CN102070402A - 一种1，3-丙二醇发酵液的脱盐方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种1，3-丙二醇发酵液的脱盐方法，其为双极膜电渗析方法，包括以下步骤：(a)对待回收的发酵液进行预处理，以除去发酵液中的高分子物质；以及(b)对步骤(a)中经过预处理的发酵液进行双极膜电渗析处理，得到脱盐发酵液、酸室液和碱室液。本发明提供的方法不仅得到了高纯度的1，3-丙二醇和2，3-丁二醇产品，还将发酵液中的盐回收利用，得到了较高纯度的丁二酸产品和可回用于发酵过程的碱液，减少了废弃物排放，增加了生产的总体效益。

Description

一种1，3-丙二醇发酵液的脱盐方法

技术领域

本发明涉及化工分离技术领域，具体地说，涉及一种1，3-丙二醇发酵液的脱盐方法，特别涉及一种从1，3-丙二醇发酵液中提取1，3-丙二醇和2，3-丁二醇，同时回收利用发酵液中盐的方法。

背景技术

1，3-丙二醇是一种重要的化工原料，可用于化妆品、抗冻剂、染料、油墨、润滑剂等行业，作为单体可以用来合成药物中间体、聚酯和聚氨酯，其中最重要的一个作用是与对苯二甲酸生成聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)。

1，3-丙二醇可以通过化学合成或微生物发酵的方法制备。已知有各种化学路线生成1，3-丙二醇，如Degussa公司的以丙烯醛为原料的方法和Shell公司的以环氧乙烷为原料的方法。已知通过微生物发酵法生产1，3-丙二醇，其中包括美国专利号5,463,146、美国专利号5,686,276、美国专利号6,358,716和美国专利号6,548,716公开的方法。它们公开了使用重组工程菌以廉价碳源如葡萄糖或其他糖类为底物合成1，3-丙二醇的方法。相对于化学合成法，发酵法生产1，3-丙二醇具有反应条件温和，生产原料为可再生资源，环境污染小等优点，是近年来国内外研究者关注的热点。

采用微生物发酵法生产1，3-丙二醇时，还有副产物2，3-丁二醇及丁二酸、乙酸和少量乳酸，有机酸的产生使得发酵过程中发酵液的pH值会不断下降，导致发酵无法正常进行，为了保持发酵过程中的pH稳定，需要流加碱液如NaOH溶液来中和所产生的有机酸，加上发酵培养基中含有硫酸铵等无机盐类，使发酵结束时发酵液中含有大量的盐类。因此1，3-丙二醇发酵液在进行浓缩和精馏等操作之前必须将大部分盐除去，否则1，3-丙二醇的提取将难以实施。

发酵液脱盐可以采用溶析结晶法、离子交换法和电渗析法，其中溶析结晶法需要加入溶剂，分离效率低，存在溶剂加入量大且回收困难等问题。离子交换法则树脂在极短的时间内就需要再生，无法满足工业化生产的要求，且会产生大量的酸碱废液污染环境。因此电渗析技术是目前1，3-丙二醇发酵液除盐的有效方法之一，具有能耗低，耗时短，产品损失少，环境污染少等优点，但传统电渗析法存在分离得到的盐难以进一步回收利用的问题.

发明内容

本发明的目的是提供一种新的1，3-丙二醇发酵液的脱盐方法，其是利用双极膜电渗析对1，3-丙二醇发酵液进行脱盐，在纯化1，3-丙二醇和2，3-丁二醇的同时，回收利用发酵液中的盐，得到了较高纯度的丁二酸产品和可回用于发酵过程的碱液。

本发明的目的是采用以下的技术方案来实现的。依据本发明提供的一种1，3-丙二醇发酵液的脱盐方法，所述方法为双极膜电渗析方法，包括以下步骤：(a)对待回收的发酵液进行预处理，以除去发酵液中的高分子物质；以及(b)对步骤(a)中经过预处理的发酵液进行双极膜电渗析处理，得到脱盐发酵液、酸室液和碱室液。

在一个优选的实施方案中，所述方法还包括以下步骤：(c)对步骤(b)中得到的脱盐发酵液进行浓缩提纯，得到1，3-丙二醇和2，3-丁二醇。

在一个优选的实施方案中，所述方法还包括以下步骤：(d)对步骤(b)中得到的酸室液进行蒸发和结晶处理，得到丁二酸。

在一个优选的实施方案中，所述方法还包括以下步骤：(e)对步骤(b)中得到的碱室液进行浓缩处理，得到氢氧化钠溶液；优选地，将所述氢氧化钠溶液回用于发酵生产。

在一个优选的实施方案中，所述步骤(a)中的预处理包括过滤、离心、絮凝和有机溶剂沉淀的操作。

在一个优选的实施方案中，所述过滤操作包括两级过滤；更优选地，所述第一级过滤为微滤，以除去待回收的发酵液中的菌体和大于15000道尔顿的蛋白质；和/或所述第二级过滤为超滤，以去除分子量大于3000-15000道尔顿的蛋白质。

在一个优选的实施方案中，所述步骤(b)中的双极膜电渗析处理还包括先对经过预处理的发酵液进行传统电渗析处理，得到脱盐发酵液和电渗析浓室液，再对电渗析浓室液进行双极膜电渗析处理，得到酸室液和碱室液。

在一个优选的实施方案中，所述步骤(b)中进行双极膜电渗析处理的单对膜对的电压为0.2-3.0伏，酸室、盐室和碱室三室的流速为0.5-10.0cm/s；优选地，所述单对膜对的电压为1-3.0伏，酸室、盐室和碱室三室的流速为2.5-7cm/s。

在一个优选的实施方案中，所述步骤(b)中的双极膜电渗析处理的操作方式选自间歇操作、半连续操作和连续操作。

在一个优选的实施方案中，在所述步骤(a)和/或(b)之前，对待回收的发酵液和/或经过预处理的发酵液进行蒸发的操作。

本发明提供了一种利用双极膜电渗析从1，3-丙二醇发酵液中提取1，3-丙二醇和2，3-丁二醇，回收利用发酵液中盐的方法。双极膜电渗析是一种新型电渗析技术，膜器由双极膜、阴离子交换膜和阳离子交换膜交替排列而成，阳膜和阴膜组成的空间为盐室，双极膜阳侧和阴膜组成的空间为酸室，双极膜阴侧和阳膜组成的空间为碱室。在直流电作用下，加入盐室的发酵液中的有机/无机酸根离子穿过阴膜进入酸室，与双极膜阳侧产生的H⁺结合形成酸溶液，盐室中的金属阳离子穿过阳膜进入碱室，与双极膜阴侧产生的OH^-结合形成碱液。对于1，3-丙二醇发酵液体系，发酵液经过双极膜电渗析处理后，所形成的酸室液主要含乙酸和丁二酸，碱室液主要含NaOH。在本发明的一个优选实施方案中，所述利用双极膜电渗析回收利用发酵液中1，3-丙二醇和2，3-丁二醇及其盐的工艺过程为：

(a)将发酵液经过预处理去除生物高分子物质；(b)使步骤(a)产物经历双极膜电渗析，发酵液去除盐类后进入后续工艺浓缩提纯，各种盐在电流作用下分解为相应的酸根离子和金属离子分别进入酸室和碱室，形成酸室液和碱室液；(c)使步骤(b)的酸室液产物经历蒸发结晶步骤，该蒸发结晶步骤包含蒸发和结晶两个过程，蒸发过程除去大部分水和易挥发的酸，结晶过程在一定条件下纯化丁二酸，得到较高纯度的丁二酸晶体；(d)使步骤(b)的碱室液浓缩后回用于微生物或酶发酵生产1，3-丙二醇的过程。

更具体而言，本发明提供一种利用双极膜电渗析回收利用发酵液中1，3-丙二醇和2，3-丁二醇及其盐的方法。该方法包括多个步骤，其中有些步骤可以选择进行，但所有步骤必须依次进行。上述工艺过程优选的形式描述如下：

1)微滤

在将1，3-丙二醇与发酵液分离时，需要先从发酵液中去除生物高分子物质。已知本领域中有几种去除生物高分子物质的常用方法，例如离心，有机溶剂沉淀和各种过滤方法。优选的第一步是微滤，例如使用陶瓷元件进行错流过滤。

微滤系统由安装在不锈钢外壳中的陶瓷元件组成。此类元件由陶瓷载体组成。优选的完成实际过滤用膜是薄的陶瓷层(约0.05-0.5μm)，该陶瓷膜有市售，例如南京九思高科技有限公司。膜载体由具有高渗透性、高强度的大孔结构氧化铝构成。载体具有平行的通道，通过这些通道待过滤的液体可高速流动，滤液或渗透液通过膜流动，然后通过载体流入固定元件的壳内，被收集进入总管系统，最后流入收集罐。被膜截留的菌体及大分子物质(渗余物)经过通道，在系统内反复高速循环流动。优选的工作温度为30-85℃，操作压力1-4bar，加水量为滤液总量的0.05-1.0倍。

2)超滤

在滤液进入双极膜电渗析前，需要进一步除去生物量和细胞碎片。该步骤的目的是去除分子量较高的污染物，以便后续的双极膜电渗析步骤高效地进行。可以采用多种过滤方法，本发明使用的去除分子量较高的污染物的优选技术是超滤。

超滤系统由安装在不锈钢外壳中的有机膜元件组成。发酵液经历微滤过程后得到的微滤渗透液由超滤进料槽泵至有机高分子膜组件中，然后在膜组件中循环，得到超滤渗透液，渗透液被送入超滤渗透液储槽，渗余液再循环进入超滤进料槽中。优选的工作温度为30-65℃，操作压力2-8bar。

3)双极膜电渗析

当完成微滤和超滤处理后发酵液中基本不含不溶物，可以进行电渗析操作。本发明优选的双极膜电渗析装置包括膜组件、直流电源、酸室、碱室、盐室、极室和泵。操作方式可以为间歇式、半连续式和连续式。在盐室中加入一定体积的经微滤、超滤处理的发酵液，在酸室和碱室中分别加入0-1.0M的有机/无机酸和碱溶液，极室中加入0.01-1.0M的电解质溶液，打开电源，调节电压使单对膜对电压为0.2-3.0伏，在酸室、盐室和碱室三室的流速为0.5-10.0cm/s下进行电渗析操作，当盐室中的1，3-丙二醇发酵液电导率下降到1000-5000μs/cm时，关闭电源和泵，结束一次电渗析操作。

该装置能够反复使用直到单次操作时间为初始操作时间的1.5-2倍时，用生产商提供的清洁方法进行清洁后可以恢复到初始的电渗析脱盐效率。

4)蒸发结晶回收丁二酸

经过双极膜电渗析后，酸室液中成分主要为乙酸和丁二酸，其中丁二酸含量为5.0-70.0g/L，蒸发结晶后得到丁二酸产品。在许多已知的降低液体中水含量的方法中，优选采用机械再压缩蒸发器。蒸发后酸室液中丁二酸含量为40.0-150.0g/L，然后浓缩液经历结晶过程，根据结晶次数的不同得到不同纯度的丁二酸晶体。

5)碱室液回用

经过双极膜电渗析后，碱室液的主要成分为NaOH，经浓缩后浓度达到20％至饱和，并用于微生物或酶发酵生产1，3-丙二醇时调节发酵液的pH值。

本发明提供的方法涉及从1，3-丙二醇发酵液中纯化1，3-丙二醇和2，3-丁二醇，并回收利用发酵液中的盐，该1，3-丙二醇来自能够在商业化规模水平上合成该化合物的生物发酵液，盐来自于发酵过程和培养基的加入。本发明提供的方法，利用双极膜电渗析进行1，3-丙二醇的提取，不仅得到了高纯度的1，3-丙二醇和2，3-丁二醇产品，还将发酵液中的盐回收利用，得到了较高纯度的丁二酸产品和可回用于发酵过程的碱液，降低了废弃物的排放，减少了环境污染，提高发酵法生产1，3-丙二醇的整体效益。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

以下实施例中的术语符合以下定义：

“发酵”是指通过使用生物催化剂催化产物的底物和其它营养物之间反应的系统。该生物催化剂可以是全生物，分离的酶或具有酶活性的任何组合或其组分。

除另有说明，所有百分率、分、比率等均以重量计，商标用大写字母表示。另外，当浓度、量或者其它值以范围、优选的范围或者一系列优选的上限值和优选的下限值给出时，无论范围是否单独公开，应将此理解为具体公开由任何一对任何上限范围或优选值和任何下限范围或优选值形成的所有范围。

用于下列实施例的1，3-丙二醇发酵液初始组成如表1所示。

表1发酵液的初始组成

组成	1，3-丙二醇	2，3-丁二醇	甘油	乙醇	乙酸钠	丁二酸钠
							浓度(g/L)	86.37	28.07	18.35	4.21	3.51	8.38

实施例1发酵液的预处理

在将1，3-丙二醇与发酵液分离时，需要先从发酵液中去除生物高分子物质。本实施例进行预处理的第一步是用陶瓷元件进行错流微滤，第二步使用有机高分子膜进行超滤。

1.微滤操作

微滤装置安装的是孔径为50nm，通道内径3mm的陶瓷膜元件。进行微滤操作(表2)时，让发酵液从微滤进料槽泵入陶瓷元件中，然后在膜元件中循环，得到微滤渗透液，渗透液被连续送入微滤渗透液储槽，渗余物再循环进入微滤进料槽中。操作时在80℃下将1，3-丙二醇发酵液送至陶瓷元件中，维持系统压力为2bar，当渗余液体积降低至发酵液体积的1/30时，开始连续加水稀释过滤，以提高过滤过程1，3-丙二醇的收率，加水量为滤液总量的0.055倍。

表2微滤操作时通量变化

	第一阶段	第二阶段	第三阶段	平均
					渗透液通量(L/m2/h)	300	186	66	151.1

表3微滤的分离特征参数

	体积(m3)	蛋白质(g/L)	1，3-丙二醇(g/L)
				进料	4.48	1.2	86.28
渗透液	4.59	0.25	83.58
				渗余物	0.13	32.53	22.31
截留率(％)		78.64	0.75

发酵液经过陶瓷膜过滤后，蛋白质去除率可达78.64％，本阶段1，3-丙二醇回收率为99.25％，2，3-丁二醇回收率为98.15％，渗透液平均通量为151.1L/m²/h。(表3)

2.超滤操作

超滤装置安装的是截留分子量为5000道尔顿的有机膜元件。进行超滤操作(表4)时，让微滤膜渗透液由超滤进料槽泵至有机高分子膜组件中，然后在膜元件中循环，得到超滤渗透液，渗透液被连续送入超滤渗透液储槽，渗余液再循环进入超滤进料槽中。膜元件进出口压力分别为4.5bar和3.5bar，过滤温度为45℃。

表4超滤操作时通量变化

	第一阶段	第二阶段	第三阶段	平均
					渗透液通量(L/m2/h)	15.0	12.5	9.2	12.0

表5超滤的分离特征参数

	体积(m3)	蛋白质(g/L)	1，3-丙二醇(g/L)
				进料	4.59	0.25	83.58
渗透液	4.52	0.05	83.61
				渗余物	0.07	13.2	81.64
截留率(％)		80.30	1.49

微滤渗透液经过有机膜超滤后，蛋白质去除率为80.3％，两次过滤蛋白质总去除率为95.8％。本阶段1，3-丙二醇回收率为98.5％，2，3-丁二醇回收率为98.9％。(表5)

实施例2双极膜电渗析

本实施例为对实施例1中经过预处理的发酵液进行双极膜电渗析脱盐处理，具体如下：

双极膜电渗析实施时采用间歇操作，使用德国Fumatech公司的双极膜，阳离子交换膜和阴离子交换膜(fumasep FBM、fumasep FKB和fumasep FAB)组成膜对，共使用10对膜对。

先以脱盐速率、能耗、1，3-丙二醇收率为考察脱盐效率的指标，对电压和流速这两个影响脱盐效率的主要因素进行了优化，具体过程为：

双极膜电渗析操作开始前在酸室和碱室中分别加入0.05M的醋酸和NaOH溶液，极室中加入0.2M的NaSO₄溶液，然后在选定的电压、酸室、盐室和碱室三室流速下进行电渗析操作。代表性的部分实验结果列于表6和表7中，得到的优化操作条件为电压2.24V，三室流速5.00cm/s。

表6电压对脱盐效率的影响(三室流速为4.33cm/s)

表7三室流速对脱盐效率的影响(膜对电压为1.5V)

在优化的操作条件下进行双极膜电渗析实施例：

在双极膜电渗析操作开始前在酸室和碱室中分别加入0.05M的醋酸和NaOH溶液，极室中加入0.2M的NaSO₄溶液，在单对膜对电压为2.24V，酸室、盐室和碱室三室流速为5.00cm/s下进行电渗析操作，当盐室中的1，3-丙二醇发酵液电导率下降到2000μs时结束一次电渗析操作，操作时间为55分钟。本阶段1，3-丙二醇收率为95.68％，2，3-丁二醇收率为94.98％。三次操作结束时酸室液中丁二酸、乙酸的含量分别为21.60g/L和7.96g/L，碱室液中NaOH含量为31.03g/L，除盐后的发酵液中1，3-丙二醇、2，3-丁二醇、甘油、乙醇、丁二酸钠、乙酸钠的含量分别为80.79g/L、25.88g/L、16.06g/L、2.72g/L、1.46g/L和0.93g/L。

实施例3酸室液蒸发结晶

本实施例为对实施例2中得到的酸室液进行蒸发结晶，具体如下：

将酸室液中的水蒸发94.0％，使浓缩液中丁二酸含量为231.5g/L，在14℃下结晶30分钟，得到丁二酸回收率97.0％，纯度83.0％，经过2次重结晶后丁二酸回收率为71.5％，纯度99.3％。

实施例4碱室液回用于1，3-丙二醇发酵过程

本实施例为对实施例2中得到的碱室液进行蒸发处理后回用于发酵过程，具体如下：

将双极膜电渗析后得到的碱室液(NaOH含量为31.03g/L)先经过蒸发使其浓度达到饱和，然后将该碱室液回用于1，3-丙二醇发酵过程。

1，3-丙二醇发酵过程详述如下：使用克雷伯氏杆菌(Klebsiellapneumoniae)在微氧条件下以甘油为底物合成1，3-丙二醇。发酵培养使用5.0L发酵罐，装液量4.0L，培养温度37.0℃，pH值6.5。发酵过程中通入空气，通气量0.5vvm，发酵罐搅拌转速250rpm。发酵开始3.5小时后流加甘油，发酵3.5～20h时，甘油浓度维持在10.0g/L，其后维持在20.0g/L左右。发酵过程中通过流加上述碱室液浓缩得到的饱和碱液来调节pH值，使系统pH值保持为6.5。发酵时间为72h，发酵结束时发酵液中1，3-丙二醇、2，3-丁二醇、甘油、乙醇、丁二酸钠、乙酸钠的含量分别为85.31g/L、33.52g/L、18.87g/L、3.56g/L、10.15g/L和2.42g/L，与由化学纯NaOH制备的碱液进行pH调控的正常发酵结果相当。

实施例5发酵液的脱盐处理

采用本发明提供的方法对实施例4得到的发酵液进行双极膜电渗析脱盐处理。具体如下：

采用实施例1所述的预处理方法去除生物高分子物质，微滤操作后蛋白质去除率为79.124％，1，3-丙二醇回收率为98.33％，2，3-丁二醇回收率为98.21％。去除了大部分蛋白质的发酵液再采用超滤方法继续去除高分子物质，该阶段蛋白质去除率为79.98％，1，3-丙二醇回收率为99.12％，2，3-丁二醇回收率为98.78％。经过超滤后的发酵液采用实施例2所述的双极膜电渗析得到酸室液、碱室液和去除大部分盐类的发酵液，该阶段1，3-丙二醇回收率为95.13％，2，3-丁二醇回收率为94.87％。脱盐后的发酵液中1，3-丙二醇，2，3-丁二醇，甘油，丁二酸钠、乙酸钠的含量分别为79.10g/L，30.85g/L，16.23g/L，1.58g/L，2.04g/L和1.12g/L，除盐后的发酵液经浓缩、蒸馏、精馏后得到99.57％的1，3-丙二醇和95.0％的2，3-丁二醇。三次双极膜电渗析操作结束后酸室液中丁二酸、乙酸含量分别为23.15g/L和4.87g/L，将其经历实施例3所述的蒸发结晶过程，经过2次重结晶后丁二酸回收率为71.2％，纯度99.2％；碱室液中NaOH含量为32.44g/L，将其经历实施例4所述的浓缩回用过程，发酵时间72h，发酵结束时发酵液中1，3-丙二醇，2，3-丁二醇，甘油，乙醇，丁二酸钠、乙酸钠含量分别为84.78g/L，31.12g/L，21.14g/L，4.16g/L，9.35g/L和3.56g/L，与由化学纯NaOH制备的碱液进行pH调控的正常发酵结果相当。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种3-丙二醇发酵液的脱盐方法，其特征在于，所述方法为双极膜电渗析方法，包括以下步骤：

(a)对待回收的发酵液进行预处理，以除去发酵液中的高分子物质；以及

(b)对步骤(a)中经过预处理的发酵液进行双极膜电渗析处理，得到脱盐发酵液、酸室液和碱室液。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

(c)对步骤(b)中得到的脱盐发酵液进行浓缩提纯，得到1，3-丙二醇和2，3-丁二醇。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

(d)对步骤(b)中得到的酸室液进行蒸发和结晶处理，得到丁二酸。

4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

(e)对步骤(b)中得到的碱室液进行浓缩处理，将得到的氢氧化钠溶液回用于发酵生产。

5.根据权利要求1-4任一项所述方法，其特征在于，所述步骤(a)中的预处理选自过滤、离心、絮凝和有机溶剂沉淀中的一种或几种操作；所述过滤操作包括两级过滤，所述第一级过滤为微滤，以除去待回收的发酵液中的菌体和大于15000道尔顿的蛋白质，所述第二级过滤为超滤，以去除分子量大于3000-15000道尔顿的蛋白质。

6.根据权利要求1-5任一项所述方法，其特征在于，所述步骤(b)中的双极膜电渗析处理还包括先对经过预处理的发酵液进行传统电渗析处理，得到脱盐发酵液和电渗析浓室液，再对电渗析浓室液进行双极膜电渗析处理，得到酸室液和碱室液。

7.根据权利要求1-6任一项所述方法，其特征在于，所述步骤(b)中进行双极膜电渗析处理的双极膜电渗析装置包括由阴离子交换膜、双极膜和阳离子交换膜形成的酸室、盐室和碱室；所述阴离子交换膜，双极膜或阳离子交换膜选自均相膜、异相膜和半均相膜中的一种或几种。

8.根据权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)中进行双极膜电渗析处理的单对膜对的电压为0.2-3.0伏，酸室、盐室和碱室三室的流速为0.5-10.0cm/s。

9.根据权利要求1-8任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)中的双极膜电渗析处理的操作方式为间歇操作、半连续操作或者连续操作。

10.根据权利要求1-9任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤(a)和/或(b)之前，对待回收的发酵液和/或经过预处理的发酵液进行蒸发的操作。