專利名稱：一種精制長鏈二元酸的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用有機溶劑精制長鏈α·ω-二元酸的方法。
長鏈α·ω-二元酸是利用微生物發(fā)酵長鏈正構(gòu)烷烴而得到的目的代謝產(chǎn)物。由于發(fā)酵液是一種復(fù)雜的多相體系，它除了含有發(fā)酵菌體外，還含有代謝產(chǎn)物、乳化液和殘留的烷烴以及培養(yǎng)基等。用離心分離法、過濾法、鹽析法、離子交換法和膜分離法等或是存在著產(chǎn)品純度不高，或是產(chǎn)品回收率低，或是處理過程復(fù)雜等問題，這樣就使得分離和精制長鏈α·ω-二元酸產(chǎn)品的工作變得極為困難。為解決上述問題，英國專利GB2043052提出了用脂肪醇或乙醇或四氫呋喃或它們的水溶液精制長鏈二元酸的方法。它是首先將終止發(fā)酵液經(jīng)過機械過濾除去大部分發(fā)酵菌體，然后將二元酸或其鹽從發(fā)酵液中沉降下來，經(jīng)過濾和干燥得到粗二元酸濾餅，最后用乙醇等有機溶劑經(jīng)加熱、溶解、過濾、冷卻、結(jié)晶制得精制二元酸產(chǎn)品。其存在的問題是①醇類有機溶劑在加熱情況下能與長鏈二元酸發(fā)生酯化反應(yīng)，或用其水溶液處理時對產(chǎn)品純度和過濾速度有不利影響，常溫下醇類對長鏈二元酸的溶解度比較高，對溶劑的利用率和產(chǎn)品的回收率有所降低。②產(chǎn)品粒度小。③二次機械過濾除菌體手段較繁瑣。
本發(fā)明的目的在于選用不與長鏈α·ω-二元酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的酮類有機溶劑和采用程序控制降溫及加入相應(yīng)二元酸晶種的方法，處理發(fā)酵液不經(jīng)過濾除菌體的干燥濾餅。解決產(chǎn)品回收率和純度下降、粒度小和過濾速度慢及操作繁瑣等問題。
用微生物發(fā)酵長鏈正構(gòu)烷烴制取長鏈α·ω-二元酸過程中，生成的二元酸一般是以其金屬鹽溶液的形式存在于發(fā)酵液中，如二元酸鈉鹽溶液，發(fā)酵液一般屬堿性溶液。發(fā)酵終止后，首先將發(fā)酵液加熱并加入適量的破乳劑破乳，在殺死體系中的菌體的同時，使殘留的正構(gòu)烷烴與發(fā)酵液分層。這時發(fā)酵液大體分為四層殘留烷烴層、乳化層、清液層和菌體沉降層。然后分離除去殘留的烷烴，用無機酸，如硫酸，將除去烷烴后的發(fā)酵液PH值調(diào)至2-4，使代謝生成的長鏈α·ω-二元酸全部結(jié)晶析出，經(jīng)過濾，如板框過濾，得到含有發(fā)酵菌體的二元酸濾餅，最后干燥上述濾餅。再把干燥濾餅和酮類有機溶劑共同加熱直至長鏈α·ω-二元酸和菌體等雜質(zhì)分別完全地溶解和懸浮在有機相中，保溫過濾上述菌體等懸浮物，然后對含有溶解的長鏈α·ω-二元酸的酮類有機溶劑采用程序控制降溫，緩慢攪拌，溫度降到溶液進入介穩(wěn)區(qū)時的溫度時，開始加入適量的相應(yīng)長鏈α·ω-二元酸晶種，繼續(xù)程序控制降溫，達到一定溫度時，提高降溫速度和攪拌轉(zhuǎn)速，冷卻至室溫，最后過濾長鏈α·ω-二元酸晶體，即得精制的粒狀產(chǎn)品。
用常見的機械分離方法分離或過濾上述發(fā)酵液中的乳化液和發(fā)酵菌體是很困難的。如果發(fā)酵過程中稍有染菌，就會有很多的粘稠液體生成，不僅殘油分離不好，而且發(fā)酵菌體與發(fā)酵液之間的分離變得極為困難。而不過濾發(fā)酵菌體，直接將發(fā)酵液酸化、結(jié)晶，這時過濾速度是很快的，既使發(fā)酵過程中稍有染菌也是如此。
根據(jù)物質(zhì)相似相溶原理，應(yīng)用溶劑重結(jié)晶方法，可以從固體或液體混合物中提取出所需的物質(zhì)。它是利用產(chǎn)品與雜質(zhì)在溶劑中的溶解度和分配比的不同達到分離提純或純化之目的。因此，選擇何種類型和性質(zhì)的溶劑對精制所需產(chǎn)品是非常重要的。
長鏈α·ω-二元酸是一種有機酸，它在某些有機溶劑中有較大的溶解度，而在水性溶劑中即使加熱情況下其溶解度也很低，因此，選用有機溶劑是最合適的。
本發(fā)明采用三種技術(shù)手段1、選用沸點適中的酮類有機溶劑一般用有機溶劑溶解長鏈α·ω-二元酸時，其用量是長鏈α·ω-二元酸處理量的數(shù)倍，有機溶劑用量很大，采用低沸點的有機溶劑如乙醇時，溶劑的損失是不可忽視的，尤其是在工業(yè)規(guī)模中，往往由于有機溶劑的損失造成生產(chǎn)二元酸的成本大大提高，而且對環(huán)境的污染也是嚴重的，因此，采用沸點適中的有機溶劑是有利的。
選擇有機溶劑時主要考慮以下幾個指標1)高溫時，有機溶劑對二元酸的溶解度大，而室溫下溶解度小，粘度小，易過濾。
2)有較寬的介穩(wěn)區(qū)。
3)和產(chǎn)物不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。
4)成本低或適中，毒性小，安全系數(shù)大。
本發(fā)明針對上述指標，主要選用了C3-C6的酮類有機溶劑，特別是甲基異丁基酮。作為對比考察，也選用了乙醇有機溶劑。
丙酮、丁酮、甲基異丁基酮和乙醇對長鏈α·ω-二元酸都具有較大的溶解度，在同等溫度下，乙醇對長鏈α·ω-二元酸的溶解度最大，但乙醇與長鏈α·ω-二元酸在加熱的情況下易發(fā)生酯化反應(yīng)，對產(chǎn)品純度和過濾速度都有不良的影響，而乙醇水溶液與長鏈α·ω-二元酸雖不易發(fā)生酯化反應(yīng)，但它和長鏈α·ω-二元酸完全溶解后，過濾速度卻明顯減慢。丙酮沸點較低，易揮發(fā)，與丁酮和甲基異丁基酮相比，效果相應(yīng)差一些。用C3-C6的酮類有機溶劑精制長鏈α·ω-二元酸，產(chǎn)品的粒度和色澤都比乙醇好。特別是甲基異丁基酮精制α·ω-十三碳二元酸時效果最好。C3-C6的酮類有機溶劑對碳數(shù)越高的長鏈α·ω-二元酸，其溶解度越大。用C3-C6酮類有機溶劑溶解干燥濾餅后，其過濾速度是用碳數(shù)高的溶劑比碳數(shù)低的溶劑快。如溶解α·ω-十三碳二元酸，甲基異丁基酮比丁酮、丙酮的過濾速度快。在20℃下，對長鏈α·ω-二元酸的溶解度順序為乙醇＞丙酮＞丁酮＞甲基異丁基酮。最前者的溶解度是最后者溶解度的7倍。過濾速度順利為甲基異丁基酮＞丁酮＞丙酮＞乙醇。尤其是使用乙醇水溶液時，過濾速度更慢。甲基異丁基酮作溶劑時的過濾速度大約是乙醇的1.5-3倍，另外甲基異丁基酮對正構(gòu)烷烴溶解度大，對回收干燥濾餅中殘留的烷烴十分完全，而乙醇回收殘留烷烴能力很差。由于甲基異丁基酮沸點比乙醇高，回收氣態(tài)的甲基異丁基酮要比乙醇容易。從過濾速度和產(chǎn)品色澤、純度、回收率及回收有機溶劑和室溫下的溶解度上看，選用C3-C6酮類溶劑比較好，但最好是選擇甲基異丁基酮。
實測干燥濾餅的堆比重約為0.39-0.43g/cm3。為使長鏈α·ω-二元酸全部溶解在酮類有機相中，最重要的是選擇合適的液固此(有機溶劑與干燥濾餅的重量比)。當液固比為0.8-2.4∶1時，易出現(xiàn)過飽和現(xiàn)象，導(dǎo)致堵塞管線和第二次過濾速度下降、粒度小等問題。而選用液固比為3.0-6.0∶1時，就可解決上述問題?？紤]應(yīng)用的經(jīng)濟性，最好選用3-4∶1。
在有機溶劑溶解長鏈α·ω-二元酸時，都盡量提高溶解溫度。在較短的溶解時間里，使用甲基異丁基酮有機溶劑，長鏈α·ω-二元酸的回收率最高。如溶解時間為0.5小時，α·ω-十三碳二元酸的回收率乙醇是85%，丁酮是90%，甲基異丁基酮+乙醇是94%，甲基異丁基酮是97%。選用甲基異丁基酮的作用就是提高產(chǎn)品純度和回收率，降低溶劑損失。同時有利于提高過濾速度。
2、程序控制降溫酮類有機溶劑和干燥濾餅加熱和溶解后，有機溶劑中含有溶解的長鏈α·ω-二元酸和懸浮的發(fā)酵用的菌體等雜質(zhì)，這時的菌體已經(jīng)變性，特別是在甲基異丁基酮溶劑中很容易過濾。含有溶解長鏈α·ω-二元酸的酮類有機溶劑作為濾液，在保溫下壓入結(jié)晶罐內(nèi)。采用程序控制降溫方法，慢慢冷卻一定溫度區(qū)間時，加入少量的長鏈α·ω-二元酸晶種，然后冷卻至室溫。
程序控制降溫方法就是根據(jù)二元酸在有機溶劑中于不同溫度下的溶解度關(guān)系而設(shè)計的。它是通過調(diào)節(jié)水的溫度而間接控制有機溶劑的冷卻速度，從而避免含有長鏈α·ω-二元酸的有機溶液進入過飽和區(qū)，而是使溶液處于介穩(wěn)區(qū)，這時溶液中不會自發(fā)地產(chǎn)生晶核，但如果在溶液中加入少量的二元酸晶種，晶種就會長大，最后形成粒度較大的二元酸晶體。
使用甲基異丁基酮有機溶劑精制α·ω-十三碳二元酸時，程序控制溫度如下在90℃時開始采用程序控制降溫，同時緩慢攪拌溶液，由于無過冷現(xiàn)象，故可避免罐壁上產(chǎn)生“晶巴”。大約經(jīng)過3-4小時的降溫控制，溶液溫度降到57-59℃時已進入介穩(wěn)區(qū)，最好是在58℃時加入適量的長鏈α·ω-二元酸晶種，繼續(xù)控制降溫速度，在約0.5-1.5小時內(nèi)降至55℃。然后用稍快一點的冷卻速度程序控制降溫到室溫，時間大約為2-3小時。
程序控制降溫的作用就是避免自發(fā)地出現(xiàn)過細的二元酸晶核析出，在加入晶種后，于晶種上二元酸析出而長大，為形成顆粒狀二元酸晶體和提高第二次過濾速率提供必要提前。
3、加入長鏈α·ω-二元酸晶種精制的長鏈α·ω-二元酸的粒度是長鏈α·ω-二元酸外觀質(zhì)量的指標之一。過細的長鏈α·ω-二元酸晶體會使第二次過濾速率降低，而且會增加精制的長鏈α·ω-二元酸產(chǎn)品中的有機溶劑含量，同時對包裝、運輸和使用不利。
在程序控制降溫達到溶液的介穩(wěn)區(qū)時，應(yīng)加入相應(yīng)的長鏈α·ω-二元酸晶種。如精制α·ω-十三碳二元酸時，加入α·ω-十三碳二元酸晶種;精制混合的長鏈α·ω-二元酸時，加入對應(yīng)的長鏈α·ω-二元酸晶種，并分別按不同的溫度加入。晶種的純度和粒度目數(shù)分別大于99%和80，加入量為干燥濾餅重量的1/1000-10/1000。
加晶種的作用就是提高精制長鏈α·ω-二元酸產(chǎn)品的粒度，提高過濾速度，降低有機溶劑在結(jié)晶產(chǎn)品中的含量。
可通過下述步驟完成本發(fā)明1、將生產(chǎn)長鏈α·ω-二元酸的終止發(fā)酵液，經(jīng)加熱、破乳、分油、酸化結(jié)晶、過濾、干燥得到的濾餅和C3-C6酮類有機溶劑，按液固比為3-4∶1稱取重量，并加入到溶解罐內(nèi)。如果為了增加脫色效果，可以加入相當于干燥濾餅重量3%的粉狀活性碳。
2、用水蒸汽(如用120℃的水蒸汽)間接加熱溶解罐，加熱溫度最好低完全地溶劑沸點5-15℃，待長鏈α·ω-二元酸和發(fā)酵菌體等雜質(zhì)分別完成地溶解和懸浮在有機溶劑中后，用0.2-0.6MPa的氮氣將溶解罐內(nèi)的溶液在保溫下壓入過濾罐內(nèi)，過濾罐和輸送管線都是用上述水蒸汽間接保溫的，過濾罐底部裝有濾布，通過濾布過濾除去發(fā)酵菌體等雜質(zhì)。
3、含有溶解長鏈α·ω-二元酸的有機溶液作為濾液，被送到重結(jié)晶罐中，重結(jié)晶罐和輸送管線也用上述方法保溫，加壓介質(zhì)仍為上述氮氣。用溫度計或溫度指示儀器指示重結(jié)晶罐內(nèi)溶液的溫度。首先采用程序控制降溫方法間接用水控制罐內(nèi)溶液的冷卻速度，同時緩慢攪拌溶液并保持罐內(nèi)外溫差不超過8℃，當緩慢冷卻使溶液進入到介穩(wěn)區(qū)時，此時無長鏈α·ω-二元酸晶核出現(xiàn)，加入相應(yīng)的長鏈α·ω-二元酸晶種，繼續(xù)緩慢攪拌和冷卻溶液，晶種開始長大，經(jīng)0.5-1.5小時后，適當加快冷卻速度，使有機溶液冷卻至室溫，長鏈α·ω-二元酸晶體經(jīng)過濾，使之與有機溶劑分開，有機溶劑輸送到有機溶劑儲罐內(nèi)。用壓縮空氣吹走長鏈α·ω-二元酸晶體中殘留的有機溶劑，所有處理過程中揮發(fā)的有機溶劑蒸氣由真空泵抽入深度冷卻器內(nèi)，冷凝后回收這些有機溶劑，并送回有機溶劑儲罐內(nèi)。如果有機溶劑中殘留的烷烴較多，可用適量的尿素絡(luò)合，分層后除去絡(luò)合的烷烴。取出長鏈α·ω-二元酸晶體，作適當?shù)母稍?，即得精制的成品長鏈α·ω-二元酸。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明由于選用了沸點適中的甲基異丁基酮有機溶劑采用程序控制降溫和加入二元酸晶種的方法，提高了長鏈α·ω-二元酸產(chǎn)品的純度和回收率;大大地提高了過濾速度和產(chǎn)品的粒度，有機溶劑損失小，操作方法簡便，容易施實。過濾速度可提高1.5-3.0倍。產(chǎn)品純度達到98%以上，回收率達到95%，產(chǎn)品粒度分布為10-20目20-25%，20-40目25-35%，40-60目25-35%，60-80目5-10%，80目以上為4-10%。
實施例1將以正構(gòu)十三碳烷烴作底物，用熱帶假絲酵母突變株發(fā)酵制取α·ω-十三碳二元酸的終止發(fā)酵液，經(jīng)加熱、破乳分離殘留烷烴后，用硫酸調(diào)節(jié)發(fā)酵液PH至3，將代謝生成的α·ω-十三碳二元酸全部結(jié)晶析出，用板框過濾機過濾，最后干燥濾餅。α·ω-十三碳二元酸含量為92.2%。稱取200kg上述干燥濾餅和640kg(約800升)的甲基異丁基酮有機溶劑，裝入在φ1200×1500mm的不銹鋼溶解罐內(nèi)。用0.1MPa、121℃的水蒸汽通過夾套加熱罐內(nèi)物料。加熱使罐內(nèi)溶液溫度達到90℃。然后用0.1MPa、99%的氮氣將上述熱溶液在保溫情況下壓入φ1200×500mm的不銹鋼過濾罐內(nèi)，過濾罐底部裝有濾布，過濾面積為0.5m2。初始用0.3MPa的上述氮氣加壓過濾罐內(nèi)的溶液，最后用0.5MPa的氮氣加壓，過濾除去微生物細胞等雜質(zhì)，第一次過濾在保溫90℃下進行，過濾時間為4小時，濾液量為970升。濾液壓入φ1000×2000mm的不銹鋼重結(jié)晶罐內(nèi)，重結(jié)晶罐內(nèi)仍保持90℃溫度。通過控制水和水蒸汽進入混合器的流量，從而調(diào)節(jié)降溫介質(zhì)水的溫度，并維持罐內(nèi)外溫差不超過8℃。同時緩慢攪拌溶液，轉(zhuǎn)速為60轉(zhuǎn)/分，經(jīng)過3小時后溶液溫度降至58℃。這時加入α·ω-十三碳二元酸晶種，晶種純度為99%，粒度為80-100目，加入量為1kg(即占5/1000)。維持上述攪拌速度，程序降溫至55℃，時間為0.6小時。提高轉(zhuǎn)速至80轉(zhuǎn)/分，繼續(xù)程序控制降溫，最后降到20℃，時間為3小時。過濾α·ω-十三碳二元酸晶體，過濾面積為0.5m2，操作壓差為0.3MPa，第二次過濾時間10分鐘。作為濾液的甲基異丁基酮有機溶劑回收到φ1000×2000mm的不銹鋼貯罐內(nèi)，約720升。用0.2MPa過濾的壓縮空氣吹除晶體濾層中殘留的甲基異丁基酮并和裝置中殘存的氣態(tài)甲基異丁基酮一起送到-5℃的冰鹽水冷凝裝置中回收。最后取出精制的α·ω-十三碳二元酸產(chǎn)品。實施結(jié)果列表1。
實施例2精制α·ω-十六碳二元酸。α·ω-十六碳二元酸含量為87%。稱取干燥濾餅1kg，甲基異丁基酮3.2kg(約4升)。裝入10升的不銹鋼溶解罐。過濾罐和重結(jié)晶罐的體積和過濾面積為10升和0.03m2。十六碳二元酸晶種純度為99%、粒度為80-100目，加入量為1g(即占1/1000)，加晶種時的溫度為54℃。其方法同實施例1。溶解時間為3.0小時，第一次過濾時間為22.0分鐘，濾液量為4.80升;第二次過濾時間為57秒，濾液量為3.76升。表2是實施結(jié)果。
產(chǎn)品的粒度分布，%(W/W)10-20目 20-40目 40-60目 60-80目 80目以上22.1 30.6 32.4 10.4 4.5實施例3精制α·ω-十二、十三和十六碳混合二元酸?？偹岷繛?0.2%，各自含量分別為36.2%、42.7%和11.3%。上述二元酸晶種的純度和粒度分別99%和80-100目。它們的加入量分別為3.21g、3.79g、1.0g，總重為8g(即占8/1000)。加入時的溫度分別為60℃、58℃、54℃。其方法同實施例2。溶解時間為3.5小時。第一次過濾時間為21.1分鐘，濾液量為4.82升;第二次過濾時間為65秒，濾液量為3.75升，實施結(jié)果列入表3。
實施例4實施方法同實施例2，精制α·ω-十三碳二元酸;改用丁酮。溶解時間為3.0小時。第一次過濾時間為23.1分鐘，濾液量為4.81升;第二次過濾時間為62秒，濾液量為3.75升。實施結(jié)果列入表4。
表4 丁酮作溶劑的實施結(jié)果第一次平均 第二次平均 產(chǎn)品 產(chǎn)品 產(chǎn)品 溶劑過濾速率 過濾速率 純度 回收率 色澤 回收率L/m·h L/m·h % %416 7258 98 96.1 白色 93.7產(chǎn)品的粒度分布，%(W/W)10-20目 20-40目 40-60目 60-80目 80目以上17.5 25.4 30.0 15.7 11.4比較例1方法同實施例2，精制α·ω-十三碳二元酸。改用95%的乙醇有機溶劑。加熱溫度70℃，溶解時間為2.5小時。于46℃時加晶種。第一次過濾時間為104分鐘，濾液量4.70升;第二次過濾時間為118秒，濾液量為3.20升。實施結(jié)果列入表5。
比較例2方法同實施例2。精制α·ω-十三碳二元酸，不加晶種。溶解時間3.0小時，第一次過濾時間為21.6分鐘，濾液量為4.78升;第二次過濾時間為97秒;濾液量為3.75升。實施結(jié)果列入表6。
比較例3方法同實施例2。精制α·ω-十三碳二元酸，不使用程序控制降溫和加晶種的方法，溶解時間為3.1小時，水冷卻，由90℃降至20℃時，時間為1.4小時。第一次過濾時間為22.1分鐘，濾液量為4.80升;第二次過濾時間為118秒，濾液量為3.76升。實施結(jié)果列入表7。
權(quán)利要求
1.一種用有機溶劑精制長鏈α·ω-二元酸的方法。將長鏈α·ω-二元酸終止發(fā)酵液經(jīng)加熱、破乳、分油、酸化結(jié)晶、過濾和干燥，得到干濾餅。其特征在于將該濾餅和酮類有機溶劑共同加熱，使長鏈α·ω-二元酸完全溶解，過濾后采用程序控制降溫和加入相應(yīng)的長鏈α·ω-二元酸晶種的方法，同時完成發(fā)酵菌體等雜質(zhì)的分離和二元酸的精制。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于在終止發(fā)酵液酸化結(jié)晶處理之前，不必過濾除去發(fā)酵菌體。
3.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于酮類有機溶劑的碳數(shù)是3-6。
4.按照權(quán)利要求1，3的方法，其特征在于酮類溶劑最好是甲基異丁基酮。
5.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于長鏈α·ω-二元酸的碳數(shù)是11-18。
6.按照權(quán)利要求1，5的方法，其特征在于最好是精制α·ω-十三二碳元酸。
7.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于加熱溶解溫度最好是90-105℃，然后采用程序控制降溫，降溫到57-59℃時開始加入晶種，最好是58℃，最后降至室溫。
8.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于加入晶種的粒度目數(shù)大于80，晶種加入量與干燥濾餅重量之比為1∶1000-10∶1000，純度大于99%。
9.按照權(quán)利要求1，3的方法，其特征在于酮類有機溶劑與濾餅的重量比為3-6∶1，最好是3-4∶1。
全文摘要
應(yīng)用甲基異丁基酮等有機溶劑精制碳數(shù)從11到18的長鏈α·ω-二元酸。首先加熱有機溶劑和干燥濾餅，使二元酸和發(fā)酵菌體等雜質(zhì)分別完全地溶解和懸浮在有機相中。保溫過濾除去懸浮雜質(zhì)，然后濾液經(jīng)程序控制降溫，并加相應(yīng)的二元酸晶種，再冷卻至室溫，析出顆粒狀的二元酸晶體，最后過濾，即得精制的二元酸產(chǎn)品。其特點是過濾速度快，產(chǎn)品回收率高，結(jié)晶產(chǎn)品粒度大，純度高。
文檔編號C07C55/02GK1070394SQ9110881
公開日1993年3月31日 申請日期1991年9月11日 優(yōu)先權(quán)日1991年9月11日
發(fā)明者劉純, 丁國清, 王海波 申請人:中國石油化工總公司撫順石油化工研究院