CN1634823A - 从发酵液中分离提取1，3－丙二醇及其副产物的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于生化分离技术领域的一种发酵法生产1，3－丙二醇下游分离提取工艺。该工艺首先通过精馏分离发酵液中的乙醇，再通过阳离子型絮凝剂和非离子型絮凝剂复合絮凝分离发酵液中的固形物和溶解蛋白质。清液用酸调pH后用醛进行反应萃取，1，3－丙二醇、2，3－丁二醇和甘油与醛类进行缩醛反应，生成环状的缩醛与水相分离，发酵液中的盐类和其他可溶性杂质随水相与1，3－丙二醇、2，3－丁二醇和甘油分离。缩醛水解采用反应精馏，使用固体酸催化剂，可以得到高浓度的1，3－丙二醇、2，3－丁二醇和甘油混合物。1，3－丙二醇、2，3－丁二醇和甘油混合物采用普通精馏再进行分离。萃余相中过量的醛通过精馏回收。提取分离工艺简单，能耗较低，产品回收率高，设备投资少占地面少。

Description

从发酵液中分离提取1，3-丙二醇及其副产物的方法

技术领域

本发明属于生物分离技术领域，特别涉及一种从发酵液中分离提取1，3-丙二醇及其副产物的方法。

背景技术

1，3-丙二醇(1，3-Propandiol，简称PDO)是生产聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)的单体。在文献“Smith，J.G.Polym.Sci.，Part A-1.1966，4，1851-1859的《Preparation and properties of poly(methylene terephthalates)》”和“Witt U，et al J，Makromol Chem Phys，1994，195：793~802的，《Synthesisproperties and biodegradability of polyesters based on 1，3-propanediol》”中报导，PTT是一种生物可降解的聚酯材料，应用于高级纺织材料。与聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚对苯二甲酸丁二醇酯(PDT)相比，1，3-丙二醇的奇数碳原子数使PTT具有特殊的性能。现行的PDO生产方法主要有丙烯醛法和环氧乙烷法，但这两种方法存在副反应多、反应条件苛刻以及环境污染等问题，而且产量较少，极大地制约了PDO的生产和应用，利用甘油或葡萄糖发酵法生产PDO具有条件温和、生产原料为可再生资源、环境污染小等优点，受到越来越多的重视。

綦文涛、修志龙在“中国生物工程杂志，2003，23，64-68”中发表的“甘油歧化生产1，3-丙二醇过程的代谢和基因调控机理研究进展”及张健、赵红英、刘宏娟等在“现代化工，2002，22，32-35”上发表的“葡萄糖作为辅助底物发酵生产1，3-丙二醇的研究”Charles E Nakamura在“Current Opinion inBiotechnology 2003，14：454-459”中发表的“Metabolic engineering for themicrobial production of 1，3-propanediol”；H.Biebl·K.Menzel·A.-P.Zeng·W.-D.Deckwer在“Appl Microbiol Biotechnol(1999)52：289-297”中发表的“Microbial production of 1，3-propanediol”Biebl，H.在“Appl.Microbiol.Biotechnol.1991，35，701-705”中发表的“Glycerol fermentationof 1，3-propanediol by Clostridium butyricum. Measurement of productinhibition by use of a pH-auxostat”；Laffend；Lisa Anne；Nagarajan；Vasantha；Nakamura；Charles Edwin.在“United States Patent 5,686,276，1997”中发表的“Bioconversion of a fermentable carbon source to1，3-propanediol by a single microorganism”表明，以甘油或甘油发酵液或葡萄糖为原料，利用克雷伯氏肺炎杆菌(Klebsiella pneumoniae)丁酸梭菌(Clostridium pasteurianum)重组大肠杆菌(E.coli K12)等菌种进行发酵时，发酵结束时1，3-丙二醇在发酵液中的浓度在5~13％左右。同时发酵液中还含有很多副产物乙酸盐、乳酸盐、琥珀酸盐、甘油、乙醇、2，3-丁二醇及菌体和残余的培养基等组分。要想从发酵液中提取1，3-丙二醇、甘油、2，3-丁二醇就必须将这些物质与水和杂质进行分离。

现有的从发酵液中分离提取1，3-丙二醇的方法主要有：

1.浓缩蒸馏法，首先将带菌的发酵液直接蒸馏浓缩；冷却后，按一定比例加入乙醇或甲醇、正丙醇、异丙醇、丙酮、丁酮等，然后通过沉降或过滤或离心分离沉淀，取上清液；再用同样的醇或酮洗涤沉淀，然后通过沉降或过滤或离心分离沉淀，取上清液；将所得上清液通过蒸馏或精馏回收醇或酮(修志龙；张代佳；高素军等，微生物发酵液中提取分离1，3-丙二醇的方法  CN14606712003.12.1C)。

2.使用离子交换法，将发酵液通过阳离子交换树脂，再通过溶剂洗脱，收集1，3-丙二醇组分(Hilaly；Ahmad K；Binder；Thomas P.，Method of recovering1，3-propanediol from fermentation broth，US 6,479,716，November 12，2002；Roturier；Jean-Michel；Fouache；Catherine；Berghmans；Elie，Process forthe purification of 1，3-propanediol from a fermentation medium，US6,428,992，August 6，2002)。

3.碱调节发酵液pH，再通过其他方法进行分离，包括蒸馏，精馏，过滤、萃取和结晶等操作(Ames；Tyler T.，Process for the isolation of1，3-propanediol from fermentation breth US 6,361,983，March 26，2002)。

4.使用醇类简单液液萃取从发酵液中提取1，3-丙二醇(Janusz J.Malinowski，Evaluation of liquid extraction potential s for downstreamseparation of1，3-propanediol，Biotechnology Techniques 13：127-130，1999.)。

5.使用甲醛、乙醛与1，3-丙二醇进行反应，产物用有机溶剂萃取再还原；Janusz J.Malinowski，Reactive Extraction for Downstream Separation of1，3-Propanediol，Biotechnol.Prog.2000，16，76-79向波涛，陈书锋，刘德华，发酵液中1，3-丙二醇的萃取分离，清华大学学报(自然科学版)2001，41(12)53-55。

6.发酵液通过电渗析脱盐，浓缩，真空精馏获得产品；Yan Gong，Yu Tang，The possibility of the desalination of actual 1，3-propanediolfermentation broth by electrodialysis，Desalination 2004.161：169~178.

对于以上列出的从发酵液中提取1，3-丙二醇的方法，1、3方法存在能耗大，消耗大量有机溶剂的缺点；2、4中的方法工业可行性较差；5中的方法甲醛、乙醛沸点低，并易形成多聚体回收困难，而且使用苯等有机溶剂萃取毒性较大；6中电渗析脱盐1，3-丙二醇损失大，设备费用高占地面积大。以上列出的所有提取方法没有完整的从发酵液中提取分离1，3-丙二醇、甘油、2，3-丁二醇的工艺。

发明内容

本发明的目的是提供一种从发酵液中分离提取1，3-丙二醇及其副产物的方法。其特征在于：利用精馏、复合絮凝、反应萃取和反应精馏法，从发酵液中分离提取1，3-丙二醇及其副产物乙醇、甘油和2，3-丁二醇的工艺过程为：

1)将含1，3-丙二醇的发酵液通过精馏塔，分离出发酵液中的乙醇；

2)发酵液加入50～400ppm阳离子型絮凝剂和20～300ppm的非离子型絮凝剂，除去菌体固形物和蛋白质；

3)用酸调节发酵液的pH为1-3；

4)发酵液用15wt％～40wt％丙醛、丁醛、异丁醛或异戊醛丁醛进行反应萃取，醇与醛发生缩醛反应形成缩醛，并被萃取到有机相；

5)萃取相中加入5wt％～15wt％的水，通过填有固体酸的精馏塔进行反应精馏，醛类分离出后使得缩醛水解反应得以正向进行，得到1，3-丙二醇、甘油和2，3-丁二醇混合物，同时回收醛类；

6)1，3-丙二醇、甘油和2，3-丁二醇混合物通过精馏分别获得1，3-丙二醇、甘油和2，3-丁二醇产品；

7)萃余相用氢氧化钙或氢氧化钠中和后，其中过量的醛通过精馏回收。

所述调节发酵液的pH用酸为硫酸或盐酸。

所述发酵液为：以甘油或葡萄糖为底物的利用克雷伯氏肺炎杆菌(Klebsiella pneumoniae)、丁酸梭菌(Clostridium butyricum)或重组大肠杆菌(E.coli)进行发酵所得到的发酵液。

所述阳离子型絮凝剂为：丙烯酰胺-甲基丙烯酸-2-羟基丙酯基三甲基氯化铵共聚物、丙烯酰胺-甲基丙烯酸乙酯基三甲基氯化铵共聚物、丙烯酰胺-甲基丙烯酸乙酯基三甲基铵硫酸甲酯共聚物、丙烯酰胺-丙烯酸乙酯基三甲基铵硫酸甲酯共聚物、聚二甲基二烯丙基氯化铵、丙烯酰胺-二甲基二烯丙基氯化铵共聚物、乙-羟基丙基二甲基氯化铵-二(乙-羟基丙基)烷基氯化铵共聚物、距2-羟基丙基二甲基氯化铵、聚三聚氰胺缩甲醛、丙烯酰胺-丙烯酸乙酯共聚物、烯酰胺-甲基丙烯酸-N-二甲基乙胺酯共聚物、烯酰胺-N、N-二甲基胺基丙烯酰胺共聚物、聚N、N-二甲基胺基-1-羟基乙基-2-羟基丙胺、聚亚胺、聚环眯基乙烯、聚苯乙烯四甲基氯化胺、聚乙烯咪唑啉、聚-2-羟基丙基-N-二甲基氯化胺、聚二烯丙基二甲基氯化胺或壳聚糖。

所述非离子型絮凝剂为：聚乙烯醇、聚乙烯基甲基醚、聚丙烯酰胺、聚氧化乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙酸乙烯酯水解物、聚α-氰基丙烯酸甲酯或聚烷基酚-环氧乙烷。

所述固体酸包括：凝胶强酸型阳离子交换树脂、大孔强酸型阳离子交换树脂或杂多酸。

本发明的有益效果为工艺路线简单，能耗较低，劳动强度低，设备成本低，设备占地面积小，发酵液中的1，3-丙二醇和2，3-丁二醇总回收率可达95％、甘油收率可达40％。省去过滤、脱盐和浓缩过程，不使用苯等萃取剂，污染较低等特点。

具体实施方式

本发明提供一种从发酵液中分离提取1，3-丙二醇及其副产物的方法。是利用精馏、复合絮凝、反应萃取和反应精馏对1，3-丙二醇发酵液中各种产物、副产物分离提取的新工艺。所述复合絮凝利用阳离子型絮凝剂和非离子型絮凝剂复合絮凝发酵液除去菌体等固形物及大部分可溶蛋白质。反应萃取步骤缩醛反应和萃取同时进行的反应萃取法方法。反应精馏步骤利用固体酸催化剂，缩醛水解反应与精馏分离过程结合，使得水解反应可以正向进行彻底。发酵液中的各种可溶性杂质随萃余相进入醛回收精馏塔，最后通过醪液排放，从发酵液中分离提取1，3-丙二醇及其副产物乙醇、甘油和2，3-丁二醇的工艺过程为：

1)将含1，3-丙二醇的发酵液通过精馏塔，分离出发酵液中的乙醇；

2)发酵液加入50～400ppm阳离子型絮凝剂和20～300ppm的非离子型絮凝剂，除去菌体固形物和蛋白质；

3)用酸调节发酵液的pH为1-3；

4)发酵液用15wt％～40wt％丙醛、丁醛、异丁醛或异戊醛丁醛进行反应萃取，醇与醛发生缩醛反应形成缩醛，并被萃取到有机相；

5)萃取相中加入5wt％～15wt％的水，通过填有固体酸的精馏塔进行反应精馏，醛类分离出后使得缩醛水解反应得以正向进行，得到1，3-丙二醇、甘油和2，3-丁二醇混合物，同时回收醛类；

6)1，3-丙二醇、甘油和2，3-丁二醇混合物通过精馏分别获得1，3-丙二醇、甘油和2，3-丁二醇产品；

7)萃余相用氢氧化钙或氢氧化钠中和后，其中过量的醛通过精馏回收。

下面再举具体实例对本发明方法予以说明。

实例1

(1)发酵液：1，3-丙二醇53.5g/L；2，3-丁二醇7.5g/L；甘油27.6g/L；乙醇8.1g/L；乳酸5.9g/L；醋酸10.5g/L；琥珀酸5.6g/L；OD4.7；可溶性蛋白0.4g/L。

(2)精馏分离乙醇条件：筛板塔，中部进料，塔底温度100℃，回流比3∶1(体积比)。

(3)絮凝条件：100ppm壳聚糖，200ppm聚丙烯酰胺，发酵OD降为0，可溶性蛋白含量降为0.16g/L，发酵液回收率98％。

(4)发酵液调pH：硫酸调pH至2。

(5)反应萃取条件：萃取反应剂，正丁醛，用量，15％，4级逆流萃取。

(6)反应萃取结果：所得萃取相，1，3-丙二醇缩醛650g/L；2，3-丁二醇缩醛120g/L；甘油缩醛60g/L。1，3-丙二醇缩醛、2，3-丁二醇缩醛回收率95％，甘油缩醛回收率30％。

(7)反应精馏条件：填料塔，催化剂，大孔强酸型H型阳离子交换树脂，中部进料，塔底温度160℃，回流比3∶1。

(8)反应精馏结果：塔顶所得纯正丁醛，塔底所得，1，3-丙二醇580g/L；2，3-丁二醇100g/L；甘油60g/L，1，3-丙二醇、2，3-丁二醇回收率98％，甘油回收率80％。

(9)萃余相正丁醛回收：筛板塔，中部进料，塔底温度100℃，回流比3∶1(体积比)，塔顶得到纯正丁醛。

实例2

(1)发酵液：1，3-丙二醇53.5g/L；2，3-丁二醇7.5g/L；甘油27.6g/L；乙醇8.1g/L；乳酸5.9g/L；醋酸10.5g/L；琥珀酸5.6g/L；OD 4.7；可溶性蛋白0.4g/L。

(2)精馏分离乙醇条件：筛板塔，中部进料，塔底温度100℃，回流比3∶1(体积比)。

(3)絮凝条件：150ppm壳聚糖，150ppm聚丙烯酰胺，发酵OD降为0，可溶性蛋白含量降为0.13g/L，发酵液回收率99％。

(4)发酵液调pH：硫酸调pH至1.5。

(5)反应萃取条件：萃取反应剂，正丁醛，用量，20％，4级逆流萃取。

(6)反应萃取结果：所得萃取相，1，3-丙二醇缩醛580g/L；2，3-丁二醇缩醛110g/L；甘油缩醛50g/L。1，3-丙二醇缩醛、2，3-丁二醇缩醛回收率98％，甘油缩醛回收率50％。

(7)反应精馏条件：填料塔，催化剂，凝胶强酸型H型阳离子交换树脂，中部进料，塔底温度160℃，回流比3∶1(体积比)。

(8)反应精馏结果：塔顶所得纯正丁醛，塔底所得，1，3-丙二醇580g/L；2，3-丁二醇100g/L；甘油60g/L，1，3-丙二醇、2，3-丁二醇回收率98％甘油回收率80％。

(9)萃余相正丁醛回收：筛板塔，中部进料，塔底温度100℃，回流比3∶1(体积比)，塔顶得到纯正丁醛。

Claims (6)

1.一种从发酵液中分离提取1，3-丙二醇及其副产物的方法，其特征在于：利用精馏、复合絮凝、反应萃取和反应精馏法，从发酵液中分离提取1，3-丙二醇及其副产物乙醇、甘油和2，3-丁二醇的工艺过程为：

1)将含1，3-丙二醇的发酵液通过精馏塔，分离出发酵液中的乙醇；

2)发酵液加入50～400ppm阳离子型絮凝剂和20～300ppm的非离子型絮凝剂，除去菌体固形物和蛋白质；

3)用酸调节发酵液的pH为1-3；

4)发酵液用15wt％～40wt％丙醛、丁醛、异丁醛或异戊醛丁醛进行反应萃取，醇与醛发生缩醛反应形成缩醛，并被萃取到有机相；

5)萃取相中加入5wt％～15wt％的水，通过填有固体酸的精馏塔进行反应精馏，醛类分离出后使得缩醛水解反应得以正向进行，得到1，3-丙二醇、甘油和2，3-丁二醇混合物，同时回收醛类；

6)1，3-丙二醇、甘油和2，3-丁二醇混合物通过精馏分别获得1，3-丙二醇、甘油和2，3-丁二醇产品；

7)萃余相用氢氧化钙或氢氧化钠中和后，其中过量的醛通过精馏回收。

2.根据权利要求1所述从发酵液中分离提取1，3-丙二醇及其副产物的方法，其特征在于：所述调节发酵液的pH用酸为硫酸或盐酸。

3.根据权利要求1所述从发酵液中分离提取1，3-丙二醇及其副产物的方法，其特征在于：所述发酵液为：以甘油或葡萄糖为底物的利用克雷伯氏肺炎杆菌(Klebsiella pneumoniae)、丁酸梭菌(Clostridium pasteurianum)或重组大肠杆菌(E.coli)菌种进行发酵所得到的发酵液。

4.根据权利要求1所述从发酵液中分离提取1，3-丙二醇及其副产物的方法，其特征在于：所述阳离子型絮凝剂为：丙烯酰胺-甲基丙烯酸-2-羟基丙酯基三甲基氯化铵共聚物、丙烯酰胺-甲基丙烯酸乙酯基三甲基氯化铵共聚物、丙烯酰胺-甲基丙烯酸乙酯基三甲基铵硫酸甲酯共聚物、丙烯酰胺-丙烯酸乙酯基三甲基铵硫酸甲酯共聚物、聚二甲基二烯丙基氯化铵、丙烯酰胺-二甲基二烯丙基氯化铵共聚物、乙-羟基丙基二甲基氯化铵-二(乙-羟基丙基)烷基氯化铵共聚物、距2-羟基丙基二甲基氯化铵、聚三聚氰胺缩甲醛、丙烯酰胺-丙烯酸乙酯共聚物、烯酰胺-甲基丙烯酸-N-二甲基乙胺酯共聚物、烯酰胺-N、N-二甲基胺基丙烯酰胺共聚物、聚N、N-二甲基胺基-1-羟基乙基-2-羟基丙胺、聚亚胺、聚环眯基乙烯、聚苯乙烯四甲基氯化胺、聚乙烯咪唑啉、聚-2-羟基丙基-N-二甲基氯化胺、聚二烯丙基二甲基氯化胺或壳聚糖。

5.根据权利要求1所述从发酵液中分离提取1，3-丙二醇及其副产物的方法，其特征在于：所述非离子型絮凝剂为：聚乙烯醇、聚乙烯基甲基醚、聚丙烯酰胺、聚氧化乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙酸乙烯酯水解物、聚α-氰基丙烯酸甲酯或聚烷基酚-环氧乙烷。

6.根据权利要求1所述从发酵液中分离提取1，3-丙二醇及其副产物的方法，其特征在于：所述固体酸为：凝胶强酸型阳离子交换树脂、大孔强酸型阳离子交换树脂或杂多酸。