一种从发酵液中提取2,3-丁二醇的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于生物化工领域，涉及一种生物发酵法制备2，3-丁二醇的分离提取方法。
【背景技术】
[0002]2，3- 丁二醇可以作为一种潜在的平台化合物，替代传统的平台化合物，用于大规模合成甲乙酮(优良溶剂)和1，3- 丁二烯(广泛应用于合成橡胶、聚酯和聚亚胺酯等领域)。除此之外，2，3- 丁二醇还可用于制备油墨、香水、熏蒸剂、增湿剂、软化剂、增塑剂、炸药及药物手性载体等，2，3- 丁二醇的氧化产物3-羟基丁酮和丁二酮可作为食用香料使用；同时，因其热值较高，与乙醇、甲醇相当，故可作为燃料添加剂；2，3-丁二醇酯化后可生成聚氨酯泡沫的前体；2，3-丁二醇与乙酸反应生成2，3-丁二醇二乙酸酯，该酯可加到奶油中改善风味；2，3-丁二醇在我国还被添加到白酒中，以改善白酒的风味。2，3-丁二醇脱氢变成双乙酰，双乙酰在食品工业中作为一种具有很高价值的风味剂。2，3- 丁二醇的L型异构体可用于抗冻剂。2，3-丁二醇酯化物能作为制作药物和化妆品的前体。其它潜在的用途包括用于制作墨水、增塑剂、湿润剂。目前2，3- 丁二醇的合成主要采用以石油裂解物为来源的化学法，但随着石油资源的大量消耗和不可再生资源价格的节节攀升，发展环境友好的生物基化学品的生物炼制技术已成为转变经济增长方式、保障生态链良性循环、实现经济社会可持续发展的战略需求。
[0003]生物发酵制备2，3- 丁二醇的过程中，通常以葡萄糖作为碳源，因此发酵过程中的副产物较多，发酵液体系比较复杂，增加了 2，3-丁二醇产品提取、纯化的难度。2，3-丁二醇具有双羟基，亲水性极强，常压沸点180°C，使用常规的减压蒸馏、过蒸发、膜蒸发等方式均不能起到良好的提取效果。主要表现在达到2，3-丁二醇沸点之前，发酵液中的一些可溶部分就会浓缩成较厚的油状釜残，从而减慢了 2，3- 丁二醇的蒸发速率。
[0004]随着双水相萃取技术的发展，双水相萃取的方法也广泛应用于生物发酵产品的分离、纯化。CN 200710010203.9公开了一种从发酵液中分离2，3-丁二醇的双水相萃取方法，其特征在于向2，3-丁二醇的发酵液中加入无机盐和亲水有机物形成新型双水相，从而达到萃取分离发酵液中2，3-丁二醇的目的。虽然以乙醇和磷酸氢二钾组成的双水相体系能够对2，3-丁二醇起到较好的浓缩效果，但是在实际应用过程中，乙醇的加入会引起菌液中蛋白成分的絮凝，其分离效果并不理想。CN200810024865.6公开了一种利用疏水硅沸石吸附分离发酵液中2，3- 丁二醇的方法，其特征在于将菌种发酵制得的2，3- 丁二醇发酵液预处理后用疏水硅沸石对2，3- 丁二醇进行吸附，吸附后用无水乙醇脱附，脱附液除去乙醇后得到2，3-丁二醇。疏水硅沸石是一种新型的吸附分离材料，具有憎水、亲有机物的性质，可以在水的存在下选择有机分子。虽然2，3- 丁二醇是一种有机分子，但是由于其含有两个羟基，容易形成氢键，且分子相对较小，具有较强的亲水性，因此疏水硅沸石对2.3- 丁二醇的理论吸附量很低，工业应用前景并不理想。
[0005]目前2，3-丁二醇的分离方法，主要是根据2，3-丁二醇的分子特征，运用物理或化学方式，进行有针对性的浓缩、提纯，但是从现阶段的研究成果表明，其实际的分离效果并不理想，主要原因在于2，3-丁二醇的发酵液中，糖类、发酵副产物、菌体溶出蛋白、脂类等生物大分子之间，在一定条件下具有较强的结合效应，因此仅凭单一的处理方式很难达到明显的分离效果。
【发明内容】
[0006]针对现有技术的不足，本发明提供一种从发酵液中提取2，3- 丁二醇的方法。本发明方法能够有效脱除发酵液中菌体溶出蛋白、脂类等生物大分子，形成较为均一、纯净的水相，有利于下一步双水相、精馏等精制方式的实施，适用于大规模生产应用。
[0007]本发明的从发酵液中提取2，3- 丁二醇的方法，包括如下内容:
(1)将造浆组分、增效剂和少量发酵液在碱性条件下混合均匀，得到发酵液预处理剂；
(2)将发酵液预处理剂加入发酵液中，调节pH为8?10，混合反应，然后调节pH为4?6，静置分离，收集液相，得到预处理后的发酵液；
(3)对预处理后的发酵液进行双水相萃取，过程如下:向预处理后的发酵液加入可溶性无机盐，溶解并混合均匀，然后加入低碳醇和/或多元醇，充分混合后，静置分层，取上清液，精制提取得到2，3- 丁二醇。
[0008]本发明方法中，所处理的发酵液来自于以葡萄糖为底物，经微生物发酵获得的未经过任何处理的发酵液，所述的发酵液中含有20?200g/L的2，3-丁二醇，其中含有一定有机酸、菌体蛋白等副广物。
[0009]本发明方法中，步骤(I)所述的造浆组分可采用膨润土、有机土、高岭土、伊利石、蒙脱石或海泡石中的一种或几种，造浆组分的目数为100~300目，造浆组分加入前需进行干燥处理，干燥条件为:100?300°C下干燥10?24小时。
[0010]本发明方法中，步骤(I)所述的增效剂为磺化褐煤、低粘羧甲基纤维素钠盐、高粘羧甲基纤维钠盐、羧甲基淀粉、乙烯基磺酸聚合物或聚阴离子纤维素等中的一种或几种。
[0011]本发明方法中，步骤(I)所述的造浆组分与增效剂质量比为5:1?50:1 ;发酵液预处理剂中造浆组分与发酵液的固液比为1:10?1:2 (g:mL)。
[0012]本发明方法中，步骤(I)所述的碱性条件的pH为8~10 ;步骤(I)和(2)调节pH为8~10可选用氢氧化钠或氢氧化钙，也可根据增效剂中阳离子成分，选择相应的钠盐或钙盐；步骤(2)中调节pH为4~6可选用稀硫酸、磷酸等中强酸。
[0013]本发明方法中，步骤(2)所述的发酵液预处理剂的加入量，按照造浆组分与混合后发酵液的固液比1:100?1:10 (g:mL)加入。
[0014]本发明方法中，步骤(2)所述的混合反应时间为0.5?2小时，
本发明方法中，步骤(3 )所述的可溶性无机盐为具有较高溶解度的强碱弱酸盐，如磷酸氢二钾、磷酸氢二钠或磷酸二氢钾中的一种或几种。
[0015]本发明方法中，步骤(3)所述的低碳醇和/或多元醇选自乙醇、乙二醇、丙醇、异丙醇、丁醇或1，4- 丁二醇中的两种或两种以上，其中至少含有1，4- 丁二醇，低碳醇和/或多元醇中1，4- 丁二醇的体积百分比的10%?30%。
[0016]与现有技术相比具有如下优点:
(I)造浆成分中所使用的粘土类矿物，本身呈负电性、具有离子交换吸附能力，从而能够对菌体细胞、菌体溶出蛋白、脂类等生物大分子具有吸附絮凝作用；通常粘土类矿物在水相中的混合效果较差，因此对发酵液中生物大分子的吸附作用有限。本方案以PH条件控制膨润土、有机土等造浆成分在水相中的聚集状态，即高PH条件下提高造浆成分的分散度，易于形成混悬液，从而增加其对发酵液中生物大分子的吸附效果；低PH条件下使其自发絮凝，以利于固相分离。
[0017](2)发酵液预处理过程中加入具有增效作用的聚合物分子，高pH条件下，能够增强粘土成分的分散度、水合效果；低pH条件下，能够增强造浆成分的交联作用，从而提高集聚沉降的效果。在聚合物分子的作用下，增强了粘土成分对发酵液中生物大分子的吸附作用，从而使一些低分子蛋白更容易去除，提高了预处理效果。
[0018](3)双水相萃取过程中添加了包含一定量1，4- 丁二醇的低碳醇和/或多元醇，醇类是通过氢键能够对2，3-丁二醇的浓缩，共同存在于上相清液中，同时由于1，4-丁二醇沸点高于2，3- 丁二醇，从而能够起到在精馏过程中提高2，3- 丁二醇收率的效果。
[0019](4)本发明方法通过有效的发酵液预处理步骤，获得了更为纯净的发酵清液，降低了后续提取难度，同时对双水相萃取方案进行了优化，更有利于精馏操作，能够提高2，3- 丁二醇的收率，更有利于工业应用。
【具体实施方式】
[0020]下面结合实施例对本发明方法的具体过程及效果进行说明，但不局