CN107501045A

CN107501045A - 一种利用大孔吸附树脂从发酵液中分离提纯丁三醇的方法

Info

Publication number: CN107501045A
Application number: CN201710723327.5A
Authority: CN
Inventors: 应汉杰; 周文凤; 吴菁岚; 陈可泉; 王昕�
Original assignee: Nanjing Tech University
Current assignee: Nanjing Tech University
Priority date: 2017-08-21
Filing date: 2017-08-21
Publication date: 2017-12-22
Anticipated expiration: 2037-08-21
Also published as: CN107501045B

Abstract

本发明公开了一种利用大孔吸附树脂从发酵液中分离提纯丁三醇的方法，将经过预处理的含丁三醇的发酵液通过装有大孔吸附树脂的柱子进行上柱吸附、洗杂和解吸，最后得到纯化的丁三醇溶液；其中，所述的大孔吸附树脂以苯乙烯、丙烯酸酯为单体，通过二乙烯苯交联制得，大孔吸附树脂粒径为0.25～1.25mm，含水量30～80％，孔径10～200nm，孔隙率20～60％，湿真密度1.02～1.10g/cm³，比表面积200～2000m²/g，孔容0.5～1.3cm³/g。

Description

一种利用大孔吸附树脂从发酵液中分离提纯丁三醇的方法

技术领域

本发明属于生物技术领域，具体涉及到利用大孔吸附树脂从发酵液中提取丁三醇的方法。

背景技术

1，2，4-丁三醇(1，2，4-Butanetriol，BT)是一种无色、无臭、透明的水溶性粘稠糖浆状体，带有甜味，但无毒，其性质与甘油相似。BT是一种有机合成的重要化学中间体，被广泛应用于军事中，如：合成丁三醇三硝酸酯BTTN；医药中，如：用于手术后镇痛和压制骨折后的疼痛、用来制备降胆固醇药和抗癌药、用作药物缓释制剂等；烟草中，用作烟草添加剂可以消除硝基化合物对人体的毒害，减少焦油成分对人体的伤害；彩色显影液中，它可以改善其稳定性和色溶度。

由于丁三醇应用广泛，需求量较大，降低丁三醇生产成本、提高浓度势在必行。在公开的文献中，以化学法生产丁三醇过多，但化学法生产丁三醇对反应条件要求苛刻、过程复杂、成本高、副产物多、污染环境。例如在已公开的专利CN200710042816.0中，提供了一种1，2，4-丁三醇的合成方法，包括如下步骤：将丁烯二醇、H2WO4和N-甲基吗啉的混合溶液和环氧化剂通过设置在反应器顶部的设有二通道喷嘴的混合器混合后，进入反应器反应；反应器中的物料，通过循环泵送往反应器顶部的喷嘴，循环使用，收集环氧化物；环氧化剂选自富氧气体；将环氧化物、乙醇在催化剂的存在下，进行加氢反应，然后收集1，2，4-丁三醇。但此方法反应太过繁琐，设备条件要求高。另外由于近年来的环保和绿色工业要求，生物法生产丁三醇已经成为不可阻挡的趋势。但微生物发酵产丁三醇的发酵液中还含有木糖、木糖酸、乳酸、乙酸等副产物，而发酵液中丁三醇的含量一般较低为0.3g/L，最高也才1.8g/L，浓度过低；丁三醇与水互溶，沸点(167～168℃)较高，如果采用精馏，对能量消耗大。

色谱法亦称层析法或色层法，是一种分离手段，是利用被分析混合物中各组分在固定相和流动相中的作用力不同而实现分离的方法，工业上常用来分离性质近似组分。

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丁三醇的方法，以解决丁三醇工业中下游分离难题，并降低丁三醇的生产成本。

为解决上述技术问题，本发明拟采用色谱分离的方法提纯丁三醇，可以在提高产率的同时节约能量。本方法采用大孔吸附树脂作为固定相，去离子水或低沸点的醇、酮等为流动相来分离丁三醇，具有分离效果好，适用范围广，选择性强，环境友好，设备简单，可回收固定相和流动相的优点。

具体技术方案如下：

一种利用大孔吸附树脂从发酵液中分离提纯丁三醇的方法，将经过预处理的含丁三醇的发酵液通过装有大孔吸附树脂的柱子进行上柱吸附、洗杂和解吸，最后得到纯化的丁三醇溶液；

其中，所述的大孔吸附树脂以苯乙烯、丙烯酸酯为单体，通过二乙烯苯交联制得，此种树脂理化性质稳定，不溶于酸、碱及有机溶剂，不受无机盐类及强离子低分子化合物的影响。大孔吸附树脂粒径为0.25～1.25mm，含水量30～80％，孔径10～200nm，孔隙率20～60％，湿真密度1.02～1.10g/cm³，比表面积200～2000m²/g，孔容0.5～1.3cm³/g。

其中，所述的含丁三醇的发酵液，对发酵液来源没有特别限制，可为任意原料通过微生物发酵制备得到，例如以玉米芯水解液为底物，用酵母菌发酵得到丁三醇发酵液。所述的含丁三醇的发酵液除了含有丁三醇外，还主要含有木糖酸、木糖、乳酸和乙酸中的任意一种或几种。

其中，所述的预处理包括脱色和离心。

其中，大孔吸附树脂使用之前要进行预处理，具体操作为：首先将1mol/L的氢氧化钠水溶液与无水乙醇进行1∶1混合，对柱子中的树脂进行冲洗至无色，去离子水洗至中性；然后用1mo/L的盐酸进行冲洗至无色，再用去离子水洗至中性，即得到处理好的树脂。

其中，上柱吸附时，调整发酵液中丁三醇的浓度为0.1～25g/L，优选5～25g/L。

其中，洗杂和解析时，使用的溶剂均为去离子水或低沸点的醇或低沸点的酮，优选为水、甲醇、乙醇、丁醇或丙酮。洗杂和解析过程，使用的具体溶剂可以相同也可以不同。洗杂阶段通过在线监测流出液中的丁三醇含量确定洗杂阶段是否结束，当有丁三醇流出时，洗杂阶段结束，进入解析阶段，收集流出液。

其中，洗杂使用1～2BV的溶剂，解析使用1～3BV的溶剂。

其中，吸附、洗杂和解吸过程中流动相流速均为0.2～2BV/h。

其中，所述的柱子，固液比为1∶10，高径比为17～25。

其中，经过吸附、洗杂和解吸的柱子可通过再生操作进行再生，然后重新进行吸附，再生条件为：以去离子水为再生剂，再生剂流速为0.2～2BV/h，再生剂的使用量为2～4BV。

本发明通过分析丁三醇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，筛选出合适的大孔吸附树脂，该种树脂对丁三醇具有一定的吸附容量和良好的选择性，解吸容易，收率可达90～99％，纯度为95～99.9％。解吸后的树脂水洗即可再生。

有益效果：与现有技术相比，本发明提供了一种分离提取丁三醇的方法，其优点在于提供了一种丁三醇的分离方法，该方法使用色谱技术对丁三醇进行分离提纯，均在室温下进行，不需要升温加压，大大降低了耗能，操作简单，采用的大孔吸附树脂理化性质稳定，选择性好，操作条件温和，而且分离效果好，可再生重复使用，价格低廉。

本发明的大孔吸附树脂，在吸附、洗杂、解吸和再生的过程中都不需要用到酸碱，无污染物的排放，有效的避免了环境问题，符合当前绿色工业的主题。同时，大孔吸附树脂应用十分广泛，除了应用于丁三醇的分离提纯，还可以用于各种糖和多元醇的脱色精制、废水处理回收贵金属，抗生素和生化药物的分离精制等。

附图说明

图1.本发明大孔吸附树脂AX-07分离丁三醇色谱图。

图2.本发明大孔吸附树脂LX-02分离丁三醇色谱图。

图3.本发明大孔吸附树脂AX-01分离丁三醇色谱图。

图4.本发明大孔吸附树脂AX-01分离丁三醇色谱图。

图5.本发明大孔吸附树脂AX-01分离丁三醇色谱图。

图6.本发明丁三醇在大孔吸附树脂AX-01上的等温线图。

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。

如无特别说明，以下实施例所使用的操作均为本领域常规操作。

以下实施例中使用外标法对料液中的丁三醇浓度进行检测，色谱条件为：

1)色谱柱：Bio-radHPX-87H(250mm×4.6mm i.d.，5μm)

2)流动相：5mmol/L硫酸；

3)流速：0.6mL/min；

4)柱温：55℃；

5)进样体积：20μL。

检测方法及步骤：

1)色谱柱的平衡：配置好的流动相5mmol/L硫酸用孔径0.22μm的混合微孔滤膜过滤，再进行超声处理30min。用处理好的流动相以0.6mL/min的流速冲洗色谱柱，同时开启柱温箱，开始采集基线，待基线趋于直线时，平衡结束。

2)样品的检测：按照色谱条件编写进样序列及方法，将过膜处理后的标准品及样品按照进样序列置于自动进样器的相应位置上，开始进样并收集图谱信息。

使用以下公式计算解吸后的丁三醇的收率：

收率(％)＝m_解吸/m_进*100％

其中m_解吸、m_进分别表示为丁三醇在解吸前进样与解吸下来的质量之比。

以下实施例中所使用的大孔吸附树脂以苯乙烯、丙烯酸酯为单体，通过二乙烯苯交联制得，此种树脂理化性质稳定，不溶于酸、碱及有机溶剂，不受无机盐类及强离子低分子化合物的影响。大孔吸附树脂粒径为0.25～1.25mm，含水量30～80％，孔径10～200nm，孔隙率20～60％，湿真密度1.02～1.10g/cm³，比表面积200～2000m²/g，孔容0.5～1.3cm³/g。包括以下实施例中记载的AX和LX系列。

大孔吸附树脂的预处理：

1)先将lmol/l的氢氧化钠溶液与无水乙醇进行1∶1混合，对吸附柱中的大孔吸附树脂以0.2～2BV/h的流速进行冲洗至无色；

2)去离子水以0.2～2BV/h的流速洗至中性；

3)然后用1mo/l的盐酸溶液以0.2～2BV/h的流速进行冲洗至无色；

4)再用去离子水以0.2～2BV/h的流速洗至中性；

5)即得到处理好的树脂。

发酵液预处理：

发酵直接得到的发酵液不能直接用来进行色谱分离实验，首先要对发酵液进行离心除去不溶性杂质，然后过滤处理，以除去发酵液的大分子物质，最后进行脱色处理，即得处理好的发酵液。

实施例1.大孔吸附树脂AX-07的分离实验

大孔吸附树脂AX-07颗粒直径0.38～0.86mm，平均孔径10～20nm，比表面积725m²/g。取预处理好的的丁三醇发酵液(约含丁三醇5g/L)0.1BV从上而下的流入装有大孔吸附树脂AX-07的柱子，待料液完全流入色谱柱后，继续用去离子水冲洗柱子，进行洗杂和解吸。整个过程流速均控制在0.3BV/h，用部分收集器进行收集，每5ml收集一管，总共收集100管，最后用高效液相色谱仪进行检测。结果显示其中主要杂质木糖酸和丁三醇的分离度为0.96，丁三醇回收率为91.4％，纯度为95.7％。最后用去离子水进行再生操作，进行再生后的树脂即可回收，用来进行下一次吸附操作。

操作结果如图1所示。

实施例2.大孔吸附树脂LX-02的分离实验

大孔吸附树脂LX-02颗粒直径0.41～0.67mm，平均孔径8～17nm，比表面积800m²/g。取预处理好的的丁三醇发酵液(约含丁三醇5g/L)0.1BV从上而下的流入装有大孔吸附树脂LX-02的柱子，待料液完全流入色谱柱后，继续用去离子水冲洗柱子，进行洗杂和解吸。整个过程流速均控制在0.3BV/h，用部分收集器进行收集，每5ml收集一管，总共收集100管，最后用高效液相色谱仪进行检测。结果显示其中主要杂质木糖酸和丁三醇的分离度为0.98，丁三醇回收率为93％，纯度为96.5％。最后用去离子水进行再生操作，进行再生后的树脂即可回收，用来进行下一次吸附操作。

操作结果如图2所示。

实施例3.大孔吸附树脂AX-01的分离实验

大孔吸附树脂AX-01颗粒直径0.68～0.82mm，平均孔径10.5～15.5nm，比表面积850m²/g。取预处理好的的丁三醇发酵液(约含丁三醇5g/L)0.1BV从上而下的流入装有大孔吸附树脂AX-01的柱子，待料液完全流入色谱柱后，继续用去离子水冲洗柱子，进行洗杂和解吸。整个过程流速均控制在0.3BV/h，用部分收集器进行收集，每5ml收集一管，总共收集100管，最后用高效液相色谱仪进行检测。结果显示其中主要杂质木糖酸和丁三醇的分离度为1.12，丁三醇回收率为96.3％，纯度为98％。最后用去离子水进行再生操作，进行再生后的树脂即可回收，用来进行下一次吸附操作。

操作结果如图3所示。

实施例4.大孔吸附树脂AX-01的分离实验

取预处理好的的丁三醇发酵液(约含丁三醇5g/L)0.1BV从上而下的流入装有大孔吸附树脂AX-01的柱子，待料液完全流入色谱柱后，用60％v/v的乙醇溶液进行洗杂、解析，整个过程流速均控制在0.3BV/h。用部分收集器进行收集，每5ml收集一管，总共收集100管，最后用高效液相色谱仪进行检测。结果显示其中主要杂质木糖酸和丁三醇的分离度为1.18，丁三醇回收率为97.2％，纯度为98.2％。最后用去离子水进行再生操作，进行再生后的树脂即可回收，用来进行下一次吸附操作。

操作结果如图4所示。

实施例5.大孔吸附树脂AX-01的分离实验

取预处理好的的丁三醇发酵液(约含丁三醇5g/L)0.1BV从上而下的流入装有大孔吸附树脂AX-01的柱子，待料液完全流入色谱柱后，继续用去离子水冲洗柱子，进行洗杂，洗杂结束后用丙酮进行解析，整个过程流速均控制在0.3BV/h。用部分收集器进行收集，每5ml收集一管，总共收集100管，最后用高效液相色谱仪进行检测。结果显示其中主要杂质木糖酸和丁三醇的分离度为1.14，丁三醇回收率为97.8％，纯度为98.0％。最后用去离子水进行再生操作，进行再生后的树脂即可回收，用来进行下一次吸附操作。

操作结果如图5所示。

实施例6.等温线

配置1～25g/1的丁三醇溶液，分别取10ml置于25ml的三角瓶中，，再加入1g大孔吸附树脂AX-01，封口后分别置于293K、303K、313K的恒温摇床中，设定转速为150rpm，待吸附平衡后，测定溶液中的丁三醇的浓度。对所获取的实验数据分别用Langmuir和Freundlich等温模型进行拟合。

结果如图6所示，丁三醇的吸附过程符合Langmuir吸附等温模型。

实施例7.再生树脂吸附性能检测

将实施例3中的大孔吸附树脂用去离子水以0.5BV/h的流速进行再生操作，再生操作所得料液用部分收集器进行收集，每5ml收集一管，用高效液相色谱仪检测。当离子水使用量约为3BV时，没有在流出的去离子水中检测到除水以外的任何物质。之后再用这部分树脂对丁三醇进行上柱→分离→洗杂→解吸→再生，如此往复三次。

取预处理好的的丁三醇发酵液(约含丁三醇5g/L)0.1BV从上而下的流入装有上述大孔吸附树脂AX-01的柱子，待料液完全流入色谱柱后，继续用去离子水冲洗柱子，进行洗杂和解吸。整个过程流速均控制在0.3BV/h，用部分收集器进行收集，每5ml收集一管，总共收集100管，最后用高效液相色谱仪进行检测。结果显示其中主要杂质木糖酸和丁三醇的分离度为1.12，丁三醇回收率为96.1％，纯度为98.1％。最后用去离子水进行再生操作，进行再生后的树脂即可回收，用来进行下一次吸附操作。

Claims

1.一种利用大孔吸附树脂从发酵液中分离提纯丁三醇的方法，其特征在于，将经过预处理的含丁三醇的发酵液通过装有大孔吸附树脂的柱子进行上柱吸附、洗杂和解吸，最后得到纯化的丁三醇溶液；

其中，所述的大孔吸附树脂以苯乙烯、丙烯酸酯为单体，通过二乙烯苯交联制得，大孔吸附树脂粒径为0.25～1.25mm，含水量30～80％，孔径10～200nm，孔隙率20～60％，湿真密度1.02～1.10g/cm³，比表面积200～2000m²/g，孔容0.5～1.3cm³/g。

2.根据权利要求1所述的一种利用大孔吸附树脂从发酵液中分离提纯丁三醇的方法，其特征在于，所述的含丁三醇的发酵液，除了含有丁三醇外，还主要含有木糖酸、木糖、乳酸和乙酸中的任意一种或几种。

3.根据权利要求1所述的一种利用大孔吸附树脂从发酵液中分离提纯丁三醇的方法，其特征在于，所述的预处理包括脱色和离心。

4.根据权利要求1所述的一种利用大孔吸附树脂从发酵液中分离提纯丁三醇的方法，其特征在于，大孔吸附树脂使用之前要进行预处理，具体操作为：首先将1mol/L的氢氧化钠水溶液与无水乙醇进行1∶1混合，对柱子中的树脂进行冲洗至无色，去离子水洗至中性；然后用1mo/L的盐酸进行冲洗至无色，再用去离子水洗至中性，即得到处理好的树脂。

5.根据权利要求1所述的一种利用大孔吸附树脂从发酵液中分离提纯丁三醇的方法，其特征在于，上柱吸附时，调整发酵液中丁三醇的浓度为0.1～25g/L。

6.根据权利要求1所述的一种利用大孔吸附树脂从发酵液中分离提纯丁三醇的方法，其特征在于，洗杂和解析时，使用的溶剂均为去离子水或低沸点的醇或低沸点的酮。

7.根据权利要求6所述的一种利用大孔吸附树脂从发酵液中分离提纯丁三醇的方法，其特征在于，洗杂和解析时，使用的溶剂为水、甲醇、乙醇、丁醇或丙酮。

8.根据权利要求6或7所述的一种利用大孔吸附树脂从发酵液中分离提纯丁三醇的方法，其特征在于，洗杂使用1～2BV的溶剂，解析使用1～3BV的溶剂。

9.根据权利要求1所述的一种利用大孔吸附树脂从发酵液中分离提纯丁三醇的方法，其特征在于，吸附、洗杂和解吸过程中流动相流速均为0.2～2BV/h。

10.根据权利要求1所述的一种利用大孔吸附树脂从发酵液中分离提纯丁三醇的方法，其特征在于，所述的柱子，固液比为1∶10，高径比为17～25。

11.根据权利要求1所述的一种利用大孔吸附树脂从发酵液中分离提纯丁三醇的方法，其特征在于，经过吸附、洗杂和解吸的柱子可通过再生操作进行再生，然后重新进行吸附，再生条件为：以去离子水为再生剂，再生剂流速为0.2～2BV/h，再生剂的使用量为2～4BV。