CN101081810B

CN101081810B - 生物催化生产的丙烯酸的提纯方法

Info

Publication number: CN101081810B
Application number: CN2006100271259A
Authority: CN
Inventors: 薛建萍; 罗积杏; 李还宝; 朱健; 唐璐敏; 沈寅初
Original assignee: SHANGHAI PESTICIDE RESEARCH INSTITUTE
Current assignee: SHANGHAI PESTICIDE RESEARCH INSTITUTE
Priority date: 2006-05-30
Filing date: 2006-05-30
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2026-05-30
Also published as: CN101081810A

Abstract

本发明公开了一种生物催化生产的丙烯酸的提纯方法。本方法包括将微生物酶催化得到的反应液脱色、浓缩、脱盐/酸化、萃取、气提和脱水得到产品丙烯酸，纯度≥98％。本方法具有分离提纯工艺简单、污染小、得到的丙烯酸产品杂质少、纯度高的显著特点。

Description

生物催化生产的丙烯酸的提纯方法

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丙烯酸的提纯方法。

背景技术

丙烯酸是一种重要有机原料，用于生产聚丙烯酸酯、聚丙烯酸及其盐或与其他单体形成的共聚物等高分子材料，这些材料在合成树脂、合成橡胶、合成纤维以及涂料、乳胶、粘合剂、鞣革、造纸、洗涤剂等领域应用广泛。

工业化生产丙烯酸的方法很多，但最常用的方法主要包括：(1)丙烯腈水解法，该法依赖于化学水解，在强酸的催化下丙烯腈首先水解生成丙烯酰胺，后者进一步水解为丙烯酸，此法工艺路线简单，设备投资相对较小，缺点是污染严重，副产物酸性铵盐处理困难。(2)丙烯气相氧化法，丙烯在金属催化剂作用下氧化成丙烯醛，再被氧化成丙烯酸，由于石油工业能够大量提供廉价的丙烯，且反应中丙烯酸的收率高，该法成为目前最经济的生产丙烯酸的方法，也是大规模生产的首选方法，此法的生产能力占世界总生产能力的85％以上，但该方法的缺点是投资较高，需要耐高温高压设备，特别是由于产生乙酸、甲酸等杂质给产物的提纯带来很多麻烦。

由于化学法通常反应条件苛刻，环境污染大，副反应多，难以满足市场对高纯度丙烯酸产品的需求。有文献提议应用生物催化方法合成丙烯酸，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。利用微生物固有的酶催化丙烯腈水解产生丙烯酸铵，已有不少相关文献报道实例，如在Appl.Microbail.Biotechnol.1990，34：322-324和美国专利U.S.5135858中描述的Rhodococcus rhodochrous J1菌属；专利WO03066872(等同于U.S.6,670,158)中公开的Comamonas testosteroni 5-MGAM-4D菌属；美国专利U.S.6,361,981和U.S.6,162,624及U.S.5,998,180中公开的Rhodococcus rhodochrous NCIMB40757 or NCIMB 40833菌属；山东大学学报(自然科学版)1994，29(2)：217-223中描述的Pseudomonadaceae菌属；J.Chem.Soc.，Perkin Trans.1，1997，1099-1104中描述的Rhodococcus sp.AJ270菌属；Appl.Environ.Microbiol.，1976，31(6)，900-906中描述的Nocardia rhodochrous LL100-21菌属；J.Bacteriol.，1990，172(9)，4807-4815中描述的Rhodococcus Rhodochrous K22菌属。

有关产物的提纯，在实例如在Appl.Microbail.Biotechnol.1990，34：322-324中介绍，通过离心除去细胞后得到反应清液，直接用乙醚从反应清液中萃取出丙烯酸，萃取液蒸发除去大部分萃取剂后，粗丙烯酸通过精溜进一步提纯，由于反应生成的是丙烯酸铵，反应过程中pH基本上无变化，因此直接萃取显然不妥，且反应过程中没调节pH的必要；而在实例如U.S.6,361,981中则直接以反应生成的丙烯酸铵为产品，没有转化为相应的丙烯酸的说明。

显然由生物催化方法合成丙烯酸已为替代化学方法展示了良好前景，但是当前生物催化生产丙烯酸存在的不足在于，文献报道的实例均为小规模的批式反应，缺乏能够规模化连续化的生产工艺，且无产物丙烯酸分离提纯的具体说明，包括从丙烯酸铵到丙烯酸的转化以及丙烯酸产品的提纯等，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丙烯酸的提纯方法。

本发明的生物催化生产的丙烯酸的提纯方法包括以下步骤：

对生物催化反应得到的丙烯酸反应液进行提纯得到高纯度的丙烯酸产品，包括含产物反应清液的收集、反应清液脱色、脱盐/酸化、浓缩、萃取、气提和脱水等步骤，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，得到丙烯酸铵的水溶液；

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、卷式膜、陶瓷膜或超滤膜。

(2)丙烯酸铵水溶液的脱色：

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)丙烯酸铵水溶液的脱盐/酸化：

含产物的脱色清液或含产物的浓缩液可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，脱盐可以是静态交换也可以是动态交换，操作条件按常规方式进行；也可以通过加入酸如盐酸、硫酸、磷酸等无机酸达到释放出丙烯酸的目的。

(4)丙烯酸水溶液的浓缩：

经过脱盐后得到纯净的丙烯酸水溶液，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＞60％(以丙烯酸计)的丙烯酸水溶液。

(5)丙烯酸的萃取：

浓缩后的丙烯酸水溶液，用有机溶剂进行萃取，对丙烯酸有较大溶解性的有机溶剂均可应用，如乙醚、二氯甲烷、异丙醚、石油醚或二氯乙烷等。

(6)萃取液气提：

通过向萃取液中通空气鼓泡的方法，除去大部分萃取剂，同时达到阻聚的目的，结果得到高浓度丙烯酸，同时萃取剂冷却回收。

(7)丙烯酸溶液脱水：

气提后的丙烯酸溶液含有少量的水，可以通过加入吸水的无机盐达到脱水目的，脱水后过滤，用萃取剂洗涤吸水的无机盐，回收夹带的丙烯酸，吸水无机盐用烘箱干燥后，可重复利用。

根据本发明，所述的强酸或弱酸阳离子树脂选自：732型或D152。

根据本发明，所述的丙烯酸溶液的浓缩是通过减压蒸馏或薄膜浓缩完成的。

根据本发明，所述的减压蒸馏或薄膜浓缩的温度控制在20-80℃。

根据本发明，所述的气提是用通空气鼓泡来实现的。

根据产品质量要求，可进一步减压蒸馏得到的丙烯酸溶液，得到纯度更高的丙烯酸产品。

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，得到的丙烯酸产品具有纯度高、杂质少等显著优点。

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中，除特别注明的外，均为质量体积百分比浓度。

以下涉及到的原材料皆为市售得到。

以下实施例所使用的乳酪短杆菌(Brevibacterium casei)已于2003年1月20日提交位于北京市海淀区中关村北一条13号的中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(CGMCC)保藏，保藏号为CGMCC No.0887。

实施例1、生物发酵法生产丙烯酸

配制种子培养基，其组成包括：葡萄糖1.5％，酵母膏0.5％，NaCl0.1％，K₂HPO₄0.05％，MgSO₄·7H₂O0.05％，尿素0.5％，pH7.2；

再配制发酵培养基，其组成包括：

葡萄糖：1.1％；酵母膏：0.8％；尿素1.3％；K₂HPO₄：0.08％；KH₂PO₄：0.03％；MgSO₄·7H₂O：0.05％；pH7.2；

在5L种子罐中装入种子培养基40％，灭菌后接入1.5％的乳酪短杆菌(Brevibacteriumcasei，保藏号为CGMCC No.0887)菌种，在温度28℃，搅拌转速250rpm的条件下培养40小时，得到种子液，在50L的发酵罐中装入50％的发酵培养基，实罐消毒后接入6％的种子液，在通气量1：0.6，搅拌转速250rpm，罐压0.04Mpa，温度28℃的条件下，发酵培养100小时。

取发酵液3.5L，用中空纤维膜过滤，流量180mL/min，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％的丙烯腈【按体积1.5L计，即按每1.5L已恢复至初始发酵液体积的前述溶液中加入7.5克丙烯腈(折百)】，于28℃水浴温度和150rpm搅拌转速条件下反应，反应式如下：

Figure 72201DEST_PATH_RE-RE-S06127125920060818D000041

(由于反应在水溶液中进行，得到的产物为丙烯酸铵水溶液)

反应过程中间歇加入底物，即通过HPLC色谱跟踪分析，当底物浓度低于0.1％时，按0.5％的量以前述方式加入底物；反应68小时，底物累计加入次数55次，共加入412.5g，约825mL。

取反应液样品，经高压液相色谱(HPLC)定量分析(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(以丙烯酸铵计)3.13M，丙烯酸产率>95.0％。

实施例2、反应液的离心或过滤

各取实施例1得到的浓度为3.13M的反应液1000ml，分别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180mL/min，压力0.8Kg/cm²；

3、用卷式膜过滤，流量180mL/min，压力10Kg/cm²；

4、用陶瓷膜过滤，流量180mL/min，压力4Kg/cm²；

5、用平板超滤膜过滤，流量180mL/min，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

实施例3、脱色

将按实施例2得到的含有产物的各反应清液混和，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，颜色近无色，HPLC色谱分析，其中产物浓度(以丙烯酸铵计)为3.00M，收率96.8％。

实施例4、脱盐/酸化

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20mL/min，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，经HPLC色谱分析，丙烯酸浓度为1.77M；取去离子水500mL先后洗涤两树脂柱，得到洗涤液480mL，经HPLC色谱分析，丙烯酸浓度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％。

另取实施例3的脱色清液1000mL，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，经HPLC色谱分析，丙烯酸浓度2.67M，氨气敏电极检测无铵离子存在；树脂加入600mL去离子水洗涤，再抽滤，收集滤液550mL，氨气敏电极检测无铵离子存在，经HPLC色谱分析，丙烯酸浓度0.39M，过程总收率96.6％。

另取实施例3得到的浓缩反应清液，如表2所列按等摩尔量加入无机酸，缓慢加入同时冰浴搅拌，有大量白色无机铵盐析出，抽滤得到白色或微黄色固体粉末，并用乙醚洗涤回收残留丙烯酸；酸化前后的产物浓度，经HPLC色谱分析，结果列于表3。

表2、

	无机酸	酸化前浓度％	酸化后浓度％
				1	盐酸	61.3	34.4
2	盐酸	64.2	36.3
				3	盐酸	82.0	35.9
4	盐酸	70.1	35.2
				6	硫酸	64.5	52.9
7	磷酸	72.6	59.8

实施例5、浓缩

按实施例4得到的丙烯酸溶液，在表2所示的不同条件下减压蒸馏或薄膜浓缩，浓缩过程的溜出液，经HPLC色谱分析，检测到有少量的丙烯酸，实验结果列于表3。

表3、浓缩

Figure 496360DEST_PATH_RE-S06127125920060818D000051

实施例6、萃取

按实施例5方法得到的浓缩液，如表4所列用有机溶剂萃取，萃取剂用量为萃液体积的一倍，分两次萃取，分液后，收集萃取有机相，并经HPLC色谱分析萃液萃取前后浓度变化，不同条件下的实验结果列于表4。

表4、萃取

萃液浓度(％)	萃取剂	总萃取率(％)	条件
				34.8	乙醚	93.7	冰浴、搅拌
27.5	乙醚	91.7	冰浴、搅拌
				36.3	乙醚	69.1	冰浴、搅拌
7.4	异丙醚	72.5	冰浴、搅拌
				35.9	乙醚	81.6	震荡
8.4	二氯甲烷	37.4	冰浴、搅拌
				6.8	二氯乙烷	34.3	冰浴、搅拌
8.6	石油醚	25.0	冰浴、搅拌

实施例7、气提

按实施例6方法得到的含丙烯酸的萃取有机相，在冰浴条件下，进行通气鼓泡提浓，将有机溶剂除去，并将挥发出来的有机溶剂，进行低温冷却回收，实验结果列于表5。

表5、气提

浓缩前浓度(％)	浓缩后浓度(％)	浓缩时间(hr)	萃取溶剂
				8.7	83.0	7.5	异丙醚
11.1	94.2	2.0	乙醚
				18.5	96.9	3.0	乙醚
39.8	98.5	3.4	乙醚
				42.7	94.6	3.9	乙醚
37.4	88.1	5.0	二氯甲烷
				5.3	70.1	>6.0	二氯乙烷
11.1	92.8	>5.0	石油醚

实施例8、脱水

取实施例7得到的的丙烯酸，按体积5％加入无机盐进行脱水，然后抽滤，得到高浓度丙烯酸，吸水的无机盐用有机溶剂如乙醚洗涤回收残留丙烯酸，无机盐放烘箱干燥，实现重复利用；脱水前后的产物丙烯酸纯度经气相色谱归一法分析(安捷伦公司，Agilent-6890N)，实验结果列于表6。

表6、脱水

脱水前纯度(％)	脱水后纯度(％)	脱水时间(hr)	脱水剂
				96.9	98.6	0.5	无水Na₂SO₄
98.5	99.2	0.5	无水Na₂SO₄
				96.9	98.1	0.5	无水MgSO₄
96.9	98.5	0.5	无水CaSO₄

本方法包括将微生物酶催化得到的反应清液过滤收集、脱色、脱盐/酸化、浓缩、萃取、气提和脱水而得到丙烯酸，纯度≥98％。

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)总的提取收率较高，达到90-95％；

(5)得到的丙烯酸杂质少，纯度≥98％。

Claims

1.一种生物催化生产的丙烯酸的提纯方法，其特征在于包括以下步骤：

a、过滤：将含有丙烯酸的反应液过滤，收集得到含有丙烯酸铵的反应清液；

b、脱色：将得到的丙烯酸铵溶液用活性炭脱色；

c、脱盐/酸化：将脱色后的丙烯酸铵溶液用强酸或弱酸阳离子树脂进行离子交换或无机酸酸化得到丙烯酸产物溶液；

d、浓缩：将得到的丙烯酸溶液进行浓缩脱去水分；

e、萃取：将得到的丙烯酸浓缩液用乙醚、二氯甲烷、异丙醚、石油醚或二氯乙烷进行萃取；

f、气提：将得到的萃取液用气提方法除去萃取剂；

g、脱水：将得到的丙烯酸产品脱去残留的水分。

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所选用的膜选自：中空纤维膜、卷式膜、陶瓷膜或超滤膜。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的强酸或弱酸阳离子树脂选自：732型或D152。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的丙烯酸溶液的浓缩是通过减压蒸馏或薄膜浓缩完成的。

6.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℃。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的气提是用通空气鼓泡来实现的。