专利名称：一种基于全膜分离系统的丁二酸分离装置及方法
技术领域：
本发明涉及发酵工业中丁二酸分离领域，具体地，本发明涉及一种基于全膜分离系统的丁二酸分离装置及方法。
背景技术：
丁二酸(Succinic Acid)又名琥珀酸，广泛存在生物体中，是一种重要的二元有机羧酸，也是微生物三羧酸循环及糖酵解途径的重要代谢产物。因其独特的结构和化学性质， 丁二酸在很多领域有着广泛的用途，可用于合成可降解塑料、医药领域的镇定剂、食品工业的食品添加剂、表面活性剂及其它等。丁二酸的合成由传统的化工合成方法和新型的生物发酵法，因生物发酵法原料低廉，并且可以固定(X)2而成为近些年来有机酸研究的热点。除了发酵工艺(US7455997、CN101389752、US6596921)及菌种选育(CN10153197W 等的探索， 丁二酸的分离纯化也是发酵液生产丁二酸的重要研究内容。目前专利及文献中报道的丁二酸的分离纯化方法主要有钙盐法、液液萃取法、吸附法、电渗析法、膜分离等方法，现有的丁二酸发酵液提取工艺存在的主要问题总结如下1、尽管钙盐法(CN101643400、US5143834)为当前生产丁二酸所用的主要分离纯化方法，但是在其工艺过程中需要大量的钙盐原料氧化钙或氢氧化钙，同时钙盐法在生产丁二酸的同时会生产大量的副产物石膏，并且该工艺线路繁杂，产品的质量不稳定。2、液液萃取法(US577365;3)提取丁二酸主要是采用叔胺类萃取剂进行萃取，萃取剂的选择面很窄，而且萃取效率不高，另外很重要的问题是萃取剂具有较大的毒性，不适于制备食品级或者医药级的丁二酸。3、吸附法(CN101348428、CN101348429、CN101811953A)主要采用离子树脂吸附， 该工艺存在的主要问题是吸附剂的吸附量比较小，树脂处理频繁，再生困难，并且该工艺过程需要大量的洗脱液，因此对水的用量较大。4、电渗析法(CN101486637A)工艺存在的主要问题是耗能太高，并且电渗析膜也很容易污染损耗。5、现有的膜分离方法主要是利用单个膜单元操作比如微滤或者超滤进行丁二酸的分离，而没有将其与合适的单元操作结合起来，单元操作设计不合理，使得工艺路线繁杂，或者分离效果差。比如中国专利CN101748161A采用超滤单元操作处理丁二酸的发酵液，超滤之前使用过滤装置实现固液分离，这样不利于实现分离工艺和发酵工艺的耦合；中国专利CN101811953A将发酵液进行超滤操作，获得的滤液采用H-型强酸性阳离子交换树月旨，然后再经过纳滤单元操作，最后再浓缩、结晶获得丁二酸晶体，该工艺路线较长，单元操作较多，经济性差；中国专利CN101486637A将丁二酸发酵液先进行微滤操作，再通过纳滤截留蛋白及色素，然后再通过电渗析、浓缩、结晶等操作获得丁二酸晶体，该工艺中纳滤操作除去蛋白色素，经济性差，可以采用超滤和活性炭吸附代替，之后的电渗析操作也可以通过直接调节PH来实现，工艺路线不经济，操作单元功能重叠；中国专利CN1887843A中将发酵液经过微滤超滤之后进行活性炭吸附脱色，浓缩结晶，获得的丁二酸晶体，此工艺路线虽然简单，但是对于超滤之后未结晶的母液未考虑，造成最终丁二酸的收率较低。中国专利 CN101475464利用微滤超滤及两次纳滤对丁二酸的发酵液进行处理，工艺繁多，采用两次纳滤及较多的后续操作处理，并且在工艺中需多次调节PH，其两次纳滤可以用一次合适的纳滤操作来代替，降低了成本，同时也避免了两次纳滤操作带来的多次PH的调节。微滤、超滤都是基于物理筛分原理实现发酵液的初步澄清，在发酵液的处理中有一定的应用。纳滤是近年来在反渗透基础上发展起来一种新型膜分离技术，其相对截留分子量(MWCO)约为200 2000，随着制膜技术的提高，其相对截留分子量(MWCO)在200以下的也有了很多相关报道。纳滤膜分离基于筛分效应和电荷效应，筛分效应是使得纳滤膜能够较好的截留有机小分子，而基于电荷效应，则其能够很好的将二价及高价离子截留，对于一价离子则具有较高的透过性，除此之外，纳滤操作能对发酵液进行比较好的脱色。当前纳滤技术在饮用水的软化及除去有机物方面、酱油脱盐、果汁牛奶浓缩、中草药成分的提取等方面已有相关专利报道。利用纳滤进行丁二酸的分离纯化，仅有CN101748161A、 CN101486637A.CN101475464等几篇专利报道，上述专利中存在的不足已在前面的叙述中指出。基于全膜分离系统进行丁二酸的分离纯化，仅有中国专利CN101475464报道，其存在的问题除了如前所述，还有未考虑将分离工艺与发酵工艺耦合的不足。总之，当前工艺存在着工艺流程繁杂，单元操作设计不合理，分离效果差，不易实现与发酵工艺的耦合，丁二酸收率低，不易于工业化等等的不足，需要进一步提高和改进。
发明内容
本发明的目的在于，为了解决分离工艺与发酵工艺耦合的不足的问题，提供了一种基于全膜分离系统的丁二酸分离装置。本发明的再一目的在于，提供了一种基于全膜分离系统的丁二酸分离方法。为了解决上述技术问题，本发明的技术方案提供了一种基于全膜分离系统的丁二酸分离装置，所述的全膜分离系统包括膜组件5，其特征在于，该装置还包括发酵罐1和泵 3，所述的发酵罐1、泵3和全膜分离系统中的膜组件5形成回路，实现了丁二酸发酵和分离的耦合。作为上述方案的一种改进，所属的装置还包括冷热交换器2，所述的冷热交换器2 安装在回流管道7上，位于泵3和膜组件5之间。作为上述方案的又一种改进，所述的装置还包括两个压力表4，所述的两个压力表 4分别设置于膜组件5两侧的管路上。作为上述方案的还一种改进，所述的装置还包括一止水夹8，该止水夹8安装在经过膜组件5回流到发酵罐1的回流管道7上。本发明还提供了一种基于全膜分离系统的丁二酸分离方法，所述方法包括以下步骤1)将丁二酸发酵液经泵到膜组件进行微滤，得到初步澄清的发酵液和分离出的菌体颗粒，分离出的菌体颗粒返回到发酵罐循环使用；2)将步骤1)中的发酵液进行超滤，除去滤液中的大分子，同时得到高浓度的丁二酸溶液；3)将步骤2、中高浓度的丁二酸溶液结晶，离心得到丁二酸晶体和母液；
4)将步骤3)中的母液进行纳滤，除去发酵液中副产物，浓缩，收集纳滤截留液；5)将步骤4)中的截留液结晶，得到丁二酸晶体。根据本发明的基于全膜分离系统的丁二酸分离方法，步骤1)中所述的丁二酸发酵液由产丁二酸杆菌BE-I或者经基因工程改造的大肠杆菌发酵获得，丁二酸浓度较高，具体为浓度为60 110g/L ；所述微滤操作，其微滤膜孔径为0. 1 0. 3 μ m，膜组件的形式为中空纤维式，膜材质为有机聚偏氟乙烯或者无机陶瓷膜，操作压力0. 1 0. 4MPa，操作温度为20 50°C，其设备示意图见附图1示。根据本发明的基于全膜分离系统的丁二酸分离方法，步骤2)中的超滤操作，其超滤膜截留分子量为6000 20000道尔顿，膜组件的形式为中空纤维超滤膜，膜材料为有机聚砜或者无机陶瓷膜，操作压力为0. 2 0. 6MPa，操作温度为30 50°C，其设备示意图见附图1示。根据本发明的基于全膜分离系统的丁二酸分离方法，步骤3)中的结晶操作，丁二酸发酵液的PH调节为1 4，温度控制在4 6°C，时间为12 Mh。根据本发明的基于全膜分离系统的丁二酸分离方法，步骤4)中纳滤操作，纳滤膜截留分子量为90 270，纳滤膜材料为有机的有机卷式膜，操作压力为1. 0 5. OMPa，操作温度为30 50°C，在具体操作中，根据实际情况进行渗滤，以增加膜通量，减轻膜污染。步骤5)中，所述的结晶操作与步骤3)中所述相同。本发明利用膜分离系统分离纯化丁二酸的工艺流程见图2。与现有工艺技术相比，本发明具有一下优点1、本发明基于全膜分离系统分离纯化发酵液中的丁二酸，首先，微滤和超滤操作能够除去发酵液液中菌体颗粒大分子蛋白等物质，实现发酵的澄清，此时较高浓度的丁二酸发酵液在结晶操作下除去各种副产物酸，并且得到较高纯度的丁二酸晶体。而超滤之后较稀部分的丁二酸发酵液则通过纳滤，截留丁二酸，透过甲酸、乙酸、乳酸等副产物酸，实现丁二酸的浓缩和脱色，此时较高浓度的丁二酸通过之后的结晶操作，获得较高纯度的丁二酸晶体。2、本发明的工艺路线短，单元操作设计合理，丁二酸收率高，丁二酸晶体获得一是超滤之后的高浓度丁二酸发酵液直接结晶，没有经过纳滤操作，因为高浓度的丁二酸在结晶操作下在除去杂质的同时也能获得结晶。另外较稀部分的母液没有丢弃，而是通过纳滤操作，除杂浓缩后结晶，这样使得最终丁二酸的收率较高。3、本发明考虑到了现存的分离纯化工艺能否和发酵工艺进行耦合这一关键点，在设计流程时，先采用最易和发酵设备耦合的中空纤维微滤膜进行发酵液澄清，这样将有利于建立基于全膜分离系统的丁二酸发酵分离耦合工艺。4、本发明中的纳滤操作单元，通过选择合适孔径和材料的纳滤膜，并结合纳滤膜的电荷效应，调节发酵液的PH和选择合适的操作条件，实现对丁二酸的截留、浓缩脱色等。本发明利用全膜分离系统提取丁二酸，工艺流程简单、合理，设备操作容易，产品回收率高、纯度高，并且具有其他工艺未考虑的能够和发酵工艺进行耦合的优点。将丁二酸发酵工艺与分离工艺进行耦合，细胞的持续增长成为现实，营养丰富的补料液不断加入，没有底物限制的状况出现，丁二酸边发酵边分离，解除了发酵过程中丁二酸的高浓度抑制，有利于获得高浓度的丁二酸发酵液，生产强度得到提高，丁二酸发酵和分离的耦合，缩短了丁二酸生产周期，生产效率得到提高。
图1为本发明的基于全膜分离系统的丁二酸分离装置示意图；图2为本发明的基于全膜分离系统的丁二酸分离工艺流程图。附图标识1、发酵罐2、冷热交换器3、泵4、压力表5、膜组件6、滤过液出口7、回流管道8、止水夹
具体实施例方式下面结合实施例进一步说明本发明所提供的技术方案，如图1所示，本发明的全膜分离系统包括膜组件5，该装置还包括发酵罐1和泵3，其中发酵罐1、泵3和全膜分离系统中的膜组件5形成回路，经过微滤的发酵液经滤过液出口 6进行超滤和纳滤，实现了丁二酸发酵和分离的耦合。该装置还包括两个压力表4，所述的两个压力表4分别设置于膜组件 5两侧的管路上，该装置还包括一止水夹8，该止水夹8安装在回流管道7上，位于发酵罐1 和膜组件5之间并且在发酵罐1和膜组件5之间设置冷热交换器2，来控制发酵液温度。实施例1 以葡萄糖为碳源，产丁二酸放线杆菌BE-I为生产菌株发酵而的丁二酸发酵液，其中丁二酸浓度为76g/L，甲酸浓度为8g/L，乙酸浓度10g/L，乳酸浓度为5g/L，残余糖的量较少，发酵液PH 6.8。发酵液经过微滤膜操作之后，菌体的除去率为95%，蛋白的除去率35%，其中微滤操作采用的是中空纤维微滤膜，微滤膜的孔径为0. 1 μ m，膜材质选用有机膜，采用错流操作的方式，操作温度为25°C。将获得的微滤渗透液进行超滤操作，超滤操作采用中空纤维膜设备，膜材料选择有机膜，膜截留分离量为6000 20000道尔顿，采用错流操作的方式，操作温度为25°C，操作压力为0. 2MPa，超滤之后，蛋白质的除去率为87%，此时丁二酸浓度为82g/L，直接进行结晶操作，调节超滤透过液的pH为2，控制温度在4°C，搅拌速度为70r/min，结晶时间为Mh，离心过滤获得丁二酸晶体，纯度达到99. 8%，硫酸盐含量低于 0.001%，各项指标符合FCCIV标准规定。将结晶操作中离心之后的含较低浓度的丁二酸发酵液调节PH在2 4，进行纳滤操作，其中纳滤膜的截留相对分子量为90，温度为室温， 操作压力为2MPa，经过纳滤之后，丁二酸的截留率达到98%，乳酸透过率为64%，乙酸的透过率为89%，甲酸的透过率91 %，硫酸根离子的截留率为98%，镁离子的截留率为99%，钙离子的截留率为100%，蛋白质的截留率为100%，再通过如前所述的结晶操作获得纯度为 99. 6%的丁二酸晶体。经两步结晶之后，丁二酸的收率为91%，纯度为99. 6%以上，硫酸盐含量低于0. 001 %，各项指标均符合FCCIV标准。由以上实例可以看出，该工艺流程具有良好的效果。实施例2 以葡萄糖为碳源，产丁二酸放线杆菌BE-I为生产菌株发酵而的丁二酸发酵液，其中丁二酸浓度为85g/L，甲酸浓度为10g/L，乙酸浓度15g/L，乳酸浓度为3g/L，无残糖，发酵液 ρΗ6· 8。发酵液经过两种工艺处理。工艺一发酵液经过微滤膜操作之后，菌体的除去率为93%，蛋白的除去率32%， 其中微滤操作采用的是中空纤维微滤膜，微滤膜的孔径为0. 1 μ m，膜材质选用有机膜，采用错流操作的方式，操作温度为25°C。将获得的微滤渗透液进行超滤操作，超滤操作采用中空纤维膜设备，膜材料选择有机膜，膜截留分离量为6000 20000道尔顿，采用错流操作的方式，操作温度为25°C，操作压力为0. 2MPa，超滤之后，蛋白质的除去率为82%，此时丁二酸浓度为90g/L，直接进行结晶操作，调节超滤透过液的pH为2，控制温度在4°C，搅拌速度为70r/min，结晶时间为Mh，离心过滤获得丁二酸晶体，纯度达到99. 8%，硫酸盐含量低于 0.001%，各项指标符合FCCIV标准规定。将结晶操作中离心之后的含较低浓度的丁二酸发酵液调节PH在2 4，进行纳滤操作，其中纳滤膜的截留相对分子量为90，温度为室温， 操作压力为2MPa，经过纳滤之后，丁二酸的截留率达到95%，乳酸透过率为57%，乙酸的透过率为83%，甲酸的透过率87%，硫酸根离子的截留率为98%，镁离子的截留率为98%，钙离子的截留率为99%，蛋白质的截留率为100%，再通过如前所述的结晶操作获得纯度为 99. 5%的丁二酸晶体。经两步结晶之后，丁二酸的收率为90%，纯度为99. 5%以上，硫酸盐含量低于0. 001 %，各项指标均符合FCCIV标准。工艺二 发酵液如工艺一中前面处理相同，即经过微滤、超滤之后直接对高浓度丁二酸进行结晶，获得丁二酸晶体，对于母液放弃处理。经该工艺后丁二酸的收率为69%，纯度为99. 5%。由工艺一与工艺二的对比可以发现，本发明中的工艺流程，超滤之后的发酵液进行两部分处理，提高了丁二酸的收率，同时对于高浓度丁二酸发酵液部分不经过纳滤直接结晶的操作，省去了一个单元操作，节约能源，具有较好的经济性。实施例3以葡萄糖为碳源，以经过基因工程改造的大肠杆菌为生产菌株发酵而的丁二酸发酵液，其中丁二酸浓度为92g/L，甲酸浓度为12g/L，乙酸浓度17g/L，乳酸浓度为5g/L，无残糖，发酵液PH 6.7。发酵液处理采取的工艺如下发酵液经过微滤操作，微滤操作采用的是中空纤维微滤膜，微滤膜的孔径为0. 1 μ m，膜材质选用有机膜，采用错流操作的方式，操作温度为 250C，经微滤之后，菌体的除去率为94%，蛋白质的除去率在35 %，将微滤渗透液进行超滤操作，超滤操作采用中空纤维膜设备，膜材料选择有机膜，膜截留分离量为6000 20000道尔顿，采用错流操作的方式，操作温度为25°C，操作压力为0. 2MPa，超滤之后，蛋白质的除去率为87%，此时丁二酸浓度为98g/L，调节丁二酸发酵液pH在2 4，将全部超滤滤除液进行纳滤操作，其中纳滤膜的截留相对分子量分别为90的卷式有机膜，温度为室温，操作压力为2MPa，之后进行结晶操作，调节超滤透过液的pH为2，控制温度在4°C，搅拌速度为 70r/min，结晶时间为Mh，离心过滤获得丁二酸晶体，收率为94%，纯度达到99. 8%。比较案例1中的处理工艺和此案例中的工艺，可以看出，经过超滤之后的丁二酸发酵液全部经过纳滤操作和部分经过纳滤操作丁二酸收率相差不大，所以案例1中的工艺更具有经济性。实施例4
以葡萄糖为碳源，以经基因工程改造的大肠杆菌为生产菌株发酵而得丁二酸发酵液，其中丁二酸浓度为105g/L，甲酸浓度为8g/L，乙酸浓度5g/L，乳酸浓度为3g/L，无残糖， 发酵液PH 6.9。发酵液经过微滤膜操作之后，菌体的除去率为95%，蛋白的除去率37%，其中微滤操作采用的是中空纤维微滤膜，微滤膜的孔径为0. 1 μ m，膜材质选用有机膜，采用错流操作的方式，操作温度为25°C。将获得的微滤渗透液进行超滤操作，超滤操作采用中空纤维膜设备，膜材料选择有机膜，膜截留分离量为6000 20000道尔顿，采用错流操作的方式，操作温度为25°C，操作压力为0. 2MPa，超滤之后，蛋白质的除去率为85%，此时丁二酸浓度为110g/L，直接进行结晶操作，调节超滤透过液的pH为2，控制温度在4°C，搅拌速度为70r/min，结晶时间为Mh，离心过滤获得丁二酸晶体，纯度达到99. 8%，硫酸盐含量低于 0. 001%，各项指标符合FCCIV标准规定。将结晶操作中离心之后的含较低浓度的丁二酸发酵液调节PH在2 4，进行纳滤操作，其中纳滤膜的截留相对分子量分别为90和270道尔顿，基于其所选纳滤膜的电荷效应，两种膜对丁二酸都截留作用。温度为室温，操作压力为 2MPa，不同的纳滤膜采用相同的操作条件，纳滤操作之后直接结晶获得丁二酸晶体，经过不同纳滤膜处理其结果如下表示
权利要求
1.一种基于全膜分离系统的丁二酸分离装置，所述的全膜分离系统包括膜组件(5)， 其特征在于，该装置还包括发酵罐(1)和泵(3)，所述的发酵罐(1)、泵(3)和全膜分离系统中的膜组件(5)形成回路，实现了丁二酸发酵和分离的耦合。
2.根据权利要求1所述的基于全膜分离系统的丁二酸分离装置，其特征在于，所述的装置还包括冷热交换器O)，所述的冷热交换器( 安装在回流管道(7)上，位于泵(3)和膜组件(5)之间。
3.根据权利要求1所述的基于全膜分离系统的丁二酸分离装置，其特征在于，所述的装置还包括两个压力表G)，所述的两个压力表(4)分别设置于膜组件( 两侧的管路上。
4.根据权利要求1所述的基于全膜分离系统的丁二酸分离装置，其特征在于，所述的装置还包括一止水夹(8)，该止水夹(8)安装在经过膜组件( 回流到发酵罐(1)的回流管道(7)上。
5.一种基于全膜分离系统的丁二酸分离方法，该方法包括以下步骤1)将丁二酸发酵液经泵到膜组件进行微滤，得到初步澄清的发酵液和分离出的菌体颗粒，分离出的菌体颗粒返回到发酵罐循环使用；2)将步骤1)中的发酵液进行超滤，除去滤液中的大分子，同时得到高浓度的丁二酸溶液；3)将步骤幻中高浓度的丁二酸溶液结晶，离心得到丁二酸晶体和母液；4)将步骤3)中的母液进行纳滤，除去发酵液中副产物，浓缩、收集纳滤截留液；5)将步骤4)中的截留液结晶，再得到丁二酸晶体。
6.根据权利要求5所述的基于全膜分离系统的丁二酸分离方法，其特征在于，所述的步骤1)中的丁二酸发酵液浓度为60 110g/L。
7.根据权利要求5所述的基于全膜分离系统的丁二酸分离方法，其特征在于，所述的步骤1)中微滤，其微滤膜孔径为0. 1 0.3μπι，膜组件为中空纤维式，膜材质为有机聚偏氟乙烯或无机陶瓷膜，操作压力0. 1 0. 4MPa，操作温度为20 50°C。
8.根据权利要求5所述的基于全膜分离系统的丁二酸分离方法，其特征在于，所述的步骤幻中的超滤，其超滤膜截留分子量为6000 20000道尔顿，膜组件的形式为中空纤维超滤膜，其材料为有机聚砜或者无机陶瓷膜，操作压力为0. 2 0. 6MPa，操作温度为30 50 "C。
9.根据权利要求5所述的基于全膜分离系统的丁二酸分离方法，其特征在于，所述的步骤3)和步骤5)中的结晶，其条件为调节丁二酸发酵液的pH为1 4，温度为4 6°C， 时间为12 24h。
10.根据权利要求5所述的基于全膜分离系统的丁二酸分离方法，其特征在于，所述的步骤4)中的纳滤，纳滤膜截留分子量为90 270道尔顿，纳滤膜材料为卷式有机膜，操作压力为1.0 5. OMPa，温度为30 50°C，发酵液的pH为8 10。
全文摘要
本发明涉及一种基于全膜分离系统的丁二酸分离装置及方法。根据本发明的基于全膜分离系统的丁二酸分离装置，该装置的全膜分离系统包括膜组件(5)，该装置还包括发酵罐(1)和泵(3)，所述的发酵罐(1)、泵(3)和全膜分离系统中的膜组件(5)形成回路，实现了丁二酸发酵和分离的耦合。通过本发明的装置将丁二酸发酵工艺与分离工艺进行耦合，解除了发酵过程中丁二酸的高浓度抑制，有利于获得高浓度的丁二酸发酵液，生产强度得到提高，缩短了丁二酸生产周期，生产效率得到提高。
文档编号B01D61/58GK102476989SQ20101057416
公开日2012年5月30日 申请日期2010年11月30日 优先权日2010年11月30日
发明者万印华, 唐煌, 张云剑, 李强, 王丹, 王彩霞, 苏仪, 邢建民 申请人:中国科学院过程工程研究所