CN114438139B

CN114438139B - 一种制备长链二元酸的方法及装置

Info

Publication number: CN114438139B
Application number: CN202011198073.8A
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: 2020-10-31
Filing date: 2020-10-31
Publication date: 2023-07-28
Anticipated expiration: 2040-10-31
Also published as: CN114438139A

Abstract

本发明涉及一种制备长链二元酸的方法及装置，包括（1）将发酵菌种子液加入发酵培养基中，加入烷烃，进行发酵培养；（2）培养结束后发酵液经破乳、过滤工序后，将水相清液进行酸析处理，过滤获得长链二元酸粗品；（3）将酸析产生的结晶母液进行氧化、吸附、浓缩处理，获得浓缩液在步骤（2）的发酵过程中流加。本发明方法将发酵与提取工艺有效耦联，显著降低了碱、酸试剂用量，避免了高盐废水的产生，利于工业应用。

Description

一种制备长链二元酸的方法及装置

技术领域

本发明属于生物化工技术领域，具体涉及一种制备长链二元酸的方法及装置。

背景技术

长链二元酸（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），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。同时也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。

发酵法生产长链二元酸是利用微生物特有的氧化能力和微生物胞内酶的作用，在常温常压下分别通过α、ω-氧化，将长链正烷烃两端的甲基氧化成为羧基，生成相应链长的各种长链二元酸。能利用石油烃类的微生物种类较多，如细菌、霉菌、放线菌等，其中假丝酵母属（candida）的酵母菌是正烷烃发酵生产长链二元酸的高产微生物。长链二元酸发酵是典型的气相（氧气）-水相（发酵液）-油相（烷烃）-固相（菌体）四相体系，发酵过程中需要进行常规的pH中性或碱性调节。

CN110669797A公开了一种发酵生产长链二元酸的方法，发酵中后期转化，用10%～40%(w/v)的NaOH溶液，控制pH为5.0～8.5。CN102061316A、CN102329212A、CN107011147A等均公开了通过硫酸进行酸析，进一步获得长链二元酸的技术方案。

根据现有的长链二元酸制备及提取工艺，长链二元酸发酵过程添加氢氧化钠等强碱进行pH调节，长链二元酸提取过程添加硫酸等强酸进行酸析，因此从整个工艺流程上会产生大量的高盐废水。

CN106242960A公开了一种不使用硫酸生产长链二元酸的方法，其特征在于将终止发酵液经过过滤、浓缩、结晶以及离心得到长链二元酸二钠盐固体，通过甲酸、乙酸或丙酸中的一种进行反应，通过结晶、洗涤以及干燥后得到长链二元酸产品。该专利虽然没有使用硫酸，但为了获得长链二元酸钠盐固体，需要采用高能耗的蒸馏浓缩工艺，并且发酵液中小分子量杂质组分与长链二元酸钠盐共同在蒸馏釜底析出，从而增加后期长链二元酸精制难度。另外，有机酸属于弱酸，酸析过程中，长链二元酸不能完全析出，与硫酸精制方案相比，结晶母液中长链二元酸含量较高，会导致部分长链二元酸流失，降低长链二元酸收率。

CN110218746A公开了发酵生产长链二元酸的方法及发酵液、发酵处理液、污水，该发明的发酵方法控制发酵液中盐含量为20%以下，其提供的发酵生产长链二元酸的方法，能有效减少发酵过程中的碱用量和后续长链二元酸提取时的酸用量，从而减少整个长链二元酸生产过程中盐的用量，同时还具有缩短发酵时间、提高产酸量、减少培养基用量、适用于多种类的长链二元酸生产等诸多优点。但是该方案是在发酵过程中通过减少氢氧化钠的使用量，从而对发酵体系pH进行酸性或中性调节，其结果是导致长链二元酸在发酵体系中以固体颗粒形式结晶析出，该固体结晶将直接作为粗酸产品。由于在发酵过程中形成的长链二元酸没有经过成盐膜过滤的过程，因此更容易将发酵体系中杂质成分包埋至粗酸产品中，影响长链二元酸纯度。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种制备长链二元酸的方法。本发明方法将发酵与提取工艺有效耦联，显著降低了碱、酸试剂用量，避免了高盐废水的产生，利于工业应用。

本发明提供的制备长链二元酸的方法，包括以下步骤：

（1）将发酵菌种子液加入发酵培养基中，加入烷烃，进行发酵培养；

（2）培养结束后发酵液经破乳、过滤工序后，将水相清液进行酸析处理，过滤获得长链二元酸粗品；

（3）将酸析产生的结晶母液进行氧化、吸附、浓缩处理，获得浓缩液在步骤（2）的发酵过程中流加。

本发明中，所述的发酵菌为具有完整α、ω-氧化途径的微生物，如可以是假丝酵母属、隐球酵母属、内孢霉属、汉逊氏酵母属、毕赤氏酵母属、红酵母属、球拟酵母属或丝孢酵母属等中的至少一种，优选热带假丝酵母。

本发明中，步骤（1）所述的发酵菌种子液的制备是本领域熟知的培养方法，具体是将活化的发酵菌种接至种子培养基中，接种体积比为3%～10%，优选5%～10%；培养温度为25～37℃，优选28～32℃，培养时间为15～48小时。

本发明中，步骤（1）所述的发酵培养基配方为：蔗糖5～10g/L、玉米浆1.5～2g/L、酵母膏1.5～1.8g/L、氯化钠0.8～1.2g/L、磷酸二氢钾3.5～7.5g/L、硫酸镁1.2～1.8g/L、尿素1.2～4.8g/L，硫酸铵1.5～2g/L。

本发明中，步骤（1）所述的发酵菌种子液的接种体积为发酵控制体积的2%～20%，优选5%～10%。

本发明中，所述的发酵控制体积为发酵罐体积的70%～80%。

本发明中，步骤（1）所述的烷烃用量为发酵控制体积的15%～30%，优选20%～25%。

本发明中，步骤（1）所述发酵温度为25～37℃，优选28～35℃；搅拌转速为120～500rpm，优选200～400rpm；通气量为0.2～1.0VVM，优选0.5～1.0VVM；发酵时间为138～144小时。

本发明中，步骤（2）所述的发酵液经破乳、过滤后获得的水相清液，所述的破乳是将发酵液加热至70～100℃；过滤采用微滤、超滤膜过滤等方式。

本发明中，步骤（2）所述酸析处理是通过酸性调节，使清液中长链二元酸析出，控制酸析的pH范围为4.5～6.5，优选5～6。

本发明中，步骤（2）所述酸析处理所用的酸性调节剂为糖代谢途径中的有机酸，如可以是乙酸、琥珀酸、柠檬酸、苹果酸等中的一种或几种。

本发明中，步骤（2）所述过滤采用板框过滤，过滤压力0.1～1.0MPa，过滤温度为10～30℃。

本发明方法中，步骤（3）所述氧化是将结晶母液与氧化剂混合充分反应，室温静置20～40min，优选20～30min。氧化剂为高锰酸钾、过氧化氢、过氧化钙等中的至少一种。添加量以质量浓度计为0.1%～2.0%，优选0.5%～1.0%。

本发明中，步骤（3）所述吸附过程是加入吸附剂处理，吸附剂可以选自活性炭、硅藻土、活性白土等中的至少一种。吸附剂添加量以质量浓度计为0.1%～2.0%，优选0.5%～1.0%。

本发明中，步骤（3）吸附处理后进行过滤，滤液可以采用电渗析、降膜蒸发等形式进行浓缩处理，浓缩终体积为发酵控制体积的5%～20%，优选8%～10%。

本发明中，步骤（3）的浓缩液可以采用定流速流加方式，在步骤（2）发酵过程中均匀流加至发酵体系内。优选地，根据pH调控流加速度，具体为：发酵初期不进行流加，24h后启动流加，并根据pH值调控频次相应提高流加速率。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明将长链二元酸发酵与提取工序耦联，构建了一个物料内循环体系，利用有机酸/有机酸盐在两个工序间转化，既能够使有机酸在提取工序中通过酸析作用，获得长链二元酸粗酸产品，又能够使酸析过程中产生的有机酸盐在发酵工序中进一步转化，从而避免了高盐废水的产生。

（2）本发明针对有机酸酸性较弱，酸析过程中长链二元酸不能完全析出的问题，采用结晶母液全回用的方式，减少了长链二元酸的损失，提高了粗酸产品收率。

（3）本发明增加了结晶母液精制工序，通过氧化、吸附的技术手段，避免了因多次循环所造成的杂质累积，在提高粗酸产品收率的同时，提升了产品品质。

附图说明

图1是本发明发酵及提取装置的流程示意图。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明方法和效果。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，均可从生化试剂商店购买得到。

本发明实施例中选用热带假丝酵母（Candida tropicalis）突变株PF-UV-56作为发酵菌株进行长链烷烃发酵生产长链二元酸，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。

本发明实施例中，长链二元酸浓度的测定方法是以酸碱滴定为基础的容量分析方法。氮含量的测定方法具体参照GB5009.5-85《食品中蛋白质的测定方法》测定。

长链二元酸的提取总收率T的计算公式为：

其中，V为长链二元酸发酵液经膜过滤，除去未反应烷烃后获得的清液体积，L；M为提取的长链二元酸干重，g；C为长链二元酸的下罐浓度，g/L。

实施例1

发酵培养基配方为：蔗糖10g/L、玉米浆2g/L、酵母膏1.5g/L、氯化钠1.2g/L、磷酸二氢钾3.5g/L、硫酸镁1.8g/L、尿素4g/L、硫酸铵1.5g/L。

发酵菌种子液制备：将发酵菌液60mL接种于含540mL种子培养基的3L摇瓶中，培养温度为32℃，摇床转数为120rpm，培养48小时，制得发酵菌种子液。发酵控制体积6L。

（1）将发酵菌种子液600mL接种至4.20L发酵培养基中，然后添加1.20L十二碳烷烃。发酵温度为32℃，搅拌转数为400rpm，通气量设置为0.8vvm。

（2）发酵结束后，将发酵液持续升温至90℃，恒温20min。降温至室温，通过25nm膜过滤设备过滤，膜进口压力0.15MPa，过滤后滤饼即十二碳二元酸粗品。过滤后收集水相清液，加入乙酸将pH调至6，静置，直至体系中十二碳二元酸完全析出。通过板框压滤机过滤，过滤压力为0.1MPa，滤饼于90℃干燥得到十二碳二元酸粗酸产品。

（3）将结晶母液以质量浓度计为1%加入过氧化氢，充分混合后，室温静置20min。以质量浓度计为1%加入活性炭，充分混合后，经板框过滤，过滤压力0.8MPa，收集过滤清液。进一步将板框过滤液通过降膜蒸发浓缩，浓缩终体积为发酵液控制体积的8%。从第2批次开始发酵培养基中不使用蔗糖，补充浓缩液。

按照本方案步骤（1）～（3）共进行10个批次的循环，长链二元酸平均发酵浓度158g/L，长链二元酸粗酸收率97%，含氮量32ppm。

实施例2

同实施例1，不同在于：步骤（2）中过滤后收集水相清液，并加入琥珀酸将pH调至6，静置，直至体系中十二碳二元酸完全析出。

按照本方案步骤（1）～（3）共进行10个批次的循环，长链二元酸平均发酵浓度154g/L，长链二元酸粗酸收率97.2%，含氮量39ppm。

实施例3

同实施例1，不同在于：步骤（2）中过滤后收集水相清液，并加入柠檬酸酸将pH调至6，静置，直至体系中十二碳二元酸完全析出。

按照本方案步骤（1）～（3）共进行10个批次的循环，长链二元酸平均发酵浓度149g/L，长链二元酸粗酸收率97.1%，含氮量36ppm。

实施例4

同实施例1，不同在于步骤（3）将结晶母液以质量浓度计为1%加入高锰酸钾，充分混合后，室温静置20min。

按照本方案步骤（1）～（3）共进行10个批次的循环，长链二元酸平均发酵浓度157g/L，长链二元酸粗酸收率96.8%，含氮量30ppm。

实施例5

同实施例1，不同在于步骤（3）将结晶母液以质量浓度计为1%加入过氧化钙，充分混合后，室温静置20min。

按照本方案步骤（1）～（3）共进行10个批次的循环，长链二元酸平均发酵浓度155g/L，长链二元酸粗酸收率96.7%，含氮量28ppm。

实施例6

同实施例1，不同在于：从第2批次开始发酵培养基中不使用蔗糖，在步骤（1）中从发酵初始至120h内以4mL/h的流速补充浓缩液，共计480mL。

按照本方案步骤（1）～（3）共进行10个批次的循环，长链二元酸平均发酵浓度164g/L，长链二元酸粗酸收率96.9%，含氮量32ppm。

实施例7

同实施例1，不同在于：从第2批次开始发酵培养基中不使用蔗糖，在步骤（1）中从发酵初始至120h，采用区间定流速的方式流加浓缩液，具体为：0h～24h，流速2mL/h；24h～48h，流速5mL/h；48h～72h，流速6mL/h；72h～96h，流速4mL/h；96h～120h，流速3mL/h。共计流加480mL。

按照本方案步骤（1）～（3）共进行10个批次的循环，长链二元酸平均发酵浓度170g/L，长链二元酸粗酸收率96.7%，含氮量34ppm。

比较例1

同实施例1，不同在于：步骤（2）中过滤后收集水相清液，并加入草酸将pH调至6，静置，直至体系中十二碳二元酸完全析出。

按照本方案步骤（1）～（3）共进行10个批次的循环，由于酵母菌对草酸钠的利用率很低，而且从第2个批次开始发酵体系中没有蔗糖添加，发酵过程中没有碳源补充，因此发酵的长链二元酸浓度很低。所得的长链二元酸平均发酵浓度15g/L，长链二元酸粗酸收率98.1%，含氮量2.6ppm。

比较例2

同实施例1，不同在于：步骤（3）未进行氧化处理。

按照步骤（1）～（3）共进行10个批次的循环，十二碳二元酸平均发酵浓度155g/L，十二碳二元酸粗酸收率97.0%，含氮量232ppm。

Claims

1.一种制备长链二元酸的方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）将发酵菌种子液加入发酵培养基中，加入烷烃，进行发酵培养；选用热带假丝酵母（Candida tropicalis）突变株PF-UV-56作为发酵菌株，保藏编号为CGMCC No. 0356；

（2）培养结束后发酵液经破乳、过滤工序后，将水相清液进行酸析处理，获得相应长链二元酸粗酸产品和有机酸盐，过滤获得长链二元酸粗品；控制酸析的pH范围为5～6；酸析处理所用的酸性调节剂为乙酸、琥珀酸、柠檬酸、苹果酸中的一种或几种；

（3）将酸析产生的结晶母液进行氧化、吸附、浓缩处理，吸附处理后进行过滤，滤液采用电渗析或降膜蒸发形式进行浓缩处理，浓缩终体积为发酵控制体积的5%～20%；获得浓缩液在步骤（1）的发酵过程中流加，进行10个批次的循环；从第2批次开始发酵培养基中不使用蔗糖。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）所述的发酵菌种子液的制备具体是将活化的发酵菌种接至培养基中，接种体积比为3%～10%，培养温度为25～37℃，培养时间为15～48小时。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：接种体积比为5%～10%；培养温度为28～32℃。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）所述的发酵培养基配方为：蔗糖5～10g/L、玉米浆1.5～2g/L、酵母膏1.5～1.8g/L、氯化钠0.8～1.2g/L、磷酸二氢钾3.5～7.5g/L、硫酸镁1.2～1.8g/L、尿素1.2～4.8g/L，硫酸铵1.5～2g/L。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）所述的发酵菌种子液的接种体积为发酵控制体积的2%～20%。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤（1）所述的发酵菌种子液的接种体积为发酵控制体积的5%～10%。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）所述的烷烃用量为发酵控制体积的15%～30%。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤（1）所述的烷烃用量为发酵控制体积的20%～25%。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）所述发酵温度为25～37℃，搅拌转速为120～500rpm，通气量为0.2～1.0VVM，发酵时间为138～144小时。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：步骤（1）所述发酵温度为28～35℃；搅拌转速为200～400rpm；通气量为0.5～1.0VVM。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（2）所述的发酵液经破乳、过滤后获得水相清液，所述的破乳是将发酵液加热至70～100℃；过滤采用微滤、超滤膜过滤方式。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（2）所述过滤采用板框过滤，过滤压力0.1～1.0MPa，过滤温度为10～30℃。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（3）所述氧化是将结晶母液与氧化剂混合充分反应，室温静置20～40min。

14.根据权利要求1或13所述的方法，其特征在于：所述氧化采用的氧化剂为高锰酸钾、过氧化氢、过氧化钙中的至少一种；添加量以质量浓度计为0.1%～2.0%。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于：所述氧化剂添加量以质量浓度计为0.5%～1.0%。

16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（3）所述吸附过程是加入吸附剂处理，吸附剂选自活性炭、硅藻土、活性白土中的至少一种；吸附剂添加量以质量浓度计为0.1%～2.0%。

17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：吸附剂添加量以质量浓度计为0.5%～1.0%。

18.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（3）浓缩终体积为发酵控制体积的8%～10%。

19.根据权利要求5、6、7、8或18所述的方法，其特征在于：所述的发酵控制体积为发酵罐体积的70%～80%。

20.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（3）的浓缩液采用定流速流加方式，在步骤（1）发酵过程中均匀流加至发酵体系内。

21.根据权利要求1或20所述的方法，其特征在于：步骤（3）的浓缩液根据pH调控流加速度，具体为：发酵初期不进行流加，24h后启动流加，并根据pH值调控频次相应提高流加速率。