專利名稱：一種鹽析萃取發(fā)酵液中有機(jī)酸的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及到微生物發(fā)酵液的分離技術(shù)，特別涉及一種 鹽析萃取發(fā)酵液中有機(jī)酸的方法。
背景技術(shù)：
有機(jī)酸(甲酸、乙酸、乳酸、琥珀酸、檸檬酸、蘋果酸、延胡索酸、己二酸、長(zhǎng)鏈二元 酸等，其中長(zhǎng)鏈二元酸為十碳以上有機(jī)酸)作為生產(chǎn)前景廣闊的化工原料和中間體，在很 多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。其中乙酸主要用于制造聚乙酸乙烯酯和纖維素乙酸酯(又稱醋 酸纖維)，也可用于合成各種衍生物，如乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯等，同時(shí)乙 酸也是涂料和油漆工業(yè)的極好溶劑；乳酸可用作防腐劑、調(diào)味料及酸味劑，而以乳酸為單體 的聚乳酸PLA可廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、塑料、化妝品及農(nóng)業(yè)中；琥珀酸是一種重要的C4平臺(tái)化合 物，可以衍化生成1，4_ 丁二醇、四氫呋喃、Y-丁內(nèi)酯等大宗化學(xué)品，琥珀酸也廣泛用于醫(yī) 藥、食品、農(nóng)藥、香料、橡膠、防護(hù)涂料、染料和照相材料等工業(yè)中。長(zhǎng)鏈二元酸是重要的精細(xì) 化工中間體，可以合成香料、特種尼龍、聚酰胺熱熔膠等一系列高附加值的特殊化學(xué)品。有機(jī)酸的合成方法主要為化學(xué)合成法和微生物發(fā)酵法?；瘜W(xué)合成法效率低、成本 高、環(huán)境污染嚴(yán)重且產(chǎn)品純度低，而微生物發(fā)酵法則原料豐富、產(chǎn)量高、成本低，因此受到廣 泛關(guān)注。但從發(fā)酵液中分離有機(jī)酸相對(duì)較困難，在有機(jī)酸發(fā)酵液中，除了目標(biāo)產(chǎn)物有機(jī)酸 外，還含有菌體、蛋白質(zhì)、殘?zhí)堑榷喾N成分。傳統(tǒng)的有機(jī)酸提取方法主要有鈣鹽法、有機(jī)溶劑 液-液萃取法、離子交換吸附法和電滲析法等。鈣鹽法也稱石灰-硫酸法，是一種傳統(tǒng)的 從發(fā)酵液中提取有機(jī)酸的方法，但此法收率低、單元操作損失多，而且會(huì)產(chǎn)生大量的固體廢 棄物硫酸鈣，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，在環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重的今天，這種方法顯然不符合環(huán)保 的要求。有機(jī)溶劑液_液萃取法省略了鈣鹽法的中和與酸解等步驟，而且不會(huì)產(chǎn)生硫酸鈣， 節(jié)省了原料，也減少了環(huán)境污染。宇山浩等人(公開號(hào)CN101410526A)將pH4.8或以下的 乳酸發(fā)酵液用選自甲苯、二甲苯、己基苯、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇和溶劑油的至少一種進(jìn)行 提取分離得到乳酸。劉純等人(公開號(hào)CN 1070394A)應(yīng)用甲基異丁基酮等有機(jī)溶劑精制 十二碳二元酸。但其萃取過(guò)程中用到了大量的毒性有機(jī)溶劑，殘留溶劑的毒性會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì) 量產(chǎn)生不良影響，而且該法不適合高離子強(qiáng)度的發(fā)酵液體系，此外還有溶劑回收問(wèn)題。孫志 浩等人(公開號(hào)CN 101348429)采用陽(yáng)離子樹脂交換提取發(fā)酵液中琥珀酸，但琥珀酸發(fā)酵 液中的大量雜質(zhì)離子會(huì)導(dǎo)致樹脂污染嚴(yán)重，交換容量迅速下降，而且樹脂的頻繁再生會(huì)產(chǎn) 生大量廢液，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，使其應(yīng)用受到限制。唐婧等人(公開號(hào)CN 101525285) 應(yīng)用雙極膜電滲析技術(shù)分離生物制氫發(fā)酵液中的乙酸。雖然環(huán)保，但對(duì)處理液的要求較高， 需要除去發(fā)酵液中的菌體、蛋白質(zhì)、大分子物質(zhì)及高價(jià)離子。此外，姚中等人(公開號(hào)CN 1887843A)利用膜分離、活性炭脫色及結(jié)晶技術(shù)從厭氧發(fā)酵法制備的發(fā)酵液中分離提取琥 珀酸，但膜的清洗加大了勞動(dòng)強(qiáng)度，而且50°C脫色及65°C和-0. 08 -0. IMPa下的減壓蒸 發(fā)濃縮，會(huì)導(dǎo)致大量的能耗，價(jià)格昂貴的活性炭也增加了提取成本，而且發(fā)酵液酸化時(shí)會(huì)產(chǎn) 生大量硫酸鹽，極可能造成硫酸鹽超標(biāo)及收率下降。吳吳等人(公開號(hào)CN101475464A)利用
3納濾法從琥珀酸發(fā)酵液中分離提取琥珀酸，本方法通過(guò)兩次超濾和納濾后，減壓蒸發(fā)濃縮， 冷卻結(jié)晶后得到琥珀酸，但納濾膜需要周期性的清洗，會(huì)產(chǎn)生大量的廢液，造成一定的環(huán)境 問(wèn)題。此外，目前所報(bào)道的從有機(jī)酸發(fā)酵液中分離提取有機(jī)酸的方法都存在一個(gè)共同問(wèn)題， 即發(fā)酵液都需要通過(guò)過(guò)濾或離心的方法除去菌體和蛋白之后再進(jìn)行分離。近幾年一些研究者在進(jìn)行溶劑析出結(jié)晶研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，在適當(dāng)溫度條件下，如果體 系中無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)溶劑和水的濃度適當(dāng)，這類體系中的鹽可能不會(huì)析出結(jié)晶，而是出現(xiàn)液液 分相現(xiàn)象。如果所用有機(jī)溶劑是親水的低分子物質(zhì)，如甲醇、乙醇、丙酮等，就可以形成一 種新型的雙水相萃取體系。與傳統(tǒng)的高分子聚合物雙水相體系相比，這種新型的雙水相體 系黏度低、分相快、不易乳化且成本低。盡管這方面研究在國(guó)內(nèi)外剛剛起步，但已表現(xiàn)出良 好的分離性能，如用新型雙水相體系萃取發(fā)酵液中1，3-丙二醇和2，3-丁二醇(公開號(hào) CN101012151A ；公開號(hào)CN 101531652A)。實(shí)際上，鹽析效應(yīng)既對(duì)親水性有機(jī)溶劑的萃取有 明顯效果，對(duì)傳統(tǒng)的有機(jī)萃取也有顯著的改善效果，鹽析與萃取結(jié)合形成新型的鹽析萃取 技術(shù)，而新型雙水相萃取是鹽析萃取的一種形式。到目前為止，鹽析萃取體系分離提取發(fā)酵 液中的有機(jī)酸尚未見文獻(xiàn)報(bào)道。鹽析萃取技術(shù)分配系數(shù)高、收率高、溶劑用量少、成本低、條 件溫和，對(duì)設(shè)備的腐蝕性弱，而且所用無(wú)機(jī)鹽和有機(jī)鹽可回收，進(jìn)行多級(jí)鹽析萃取或應(yīng)用于 發(fā)酵中。鹽析萃取中所使用的溶劑沸點(diǎn)低，有利于后續(xù)的純化步驟。最值得關(guān)注的是鹽析 萃取技術(shù)可以直接從發(fā)酵液中分離提取有機(jī)酸，免除了過(guò)濾去除菌體和蛋白這一步，簡(jiǎn)化 了操作步驟，降低了成本，減少了損失。本發(fā)明利用鹽析萃取技術(shù)萃取發(fā)酵液中的有機(jī)酸， 為直接從發(fā)酵液中提取分離有機(jī)酸提供了一種新思路，使發(fā)酵法生產(chǎn)有機(jī)酸有更廣闊的工 業(yè)前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)目前從有機(jī)酸發(fā)酵液中提取目標(biāo)產(chǎn)物存在的效率低，成本高，菌體、蛋 白質(zhì)及葡萄糖等去除困難等問(wèn)題，提出利用鹽析萃取技術(shù)來(lái)提取分離發(fā)酵液中的有機(jī)酸的 新方法。本發(fā)明的技術(shù)方案發(fā)酵液可以是發(fā)酵模擬液，也可以是經(jīng)過(guò)濾除去菌體和蛋白的清液或者是未經(jīng)處 理的發(fā)酵原液，發(fā)酵液中有機(jī)酸濃度為20 170g/L，pH值為2 10。向發(fā)酵液中添加一種 或二種以上可溶性無(wú)機(jī)鹽或有機(jī)鹽(固體或濃溶液)，以及單一或復(fù)合萃取劑，攪拌均勻后 于室溫下靜置分相1 8h，其中鹽質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為15 35%，萃取劑的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為15 35%。當(dāng)鹽析萃取形成兩相時(shí)，上相即為富含有機(jī)酸的溶劑相或萃取相，下相為富鹽相或萃 余相，菌體和蛋白在兩相之間形成固相層；當(dāng)形成三相時(shí)，上相為溶劑相，中相為富含有機(jī) 酸相，下相為富含其他成分的鹽相?？扇苄詿o(wú)機(jī)鹽為氯化鈉、硫酸銨、硫酸鈉、碳酸鈉、碳酸鉀、磷酸鈉、磷酸鉀、磷酸氫 二鈉、磷酸氫二鉀、磷酸二氫鈉或磷酸二氫鉀等?？扇苄杂袡C(jī)鹽為醋酸鈉、醋酸鉀、檸檬酸 鈉、檸蒙酸鉀、草酸鈉或草酸鉀。萃取劑為甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇、正丁醇、異丁醇、丙 酮、乙二醇、乙醚、乙酸甲酯或乙酸乙酯。本發(fā)明的效果和益處本發(fā)明解決了發(fā)酵法生產(chǎn)有機(jī)酸產(chǎn)物分離困難的問(wèn)題，而且較傳統(tǒng)的高聚物雙水
4相體系相比，這種鹽析萃取體系粘度低、分相快、成本低，非常利于工業(yè)化操作。此外，這種 鹽析萃取體系可以直接處理發(fā)酵液，在分離萃取的同時(shí)去除發(fā)酵液中的菌體、蛋白、多糖， 解決了超濾除雜動(dòng)力消耗較大、需要對(duì)膜進(jìn)行清洗等問(wèn)題。另外，目標(biāo)產(chǎn)物有機(jī)酸分配于沸 點(diǎn)較低的有機(jī)溶劑相中，非常有利于后續(xù)的分離提純。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合技術(shù)方案詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。實(shí)施例1 甲酸的鹽析萃取分離配制濃度為20g/L的甲酸發(fā)酵模擬液。取4. 7g模擬液，加入2. Sg磷酸氫二鉀和 2. 5g甲醇，攪拌均勻，室溫靜置，形成兩相，上相為富含甲酸的醇相，下相為富含其它成分的 鹽相。甲酸的分配系數(shù)為34. 8，回收率為98.6%。實(shí)施例2 乳酸的鹽析萃取分離將乳酸發(fā)酵液經(jīng)中空纖維膜過(guò)濾，得澄清濾液，乳酸濃度為170g/L。取5. 6g濾液， 加入1. 4g磷酸氫二鉀和3g乙醇，攪拌均勻，室溫靜置，形成兩相，上相為富含乳酸的醇相， 下相為富含其它成分的鹽相。乳酸的分配系數(shù)為7. 0，回收率為98. %。取濃度為170g/L的乳酸發(fā)酵液5.6g，加入1.4g磷酸氫二鉀和3g乙醇，攪拌均 勻，室溫靜置分相，上相為富含乳酸的醇相，下相為富含其它成分的鹽相，菌體和蛋白處于 兩相之間。乳酸的分配系數(shù)11. 2，回收率為98. 7%，蛋白和菌體的去除率分別為83. 9%和 100%。配制濃度為170g/L的乳酸發(fā)酵模擬液。取4. 7g模擬液，加入2. 8g磷酸氫二鉀和 2. 5g甲醇，攪拌均勻，室溫靜置，形成兩相，上相為富含乳酸的醇相，下相為富含其它成分的 鹽相。乳酸的分配系數(shù)為37. 2，回收率為98.7%。配制濃度為170g/L的乳酸發(fā)酵模擬液。取5. Og模擬液，加入2. 5g磷酸鉀和2. 5g 乙醇，攪拌均勻，室溫靜置，形成兩相，上相為富含乳酸的醇相，下相為富含其它成分的鹽 相。乳酸的分配系數(shù)為2. 19，回收率為83.2%。配制濃度為170g/L的乳酸發(fā)酵模擬液。取5. Og模擬液，加入2. 5g硫酸銨和2. 5g 甲醇，攪拌均勻，室溫靜置，形成兩相，上相為富含乳酸的醇相，下相為富含其它成分的鹽 相。乳酸的分配系數(shù)為2. 06，回收率為77.6%。實(shí)施例3 乙酸的鹽析萃取分離將乙酸發(fā)酵液經(jīng)中空纖維膜過(guò)濾，得澄清濾液，乙酸濃度為40g/L。取5. 6g濾液， 加入1. 4g磷酸氫二鉀和3g乙醇，攪拌均勻，室溫靜置，形成兩相，上相為富含乙酸的醇相， 下相為富含其它成分的鹽相。乙酸的分配系數(shù)為5. 4，回收率為98. 8%。取濃度為40g/L的乙酸發(fā)酵液5. 6g，加入1. 4g磷酸氫二鉀和3g乙醇，乙酸的分配 系數(shù)6. 9，回收率為98.8%，蛋白和菌體的去除率分別為81. 9%和100%。配制濃度為40g/L的乙酸發(fā)酵模擬液。取4. 9g模擬液，加入2. 6g磷酸氫二鉀和 2. 5g甲醇，攪拌均勻，室溫靜置，形成兩相，上相為富含乙酸的醇相，下相為富含其它成分的 鹽相。乙酸的分配系數(shù)為30. 6，回收率為98.6%。實(shí)施例4 琥珀酸的鹽析萃取分離將琥珀酸發(fā)酵液經(jīng)中空纖維膜過(guò)濾，得澄清濾液，琥珀酸濃度為45g/L，向6. 5g的澄清發(fā)酵液中加入1. 5g磷酸氫二鉀和2g乙醇，攪拌均勻，室溫靜置，形成兩相，上相為富含 琥珀酸的醇相，下相為富含其它成分的鹽相。琥珀酸的分配系數(shù)為6. 4，回收率為92. 3%。取濃度為45g/L的琥珀酸發(fā)酵液5. 6g，加入1. 5g磷酸氫二鉀和2g乙醇，琥珀酸的 分配系數(shù)8. 2，回收率為98. 7%，蛋白和菌體的去除率分別為85. 9%和100%。實(shí)施例5 十二碳二元酸的萃取分離將十二碳二元酸發(fā)酵液經(jīng)中空纖維膜過(guò)濾，得澄清濾液，十二碳二元酸濃度為 57g/L。向5. 5g的澄清發(fā)酵液中加入2. Og磷酸氫二鉀和2. 5g乙醇，攪拌均勻，室溫靜置， 形成兩相，上相為富含十二碳二元酸的醇相，下相為富含其它成分的鹽相。十二碳二元酸的 分配系數(shù)為37. 5，回收率為98. 7%。取濃度為57g/L的十二碳二元酸發(fā)酵液5. 5g，加入2. Og磷酸氫二鉀和2. 5g乙醇， 十二碳二元酸的回收率為98. 7%，蛋白和菌體的去除率分別為82. 9%和100%。配制濃度為57g/L的十二碳二元酸發(fā)酵模擬液。取5. 5g模擬液，加入2. Og磷酸 氫二鉀和2. 5g正丁醇，攪拌均勻，室溫靜置，形成三相，上相為醇相，中相為富含十二碳二 元酸相，下相為富含其它成分的鹽相。十二碳二元酸的回收率為88. 6 %。
權(quán)利要求
一種鹽析萃取發(fā)酵液中有機(jī)酸的方法，其特征是發(fā)酵液是發(fā)酵模擬液、經(jīng)過(guò)濾除去菌體和蛋白的清液或者是未經(jīng)處理的發(fā)酵原液，發(fā)酵液中有機(jī)酸濃度為20～170g/L，pH值為2～10。向發(fā)酵液中添加一種或二種以上可溶性無(wú)機(jī)鹽或有機(jī)鹽，以及單一或復(fù)合萃取劑，攪拌均勻后于室溫下靜置分相1～8h，其中鹽質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為15～35％，萃取劑的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為15～35％；當(dāng)鹽析萃取形成兩相時(shí)，上相即為富含有機(jī)酸的溶劑相或萃取相，下相為富鹽相或萃余相，菌體和蛋白在兩相之間形成固相層；當(dāng)形成三相時(shí)，上相為溶劑相，中相為富含有機(jī)酸相，下相為富含其他成分的鹽相。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鹽析萃取發(fā)酵液中有機(jī)酸的方法，其特征是可溶性無(wú)機(jī) 鹽為氯化鈉、硫酸銨、硫酸鈉、碳酸鈉、碳酸鉀、磷酸鈉、磷酸鉀、磷酸氫二鈉、磷酸氫二鉀、磷 酸二氫鈉或磷酸二氫鉀等?？扇苄杂袡C(jī)鹽為醋酸鈉、醋酸鉀、檸檬酸鈉、檸蒙酸鉀、草酸鈉或 草酸鉀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種鹽析萃取發(fā)酵液中有機(jī)酸的方法，其特征是萃取劑 為甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇、正丁醇、異丁醇、丙酮、乙二醇、乙醚、乙酸甲酯或乙酸乙酯。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鹽析萃取發(fā)酵液中有機(jī)酸的方法，其特征是鹽析萃取可 采取間歇萃取、連續(xù)萃取或多級(jí)萃取。
全文摘要
本發(fā)明屬于生物工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種鹽析萃取發(fā)酵液中有機(jī)酸的方法。其特征是向有機(jī)酸發(fā)酵液中加入可溶性無(wú)機(jī)鹽或有機(jī)鹽(固體或其濃溶液)和萃取劑，攪拌混勻，室溫靜置分相。當(dāng)鹽析萃取形成兩相時(shí)，上相為富含有機(jī)酸的溶劑相，下相為富含其他成分的鹽相。如果發(fā)酵液不經(jīng)預(yù)處理直接進(jìn)行萃取操作，兩相之間會(huì)形成一個(gè)富含菌體和蛋白的固相層；當(dāng)形成三相時(shí)，上相為溶劑相，中相為富含有機(jī)酸相，下相為富含其他成分的鹽相，從而達(dá)到萃取分離有機(jī)酸的目的。本發(fā)明解決了目前發(fā)酵法生產(chǎn)有機(jī)酸分離工藝中存在的產(chǎn)品難以分離、成本高等問(wèn)題。該方法工藝簡(jiǎn)單，分離時(shí)間短，成本低，回收率高，是一種具有工業(yè)應(yīng)用前景的有機(jī)酸分離方法。
文檔編號(hào)C07C53/02GK101979368SQ20101051199
公開日2011年2月23日 申請(qǐng)日期2010年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月19日
發(fā)明者修志龍, 孫亞琴, 宋志遠(yuǎn), 魏博超 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)