1.09g/cm3，平均比表面积为806m2/g，平均孔容0.995cm3/g，功能基团为羰基，命名为HD-6。
图2为制备所得超高交联树脂HD-6的孔径分布图；图3为制备所得超高交联树脂HD-6的BET图。
超高交联树脂HD-6的预处理：用2BV 1mol/L的HCL的溶液以1BV/h的流速冲洗树脂，再用水洗至中性；然后用2BV 1mol/L的NaOH溶液以1BV/h的流速冲洗树脂，再用水洗至中性；最后用乙醇以2BV/h的流速冲洗树脂，用去离子水冲去乙醇，备用。
实施例3
固定床树脂柱分离
将经由实施例1预处理之后的戊二胺发酵液以4BV/h的流速由上向下通过装有实施例2预处理之后的超高交联树脂的吸附柱，采用固定床吸附，树脂柱高径比为15，戊二胺被选择性吸附，当进料量达到4BV后停止进料，并将柱内液体排干；用去离子水以2BV/h的流速洗杂，直至流出液中不含无机盐、残糖等杂质，再将去离子水放干；向吸附柱顶端以0.5BV/h的流速滴加0.5mol/L己二酸水溶液，解吸后，流出液中基本没有戊二胺，解吸完毕。解吸曲线见图4。再以1BV/h的流速通入去离子水，将树脂柱内的己二酸洗净，再生完成后即可用于下一次的吸附操作。
结果测定：经解吸后的戊二胺收率达96.1％，戊二胺己二酸纯度达98.2％，戊二胺提浓2.5倍。
实施例4
固定床树脂柱分离
将经由实施例1预处理之后的戊二胺发酵液以2.5BV/h的流速由上向下通过装有实施例2预处理之后的超高交联树脂的吸附柱，采用固定床吸附，树脂柱高径比为16，戊二胺被选择性吸附，吸附4BV后停止进料，并将柱内液体排干；用去离子水以1BV/h的流速洗杂，直至流出液中不含无机盐、残糖等杂质，再将去离子水放干；向吸附柱顶端以1.0BV的流速滴加0.5mol/L己二酸水溶液，解吸后，流出液中基本没有戊二胺，解吸完毕。再以的3BV/h流速通入去离子水，将树脂柱内的己二酸洗净，再生完成后即可用于下一次的吸附操作。
结果测定：经解吸后的戊二胺收率达96.7％，戊二胺己二酸纯度达97.5％，戊二胺提浓2.3倍。
实施例5
固定床树脂柱分离
将经由实施例1预处理之后的戊二胺发酵液以1.5BV/h的流速由上向下通过装有实施例2预处理之后的超高交联树脂的吸附柱，采用固定床吸附，树脂柱高径比为12，戊二胺被选择性吸附，吸附4BV后停止进料，并将柱内液体排干；用去离子水以1.5BV/h的流速洗杂，直至流出液中不含无机盐、残糖等杂质，再将去离子水放干；向吸附柱顶端以1.0BV的流速滴加0.4mol/L己二酸水溶液，解吸后，流出液中基本没有戊二胺，解吸完毕。再以的2BV/h流速通入去离子水，将树脂柱内的己二酸洗净，再生完成后即可用于下一次的吸附操作。
结果测定：经解吸后的戊二胺收率达97.7％，戊二胺己二酸纯度达97.5％，戊二胺提浓2倍。
实施例6
固定床树脂柱分离
将经由实施例1预处理之后的戊二胺发酵液以1BV/h的流速由上向下通过装有实施例2预处理之后的超高交联树脂的吸附柱，采用固定床吸附，树脂柱高径比为18，戊二胺被选择性吸附，吸附4BV后停止进料，并将柱内液体排干；用去离子水以0.5BV/h的流速洗杂，直至流出液中不含无机盐、残糖等杂质，再将去离子水放干；向吸附柱顶端以2.0BV的流速滴加0.6mol/L己二酸水溶液，解吸后，流出液中基本没有戊二胺，解吸完毕。再以的2BV/h流速通入去离子水，将树脂柱内的己二酸洗净，再生完成后即可用于下一次的吸附操作。
结果测定：经解吸后的戊二胺收率达97.7％，戊二胺己二酸纯度达98.1％，戊二胺提浓2.7倍。
实施例7
该实施例的操作同实施例6，不同之处在于：解吸使用的解吸剂为0.2mol/L的己二酸水溶液。
结果测定：经解吸后的戊二胺收率达96.7％，戊二胺己二酸纯度达98.1％，戊二胺提浓2倍。
实施例8
该实施例的操作同实施例6，不同之处在于：解吸使用的解吸剂为0.8mol/L的己二酸水溶液。
结果测定：经解吸后的戊二胺收率达97.7％，戊二胺己二酸纯度达98.1％，戊二胺提浓2.8倍。
综上，采用本发明方法解吸后的戊二胺收率达96％以上，戊二胺己二酸纯度达97.5％以上，戊二胺提浓2倍以上。完全可以满足尼龙聚合物对戊二胺己二酸单体的质量要求，可扩大戊二胺以及尼龙等下游产品的生产和应用。

Claims (8)

1.一种利用超高交联树脂吸附分离戊二胺的方法，其特征在于，将戊二胺发酵液离心除去残余的菌体、取上清液用活性炭脱色、然后离心过滤除去活性炭，并调节pH为12.5-13.5，将经过上述预处理后的戊二胺发酵液通过装有超高交联树脂的吸附柱，经吸附、洗杂，并用己二酸水溶液做解吸剂进行解吸，得戊二胺己二酸溶液；经过吸附、洗杂和解吸的吸附柱可通过再生操作，重新进行吸附、洗杂和解吸，再生条件为：以去离子水为再生剂，再生剂流速为1-3BV/h；
其中，所述的超高交联树脂是以聚苯乙烯-二乙烯基苯为骨架，通过Friedel-Crafts交联反应得到，该超高交联树脂弱极性，亲水性好；平均粒径为0.5-0.8mm，含水量为43-48wt％，平均孔径为4.94-6.3nm，孔隙率30％-40％，湿密度1.09g/cm3，平均比表面积为806-857m2/g，平均孔容0.995-1.113cm3/g，功能基团为羰基。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，经过预处理的戊二胺发酵液中戊二胺的含量为50-200g/L。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述取上清液用活性炭脱色固液比为1-3％。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述离心过滤除去活性炭是指以6000-8000rpm转速离心5-10分钟，再通过板框过滤即可。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用工业碱调节pH。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述吸附条件为：在室温下控制吸附流速1-4BV/h，采用固定床吸附，树脂柱高径比为12-18。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述洗杂采用去离子水洗杂，洗杂流速为0.5-2.0BV/h。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述解吸条件为：解吸使用的解吸剂为0.2-0.8mol/L的己二酸水溶液，控制解吸流速为0.5-2.0BV/h。
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