专利名称：提取精制生物发酵液中长链二羧酸的方法
技术领域：
本发明涉及一种从发酵液中提取精制长链二羧酸的方法，特别涉及适用于制造大环酯类麝香香料的α，ω-长链二羧酸的提取精制方法。
长链二羧酸(通常是α，ω-长链二羧酸)是以正构烷烃为原料，采用生物氧化的发酵方法生产，然后从发酵液中提取精制得到的脂肪二羧酸产品。目前，长链二羧酸的主要用途是用于合成大环酯类麝香香料，由于大环麝香是具有特殊香气性质的香料产品，所以对合成的原料二羧酸提出了一些特殊要求，要求其纯度高、蛋白含量低、色泽浅、无其它不良异味。而发酵液是一个集微生物菌体、烷烃、培养基、水及各种代谢产物、分沁物共存的非常复杂的多相体系，组成复杂，粘度大，利用常规的分离方法提取精制二羧酸是非常困难的，而且产品收率低、纯度不高，不能满足合成香料的要求。为此，日本专利JP56-15695提出了一种用溶剂抽提的方法来提取精制长链二羧酸，其作法是首先将发酵液过滤除菌，得到含有二羧酸的发酵清液，然后用HCl酸化结晶，再用苯类溶剂萃取，有机相用等量的乙二醇反萃取，这种方法虽然克服了二羧酸产品中蛋白含量高的缺点，纯度有所提高，但由于微生物微小，过滤除菌操作非常困难，过滤速度很慢，滤饼不易滤干和洗涤，产品损失大，收率不高，而且使用的苯类溶剂毒性大，挥发度高，操作环境差。中国专利CN1070394公开了一种用酮类溶剂抽提的方法，发酵液先进行预处理，得到粗酸，然后用溶剂进行抽提。具体过程是发酵液经加热、破乳、分离未转化的烷烃，酸化结晶，过滤后得到湿滤饼，再干燥得到干的含菌粗滤饼。含菌粗滤饼在加热条件下用酮类溶剂溶解抽提，再经过滤除去菌体及不溶物，降温结晶，过滤分离溶剂，干燥滤饼得到二羧酸产品。这种方法虽然提高了产品的收率，但主要存在着以下的问题(1)抽提过程使用酮类溶剂，沸点低，挥发损失大，且操作环境及操作安全性差；(2)产品直接从溶剂中结晶，过滤后湿滤饼中含有大量溶剂，这部分溶剂在干燥时全部挥发掉了，既造成了溶剂损失，又污染了环境；(3)由于含溶剂湿产品的干燥过程须在较低温度下进行，干燥温度低于溶剂的沸点，产品中所含溶剂难以完全干燥除去，使二羧酸产品带有浓烈的难闻的溶剂气味，用其合成的大环麝香香料的香气不够理想，而且干燥过程能耗高。
本发明的目的是提供一种生物发酵液中长链二羧酸的提取精制方法，简化工艺过程，缩短操作周期，从而降低生产成本，所用溶剂无毒无味，且挥发损失小，环境友好。
本发明的主要工艺步骤包括(1)从终止发酵液中分离除去未转化的烷烃；(2)发酵液用酸酸化使二羧酸结晶，得到包埋有菌体的粗产品晶析液；(3)过滤上述晶析液，得到湿的粗酸滤饼，并用水洗涤；(4)用溶剂加热溶解粗酸滤饼，对上述粗酸滤饼进行溶剂抽提，所述溶剂选自C2-C5二元醇中的一种或几种；(5)趁热过滤上述有机溶液，分离除去菌体、无机盐等不溶物，得到含有二羧酸的有机溶液；(6)冷却降温，二羧酸产品慢慢从有机溶液中晶析出来；
(7)过滤上述晶析液，得到含溶剂的二羧酸湿滤饼。
上述含溶剂的二羧酸湿滤饼可直接作为合成香料的原料用于合成大环酯类麝香香料。
本发明所说的长链二羧酸是指以正构烷烃为起始原料，经微生物发酵方法生产的C11～C18的直链脂肪族二羧酸，具有一般的分子通式HOOC(CH2)nCOOH(n＝9～16)，主要是指α，ω-长链二羧酸。既可以是单一烷烃生产的单一组份的二羧酸，也可以是两种或两种以上的混合烷烃生产的两种或两种以上任意组份、任意比例的混合二羧酸，发酵液中长链二羧酸的含量为20～200g/l。所使用的溶剂为二元醇类，是指乙二醇、1，3-丙二醇、1，4-丁二醇、1，5-戊二醇。
(4)步所述溶剂抽提最好按以下A、B两种方式进行。A干燥步骤(3)所得到的湿滤饼除去所含水份，用溶剂加热溶解粗酸滤饼，并加入脱色吸附剂处理该有机溶液。B直接用溶剂加热溶解步骤(3)所得到的湿滤饼，加入脱色吸附剂处理该有机溶液，并在加热条件下，蒸馏脱除粗酸滤饼所带入的水份。
本发明将通过下面的具体步骤实现将发酵结束后的终止发酵液用非挥发性的碱(如NaOH、KOH、Na2CO3、NaAc等)调节pH至8～10，加热到80～100℃，然后静置降温，使未转化的烷烃与发酵液分层，上层是烷烃，下层是发酵液及菌体，分去上层烷烃。
在分离烷烃后的发酵液中加入酸性强于二羧酸的无机酸(如硫酸、硝酸、盐酸、磷酸等)调节发酵液的pH值使之达到4.5～2.0，这时二羧酸从发酵液中晶析出来，然后过滤或离心分去清液，得到包埋有菌体的二羧酸粗滤饼，再用水洗涤粗滤饼，尽可能除去从发酵液中带入的蛋白、有机色素、无机盐等水溶性杂质。
调节pH值时，无机酸浓度不要过大，否则会因加入时局部浓度过大，使发酵液中的一些敏感物质发生氧化，加深发酵液的颜色。无机酸的浓度最好为5～10N。
溶剂抽提步骤可按A方式或B方式进行。A将得到的粗酸湿滤饼进行干燥，干燥温度50～70℃，得到干滤饼。然后加入二元醇及脱色吸咐剂，在加热搅拌条件下进行溶剂抽提、脱色吸附、脱水处理。B直接用湿滤饼进行溶剂抽提、脱色吸附、脱水处理，脱水与抽提、脱色吸附同步进行。
溶解抽提温度保持在90～150℃，最好为100～130℃，这样既可以使二羧酸在溶剂中有较高的溶解度，脱色吸附剂具有良好的吸附效果，也可以满足脱除溶液中所含水份操作对温度的要求。
二元醇溶剂的使用量根据发酵液中二羧酸含量及溶解度而定，为使发酵液中的二羧酸在溶解温度下能够完全溶解并获得较高的回收率，溶剂最好过量1～5倍。一般为发酵液∶溶剂(v/v)＝1∶1.0～8.0，最好为1∶2.0～6.0。
脱色吸附剂是具有多孔结构的活性炭或活性白土，活性炭最好选用大孔型粉状活性炭。对于活性白土，其要求是含水量为5.0重％～10.0重％，最好为6.5重％～8.0重％。颗粒度为120目筛通过量95％以上。脱色吸附剂的加入量根据粗酸溶液的颜色深浅而定，一般加入量为0.2重％～6.5重％，最好为0.8重％～5.0重％。
由于脱色吸附剂的比重较大，上述溶解抽提需要在良好的搅拌条件下进行，使脱色吸附剂与所处理介质能够充分接触混合，充分发挥脱色吸附剂的作用，同时有利于水份的脱除，应选择较高的转速，通常为50～120r/min，最好为70～100r/min。
上述过程在要求的温度下，处理时间以能够使脱色吸附剂达到良好的吸附效果为宜。通常要求的时间范围为0.5～2.5h，最好不低于0.5h，但过长的时间不会对处理过程产生不利影响。
如果采用湿酸滤饼进行抽提处理，所带入的水份最好脱除干净，以利于后续的处理过程，脱水处理与抽提、脱色吸附可同步进行。通常采用蒸馏方法脱除水份，既可以常压蒸馏脱水，也可以采用真空度不高的减压蒸馏脱水。在以上给出的操作温度、搅拌速度及操作时间的工艺条件下，直接常压蒸馏可以很便利的脱除水份。为了更快速、更彻底地脱水，可采用低真空条件脱水，系统真空度500～200mmHg，最好为400～300mmHg。操作时间既要保证溶液中的水份能够完全脱除干净，又要保证良好的吸附效果，时间最好为1.5～4.0h。
上述处理过程结束后趁热过滤，分离除去脱色吸附剂、微生物菌体及不溶性杂质，得到二羧酸的醇溶液。滤渣用已事先预热的新鲜溶剂洗涤，以充分回收附着在滤饼上的二羧酸产品，提高二羧酸的回收率，洗涤液与滤液合并。为防止由于放热而析出二羧酸结晶，需控制过滤时的操作温度，最好保持在90～120℃。
冷却上述二羧酸的醇溶液，低速搅拌下，控制降温使二羧酸慢慢地从溶液中晶析出来，降至室温后继续保持3～6h，以利于形成良好的晶体形态。冷却结晶过程的搅拌速度应低于50r/min，最好为20～40r/min。开始降温时降温速度可稍快一些，当温度降至41～50℃时控制其速度在1～5℃/h，最好＜4℃/h，以避免溶液进入过饱和区，瞬间生成大量的晶核，使结晶颗粒过细，温度低于40℃时可适当加快降温速度，以10℃/h为宜。
采用过滤或离心方法处理上述二羧酸的晶析液，将二羧酸产品从晶析液中分离出来，得到含溶剂的二羧酸湿晶体，湿晶体中约含溶剂10重％～20重％。分离出的二元醇溶剂无需任何处理，可直接返回重复使用。
上述提纯精制过程得到的含有溶剂的二羧酸湿晶体可不需干燥，直接作为原料用于合成大环酯类麝香化合物。
本发明与现明技术相比具有以下优点发酵液预处理不需过滤除菌而直接结晶，过程便于实施，二羧酸的回收率高。
本发明工艺不使用挥发度高、气味难闻的溶剂，所使用的溶剂本身就是合成香料产品的原料之一，避免了现有工艺中最终产品低温干燥难以完全除净溶剂，而导致合成的香料产品香气不纯正的弊端。
使用的溶剂无毒无味，不易挥发，提高了操作安全性，降低了溶剂损耗，改善了操作环境。
溶剂在使用过程中已经过脱色吸附及过滤处理，无色无固体杂质，不需再生可直接返回重复使用，省去了冗长的溶剂再生过程。
按照本发明方法提取精制的含溶剂的二羧酸湿晶体不需要干燥就可直接使用，简化了工艺过程，降低了操作费用，缩短了处理周期，降低了生产成本。
本发明提出的α，ω-长链二羧酸的提纯精制工艺，其过程简单，操作周期短，能耗低，从而降低了产品成本，有利于大批量工业化生产。
下面的实施例将对本发明工艺作进一步的详述实施例1取以正构十三烷作底物的终止发酵液400ml，其中α，ω-十三烷二酸含量为108g/l，加NaOH(6N)溶液调节pH至8～10，然后加热到80～100℃，再降温静置，使未转化的烷烃与发酵液分层，分去上层烷烃。在分离烷烃后的发酵液中加入6N的H2SO4，边搅拌边加入，将发酵液的pH调至4.0，在酸性条件下二羧酸从发酵液中晶析出来，变为游离态二羧酸。过滤上述酸析液，滤饼用0.5～1倍体积的水洗涤，洗去水溶性杂质，得到粗酸滤饼103g。
将得到的含有菌体的粗酸湿滤饼及12g粉末活性炭加入到500ml乙二醇溶剂中，在80r/min搅拌速度下加热到110℃，使二羧酸完全溶解，溶液中的有机色素等杂质被充分吸附到活性炭表面，在加热的同时进行常压蒸馏，脱除溶液中的水份，在110℃保持2h，使水份脱除干净。上述处理过程结束后趁热过滤，除去活性炭、微生物菌体及固体杂质，得到无色透明的二羧酸的乙二醇溶液，过滤温度不低于90℃，以免二羧酸的结晶析出。滤饼用0.7倍滤液体积的已事先预热(85℃)的新鲜乙二醇洗涤。在20～40r/min的搅拌下，滤液冷却降温。溶液温度＞50℃时，降温速度控制在10℃/h左右，40～50℃之间降温速度3℃/h左右，低于40℃为8～10℃/h。在降温过程中，二羧酸产品慢慢地从溶液中以游离态形式晶析出来，过滤后得到含乙二醇的二羧酸湿滤饼。滤液为无色乙二醇溶剂，不需再生可返回重复使用。湿滤饼中含乙二醇15.3重％，α，ω-十三烷二酸84.6重％，直接作为原料用于合成大环双内酯麝香香料，α，ω-十三烷二酸回收率92.1重％。
实施例2
取以正构十二烷作底物的终止发酵液200ml，其中α，ω-十二烷二酸含量为112g/l，加入NaOH(6N)溶液调节发酵液的pH至9.0左右，加热煮沸，降温静置，使未转化的烷烃与发酵液分层，分去上层烷烃。在搅拌下加入8N的H2SO4将发酵液的pH调至3.0，这时二羧酸从发酵液中晶析出来，过滤上述酸析液，滤饼用1倍体积的水洗涤，洗去水溶性杂质，得到包埋有菌体的粗酸滤饼60g。在65℃温度下干燥湿滤饼，得到34g干物质。将上述干物质及5.5g粉末活性炭在加热条件下溶解于500ml 1，4-丁二醇(聚合级)溶剂中，溶解温度为100℃，在80r/min搅拌速度下保持1.5h，然后保温过滤除去固形不溶物，用同体积热的新鲜乙二醇(聚合级)洗涤滤饼，滤液与洗涤液合并。将搅拌速度降为25r/min，滤液降温。在降温过程中，二羧酸产品慢慢地从溶液中以游离态形式晶析出来，过滤后得到含1，4-丁二醇的二羧酸湿滤饼26g，其中含1，4-丁二醇18.4重％，α，ω-十二烷二酸81.5重％，α，ω-十二烷二酸回收率94.5重％。
实施例3～4分别取以十六烷和C11～C16的混合正构烷烃为底物的终止发酵液，按照实施例1所提供的操作步骤与方法进行提纯精制处理，混合底物发酵液中α，ω-二羧酸的含量为C11二羧酸3.2g/l，C12二羧酸12.8g/l，C13二羧酸43.7g/l，C14二羧酸36.8g/l，C15二羧酸8.3g/l，C16二羧酸2.7g/l，溶剂为乙二醇(聚合级)，脱色吸附剂为粉末活性炭。操作条件列于表1，实施结果列于表2。
表1
表2
注*表中5％乙醇溶液是指测定二羧酸质量指标时，将二羧酸配制成乙醇溶液，二羧酸在乙醇溶液的浓度为5重％。
**表中乙醇不溶物是指二羧酸溶解于乙醇后，是否有不溶物，主要是考察二羧酸的纯度。
权利要求
1.一种提取精制生物发酵液中长链二羧酸的方法，包括(1)从终止发酵液中分离除去未转化的烷烃；(2)发酵液用酸酸化使二羧酸结晶，得到包埋有菌体的粗产品晶析液；(3)过滤上述晶析液，得到湿的粗酸滤饼，并用水洗涤；(4)用溶剂加热溶解粗酸滤饼，进行溶剂抽提，所用溶剂是选自C2-C5二元醇中的一种或几种；(5)趁热过滤上述有机溶液，分离除去菌体、无机盐等不溶物，得到含有二羧酸的有机溶液；(6)冷却降温(5)所得有机溶液，二羧酸产品慢慢从有机溶液中晶析出来；(7)过滤上述晶析液，得到含溶剂的二羧酸湿滤饼。
2.按照权利要求1所述提取精制生物发酵液中长链二羧酸的方法，其特征在于(4)步中所述的溶剂是选自乙二醇、1，3-丙二醇、1，4-丁二醇、1，5-戊二醇中的一种或几种。
3.按照权利要求1所述提取精制生物发酵液中长链二羧酸的方法，其特征在于(7)步中所得含溶剂的二羧酸湿滤饼直接作为合成香料的原料用于合成大环酯类麝香香料。
4.按照权利要求1所述提取精制生物发酵液中长链二羧酸的方法，其特征在于(4)步中所述溶剂加热溶解粗酸滤饼之前，先干燥步骤(3)所得到的湿滤饼，除去所含水份。
5.按照权利要求1所述提取精制生物发酵液中长链二羧酸的方法，其特征在于(4)步中所述溶剂加热溶解粗酸滤饼的同时，还干燥步骤(3)所得到的湿滤饼，除去所含水份。
6.按照权利要求1所述提取精制生物发酵液中长链二羧酸的方法，其特征在于(4)步中所述溶剂加热溶解粗酸滤饼的同时，还向其中加入脱色吸附剂处理该有机溶液，所述脱色吸附剂在所述(5)步的过滤中与菌体、无机盐等不溶物一起被分离出去。
7.按照权利要求1所述的提取精制生物发酵液中长链二羧酸的方法，其特征在于所述的长链二羧酸是以正构烷烃为起始原料，经微生物发酵方法生产的C11～C18的直链脂肪族二羧酸。
8.按照权利要求1所述的提取精制生物发酵液中长链二羧酸的方法，其特征在于所述的长链二羧酸是C11～C18的直链脂肪族α，ω-二羧酸
9.按照权利要求1所述的提取精制生物发酵液中长链二羧酸的方法，其特征在于所述(1)步的具体过程为将发酵结束后的终止发酵液用非挥发性的碱调节pH至8～10，加热到80～100℃，然后静置降温，使未转化的烷烃与发酵液分层，上层是烷烃，下层是发酵液及菌体，分去上层烷烃。
10.按照权利要求1所述的提取精制生物发酵液中长链二羧酸的方法，其特征在于所述(2)步的具体过程为在分离烷烃后的发酵液中加入酸性强于二羧酸的无机酸，调节发酵液的pH值使之达到4.5～2.0，这时二羧酸从发酵液中晶析出来，然后过滤或离心分去清液，得到包埋有菌体的二羧酸粗滤饼，再用水洗涤粗滤饼，尽可能除去从发酵液中带入的蛋白、有机色素、无机盐等水溶性杂质。
11.按照权利要求1所述的提取精制生物发酵液中长链二羧酸的方法，其特征在于所述(4)步溶剂抽提过程，溶解抽提温度保持在90～150℃，发酵液与溶剂的体积比是1∶1.0～8.0。
12.按照权利要求4所述的提取精制生物发酵液中长链二羧酸的方法，其特征在于所述干燥对步骤(3)所得到的湿滤饼进行干燥的温度是50～70℃。
13.按照权利要求6所述的提取精制生物发酵液中长链二羧酸的方法，其特征在于所述脱色吸附剂是具有多孔结构的活性炭或活性白土。
14.按照权利要求1或6所述的提取精制生物发酵液中长链二羧酸的方法，其特征在于所述溶剂抽提过程是在搅拌条件下进行的，搅拌转速为50～120r/min。
15.按照权利要求6所述的提取精制生物发酵液中长链二羧酸的方法，其特征在于所述脱色吸附处理时间是0.5～2.5h。
16.按照权利要求5所述的提取精制生物发酵液中长链二羧酸的方法，其特征在于所述干燥脱水的条件是系统真空度500～200mmHg，操作时间1.5～4.0h。
全文摘要
本发明公开了一种提取精制生物发酵液中长链二羧酸的方法,包括从终止发酵液中分离除去未转化的烷烃、酸化结晶、过滤、溶剂抽提、分离除去菌体及不溶物和结晶等过程,所用溶剂是C
文档编号C07C55/00GK1351005SQ0012314
公开日2002年5月29日 申请日期2000年10月26日 优先权日2000年10月26日
发明者王崇晖, 佟明友, 宋喜军, 张艳丽 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司抚顺石油化工研究院