CN1880290A - 发酵液中1,3－丙二醇的分离精制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及从微生物发酵液中分离精制1，3－丙二醇的方法。发酵液经灭菌、脱水后，加入正戊醇或异戊醇、正丁醇、正己醇，然后通过过滤或沉降等方法除去发酵液中的沉渣并洗涤，清液加入适量丙三醇或1，4－丁二醇后通过减压或常压精馏，回收正戊醇或异戊醇、正丁醇、正己醇，得到高纯度的1，3－丙二醇，1，3－丙二醇的回收率大于95％。本发明优点是分离工艺简单、技术成熟，分离成本低，额外引入的试剂少且易回收，发酵液中的结晶沉渣可被有效分离，克服了精馏时釜液起泡、结块、堵塞管线等问题，可实现连续化操作。
Description
技术领域
本发明属于生物工程和化学工程技术领域，涉及微生物发酵液分离技术，特别涉及从微生物发酵液中分离精制1，3-丙二醇的方法。
背景技术
1，3-丙二醇(1，3-Propanediol，简称1，3-PD)是一种重要的化工原料，主要用于合成新型聚酯材料聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)、聚氨酯和工程热塑性塑料等，这些新型聚合物具有许多优良的特性，如良好的弹性、尺寸稳定性和染色性，抗紫外、臭氧和氮氧化合物的着色性，抗内应力、低水吸附、低静电以及良好的生物降解性，优异的刚性、韧性和绝缘性等，所以在纺织、地毯行业以及工程塑料等领域有着广泛的应用前景。微生物法生产1，3-丙二醇与化学合成法相比具有操作简便、条件温和、环境污染小以及利用可再生资源等优点，因此得到世界众多知名的化工企业和研究单位的高度重视，如美国的杜邦公司、Genencor生物技术公司和德国生物技术中心(GBF)等。但发酵液的分离精制工艺和成本是决定微生物法生产1，3-丙二醇在经济上可否与化学法相竞争的关键因素，科研工作者一直在努力探索一条经济可行的分离方法。
目前，从微生物发酵液中提取1，3-丙二醇的工艺已有一些公开专利技术，但都存在着缺陷。如DE863632397，US5008473的离心-膜过滤-萃取工艺，一方面，高速离心不仅能耗较高，而且分离能力有限，在发酵液中直接添加助滤剂/絮凝剂，有助于沉淀部分菌体、核酸和蛋白，但发酵液中的盐不会结晶析出，在减压蒸馏过程中仍会形成粘性物质；另一方面，膜过滤分离成本较高，分离能力较小，分离时间长，操作压力较高，而且易出现膜污染、膜堵塞等问题。而Baltycka等人(Biotechnology Progress，2000，16：76-79)通过反应萃取分离1，3-丙二醇的方法，其步骤是：在发酵液中加入醛，使1，3-丙二醇与醛缩合，脱去有机相中水后，用邻二甲苯或甲苯或乙苯萃取，然后通过水解得到1，3-丙二醇。其反应萃取工艺需要进行多步操作，由此造成分离效率较低，操作工艺复杂，操作条件难控制等问题，使工业推广有一定的难度。Malinowski等人的液-液萃取方法(Biotechnology Progress，1999，13(2)：127-30)，目前距工业化还有一定距离，存在的问题是选择萃取效率较高且专一性强的萃取剂较为困难。修志龙等人(CN1460671A)仅给出了发酵液预处理的方法，通过加入乙醇或甲醇、正丙醇、异丙醇、丙酮、丁酮试剂除去结晶沉渣，但此法除渣率低，回收率低。并且因乙醇或甲醇、正丙醇、异丙醇、丙酮、丁酮的沸点都比水的沸点低，使得在后期精馏过程中，这些试剂先于水而脱除，当脱水时，水中会有大量溶渣析出，使富含1，3-丙二醇的釜底物成粘稠状，无法进行固液分离，继续精馏，釜底将起泡沫使精馏无法进行，而且釜底物稍降温便结块，若连续操作，很易出现堵塞管线等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种从微生物发酵液中分离精制1，3-丙二醇的方法，通过选用合适的试剂，使发酵液中的结晶沉渣得到有效分离，克服精馏后期釜液起泡、结块、堵塞管线的问题，实现连续化操作，并尽可能降低分离成本，提高1，3-丙二醇的回收率。
本发明提供的一种从微生物发酵液中分离精制1，3-丙二醇的方法，所采用的技术方案是：
1)将带菌的发酵液进行加温、加压灭菌处理；在0.1-0.5MPa、100-150℃的条件下加热0.5-5h进行灭菌处理。
2)将步骤1)得到的发酵液按1∶0.1～1∶3的体积比加入稀释剂(正戊醇或异戊醇、正丁醇、正己醇)，通过精馏的方法脱除全部水。精馏塔操作压强为0.005-0.1MPa，当塔顶馏出液中无水析出时，精馏结束。
釜底物通过非均相物系分离方法，分离沉淀物，取清液；用上述的稀释剂，其量为上述稀释剂用量的5-100％，对沉淀物进行洗涤，取洗涤液；
3)将步骤2)所得清液和洗涤液混合，按1∶0.005～1∶2的体积比加入丙三醇或1，4-丁二醇，通过精馏回收稀释剂，并脱除比1，3-丙二醇沸点低的组份。精馏操作压强为0.001-0.1Mpa；
4)将步骤3)所得的釜液，在0.001-0.1MPa的操作压强下，通过精馏脱除比1，3-丙二醇沸点高的组份，从塔顶得到1，3-丙二醇产品；
5)将步骤4)所得的釜液，在30-200℃时，按1∶0.5～1∶10的体积比加入步骤2)所述的正戊醇或异戊醇、正丁醇、正己醇，然后通过非均相物系分离方法，分离沉淀物并洗涤，取清液与步骤3)所得清液混合。
本发明中的非均相物系分离方法系指吸滤、压滤、离心过滤、重力沉降、离心沉降方法。
步骤3)和步骤4)的精馏操作可在同一塔内进行，也可用多塔连续分离工艺。
本分离精制方法所得1，3-丙二醇为无色或淡黄色粘稠液体，略有刺激气味，纯度为98-99.99％，1，3-丙二醇的回收率为95-100％。
本发明工艺路线简单、成本低、回收率高、经济可行。具体表现在：
(1)整个工艺路线主要由非均相物系分离(过滤或沉降等方法)和精馏两单元操作组成，与高速离心、膜分离、萃取分离相比，工艺路线短、能耗低、无堵塞问题、易于操作。
(2)分离工艺中只引入醇类稀释剂和丙三醇(或1，4-丁二醇)两种试剂，而且通过精馏就能将这两种试剂回收或循环使用，降低了分离成本。
(3)选用了合适的试剂。正戊醇或异戊醇、正丁醇、正己醇的加入，使发酵液中核酸、蛋白和部分盐得以沉淀，与修志龙等人(CN1460671A)加入的乙醇或甲醇、正丙醇、异丙醇、丙酮、丁酮相比，本发明加入的试剂沸点都比水高，从而有效地提高了发酵液中沉渣的去除率，避免了后序精馏过程中釜底液析出沉渣、起泡、结块、堵塞管线等问题。因正戊醇或异戊醇、正丁醇、正己醇不溶或部分溶于水，使它们的分离非常容易。丙三醇(或1，4-丁二醇)的加入，避免了1，3-丙二醇从精馏塔顶脱除后，析出的沉渣使釜液变得粘稠、结块、堵塞管线等问题。
(4)本分离精制方法提高了1，3-丙二醇的收率。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本发明实施例中所用发酵液是采用克雷伯氏杆菌(Klebsiella pneumoniae)批式流加丙三醇发酵生产1，3-丙二醇所得到的，每立方米此发酵液中含有1，3-丙二醇70kg。
克雷伯氏杆菌(K.pneumoniae)是购自中国普通微生物菌种保藏中心(CGMCC)，菌种保藏号：1.1736。
分离精制过程如下：
(1)取灭菌后的发酵液4000g，向其中加入常温的正戊醇1600g，在减压下对其进行间歇精馏以脱除其中的水份，间歇精馏塔(称之为脱水塔)的操作压强为0.05MPa，回流比为1∶1。当馏出物量达到3200g时，精馏停止。
(2)当步骤(1)得到的釜液通过真空吸滤分离出365g的沉渣，得到2030g的清液。过滤过程为恒压操作，过滤介质两端的压差为0.09MPa，过滤介质为滤纸。过滤结束后，再用160g的正戊醇对滤饼进行洗涤，以置换出滤饼中的1，3-丙二醇，洗液与清液混合，称之为预处理液，重量为2190g，留待下步工序使用。
(3)步骤(2)得到的预处理液加入100g的丙三醇，并搅拌使其充分混合，然后将此混合液加入脱水塔塔釜，在0.05MPa的操作压强、1∶1回流比下进行脱醇，当塔顶得到的富含正戊醇的馏份达到1620g时，脱醇停止。
(4)将步骤(3)中脱水塔的釜液再加入另一填料塔内(称之为脱轻塔)进行精馏，以脱除比1，3-丙二醇沸点低的组份。脱轻塔的操作压强为0.006MPa(真空度为0.09MPa)，回流比为6∶1。当塔顶温度达到136℃时，脱轻组份精馏结束，将馏出物切换到成品瓶中，收集139～141℃馏份，即为1，3-丙二醇产品，其纯度可达99.0％以上。
(5)将步骤(4)中脱轻塔的釜残液加入1000g的正戊醇，然后采用步骤(2)中同样的过滤方法除去其中的沉渣，所得清液可与步骤(2)所得预处理液混合，以循环使用丙三醇和回收其中的1，3-丙二醇，整个工艺1，3-丙二醇的回收率可达95％。
实施例2
(1)取灭菌后的发酵液4000g，向其中加入常温的正丁醇1600g，在减压下对其进行间歇精馏以脱除其中的水份，操作条件同实施例1，当塔顶无水馏出时，精馏停止，此时塔顶馏出物量为4100g。
(2)将步骤(1)得到的釜液通过真空吸滤分离出580g的沉渣(滤渣较粘)，得到830g的清液。再用160g的正丁醇对滤饼进行洗涤。
(3)步骤(2)得到的预处理液加入100g的丙三醇，并搅拌使其充分混合，然后将此混合液加入脱水塔塔釜，操作条件同实施例1，当塔顶得到的富含正丁醇的馏份达到710g时，脱醇停止。
(4)将步骤(3)中脱水塔的釜液再加入另一填料塔内(称之为脱轻塔)进行精馏，以脱除比1，3-丙二醇沸点低的组份。当塔顶温度达到136℃时，脱轻组份精馏结束，将馏出物切换到成品瓶中，收集139～141℃馏份，即为1，3-丙二醇产品，其纯度可达99.0％以上。
(5)将步骤(4)中脱轻塔的釜残液加入1000g的正丁醇，其它同实施例1，整个工艺1，3-丙二醇的回收率可达95％。
实施例3
将实施例1中的正戊醇换为正己醇，其它操作条件和步骤同实施例1，所得结果与实施例1相同。
对比实施例
为便于对比，本工艺采用了与修志龙等人(CN1460671A)相同的发酵液、相同的分离过程进行了分离精制实验，步骤如下：
(1)取350ml的发酵液在精馏塔中进行减压精馏，真空度为0.088MPa，浓缩到60-80ml；
(2)将釜液冷却到室温后，加140ml95％工业乙醇，搅拌15min后静止5h，再在3000r/min离心10min，取上清液；
(3)将沉淀物加70ml95％工业乙醇，搅拌15min后，在3000r/min离心10min，取上清液；
(4)将前两步所得上清液混合，在精馏塔中进行减压精馏，真空度为0.088MPa，回收乙醇；
(5)将步骤(4)的釜液进行减压精馏，真空度为0.088MPa，当釜温达到170℃时，釜液开始产生大量泡沫，无法控制，精馏停止。此塔顶温度为152℃，无法收集160-185℃的馏份。另外，根据CN1460671A实验，其收集的富含1，3-丙二醇馏份的沸程较宽，为160-185℃，因此其纯度不可能达到99％。
Claims (4)
1、一种从微生物发酵液中分离精制1，3-丙二醇的方法，其步骤为：
1)将带菌的发酵液进行加温、加压灭菌处理；
2)将步骤1)得到的发酵液按1∶0.1～1∶3的体积比加入稀释剂，稀释剂为正戊醇或异戊醇、正丁醇、正己醇，通过精馏的方法脱除全部水，然后通过非均相物系分离方法，分离沉淀物，取清液；用上述的稀释剂对沉淀物进行洗涤，取洗涤液；
3)将步骤2)所得清液和洗涤液混合，按1∶0.005～1∶2的体积比加入丙三醇或1，4-丁二醇，通过精馏回收稀释剂，并脱除比1，3-丙二醇沸点低的组份；
4)将步骤3)所得的釜液通过精馏脱除比1，3-丙二醇沸点高的组份，从塔顶得到1，3-丙二醇产品；
5)将步骤4)所得的釜液，在30～200℃时，按1∶0.5～1∶10的体积比加入正戊醇或异戊醇、正丁醇、正己醇，然后通过非均相物系分离方法，分离沉淀物并洗涤，取清液和洗涤液与步骤2)所得清液混合。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于其中的非均相物系分离方法是吸滤、压滤、离心过滤、重力沉降、或离心沉降方法。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于其中的步骤3)和4)中的精馏操作压强为0.001～0.1Mpa。
4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于其中的步骤3)和4)中的精馏操作为多塔连续分离工艺。
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