一种细胞催化糠醛制取糠酸的方法
【专利摘要】本发明公开了一种细胞催化糠醛制取糠酸的方法，包括：（1）在摇荡或者搅拌通风的反应体系内，以初始底物浓度不超过10g/L糠醛液为反应基质，接入菌体浓度1.0g/L的氧化葡萄糖酸杆菌进行反应；（2）采用半连续或连续分批添料的方式向反应体系中添加糠醛，控制反应体系中的糠醛浓度不高于10g/L，直至糠醛加入总量达到39~40g/L，实时监测和调控pH值不低于3.0；（3）至反应体系中糠醛完成消耗时终止反应，获得糠酸液。本发明不需要采用金属催化剂或苛刻的酸、碱反应条件，且底物糠醛消耗完全和转化率高，糠酸产品纯度高、容易分离精制，并且废水处理简单。在底物糠醛的消耗率达到100%和产品糠酸转化率超过96%的条件下，产品糠酸浓度超过40g/L。
【专利说明】一种细胞催化糠醛制取糠酸的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及糠酸制备【技术领域】，具体涉及一种细胞催化糠醛制取糠酸的方法。
【背景技术】
[0002]糠酸,又称α -呋喃羧酸、2-呋喃甲酸或呋喃甲酸，是一种有机合成中间体，可转化生成酯、酰氯、酸酐、酰胺等衍生物，用于生产2-甲基呋喃，糠酰胺、糠酸酯(盐)、增塑剂，热固性树脂、食品工业防腐剂、涂料添加剂、香料及合成呋脲青霉素和头孢噻呋等医药。
[0003]现有报道的糠酸制取方法主要是以糠醛为原料，采用Cannizzaro反应、金属催化法或者电解糠醛法。如中国专利申请200910112526.8采用“一种基于双极膜技术同时制备糖醇和糠酸的方法”，以网状Zn-Ni合金为阴极，铅电极为阳极，采用高浓度NaOH和MnO2溶液为电解媒介，糠酸最高产率为85%。上述方法存在着糠醛转化不完全、金属催化剂消耗、糠酸产品分离或者废水处理的困难。还不能完全满足使用需求。
【发明内容】
[0004]发明目的:本发明的目的是提供一种细胞催化糠醛制取糠酸的方法，可通过细胞催化一步将糠醛完成转化成糠酸，同时具有反应条件温和，生产过程的设备、工艺和操作简单，化学品消耗最低、废水处理与回用方便的优势。
[0005] 技术方案:为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下:
一种细胞催化糠醛制取糠酸的方法，包括以下步骤:
(1)在摇荡或者搅拌通风的反应体系内，以初始底物浓度不超过10g/L糠醛液为反应基质，接入菌体浓度不低于1.5 g/L的氧化葡萄糖酸杆菌(Mluconobacter oxydans)进行反应;
(2)采用半连续或连续分批添料的方式向反应体系中添加糠醛，控制反应体系中的糠醛浓度不高于10 g/L，直至糠醛加入总量达到39~40g/L，实时监测和调控pH值不低于3.0 ；
(3)至反应体系中糠醛完成消耗时终止反应，获得糠酸液。
[0006]所制备的糠酸液中，糠酸浓度不低于40g/L。
[0007]步骤(1)中，搅拌转速为220r/min。
[0008]步骤(1)中，初始底物浓度为6.5~7g/L。
[0009]反应中，使用碳酸钙控制反应体系ρΗ4.0-7.0。
[0010]所采用的细胞为氧化葡萄糖酸杆菌，以及以它为出发菌株的一切遗传诱变或者基因重组菌株。
[0011]反应体系中的底物为含有糠醛或者包括糠醛的任意组合型反应底物，产品为糠酸及包括糠醛的任意组合型产物。
[0012]本发明的制取方法为细胞催化方法，定向生物催化氧化糠醛分子中的C-1位醛基生物脱氢生成C-1位羧酸根；同时，通过半连续或连续添料的操作方式，实现了将糠醛的细胞毒性控制与产物糠酸浓度提高的有效统一，使底物糠醛的消耗率和产物糠酸的得率均超过95%，产品糠酸浓度超过40g/L，为现有糠醛类生物转化报道的最高水平。
[0013]有益效果:与现有技术相比，本发明不需要采用金属催化剂或苛刻的酸、碱反应条件，且底物糠醛消耗完全和转化率高，糠酸产品纯度高、容易分离精制，并且废水处理简单。在底物糠醛的消耗率达到100%和产品糠酸转化率超过96%的条件下，产品糠酸浓度超过40 g/L，具有很好的实用性，易于工业化。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是在摇瓶反应体系中半连续式分批加料条件下细胞催化糠醛制取糖酸的反应历程图；图中，横座标表示反应时间(d)，主纵座标表示糠醛消耗率和糠酸产率(％)，次纵座标表示糠酸浓度和糠醒加入量(g/L)。
【具体实施方式】
[0015]下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。
[0016]实施例1
在250mL具塞三角瓶中，加入50mL糠醛水溶液，糠醛初始浓度为6.5g/L，加入10g/L碳酸钙控制反应体系ρΗ4.0-7.0，将摇瓶转入30°C 土 5的恒温振荡培养床，调节振荡搅拌转速为220r/min，接入 活化后的氧化葡萄糖酸杆菌至细胞浓度为1.0 g/L进行细胞催化反应。
[0017]采用半连续添料操作方式，每24小时添加6.5 g/L糠醛(基于反应液体积)，并添加碳酸钙控制反应体系ρΗ4.0-7.0。至第6天后停止添料，共计添加39g/L糠醛。继续反应至第10天,停止反应,反应历程图如图1所示；图中,横座标表示反应时间(d),主纵座标表示糠醛消耗率和糠酸产率(％)，次纵座标表示糠酸浓度和糠醛加入量(g/L) j5GC-MS或者HPLC检测，底物糠醛被完全消耗，产物糠酸浓度超过40g/L。
[0018]实施例2
在3 L机械通风式反应罐中，加入1.5 L糠醛液至初始糠醛浓度为7.0 g/L,加入20g/L碳酸钙调节反应体系pH 4.0-7.0，维持反应体系温度30°C 土 5、搅拌转速35(T500r/min和通风量3~5vvm，保持罐压为0.01~0.02MPa，接入活化后的氧化葡萄糖酸杆菌至细胞浓度为1.0g/L进行细胞催化。
[0019]实时检测反应体系的底物糠醛及产物糠酸浓度，当糠醛浓度低于2g/L时自动流加糠醛(纯度高于97%)至浓度不高于10g/L。至糠醛加入总用量达到40g/L时，停止流加糠醛继续反应。反应至92小时后，糠醛被完全消耗，产品糠酸浓度达到41.5g/L，终止反应得到糠酸产品液。
【权利要求】
1.一种细胞催化糠醛制取糠酸的方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)在摇荡或者搅拌通风的反应体系内，以初始底物浓度不超过10g/L糠醛液为反应基质，接入菌体浓度1.0 g/L的氧化葡萄糖酸杆菌进行反应； (2)采用半连续或连续分批添料的方式向反应体系中添加糠醛，控制反应体系中的糠醛浓度不高于10 g/L，直至糠醛加入总量达到39~40g/L，实时监测和调控pH值不低于3.0 ； (3)至反应体系中糠醛完成消耗时终止反应，获得糠酸液。
2.根据权利要求1所述的细胞催化糠醛制取糠酸的方法，其特征在于:所制备的糠酸液中，糠酸浓度不低于40g/L。
3.根据权利要求1所述的细胞催化糠醛制取糠酸的方法，其特征在于:步骤(1)中，搅拌转速为220r/min。
4.根据权利要求1所述的细胞催化糠醛制取糠酸的方法，其特征在于:步骤(1)中，初始底物浓度为6.5~7g/L。
5.根据权利要求1所述的细胞催化糠醛制取糠酸的方法，其特征在于:反应中，使用碳酸钙控制反应体系ρ Η4.0-7.0。
【文档编号】C12P17/04GK103911405SQ201410131002
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年4月3日 优先权日:2014年4月3日
【发明者】徐勇, 瑞切尔·陈 申请人:南京林业大学