CN102617325B

CN102617325B - 一种利用离子交换树脂对丁二酸发酵液进行脱色的方法

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Publication number: CN102617325B
Application number: CN201110029752.7A
Authority: CN
Inventors: 李强; 邢建民; 王丹; 宋子煜; 张云剑
Original assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Priority date: 2011-01-27
Filing date: 2011-01-27
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2031-01-27
Also published as: CN102617325A

Abstract

本发明涉及一种利用离子交换树脂对丁二酸发酵液进行脱色的方法。本发明的利用离子交换树脂对丁二酸发酵液进行脱色的方法包括使用离子交换树脂对丁二酸发酵液脱色的步骤；具体的包括以下步骤：1)将丁二酸发酵液离心除杂，得到不含固形物的丁二酸发酵液；2)将阳离子和阴离子交换树脂串联，并进行预处理；3)在30～50℃下将步骤1)中的丁二酸发酵液加入步骤2)中的处理后的离子交换树脂，进行脱色，有色物质和杂质吸附在离子交换树脂上，得到脱色后的丁二酸发酵液。与现有技术相比，本发明具有以下优点：树脂对色素具有良好的选择性吸附，色素容易解离，水洗即可，酸洗和碱洗可以实现离子交换树脂的再生。

Description

一种利用离子交换树脂对丁二酸发酵液进行脱色的方法

技术领域

本发明涉及丁二酸分离纯化领域，具体地，本发明涉及一种利用离子交换树脂对丁二酸发酵液进行脱色的方法。

背景技术

丁二酸(Succinic Acid)又名琥珀酸，属于弱酸性二元有机羧酸，是微生物三羧酸循环及糖酵解途径的重要代谢产物，可以采用微生物发酵法进行生产，因其独特的结构和化学性质，丁二酸在很多领域有着广泛的用途，可用于合成可降解塑料、医药领域的镇定剂、食品工业的食品添加剂、表面活性剂及其它等。除了对发酵工艺(US7455997、CN101389752、US6596921)及菌种选育(CN101531972)等方面的探索，丁二酸的分离纯化也是发酵液生产丁二酸的重要研究内容。

微生物发酵液中存在有大量色素分子，如一些微生物代谢产生的糖蛋白和多肽，以及培养基中碳源、氮源中存在的色素分子；如果不能有效除去色素分子，不仅会影响上下游的分离纯化单元操作，还会影响产品纯度。丁二酸的制备成本主要由发酵过程和分离费用组成，其中分离纯化的成本占总生产成本的60％以上，如何降低分离成本、提高纯度是国内外的研究热点，已经出现了一定数量的专利。目前专利及文献中报道的丁二酸的分离纯化方法主要有钙盐法(CN101643400、US5143834)、液液萃取法(US5773653)、吸附法(CN101348428、CN101348429、CN101811953A)、电渗析法(CN101486637A)、膜分离(CN101748161A)等方法，其中广泛使用的脱色剂为木质活性炭，分为粉末活性碳和颗粒活性炭，虽然颗粒活性炭脱色效果很好而且可以再生，但是每吨约15万元的价格过于昂贵。粉末活性碳在使用过程中存在诸多弊端，如失效快(＜5个月)，不可重复利用，使用过程中存在粉尘，造成后处理困难，发酵液通过活性碳后引起电导率升高，影响后续单元操作。

发明内容

本发明的目的在于将离子交换树脂应用于丁二酸发酵液脱色领域中。

本发明的再一目的在于提供了一种利用离子交换树脂对丁二酸发酵液进行脱色的方法。

根据本发明的利用离子交换树脂对丁二酸发酵液进行脱色的方法，所述方法包括使用离子交换树脂对丁二酸发酵液脱色的步骤。

根据本发明的利用离子交换树脂对丁二酸发酵液进行脱色的方法，所述方法包括以下步骤：

1)将丁二酸发酵液离心除杂，得到不含固形物的丁二酸发酵液；

2)将阳离子和阴离子交换树脂串联，并进行预处理；

3)在30～50℃下将步骤1)中的丁二酸发酵液加入步骤2)中的处理后的离子交换树脂，进行脱色，有色物质和杂质吸附在离子交换树脂上，得到脱色后的丁二酸发酵液。

根据本发明的利用离子交换树脂对丁二酸发酵液进行脱色的方法，所述步骤2)中离子交换树脂包括：ZGA455、ZGD301、ZGA331、NKD301、NKD380、XUS40285、Reillex 425、Reillex 402、IRA-93、IRA-35、AG-3或AG-1。

根据本发明的利用离子交换树脂对丁二酸发酵液进行脱色的方法，所述步骤2)中离子交换树脂的预处理为将离子交换树脂浸泡，并依次用4wt％HCl、水、4wt％NaOH和水进行处理至流出液为中性。

根据本发明的一实施例，利用离子交换树脂对丁二酸进行脱色的方法具体的包括以下步骤：

1)利用微生物发酵生产丁二酸，当发酵液中丁二酸的浓度达到10～100g/L时，放罐，放罐后将含有微生物菌体和培养基固形物的发酵液进行离心预处理，得到不含澄清的丁二酸发酵液；

2)使用含水量为50～60％，湿视密度0.65～0.85g/mL，湿真密度1.03～1.13g/mL，粒度大于95％，磨后圆球率大于98％，对丁二酸吸附量小于0.01mg/g干树脂的离子交换树脂，将树脂填充到串联的阳离子和阴离子层析柱中，阳离子和阴离子交换树脂进行串联时先后顺序可以根据需要进行交换，阳离子交换树脂主要用于金属离子的吸附和有色物质，而阴离子交换树脂主要用于其它阴离子杂质和有色物质的吸附，其中树脂装入量按照树脂膨胀之后计算式柱体积的60～90％，将填充床层析柱先用去离子水正洗后反洗；

3)将澄清发酵液在30℃～50℃时，以1.5～4.5BV/h流量泵入离子交换层析柱进行脱色，当流穿液透光率为进样液的60～80％时，视为树脂达到色素分子最大吸附量，吸附饱和，停止进样，当流穿液透光率大于95％时，可以进入其它丁二酸分离纯化操作单元进一步提纯丁二酸；

4)脱色后的树脂使用0.1～10M NaOH、KOH、Na₂CO₃或K₂CO₃溶液以2～5BV/h的流量对处于色素分离饱和吸附的树脂进行洗脱再生，再生后的树脂使用去离子水冲洗至pH6.0～8.5，去离子水淋洗总量为3BV。

本发明克服了常规离子交换树脂只能用来进行离子交换、分离纯化的惯性思维，将离子交换树脂应用到丁二酸发酵液的脱色领域中，发现应用离子交换树脂对丁二酸的发酵液进行脱色具有良好的效果，同时还能起到对丁二酸发酵液纯化的目的。此外，本发明的发明人还对离子交换树脂对丁二酸进行脱色时的操作条件进行了考察，发现相对于丁二酸发酵液的流速、树脂的容量以及洗脱剂来说，其脱色的温度为关键因素，当温度过低于30℃时，发酵液经过离子交换树脂的速度很慢，效率很低，达不到良好的经济效益，当温度为50℃时脱色效果达到最高，温度过高时由于树脂对有色物质吸附能力降低，因此其脱色率降低，因此当温度在30～50℃时可以达到最佳的综合效果。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、树脂对色素具有良好的选择性吸附，色素容易洗脱，水洗即可，酸洗和碱洗可以实现树脂的再生。

2、树脂对丁二酸没有吸附或吸附量很少，洗脱液中所含丁二酸浓度少于5g/L。

3、树脂机械强度大，可以提高进样流速。

4、颗粒状树脂存在填充间隙，反压低，发酵液流穿阻力小。

5、发酵液通过树脂脱色的同时，还能起到脱盐效果，降低发酵液电导率。

6、树脂再生率大于98％，重复使用三十次对色素吸附量降低不超过20％，可以反复使用。

7、使用离子交换树脂对丁二酸发酵液进行脱色，效果优于活性炭脱色，可以节约分离成本。

附图说明

图1为本发明实施例2中以NKD301树脂对丁二酸脱色的脱色率随温度变化示意图。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明作进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明，而不用于限定本发明的范围。

实施例1

1、丁二酸的发酵

发酵所选微生物采用琥珀酸放线杆菌(Actinobacillus succinogenes)，又名130Z^T，保存于美国菌种保藏中心(ATCC)，编号ATCC55618。培养基的配制：保存培养基和活化培养基为营养丰富的TSB培养基；种子培养基配方(单位：g/L)葡萄糖10，酵母粉6，NaCl 1，MgCl₂ 2，CaCl₂ 1.5，Na₂HPO₄ 2.9，NaH₂PO₄ 2.2；种子培养基配方(单位：g/L)葡萄糖30，酵母粉15，尿素2，KCl 4，MgCl₂ 2，MnCl₂0.07，CaCl₂1.5，Na₂HPO₄ 4.4，NaH₂PO₄ 3.3。调节pH值为6.4～6.9，121℃灭菌30分钟。

无菌操作条件下，在发酵液中加入种子液，接种量的体积百分比为5～7％，此时琥珀酸量为0，开启搅拌，生物反应器搅拌桨的转速为125rpm～150rpm，通入过滤除菌的二氧化碳气体，气体流速≥0.2vvm，在37～39℃条件下发酵。

表1产丁二酸放线杆菌分批发酵结果

2、离子交换树脂的选取

层析柱填充树脂选用的来源和类型如表2所示，树脂先用去离子水浸泡24小时，然后依次经过4次“4wt％HCl、水、4wt％NaOH和水”预处理，树脂处理为-OH型，最后用无菌水冲洗床层，至流出液pH值为中性，即可准备进样发酵液；达到饱和吸附量后，选择0.1～10MNaOH溶液作为洗脱剂洗脱，所选树脂在扩张床内经过一次吸附、洗脱、再生循环发酵液后的效果见表2。

表2脱色树脂选型

3、离子交换树脂脱色效果的评价方法

采用国标色值法(GB317-1998)，测定预处理发酵液在420nm处的吸光度变化。脱色率和解吸率计算方法如下：

脱色率(％)＝(脱色前待测发酵液的吸光度一脱色后待测发酵液的吸光度)/脱色前待测发酵液的吸光度

解吸率(％)＝解吸液吸光度/(脱色前发酵液吸光度一脱色后发酵液吸光度)

选取步骤2中NKD301树脂进行静态脱色实验，考察不同温度对NKD301树脂静态脱色率的影响准确量取10ml预处理过湿树脂于50ml三角瓶中，加入pH 7，30mL离心预处理后的发酵澄清液，分别于30、40、50、60、70℃水浴中搅拌4h，为降低引入的误差，每个实验做三个平行样，测吸附后流出液在420nm处的吸光度，计算脱色率。图1是NKD301树脂静态脱色试验得到的温度对脱色率变化曲线图，可以看出，温度对离子交换树脂的吸附性能的影响比较大，温度在30～50℃静态脱色率逐渐增大，超过50℃后脱色率下降较为明显。

4、利用离子交换树脂对丁二酸发酵液进行脱色处理

以步骤1中54小时放罐的发酵液为样本进行脱色，其中丁二酸浓度为85g/L，甲酸浓度为10g/L，乙酸浓度9g/L，残糖浓度为3g/L，发酵液pH6.8。

发酵液经过离心操作之后，菌体的除去率为98％，蛋白的除去率35％，将获得的微滤渗透液进行脱色操作，具体为将温度控制在45℃时，以3BV/h流量泵入离子交换层析柱，收集流传液，当流穿液透光率为进样液的60～80％时，停止进样。此时，发酵液脱色率达80％以上，树脂对发酵液中色素吸附饱和，流穿液色度降低明显，透光率达97％。

将透光率为97％的流穿液进行超滤操作，超滤操作采用中空纤维膜设备，膜材料选择有机膜，膜截留分离量为6000～20000道尔顿，采用错流操作的方式，操作温度为25℃，操作压力为0.5MPa，超滤之后，蛋白质的除去率为82％，此时丁二酸浓度为90g/L，进一步进行纳滤操作，其中纳滤膜的截留相对分子量为90，温度为室温，操作压力为2MPa，经过纳滤之后，丁二酸的截留率达到96％，乙酸的透过率为89％，甲酸的透过率87％，硫酸根离子的截留率为98％，镁离子的截留率为98％，钙离子的截留率为99％，蛋白质的截留率为100％。经两步结膜分离单元操作后丁二酸的收率为90％，纯度为99.5％以上，硫酸盐含量低于0.001％。

将上述获得的透光率为97％的流穿液进行钙盐法分离操作，将Ca(OH)₂乳浆(25～33％w/v)在室温下缓慢加入脱色后的发酵清液中，转速300r/min，控制搅拌均匀，当反应体系的酸度值升至12.5，离心收集丁二酸钙固体，用水洗三次，加入H₂SO₄(40～60％w/v)，迅速搅拌直至体系pH降至2.0，离心分离硫酸钙，澄清液放置60℃恒温箱中过夜得到丁二酸结晶。

通过比较离子交换树脂脱色处理后丁二酸发酵液，发现其色素含量极大降低，脱色后的发酵液采用钙盐法工艺提纯，将该后续工艺中得到的石膏(硫酸钙)，丁二酸钙沉淀，以及离子交换树脂脱色处理后进一步采用钙盐法分离得到的丁二酸纯品进行比较发现，表观颜色均为晶体白色，与纯度为99.9％的商用丁二酸产品色泽相近。

Claims

1.一种利用离子交换树脂对丁二酸发酵液进行脱色的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

2)将阳离子和阴离子交换树脂串联，并进行预处理；

3)在30～50℃下将步骤1)中的丁二酸发酵液加入步骤2)中的处理后的离子交换树脂，进行脱色，有色物质和杂质吸附在离子交换树脂上，得到脱色后的丁二酸发酵液；

所述步骤2)中离子交换树脂的装入量为树脂膨胀后计算时柱体积的60～90％；

所述步骤3)丁二酸发酵液的流量为1.5～4.5BV/h。

2.根据权利要求1所述利用离子交换树脂对丁二酸发酵液进行脱色的方法，其特征在于，所述离子交换树脂包括：ZGA455、ZGD301、ZGA331、NKD301、NKD380、XUS40285、Reillex425、Reillex402、IRA-93、IRA-35、AG-3或AG-1。

3.根据权利要求1所述利用离子交换树脂对丁二酸发酵液进行脱色的方法，其特征在于，所述步骤2)中离子交换树脂的预处理为将离子交换树脂浸泡，并依次用4wt％HCl、水、4wt％NaOH和水进行处理至流出液为中性。

4.根据权利要求1所述利用离子交换树脂对丁二酸发酵液进行脱色的方法，其特征在于，所述方法包括将步骤3)中的离子交换树脂用碱液进行洗脱，再用去离子水冲洗至pH5.0～8.5，实现树脂的再生的步骤。

5.根据权利要求4所述利用离子交换树脂对丁二酸发酵液进行脱色的方法，其特征在于，所述碱液为NaOH、KOH、Na₂CO₃或K₂CO₃，其浓度为0.1～10M，流量为2～5BV/h。