发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供了一种从发酵液中提取并精制长链二元羧酸的方法。本发明方法在常规破乳提取发酵清液的同时,通过温度控制将溶剂萃取与酸析过程结合在一个单元中完成,简化了操作,并实现了有机溶剂的循环使用,更易于大规模生产应用。
本发明提供的从发酵液中提取并精制长链二元羧酸的方法,包括如下内容:
(1)发酵液预处理:向发酵液中加入碱性pH调节剂,使体系pH控制在碱性范围,并加热以促进胞内长链二元羧酸溶解;
(2)发酵清液收集:经步骤(1)处理后,过滤获得发酵清液,经静置分层后,取水相清液层;
(3)长链二元羧酸提取及精制:控制水相清液温度为70~85℃,按比例加入有机溶剂,升温至80~90℃;随后加入酸性pH调节剂,使体系pH控制在酸性范围,该过程体系中会出现明显的长链二元羧酸析出现象,升温至90~100℃,增加长链二元羧酸在有机相中的溶解,直至体系中长链二元羧酸完全溶解后,静置分层分出水相后,将有机相经过滤、烘干后,即得到长链二元羧酸精制产品。
本发明方法中,步骤(1)所述的发酵液为微生物利用烷烃发酵制备长链二元羧酸的发酵液,其中含有的长链二元羧酸的分子通式为CnH2n-2O4,其中n为10~18。
本发明方法中,步骤(1)所使用的碱性pH调节剂为固体强碱,如可以是氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化钾等,优选氢氧化钾。
本发明方法中,步骤(1)控制的碱性范围为8~11,优选为9~10。所述加热采用持续升温的方式,将温度控制在80~90℃,优选85~90℃后,恒温20~40min,优选20~30min。
本发明方法中,步骤(1)在具有搅拌的密闭容器中进行,搅拌转速为100~200rpm。
本发明方法中,步骤(2)所述过滤采用膜过滤,首先通过管线将发酵液接入膜过滤设备,进行固液分离,膜孔直径为10~50nm,优选20~25nm。然后将发酵清液注入恒温设备,静置分层,获得水相清液,恒温设备的温度控制在70~85℃,优选80~85℃,恒温静置20min以上,优选20~30 min。
本发明方法中,步骤(3)控制水相清液的初始温度为70~85℃,优选80~85℃,在具有搅拌、加热的封闭容器中与有机溶剂混合,搅拌转速为100~200rpm。
本发明方法中,步骤(3)所述有机溶剂为碳原子数为6~10的醚类溶剂和/或脂类溶剂,醚类溶剂可以选择丙醚、丁醚、正戊醚、异戊醚等中的至少一种,脂类溶剂可以选择乙酸丁酯、丙酸丁酯等,优选醚类溶剂,更优选丁醚。有机溶剂的加入量与水相清液的体积比为1:2~1:6,加入有机溶剂后温度维持在80~92℃,优选85~92℃。
本发明方法中,步骤(3)所使用的酸性pH调节剂为强酸,如可以是硫酸、盐酸、硝酸等中的至少一种,优选硫酸。控制的酸性范围为3~5,优选4.5~5。加入酸性pH调节剂后,升温至90~100℃,优选95~97℃,搅拌转数为150~250rpm,直至反应过程中出现的长链二元羧酸完全溶解。
本发明方法中,步骤(3)在90~100℃条件下静置分层。有机相过滤采用板框过滤,过滤压力为0.1~1.0MPa,过滤温度为室温,一般为10~30℃。所述的烘干条件是烘干温度为80~105℃,烘干时间为5~20h。
与现有技术相比,本发明方法具有以下有益效果:
(1)本发明通过有机溶剂的添加,使体系中形成水相和有机相混合的状态,随后利用体系pH变化及温度控制,使长链二元羧酸从水相直接转入到有机相中,从而在一个反应器中完成提取过程,仅利用一个工艺单元即可实现长链二元羧酸的精制,简化了传统工艺中长链二元羧酸从液相到固相粗酸,又从固态粗酸到有机萃取相的精制过程,减少了传统工艺中的粗酸提取过程,降低了提取过程中的损失,从而简少了操作步骤,提高了收率。
(2)本发明配合溶剂精制的特点,在长链二元羧酸精制过程中采用三段升温控制,从而使清液提取、溶剂萃取、精制等过程中得以顺利衔接,实现了一步法长链二元羧酸精制,提高了精制效率。
(3)相比传统的先酸析提取粗酸后再溶剂精制的方法,本发明通过温度控制将酸析和溶剂萃取同时进行,一方面水相体积较传统方法多,因此对杂质(有机酸盐)的溶解效果更好;另一方面由于温度控制极大的提高了溶剂对长链二元羧酸的溶解度,因此较传统方法,长链二元羧酸固态存续时间更短、结晶颗粒更小,该精制工艺所得精制产品氮含量更低,产品品质更好。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明方法的具体过程及效果进行详细说明,但不局限于以下实施例。
本发明实施例选用热带假丝酵母(Candida tropicalis)突变株PF-UV-56作为发酵菌株,该突变株保藏在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心,保藏编号为CGMCC No.0356。本发明实施例采用上述菌株于3m3发酵装置上经烷烃发酵获得的长链二元羧酸发酵液,其中下罐体积为2.1m3,十二碳二元羧酸的下罐浓度为140g/L,十三碳二元羧酸的下罐浓度为130g/L。
本发明收集物检测采用干重法,含氮量的检测方法按照NB/SH/T 0704-2010《石油及石油产品中氮含量的测定法 舟进样化学发光法》测定。长链二元羧酸的提取收率T的计算公式为:
其中,V为长链二元羧酸发酵液经膜过滤,除去未反应烷烃后获得的清液体积,L;M为提取的二元羧酸干重,g;C为长链二元羧酸的下罐浓度,g/L。
实施例1
(1)取十二碳二元羧酸发酵液0.5m3加入到1m3具有搅拌的密闭的容器中,向发酵液中加入氢氧化钾使发酵液pH为 9,100rpm搅拌均匀,持续升温至90℃,恒温20min;
(2)经步骤(1)处理后,通过20 nm膜过滤设备过滤,得到发酵清液进入0.7m3发酵清液罐,在80℃恒温静置20min,取下相水相清液层;
(3)将380L水相清液层注入1m3具有搅拌、加热的封闭容器中,在温度80℃,转速100rpm下加入100L丁醚,升温至90℃;随后加入硫酸,将体系pH控制5,升温至97℃,并提高转速至200rpm,直至体系中长链二元羧酸完全溶解。静置20min,分出水相后,将有机相通过板框压滤机过滤,过滤压力为0.1 MPa,随后于90℃烘干10h,即可得到精制十二碳二元羧酸。
经检测,共收集十二碳二元羧酸50.64kg,单酸纯度99.51%,收率95.2%,含氮量5.2µg/g。
实施例2
(1)取十三碳二元羧酸发酵液0.5m3加入1 m3具有搅拌的密闭的容器中,向发酵液中加入氢氧化钾使发酵液pH至10,100rpm搅拌均匀,持续升温至80℃,恒温30min;
(2)经步骤(1)处理后,通过40nm膜过滤设备过滤,得到发酵清液进入0.7 m3发酵清液罐,在90℃恒温静置20min,取下相水相清液层;
(3)将380L水相清液层注入1m3具有搅拌、加热的封闭容器中,在温度85℃,转速150rpm下加入80L乙酸乙酯,升温至90℃;随后加入硫酸,将体系pH控制4,升温至97℃,并提高转速至200rpm,直至体系中长链二元羧酸完全溶解。静置20min,分出水相后,将有机相通过板框压滤机过滤,过滤压力为0.4MPa,随后于105℃烘干15h,即可得到精制十三碳二元羧酸。
经检测,共收集十三碳二元羧酸47.32kg,单酸纯度99.46%,收率95.8%,含氮量4.9µg/g。
实施例3
(1)取十二碳二元羧酸发酵液0.5m3加入到1m3具有搅拌的密闭的容器中,向发酵液中加入氢氧化钠使发酵液pH为 9.5,100rpm搅拌均匀,持续升温至90℃,恒温30min;
(2)经步骤(1)处理后,通过25nm膜过滤设备过滤,得到发酵清液进入0.7m3发酵清液罐,在80℃恒温静置30min,取下相水相清液层;
(3)将350L水相清液层注入1m3具有搅拌、加热的封闭容器中,在温度80℃,转速100rpm下加入100L丙醚,升温至85℃;随后加入硫酸,将体系pH控制5,升温至97℃,并提高转速至200rpm,直至体系中长链二元羧酸完全溶解。静置20min,分出水相后,将有机相通过板框压滤机过滤,过滤压力为0.1 MPa,随后于90℃烘干10h,即可得到精制十二碳二元羧酸。
经检测,共收集十二碳二元羧酸46.35kg,单酸纯度99.32%,收率94.6%,含氮量7.2µg/g。
实施例4
(1)取十二碳二元羧酸发酵液0.5m3加入到1m3具有搅拌的密闭的容器中,向发酵液中加入氢氧化钾使发酵液pH为 9.5,100rpm搅拌均匀,持续升温至90℃,恒温30min;
(2)经步骤(1)处理后,通过25nm膜过滤设备过滤,得到发酵清液进入0.7m3发酵清液罐,在80℃恒温静置30min,取下相水相清液层;
(3)将380L水相清液层注入1m3具有搅拌、加热的封闭容器中,在温度85℃,转速100rpm下加入100L丙酸丁酯,升温至92℃;随后加入硫酸,将体系pH控制4.5,升温至96℃,并提高转速至200rpm,直至体系中长链二元羧酸完全溶解。静置20min,分出水相后,将有机相通过板框压滤机过滤,过滤压力为0.5MPa,随后于90℃烘干10h,即可得到精制十二碳二元羧酸。
经检测,共收集十二碳二元羧酸49.74kg,单酸纯度99.26%,收率93.5%,含氮量7.2µg/g。
实施例5
(1)取十二碳二元羧酸发酵液0.5m3加入到1m3具有搅拌的密闭的容器中,向发酵液中加入氢氧化钾使发酵液pH为 9.0,150rpm搅拌均匀,持续升温至90℃,恒温30min;
(2)经步骤(1)处理后,通过20nm膜过滤设备过滤,得到发酵清液进入0.7m3发酵清液罐,在85℃恒温静置30min,取下相水相清液层;
(3)将380L水相清液层注入1m3具有搅拌、加热的封闭容器中,在温度85℃,转速100rpm下加入100L正戊醚,升温至92℃;随后加入盐酸,将体系pH控制5.0,升温至97℃,并提高转速至200rpm,直至体系中长链二元羧酸完全溶解。静置20min,分出水相后,将有机相通过板框压滤机过滤,过滤压力为0.3MPa,随后于90℃烘干10h,即可得到精制十二碳二元羧酸。
经检测,共收集十二碳二元羧酸50.43kg,单酸纯度99.49%,收率94.8%,含氮量3.2µg/g。
实施例6
(1)取十二碳二元羧酸发酵液0.5m3加入到1m3具有搅拌的密闭的容器中,向发酵液中加入氢氧化钾使发酵液pH为 9.5,100rpm搅拌均匀,持续升温至90℃,恒温30min;
(2)经步骤(1)处理后,通过25 nm膜过滤设备过滤,得到发酵清液进入0.7m3发酵清液罐,在80℃恒温静置30min,取下相水相清液层;
(3)将380L水相清液层注入1m3具有搅拌、加热的封闭容器中,在温度85℃,转速100rpm下加入100L丁醚,升温至92℃;随后加入盐酸,将体系pH控制5,升温至97℃,并提高转速至150rpm,直至体系中长链二元羧酸完全溶解。静置20min,分出水相后,将有机相通过板框压滤机过滤,过滤压力为0.5MPa,随后于90℃烘干10h,即可得到精制十二碳二元羧酸。
经检测,共收集十二碳二元羧酸51.28kg,单酸纯度99.56%,收率96.4%,含氮量5.7µg/g。
比较例1
使用的发酵液同实施例1,不同在于按照中国专利CN104592004A实施例1的精制方法。经检测,共收集十二碳二元羧酸44.8kg,单酸纯度99.42%,收率85%,含氮量7.5µg/g。
比较例2
使用的发酵液同实施例1,不同在于按照中国专利CN1552687A实施例2的精制方法。经检测,共收集十二碳二元羧酸46.98kg,单酸纯度98.2%,收率83.9%,含氮量30µg/g。
比较例3
与实施例1的不同在于步骤(1)不进行pH碱调节剂控制pH,仅升温至90℃,恒温20min。步骤(2)得到下相水相清液共320L。经检测,共收集十二碳二元羧酸39.92kg,单酸纯度99.48%,收率89.1%,含氮量5.3µg/g。
比较例4
与实施例1的不同在于步骤(3)不进行pH酸调节剂控制pH。由于该精制体系中pH为碱性,十二碳二元羧酸以盐的形式溶解于水相,难以获得十二碳二元羧酸产品。
比较例5
与实施例1的不同在于步骤(3)温度始终为80℃。由于80℃条件下,长链二元羧酸在有机相的溶解度很低,pH酸性调节后析出的长链二元羧酸很难溶解于有机相中,从而难以完成长链二元羧酸的精制。
比较例6
与实施例1的不同在于步骤(3)温度始终为97℃。经检测,共收集十二碳二元羧酸40.22kg,单酸纯度99.15%,收率75.6%,含氮量6.2µg/g。加入硫酸会发生放热现象,局部温度高于100℃,由于硫酸具有一定氧化性,高温条件下,氧化性增强,丁醚易于氧化,从而影响对长链二元酸的溶解。
比较例7
与实施例1的不同在于步骤(3)先酸析,然后再加入丁醚萃取。一方面,酸析形成的长链二元羧酸结晶,由于不能及时转移到丁醚中,酸析过程中产生大量的固体,搅拌负荷较高;另一方面,酸析完成后长链二元羧酸的固体再溶解于有机相溶解,该过程溶解速度慢,操作周期较长。经检测,共收集十二碳二元羧酸46.76kg,单酸纯度99.26%,收率87.9%,含氮量13.2µg/g。