CN116271973A - 一种发酵产物的提取方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发酵产物的提取方法及装置，将灭活处理的发酵液进行固液分离，去除悬浮物；所得发酵液中加入有机溶剂进行萃取；萃取分离出的萃取相通过疏水膜进行过滤除杂；萃取分离出的萃余相通过亲水膜进行过滤除杂；最后疏水膜得到的透过液再经过纯化处理后，得到目标产物。本发明中采用的发酵产物提取工艺，能够从萃取分离中得到的有机溶剂萃取相中对发酵产物进行提纯，同时能够去除溶解于萃取体系中的蛋白质等杂质，提高发酵产物纯度；同时，本工艺具有生产连续性好，能够对萃余液进行处理使达标排放的优点。

Description

一种发酵产物的提取方法及装置

技术领域

本发明属于发酵工程技术领域，具体涉及一种发酵产物的提取方法及装置。

背景技术

生物发酵通常以谷物、玉米或特定产品等为原料，在特定菌种和发酵条件下获得人类生活、生产所需要的各种产品。随着发酵工业的发展，可以通过发酵的方式获得食品、天然产物、医药中间体和药品等。发酵液中大量的物质是菌体、蛋白、多糖、各种胶体、色素等，从发酵液里面得到出目标产品需要用到多种分离技术。

尤其是医药中间体和药品，因其具有特定的化学结构，目标产物在水中的溶解度较低，必须采用有机溶剂萃取的方式获得发酵产物。在高浓度发酵体系中，发酵产物附着在菌体上或者包含在菌体内，必须通过有机溶剂萃取才能将发酵产物转移出来。在分离过程中采用有机溶剂进行反复的萃取操作，得到的萃取液往往没有较好的提纯手段，导致了从萃取液中进一步获得的目标产物纯度、收率等都受到影响。同时，萃取过程中的萃余液(主要为水相)中含有较多的杂质，也会存在着废水处理难度大的问题。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中发酵液进行萃取后得到的萃取液和萃余液没有较好的纯化手段的问题，提出了一种新的提纯方法和装置。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种发酵产物的提取方法，包括如下步骤：

(1)将灭活处理的发酵液进行固液分离，去除悬浮物；

(2)向步骤(1)所得发酵液中加入有机溶剂进行萃取；

(3)将步骤(2)萃取分离出的萃取相通过疏水膜进行过滤除杂；萃取分离出的萃余相通过亲水膜进行过滤除杂；

(4)将步骤(3)中疏水膜得到的透过液再经过纯化处理后，得到目标产物。

进一步地，步骤(3)中，亲水膜得到的透过液送入废水处理或者进行发酵产物回收。

具体地，步骤(1)中，所述的固液分离采用膜分离、离心分离、自然沉降中的任意一种方式。

优选地，步骤(3)中，所述的疏水膜的水滴接触角为90-170°；所述的亲水膜的水滴接触角为0-89°。

优选地，所述的疏水膜、亲水膜的材质为聚合物材料或者无机材料；疏水膜、亲水膜的孔径范围为2-2000nm。

优选地，步骤(4)中，纯化处理采用通过蒸发浓缩，再加入溶剂重结晶的方式进行。

进一步地，当进行发酵产物回收时，采用纳滤膜对亲水膜透过液进行发酵产物的截留，将纳滤膜的截留液浓缩结晶后，获得发酵产物粗品，并进行纯化。

更进一步地，本发明还提供了上述发酵产物提取方法的装置，包括：

固液分离器，用于对发酵液进行固液分离处理；

萃取釜，连接于固液分离器，用于对固液分离器中得到的透过液进行有机溶剂萃取；

疏水膜，连接于萃取釜，用于对萃取后产生的萃取液进行过滤去除杂质；

蒸发釜，连接于疏水膜的渗透侧，用于对过滤后的物料进行有机溶剂蒸发处理；

亲水膜，连接于萃取釜，用于对萃取后产生的萃余液进行过滤处理。

进一步地，本发明装置还包括离心分离器，连接于亲水膜的浓缩侧，用于对浓缩液进行固液分离处理，并通过管道将分离出的液相重新送入亲水膜中进行过滤处理。

进一步地，所述蒸发釜上连接有冷凝器，用于对有机溶剂蒸发处理中的蒸汽进行冷凝并回流；所述蒸发釜配备有搅拌装置，釜顶上还设有溶剂加入管。

有益效果：

(1)本发明中采用的发酵产物提取工艺，能够从萃取分离中得到的有机溶剂萃取相中对发酵产物进行提纯，同时能够去除溶解于萃取体系中的蛋白质等杂质，提高发酵产物纯度；同时，本工艺具有生产连续性好，能够对萃余液进行处理使达标排放的优点。

(2)本发明的方法能够同时对萃取分离后的水相进行处理，将水相中的蛋白、菌体、胶体通过亲水膜过滤去除后，送入废水处理工序。

(3)本发明可以对水相中残留的活性成分进行回收利用，例如在对于苯甲醇的发酵液处理后的水相，采用纳滤膜的截留，可以将水相中溶解的少量苯甲醇回收，同时利用乙醇的加入使纳滤膜的膜孔缩小，提高了对大分子醇类的回收率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是本发明发酵产物提取的工艺流程。

图2是本发明发酵产物提取装置结构示意图。

其中，各附图标记分别代表：1、固液分离装置；2、萃取釜；3、萃取液加入管；4、疏水膜；5、蒸发釜；6、冷凝器；7、溶剂加入管；8、亲水膜；9、离心分离器。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。

本发明中所适用的发酵体系，主要是指需要通过有机溶剂萃取以获得发酵产物的过程，这里所使用发酵目标包括但不限于：

用嗜酸乳酸杆菌及乳酸乳球菌进行发酵，发酵物用正己烷萃取纯化以获得共轭亚油酸。

用肉桂酸生物转化合成苯乙酮，并对发酵液正己烷萃取提取苯乙酮。

用棒状链霉菌进行发酵，并对发酵液采用乙酸乙酯萃取提取克拉维酸。

也可以是采用L-苯丙氨酸为前体，通过酵母细胞的发酵法制备2-苯乙醇的过程，对发酵液采用乙酸乙酯进行萃取。

本发明发酵液先进行灭活处理，向发酵液中加入有机溶剂进行稀释、萃取，然后通过离心机分离出大部分的菌株、营养源等固态悬浮物，预处理后的发酵液再进入膜分离系统进行澄清、提纯分离，双膜系统包含疏水膜组件和亲水膜组件，有机溶剂和药物有效成分从疏水膜渗透侧流出进入后续的提取单元，水从亲水膜渗透侧流出进入废水处理系统，菌体、蛋白和其它悬浮物被膜系统截留形成浓缩液，浓缩到一定倍数后返回到离心单元进行离心处理，离心清液返回到膜分离系统，废渣排出。含有药物有效成分的有机溶剂采用蒸发、冷凝进行回收，蒸发器底部得到的是有效成分，最后将有效成分进行溶解、结晶，最终得到高纯度的产品。

如图1所示，本发明发酵产物提取的主要步骤包括：

第1步，发酵液进行灭活处理；将进行固液分离，去除悬浮物；本步骤中，主要是对发酵液中的一些较大的杂质进行过滤去除，以达到预除杂的目的；固液分离可以采用膜分离、离心分离、自然沉降中的任意一种。

第2步，在发酵液中加入有机溶剂进行萃取；本步骤中，其作用是通过加入有机溶剂的方式对发酵产物进行萃取，利用发酵产物在有机相和水相中的分配系数的不同达到使发酵产物进入萃取相中的过程，而一些其它的不溶于有机相但溶解于水相的杂质继续留存于水相中，达到进一步纯化的目的。

第3步，萃取相送入疏水膜进行过滤除杂，萃余相送入亲水膜进行过滤除杂；在本发明中，利用了疏水膜对于有机溶剂较好的润湿性，能够以较大的过滤通量实现在有机相中的过滤处理，能够将有机相中的一些蛋白、胶体、色值去除，能够提高萃取相中的发酵产物的纯度，使最终得到的成品品质提高；萃余相中含有一些水溶性的杂质，通过亲水膜进行过滤处理后，可以降低水相中的杂质含量。

在本步骤中，所使用的疏水膜的水滴接触角是90-170°，所述的亲水膜的水滴接触角是0-89°。主要是体现在其分别对于有机相和水相具有更好的润湿性，分别在有机相和水相过滤除杂时对料液中的杂质进行截留，并表现出较好的通量。

第4步，疏水膜得到的透过液再经过纯化处理后，得到目标产物；亲水膜得到的透过液送入废水处理系统。这里的纯化处理是指通过蒸发浓缩，再加入溶剂重结晶的方式进行。另外，由于一些活性成分在油相和水相中的分配系数有限，因此，在一些分离过程中，水相还会含有一定量的活性成分，也可以对其进行回收利用，以2-苯乙醇的发酵法制备为例，2-苯乙醇在乙酸乙酯和水中的分配系数在20左右，因此，在现有技术中的萃取分离后，在水相中仍然会留存一定量的2-苯乙醇，因此，通过亲水性的分离膜可以对萃余相进行过滤纯化后，去除掉大分子杂质和胶体，过滤的滤液送入纳滤膜中对2-苯乙醇进行浓缩，使无机盐透过纳滤膜，而2-苯乙醇被截留；在纳滤的过程中，通过在纳滤的进料中加入一定量的小分子醇，使纳滤膜的表面发生膜孔收缩，能够有效提高2-苯乙醇在纳滤膜的表面的截留性，提高了回收率；在获得了纳滤的浓缩液后，可以通过渗透汽化膜的脱水处理，将浓缩液进行脱水，获得主要含有2-苯乙醇和小分子醇的物料，再根据沸点的差异通过蒸馏或精馏的步骤获得较高纯度的2-苯乙醇。

如图2所示，本发明发酵产物提取装置包括：

固液分离器1，用于对发酵液进行固液分离处理。

萃取釜2，连接于固液分离器1，用于对固液分离器1中得到的透过液进行有机溶剂萃取。

疏水膜4，连接于萃取釜2，用于对萃取后产生的萃取液进行过滤去除杂质。

蒸发釜5，连接于疏水膜4的渗透侧，用于对过滤后的物料进行有机溶剂蒸发处理。

亲水膜8，连接于萃取釜2，用于对萃取后产生的萃余液进行过滤处理。

其中，萃取釜2上还设有萃取液加入管3。蒸发釜5上连接有冷凝器6，用于对有机溶剂蒸发处理中的蒸汽进行冷凝并回流；蒸发釜5配备有搅拌装置，釜顶上还设有溶剂加入管7。

亲水膜8的浓缩侧还连接有离心分离器9，用于对浓缩液进行固液分离处理，并通过管道将分离出的液相重新送入亲水膜8中进行过滤处理。

实施例1

采用发酵法生产4-氰基-3-羟基丁酸乙酯，发酵完成后将发酵液打入萃取罐，按照发酵液：溶剂按照体积比1：1向萃取罐中加入萃取剂乙酸乙酯，待混合均匀后输送至膜分离设备的原料罐。膜分离设备采用疏水膜、亲水膜串联使用，疏水膜孔径20nm，材质为PTFE-氧化铝复合结构，亲水膜孔径50nm，材质为氧化锆。在操作压力0.25MPa、操作温度35℃、流速3m/s的条件下，在疏水膜组件渗透侧得到45％的乙酸乙酯萃取液，亲水膜组件渗透侧得到45％水及水溶性的物质，蛋白、菌体被截留形成10％浓缩液。向浓缩液中再加入3倍体积的乙酸乙酯进行二次萃取、分离，得到乙酸乙酯萃取液进行低温蒸发回收溶剂，蒸发残液即为粗产品。亲水膜的透过液采用逆流萃取器进行萃取，回收水中溶解的1～5％的产品。将逆流萃取得到的产品与蒸发得到的粗产品混合，产品的总收率为98.5％。粗产品用丙酮进行溶解、蒸发，最终得到淡黄色的产品，纯度为99.9％。

实施例2

采用发酵法生产共轭亚油酸，发酵完成后将发酵液打入萃取罐，按照发酵液：溶剂按照体积比1：0.8向萃取罐中加入萃取剂正己烷，待混合均匀后输送至膜分离设备的原料罐。膜分离设备采用疏水膜、亲水膜串联使用，疏水膜孔径50nm，材质为表面疏水改性的氧化钛陶瓷膜，亲水膜孔径50nm，材质为氧化锆。在操作压力0.30MPa、操作温度40℃、流速2m/s的条件下，在疏水膜组件渗透侧得到40％的正己烷萃取液，亲水膜组件渗透侧得到50％水及水溶性的物质，蛋白、菌体被截留形成10％浓缩液。向浓缩液中再加入4倍体积的正己烷进行二次萃取、分离，得到正己烷萃取液进行低温蒸发回收溶剂，蒸发残液即为粗产品。粗产品用丙酮进行溶解、蒸发，最终得到淡黄色的产品，纯度为99.7％。

实施例3

采用发酵法生产克拉维酸，发酵完成后将发酵液打入萃取罐，按照发酵液：溶剂按照体积比1：1.2向萃取罐中加入萃取剂乙酸乙酯，待混合均匀后输送至膜分离设备的原料罐。膜分离设备采用疏水膜、亲水膜串联使用，疏水膜孔径20nm，材质为PTFE-氧化铝复合结构，亲水膜孔径200nm，材质为氧化铝。在操作压力0.15MPa、操作温度45℃、流速4m/s的条件下，在疏水膜组件渗透侧得到50％的乙酸乙酯萃取液，亲水膜组件渗透侧得到45％水及水溶性的物质，蛋白、菌体被截留形成5％浓缩液。向浓缩液中再加入2倍体积的乙酸乙酯进行二次萃取、分离，得到乙酸乙酯萃取液进行低温蒸发回收溶剂，蒸发残液即为粗产品。粗产品用丙酮进行溶解、蒸发，最终得到淡黄色的产品，纯度为99.8％。

实施例4

采用L-苯丙氨酸为前体，通过酵母细胞的发酵法制备2-苯乙醇，发酵完成后将发酵液打入萃取罐，发酵液中含有2-苯乙醇5.6g/L以及乙醇32.4g/L，按照发酵液：溶剂按照体积比1：2向萃取罐中加入萃取剂乙酸乙酯，待混合均匀后输送至膜分离设备的原料罐。膜分离设备采用疏水膜、亲水膜串联使用，疏水膜孔径20nm，材质为硅烷偶联剂表面改性的氧化锆陶瓷膜，亲水膜采用截留分子量5kDa的聚砜超滤膜进行过滤。在操作压力0.45MPa、操作温度30℃、流速3m/s的条件下，在疏水膜组件渗透侧得到60％的乙酸乙酯萃取液，亲水膜组件渗透侧得到35％水及水溶性的物质，蛋白、菌体被截留形成5％浓缩液。向浓缩液中再加入3倍体积的乙酸乙酯进行二次萃取、分离，得到乙酸乙酯萃取液进行低温蒸发回收溶剂，蒸发残液即为粗产品。亲水膜的透过液含有0.3g/L2-苯乙醇，采用截留分子量为400Da的纳滤膜进行浓缩，回收水相中溶解的少量2-苯乙醇，浓缩倍数为15倍，纳滤膜对2-苯乙醇的截留率为76％，纳滤膜的浓缩液蒸发结晶后，获得2-苯乙醇，水相提取收率71.5％。将水相纳滤并结晶后得到的产品与蒸发得到的粗产品混合。粗产品用丙酮进行溶解、蒸发，最终得到淡黄色的产品，纯度为99.6％。

实施例5

采用采用L-苯丙氨酸为前体，通过酵母细胞的发酵法制备2-苯乙醇，发酵完成后将发酵液打入萃取罐，发酵液中含有2-苯乙醇5.6g/L以及乙醇32.4g/L，按照发酵液：溶剂按照体积比1：2向萃取罐中加入萃取剂乙酸乙酯，待混合均匀后输送至膜分离设备的原料罐。膜分离设备采用疏水膜、亲水膜串联使用，疏水膜孔径20nm，材质为硅烷偶联剂表面改性的氧化锆陶瓷膜，亲水膜采用截留分子量5kDa的聚砜超滤膜进行过滤。在操作压力0.45MPa、操作温度30℃、流速3m/s的条件下，在疏水膜组件渗透侧得到60％的乙酸乙酯萃取液，亲水膜组件渗透侧得到35％水及水溶性的物质，蛋白、菌体被截留形成5％浓缩液。向浓缩液中再加入3倍体积的乙酸乙酯进行二次萃取、分离，得到乙酸乙酯萃取液进行低温蒸发回收溶剂，蒸发残液即为粗产品。亲水膜的透过液含有0.3g/L2-苯乙醇，加入乙醇至浓度90g/L后，采用截留分子量为400Da的纳滤膜进行浓缩，回收水相中溶解的少量2-苯乙醇，浓缩倍数为15倍，纳滤膜对2-苯乙醇的截留率为89％，纳滤膜的浓缩液经过NaA渗透汽化膜脱水处理后，减压蒸馏除乙醇，蒸发结晶后，获得2-苯乙醇，水相提取收率89.6％。将水相纳滤并结晶后得到的产品与蒸发得到的粗产品混合。粗产品用丙酮进行溶解、蒸发，最终得到淡黄色的产品，纯度为99.8％。

对比例

对比例1(以实施例3为对比进行说明)

采用发酵法生产克拉维酸，发酵完成后将发酵液打入萃取罐。按照发酵液：溶剂体积比1:1向萃取罐中加入萃取剂乙酸乙酯，发酵产物、油脂等进入萃取相，为了提高萃取置换率连续三次进行乙酸乙酯萃取操作，合并三次的乙酸乙酯萃取相。然后对合并后的萃取相进行蒸发操作，蒸发乙酸乙酯获得含有克拉维酸、油脂的混合物，蒸发的溶剂回收重复利用。再向混合物中加入3倍体积的萃取剂甲醇进行产物萃取，产物克拉维酸进入甲醇萃取相，然后再蒸发甲醇获得产物。对产物采用乙酸乙酯进行复溶，再向乙酸乙酯复溶的溶液中加入石油醚使产物析出，得到粗品。粗产品用丙酮进行溶解、蒸发。最终得到淡黄色的产品，纯度为88.4％。

本发明提供了一种发酵产物的提取方法及装置的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种发酵产物的提取方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将灭活处理的发酵液进行固液分离，去除悬浮物；

(2)向步骤(1)所得发酵液中加入有机溶剂进行萃取；

(3)将步骤(2)萃取分离出的萃取相通过疏水膜进行过滤除杂；萃取分离出的萃余相通过亲水膜进行过滤除杂；

(4)将步骤(3)中疏水膜得到的透过液再经过纯化处理后，得到目标产物。

2.根据权利要求1所述的发酵产物的提取方法，其特征在于，步骤(3)中，亲水膜得到的透过液送入废水处理或者进行发酵产物回收。

3.根据权利要求1或2所述的发酵产物的提取方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的固液分离采用膜分离、离心分离、自然沉降中的任意一种方式。

4.根据权利要求1或2所述的发酵产物的提取方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的疏水膜的水滴接触角为90-170°；所述的亲水膜的水滴接触角为0-89°。

5.根据权利要求4所述的发酵产物的提取方法，其特征在于，所述的疏水膜、亲水膜的材质为聚合物材料或者无机材料；疏水膜、亲水膜的孔径范围为2-2000nm。

6.根据权利要求1或2所述的发酵产物的提取方法，其特征在于，步骤(4)中，纯化处理采用通过蒸发浓缩，再加入溶剂重结晶的方式进行。

7.根据权利要求2所述的发酵产物的提取方法，其特征在于，当进行发酵产物回收时，采用纳滤膜对亲水膜透过液进行发酵产物的截留，将纳滤膜的截留液浓缩结晶后，获得发酵产物粗品，并进行纯化。

8.权利要求1所述发酵产物提取方法的装置，其特征在于，包括：

固液分离器(1)，用于对发酵液进行固液分离处理；

萃取釜(2)，连接于固液分离器(1)，用于对固液分离器(1)中得到的透过液进行有机溶剂萃取；

疏水膜(4)，连接于萃取釜(2)，用于对萃取后产生的萃取液进行过滤去除杂质；

蒸发釜(5)，连接于疏水膜(4)的渗透侧，用于对过滤后的物料进行有机溶剂蒸发处理；

亲水膜(8)，连接于萃取釜(2)，用于对萃取后产生的萃余液进行过滤处理。

9.根据权利要求8所述的发酵产物提取方法的装置，其特征在于，还包括离心分离器(9)，连接于亲水膜(8)的浓缩侧，用于对浓缩液进行固液分离处理，并通过管道将分离出的液相重新送入亲水膜(8)中进行过滤处理。

10.根据权利要求8所述的发酵产物提取方法的装置，其特征在于，所述蒸发釜(5)上连接有冷凝器(6)，用于对有机溶剂蒸发处理中的蒸汽进行冷凝并回流；所述蒸发釜(5)配备有搅拌装置，釜顶上还设有溶剂加入管(7)。

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