CN1789228A - 生物催化生产的羟基乙酸的提纯方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物催化生产羟基乙酸的提纯方法。本方法包括将微生物酶催化得到的反应液过滤、脱盐、浓缩、结晶和干燥得到羟基乙酸晶体，纯度≥99％，收率90％。本方法具有分离提纯工艺简单、无污染、得到的羟基乙酸产品杂质少、纯度高的显著特点。

Description

生物催化生产的羟基乙酸的提纯方法

技术领域

本发明属生物化工技术领域，具体涉及一种生物催化生产的羟基乙酸的提纯方法。

背景技术

羟基乙酸又名乙醇酸或甘醇酸，是一种大吨位生产的精细有机化工原料，具有广泛的用途。可应用于粘结剂、生产降解聚合物、金属清洁剂、电镀助剂、奶制品容器清洁剂、染色助剂、水井清洁剂、建筑、纺织、洗涤剂、制药、农药、鞣革等，其衍生物，如醇酐(醚)、盐、酯是许多精细有机化工产品的原料，像羟基乙酸锌，羟基乙酸丁酯已被用于汽车底漆的生产。羟基乙酸在锅炉清洗剂的生产中被大量使用，其中最有代表性的是羟基乙酸与甲酸的混合物用于超临界锅炉水垢的清除，效果很好，已成为国际上通行的标准方法。聚羟基乙酸或称为聚乙交酯是结构最简单的线性脂肪族聚酯，是体内可降解的最早商品化的一个聚合物产品，应用于医学工程材料和高分子降解材料等许多领域。

目前工业上生产羟基乙酸主要为化学合成，方法有：氯乙酸水解法，氯乙酸在强碱性条件下水解生成羟基乙酸，该法存在着原料消耗高、产品收率低、产品精制复杂等缺点，而且腐蚀和污染严重；甲醛羰化法，美国杜邦公司首创的工业化生产乙醇酸方法，此方法需要高压、液体酸催化，对设备要求很高、腐蚀严重，最终产品的分离、精制复杂，催化剂不能重复利用，污染也严重；草酸的电解还原法，20世纪90年代实现工业化，该法能耗高、产物复杂、生产羟基乙酸的成本高；羟基乙腈酸水解法，羟基乙腈水溶液在硫酸、磷酸、硝酸或混合酸酸存在时水解，经萃取、脱盐、反萃、脱水等过程得到产品。

在所有上述生产方法中，由于杂质多如无机酸、无机盐、金属离子及其他有机酸及其盐，产品的提纯是一个重要环节，羟基乙酸的工业提纯方法一般采用酯化水解法和溶剂萃取法。酯化水解法是将粗产品用甲醇进行酯化以便生成乙醇酸甲酯，达到与副产物分离的目的。酯化水解法生产工艺复杂，甲醇的损耗量大，生产成本高。为了克服这些不足，又发展了溶剂萃取法。萃取剂一般采用三烷基氧膦或三烷基胺如三辛胺等化合物，磺化煤油做稀释剂进行萃取，该法萃取剂昂贵、且容易乳化、相分离困难。

有文献提议应用生物催化方法合成羟基乙酸，因为生物催化法具有选择性好、产品纯度高、反应条件温和等优点。专利U.S.3,940,316公开了具有腈水解活性的微生物Bacillus，Bacteridium，Micrococcus及Brevibacterium催化腈化合物水解合成酸的方法，把羟乙腈作为其中的一个底物；专利JP 09028390报道利用Rhodococcus或Gordona腈水解酶催化羟乙腈水解合成羟基乙酸；专利U.S.6,037,155利用微生物Variovorax spp.和Arthrobacter NSSC104催化羟基腈水解合成相应的羟基酸，把羟基乙腈列为其中的一个底物；专利U.S.6,416,980利用Acidovorax facilis 72W及其变异株的水解酶合成羟基乙酸，产物浓度可以累积达1M。这些酶转化方法所显示出的优越性，为替代化学方法展示了良好前景，但对产物的提纯均无具体说明，满足不了工业化生产的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述缺点与不足，从而提供一种生物催化生产的羟基乙酸的提纯方法。

本发明的生物催化生产的羟基乙酸的提纯方法包括以下步骤：

对生物催化反应得到的羟基乙酸反应液进行提纯得到高纯度的羟基乙酸晶体，包括含产物反应清液的收集、反应清液脱色、脱盐、浓缩、结晶和干燥等步骤，具体如下：

(1)生成的反应液通过离心或膜过滤系统除去催化剂等杂质，得到羟基乙酸的水溶液；

含产物的反应清液收集可用膜过滤系统处理，收集膜过滤液，其中的膜过滤系统可以是中空纤维膜或卷式膜或陶瓷膜或超滤膜或Ultra-flow。

(2)羟基乙酸水溶液的脱色：

常规的脱色方法都能应用，包括活性炭脱色、脱色树脂脱色、脱色膜脱色，考虑成本用活性炭脱色较为合理，且实验表明脱色效果较好，活性炭的用量根据清液色度而定，一般1-50‰能够满足要求。

(3)羟基乙酸水溶液的脱盐：

脱色后的反应清液用阳离子交换树脂进行脱盐，既可以是强酸阳离子树脂也可以是弱酸阳离子树脂，脱盐可以为静态也可以是动态，操作条件按常规方式进行。

(4)羟基乙酸水溶液的浓缩：

经过脱盐后得到纯净的羟基乙酸水溶液，将溶液在减压条件下浓缩，温度控制在20-80℃之间，压力在0.099～0.020MPa之间，得到浓度＞90％的羟基乙酸水溶液。

(5)羟基乙酸的结晶和干燥：

高浓度的羟基乙酸浓缩液，在低温下搅拌即可结晶，过滤分离后晶体在冷冻真空干燥器或真空干燥器内经干燥即可得到产品，纯度≥99％，结晶母液浓缩后可继续结晶。

本方法具有生产工艺简单易行、污染小、可实施产业化生产等优点，得到的羟基乙酸晶体具有纯度高、杂质少等显著优点，其硫酸盐含量＜0.04％，铁离子含量＜0.00005％，重金属含量＜0.00005％，灼烧残渣＜0.000005％。

具体实施方式

为了更好地说明本发明，下面通过实施例予以进一步说明。

以下实施例中所列的百分比浓度均为重量百分比。

实施例1

配制种子培养基，其组成为：葡萄糖0.6％，酵母膏0.2％，K₂HPO₄0.05％，KH₂PO₄0.05％，MgSO₄·7H₂O0.05％，pH7.2；

再配制发酵培养基，其组成为：

葡萄糖1.0％，酵母膏0.2％，K₂HPO₄0.03％，KH₂PO₄0.05％，MgSO₄·7H₂O0.05％，β-内酰胺0.05％，尿素0.5％，CoCl₂ 0.1％，pH7.0；

在5L种子罐中装入种子培养基70％，灭菌后接入一茄子瓶的乳酪短杆菌(Brevibacterium casei，保藏号为CGMCC No.0887)菌种，在温度28℃，搅拌转速400rpm的条件下培养48小时，得到种子液，在50L的发酵罐中装入70％的发酵培养基，实罐消毒后接入10％的种子液，在通气量1∶0.5，搅拌转速300rpm，罐压0.05Mpa，温度28℃的条件下，发酵培养48小时。

各取发酵液3.5L，分别用低温高速离心，在6℃和15000rpm转速下冷冻离心15分钟或中空纤维膜过滤，流量180mLmin^-1，压力0.8Kg/cm²；

将得到的细胞液，用去离子水将细胞液恢复至初始发酵液体积，取1.5L于2L的三口反应瓶中，加入0.5％经过氢氧化钠中和处理的羟基乙腈溶液(wt％，按体积1.5L计算)，于28℃水浴温度和150rpm搅拌转速条件下反应，间歇加入底物，当底物浓度低于0.1％时，按0.5％加入底物，反应68小时，底物累计加入次数55次，共加入412.5g，约825mL。经HPLC色谱分析(岛津公司LC-10A，下同)，反应后底物残留浓度＜0.05％，转化率＞99.0％，终产物浓度3.13M，羟基乙酸产率＞98.0％。

实施例2

各取实施例1得到的反应液1L，按以下处理方式进行处理：

1、用低温高速离心，在6℃和15000rpm转速下冷冻离心15分钟；

2、用中空纤维膜过滤，流量180mLmin^-1，压力0.8Kg/cm²；

3、用卷式膜过滤，流量180mLmin^-1，压力10Kg/cm²；

4、用陶瓷膜过滤，流量180mLmin^-1，压力4Kg/cm²；

5、用Ultra-flo过滤，流量180mLmin^-1，压力3Kg/cm²。

收集得到反应清液，HPLC色谱分析，结果列于表1。

                         表1

反应液处理方式	分析结果(g)		损失率％
				反应液	处理后清液
	低温高速离心	237.7				224.9	5.38
中空纤维膜过滤			221.8	218.3	1.58
	卷式膜过滤	239.6				230.1	3.96
陶瓷膜过滤			274.3	262.8	4.19
	Ultra-flo过滤	263.9				257.5	2.43

实施例3

按实施例8方法得到的含有产物的反应清液，加入2‰的粉末活性炭，于常温下震荡脱色30分钟，抽滤，得到脱色清液，其中产物浓度为3.18M。

实施例4

取实施例3得到的脱色清液1000mL，上树脂柱脱盐，φ5×80玻璃柱装有1000mL的732强酸阳离子树脂，上柱流速约20mLmin^-1，弃去初始段流出液，当流出液pH＜5.0开始收集流出液，上第二根装有1000mL732凝胶树脂的φ5×80玻璃柱，弃去初始段流出液，当流出液pH＜5.0开始收集，共得到收集液1380mL，浓度1.77M，取去离子水500mL先后洗涤两树脂柱，得到洗涤液480mL，浓度0.79M，上柱液和洗涤液用氨气敏电极检测都无铵离子存在，过程总收率88.7％。另取1000mL前述的脱色清液，加入到3L的三口反应瓶中，再加入1500mL的D152弱酸阳离子树脂，加入前滤干，于室温下搅拌脱盐，1个小时后，抽滤，收集滤液，共1070mL，浓度2.67m，无铵离子存在，树脂加入600mL去离子水洗涤，再抽滤，收集滤液550mL，无铵离子存在，浓度0.39M，过程总收率96.6％。

实施例5

按实施例4得到的羟基乙酸溶液，分别在20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃和80℃下减压蒸馏或薄膜浓缩，HPLC色谱分析，浓缩过程的溜出液均没有检测到羟基乙酸，得到浓度＞90％的羟基乙酸溶液。

实施例6

将实施例5在不同条件下浓缩得到的羟基乙酸溶液，分别放置在1℃下搅拌迅速结晶，抽滤，得到的晶体放置于真空干燥箱内干燥4小时，HPLC色谱分析，测得晶体纯度，结果见表2。

                              表2

温度(℃)	压力(Mpa)	晶体纯度(％)
			20	0.099	99.3
30	0.020	99.4
			40	0.013	99.2
50	0.018	99.5
			60	0.015	99.1
70	0.010	99.2
			80	0.012	99.5

本方法包括将微生物酶催化得到的反应液过滤、脱色、脱盐、浓缩、结晶和干燥得到羟基乙酸晶体，纯度≥99％，收率90％。

本发明与现有的方法相比，具有明显的特点和进步：

(1)后处理提纯工艺相对简单易行；

(2)对环境污染小；

(3)生产成本低，可工业化实施生产；

(4)得到的羟基乙酸晶体杂质少，纯度高。

Claims (8)

1、一种生物催化生产的羟基乙酸的提纯方法，其特征在于包括以下步骤：

a、将含有羟基乙酸的反应液过滤，得到羟基乙酸的反应清液；

b、脱色；

c、脱盐；

d、浓缩；

e、结晶和干燥。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的反应液过滤是通过离心或膜过滤系统除去杂质。

3、如权利要求2所述的方法，其特征在于所述的膜过滤系统包括但不限于：中空纤维膜、卷式膜、陶瓷膜、超滤膜或Ultra-flo。

4、如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的羟基乙酸水溶液的脱盐是用强酸或弱酸阳离子树脂来完成的。

5、如权利要求4所述的方法，其特征在于所述的强酸或弱酸阳离子树脂包括但不限于：732型、D001型、HD-8或D152。

6、如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的羟基乙酸水溶液的浓缩是通过减压蒸馏或薄膜浓缩完成的。

7、如权利要求6所述的方法，其特征在于所述的减压蒸馏或薄膜浓缩的温度控制在20-80℃。

8、如权利要求6所述的方法，其特征在于所述的减压蒸馏或薄膜浓缩的压力控制在0.099～0.020MPa之间。