專利名稱：生物催化生產(chǎn)的丙烯酸的提純方法
技術領域：
本發(fā)明屬生物化工技術領域，具體涉及一種生物催化生產(chǎn)的丙烯酸的提純方法。
背景技術：
丙烯酸是一種重要有機原料，用于生產(chǎn)聚丙烯酸酯、聚丙烯酸及其鹽或與其他單體形成的共聚物等高分子材料，這些材料在合成樹脂、合成橡膠、合成纖維以及涂料、乳膠、粘合劑、鞣革、造紙、洗滌劑等領域應用廣泛。
工業(yè)化生產(chǎn)丙烯酸的方法很多，但最常用的方法主要包括(1)丙烯腈水解法，該法依賴于化學水解，在強酸的催化下丙烯腈首先水解生成丙烯酰胺，后者進一步水解為丙烯酸，此法工藝路線簡單，設備投資相對較小，缺點是污染嚴重，副產(chǎn)物酸性銨鹽處理困難。(2)丙烯氣相氧化法，丙烯在金屬催化劑作用下氧化成丙烯醛，再被氧化成丙烯酸，由于石油工業(yè)能夠大量提供廉價的丙烯，且反應中丙烯酸的收率高，該法成為目前最經(jīng)濟的生產(chǎn)丙烯酸的方法，也是大規(guī)模生產(chǎn)的首選方法，此法的生產(chǎn)能力占世界總生產(chǎn)能力的85％以上，但該方法的缺點是投資較高，需要耐高溫高壓設備，特別是由于產(chǎn)生乙酸、甲酸等雜質(zhì)給產(chǎn)物的提純帶來很多麻煩。
由于化學法通常反應條件苛刻，環(huán)境污染大，副反應多，難以滿足市場對高純度丙烯酸產(chǎn)品的需求。有文獻提議應用生物催化方法合成丙烯酸，因為生物催化法具有選擇性好、產(chǎn)品純度高、反應條件溫和等優(yōu)點。利用微生物固有的酶催化丙烯腈水解產(chǎn)生丙烯酸銨，已有不少相關文獻報道實例，如在Appl.Microbail.Biotechnol.1990，34322-324和美國專利U.S.5135858中描述的Rhodococcus rhodochrous J1菌屬；專利WO03066872(等同于U.S.6,670,158)中公開的Comamonas testosteroni 5-MGAM-4D菌屬；美國專利U.S.6,361,981和U.S.6,162,624及U.S.5,998,180中公開的Rhodococcus rhodochrous NCIMB40757 or NCIMB 40833菌屬；山東大學學報(自然科學版)1994，29(2)217-223中描述的Pseudomonadaceae菌屬；J.Chem.Soc.，Perkin Trans.1，1997，1099-1104中描述的Rhodococcus sp.AJ270菌屬；Appl.Environ.Microbiol.，1976，31(6)，900-906中描述的Nocardia rhodochrous LL100-21菌屬；J.Bacteriol.，1990，172(9)，4807-4815中描述的Rhodococcus Rhodochrous K22菌屬。
有關產(chǎn)物的提純，在實例如在Appl.Microbail.Biotechnol.1990，34322-324中介紹，通過離心除去細胞后得到反應清液，直接用乙醚從反應清液中萃取出丙烯酸，萃取液蒸發(fā)除去大部分萃取劑后，粗丙烯酸通過精溜進一步提純，由于反應生成的是丙烯酸銨，反應過程中pH基本上無變化，因此直接萃取顯然不妥，且反應過程中沒調(diào)節(jié)pH的必要；而在實例如U.S.6,361,981中則直接以反應生成的丙烯酸銨為產(chǎn)品，沒有轉(zhuǎn)化為相應的丙烯酸的說明。
顯然由生物催化方法合成丙烯酸已為替代化學方法展示了良好前景，但是當前生物催化生產(chǎn)丙烯酸存在的不足在于，文獻報道的實例均為小規(guī)模的批式反應，缺乏能夠規(guī)模化連續(xù)化的生產(chǎn)工藝，且無產(chǎn)物丙烯酸分離提純的具體說明，包括從丙烯酸銨到丙烯酸的轉(zhuǎn)化以及丙烯酸產(chǎn)品的提純等，滿足不了工業(yè)化生產(chǎn)的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的上述缺點與不足，從而提供一種生物催化生產(chǎn)的丙烯酸的提純方法。
本發(fā)明的生物催化生產(chǎn)的丙烯酸的提純方法包括以下步驟對生物催化反應得到的丙烯酸反應液進行提純得到高純度的丙烯酸產(chǎn)品，包括含產(chǎn)物反應清液的收集、反應清液脫色、脫鹽/酸化、濃縮、萃取、氣提和脫水等步驟，具體如下(1)生成的反應液通過離心或膜過濾系統(tǒng)除去催化劑等雜質(zhì)，得到丙烯酸銨的水溶液；含產(chǎn)物的反應清液收集可用膜過濾系統(tǒng)處理，收集膜過濾液，其中的膜過濾系統(tǒng)可以是中空纖維膜、卷式膜、陶瓷膜或超濾膜。
(2)丙烯酸銨水溶液的脫色常規(guī)的脫色方法都能應用，包括活性炭脫色、脫色樹脂脫色、脫色膜脫色，考慮成本用活性炭脫色較為合理，且實驗表明脫色效果較好，活性炭的用量根據(jù)清液色度而定，一般1-50‰能夠滿足要求。
(3)丙烯酸銨水溶液的脫鹽/酸化含產(chǎn)物的脫色清液或含產(chǎn)物的濃縮液可用陽離子交換樹脂進行脫鹽，既可以是強酸陽離子樹脂也可以是弱酸陽離子樹脂，脫鹽可以是靜態(tài)交換也可以是動態(tài)交換，操作條件按常規(guī)方式進行；也可以通過加入酸如鹽酸、硫酸、磷酸等無機酸達到釋放出丙烯酸的目的。
(4)丙烯酸水溶液的濃縮經(jīng)過脫鹽后得到純凈的丙烯酸水溶液，將溶液在減壓條件下濃縮，溫度控制在20-80℃之間，壓力在-0.099～-0.020MPa之間，得到濃度＞60％(以丙烯酸計)的丙烯酸水溶液。
(5)丙烯酸的萃取濃縮后的丙烯酸水溶液，用有機溶劑進行萃取，對丙烯酸有較大溶解性的有機溶劑均可應用，如乙醚、二氯甲烷等。
(6)萃取液氣提通過向萃取液中通空氣鼓泡的方法，除去大部分萃取劑，同時達到阻聚的目的，結(jié)果得到高濃度丙烯酸，同時萃取劑冷卻回收。
(7)丙烯酸溶液脫水氣提后的丙烯酸溶液含有少量的水，可以通過加入吸水的無機鹽達到脫水目的，脫水后過濾，用萃取劑洗滌吸水的無機鹽，回收夾帶的丙烯酸，吸水無機鹽用烘箱干燥后，可重復利用。
根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量要求，可進一步減壓蒸餾得到的丙烯酸溶液，得到純度更高的丙烯酸產(chǎn)品。
本方法具有生產(chǎn)工藝簡單易行、污染小、可實施產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點，得到的丙烯酸產(chǎn)品具有純度高、雜質(zhì)少等顯著優(yōu)點。
具體實施例方式
為了更好地說明本發(fā)明，下面通過實施例予以進一步說明。
以下實施例中所列的百分比濃度中，除特別注明的外，均為質(zhì)量體積百分比濃度。
以下涉及到的原材料皆為市售得到。
以下實施例所使用的乳酪短桿菌(Brevibacterium casei)已于2003年1月20日提交位于北京市海淀區(qū)中關村北一條13號的中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心(CGMCC)保藏，保藏號為CGMCC No.0887。
實施例1、生物發(fā)酵法生產(chǎn)丙烯酸配制種子培養(yǎng)基，其組成包括葡萄糖1.5％，酵母膏0.5％，NaCl0.1％，K2HPO40.05％，MgSO4·7H2O0.05％，尿素0.5％，pH7.2；
再配制發(fā)酵培養(yǎng)基，其組成包括葡萄糖1.1％；酵母膏0.8％；尿素1.3％；K2HPO40.08％；KH2PO40.03％；MgSO4·7H2O0.05％；pH7.2；在5L種子罐中裝入種子培養(yǎng)基40％，滅菌后接入1.5％的乳酪短桿菌(Brevibacteriumcasei，保藏號為CGMCC No.0887)菌種，在溫度28℃，攪拌轉(zhuǎn)速250rpm的條件下培養(yǎng)40小時，得到種子液，在50L的發(fā)酵罐中裝入50％的發(fā)酵培養(yǎng)基，實罐消毒后接入6％的種子液，在通氣量1∶0.6，攪拌轉(zhuǎn)速250rpm，罐壓0.04Mpa，溫度28℃的條件下，發(fā)酵培養(yǎng)100小時。
取發(fā)酵液3.5L，用中空纖維膜過濾，流量180mL/min，壓力0.8Kg/cm2；將得到的細胞液，用去離子水將細胞液恢復至初始發(fā)酵液體積，取1.5L于2L的三口反應瓶中，加入0.5％的丙烯腈按體積1.5L計，即按每1.5L已恢復至初始發(fā)酵液體積的前述溶液中加入7.5克丙烯腈(折百)，于28℃水浴溫度和150rpm攪拌轉(zhuǎn)速條件下反應，反應式如下
(由于反應在水溶液中進行，得到的產(chǎn)物為丙烯酸銨水溶液)反應過程中間歇加入底物，即通過HPLC色譜跟蹤分析，當?shù)孜餄舛鹊陀?.1％時，按0.5％的量以前述方式加入底物；反應68小時，底物累計加入次數(shù)55次，共加入412.5g，約825mL。
取反應液樣品，經(jīng)高壓液相色譜(HPLC)定量分析(島津公司LC-10A，下同)，反應后底物殘留濃度＜0.05％，轉(zhuǎn)化率＞99.0％，終產(chǎn)物濃度(以丙烯酸銨計)3.13M，丙烯酸產(chǎn)率＞95.0％。
實施例2、反應液的離心或過濾各取實施例1得到的濃度為3.13M的反應液1000ml，分別按以下處理方式進行處理1、用低溫高速離心，在6℃和15000rpm轉(zhuǎn)速下冷凍離心15分鐘；2、用中空纖維膜過濾，流量180mL/min，壓力0.8Kg/cm2；3、用卷式膜過濾，流量180mL/min，壓力10Kg/cm2；4、用陶瓷膜過濾，流量180mL/min，壓力4Kg/cm2；5、用平板超濾膜過濾，流量180mL/min，壓力3Kg/cm2。
收集得到反應清液，HPLC色譜分析，結(jié)果列于表1。
表1

實施例3、脫色將按實施例2得到的含有產(chǎn)物的各反應清液混和，加入2‰的粉末活性炭，于常溫下震蕩脫色30分鐘，抽濾，得到脫色清液，顏色近無色，HPLC色譜分析，其中產(chǎn)物濃度(以丙烯酸銨計)為3.00M，收率96.8％。
實施例4、脫鹽/酸化取實施例3得到的脫色清液1000mL，上樹脂柱脫鹽，φ5×80玻璃柱裝有1000mL的732強酸陽離子樹脂，上柱流速約20mL/min，棄去初始段流出液，當流出液pH＜5.0開始收集流出液，上第二根裝有1000mL732凝膠樹脂的φ5×80玻璃柱，棄去初始段流出液，當流出液pH＜5.0開始收集，共得到收集液1380mL，經(jīng)HPLC色譜分析，丙烯酸濃度為1.77M；取去離子水500mL先后洗滌兩樹脂柱，得到洗滌液480mL，經(jīng)HPLC色譜分析，丙烯酸濃度0.79M，上柱液和洗滌液用氨氣敏電極檢測都無銨離子存在，過程總收率88.7％。
另取實施例3的脫色清液1000mL，加入到3L的三口反應瓶中，再加入1500mL的D152弱酸陽離子樹脂，加入前濾干，于室溫下攪拌脫鹽，1個小時后，抽濾，收集濾液，共1070mL，經(jīng)HPLC色譜分析，丙烯酸濃度2.67M，氨氣敏電極檢測無銨離子存在；樹脂加入600mL去離子水洗滌，再抽濾，收集濾液550mL，氨氣敏電極檢測無銨離子存在，經(jīng)HPLC色譜分析，丙烯酸濃度0.39M，過程總收率96.6％。
另取實施例3得到的濃縮反應清液，如表2所列按等摩爾量加入無機酸，緩慢加入同時冰浴攪拌，有大量白色無機銨鹽析出，抽濾得到白色或微黃色固體粉末，并用乙醚洗滌回收殘留丙烯酸；酸化前后的產(chǎn)物濃度，經(jīng)HPLC色譜分析，結(jié)果列于表3。
表2、

實施例5、濃縮按實施例4得到的丙烯酸溶液，在表2所示的不同條件下減壓蒸餾或薄膜濃縮，濃縮過程的溜出液，經(jīng)HPLC色譜分析，檢測到有少量的丙烯酸，實驗結(jié)果列于表3。
表3、濃縮

實施例6、萃取按實施例5方法得到的濃縮液，如表4所列用有機溶劑萃取，萃取劑用量為萃液體積的一倍，分兩次萃取，分液后，收集萃取有機相，并經(jīng)HPLC色譜分析萃液萃取前后濃度變化，不同條件下的實驗結(jié)果列于表4。
表4、萃取

實施例7、氣提按實施例6方法得到的含丙烯酸的萃取有機相，在冰浴條件下，進行通氣鼓泡提濃，將有機溶劑除去，并將揮發(fā)出來的有機溶劑，進行低溫冷卻回收，實驗結(jié)果列于表5。
表5、氣提

實施例8、脫水取實施例7得到的的丙烯酸，按體積5％加入無機鹽進行脫水，然后抽濾，得到高濃度丙烯酸，吸水的無機鹽用有機溶劑如乙醚洗滌回收殘留丙烯酸，無機鹽放烘箱干燥，實現(xiàn)重復利用；脫水前后的產(chǎn)物丙烯酸純度經(jīng)氣相色譜歸一法分析(安捷倫公司，Agilent-6890N)，實驗結(jié)果列于表6。
表6、脫水

本方法包括將微生物酶催化得到的反應清液過濾收集、脫色、脫鹽/酸化、濃縮、萃取、氣提和脫水而得到丙烯酸，純度≥98％。
本發(fā)明與現(xiàn)有的方法相比，具有明顯的特點和進步(1)后處理提純工藝相對簡單易行；(2)對環(huán)境污染小；(3)生產(chǎn)成本低，可工業(yè)化實施生產(chǎn)；(4)總的提取收率較高，達到90-95％；(5)得到的丙烯酸雜質(zhì)少，純度≥98％。
權(quán)利要求
1.一種生物催化生產(chǎn)的丙烯酸的提純方法，其特征在于包括以下步驟a、過濾將含有丙烯酸的反應液過濾，收集得到含有丙烯酸銨的反應清液；b、脫色將得到的丙烯酸銨溶液用活性炭脫色；c、脫鹽/酸化將脫色后的丙烯酸銨溶液用離子交換或無機酸酸化得到丙烯酸產(chǎn)物溶液；d、濃縮將得到的丙烯酸溶液進行濃縮脫去水分；e、萃取將得到的丙烯酸濃縮液用有機溶劑進行萃?。籪、氣提將得到的萃取液用氣提方法除去萃取劑；g、脫水將得到的丙烯酸產(chǎn)品脫去殘留的水分。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的反應液過濾是通過離心或膜過濾系統(tǒng)除去雜質(zhì)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述的膜過濾系統(tǒng)包括但不限于中空纖維膜、卷式膜、陶瓷膜或超濾膜。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的脫鹽是用強酸或弱酸陽離子樹脂來完成的。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述的強酸或弱酸陽離子樹脂包括但不限于732型、D001型、HD-8、D152、D113或D110。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的丙烯酸水溶液的濃縮是通過減壓蒸餾或薄膜濃縮完成的。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述的減壓蒸餾或薄膜濃縮的溫度控制在20-80℃。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的萃取使用的有機溶劑包括但不限于乙醚、二氯甲烷、異丙醚、石油醚或二氯乙烷。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的氣提是用通空氣鼓泡來實現(xiàn)的。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的脫水是用吸水無機鹽來實現(xiàn)的。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種生物催化生產(chǎn)的丙烯酸的提純方法。本方法包括將微生物酶催化得到的反應液脫色、濃縮、脫鹽/酸化、萃取、氣提和脫水得到產(chǎn)品丙烯酸，純度≥98％。本方法具有分離提純工藝簡單、污染小、得到的丙烯酸產(chǎn)品雜質(zhì)少、純度高的顯著特點。
文檔編號C07C57/00GK101081810SQ20061002712
公開日2007年12月5日 申請日期2006年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月30日
發(fā)明者薛建萍, 羅積杏, 李還寶, 朱健, 唐璐敏, 沈寅初 申請人:上海市農(nóng)藥研究所, 薛建萍, 沈寅初