專利名稱：一種從微生物發(fā)酵液中提取丁二酸的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及 一種從微生物發(fā)酵液中提取丁二酸的方法。
背景技術：
丁二酸又稱為琥珀酸，它是一種重要的C4平臺化合物，美國能源部公布的12種最重要的平臺化合物之一，目前丁二酸存在四個主要市場第一，作為表面活性劑、清潔劑、添加劑和起泡劑；第二，作為離子鰲合劑，用于在電鍍行業(yè)防止金屬的溶蝕和點蝕；第三，在食品行業(yè)中作為酸化劑、PH改良劑、風味物質和抗菌劑；第四是和健康有關的產品，包括醫(yī)藥、抗生素、氨基酸和維生素等。丁二酸的這四個市場份額總量超過4億美元/年。丁二酸同時還是一種重要的化學合成原材料，它可以取代很多基于苯和石化中間產物的商品，這可減少在超過250種苯基化學制品的生產和消費過程中所產生的污染。目前已開發(fā)出多項技術將丁二酸轉化為重要的工業(yè)化學品，包括N-甲基吡咯烷酮、1，4_ 丁二醇、四氫吠喃、Y - 丁內酯、PBT樹脂、己二酸、PBS等。其中PBS是目前眾多生物降解材料中綜合性能佳、發(fā)展前景被廣泛看好的全生物降解合成高分子。近幾年，利用微生物發(fā)酵生產丁二酸成為行業(yè)的研發(fā)熱點。該方法成本低廉、生產效率高、環(huán)境污染少，對丁二酸產業(yè)發(fā)展產生積極作用。從微生物發(fā)酵液中提取丁二酸的經濟性是影響生物基丁二酸能否大規(guī)模生產的重要因素。提取過程中的收率、副產物的分離以及廢棄物的綜合利用等是微生物發(fā)酵生產丁二酸下游過程的關鍵技術，主要的提取技術有鈣鹽法、銨鹽法、溶劑萃取法、電滲析法、膜分離法、離子交換法等。但上述的分離提取方法都存在各種缺點1)鈣鹽法的優(yōu)勢是設備投資小、運行成本較低，缺陷是提取步驟繁瑣，勞動強度大，收率較低，在提取過程中產生大量的硫酸鈣廢棄物；2)銨鹽法的提取收率較高，但是操作步驟繁瑣，難度大，操作費用高，后處理的成本高；3)電滲析法的提取收率和產品純度都很高，缺陷是能耗高，處理雜質離子有很大的局限性，如不能處理二價離子，設備投資大，操作成本高；4)溶劑萃取法的優(yōu)勢是前期設備投資小，產品純度較高但是在提取的過程中需消耗大量昂貴的有機溶劑，導致提純成本較高，同時殘留溶劑的毒性對食品級及醫(yī)藥級產品的質量有不良影響，該法還不能完全去除雜酸；5)膜分離法的雜酸不能根本去除，收率較低,投資成本較高；6)離子交換法的收率很高，但是因為丁二酸濃度低，導致蒸發(fā)費用高，離子交換樹脂的壽命短也推高了運行費用，另外，樹脂再生過程中產生了大量的廢水。上述提取方法中或存在設備投資大、運行費用高，或產品收率和純度低，或步驟繁瑣、人力成本高，或產生大量廢棄物和廢水，環(huán)保壓力大，不利于發(fā)酵法生產丁二酸的工業(yè)化進程。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對現有技術的不足，提供了一種工藝流程短、步驟簡單、成本低、選擇性好且產品質量高的從微生物發(fā)酵液中提取丁二酸的方法。
本發(fā)明所提供的從微生物發(fā)酵液中提取丁二酸的方法，包括下述步驟I)膜過濾將微生物發(fā)酵法生產的丁二酸鈉發(fā)酵液進行過濾，除掉菌體和大蛋白，得到澄清發(fā)酵液；2)鹽酸酸化將所述澄清發(fā)酵液進行酸化至pH值為1_3(優(yōu)選pH值為2)，得到酸化發(fā)酵液；3)濃縮結晶將所述酸化發(fā)酵液濃縮至丁二酸濃度為300_400g/L，通過固液分離得到氯化鈉固體和澄清濃縮液；4)冷卻結晶將所述濃縮液進行冷卻結晶，通過固液分離得到丁二酸固體和澄清濾液；5)濃縮結晶將所述濾液繼續(xù)濃縮，通過固液分離得到第二部分氯化鈉固體和殘留母液；·6)循環(huán)操作將所述殘留母液按照上述4)和5)的步驟進行循環(huán)操作I次，或收集到足夠的母液后可重復循環(huán)操作多次，得到丁二酸固體和氯化鈉固體；合并得到的丁二酸固體和氯化鈉固體。所述方法還進一步包括對上述得到的丁二酸固體和氯化鈉固體進行純化的步驟；具體方法如下分別將丁二酸固體和氯化鈉固體溶解后進行脫色、重結晶的步驟。純化后所獲得的丁二酸純度達到99. 5%以上，收率在85%以上。其中，步驟I)中所述過濾是采用微濾膜或超濾膜進行的。所述微濾膜的孔徑為< O. 45 μ m。所述超濾膜的孔徑為O. 01 μ m-o. 02 μ m。步驟2)中所述酸化的優(yōu)選pH值為2。所述酸化中采用的酸化試劑為質量分數為36% -38%的濃鹽酸。步驟3)和步驟5)中所述濃縮的溫度為70_100°C，進一步可為80_90°C。步驟3)可在70-100°C通過減壓蒸餾裝置，例如旋轉蒸發(fā)儀、單效濃縮設備、多效濃縮設備等裝置濃縮所述發(fā)酵液至丁二酸濃度為300-400g/L，優(yōu)選300-350g/L。本發(fā)明中對于氯化鈉沉淀的固液分離方法，可以采用諸如離心分離、離心過濾、壓濾、膜濾、抽濾等方法，它們具有以下功能在固液分離期間維持體系中的溫度與濃縮和加熱時的溫度相同水平或更高，以及保持在分離過程期間僅氯化鈉的晶體沉淀而丁二酸的晶體不沉淀的狀態(tài)。步驟4)中所述冷卻結晶是在0_5°C條件下進行1-3小時，優(yōu)選進行I. 5-2小時。步驟4)中對丁二酸固體的固液分離方法可以采用離心、抽濾、壓濾等方法。步驟5)中對所述濾液濃縮至丁二酸濃度達到100_150g/L時停止。本發(fā)明的方法主要是利用氯化鈉的溶解度隨溫度的變化幅度較小，而丁二酸的溶解度隨溫度的變化幅度較大來完成的。將鹽酸添加到該含丁二酸鈉的溶液中，然后在丁二酸和氯化鈉共存的狀態(tài)下，首先選擇性地使部分氯化鈉沉淀并將它移除，隨后選擇性地使丁二酸的晶體沉淀并將它移除，最后分離移除剩余的氯化鈉，分別回收丁二酸和氯化鈉進行重結晶，可以有效地制備高純度的丁二酸和氯化鈉。本發(fā)明方法的優(yōu)點主要體現在如下四個方面(I)所需設備是常規(guī)設備，設備投資低，運行成本低；(2)產品純度高，能滿足PBS (聚丁二酸丁二醇酯)的聚合要求，收率高，能達到85%以上；(3)提取過程中生成的副產物氯化鈉可作為產品進行市場銷售，間接降低了丁二酸的提取成本；(4)提取過程中生成少量的菌體、活性炭、無機鹽廢水等可回收處理或用作肥料，不會對環(huán)境造成壓力。


圖I為從丁二酸鈉發(fā)酵液中分離提取丁二酸的方法的流程圖。
具體實施方式

下面通過具體實施例對本發(fā)明的方法進行說明，但本發(fā)明并不局限于此。下述實施例中所述實驗方法，如無特殊說明，均為常規(guī)方法；所述試劑和生物材料，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑獲得。實施例中所采用的丁二酸鈉發(fā)酵液是按照下述方法制備得到的采用大腸桿菌工程菌XZT124(中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心，保藏號為CGMCCNo. 4512)進行丁二酸發(fā)酵，在無機鹽培養(yǎng)基中進行37°C厭氧發(fā)酵96h，獲得95-100g/L的丁二酸鈉發(fā)酵液。實施例I、從微生物發(fā)酵液中提取丁二酸I)將經過微生物厭氧發(fā)酵所得2L含98g/L 丁二酸鈉的發(fā)酵液通過超濾膜(截留分子量為O. 02 μ m)濾掉菌體和大蛋白，得到澄清發(fā)酵液。2)在攪拌條件下，向上述發(fā)酵液中緩慢地添加質量分數為35%的濃鹽酸，至溶液PH = 2時停止，得到酸化發(fā)酵液。3)通過旋轉蒸發(fā)儀在80°C濃縮酸化發(fā)酵液至丁二酸濃度為320g/L，通過抽濾槽進行固液分離，移除氯化鈉固體，收集澄清濾液。4)將步驟3)中所獲得的濾液在4°C、攪拌條件下進行冷卻結晶2h，通過抽濾槽進行固液分離，移除丁二酸固體，收集澄清濾液。5)將步驟4)中所獲得的濾液通過旋轉蒸發(fā)儀在80°C繼續(xù)濃縮至丁二酸濃度為150g/L，獲得第二份氯化鈉固體和殘留母液。6)將上述殘留母液重復上述4)和5)步驟進行循環(huán)操作I次，獲得第二份丁二酸固體和第三份氯化鈉固體。7)分別收集上述得到氯化鈉固體和丁二酸固體，用去離子水溶解后，通過脫色、重結晶、烘干等操作步驟獲得丁二酸和氯化鈉純品。采用HPLC法進行測定，丁二酸純度達到99. 5%,收率達到86. 8%，經檢驗完全滿足PBS聚合要求。實施例2、從微生物發(fā)酵液中提取丁二酸I)將經過微生物厭氧發(fā)酵所得2L含98g/L 丁二酸鈉的發(fā)酵液通過超濾膜(截留分子量為O. 02 μ m)除掉菌體和大蛋白，獲得澄清發(fā)酵液。2)在攪拌條件下，向上述發(fā)酵液中逐漸添加質量分數為35%的濃鹽酸進行酸化，至溶液PH = 2時停止，得到酸化發(fā)酵液。3)通過旋轉蒸發(fā)儀在90°C濃縮酸化發(fā)酵液至丁二酸濃度為350g/L，通過抽濾槽進行固液分離，移除氯化鈉固體，收集澄清濾液。4)將步驟3)中所獲得的濾液在4°C、攪拌條件下進行冷卻結晶I. 5h，通過抽濾槽進行固液分離，移除丁二酸固體，收集澄清濾液。
5)將步驟4)中所獲得的濾液通過旋轉蒸發(fā)儀在90°C繼續(xù)濃縮丁二酸濃度為150g/L，獲得第二份氯化鈉固體。6)將上述殘留母液重復上述4)和5)步驟進行循環(huán)操作I次，獲得第二份丁二酸固體和第三份氯化鈉固體。 7)分別收集氯化鈉和丁二酸固體，用去離子水溶解后，通過脫色、重結晶、烘干等操作步驟獲得丁二酸和氯化鈉純品，經HPLC法檢測，丁二酸純度達到99. 7%，丁二酸收率為85. I %，經檢驗完全滿足PBS聚合要求。
權利要求
1.一種從微生物發(fā)酵液中提取丁二酸的方法，包括下述步驟 1)將丁二酸鈉發(fā)酵液進行過濾，除掉菌體和大蛋白，得到發(fā)酵液； 2)將所述發(fā)酵液進行酸化至pH值為I 3，得到酸化發(fā)酵液； 3)將所述酸化發(fā)酵液濃縮至丁二酸濃度為300-400g/L，通過固液分離得到氯化鈉固體和濃縮液； 4)將所述濃縮液進行冷卻結晶，通過固液分離得到丁二酸固體和濾液； 5)將所述濾液繼續(xù)濃縮，通過固液分離得到第二部分氯化鈉固體和殘留母液； 6)將所述殘留母液按照上述4)和5)的步驟進行循環(huán)操作，得到丁二酸固體和氯化鈉固體；合并得到的丁二酸固體和氯化鈉固體。
2.根據權利要求I所述的方法，其特征在于步驟I)中所述過濾是采用微濾膜或超濾膜進行的；所述微濾膜的孔徑小于O. 45 μ m。所述超濾膜的孔徑為O. Ol μ m-0. 02 μ m。
3.根據權利要求I或2所述的方法，其特征在于步驟2)中將所述發(fā)酵液進行酸化至pH值為2。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的方法，其特征在于步驟2)中所述酸化采用的酸化試劑為質量分數為36% -38%的濃鹽酸。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的方法，其特征在于步驟3)中將所述酸化發(fā)酵液濃縮至丁二酸濃度為300-350g/L。
6.根據權利要求1-5中任一項所述的方法，其特征在于步驟3)和步驟5)中所述濃縮的溫度為70-100°C。
7.根據權利要求1-6中任一項所述的方法，其特征在于步驟4)中所述冷卻結晶在0-5°C條件下進行1-3小時。
8.根據權利要求1-7中任一項所述的方法，其特征在于所述方法還包括對得到的丁二酸固體和氯化鈉固體進行純化的步驟；具體方法如下分別將丁二酸固體和氯化鈉固體溶解后進行脫色、重結晶的步驟。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種從發(fā)酵液中分離提取丁二酸的方法。該方法包括下述步驟1)微生物發(fā)酵得到的丁二酸鈉發(fā)酵液通過超濾或微濾膜進行澄清，去除菌體及其它較大顆粒的雜質；2)澄清發(fā)酵液通過濃鹽酸進行酸化，至pH＝1-3，優(yōu)選2.0；3)酸化液通過減壓蒸餾濃縮至丁二酸濃度在300-400g/L，通過固液分離移除氯化鈉沉淀；4)將步驟3)中所獲得的濾液在05度、攪拌的條件下進行冷卻結晶，獲得丁二酸固體；5)將步驟4)中所獲得的濾液繼續(xù)濃縮得到第二部分氯化鈉沉淀；6)將殘余母液按照上述4)和5)步驟進行循環(huán)操作，獲得丁二酸固體和氯化鈉固體；7)丁二酸固體和氯化鈉固體經溶解、脫色和重結晶之后獲得高純度的丁二酸晶體和氯化鈉晶體。
文檔編號C01D3/14GK102942472SQ201210476729
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月22日 優(yōu)先權日2012年11月22日
發(fā)明者張學禮, 徐洪濤, 唐金磊 申請人:天津工業(yè)生物技術研究所