CN111099987B

CN111099987B - 一种发酵液中长链二元羧酸的精制方法

Info

Publication number: CN111099987B
Application number: CN201811255635.0A
Authority: CN
Inventors: 张霖; 樊亚超; 师文静
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Dalian Research Institute of Petroleum and Petrochemicals
Current assignee: Sinopec Dalian Petrochemical Research Institute Co ltd; China Petroleum and Chemical Corp
Priority date: 2018-10-26
Filing date: 2018-10-26
Publication date: 2023-02-03
Anticipated expiration: 2038-10-26
Also published as: CN111099987A

Abstract

本发明涉及一种发酵液中长链二元羧酸的精制方法，首先向发酵液中加入碱性pH调节剂，使体系pH控制在碱性范围，并加热使长链二元羧酸溶解；降温并经过滤后获得发酵清液，经静置分层后，取水相清液层加入水溶性醇溶剂，随后加入酸性pH调节剂，使体系pH控制在酸性范围；静置分层，取有机相清液层采用常压或减压精馏分离醇溶剂，收集长链二元酸精制产品。本发明方法通过在预处理后得到的水相清液中加入水溶性醇溶剂，并协同加酸调节pH的方式，实现了长链二元羧酸的提取精制，具有操作简单、有机溶剂可循环使用、易于大规模生产等特点。

Description

一种发酵液中长链二元羧酸的精制方法

技术领域

本发明属于生物化工技术领域，具体涉及一种发酵液中长链二元羧酸的精制方法。

背景技术

长链二元羧酸（Long chain dicarboxylic acids）是指碳链中含有10个以上碳原子的脂肪族二羧酸（简称DCn或DCA），包括饱和及不饱和二羧酸，是一类有着重要和广泛工业用途的精细化工产品，是化学工业中合成高级香料、高性能尼龙工程塑料、高档尼龙热熔胶、高温电介质、高级油漆和涂料、高级润滑油、耐寒性增塑剂、树脂、医药和农药等重要原料。

长链二元羧酸的制备通常采用烷烃为底物，经微生物转化的方式获得，长链二元羧酸约占发酵液总质量的9%～16%。从发酵液中提取长链二元羧酸，一般经过破乳、酸析、过滤等单元操作。中国专利CN1552687A公开了一种长链二元羧酸的精制方法，该方法首先将终止的长链二元羧酸发酵液直接加热破乳，分离回收未反应的烷烃；然后用无机酸调节发酵液的pH值，酸化结晶；加热使长链二元羧酸在无机盐的水溶液中熔解成熔融状态，而形成油层浮于水溶液上面，无机盐、菌体、色素及其它杂质留在水溶液中，分离出熔融状态的长链二元羧酸，边搅拌边加水，将长链二元羧酸结晶、过滤和干燥。由于长链二元羧酸的制备采用微生物转化的方式，并且发酵周期长达144h，因此发酵液中菌体自溶产生的菌体蛋白等固形物含量较多，仅仅经过一次酸析分离获得长链二元羧酸的产品质量并不高，蛋白类分子固形物会留存在产品中，从而使产品氮含量超标。随着长链二元羧酸提取研究的不断深入，近年来形成了多种精制工艺。

中国专利CN105712871A公开了一种纯化长链二元羧酸方法，是将长链二元羧酸终止发酵液进行预处理，酸化后，经浓硫酸处理，加入活性炭吸附脱杂质后，降温，使长链二元羧酸结晶析出，经过滤，洗涤和干燥得到长链二元羧酸。该发明方法通过增加活性炭吸附环节，能够脱除部分蛋白，对提高长链二元羧酸的纯度和色度有一定的效果，但是活性炭作为固体添加，在后期需增加脱除活性炭的工序，过程比较繁琐。

中国专利CN102911036A公开了一种获得高纯度二羧酸的方法，包括：Ⅰ、将终止发酵液加热灭活；Ⅱ、酸化使二羧酸结晶析出，过滤得到二羧酸滤饼；Ⅲ、将二羧酸滤饼与醚类溶剂混合使二羧酸溶解，并进行有机相和水相分离，醚类溶剂为乙醚、丙醚、丙醚、丁醚、戊醚或己醚；Ⅳ、步骤Ⅲ得到的有机相中加入吸附剂，过滤脱除固形物；Ⅴ、步骤Ⅳ得到的有机相冷却至二羧酸结晶析出，过滤得到二羧酸结晶滤饼，二羧酸结晶滤饼经干燥得到二羧酸以重量计纯度大于98.5%的二羧酸产品。中国专利CN104592004A公开了一种发酵有机酸的精制方法。该方法包括：I、将终止发酵液加热灭活；II、酸化使有机酸结晶析出，获得有机酸结晶液；III、将有机酸结晶液或过滤得到的含水的有机酸滤饼与醚类有机溶剂混合使有机酸溶解，其中加入适量的三硝基苯酚，然后进行有机相和水相分离；IV、分离后的有机相经洗涤后，加入吸附剂，过滤脱除固形物；V、步骤IV得到的有机相冷却至有机酸结晶析出，经过滤，干燥得到精制的有机酸产品。上述两种方案均采用在提取粗酸的基础上进行溶剂萃取精制的方式，虽然所得二元羧酸的品质明显提升，但该过程二元羧酸先后经水相溶解、酸析沉淀、干燥脱水、有机相升温溶解、降温析出、干燥等多步骤操作，通过三次升温过程，能耗较高并且二元羧酸损失较大。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种发酵液中长链二元羧酸的精制方法。该方法通过在预处理后得到的水相清液中加入水溶性醇溶剂，并协同加酸调节pH的方式，实现了长链二元羧酸的提取精制，具有操作简单、有机溶剂可循环使用、易于大规模生产等特点。

本发明提供的发酵液中长链二元羧酸的精制方法，包括如下内容：

（1）发酵液预处理：发酵结束后，向发酵液中加入碱性pH调节剂，使体系pH控制在碱性范围，并加热使长链二元羧酸溶解；降温并经过滤后获得发酵清液，经静置分层后，取水相清液层；

（2）长链二元羧酸提取：向水相清液中加入水溶性醇溶剂；随后加入酸性pH调节剂，使体系pH控制在酸性范围；静置分层，取有机相清液层；

（3）长链二元羧酸精制：采用常压或减压精馏分离水溶性醇溶剂，收集长链二元酸精制产品。

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C_nH_2n-2O₄，其中n为10-16。

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（2）所述过滤采用膜过滤，膜孔直径为10～50nm，优选20～25nm；膜进口压力0.1～0.3MPa，优选0.12～0.2MPa。

本发明方法中，步骤（2）所述的水溶性醇溶剂为C1～C4的醇，如甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、1,4-丁二醇等中的至少一种。

本发明方法中，步骤（2）所述的水溶性醇溶剂的加入量与水相清液的体积比为2:1～4:1。

本发明方法中，步骤（2）所使用的酸性pH调节剂为二元酸和/或多元酸，如可以是磷酸、琥珀酸、柠檬酸等中的一种或几种，优选磷酸；控制的酸性范围为3～5，优选4.5～5。

本发明方法中，将步骤（2）所得有机相清液，经常压或减压精馏，收集醇溶剂，回用于步骤（2）。

与现有技术相比，本发明方法具有以下有益效果：

（1）本发明针对长链二元羧酸水相清液中盐含量高的特点，通过使用水溶性醇溶剂并结合二元酸或多元酸，从而使与水互溶的醇溶剂从水中分离，形成水相、有机相独立分层，实现了一步法长链二元羧酸精制，提高了精制效率。

（2）相比传统的先酸析提取粗酸后再溶剂精制的方法，本发明一方面采用水溶性醇溶剂，沸点较低，易实现溶剂的循环使用；另一方面水溶性醇溶剂与水形成不稳定的互溶状态，利于长链二元羧酸、可溶性蛋白、盐类根据各自分子特性在溶剂相和水相中富集，因此较传统方法，该精制工艺所得精制产品氮含量更低，产品品质更好。

（3）本发明通过在预处理得到的水相清液中加入水溶性醇溶剂，使体系中形成水相和有机相混合的状态，随后通过调控体系pH，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。

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。实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

以下实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为本领域常规方法。下述实施例中所用的实验材料，如无特殊说明，均从常规生化试剂商店购买得到。

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5L，下罐浓度为140g/L，用固体氢氧化钾将发酵液pH调至 9，并持续升温至90℃，恒温20min。将发酵液通过20 nm膜过滤设备过滤，膜进口压力0.12MPa，所得发酵清液于室温静置20min，取下层水相清液层。

（2）在3.8L水相清液中加入7.6L乙醇，在搅拌条件下加入磷酸，将体系pH控制5；静置分层后，收集上层有机相清液层。

（3）取步骤（2）有机相清液层进行常压精馏，于78℃收集乙醇馏分约7.5L，釜底收集十二碳二元羧酸0.499kg，单酸纯度99.5%，收率93.8%，含氮量3.2µg/g。

实施例2

（1）取十二碳二元羧酸发酵液5L，下罐浓度为140g/L，用固体氢氧化钾将发酵液pH调至 10，并持续升温至85℃，恒温30min。将发酵液通过25nm膜过滤设备过滤，膜进口压力0.2MPa，所得发酵清液于室温静置20min，取下层水相清液层。

（2）在3.9L水相清液中加入11.7L乙醇，在搅拌条件下加入磷酸，将体系pH控制4.5；静置分层后，收集上层有机相清液层。

（3）取步骤（2）有机相清液层进行常压精馏，于78℃收集乙醇馏分11.5L，釜底收集十二碳二元羧酸0.519kg，单酸纯度99.5%，收率95.1%，含氮量2.1µg/g。

实施例3

（1）取十二碳二元羧酸发酵液5L，下罐浓度为140g/L，用固体氢氧化钾将发酵液pH调至 11，并持续升温至80℃，恒温40min。将发酵液通过40nm膜过滤设备过滤，膜进口压力0.3MPa，所得发酵清液于室温静置20min，取下层水相清液层。

（2）在3.9L水相清液中加入15.6L乙醇，在搅拌条件下加入磷酸，将体系pH控制3.5；静置分层后，收集上层有机相清液层。

（3）取步骤（2）有机相清液层进行常压精馏，于78℃收集乙醇馏分15.2L，釜底收集十二碳二元羧酸0.53kg，单酸纯度99.5%，收率97.1%，含氮量1.8µg/g。

实施例4

（1）取十三碳二元羧酸发酵液5L，下罐浓度为130g/L。用固体氢氧化钾将发酵液pH调至 9，并持续升温至90℃，恒温20min。将发酵液通过20 nm膜过滤设备过滤，膜进口压力0.12MPa，所得发酵清液于室温静置20min，取下层水相清液层。

（3）取步骤（2）有机相清液层进行常压精馏，于78℃收集乙醇馏分约7.5L，釜底收集十三碳二元羧酸0.464kg，单酸纯度99.3%，收率93.9%，含氮量3.1µg/g。

实施例5

（1）取十六碳二元羧酸发酵液5L，下罐浓度为80g/L。用固体氢氧化钾将发酵液pH调至 9，并持续升温至90℃，恒温20min。将发酵液通过20 nm膜过滤设备过滤，膜进口压力0.12MPa，所得发酵清液于室温静置20min，取下层水相清液层。

（3）取步骤（2）有机相清液层进行常压精馏，于78℃收集乙醇馏分约7.5L，釜底收集十六碳二元羧酸0.287kg，单酸纯度99.2%，收率94.4%，含氮量2.8µg/g。

实施例6

（1）取十二碳二元羧酸发酵液5L，下罐浓度为140g/L，用固体氢氧化钠将发酵液pH调至 9，并持续升温至90℃，恒温20min。将发酵液通过20 nm膜过滤设备过滤，膜进口压力0.12MPa，所得发酵清液于室温静置20min，取下层水相清液层。

（3）取步骤（2）有机相清液层进行常压精馏，于78℃收集乙醇馏分约7.5L，釜底收集十二碳二元羧酸0.493kg，单酸纯度99.5%，收率92.6%，含氮量3.3µg/g。

实施例7

（2）在3.8L水相清液中加入7.6L甲醇，在搅拌条件下加入磷酸，将体系pH控制5；静置分层后，收集上层有机相清液层。

（3）取步骤（2）有机相清液层进行常压精馏，于65℃收集甲醇馏分约7.5L，釜底收集十二碳二元羧酸0.485kg，单酸纯度99.5%，收率91.1%，含氮量2.6µg/g。

实施例8

（2）在3.8L水相清液中加入7.6L丙醇，在搅拌条件下加入磷酸，将体系pH控制5；静置分层后，收集上层有机相清液层。

（3）取步骤（2）有机相清液层进行常压精馏，于87℃收集丙醇馏分约7.5L，釜底收集十二碳二元羧酸0.501kg，单酸纯度99.5%，收率94.2%，含氮量4.2µg/g。

实施例9

（2）在3.8L水相清液中加入7.6L异丙醇，在搅拌条件下加入磷酸，将体系pH控制5；静置分层后，收集上层有机相清液层。

（3）取步骤（2）有机相清液层进行常压精馏，于83℃收集异丙醇馏分约7.5L，釜底收集十二碳二元羧酸0.511kg，单酸纯度99.5%，收率96.1%，含氮量3.9µg/g。

实施例10

（2）在3.8L水相清液中加入7.6L的1,4-丁二醇，在搅拌条件下加入磷酸，将体系pH控制5；静置分层后，收集上层有机相清液层。

（3）取步骤（2）有机相清液层进行减压精馏，于0.133kPa、86℃收集1,4-丁二醇馏分约7.5L，釜底收集十二碳二元羧酸0.46kg，单酸纯度99.5%，收率86.5%，含氮量6.3µg/g。

实施例11

（2）在3.8L水相清液中加入7.6L乙醇，在搅拌条件下加入琥珀酸，将体系pH控制5；静置分层后，收集上层有机相清液层。

（3）取步骤（2）有机相清液层进行常压精馏，于78℃收集乙醇馏分约7.5L，釜底收集十二碳二元羧酸0.502kg，单酸纯度99.5%，收率94.3%，含氮量3.0µg/g。

实施例12

（2）在3.8L水相清液中加入7.6L乙醇，在搅拌条件下加入柠檬酸，将体系pH控制5；静置分层后，收集上层有机相清液层。

（3）取步骤（2）有机相清液层进行常压精馏，于78℃收集乙醇馏分约7.5L，釜底收集十二碳二元羧酸0.506kg，单酸纯度99.5%，收率95.1%，含氮量3.2µg/g。

比较例1

同实施例1，经步骤（1）获得水相清液3.8L，采用步骤（2）酸析方法，即在搅拌条件下加入磷酸，将体系pH控制5，使十二碳二元羧酸析出后，经过滤获得粗酸；然后添加3.8L水、7.6L乙醇混合均匀后，静置分层收集上层清液。最后按照步骤（3）进行处理于78℃收集乙醇馏分约1.5L，釜底收集十二碳二元羧酸0.1kg，单酸纯度99.5%，收率18.8%，含氮量3.2µg/g。

比较例2

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0.45kg，单酸纯度99.42%，收率84.4%，含氮量7.5µg/g。

比较例3

同实施例1，不同在于醇溶剂采用异戊醇。由于异戊醇水溶性差，因此在精制体系中直接分为醇相和水相，长链二元酸经酸析作用直接在水相中形成沉淀，因此无法起到溶剂精制效果。长链二元酸收率收率72.6%，含氮量90.5µg/g。

比较例4

同实施例1，不同在于酸性pH调节剂采用硫酸。在步骤（3）中经常压精馏，于78℃收集乙醇馏分，釜底收集十二碳二元羧酸0.414kg，单酸纯度99.5%，收率77.8%，含氮量3.3µg/g。

比较例5

同实施例1，不同在于在加入醇溶剂前先调节pH酸性。在步骤（3）中经常压精馏，于78℃收集乙醇馏分，釜底收集十二碳二元羧酸0.082kg，单酸纯度99.5%，收率15.4%，含氮量2.9µg/g。

比较例6

同实施例1，不同在于在加入醇溶剂后不加酸调节pH酸性。由于pH为9的条件下长链二元酸主要以盐的形式溶解在水中，不将pH调节至酸性，醇、长链二元酸盐、水完全混合，不能分离出长链二元酸。

比较例7

同实施例1，不同在于采用固体氢氧化钙调节pH。由于钙盐溶解性较差，因此在加入磷酸进行酸析的过程中，形成大量的钙盐沉淀，并不能对长链二元酸进行有效的精制。

Claims

1.一种发酵液中长链二元羧酸的精制方法，其特征在于包括如下内容：（1）发酵液预处理：发酵结束后，向发酵液中加入碱性pH调节剂，使体系pH控制在碱性范围，并加热使长链二元羧酸溶解；降温并经过滤后获得发酵清液，经静置分层后，取水相清液层；（2）长链二元羧酸提取：向水相清液中加入水溶性醇溶剂，随后加入酸性pH调节剂，使体系pH控制在酸性范围；静置分层，取有机相清液层；（3）长链二元羧酸精制：采用常压或减压精馏分离水溶性醇溶剂，收集长链二元酸精制产品；步骤（1）所使用的碱性pH调节剂为氢氧化钠、氢氧化钾中的至少一种；步骤（2）所使用的酸性pH调节剂是磷酸、琥珀酸、柠檬酸中的一种或几种，控制的酸性范围为3～5。

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C_nH_2n-2O₄，其中n为10-16。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）控制的碱性范围为8～11。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤（1）控制的碱性范围为9～10。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）所述加热采用持续升温的方式，将温度控制在80～90℃，恒温20～40min。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：将温度控制在85～90℃后，恒温20～30min。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（2）所述过滤采用膜过滤，膜孔直径为10～50nm，膜进口压力0.1～0.3MPa。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：膜孔直径为20～25nm；膜进口压力0.12～0.2MPa。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（2）所述的水溶性醇溶剂为C1～C4的醇，加入量与水相清液的体积比为2:1～4:1。

10.根据权利要求1或9所述的方法，其特征在于：步骤（2）所述的水溶性醇溶剂为甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、1,4-丁二醇中的至少一种。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（2）控制的酸性范围为4.5～5。