一種使用電滲析法從丁二酸發(fā)酵液中提取丁二酸的方法
【專利摘要】一種使用電滲析法從丁二酸發(fā)酵液中提取丁二酸的方法，屬于生物化工【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明以常規(guī)的丁二酸發(fā)酵液為原料，經(jīng)分離菌體、電滲析進(jìn)行脫蛋白和脫色、使用雙極膜電滲析進(jìn)行脫鈉、濃縮、晶析、過濾、烘干步驟提取丁二酸。經(jīng)過電滲析裝置后的發(fā)酵液的透光率由15%提高到95%，脫色效果與活性炭效果相當(dāng)；提取效率約為97%～98%，而使用吸附方式脫色的收率僅有80%～85%。本發(fā)明革掉了用活性炭進(jìn)行脫色，避免了活性炭對(duì)于丁二酸的吸附，脫色后不再造成丁二酸的損失，提高了提取率；得到分子態(tài)的丁二酸，不需要使用鹽酸或硫酸進(jìn)行體系pH值的調(diào)整，使丁二酸的提純?nèi)菀走M(jìn)行；不使用有機(jī)溶劑，避免了有機(jī)溶劑的殘留。
【專利說明】一種使用電滲析法從丁二酸發(fā)酵液中提取丁二酸的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及使用電滲析法從發(fā)酵方法制備的丁二酸發(fā)酵液中提取丁二酸的方法，特別是針對(duì)使用陰離子透析電滲析的方法進(jìn)行脫蛋白和脫色、和雙極膜電滲析進(jìn)行調(diào)解體系PH值的工藝，屬于生物化工【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]丁二酸是一種重要的有機(jī)化工原料及中間體，主要用于醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)、化學(xué)工業(yè)等，是碳四化合物的衍生平臺(tái)。傳統(tǒng)的丁二酸是通過石油化工和煤化工途徑獲取的，近幾年來，國(guó)內(nèi)外研究者發(fā)現(xiàn)可以使用細(xì)菌發(fā)酵的方法將長(zhǎng)碳鏈的植物纖維轉(zhuǎn)化成丁二酸，從而可以低成本的方法獲取丁二酸。
[0003]目前發(fā)現(xiàn)的可以制備丁二酸的菌種多種多樣，且不乏使用DNA改性技術(shù)的基因工程的高產(chǎn)菌株，根據(jù)報(bào)道，丁二酸的產(chǎn)率可以達(dá)到100~120g/L。但是由于生物發(fā)酵液中組分的復(fù)雜性，以廉價(jià)的方法提取高純度的丁二酸就成為過程工藝的研究重點(diǎn)。
[0004]中國(guó)專利200910178134.1 (一種從丁二酸發(fā)酵液中提取丁二酸的方法)中披露使用除去菌體的發(fā)酵液直接與氨水、碳酸銨或碳酸氫銨進(jìn)行反應(yīng)，過濾分離鎂鹽和丁二酸銨溶液，再使用陽(yáng)離子交換樹脂脫色得到相對(duì)純凈的丁二酸銨水溶液，加入鹽酸調(diào)整體系pH值得到丁二酸后，進(jìn)行濃縮結(jié)晶得到丁二酸固體。
[0005]中國(guó)專利1887843 (—種從厭氧發(fā)酵液中分離提取丁二酸的方法)中披露使用微濾膜過濾，再用超濾膜過濾，再用活性炭脫色除雜，得到的澄清的丁二酸水溶液進(jìn)行濃縮、結(jié)晶得到純凈丁二酸固體。
[0006]中國(guó)專利201210192466 (—種從丁二酸發(fā)酵液或丁二酸結(jié)晶母液中萃取分離丁二酸的方法)中以酯類溶劑為萃取劑，將經(jīng)過處理的發(fā)酵液與萃取劑混合，待萃取體系分層后，取出有機(jī)相；再將溶劑與丁二酸分離，即可取得純凈的丁二酸固體。
[0007]上述專利中關(guān)于發(fā)酵液中提取丁二酸的方法中存在如下一些問題，不利于發(fā)酵法制備丁二酸的規(guī)模化生產(chǎn)的推廣。
[0008]1、 已披露方法中使用樹脂或活性炭進(jìn)行脫色，但是在脫色過程由于樹脂和活性炭對(duì)于丁二酸的吸附，造成脫色后的水溶液中丁二酸損失過大，降低了提取率。
[0009]2、為得到分子態(tài)的丁二酸，需要使用鹽酸或硫酸進(jìn)行體系pH值的調(diào)整，因此在體系中引入了氯離子或硫酸根離子，加大了產(chǎn)品提純的難度。
[0010]3、在提取過程中使用有機(jī)溶劑，可能造成產(chǎn)品中的有機(jī)溶劑殘留，這影響到丁二酸在食品領(lǐng)域中的使用。
[0011]電滲析裝置是利用離子交換膜將離子與其他物質(zhì)進(jìn)行分離的裝置。在筆者的研究中發(fā)現(xiàn)，電滲析裝置可以有效的分離丁二酸根離子和發(fā)酵液中的蛋白和色素，研究中發(fā)現(xiàn)，蛋白是高分子化合物，本身無法電離，而部分色素盡管是離子態(tài)，但是由于分子量大，分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空間體積較大，不易通過離子交換膜。因此，通過電滲析裝置完全可以實(shí)現(xiàn)丁二酸離子與發(fā)酵液中的有機(jī)物和色素分離的工藝要求。[0012]雙極膜電滲析是由雙極膜和陽(yáng)離子膜構(gòu)成的，可以將發(fā)酵液體系的陽(yáng)離子與陰離子進(jìn)行分離，同時(shí)雙極膜電解水生成氫離子和氫氧根離子，在陽(yáng)極室中氫離子與丁二酸根結(jié)合即生成分子態(tài)丁二酸，而氫氧根離子在陰極室與陽(yáng)離子結(jié)合生成強(qiáng)堿。通過這個(gè)過程實(shí)現(xiàn)了將離子態(tài)丁二酸根轉(zhuǎn)化為丁二酸的過程，同時(shí)體系的PH值調(diào)到了 2以內(nèi)。
[0013]本發(fā)明即是對(duì)于使用上述電滲析裝置進(jìn)行工藝過程的合理配置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于發(fā)酵液中丁二酸的提純過程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明的目的是提供一種使用電滲析法從丁二酸發(fā)酵液中提取丁二酸的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于發(fā)酵液中丁二酸的提純過程。使用放線桿菌或基因工程的大腸桿菌作為可以將玉米粉，秸桿，葡萄糖等糖源轉(zhuǎn)化為丁二酸的合成菌種，使用碳酸鈉，或碳酸鉀，或氫氧化鈉配合二氧化碳作為中和劑，添加玉米漿或酵母膏作為氮源，同時(shí)添加一定量的磷酸二氫鉀，磷酸氫鈉，氯化鎂，氯化鈣等無機(jī)鹽，發(fā)酵30~90小時(shí)，丁二酸產(chǎn)量為50g/L~100g/L，另外發(fā)酵液中還有蛋白，色素以及其他雜離子。
[0015]本發(fā)明的技術(shù)方案:一種使用電滲析法從丁二酸發(fā)酵液中提取丁二酸的方法，以常規(guī)的丁二酸發(fā)酵液為原料，經(jīng)分離菌體、電滲析進(jìn)行脫蛋白和脫色、使用雙極膜電滲析進(jìn)行脫鈉、濃縮、晶析、過濾、烘干步驟提取丁二酸，步驟為:
(O發(fā)酵液分離菌體:丁二酸發(fā)酵液的來源對(duì)于發(fā)酵使用的菌種類型并無特別要求；上述丁二酸發(fā)酵液經(jīng)過離心機(jī)進(jìn)行菌體分離，離心機(jī)為碟片式，轉(zhuǎn)速1000~5000rpm，最優(yōu)轉(zhuǎn)速為2500~4000rpm，得到澄清透明的液體。該液體中主要的組成為微量的蛋白、色素、丁二酸鈉鹽、及氯離子、磷酸根、硫酸根等雜離子。
[0016](2)使用離子透析電滲析進(jìn)行脫蛋白和脫色:步驟(1)所得液體進(jìn)入離子透析電滲析裝置。離子透析電滲析裝置(如圖1)的主要部件為膜堆，配以淡化室、濃縮室、極室、循環(huán)泵、管路、壓力表、流量計(jì)`、直流電源等部件。其中，膜堆由陰陽(yáng)離子交換膜、隔板等組成，隔板與膜之間構(gòu)成的隔室為液體流經(jīng)過的通道。澄清后的發(fā)酵液放置于淡化室，接收遷移鹽分的物料(一般為自來水)放置在濃縮室。
[0017]在直流電場(chǎng)的作用下，利用離子交換膜的選擇透過性，陽(yáng)離子(主要是鈉離子)透過陽(yáng)膜，陰離子(包括丁二酸離子、磷酸根、硫酸根等)透過陰膜，發(fā)酵液中的其他非電解質(zhì)物質(zhì)因?yàn)闊o法通過離子膜，因此實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)離子與非電解質(zhì)雜質(zhì)的分離。由于目前技術(shù)水平的限制，電滲析的膜對(duì)數(shù)及膜面積無法隨著處理量的增大而增大，因此規(guī)?；b置可能用多臺(tái)電滲析膜堆串聯(lián)或并聯(lián)使用以提高處理能力。需要說明的是，離子交換膜的類型可以是均相膜，也可以是異相膜。本工藝中，均相膜效果優(yōu)于異相膜。
[0018]經(jīng)過離子透析電滲析裝置的發(fā)酵液的透光率由15%提高到95%，脫色效果與活性炭效果相當(dāng)。提取效率約為97%~98%，而使用吸附方式脫色的收率僅有80%~85%。
[0019]其中，發(fā)酵液透光率是使用分光光度計(jì)(型號(hào)FT-100)檢測(cè)。
[0020]經(jīng)過脫蛋白和脫色的發(fā)酵液的pH值為6~7，丁二酸以離子形態(tài)存在于水溶液中；當(dāng)PH值為2以下，丁二酸以分子態(tài)存在于水溶液中。
[0021](3)使用雙極膜電滲析進(jìn)行脫鈉:經(jīng)過脫蛋白和脫色的發(fā)酵液進(jìn)入雙極膜電滲析單元進(jìn)行脫鈉。雙極膜電滲析裝置與離子透析電滲析裝置結(jié)構(gòu)基本相同，只是將陰離子膜替換為雙極膜。在直流電場(chǎng)的作用下，雙極膜將水離解成為氫離子和氫氧根離子，進(jìn)入不同的分隔室中；體系中的陽(yáng)離子(主要是鈉離子)通過陽(yáng)離子膜與氫氧根離子結(jié)合，生成強(qiáng)堿水溶液，而氫離子與停留在體系中的丁二酸根結(jié)合生產(chǎn)分子態(tài)的丁二酸，此時(shí)，體系PH值約為2。
[0022](4)多效蒸發(fā)器濃縮:將步驟(3)所得含有丁二酸的酸性溶液通過多效蒸發(fā)器濃縮I倍，溶液在60°C的條件下，丁二酸含量為100g/L~200g/L。
[0023](5)晶析:根據(jù)丁二酸在水中的溶解度，將濃縮液冷卻到10°C，丁二酸晶體逐漸析出，母液中丁二酸含量約為20g/L。
[0024](6)過濾、烘干:丁二酸晶體經(jīng)過濾器濾出，再經(jīng)過烘干機(jī)烘干，產(chǎn)品純度為99%~99.8%。
[0025]所述的使用電滲析法從丁二酸發(fā)酵液中提取丁二酸的方法，脫蛋白和脫色電滲析裝置中，該電滲析膜對(duì)數(shù)為100對(duì)，總電壓120伏，離子交換膜類型為均相膜，每對(duì)膜的尺寸為400mmX800mm ;實(shí)際運(yùn)行中，電壓控制為110伏，電流控制在75~80安培，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間15小時(shí)；濃縮室中液體體積為100L。
[0026]雙極膜電滲析裝置中，該電滲析膜對(duì)數(shù)為100對(duì)，總電壓120伏，陽(yáng)離子交換膜類型為均相膜，每對(duì)膜的尺寸為400mmX800mm ;實(shí)際運(yùn)行中，電壓控制為110伏，電流控制在75~80安培，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間2小時(shí)；淡室物料pH值為2，體積保持為100L。
[0027]所述的使用電滲析法從丁二酸發(fā)酵液中提取丁二酸的方法的應(yīng)用，可應(yīng)用于與丁二酸性質(zhì)相似的有機(jī)酸發(fā)酵液的后提取工藝。
[0028]本發(fā)明的有益效果:經(jīng)過電滲析裝置的發(fā)酵液的透光率由15%提高到95%，脫色效果與活性炭效果相當(dāng)。提取效`率約為97%~98%，而使用吸附方式脫色的收率僅有80~85%。革掉了用活性炭進(jìn)行脫色，避免了活性炭對(duì)于丁二酸的吸附，脫色后不再造成丁二酸的損失，提高了提取率。得到分子態(tài)的丁二酸，不需要使用鹽酸或硫酸進(jìn)行體系PH值的調(diào)整，使丁二酸的提純?nèi)菀走M(jìn)行，不使用有機(jī)溶劑，避免了有機(jī)溶劑的殘留。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1脫色電滲析裝置示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]實(shí)施例1
以目標(biāo)體積120L來配制發(fā)酵液。發(fā)酵液營(yíng)養(yǎng)基組成:磷酸二氫鉀1.Sg，磷酸氫鈉0.6g，氯化鎂0.05g,氯化?丐0.05g,酵母膏1.2kg,玉米衆(zhòng)1.2kg,碳酸鈉10.07kg,葡萄糖(85%)16.8kg,其余為水。使用丁二酸放線桿菌(Actinobacillus succinogenes CGMCC1593)作為合成丁二酸的合成菌種，經(jīng)過實(shí)消滅菌，降溫，接種后，發(fā)酵溫度37~38°C，攪拌轉(zhuǎn)速60rpm,發(fā)酵時(shí)間48小時(shí)，丁二酸含量95g/L。
[0031]上述發(fā)酵液經(jīng)過離心機(jī)進(jìn)行菌體分離，離心機(jī)為碟片式，轉(zhuǎn)速4000rpm，得到的澄清透明的液體100L，丁二酸的含量92g/L。
[0032]將澄清后的發(fā)酵液放置于脫色電滲析裝置中。該電滲析膜對(duì)數(shù)為100對(duì)，總電壓120伏，離子交換膜類型為均相膜，每對(duì)膜的尺寸為400mmX800mm。實(shí)際運(yùn)行中，電壓控制為Iio伏，電流控制在75~80安培，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間15小時(shí)。濃縮室中液體體積為100L，檢測(cè)丁二酸含量為90g/L，提取率為97.8%。濃縮室液體透光率為95%。
[0033]經(jīng)過脫色的發(fā)酵液進(jìn)入雙極膜電滲析單元。該電滲析膜對(duì)數(shù)為100對(duì)，總電壓120伏，陽(yáng)離子交換膜類型為均相膜，每對(duì)膜的尺寸為400mmX800mm。實(shí)際運(yùn)行中，電壓控制為110伏，電流控制在75~80安培，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間2小時(shí)。淡室物料pH值為2，體積保持為100L。
[0034]將上述酸性溶液通過多效蒸發(fā)器濃縮I倍，溶液在60°C的條件下，丁二酸含量為178g/L。根據(jù)丁二酸在水中的溶解度，將濃縮液冷卻到10°C，丁二酸晶體逐漸析出，母液中丁二酸含量約為20g/L，粗晶體重量為8.78kg
丁二酸晶體經(jīng)過濾器濾出，再經(jīng) 過烘干機(jī)烘干，產(chǎn)品純度為99%，產(chǎn)品量為7.8kg。
【權(quán)利要求】
1.一種使用電滲析法從丁二酸發(fā)酵液中提取丁二酸的方法，其特征在于以常規(guī)的丁二酸發(fā)酵液為原料，經(jīng)分離菌體、電滲析進(jìn)行脫蛋白和脫色、使用雙極膜電滲析進(jìn)行脫鈉、濃縮、晶析、過濾、烘干步驟提取丁二酸，步驟為: (1)發(fā)酵液分離菌體:丁二酸發(fā)酵液的來源對(duì)于發(fā)酵使用的菌種類型并無特別要求；丁二酸發(fā)酵液經(jīng)過離心機(jī)進(jìn)行菌體分離，離心機(jī)為碟片式，轉(zhuǎn)速1000~5000rpm，得到澄清透明的液體； (2)使用離子透析電滲析進(jìn)行脫蛋白和脫色:使用離子透析電滲析裝置對(duì)步驟(1)所得液體進(jìn)行脫蛋白和脫色； 離子透析電滲析裝置的主要部件為膜堆，配以淡化室、濃縮室、極室、循環(huán)泵、管路、壓力表、流量計(jì)、直流電源；其中，膜堆由陰陽(yáng)離子交換膜、隔板組成，隔板與膜之間構(gòu)成的隔室為液體流經(jīng)過的通道；澄清后的發(fā)酵液放置于淡化室，接收遷移鹽分的自來水放置在濃縮室； 在直流電場(chǎng)的作用下，利用離子交換膜的選擇透過性，主要是鈉離子的陽(yáng)離子透過陽(yáng)膜，包括丁二酸離子、磷酸根及硫酸根的陰離子透過陰膜，發(fā)酵液中的其他非電解質(zhì)物質(zhì)因?yàn)闊o法通過離子膜，因此實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)離子與非電解質(zhì)雜質(zhì)的分離，規(guī)?；b置可用多臺(tái)電滲析膜堆串聯(lián)或并聯(lián)使用以提高處理能力；離子交換膜的類型為均相膜或異相膜；本工藝中，均相膜效果優(yōu)于異相膜； (3)使用雙極膜電滲析進(jìn)行脫鈉:使用雙極膜電滲析裝置對(duì)步驟(2)所得液體進(jìn)行脫鈉，同時(shí)調(diào)整體系pH值到2 ； 雙極膜電滲析裝置與離 子透析電滲析裝置結(jié)構(gòu)基本相同，只是將陰離子膜替換為雙極膜；在直流電場(chǎng)的作用下，雙極膜將水離解成為氫離子和氫氧根離子，進(jìn)入不同的分隔室中；體系中的陽(yáng)離子，主要是鈉離子，通過陽(yáng)離子膜與氫氧根離子結(jié)合，生成強(qiáng)堿水溶液；而氫離子與停留在體系中的丁二酸根結(jié)合生成分子態(tài)的丁二酸，此時(shí)，體系pH值控制為2 ； (4)多效蒸發(fā)器濃縮:將步驟(3)所得含有丁二酸的酸性溶液通過多效蒸發(fā)器濃縮I倍，溶液在60°C的條件下，丁二酸含量為100g/L~200g/L ； (5)晶析:根據(jù)丁二酸在水中的溶解度，將濃縮液冷卻到10°C，丁二酸晶體逐漸析出，母液中丁二酸含量控制為20g/L ； (6)過濾、烘干:丁二酸晶體經(jīng)過濾器濾出，再經(jīng)過烘干機(jī)烘干，產(chǎn)品純度為99%~99.8%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用電滲析法從丁二酸發(fā)酵液中提取丁二酸的方法，其特征在于脫蛋白和脫色電滲析裝置中； 該電滲析膜對(duì)數(shù)為100對(duì)，總電壓120伏，離子交換膜類型為均相膜，每對(duì)膜的尺寸為400mmX800mm ;實(shí)際運(yùn)行中，電壓控制為110伏，電流控制在75~80安培，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間15小時(shí)；濃縮室中液體體積為100L ； 雙極膜電滲析裝置中，該電滲析膜對(duì)數(shù)為100對(duì)，總電壓120伏，陽(yáng)離子交換膜類型為均相膜，每對(duì)膜的尺寸為400mmX800mm ;實(shí)際運(yùn)行中，電壓控制為110伏，電流控制在75~80安培，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間2小時(shí)；淡室物料pH值為2，體積保持為100L。
3.權(quán)利要求1所述的使用電滲析法從丁二酸發(fā)酵液中提取丁二酸的方法的應(yīng)用，其特征在于可應(yīng)用于與丁二酸性質(zhì)相似的有機(jī)酸發(fā)酵液的后提取工藝。
【文檔編號(hào)】C07C55/10GK103524327SQ201310483501
【公開日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2013年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月16日
【發(fā)明者】陳 光, 王錫忠, 呂濤 申請(qǐng)人:江陰奧瑞諾生物技術(shù)有限公司