CN102061316A - 长碳链二元酸的生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种长碳链二元酸的生产方法，是以碳十一及其以上的烷烃为底物，通过微生物发酵法转化为长碳链二元酸以及发酵液的提取分离和二元酸粗品的精制过程，生产相应的长碳链二元酸产品。本发明通过技术创新和工艺创新，研制了长碳链二元酸新的生产方法，大大降低了长碳链二元酸的生产成本，提高了长碳链二元酸的收率和产品质量，可以生产十一碳以上的长碳链二元酸，最终解决了制约长碳链二元酸快速发展的瓶颈问题，形成了产业化规模和技术优势。本发明的生物法生产长碳链二元酸具有产酸水平高，生产成本低，产品质量好，品种全等特点，制得的长碳链二元酸产品具有单酸含量高、透光好、热稳定性高，可以满足不同客户的需求，可用于生产高级香料、高性能工程塑料、高温电介质、高档热熔胶、耐寒增塑剂、高级润滑油、高级油漆和涂料等。极大的拓展了长碳链二元酸下游产品发展空间。
Description
技术领域
本发明属生物工程领域，涉及利用生物法生产长碳链二元酸系列产品的方法。
背景技术
长碳链二元酸(Long chain dicarboxy acids)是指碳链中含有10个以上碳原子的脂肪族二羧酸(简称DCn)，包括饱和及不饱和二羧酸，是一类有着重要和广泛工业用途的精细化工产品，是化学工业中合成高级香料、高性能工程塑料、高温电介质、高档热熔胶、耐寒增塑剂、高级润滑油、高级油漆和涂料等重要原料。
长碳链二元酸的生产方法有化学合成和生物发酵法，国外主要采用化学合成法生产，该法主要以丁二烯为原料，采用化学合成法生产，工艺复杂，合成条件苛刻，需要200℃以上的高温，100个以上的大气压和十个以上的合成步骤，收率低，成本高，品种单一，只能生产十二碳以下的二元酸，限制了长碳链二元酸下游产品的发展，而且需要防毒、防爆、防火等安全设施，对环境破坏严重。
生物发酵法生产长碳链二元酸是七十年代兴起的微生物发酵技术在石油化工领域的应用，以石油副产物蜡油为原料，具有原料来源广，生产工艺简单，生产条件温和等优点，在国内外受到广泛关注。如在28-30℃的常温、一个大气压下即可生产。长期以来国际市场上只有化学合成法生产十二碳二元酸和半合成法生产九碳和十一碳长碳链二元酸单体，在工业规模上的应用只限于以上产品中。生物法可以提供从十碳以上的系列长碳链二元酸单体，这些新型的长碳链二元酸单体可以以更加优良的性能与化学化合成法已有的长碳链二元酸市场竞争。同时，不同碳链的长碳链二元酸单体可以衍生出一系列具有不同性质的新功能材料。
国际上以长链二元酸为生产原料的公司主要有：杜邦、DeGussa(德固赛)、Ube(日本)、Elf Atochem(法国阿托)、Cognis(德国科宁)、拜耳(德国)等十几个世界500强企业，部分公司自产自用，除去自用外，市场供应不足15万吨。况且，对长链二元酸的需求量在逐年增长，无法满足未来市场的需求。
目前，国内已实现了以烷烃为底物发酵法生产长碳链二元酸的产业化，但是，由于规模小，技术落后，生产成本较高，生产品品种少，使得长碳链二元酸下游产品的应用领域有所局限。在国际上还不完全具备与国外大公司相抗衡的实力。
目前，我国长链二元酸生产企业所采用的工艺技术主要存在以下不足：
1.生产菌种产酸水平低，平均产酸不足140g/L，转化率在70-80％徘徊。
2.生产技术和设备落后，产品档次低。
3.规模小，能耗高。
4.产品单一，没能形成长链二元酸系列化产品生产，不能满足市场需要。
5.研发投入不足，长链二元酸下游产品开发缓慢。
6.检测技术落后，不能满足客户的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用生物法生产长碳链二元酸系列产品的方法。
本发明所述的生产长碳链二元酸的方法，包括以碳十一及其以上的烷烃为底物，通过微生物发酵法转化为长碳链二元酸以及发酵液的提取分离和二元酸粗品的精制过程，生产相应的长碳链二元酸产品。
具体步骤和工艺条件如下：
1.微生物发酵法转化：以碳十一及其以上的烷烃为底物，通过微生物发酵的方式转化为相应的长碳链二元酸；
其中，所采用的菌株为热带假丝酵母(Candida tropicalis)，是以uH-2-48菌株为母株，经过反复诱变筛选，培育出来的生产DC11以上的的优良高产突变株。
该菌株主要生理特性如下：
1)对正烷烃有良好的亲和力，并能产生较多乳化剂，能氧化正烷烃生成相应二元酸，尤其高产DC12、DC13、DC15和DC16
2)菌株生长和产酸的最适温度为25-35℃，生长的最适pH为5.0-6.0，产酸最适pH为7.5-8.5。菌体生长，尤其在产酸阶段，均需充分供氧。
3)建立“三阶段控制同步发酵法”，控制产酸与菌体生长同步进行，产酸水平更高。如图：
4)发酵过程中加入一种细胞透性调节剂，增强细胞膜转运反应底物和产物的能力，产酸速度显著增强。
种子培养基的配方为：
玉米浆：0.2～0.5％、酵母膏：0.3～0.7％、尿素：0.2～0.5％、庶糖：2～5％、KH2PO4：0.5～1.0％、消泡剂：0.03～0.05(v/v)。
发酵罐培养基的配方为：
玉米浆：2～7％、Nacl：0.1～0.3％、酵母膏：0.15～0.3％、尿素：0.1～0.25％、葡萄糖：3～7％、庶糖：0.5～2％、KNO3：1.0～2％、KH2PO4：0.5～2％、细胞调节剂：3～7％、乳化剂：0.001～0.05(v/v)％、消泡剂：0.03(v/v)。
发酵控制条件：
接种量：8～20％，罐温：25～35℃，通风比：1∶0.3～0.7vvm，罐压：0.08～0.12Mpa，PH：加烷烃前4.0～6.0，加烷烃后6.5～8.5，培养时间：120～160小时。
补料控制参数：
烷烃：当菌体生长浓度大于(OD620)0.8，开始补加细胞调节剂和烷烃，加细胞调节剂一次性加入，发酵液中烷烃控制浓度为3～10％，发酵结束前20小时停止补料。残烃为0％停止发酵。
该发酵过程特性如下：
1)发酵过程中加入一种乳化剂，料液混合更均匀，更利于物质的传递。
2)采用串罐发酵新技术。用发酵过程中的发酵液菌体作为新上发酵罐的种子进行串罐培养发酵，减少了种子逐级培养过程，稳定了生产，缩短了生产周期，提高了设备的利用率。
3)发酵罐搅拌选用“气流喷射-机械搅拌”新型搅拌器。物料、空气在发酵液中分布更均匀，单位体积的发酵液搅拌能耗降低；
4)发酵控制增加了尾气检测***，通过分析发酵尾气中气体组份的变化(即CER、OUR、RQ、DO的变化)来判断菌体的代谢状态，优化工艺控制，为菌种发酵提供最佳工况条件，发酵控制更加科学。
2.发酵液的提取过程：
将发酵结束的发酵液通过风压压至发酵液储罐。期间，发酵液通过蒸汽加热器加热至70～90℃放至发酵液储罐。尔后，加液碱调发酵液PH至8.5～10.5，通过有机膜或无机膜过滤法分离菌体，二元酸清液加入0.1～1.0％的活性碳，经过50～80℃脱色40～120min，再过滤得到脱色清液用浓硫酸经连续酸化至PH2.5～5.0，80～95℃保温2～4小时，酸化结晶液经板框压滤得到二元酸湿品，经干燥后得到二元酸粗品(称P级产品)。
3.二元酸粗品的精制过程：
上述得到的二元酸粗品，控制水份5～12％，加入0.05～0.2％的活性炭，溶剂加入量为：溶剂∶二元酸＝3.0～2.0∶1，温度85～100℃，脱色20～90min，再经压滤分离出清液，送至一次结晶罐，降温至75～85℃保温1～2小时，再降温至25～35℃，结晶物料经离心机后用高温水结晶，控制温度70～100℃，时间120min，再降温结晶至30～50℃，经离心机离心分离，得到二元酸湿品，干燥后得到产品。
以上步骤3生产过程中的设备、管道和阀门均要进行保温处理。
本发明的生物法生产长碳链二元酸具有产酸水平高，生产成本低，产品质量好，品种全等特点。得到的长碳链二元酸产品具有单酸含量高、透光好、热稳定性高，可以满足不同客户的需求，可用于生产高级香料、高性能工程塑料、高温电介质、高档热熔胶、耐寒增塑剂、高级润滑油、高级油漆和涂料等。极大的拓展了长碳链二元酸下游产品发展空间。
本发明通过技术创新和工艺创新，研制了长碳链二元酸新的生产方法，大大降低了长碳链二元酸的生产成本，提高了长碳链二元酸的收率和产品质量，可以生产十一碳以上的长碳链二元酸，最终解决了制约长碳链二元酸快速发展的瓶颈问题，形成了产业化规模和技术优势。
具体实施方式
一.以十二烷烃为原料发酵生产十二碳二元酸
实施例1.
发酵控制条件：
接种量：8％，罐温：25℃，通风比：1∶0.3vvm，罐压：0.08Mpa，PH：加烷烃前4.0，加烷烃后6.5，培养时间：120小时。
补料控制参数：
烷烃：当菌体生长浓度大于(OD620)0.8，开始补加细胞调节剂和烷烃，加细胞调节剂一次性加入，发酵液中烷烃控制浓度为3％，发酵结束前20小时停止补料。
发酵液的提取过程：
发酵液通过蒸汽加热器加热至70℃放至发酵液储罐。尔后，加液碱调发酵液PH至8.5～，通过膜过滤法分离菌体，二元酸清液加入0.1％的活性碳，经过50℃脱色40min，再过滤得到脱色清液用浓硫酸酸化至PH2.5，80℃保温2小时，酸化结晶液经板框压滤得到二元酸湿品，经干燥后得到二元酸粗品(称P级产品)。
二元酸粗品的精制过程：
上述得到的二元酸粗品，控制水份5％，加入0.05％的活性炭，溶剂加入量为溶剂∶二元酸＝3.0∶1，温度85℃，脱色20min，再压滤得于清液至一次结晶罐，降温至75℃保温1小时，再降温至25℃，结晶物料经离心机后用高温水结晶，控制温度70℃，时间120min，再降温结晶 至30℃，经离心机离心得到二元酸湿品，干燥后得到产品。
实施例2.
发酵控制条件：
接种量：10％，罐温：30℃，通风比：1∶0.5vvm，罐压：0.10Mpa，PH：加烷烃前5.0，加烷烃后7.5，培养时间：140小时。
补料控制参数：
烷烃：当菌体生长浓度大于(OD620)0.8，开始补加细胞调节剂和烷烃，加细胞调节剂一次性加入，发酵液中烷烃控制浓度为7％，发酵结束前20小时停止补料。
发酵液的提取过程：
发酵液通过蒸汽加热器加热至70～90℃放至发酵液储罐。尔后，加液碱调发酵液PH至9.5，通过膜过滤法分离菌体，二元酸清液加入0.5％的活性碳，经过65℃脱色80min，再过滤得到脱色清液用浓硫酸酸化至PH3.5，88℃保温34小时，酸化结晶液经板框压滤得到二元酸湿品，经干燥后得到二元酸粗品(称P级产品)。
二元酸粗品的精制过程：
上述得到的二元酸粗品，控制水份8％，加入0.15％的活性炭，溶剂加入量为：溶剂∶二元酸＝2.5∶1，温度90℃，脱色60min，再压滤得于清液至一次结晶罐，降温至80℃保温1.5小时，再降温至30℃，结晶物料经离心机后用高温水结晶，控制温度85℃，时间120min，再降温结晶至40℃，经离心机离心得到二元酸湿品，干燥后得到产品。
实施例3.
发酵控制条件：
接种量：20％，罐温：35℃，通风比：1∶0.7vvm，罐压：0.12Mpa，PH：加烷烃前6.0，加烷烃后8.5，培养时间：160小时。
补料控制参数：
烷烃：当菌体生长浓度大于(OD620)0.8，开始补加细胞调节剂和烷烃，加细胞调节剂一次性加入，发酵液中烷烃控制浓度为10％，发酵结束前20小时停止补料。
发酵液的提取过程：
发酵液通过蒸汽加热器加热至70～90℃放至发酵液储罐。尔后，加液碱调发酵液PH至10.5，通过膜过滤法分离菌体，二元酸清液加入1.0％的活性碳，经过80℃脱色120min，再过滤得到脱色清液用浓硫酸酸化至PH5.0，95℃保温4小时，酸化结晶液经板框压滤得到二元酸湿品，经干燥后得到二元酸粗品(称P级产品)。
二元酸粗品的精制过程：
上述得到的二元酸粗品，控制水份12％，加入0.2％的活性炭，溶剂加入量为：溶剂∶二元酸＝2.0∶1，温度100℃，脱色90min，再压滤得于清液至一次结晶罐，降温至85℃保温2小时，再降温至35℃，结晶物料经离心机后用高温水结晶，控制温度100℃，时间120min，再降温结晶至50℃，经离心机离心得到二元酸湿品，干燥后得到产品。
二.以十三烷烃为原料发酵生产十三碳二元酸
实施例1.
发酵控制条件：
接种量：8％，罐温：25℃，通风比：1∶0.3vvm，罐压：0.08Mpa，PH：加烷烃前4.0，加烷烃后6.5，培养时间：120小时。
补料控制参数：
烷烃：当菌体生长浓度大于(OD620)0.8，开始补加细胞调节剂和烷烃，加细胞调节剂一次性加入，发酵液中烷烃控制浓度为3％，发酵结束前20小时停止补料。
发酵液的提取过程：
发酵液通过蒸汽加热器加热至70℃放至发酵液储罐。尔后，加液碱调发酵液PH至8.5～，通过膜过滤法分离菌体，二元酸清液加入0.1％的活性碳，经过50℃脱色40min，再过滤得到脱色清液用浓硫酸酸化至PH2.5，80℃保温2小时，酸化结晶液经板框压滤得到二元酸湿品，经干燥后得到二元酸粗品(称P级产品)。
二元酸粗品的精制过程：
上述得到的二元酸粗品，控制水份5％，加入0.05％的活性炭，溶剂加入量为溶剂∶二元酸＝3.0∶1，温度85℃，脱色20min，再压滤得于清液至一次结晶罐，降温至75℃保温1小时，再降温至25℃，结晶物料经离心机后用高温水结晶，控制温度70℃，时间120min，再降温结晶至30℃，经离心机离心得到二元酸湿品，干燥后得到产品。
实施例2.
发酵控制条件：
接种量：10％，罐温：30℃，通风比：1∶0.5vvm，罐压：0.10Mpa，PH：加烷烃前5.0，加烷烃后7.5，培养时间：140小时。
补料控制参数：
烷烃：当菌体生长浓度大于(OD620)0.8，开始补加细胞调节剂和烷烃，加细胞调节剂一次性加入，发酵液中烷烃控制浓度为7％，发酵结束前20小时停止补料。
发酵液的提取过程：
发酵液通过蒸汽加热器加热至70～90℃放至发酵液储罐。尔后，加液碱调发酵液PH至9.5， 通过膜过滤法分离菌体，二元酸清液加入0.5％的活性碳，经过65℃脱色80min，再过滤得到脱色清液用浓硫酸酸化至PH3.5，88℃保温34小时，酸化结晶液经板框压滤得到二元酸湿品，经干燥后得到二元酸粗品(称P级产品)。
二元酸粗品的精制过程：
上述得到的二元酸粗品，控制水份8％，加入0.15％的活性炭，溶剂加入量为：溶剂∶二元酸＝2.5∶1，温度90℃，脱色60min，再压滤得于清液至一次结晶罐，降温至80℃保温1.5小时，再降温至30℃，结晶物料经离心机后用高温水结晶，控制温度85℃，时间120min，再降温结晶至40℃，经离心机离心得到二元酸湿品，干燥后得到产品。
实施例6.
发酵控制条件：
接种量：20％，罐温：35℃，通风比：1∶0.7vvm，罐压：0.12Mpa，PH：加烷烃前6.0，加烷烃后8.5，培养时间：160小时。
补料控制参数：
烷烃：当菌体生长浓度大于(OD620)0.8，开始补加细胞调节剂和烷烃，加细胞调节剂一次性加入，发酵液中烷烃控制浓度为10％，发酵结束前20小时停止补料。
发酵液的提取过程：
发酵液通过蒸汽加热器加热至70～90℃放至发酵液储罐。尔后，加液碱调发酵液PH至10.5，通过膜过滤法分离菌体，二元酸清液加入1.0％的活性碳，经过80℃脱色120min，再过滤得到脱色清液用浓硫酸酸化至PH5.0，95℃保温4小时，酸化结晶液经板框压滤得到二元酸湿品，经干燥后得到二元酸粗品(称P级产品)。
二元酸粗品的精制过程：
上述得到的二元酸粗品，控制水份12％，加入0.2％的活性炭，溶剂加入量为：溶剂∶二元酸＝2.0∶1，温度100℃，脱色90min，再压滤得于清液至一次结晶罐，降温至85℃保温2小时，再降温至35℃，结晶物料经离心机后用高温水结晶，控制温度100℃，时间120min，再降温结晶至50℃，经离心机离心得到二元酸湿品，干燥后得到产品。
上述实施例的效果
1.产业化实施的效果。以DC12和DC13在200m3发酵罐生产为例说明。
表1.200m3发酵罐试生产结果
2.产品质量指标
表2.十二碳二元酸产品质量指标
表3.十三碳二元酸产品质量指标
3.本发明与国内同行业优势比较见表4
与国内同行业比较成本优势如表5。
Claims (5)
1.一种长碳链二元酸的生产方法，其特征在于以碳十一及其以上的烷烃为底物，通过微生物发酵法转化为长碳链二元酸；发酵液的提取分离和二元酸粗品的精制过程，生产相应的长碳链二元酸产品。
2.如权利要求1所述长碳链二元酸的生产方法，其特征在于所说的微生物发酵转化过程采用的菌株为热带假丝酵母(Candidatropicalis)。
3.如权利要求1或2所述长碳链二元酸的生产方法，其特征在于所说的微生物发酵转化过程控制条件如下：
接种量：8～20％，罐温：25～35℃，通风比：1∶0.3～0.7vvm，罐压：0.08～0.12Mpa，PH：加烷烃前4.0～6.0，加烷烃后6.5～8.5，培养时间：120～160小时。
补料控制参数：
当菌体生长浓度大于(OD620)0.8，开始补加烷烃，发酵液中烷烃控制浓度为3～10％，发酵结束前20小时停止补料，残烃为0％停止发酵。
4.如权利要求1或2所述长碳链二元酸的生产方法，其特征在于所说的发酵液的提取过程如下：
将发酵液加热至70～90℃，加液碱调发酵液PH至8.5～10.5，通过膜过滤法分离菌体，二元酸清液加入0.1～1.0％的活性炭，经过50～80℃脱色40～120min，再过滤得到脱色清液，用浓硫酸酸化至PH2.5～5.0，在80～95℃保温2～4小时，酸化结晶液经板框压滤得到二元酸湿品，经干燥后得到二元酸粗品。
5.如权利要求1或2所述长碳链二元酸的生产方法，其特征在于所说的二元酸粗品的精制过程如下：
将二元酸粗品，控制水份5～12％，加入0.05～0.2％的活性炭，溶剂加入量为：溶剂∶二元酸＝3.0～2.0∶1，温度85～100℃，脱色20～90min，再压滤分离出清液，送至一次结晶罐，降温至75～85℃保温1～2小时，再降温至25～35℃，结晶物料经离心机分离后，用高温水结晶，控制温度70～100℃，时间120min，再降温结晶至30～50℃，经离心机离心得到二元酸湿品，干燥后得到产品。
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Legal Events
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| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Lei Guang Inventor after: Liu Fulai Inventor after: Gao Bing Inventor after: Li Naiqiang Inventor after: Yang Yufeng Inventor after: Liu Wenfeng Inventor after: Ouyang Yueming Inventor before: Cao Wubo Inventor before: Wang Zhizhou Inventor before: Chen Yuantong Inventor before: Ge Minghua Inventor before: Fu Shenzhan |
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| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20190114 Address after: 201203 No.5 Building, Cailun Road, Zhangjiang High-tech Park, Pudong New Area, Shanghai Applicant after: Shanghai Cathay Biotechnology Research and Development Center Co., Ltd. Address before: 265200 No. 1 Emei Road, Laiyang Economic Development Zone, Shandong Province Applicant before: Shandong Hilead Biotechnology Co., Ltd. |
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Address after: 201203 Shanghai Zhangjiang High Tech Park of Pudong New Area Cailun Road No. 5 No. 1690 Applicant after: Shanghai Kaisai Biotechnology Co., Ltd. Address before: 201203 Shanghai Zhangjiang High Tech Park of Pudong New Area Cailun Road No. 5 No. 1690 Applicant before: Shanghai Cathay Biotechnology Research and Development Center Co., Ltd. |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Effective date of registration: 20210520 Address after: 201203 Shanghai Pudong New Area Zhangjiang hi tech park, Cai Lun Road, No. 5, 5 building, 4 floor. Patentee after: CATHAY R&D CENTER Co.,Ltd. Patentee after: Shanxi Institute of synthetic biology Co.,Ltd. Patentee after: Kaisai (Taiyuan) Biotechnology Co.,Ltd. Address before: 201203 Shanghai Zhangjiang High Tech Park of Pudong New Area Cailun Road No. 5 No. 1690 Patentee before: CATHAY R&D CENTER Co.,Ltd. |