CN109651087B - 一种利用连续色谱技术分离丁三醇发酵液的工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用连续色谱技术分离丁三醇发酵液的工艺，将丁三醇发酵液经过离心和超滤处理后，得到的清液泵入装有吸附树脂的连续分离装置中进行吸附，再用低沸点的有机溶剂或者所述有机溶剂的水溶液作为解吸剂进行解吸，即可得产品丁三醇，以纯水作为再生剂进行吸附剂再生。本发明利用洗脱竞争作用，通过连续装置实现丁三醇分离纯化的目的，产品液中的丁三醇可高达2％～5％以上，纯度98％以上，平均收率99％以上，丁三醇的浓度经过色谱分离过程得到了提高，为进一步通过传统精馏法浓缩丁三醇节省了大量的能耗。
Description
技术领域
本发明属于生物分离技术领域，具体涉及丁三醇发酵液的连续色谱分离工艺。
背景技术
1，2，4-丁三醇(BT)是一种易吸湿的水溶性多元醇，它经过硝化可得到1，2，4-丁三醇三硝酸酯(BTTN)，可代替硝化甘油作为增塑剂。BTTN不但可以改善推进剂的低温力学性能，而且撞击感度比硝化甘油小，热稳定性也比硝化甘油高，因此它是一种有发展前途的可用于NEPE推进剂的优良增塑剂。在医药中，BT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、用作药物缓释剂等。在烟草中，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。在彩色显影液中，它可以改善其稳定性和色溶度。
丁三醇可通过化学合成和生物转化两种方法获得。在公开的丁三醇生产方法中，大多是化学合成法，但是化学合成法，反应条件苛刻，过程复杂。例如已公开的专利CN200710042816.0中，提供了化学法合成1，2，4丁三醇的方法，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。与化学法相比，微生物发酵生产丁三醇更能满足绿色、环保的要求。2003年，Niu等首先提出了BT的生物合成法。该方法以D-木糖或L-阿拉伯糖为底物，经过四步酶催化实现，使用莓实假单胞菌和大肠杆菌两种微生物作为催化剂。生物合成法具有成本低廉、反应条件温和、环境友好、安全高效等优点。但微生物发酵法得到的发酵液中除丁三醇外，还含有木糖、木糖酸、乳酸、乙酸等副产物需要分离。因此，急需寻找一种高效节能的分离提取方法。主要的分离方法有：蒸馏法、萃取法和吸附法。蒸馏法是利用各组分沸点不同，低沸点组分先蒸发冷凝来实现分离的一种热力学分离工艺。蒸馏法工业应用比较成熟，但是发酵液中产物的浓度较低，需处理的发酵液量较大，采用蒸馏方法能耗巨大。例如，专利CN2668212Y提出了一种真空分子蒸馏装置，用于分离一些特殊的热敏性物料或在分离过程中易分解的不稳定高分子有机化合物，将该装置应用于BT的分离提纯，结果发现经过多级分子蒸馏提纯后，BT的纯度可达90％以上，同时保持着较高的收率。溶剂萃取具有条件温和、设备简单和能耗低等优点，分配系数高且适合工业化应用的萃取剂的筛选是研究的热点。李敏等选用正戊醛作为反应剂，同时作为萃取剂，1，2，4-丁三醇和正戊醛反应生成疏水性缩醛，缩醛被萃取进入有机相和发酵液分离，随后将有机相中的缩醛水解生成1，2，4-丁三醇，回收率为84％。基于树脂的吸附色谱法具有操作简单、设备要求低、能耗小、环境污染少等优点，吸附法用于丁三醇的分离迄今为止无人报道。
因此本发明采用连续色谱技术四段式的操作方式，即吸附、洗杂、解吸和再生。吸附段中所需组分与杂质均会被树脂吸附，随着吸附过程的进行，弱吸附组分会被强吸附组分置换出来，因在连续工艺中，树脂的切换方向与料液的流动方向相反，强吸附组分会随着树脂的转动进入后续阶段，而弱吸附组分则会随着料液的流动流出树脂柱。洗杂段主要是除去树脂颗粒外空隙中的这部分料液，洗杂剂用水。经过洗杂段洗涤的负载树脂进入洗脱段进行洗脱操作。洗脱完成后再进行树脂的再生。在连续分离系统运行时，吸附、洗杂、洗脱和再生4个工序是同步开始的，不存在非活性树脂，树脂使用率大大提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种从丁三醇发酵液中提取丁三醇的方法，以解决丁三醇产业中下游分离难题，并极大降低了丁三醇分离过程中的能耗，实现丁三醇的规模清洁化生产。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种利用连续色谱技术分离丁三醇发酵液的工艺，将丁三醇发酵液经过离心和超滤处理后，得到的清液泵入装有吸附树脂的连续分离装置中进行吸附，再用低沸点的有机溶剂或者所述有机溶剂的水溶液作为解吸剂进行解吸，即可得产品丁三醇，以纯水作为再生剂进行吸附剂再生。
其中，所述的超滤，使用截留分子量为5000～10000Dalton的超滤膜。
其中，超滤后得到的清液中，丁三醇的含量为5～20g/L。
其中，所述的吸附树脂为以苯乙烯、丙烯酸酯、氯苯为单体，通过二乙烯苯交联制得，吸附树脂粒径为0.20～1.20mm，含水量35～80％，孔径5～220nm，孔隙率25～55％，湿真密度1.01～1.11g/cm3，比表面积220～2100m2/g，孔容0.5～1.4cm3/g。
其中，吸附、脱附、再生操作在常温下进行。
其中，所述的低沸点的有机溶剂是乙醇、甲醇、丙酮和乙酸乙酯中任意一种或几种的组合。
其中，所述的有机溶剂的水溶液，浓度以1～99％为宜。
其中，所述的连续分离装置，由10～30根装填有吸附剂的树脂柱串联方式组成，通过组合式阀门将整个系统分为吸附、洗杂、解吸和再生四个工段，按顺序切换，将吸附丁三醇饱和后的树脂柱移出吸附段送入洗杂区，去除盐、色素等杂质后进入解吸段进行解吸，解吸段末根树脂柱出口处收集产品液，解吸丁三醇完成后移出解吸段送入再生段进行再生，再生清洗完成后移出再生段送入吸附段再进行吸附，如此循环的操作过程，且每个工段的第一根树脂柱的状态切换同步进行，并保证至少有一根树脂柱处于吸附阶段。
优选的是，吸附段由5～8根树脂柱组成，吸附流速为5～10BV/h；洗杂段由4～6根树脂柱组成，洗杂流速为2～4BV/h，解吸段由5～9根树脂柱组成，解吸流速为3～6BV/h；再生段由3～7根树脂柱组成，再生流速为1～3BV/h，各工段切换时间为5～30min。
最优选的是，吸附段由6根树脂柱组成，洗杂段由4根树脂柱组成，解吸段由5根树脂柱组成，再生段由5根树脂柱组成。
本发明利用洗脱竞争作用，通过连续装置实现丁三醇分离纯化的目的，产品液中的丁三醇可高达2％～5％以上，纯度98％以上，平均收率99％以上，丁三醇的浓度经过色谱分离过程得到了提高，为进一步通过传统精馏法浓缩丁三醇节省了大量的能耗。
有益效果：与现有技术相比，本发明提供了一种分离提取丁醇的方法，其优点在于：
1)连续色谱分离操作均在室温下进行，大大降低了能耗；
2)过程连续，能实现自动操作，运行成本低，可直接进行工艺放大；
3)通过洗杂，将杂质盐和色素等杂质一步和产品丁三醇分离，保证了丁三醇产品的纯度和品质。
附图说明
图1本发明实施例2连续分离工艺示意图；
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。
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)检测器：Agilent 1200型高效液相色谱仪-示差检测器；
2)色谱柱：BioRed H型色谱柱
3)流动相：0.5mmol/L硫酸；
4)流速：0.6mL/min；
5)柱温：55℃；
6)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0.5mmol/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0.5mL/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吸附段与解吸段流出的质量之比。
以下实施例，所使用的吸附树脂(简称HD-6)为：以苯乙烯、丙烯酸酯、氯苯等为单体，通过二乙烯苯交联制得，吸附树脂粒径为0.20-1.20mm，含水量35～80％，孔径5～220nm，孔隙率25～55％，湿真密度1.01～1.11g/cm3，比表面积220～2100m2/g，孔容0.5～1.4cm3/g。树脂厂家可以根据上述条件自行合成。
以下实施例所用的连续分离装置，由10～30根装填有吸附剂的树脂柱串联方式组成，通过组合式阀门将整个系统分为吸附、洗杂、解吸和再生四个工段，按顺序切换，将吸附丁三醇饱和后的树脂柱移出吸附段送入洗杂段进行除盐脱色处理，再进入解吸段进行解吸，解吸段末根树脂柱出口处收集产品液，解吸丁三醇完成后移出解吸段送入再生段进行再生，再生清洗完成后移出再生段送入吸附段再进行吸附，如此循环的操作过程，且每个工段的第一根树脂柱的状态切换同步进行，并保证至少有一根树脂柱处于吸附阶段。
吸附段由5～8根树脂柱组成，吸附流速为5～10BV/h；洗杂段由4～6根树脂柱组成，洗杂流速为2～4BV/h，解吸段由5～9根树脂柱组成，解吸流速为3～6BV/h；再生段由3～7根树脂柱组成，再生流速为1～3BV/h，各工段切换时间为5～30min。
实施例1：丁三醇发酵液的获得。
以D-木糖脱氢酶、木糖酸脱水酶、苯甲酰甲酸脱羧酶、醇脱氢酶为催化剂，在反应体系中催化D-木糖转化为D-1，2，4-丁三醇。反应体系包括如下组分：20～100mM PBS(NaHPO4、NaH2PO4)、MgCl2 1～10mM、NAD+0.1～0.8mM、NADH 0.1～0.8mM、TPP0.1～0.6mM。木糖20g/1，D-木糖脱氢酶的含量为200～400U/M1，木糖酸脱水酶的含量为100～300U/ML，苯甲酰甲酸脱羧酶的含量为100～300U/ML，醇脱氢酶的含量为200～350U/ML。催化反应温度为33～37℃，反应时间为12～24h。将所得的发酵液先进行粗过滤，用截留量分子量为5000～10000Dalton的超滤膜进行超滤，以除去蛋白质和多糖等杂质，清液备用。所得清液中丁三醇10g/L，磷酸氢二钠22.4g/L。
实施例2：连续色谱分离丁三醇发酵液。
采用由20根树脂柱构成的连续分离系统(图1)，吸附段为6根，洗杂段为4根，解吸段为5根，再生段为5根。每根树脂柱装填1L树脂(HD-6)，树脂柱直径5cm，高度70cm。预处理后的丁三醇发酵液上柱，上柱浓度：丁三醇10g/l，用纯水作洗脱剂，吸附容量为0.05g/g湿树脂；单个区域内的树脂柱保持串联，四个区域按顺序切换，清液进入吸附区进行吸附，吸附区第一根树脂柱在树脂吸附饱和后立刻移出吸附区送入洗杂区进行洗杂，然后进入解吸区第一根树脂柱在解吸完成后立刻移出解吸区送入再生区，再生区第一根树脂柱在再生完成后立刻移出再生区送入吸附区最后一根再进行吸附，如此循环的操作过程。料液流加流量为3BV/h，洗杂液的流加流量为1.2BV/h，洗脱剂的流加流量为2.4BV/h，产品收集流量为3.6BV/h，无机盐收集流量为3BV/h，10min切换一次树脂柱。收集的解吸流出液用HPLC检测丁三醇浓度，丁三醇浓度可达8g/L，纯度可达到98.64％，收率可达到99.20％。
实施例3：连续色谱分离丁三醇发酵液。
采用由20根树脂柱构成的连续分离系统(图1)，吸附段为6根，洗杂段为4根，解吸段为5根，再生段为5根。每根树脂柱装填1L树脂(HD-6)，树脂柱直径5cm，高度70cm。预处理后的丁三醇发酵液上柱，上柱浓度：丁三醇10g/l，用100％乙醇作洗脱剂，吸附容量为0.05g/g湿树脂；单个区域内的树脂柱保持串联，四个区域按顺序切换，清液进入吸附区进行吸附，吸附区第一根树脂柱在树脂吸附饱和后立刻移出吸附区送入洗杂区进行洗杂，然后进入解吸区第一根树脂柱在解吸完成后立刻移出解吸区送入再生区，再生区第一根树脂柱在再生完成后立刻移出再生区送入吸附区最后一根再进行吸附，如此循环的操作过程。料液流加流量为3BV/h，洗杂液的流加流量为1.2BV/h，洗脱剂的流加流量为2.4BV/h，产品收集流量为3.6BV/h，无机盐收集流量为3BV/h，10min切换一次树脂柱。收集的解吸流出液用HPLC检测丁三醇浓度，丁三醇浓度可达24g/L，纯度可达到98.73％，收率可达到99.17％。
实施例4：连续色谱分离丁三醇发酵液。
采用由20根树脂柱构成的连续分离系统(图1)，吸附段为6根，洗杂段为4根，解吸段为5根，再生段为5根。每根树脂柱装填1L树脂(HD-6)，树脂柱直径5cm，高度70cm。预处理后的丁三醇发酵液上柱，上柱浓度：丁三醇10g/l，用50％乙醇作洗脱剂，吸附容量为0.05g/g湿树脂；单个区域内的树脂柱保持串联，四个区域按顺序切换，清液进入吸附区进行吸附，吸附区第一根树脂柱在树脂吸附饱和后立刻移出吸附区送入洗杂区进行洗杂，然后进入解吸区第一根树脂柱在解吸完成后立刻移出解吸区送入再生区，再生区第一根树脂柱在再生完成后立刻移出再生区送入吸附区最后一根再进行吸附，如此循环的操作过程。料液流加流量为3BV/h，洗杂液的流加流量为1.2BV/h，洗脱剂的流加流量为2.4BV/h，产品收集流量为3.6BV/h，无机盐收集流量为3BV/h，10min切换一次树脂柱。收集的解吸流出液用HPLC检测丁三醇浓度，丁三醇浓度可达20g/L，纯度可达到98.95％，收率可达到99.05％。
实施例5：连续色谱分离丁三醇发酵液。
采用由20根树脂柱构成的连续分离系统(图1)，吸附段为6根，洗杂段为4根，解吸段为5根，再生段为5根。每根树脂柱装填1L树脂(HD-6)，树脂柱直径5cm，高度70cm。预处理后的丁三醇发酵液上柱，上柱浓度：丁三醇10g/l，用50％甲醇+50％乙醇作洗脱剂，吸附容量为0.05g/g湿树脂；单个区域内的树脂柱保持串联，四个区域按顺序切换，清液进入吸附区进行吸附，吸附区第一根树脂柱在树脂吸附饱和后立刻移出吸附区送入洗杂区进行洗杂，然后进入解吸区第一根树脂柱在解吸完成后立刻移出解吸区送入再生区，再生区第一根树脂柱在再生完成后立刻移出再生区送入吸附区最后一根再进行吸附，如此循环的操作过程。料液流加流量为3BV/h，洗杂液的流加流量为1.2BV/h，洗脱剂的流加流量为2.4BV/h，产品收集流量为3.6BV/h，无机盐收集流量为3BV/h，10min切换一次树脂柱。收集的解吸流出液用HPLC检测丁三醇浓度，丁三醇浓度可达26g/L，纯度可达到99.03％，收率可达到99.02％。
Claims (1)
1.一种利用连续色谱技术分离丁三醇发酵液的工艺，其特征在于，
采用由20根树脂柱构成的连续分离系统，吸附段为6根，洗杂段为4根，解吸段为5根，再生段为5根；每根树脂柱装填1L树脂HD-6，树脂柱直径5cm，高度70cm；预处理后的丁三醇发酵液上柱，上柱浓度：丁三醇10g/l，用50％甲醇+50％乙醇作洗脱剂，吸附容量为0.05g/g湿树脂；单个区域内的树脂柱保持串联，四个区域按顺序切换，清液进入吸附区进行吸附，吸附区第一根树脂柱在树脂吸附饱和后立刻移出吸附区送入洗杂区进行洗杂，然后进入解吸区第一根树脂柱在解吸完成后立刻移出解吸区送入再生区，再生区第一根树脂柱在再生完成后立刻移出再生区送入吸附区最后一根再进行吸附，如此循环的操作过程；料液流加流量为3BV/h，洗杂液的流加流量为1.2BV/h，洗脱剂的流加流量为2.4BV/h，产品收集流量为3.6BV/h，无机盐收集流量为3BV/h，10min切换一次树脂柱。
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