专利名称：一种用阳离子树脂吸附提取发酵液中1,3-丙二醇的方法
技术领域：
本发明涉及微生物发酵产品的分离方法，尤其是涉及一种利用阳离子树脂吸附提取发酵液中1，3-丙二醇方法。
背景技术：
I, 3-丙二醇(1，3-PD)是一种重要的化工原料，广泛应用于化妆品、液体清洁剂、防冻液、服装、室内装饰材料、工程聚合物等诸多领域。作为一种含有双功能团的二醇，1，3-丙二醇可以用于多种有机合成反应，特别是用作合成聚酯、聚醚和聚亚胺酯的单体，其最主要的一个用途是与对苯二甲酸生成聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)。PTT具有优良的性能和广阔的应用前景，国家化纤部门已将发展PTT列入“十五”合成纤维产品结构调整规划中。目前1，3-丙二醇的生产方法主要是环氧丙烷法和丙烯醛法，但这两种方法存在副反应多、反应条件高、环境污染严重等问题，极大地限制了 1，3-丙二醇的应用和推广。而采用微生物发酵法生产1，3-丙二醇具有原料可再生、操作简便、反应条件温和、副产物较少、环境·污染小等优点，已越来越多地受到人们的重视。在微生物发酵法生产1，3-丙二醇中，发酵液中除目标产物1，3-丙二醇外，还有大量的水、菌体细胞、蛋白质、有机盐类等杂质。通常情况下发酵液中1，3-丙二醇的浓度较低，在80g/L左右为较高水平；此外1,3-丙二醇的沸点较高，在常压下为214°C，远高于水；因此将1，3-丙二醇从发酵液中分离提取是十分困难的，这使得产品的分离纯化成本占生产总成本的50%以上，成为大规模生产1，3-丙二醇的瓶颈问题。目前，从发酵液中分离提纯1，3-丙二醇的方法主要有多效蒸馏+精馏法、有机溶剂萃取法、反应萃取法、分子筛分离法、双水相萃取法以及电渗析法。美国专利US5008473中采用的多效蒸发+精馏法是利用四效蒸发将质量分数为59Γ15%的1，3-丙二醇水溶液浓缩到80%以上，甚至达到90%后再通过精馏获得合格的1，3-丙二醇产品。但是由于发酵液中1，3-丙二醇的浓度较低，需处理的发酵液量比较大，因此该方法存在的问题是过程能耗比较高，并且需要脱盐、脱蛋白质等预处理过程。有机溶剂萃取法主要采用醇类通过液液萃取从发酵液中分离提取1，3_丙二醇。Janusz 等(Malinowski JJ. Biotechnol Tech, 1999，13 (2) : 127-130)米用Extractantscreening program程序选择萃取剂，该程序利用UNIQUAC基团分配法来计算多组分液液平衡，主要考察醇的同分异构体和含有功能基团的醇类的萃取能力。结果显示，体系中存在的2，3-丁二醇、甘油与溶剂的亲和力较大而使得1，3-丙二醇的选择性降低。美国专利US0222153中研究使用戊醇、丙醇、己醇、蓖麻油等萃取分离1，3-丙二醇，但是由于该方法需加入大量的溶剂且分配系数很低，很难大规模应用。反应萃取法以强酸性树脂为催化剂，加入乙醛与1，3-丙二醇发生可逆缩醛反应，生成2-甲基-1，3- 二噁烷(2MD)，脱去有机相中水后，用邻二甲苯、甲苯或乙苯萃取2MD，最后2MD水解得到1，3-丙二醇。但是该方法有机溶剂用量大，且乙醛沸点低，容易形成多聚物，回收困难。此外采用芳香烃类物质进行萃取，具有一定的毒性，这极大地限制了该方法的エ业应用(Malinowski JJ. Biotechol Prog, 2000，16 (I) : 76-79)。分子筛分离法主要采用活性炭、硅沸石、沸石膜等分子筛对1，3_丙ニ醇进行分离提取。Schlieker 等(Schlieker H，Gunzel B, Deckwer WD. Chem IngTech, 1992,64(8) :727-728)使用活性炭分离1，3-丙ニ醇发现，由于甘油显著的非特异性吸附使得活性炭在吸附1，3-丙ニ醇的同时也部分吸附甘油，导致最終甘油发酵产率大大降低。Schoellner 等(Schoellner R, Elnicke WD, Unverricht S. J PraktChem, 1994，33(5):404-407)检验了几种沸石的吸附性能，结果显示，盐也可能会被浙滤到沸石中，此外，还需考虑如何将1，3-丙ニ醇从沸石中回收。分子筛法存在的主要问题是单程产率低沸石的机械强度和热稳定性较差，耗时较长。电渗析的主要原理是通过离子交换膜，把离子化合物和非离子化合物分开。Gong(Yan Gong, Yu Tang. Desalination. 2004, 161:169-178)开发了一种方法，主要流程为发酵液通过电渗析脱盐，浓缩，真空精馏得到产品。为了除去发酵液中的阴阳离子，在最后的提取过程中还要采用阴阳离子交換膜。虽然电渗析能很好地去除盐类离子，但是这种方法的缺点是操作费用很高、1，3-丙ニ醇的损失很大、占地面积大、极大地増加了エ业成本。
Li (Li ZGjJiang B，Zhang DJ, et al. Sep Purif Technol, 2009，66 (3) : 472-478)开发出新的双水相体系，结果表明，由强极性溶剂和含高价态阴离子的盐组成的双水相体系能有效地从1，3-丙ニ醇发酵液中萃取1，3-丙ニ醇。该方法虽然可以实现微生物菌体与1，3-丙ニ醇的同时分离，简化分离过程，但是其存在的问题是萃取后目标产物1，3-丙ニ醇的回收研究尚未进行。因此需进一歩研究得到较完整的エ艺后再重新评估该方法大規模应用的可行性。上述提取分离方法中或是存在方法过于复杂，或是所采用试剂有毒性、成本高，或是存在能耗大、环境污染严重等问题，不利于发酵1，3-丙ニ醇的规模化生产。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的1，3-丙ニ醇的分离提取存在的问题，从环境保护、材料循环利用的角度，基于吸附法，提供ー种无污染，投资少，不仅可降低1，3-丙ニ醇的分离成本，而且节省时间，提高生产效率的利用阳离子树脂吸附提取发酵液中1，3-丙ニ醇的方法。本发明包括以下步骤I)将1，3-丙ニ醇发酵液pH调至f 7，加入絮凝剂和活性炭，搅拌，静置并自然沉降；在步骤I)中，所述1，3-丙ニ醇发酵液是由废甘油为原料经微生物发酵得到；所述将1，3-丙ニ醇发酵液pH调至f 7，可采用硫酸或盐酸，所述硫酸或盐酸的浓度可为2 4mol/L，所述pH可为4飞；所述絮凝剂和活性炭的加入量，按质量百分比可分别为发酵液质量的19T5%和0. 29TO. 5% ;所述絮凝剂可采用分子质量为15 20万的壳聚糖或分子质量为1(T50万的聚丙烯酰胺或甲壳素，所选活性炭可采用12(T140目的大孔粉末状活性炭；所述搅拌的时间可为30 60min。2)通过离心或过滤的方法除去步骤I)所得的发酵液中的菌体、蛋白质以及其他不溶性固型颗粒，得到上清液；
3)用阳离子树脂吸附步骤2)所得的上清液中的1，3_丙二醇，上柱流速为
0.5 2. OmT ,/mi η ；在步骤(3)中，所述阳离子树脂可选用001X1、001X4、001X7、001X8、DlOUD113、H-103、LX-10D等类型阳离子树脂中的一种。4)树脂柱吸附饱和后，洗涤，洗脱，收集洗脱液；在步骤4)中，所述洗脱，可采用体积百分比为509^100%的乙醇洗脱，洗脱流速可为 O. 5 5. OmT ,/mi η。5)将步骤4)所得的含有1，3-丙二醇的洗脱液减压蒸馏，获得989Γ99. 6%的
1,3-丙二醇产品。在步骤5)中，所述减压蒸馏的真空度可为O. 093 O. 097MPa，取129 149°C 馏分即为高纯度1，3-丙二醇。将经过洗脱后的阳离子树脂调节至中性，可重复用于发酵液中1，3-丙二醇的吸附。所述1，3-丙二醇产品可通过高效液相色谱法进行鉴定。通过条件设定，出峰时间为20. 05min的物质即为1，3-丙二醇，其质量通过峰面积进行确定，其纯度由峰面积所占的比例确定。与现有的技术路线相比，本发明具有的优点和有益效果在于(I)菌体细胞、蛋白质的絮凝沉淀以及脱色在同一步骤中实现；低pH下，絮凝剂的加入能使得菌体蛋白质更加有效地絮凝，强化了絮凝效果，使除菌和除蛋白质变得更加简单，彻底。(2)采用阳离子树脂吸附、乙醇洗脱的方法从发酵液中分离提取1，3-丙二醇，省去了脱盐过程，此外不采用有毒有机溶剂，无残留，不污染环境，达到环保的要求。(3)采用阳离子树脂作为吸附剂，吸附容量大、脱附方便、脱附率高，成本低。(4)减压蒸馏得到的乙醇可以重新作为洗脱剂，实现了操作过程中的物料回收再利用。(5)经过洗脱的阳离子树脂对发酵液中的1，3-丙二醇仍具有较好的吸附特性，可以重复使用，显著减少提取过程中的材料消耗，降低1，3-丙二醇的提取费用，提高产品的经济效益。
图I为实施例2中吸附柱I洗脱后得到1，3-丙二醇的鉴定图谱。图2为实施例2中吸附柱I再洗脱后得到1，3-丙二醇的鉴定图谱。图3为实施例3中吸附柱II洗脱后得到1，3-丙二醇的鉴定图谱。图4为实施例3中吸附柱II 洗脱后得到1，3-丙二醇的鉴定图谱。图5为实施例4中吸附柱III洗脱后得到1，3_丙二醇的鉴定图谱。图6为实施例4中吸附柱III再洗脱后得到1，3_丙二醇的鉴定图谱。图7为实施例5中吸附柱IV洗脱后得到1，3-丙二醇的鉴定图谱。图8为实施例6中吸附柱V洗脱后得到1，3-丙二醇的鉴定图谱。图9为实施例7中吸附柱VI洗脱后得到1，3-丙二醇的鉴定图谱。在图广9中，横坐标为时间(min)，纵坐标为峰高(nRIU)。
具体实施例方式实施例I :本实施例所处理的发酵液是以废甘油为底物，通过丁酸梭菌发酵产生1，3_丙ニ醇发酵液，发酵终止pH为7. 0 ;其中1，3-丙ニ醇浓度为52g/L，甘油浓度为2g/L。(I)取上述发酵液,加入lwt%的絮凝剂与0. 2wt%的粉末状活性炭,搅拌60min,静置并自然沉降；(2)通过板框过滤除去菌体和蛋白质，得到上清液；(3)25°C下，在250mL锥形瓶中加入I. Og湿树脂和适量的上清液，将锥形瓶置于恒温摇床中，150r/min下进行吸附，当溶液中1，3-丙ニ醇的浓度不再改变时，说明树脂已达到饱和；然后測定溶液中1，3-丙ニ醇的浓度，计算1，3-丙ニ醇的饱和吸附量。各种树脂的吸附容量如表I。表I不同种类树脂对1，3-丙ニ醇和甘油的选择性吸附效果
权利要求
1.一种用阳离子树脂吸附提取发酵液中1，3-丙二醇的方法，其特征在于包括以下步骤 1)将1，3-丙二醇发酵液pH调至广7，加入絮凝剂和活性炭，搅拌，静置并自然沉降； 2)通过离心或过滤的方法除去步骤I)所得的发酵液中的菌体、蛋白质以及其他不溶性固型颗粒，得到上清液； 3)用阳离子树脂吸附步骤2)所得的上清液中的1，3-丙二醇，上柱流速为0.5^2. OmL/min ； 4)树脂柱吸附饱和后，洗涤，洗脱，收集洗脱液； 5)将步骤4)所得的含有1，3-丙二醇的洗脱液减压蒸馏，获得989T99.6%的1，3-丙二醇产品。
2.如权利要求I所述的一种用阳离子树脂吸附提取发酵液中1，3-丙二醇的方法，其特征在于在步骤I)中，所述1，3-丙二醇发酵液是由废甘油为原料经微生物发酵得到。
3.如权利要求I所述的一种用阳离子树脂吸附提取发酵液中1，3-丙二醇的方法，其特征在于在步骤I)中，所述将1，3-丙二醇发酵液pH调至f 7，是采用硫酸或盐酸，所述硫酸或盐酸的浓度为2 4mol/L。
4.如权利要求I所述的一种用阳离子树脂吸附提取发酵液中1，3-丙二醇的方法，其特征在于在步骤I)中，所述pH为4 5。
5.如权利要求I所述的一种用阳离子树脂吸附提取发酵液中1，3-丙二醇的方法，其特征在于在步骤I)中，所述絮凝剂和活性炭的加入量，按质量百分比分别为发酵液质量的1% 5% 和 0. 2% 0. 5%o
6.如权利要求I所述的一种用阳离子树脂吸附提取发酵液中1，3-丙二醇的方法，其特征在于在步骤I)中，所述絮凝剂采用分子质量为15 20万的壳聚糖或分子质量为1(T50万的聚丙烯酰胺或甲壳素。
7.如权利要求I所述的一种用阳离子树脂吸附提取发酵液中1，3-丙二醇的方法，其特征在于在步骤I)中，所选活性炭采用120140目的大孔粉末状活性炭；所述搅拌的时间可为 30 60min。
8.如权利要求I所述的一种用阳离子树脂吸附提取发酵液中1，3-丙二醇的方法，其特征在于在步骤3)中，所述阳离子树脂选用001X1、001X4、001X7、001X8、DlOU D113、H-103、LX-10D类型阳离子树脂中的一种。
9.如权利要求I所述的一种用阳离子树脂吸附提取发酵液中1，3-丙二醇的方法，其特征在于在步骤4)中，所述洗脱，是采用体积百分比为509^100%的乙醇洗脱，洗脱流速为0.5 5. OmT ,/mi n n
10.如权利要求I所述的一种用阳离子树脂吸附提取发酵液中1，3-丙二醇的方法，其特征在于在步骤5)中，所述减压蒸馏的真空度为0. 093 0. 097MPa，取129 149°C馏分即为高纯度1，3-丙二醇。
全文摘要
一种用阳离子树脂吸附提取发酵液中1,3-丙二醇的方法，涉及微生物发酵产品的分离方法。将1,3-丙二醇发酵液pH调至1~7，加入絮凝剂和活性炭，搅拌，静置并自然沉降；通过离心或过滤的方法除去所得的发酵液中的菌体、蛋白质以及其他不溶性固型颗粒，得到上清液；用阳离子树脂吸附所得的上清液中的1,3-丙二醇，上柱流速为0.5~2.0mL/min；树脂柱吸附饱和后，洗涤，洗脱，收集洗脱液；将所得的含有1,3-丙二醇的洗脱液减压蒸馏，获得98%~99.6%的1,3-丙二醇产品。无污染，投资少，不仅可降低1,3-丙二醇的分离成本，而且节省时间，提高生产效率。
文档编号C07C31/20GK102795962SQ201210327740
公开日2012年11月28日 申请日期2012年9月6日 优先权日2012年9月6日
发明者方柏山, 代洪飞, 王世珍, 彭雅娟 申请人:厦门大学