一种从发酵液中分离提取2,3-丁二醇的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于生物化工领域，具体地涉及一种生物发酵法制备2，3- 丁二醇的分离提取方法。
【背景技术】
[0002]2，3- 丁二醇可以作为一种潜在的平台化合物，替代传统的平台化合物，用于大规模合成甲乙酮(优良溶剂)和1，3- 丁二烯(广泛应用于合成橡胶、聚酯和聚亚胺酯等领域)。除此之外，2，3- 丁二醇还可用于制备油墨、香水、熏蒸剂、增湿剂、软化剂、增塑剂、炸药及药物手性载体等，2，3- 丁二醇的氧化产物3-羟基丁酮和丁二酮可作为食用香料使用；同时，因其热值较高，与乙醇、甲醇相当，故可作为燃料添加剂；2，3-丁二醇酯化后可生成聚氨酯泡沫的前体；2，3-丁二醇与乙酸反应生成2，3-丁二醇二乙酸酯，该酯可加到奶油中改善风味；2，3-丁二醇在我国还被添加到白酒中，以改善白酒的风味。2，3-丁二醇脱氢变成双乙酰，双乙酰在食品工业中作为一种具有很高价值的风味剂。2，3- 丁二醇的L型异构体可用于抗冻剂。2，3-丁二醇酯化物能作为制作药物和化妆品的前体。其它潜在的用途包括用于制作墨水、增塑剂、湿润剂。目前2，3- 丁二醇的合成主要采用以石油裂解物为来源的化学法，但随着石油资源的大量消耗和不可再生资源价格的节节攀升，发展环境友好的生物基化学品的生物炼制技术已成为转变经济增长方式、保障生态链良性循环、实现经济社会可持续发展的战略需求。
[0003]目前主要采用精馏方式，从发酵液中分离2，3-丁二醇。由于2，3- 丁二醇具有双羟基，亲水性极强，常压沸点180°C，因此使用常规的减压蒸馏、过蒸发、膜蒸发等方式均不能起到良好的提取效果。一方面发酵液成分复杂，精馏升温过程中，发酵液中蛋白类大分子极易受热结焦，严重影响2，3- 丁二醇气化分离；另一方面，受分子结构中双羟基的影响，2，3- 丁二醇沸点较高，精馏过程中，釜残中有大量2，3- 丁二醇残留，因此以简单处理后的发酵液直接进行精馏，其收率并不高。
[0004]随着双水相萃取技术的发展，双水相萃取的方法也广泛应用于生物发酵产品的分离、纯化。CN200710010203.9公开了一种从发酵液中分离2，3- 丁二醇的双水相萃取方法，其特征在于向2，3- 丁二醇的发酵液中加入无机盐和亲水有机物形成新型双水相，从而达到萃取分离发酵液中2，3-丁二醇的目的。虽然以乙醇和磷酸氢二钾组成的双水相体系能够对2，3- 丁二醇起到较好的浓缩效果，但是在实际应用过程中，大量无机盐的加入，会使发酵液体系的成分更加复杂，并且无机盐的循环利用，也是一个能耗消耗比较大的过程。CN200810024865.6公开了一种利用疏水硅沸石吸附分离发酵液中2，3- 丁二醇的方法，其特征在于将菌种发酵制得的2，3- 丁二醇发酵液预处理后用疏水硅沸石对2，3- 丁二醇进行吸附，吸附后用无水乙醇脱附，脱附液除去乙醇后得到2，3- 丁二醇。疏水硅沸石是一种新型的吸附分离材料，具有憎水、亲有机物的性质，可以在水的存在下吸附有机分子。吸附过程是吸附、脱附循环往复的一个动态过程，受分离体系中各物质分子结构的影响，固体沸石对2，3-丁二醇分子的吸附稳定性不高，并且疏水硅沸石对2.3-丁二醇的理论吸附量很低，工业应用前景并不理想。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的不足，本发明提供一种从发酵液中分离提取2，3- 丁二醇的方法。本发明方法利用氢键吸附方式，对2，3- 丁二醇进行有效浓缩，从而有利于精馏等精制方式的实施，适用于大规模生产应用。
[0006]本发明的从发酵液中分离提取2，3- 丁二醇的方法，包括如下内容:
(1)将壳多糖和海藻酸钠组成的絮凝体系加入到发酵液中，静置分离得到发酵清液；
(2)将步骤(I)所获得发酵清液调节pH为5.5~7.5，并加入无机盐进行离子浓度调节得到预处理的发酵清液；
(3)将步骤(2)所获得的预处理发酵清液经过吸附柱吸附，然后通过极性溶剂脱附，得到2，3- 丁二醇洗脱液；(4)将步骤(3)的2，3- 丁二醇洗脱液，进行精馏分离，得到2，3- 丁一酉#广品。
[0007]本发明方法中，步骤(I)所述的发酵液来自于以葡萄糖为底物，经微生物发酵获得的未经过任何处理的的发酵液，含有一定副产有机酸、菌体蛋白的发酵液；所述的发酵液中含有2%?20%的2，3- 丁二醇。
[0008]本发明方法中，步骤(I)向发酵液中添加絮凝体系之前，以无机强酸或有机酸将发酵液PH调节至4.5?5.5，优选乙酸作为pH调节剂。
[0009]本发明方法中，步骤(I)中所添加的壳多糖质量与发酵液体积的比例为1:2~5:1(g: L)，所添加的海藻酸钠质量与发酵液体积的比例为1:5~2:1 (g: L)。
[0010]本发明方法中，步骤(I)中壳多糖以乙酸溶液的形式加入发酵体系中，其质量浓度为0.1%~10% ;海藻酸钠以水溶液的形式加入到发酵体系中，其质量浓度为0.1%~5%。
[0011]本发明方法中，步骤(2)可采用质量浓度为10%~40%的氢氧化钠进行pH调节，也可以采用其他无机碱或有机碱。
[0012]本发明方法中，步骤(2)所述的无机盐为具有强电解性的无机盐，选自氯化钠、氯化钾、磷酸钠、磷酸钾或氯化镁中的一种或几种，优选钾盐或钠盐。
[0013]本发明方法中，步骤(2)以电导率作为无机盐添加量的控制指标，通过无机盐的添加使发酵清液中电导率为1000(Γ25000μ8/αιι之间。
[0014]本发明方法中，步骤(3)所述的吸附柱中填充吸附树脂，所述吸附树脂为非极性大孔树脂或中极性大孔吸附树脂，选自D101、D152、XDA-U Η_10、Η-20或Η-20等，其中优选DlOl 或 D152。
[0015]本发明方法中，步骤(3)吸附过程发酵液流量为0.5~5BV/h，吸附温度为15~25°C。
[0016]本发明方法中，步骤(3)所述极性有机溶剂为C1?C3的短链醇中的一种或几种，其中优选乙醇。
[0017]本发明方法中，步骤(3)所述的脱附过程，极性有机溶剂的流量为0.2BVAT1BV/h，脱附温度为20~35°C。
[0018]本发明方法中，步骤(4)可以采用常压精馏或减压精馏的方式，对2，3-丁二醇洗脱液进行精馏提纯，其中所述的精馏过程为本领域技术人员熟知。
[0019]与现有技术相比，本发明方法具有如下优点: (1)利用2，3-丁二醇具有弱极性的分子特征，通过树脂吸附的方式，实现了对2，3- 丁二醇的有效浓缩，目前2，3-丁二醇发酵过程主要以葡萄糖为底物，发酵液成分复杂，副产酸含量较多，发酵液粘度较大，单纯利用精馏的方式，难以获得较好的分离效果。由于副产有机酸，在一定条件下能够以弱酸根形式存在于发酵液中，具有离子形态，明显区别于2，3-丁二醇的分子形态，因此，利用疏水吸附作用，取得了明显的分离效果；
(2)经吸附获得的2，3_丁二醇浓缩液，成分简单，仅含有少量短链醇，经常压或减压精馏，即可获得2，3- 丁二醇产品。精馏过程中，无釜底结焦现象，且2，3- 丁二醇产品纯度及产品收率较高；
(3)通过无机盐的添加，促进副产有机酸的电离，进一步提高2，3-丁二醇的实际浓缩效果。该无机盐添加量较少，并主要采用钠盐、钾盐，来源广泛，不易造成环境污染；
本发明在对发酵液进行固形物过滤预处理的基础上，利用物理吸附方式，对2，3- 丁二醇进行了有效浓缩，降低了后续提取难度，简化了精馏操作，更有利于工业应用。
【具体实施方式】
[0020]下面结合实施例对本发明方法的具体过程及效果进行说明，但不局限于以下实施例。
[0021]本实施例中所用的菌种为克雷伯氏菌(Z/efeieWa)来自中国石油化工股份有限公司抚顺石油化工研究院专利菌种，经中国普通微生物菌种保藏中心(CGMCC)，保藏编号:0798。发酵液是由该菌种经批次流加葡糖糖发酵获得，其2，3-丁二醇浓度为80g/L。
[0022]实施例1
(I)称取2g壳多糖溶解于乙酸中，并定容至10mL,泡胀24h，备用；称取2g海藻酸钠溶解于水