專利名稱：一種用陽離子樹脂吸附提取發酵液中1,3-丙二醇的方法
技術領域：
本發明涉及微生物發酵產品的分離方法，尤其是涉及一種利用陽離子樹脂吸附提取發酵液中1，3-丙二醇方法。
背景技術：
I, 3-丙二醇(1，3-PD)是一種重要的化工原料，廣泛應用于化妝品、液體清潔劑、防凍液、服裝、室內裝飾材料、工程聚合物等諸多領域。作為一種含有雙功能團的二醇，1，3-丙二醇可以用于多種有機合成反應，特別是用作合成聚酯、聚醚和聚亞胺酯的單體，其最主要的一個用途是與對苯二甲酸生成聚對苯二甲酸丙二醇酯(PTT)。PTT具有優良的性能和廣闊的應用前景，國家化纖部門已將發展PTT列入“十五”合成纖維產品結構調整規劃中。目前1，3-丙二醇的生產方法主要是環氧丙烷法和丙烯醛法，但這兩種方法存在副反應多、反應條件高、環境污染嚴重等問題，極大地限制了 1，3-丙二醇的應用和推廣。而采用微生物發酵法生產1，3-丙二醇具有原料可再生、操作簡便、反應條件溫和、副產物較少、環境·污染小等優點，已越來越多地受到人們的重視。在微生物發酵法生產1，3-丙二醇中，發酵液中除目標產物1，3-丙二醇外，還有大量的水、菌體細胞、蛋白質、有機鹽類等雜質。通常情況下發酵液中1，3-丙二醇的濃度較低，在80g/L左右為較高水平；此外1,3-丙二醇的沸點較高，在常壓下為214°C，遠高于水；因此將1，3-丙二醇從發酵液中分離提取是十分困難的，這使得產品的分離純化成本占生產總成本的50%以上，成為大規模生產1，3-丙二醇的瓶頸問題。目前，從發酵液中分離提純1，3-丙二醇的方法主要有多效蒸餾+精餾法、有機溶劑萃取法、反應萃取法、分子篩分離法、雙水相萃取法以及電滲析法。美國專利US5008473中采用的多效蒸發+精餾法是利用四效蒸發將質量分數為59Γ15%的1，3-丙二醇水溶液濃縮到80%以上，甚至達到90%后再通過精餾獲得合格的1，3-丙二醇產品。但是由于發酵液中1，3-丙二醇的濃度較低，需處理的發酵液量比較大，因此該方法存在的問題是過程能耗比較高，并且需要脫鹽、脫蛋白質等預處理過程。有機溶劑萃取法主要采用醇類通過液液萃取從發酵液中分離提取1，3_丙二醇。Janusz 等(Malinowski JJ. Biotechnol Tech, 1999，13 (2) : 127-130)米用Extractantscreening program程序選擇萃取劑，該程序利用UNIQUAC基團分配法來計算多組分液液平衡，主要考察醇的同分異構體和含有功能基團的醇類的萃取能力。結果顯示，體系中存在的2，3-丁二醇、甘油與溶劑的親和力較大而使得1，3-丙二醇的選擇性降低。美國專利US0222153中研究使用戊醇、丙醇、己醇、蓖麻油等萃取分離1，3-丙二醇，但是由于該方法需加入大量的溶劑且分配系數很低，很難大規模應用。反應萃取法以強酸性樹脂為催化劑，加入乙醛與1，3-丙二醇發生可逆縮醛反應，生成2-甲基-1，3- 二噁烷(2MD)，脫去有機相中水后，用鄰二甲苯、甲苯或乙苯萃取2MD，最后2MD水解得到1，3-丙二醇。但是該方法有機溶劑用量大，且乙醛沸點低，容易形成多聚物，回收困難。此外采用芳香烴類物質進行萃取，具有一定的毒性，這極大地限制了該方法的エ業應用(Malinowski JJ. Biotechol Prog, 2000，16 (I) : 76-79)。分子篩分離法主要采用活性炭、硅沸石、沸石膜等分子篩對1，3_丙ニ醇進行分離提取。Schlieker 等(Schlieker H，Gunzel B, Deckwer WD. Chem IngTech, 1992,64(8) :727-728)使用活性炭分離1，3-丙ニ醇發現，由于甘油顯著的非特異性吸附使得活性炭在吸附1，3-丙ニ醇的同時也部分吸附甘油，導致最終甘油發酵產率大大降低。Schoellner 等(Schoellner R, Elnicke WD, Unverricht S. J PraktChem, 1994，33(5):404-407)檢驗了幾種沸石的吸附性能，結果顯示，鹽也可能會被浙濾到沸石中，此外，還需考慮如何將1，3-丙ニ醇從沸石中回收。分子篩法存在的主要問題是單程產率低沸石的機械強度和熱穩定性較差，耗時較長。電滲析的主要原理是通過離子交換膜，把離子化合物和非離子化合物分開。Gong(Yan Gong, Yu Tang. Desalination. 2004, 161:169-178)開發了一種方法，主要流程為發酵液通過電滲析脫鹽，濃縮，真空精餾得到產品。為了除去發酵液中的陰陽離子，在最后的提取過程中還要采用陰陽離子交換膜。雖然電滲析能很好地去除鹽類離子，但是這種方法的缺點是操作費用很高、1，3-丙ニ醇的損失很大、占地面積大、極大地増加了エ業成本。
Li (Li ZGjJiang B，Zhang DJ, et al. Sep Purif Technol, 2009，66 (3) : 472-478)開發出新的雙水相體系，結果表明，由強極性溶劑和含高價態陰離子的鹽組成的雙水相體系能有效地從1，3-丙ニ醇發酵液中萃取1，3-丙ニ醇。該方法雖然可以實現微生物菌體與1，3-丙ニ醇的同時分離，簡化分離過程，但是其存在的問題是萃取后目標產物1，3-丙ニ醇的回收研究尚未進行。因此需進一歩研究得到較完整的エ藝后再重新評估該方法大規模應用的可行性。上述提取分離方法中或是存在方法過于復雜，或是所采用試劑有毒性、成本高，或是存在能耗大、環境污染嚴重等問題，不利于發酵1，3-丙ニ醇的規模化生產。
發明內容
本發明的目的在于針對現有的1，3-丙ニ醇的分離提取存在的問題，從環境保護、材料循環利用的角度，基于吸附法，提供ー種無污染，投資少，不僅可降低1，3-丙ニ醇的分離成本，而且節省時間，提高生產效率的利用陽離子樹脂吸附提取發酵液中1，3-丙ニ醇的方法。本發明包括以下步驟I)將1，3-丙ニ醇發酵液pH調至f 7，加入絮凝劑和活性炭，攪拌，靜置并自然沉降；在步驟I)中，所述1，3-丙ニ醇發酵液是由廢甘油為原料經微生物發酵得到；所述將1，3-丙ニ醇發酵液pH調至f 7，可采用硫酸或鹽酸，所述硫酸或鹽酸的濃度可為2 4mol/L，所述pH可為4飛；所述絮凝劑和活性炭的加入量，按質量百分比可分別為發酵液質量的19T5%和0. 29TO. 5% ;所述絮凝劑可采用分子質量為15 20萬的殼聚糖或分子質量為1(T50萬的聚丙烯酰胺或甲殼素，所選活性炭可采用12(T140目的大孔粉末狀活性炭；所述攪拌的時間可為30 60min。2)通過離心或過濾的方法除去步驟I)所得的發酵液中的菌體、蛋白質以及其他不溶性固型顆粒，得到上清液；
3)用陽離子樹脂吸附步驟2)所得的上清液中的1，3_丙二醇，上柱流速為
0.5 2. OmT ,/mi η ；在步驟(3)中，所述陽離子樹脂可選用001X1、001X4、001X7、001X8、DlOUD113、H-103、LX-10D等類型陽離子樹脂中的一種。4)樹脂柱吸附飽和后，洗滌，洗脫，收集洗脫液；在步驟4)中，所述洗脫，可采用體積百分比為509^100%的乙醇洗脫，洗脫流速可為 O. 5 5. OmT ,/mi η。5)將步驟4)所得的含有1，3-丙二醇的洗脫液減壓蒸餾，獲得989Γ99. 6%的
1,3-丙二醇產品。在步驟5)中，所述減壓蒸餾的真空度可為O. 093 O. 097MPa，取129 149°C 餾分即為高純度1，3-丙二醇。將經過洗脫后的陽離子樹脂調節至中性，可重復用于發酵液中1，3-丙二醇的吸附。所述1，3-丙二醇產品可通過高效液相色譜法進行鑒定。通過條件設定，出峰時間為20. 05min的物質即為1，3-丙二醇，其質量通過峰面積進行確定，其純度由峰面積所占的比例確定。與現有的技術路線相比，本發明具有的優點和有益效果在于(I)菌體細胞、蛋白質的絮凝沉淀以及脫色在同一步驟中實現；低pH下，絮凝劑的加入能使得菌體蛋白質更加有效地絮凝，強化了絮凝效果，使除菌和除蛋白質變得更加簡單，徹底。(2)采用陽離子樹脂吸附、乙醇洗脫的方法從發酵液中分離提取1，3-丙二醇，省去了脫鹽過程，此外不采用有毒有機溶劑，無殘留，不污染環境，達到環保的要求。(3)采用陽離子樹脂作為吸附劑，吸附容量大、脫附方便、脫附率高，成本低。(4)減壓蒸餾得到的乙醇可以重新作為洗脫劑，實現了操作過程中的物料回收再利用。(5)經過洗脫的陽離子樹脂對發酵液中的1，3-丙二醇仍具有較好的吸附特性，可以重復使用，顯著減少提取過程中的材料消耗，降低1，3-丙二醇的提取費用，提高產品的經濟效益。
圖I為實施例2中吸附柱I洗脫后得到1，3-丙二醇的鑒定圖譜。圖2為實施例2中吸附柱I再洗脫后得到1，3-丙二醇的鑒定圖譜。圖3為實施例3中吸附柱II洗脫后得到1，3-丙二醇的鑒定圖譜。圖4為實施例3中吸附柱II 洗脫后得到1，3-丙二醇的鑒定圖譜。圖5為實施例4中吸附柱III洗脫后得到1，3_丙二醇的鑒定圖譜。圖6為實施例4中吸附柱III再洗脫后得到1，3_丙二醇的鑒定圖譜。圖7為實施例5中吸附柱IV洗脫后得到1，3-丙二醇的鑒定圖譜。圖8為實施例6中吸附柱V洗脫后得到1，3-丙二醇的鑒定圖譜。圖9為實施例7中吸附柱VI洗脫后得到1，3-丙二醇的鑒定圖譜。在圖廣9中，橫坐標為時間(min)，縱坐標為峰高(nRIU)。
具體實施例方式實施例I :本實施例所處理的發酵液是以廢甘油為底物，通過丁酸梭菌發酵產生1，3_丙ニ醇發酵液，發酵終止pH為7. 0 ;其中1，3-丙ニ醇濃度為52g/L，甘油濃度為2g/L。(I)取上述發酵液,加入lwt%的絮凝劑與0. 2wt%的粉末狀活性炭,攪拌60min,靜置并自然沉降；(2)通過板框過濾除去菌體和蛋白質，得到上清液；(3)25°C下，在250mL錐形瓶中加入I. Og濕樹脂和適量的上清液，將錐形瓶置于恒溫搖床中，150r/min下進行吸附，當溶液中1，3-丙ニ醇的濃度不再改變時，說明樹脂已達到飽和；然后測定溶液中1，3-丙ニ醇的濃度，計算1，3-丙ニ醇的飽和吸附量。各種樹脂的吸附容量如表I。表I不同種類樹脂對1，3-丙ニ醇和甘油的選擇性吸附效果
權利要求
1.一種用陽離子樹脂吸附提取發酵液中1，3-丙二醇的方法，其特征在于包括以下步驟 1)將1，3-丙二醇發酵液pH調至廣7，加入絮凝劑和活性炭，攪拌，靜置并自然沉降； 2)通過離心或過濾的方法除去步驟I)所得的發酵液中的菌體、蛋白質以及其他不溶性固型顆粒，得到上清液； 3)用陽離子樹脂吸附步驟2)所得的上清液中的1，3-丙二醇，上柱流速為0.5^2. OmL/min ； 4)樹脂柱吸附飽和后，洗滌，洗脫，收集洗脫液； 5)將步驟4)所得的含有1，3-丙二醇的洗脫液減壓蒸餾，獲得989T99.6%的1，3-丙二醇產品。
2.如權利要求I所述的一種用陽離子樹脂吸附提取發酵液中1，3-丙二醇的方法，其特征在于在步驟I)中，所述1，3-丙二醇發酵液是由廢甘油為原料經微生物發酵得到。
3.如權利要求I所述的一種用陽離子樹脂吸附提取發酵液中1，3-丙二醇的方法，其特征在于在步驟I)中，所述將1，3-丙二醇發酵液pH調至f 7，是采用硫酸或鹽酸，所述硫酸或鹽酸的濃度為2 4mol/L。
4.如權利要求I所述的一種用陽離子樹脂吸附提取發酵液中1，3-丙二醇的方法，其特征在于在步驟I)中，所述pH為4 5。
5.如權利要求I所述的一種用陽離子樹脂吸附提取發酵液中1，3-丙二醇的方法，其特征在于在步驟I)中，所述絮凝劑和活性炭的加入量，按質量百分比分別為發酵液質量的1% 5% 和 0. 2% 0. 5%o
6.如權利要求I所述的一種用陽離子樹脂吸附提取發酵液中1，3-丙二醇的方法，其特征在于在步驟I)中，所述絮凝劑采用分子質量為15 20萬的殼聚糖或分子質量為1(T50萬的聚丙烯酰胺或甲殼素。
7.如權利要求I所述的一種用陽離子樹脂吸附提取發酵液中1，3-丙二醇的方法，其特征在于在步驟I)中，所選活性炭采用120140目的大孔粉末狀活性炭；所述攪拌的時間可為 30 60min。
8.如權利要求I所述的一種用陽離子樹脂吸附提取發酵液中1，3-丙二醇的方法，其特征在于在步驟3)中，所述陽離子樹脂選用001X1、001X4、001X7、001X8、DlOU D113、H-103、LX-10D類型陽離子樹脂中的一種。
9.如權利要求I所述的一種用陽離子樹脂吸附提取發酵液中1，3-丙二醇的方法，其特征在于在步驟4)中，所述洗脫，是采用體積百分比為509^100%的乙醇洗脫，洗脫流速為0.5 5. OmT ,/mi n n
10.如權利要求I所述的一種用陽離子樹脂吸附提取發酵液中1，3-丙二醇的方法，其特征在于在步驟5)中，所述減壓蒸餾的真空度為0. 093 0. 097MPa，取129 149°C餾分即為高純度1，3-丙二醇。
全文摘要
一種用陽離子樹脂吸附提取發酵液中1,3-丙二醇的方法，涉及微生物發酵產品的分離方法。將1,3-丙二醇發酵液pH調至1~7，加入絮凝劑和活性炭，攪拌，靜置并自然沉降；通過離心或過濾的方法除去所得的發酵液中的菌體、蛋白質以及其他不溶性固型顆粒，得到上清液；用陽離子樹脂吸附所得的上清液中的1,3-丙二醇，上柱流速為0.5~2.0mL/min；樹脂柱吸附飽和后，洗滌，洗脫，收集洗脫液；將所得的含有1,3-丙二醇的洗脫液減壓蒸餾，獲得98%~99.6%的1,3-丙二醇產品。無污染，投資少，不僅可降低1,3-丙二醇的分離成本，而且節省時間，提高生產效率。
文檔編號C07C31/20GK102795962SQ201210327740
公開日2012年11月28日 申請日期2012年9月6日 優先權日2012年9月6日
發明者方柏山, 代洪飛, 王世珍, 彭雅娟 申請人:廈門大學