CN1803755A

CN1803755A - 一种不添加钙盐发酵提取分离乙酰甲酸的方法

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Publication number: CN1803755A
Application number: CN 200510095047
Authority: CN
Inventors: 方明; 方雅悯
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-10-22
Filing date: 2005-10-22
Publication date: 2006-07-19

Abstract

本发明公开了一种不添加钙盐发酵提取分离乙酰甲酸的方法。它在乙酰甲酸的发酵生产中不加碳酸钙或者其它形式的钙盐而使用流加碱性物质，也可以在乙酰甲酸的发酵过程中直接采用钠滤膜将部分乙酰甲酸滤出，或两种方法同时进行，来控制发酵液的pH值；发酵结束后，再用纳滤膜将乙酰甲酸从发酵完毕的发酵液中分离出来。可以先用纳滤膜将乙酰甲酸从发酵液中分离出来，再用反渗透膜将乙酰甲酸浓缩，然后用薄膜蒸发器将其进一步浓缩至80％以上.也可在纳滤膜之后增加电透析以将乙酰甲酸浓缩达20％以上。由于本发明不用碳酸盐，避免了因此而产生的原料消耗，减少了污染，简化了工艺，降低了成本。

Description

一种不添加钙盐发酵提取分离乙酰甲酸的方法

技术领域

本发明涉及一种不添加钙盐发酵提取分离乙酰甲酸的方法。

背景技术

乙酰甲酸或称丙酮酸广泛应用于制药工业及化学工业作为合成氨基酸的出发原料，还可以作为减肥制品的主要原料之一，在农业上作为作物的保护剂，在美容及食品上作为添加剂。所以市场对乙酰甲酸的需求量相当可观。自从1932年Howard等人提出用酒石酸分解并在220C蒸馏提取乙酰甲酸以来，主要的工业化生产都采用酒石酸分解法.但这种方法成本高并对环境有污染.科学家对乙酰甲酸的生产技术一直在不断的探索中.到目前为止，生产乙酰甲酸的技术可分为四种：

第一、酒石酸分解法，但成本过高，目前相当一部分乙酰甲酸仍由此法生产；

第二、乳酸脱氢法，但成本过高，使用者不多；

第三、休止细胞分泌法，但产量不高，不能满足大工业生产；

第四、微生物发酵法；此法具有成本低的优点.使用此法的趋向逐渐增多.但在目前的发酵工艺技术上，要在种子罐及发酵罐的培养基中加入高达4％的碳酸钙，因为这其中的一个重点目的就想使菌体分泌出来乙酰甲酸根立刻与钙离子结合形成乙酰甲酸钙，与此同时从乙酰甲酸电离出来的氢离子立即与碳酸根结合而形成碳酸，但碳酸极不稳定，立即分解成为水及二氧化碳。经过这些反应后，氢离子被消耗掉，乙酰甲酸是以盐的形式存在而不是以酸的形式存在于发酵液中，不然的话就会使发酵液的pH值下降从而导致菌体难于再分泌出乙酰甲酸，造成产量及产率不高.用这种方法来控制发酵液中乙酰甲酸的酸浓度及pH值，不但增加发酵的费用，而且增加发酵后分离乙酰甲酸的复杂性及成本。假如一个每年生产800吨乙酰甲酸的工厂，按其产品纯度为90％，发酵液中的最终乙酰甲酸浓度为4％的话，每天要加约2000公斤的碳酸钙于发酵液中，当最终产物乙酰甲酸时，所得的半成品乙酰甲酸钙要加酸，比如硫酸，去酸化反应形成硫酸钙沉淀及乙酰甲酸，除所消耗大量的硫酸外，而同时每天要除掉约8000公斤湿重的钙盐沉淀物或者含高钙盐的废液。一年就是要加约660吨(按330天的生产日)的碳酸钙，同时要处理至少2600吨湿重的钙盐.这就大大的增加生产成本及工艺的复杂性。同时大量废钙盐处置对环境保护也是个不良的因素。除在发酵液中加碳酸钙外，目前在分离提取乙酰甲酸中使有机溶剂也是对环境保护不利.当然，弱碱型的离子交换树脂也有应用于提取乙酰甲酸，但其吸咐能力低，因而需要相当大量的树脂，这也是造成成本增加的原因。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种不添加钙盐发酵提取分离乙酰甲酸的方法。

本发明的技术方案为：

1、一种不添加钙盐发酵提取分离乙酰甲酸的方法，在乙酰甲酸的发酵生产中不加碳酸钙或者其它形式的钙盐而使用流加碱性物质，也可以在乙酰甲酸的发酵过程中直接采用钠滤膜将部分乙酰甲酸滤出，或两种方法同时进行，来控制发酵液的pH值；也可以在发酵过程中，单独流加碱性物质来控制pH值.发酵结束后，再用钠滤膜将乙酰甲酸从发酵完毕的发酵液中分离出来。滤膜系统能够在线清洗从而解决在连续提取过程中膜堵塞的问题。在乙酰甲酸的发酵中直接采用钠滤膜将乙酰甲酸在发酵液中的浓度降低，使发酵菌不因此被自已的产物所抑制，同时使pH易于控制，由于相当一部分乙酰甲酸被膜提取出发酵罐，发酵罐中由于乙酰甲酸积累而造成的pH值波动不大，所以用于流加到发酵罐去调节pH值的碱液用量不大。与发酵液直接接触的膜易被菌体，培养基的蛋白等所堵塞，本发明采用在线膜清洗装置，使过滤膜能够在线清洗从而解决膜在发酵过程中提取乙酰甲酸中发生膜堵塞的现象..清洗后的膜可以有足够的时间将乙酰甲酸从发酵液罐中提取出来，从而使乙酰甲酸在发酵罐中的浓度降到设计的浓度。对不具备膜设备情况下单独用流加碱液的方法来调节发酵罐中的pH值时，虽然消耗的碱液比有膜提取装置的方法多，但添加碱液准确，不会在发酵中造成过多无机盐，而使下一步分离提取乙酰甲酸步骤复杂，所以仍比在培养基中添加钙盐方法简单。

2、先用钠滤膜将乙酰甲酸从发酵液中分离出，再用反渗透膜将乙酰甲酸浓缩，再用薄膜蒸发器将其进一步浓缩至80％以上.也可在纳滤膜之后增加电透折先将乙酰甲酸浓缩达20％以上。

3、当采用流加碱性物质时，其碱性物质是液态氨水、氢氧化铵、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙。含氨的碱液应为首选碱性物质，因为其不但提供OH根，而且为菌体提供氮源营养。

4、其它缺陷型的菌种，在培养基中或者在发酵过程需加入其缺陷物质的可溶性盐。如对于单独维生素缺陷型的菌种及维生素和氨基酸缺陷的菌种，由于培养基中不加钙盐，由菌体分泌出来的乙酰甲酸大部分是以酸的形式存在，少部分仍以培养基的其它无机盐离子形成钾盐，镁盐及氨盐等等.对于是其它缺陷型如乙酸(醋酸)的菌种，在培养基中或者在发酵过程需加入其缺陷物质的可溶性盐，这些盐的金属离子也就与乙酰甲酸结合成盐，从而消耗部分的乙酰甲酸。乙酰甲酸的发酵温度可在27-38度C之间

5、对于用流加碱液控制pH值，其装置是由装在发酵罐中的pH电极，程序控制软件来指挥碱液泵的开，关及流加时间等组成。.所控制的pH值的精确度在正负0.15范围，.发酵罐中的pH值控制4.6-7之间。对大吨位的发酵罐要采用安装多个pH电极，如发酵罐上部装1个pH电极，发酵罐底部装1个pH电极。

6、发酵罐中的pH值控制5.5-7之间。

7、在钠滤之前也可以先用超滤膜或微滤膜将菌体及其他杂质先除去。这样做可以增加钠滤膜的使用寿命。

8、膜可以是陶瓷超滤膜或者微滤膜或者各种多聚高分子材料所制作的超滤膜或者微滤膜；可以是卷式膜、管式膜、中空纤维膜或者平板膜。

9、微滤膜的孔径不应于大于0.2微米.料液的线速度在1-50米/秒，最隹线速度4-9米/秒.如果线速度太慢，不但滤出液的流量低，而且使膜易堵塞.超滤膜的分子截止量在1K至500K道尔顿范围，料液的线速度可在1-50米/秒，最隹线速度在4-9米/秒.钠滤膜的分子截止量是大于150道尔顿有机物，及两价，两价以上的离子，在膜进出两端的压力应在6-20大气压，最佳在13-17大气压.反渗透膜的分子截止量是大于50道尔顿有机物，及无机离子.膜进出两端的压力应在16-55大气压，最佳在25-35大气压。膜的操作温度可在10-40度℃。

钠膜的滤出液成份主要是乙酰甲酸，其浓度与在发酵罐浓度相等，即乙酰甲酸在膜面上及膜面滤出液两端的浓度大致相等.其纯度至少在75％以上.本发明中的反渗透工艺步骤，不但可以浓缩有机酸，还可以直接回收使用至少60％以上的发酵用水。如上所述，由于本发明不用碳酸盐，避免了因此而产生的原料消耗，减少了污染，简化了工艺，降低了成本。

附图说明

图1为本发明工艺流程图

图2为本发明在钠滤膜之前增加使用超滤膜或微滤膜的工艺流图

图1中阀门V-1-V-26发酵罐FT在线清洗阀门V-6，V-12，V-15，V-24泵P-1，P-2，P-4程控PLC PH电极ph-1，ph-2碱液存罐AT存罐T-1，T-2，T-3T-4纳滤膜单元NF unit反渗透膜单元RO unit漂洗水Dia-water

图2中阀门V-1-V-32发酵罐FT在线清洗阀门V-6，V-12，V-15，V-22，Vp29泵P-1，P-2，P-3程控PLC PH电极ph-1，ph-2碱液存罐AT存罐T-1，T-2，T-3纳滤膜单元NF unit反渗透膜单元RO unit漂洗水Dia-water超滤膜或微滤膜单元MF/UF unit

具体实施方式

实施例一、从图1中可以看到，T-1罐是发酵液贮罐及钠膜浓缩液存罐.发酵完毕后，发酵液从发酵罐排至T-1，再供给钠膜分离有机酸.分离出含浓缩的菌体,蛋白，糖及二价离子的料液再回到T-1.当发酵液被浓缩到小于35％时，或者是可溶性固体量浓缩到20％.加水进T-1罐漂洗出菌体内外的乙酰甲酸，加水量可以是少量多批也可以连续添加，加水漂洗可以使乙酰甲酸的回收率在钠膜这一工段从75％增加到93％.从图1中可以看到，pH电极Ph-1，Ph-2将pH值的信号传给程控PLC，然后PLC根据所设到pH值指挥阀门V-3，V-26，及泵P-2动作从碱液存罐AT向发酵罐流加或停加碱液.对大吨位发酵罐采用上下两pH电极使pH值控制更准确.发酵过程中用钠膜提取乙酰甲酸时，阀门V-2，V-7，V-11及V-5关闭，发酵液经过钠膜所产生的菌体，蛋白，糖及二价离子的浓缩液经阀门V-13回流到发酵罐.与此同时，因钠膜分离所损失的水由反渗透膜单元所产生的纯净水补允，这样确保菌体，糖及各种营养成份浓度不会过高.但降低了乙酰甲酸在发酵罐的浓度.图1中还指出，钠膜的滤出液经阀门V-10到T-2罐后再输送到反渗透膜单元.乙酰甲酸在这里被进一步浓缩，其的回收率至少在90％以上，纯度至少在80％以上.由反渗透膜分离出来的纯净水可以直接经阀门V-25输回到发酵罐，也可以经阀门V-23输回到贮罐T-3.接种后，在T-1罐中进行发酵.pH为6.6，当菌体浓度达到光密度(OD)20以上，并发酵生产的乙酰甲酸浓度能达到影响罐中pH值下降至6.0时,钠膜系统开动(设定值为pH5.9-6.0)，将部分的乙酰甲酸从发罐中分离出来到T-2罐，而含有培养基发酵的钠膜浓缩部分再输送回发酵罐T-1.与此同时，记下所输到T-2罐的液体量，及时向T-1罐补冲相等于输到T-2罐的液体重量的反渗透水.由于发酵罐中的乙酰甲酸的浓度下降，pH恢复接近6.4.此时将钠膜停止.加入液体氨水调pH到6.6.继续发酵到pH下降到5.9时，钠膜系统开动，其余步骤与前重复.在此期间，监测乙酰甲酸在发酵罐中的浓度及计算已提取分离出的乙酰甲酸量，结合已知在培养基中萄葡糖的量及已进行过的发酵时间，计算出乙酰甲酸的葡萄糖转化产率.在发酵前期，乙酰甲酸产率是从零开始增加，最高时达98g每升葡萄糖每天.发酵时间结束是以产率从最高下降到60g/每升/每天时.此例的平均产率为71g/每升/每天.发酵结束后，发酵液被输送到钠膜糸统将乙酰甲酸与发酵液分离.当发酵液被钠膜浓缩到其原体积的24％，加入相同体积的反渗透水后继续浓缩一半的体积再加入相同体积的反渗透水再继续浓缩提取残余的乙酰甲酸.收集于T-2罐的含乙酰甲酸的钠膜滤液输入到反渗透糸统进行浓缩乙酰甲酸.浓缩后的乙酰甲酸纯度达96％。根据图2所示的流程，主体与与图1相同，差别在于在钠滤装置之前增加使用超滤膜或微滤膜装置以及膜在线清洗装置解决膜堵塞问题。

实施例二、全过程与例1相同，不同之处在发酵过程中不用钠膜从发酵罐中分离出乙酰甲酸，而是用流加液体氨水来调节发酵罐中pH值维持pH值6.5-6.6直至发酵结束。

Claims

1、一种不添加钙盐发酵提取分离乙酰甲酸的方法，在乙酰甲酸的发酵生产中不加碳酸钙或者其它形式的钙盐而使用流加碱性物质，也可以在乙酰甲酸的发酵过程中直接采用钠滤膜将部分乙酰甲酸滤出，或两种方法同时进行，来控制发酵液的pH值；.发酵结束后，再用钠滤膜将乙酰甲酸从发酵完毕的发酵液中分离出来。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征是先用钠滤膜将乙酰甲酸从发酵液中分离出来，再用反渗透膜将乙酰甲酸浓缩，然后用薄膜蒸发器将其进一步浓缩至80％以上.也可在纳滤膜之后增加电透折以将乙酰甲酸浓缩达20％以上。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征是当采用流加碱性物质时，其碱性物质是液态氨水、氢氧化铵、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征是其它缺陷型的菌种，在培养基中或者在发酵过程需加入其缺陷物质的可溶性盐。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征是对于是流加碱液控制pH值装置是由装在发酵罐中的pH电极，程序控制软件来指挥碱液泵的开，关及流加时间等组成.所控制的pH值的精确度在正负0.15范围.发酵罐中的pH值控制4.6-7之间。

6、根据权利要求1所述的方法，其特征是发酵罐中的pH值控制5.5-7之间。

7、根据权利要求1所述的方法，其特征是在钠滤之前也可以先用超滤膜或微滤膜将菌体及其他杂质先除去。

8、根据权利要求1所述的方法，其特征是膜可以是陶瓷超滤膜或者陶瓷微滤膜或者各种多聚高分子材料所制作的超滤膜或者微滤膜；可以是卷式膜、管式膜、中空纤维膜或者平板膜。

9、根据权利要求7所述的方法，其特征是微滤膜的孔径不应大于0.2微米；超滤膜的分子截止量在1K至500K道尔顿范围；料液的线速度可在1-50米/秒；当钠滤膜的分子截止量是大于150道尔顿有机物，及两价，两价以上的离子，在膜进出两端的压力应在6-20大气压，当反渗透膜的分子截止量是大于50道尔顿有机物，及无机离子.膜进出两端的压力应在16-55大气压；膜的操作温度可在10-40℃。