專(zhuān)利名稱(chēng)：生物催化生產(chǎn)的羥基乙酸的提純方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬生物化工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種生物催化生產(chǎn)的羥基乙酸的提純方法。
背景技術(shù)：
羥基乙酸又名乙醇酸或甘醇酸，是一種大噸位生產(chǎn)的精細(xì)有機(jī)化工原料，具有廣泛的用途?？蓱?yīng)用于粘結(jié)劑、生產(chǎn)降解聚合物、金屬清潔劑、電鍍助劑、奶制品容器清潔劑、染色助劑、水井清潔劑、建筑、紡織、洗滌劑、制藥、農(nóng)藥、鞣革等，其衍生物，如醇酐(醚)、鹽、酯是許多精細(xì)有機(jī)化工產(chǎn)品的原料，像羥基乙酸鋅，羥基乙酸丁酯已被用于汽車(chē)底漆的生產(chǎn)。羥基乙酸在鍋爐清洗劑的生產(chǎn)中被大量使用，其中最有代表性的是羥基乙酸與甲酸的混合物用于超臨界鍋爐水垢的清除，效果很好，已成為國(guó)際上通行的標(biāo)準(zhǔn)方法。聚羥基乙酸或稱(chēng)為聚乙交酯是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的線性脂肪族聚酯，是體內(nèi)可降解的最早商品化的一個(gè)聚合物產(chǎn)品，應(yīng)用于醫(yī)學(xué)工程材料和高分子降解材料等許多領(lǐng)域。
目前工業(yè)上生產(chǎn)羥基乙酸主要為化學(xué)合成，方法有氯乙酸水解法，氯乙酸在強(qiáng)堿性條件下水解生成羥基乙酸，該法存在著原料消耗高、產(chǎn)品收率低、產(chǎn)品精制復(fù)雜等缺點(diǎn)，而且腐蝕和污染嚴(yán)重；甲醛羰化法，美國(guó)杜邦公司首創(chuàng)的工業(yè)化生產(chǎn)乙醇酸方法，此方法需要高壓、液體酸催化，對(duì)設(shè)備要求很高、腐蝕嚴(yán)重，最終產(chǎn)品的分離、精制復(fù)雜，催化劑不能重復(fù)利用，污染也嚴(yán)重；草酸的電解還原法，20世紀(jì)90年代實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，該法能耗高、產(chǎn)物復(fù)雜、生產(chǎn)羥基乙酸的成本高；羥基乙腈酸水解法，羥基乙腈水溶液在硫酸、磷酸、硝酸或混合酸酸存在時(shí)水解，經(jīng)萃取、脫鹽、反萃、脫水等過(guò)程得到產(chǎn)品。
在所有上述生產(chǎn)方法中，由于雜質(zhì)多如無(wú)機(jī)酸、無(wú)機(jī)鹽、金屬離子及其他有機(jī)酸及其鹽，產(chǎn)品的提純是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，羥基乙酸的工業(yè)提純方法一般采用酯化水解法和溶劑萃取法。酯化水解法是將粗產(chǎn)品用甲醇進(jìn)行酯化以便生成乙醇酸甲酯，達(dá)到與副產(chǎn)物分離的目的。酯化水解法生產(chǎn)工藝復(fù)雜，甲醇的損耗量大，生產(chǎn)成本高。為了克服這些不足，又發(fā)展了溶劑萃取法。萃取劑一般采用三烷基氧膦或三烷基胺如三辛胺等化合物，磺化煤油做稀釋劑進(jìn)行萃取，該法萃取劑昂貴、且容易乳化、相分離困難。
有文獻(xiàn)提議應(yīng)用生物催化方法合成羥基乙酸，因?yàn)樯锎呋ň哂羞x擇性好、產(chǎn)品純度高、反應(yīng)條件溫和等優(yōu)點(diǎn)。專(zhuān)利U.S.3,940,316公開(kāi)了具有腈水解活性的微生物Bacillus，Bacteridium，Micrococcus及Brevibacterium催化腈化合物水解合成酸的方法，把羥乙腈作為其中的一個(gè)底物；專(zhuān)利JP 09028390報(bào)道利用Rhodococcus或Gordona腈水解酶催化羥乙腈水解合成羥基乙酸；專(zhuān)利U.S.6,037,155利用微生物Variovorax spp.和Arthrobacter NSSC104催化羥基腈水解合成相應(yīng)的羥基酸，把羥基乙腈列為其中的一個(gè)底物；專(zhuān)利U.S.6,416,980利用Acidovorax facilis 72W及其變異株的水解酶合成羥基乙酸，產(chǎn)物濃度可以累積達(dá)1M。這些酶轉(zhuǎn)化方法所顯示出的優(yōu)越性，為替代化學(xué)方法展示了良好前景，但對(duì)產(chǎn)物的提純均無(wú)具體說(shuō)明，滿足不了工業(yè)化生產(chǎn)的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)與不足，從而提供一種生物催化生產(chǎn)的羥基乙酸的提純方法。
本發(fā)明的生物催化生產(chǎn)的羥基乙酸的提純方法包括以下步驟對(duì)生物催化反應(yīng)得到的羥基乙酸反應(yīng)液進(jìn)行提純得到高純度的羥基乙酸晶體，包括含產(chǎn)物反應(yīng)清液的收集、反應(yīng)清液脫色、脫鹽、濃縮、結(jié)晶和干燥等步驟，具體如下(1)生成的反應(yīng)液通過(guò)離心或膜過(guò)濾系統(tǒng)除去催化劑等雜質(zhì)，得到羥基乙酸的水溶液；含產(chǎn)物的反應(yīng)清液收集可用膜過(guò)濾系統(tǒng)處理，收集膜過(guò)濾液，其中的膜過(guò)濾系統(tǒng)可以是中空纖維膜或卷式膜或陶瓷膜或超濾膜或Ultra-flow。
(2)羥基乙酸水溶液的脫色常規(guī)的脫色方法都能應(yīng)用，包括活性炭脫色、脫色樹(shù)脂脫色、脫色膜脫色，考慮成本用活性炭脫色較為合理，且實(shí)驗(yàn)表明脫色效果較好，活性炭的用量根據(jù)清液色度而定，一般1-50‰能夠滿足要求。
(3)羥基乙酸水溶液的脫鹽脫色后的反應(yīng)清液用陽(yáng)離子交換樹(shù)脂進(jìn)行脫鹽，既可以是強(qiáng)酸陽(yáng)離子樹(shù)脂也可以是弱酸陽(yáng)離子樹(shù)脂，脫鹽可以為靜態(tài)也可以是動(dòng)態(tài)，操作條件按常規(guī)方式進(jìn)行。
(4)羥基乙酸水溶液的濃縮經(jīng)過(guò)脫鹽后得到純凈的羥基乙酸水溶液，將溶液在減壓條件下濃縮，溫度控制在20-80℃之間，壓力在0.099～0.020MPa之間，得到濃度＞90％的羥基乙酸水溶液。
(5)羥基乙酸的結(jié)晶和干燥高濃度的羥基乙酸濃縮液，在低溫下攪拌即可結(jié)晶，過(guò)濾分離后晶體在冷凍真空干燥器或真空干燥器內(nèi)經(jīng)干燥即可得到產(chǎn)品，純度≥99％，結(jié)晶母液濃縮后可繼續(xù)結(jié)晶。
本方法具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單易行、污染小、可實(shí)施產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，得到的羥基乙酸晶體具有純度高、雜質(zhì)少等顯著優(yōu)點(diǎn)，其硫酸鹽含量＜0.04％，鐵離子含量＜0.00005％，重金屬含量＜0.00005％，灼燒殘?jiān)?.000005％。
具體實(shí)施例方式
為了更好地說(shuō)明本發(fā)明，下面通過(guò)實(shí)施例予以進(jìn)一步說(shuō)明。
以下實(shí)施例中所列的百分比濃度均為重量百分比。
實(shí)施例1配制種子培養(yǎng)基，其組成為葡萄糖0.6％，酵母膏0.2％，K2HPO40.05％，KH2PO40.05％，MgSO4·7H2O0.05％，pH7.2；再配制發(fā)酵培養(yǎng)基，其組成為葡萄糖1.0％，酵母膏0.2％，K2HPO40.03％，KH2PO40.05％，MgSO4·7H2O0.05％，β-內(nèi)酰胺0.05％，尿素0.5％，CoCl20.1％，pH7.0；在5L種子罐中裝入種子培養(yǎng)基70％，滅菌后接入一茄子瓶的乳酪短桿菌(Brevibacterium casei，保藏號(hào)為CGMCC No.0887)菌種，在溫度28℃，攪拌轉(zhuǎn)速400rpm的條件下培養(yǎng)48小時(shí)，得到種子液，在50L的發(fā)酵罐中裝入70％的發(fā)酵培養(yǎng)基，實(shí)罐消毒后接入10％的種子液，在通氣量1∶0.5，攪拌轉(zhuǎn)速300rpm，罐壓0.05Mpa，溫度28℃的條件下，發(fā)酵培養(yǎng)48小時(shí)。
各取發(fā)酵液3.5L，分別用低溫高速離心，在6℃和15000rpm轉(zhuǎn)速下冷凍離心15分鐘或中空纖維膜過(guò)濾，流量180mLmin-1，壓力0.8Kg/cm2；將得到的細(xì)胞液，用去離子水將細(xì)胞液恢復(fù)至初始發(fā)酵液體積，取1.5L于2L的三口反應(yīng)瓶中，加入0.5％經(jīng)過(guò)氫氧化鈉中和處理的羥基乙腈溶液(wt％，按體積1.5L計(jì)算)，于28℃水浴溫度和150rpm攪拌轉(zhuǎn)速條件下反應(yīng)，間歇加入底物，當(dāng)?shù)孜餄舛鹊陀?.1％時(shí)，按0.5％加入底物，反應(yīng)68小時(shí)，底物累計(jì)加入次數(shù)55次，共加入412.5g，約825mL。經(jīng)HPLC色譜分析(島津公司LC-10A，下同)，反應(yīng)后底物殘留濃度＜0.05％，轉(zhuǎn)化率＞99.0％，終產(chǎn)物濃度3.13M，羥基乙酸產(chǎn)率＞98.0％。
實(shí)施例2各取實(shí)施例1得到的反應(yīng)液1L，按以下處理方式進(jìn)行處理1、用低溫高速離心，在6℃和15000rpm轉(zhuǎn)速下冷凍離心15分鐘；2、用中空纖維膜過(guò)濾，流量180mLmin-1，壓力0.8Kg/cm2；3、用卷式膜過(guò)濾，流量180mLmin-1，壓力10Kg/cm2；4、用陶瓷膜過(guò)濾，流量180mLmin-1，壓力4Kg/cm2；5、用Ultra-flo過(guò)濾，流量180mLmin-1，壓力3Kg/cm2。
收集得到反應(yīng)清液，HPLC色譜分析，結(jié)果列于表1。
表1

實(shí)施例3按實(shí)施例8方法得到的含有產(chǎn)物的反應(yīng)清液，加入2‰的粉末活性炭，于常溫下震蕩脫色30分鐘，抽濾，得到脫色清液，其中產(chǎn)物濃度為3.18M。
實(shí)施例4取實(shí)施例3得到的脫色清液1000mL，上樹(shù)脂柱脫鹽，φ5×80玻璃柱裝有1000mL的732強(qiáng)酸陽(yáng)離子樹(shù)脂，上柱流速約20mLmin-1，棄去初始段流出液，當(dāng)流出液pH＜5.0開(kāi)始收集流出液，上第二根裝有1000mL732凝膠樹(shù)脂的φ5×80玻璃柱，棄去初始段流出液，當(dāng)流出液pH＜5.0開(kāi)始收集，共得到收集液1380mL，濃度1.77M，取去離子水500mL先后洗滌兩樹(shù)脂柱，得到洗滌液480mL，濃度0.79M，上柱液和洗滌液用氨氣敏電極檢測(cè)都無(wú)銨離子存在，過(guò)程總收率88.7％。另取1000mL前述的脫色清液，加入到3L的三口反應(yīng)瓶中，再加入1500mL的D152弱酸陽(yáng)離子樹(shù)脂，加入前濾干，于室溫下攪拌脫鹽，1個(gè)小時(shí)后，抽濾，收集濾液，共1070mL，濃度2.67m，無(wú)銨離子存在，樹(shù)脂加入600mL去離子水洗滌，再抽濾，收集濾液550mL，無(wú)銨離子存在，濃度0.39M，過(guò)程總收率96.6％。
實(shí)施例5按實(shí)施例4得到的羥基乙酸溶液，分別在20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃和80℃下減壓蒸餾或薄膜濃縮，HPLC色譜分析，濃縮過(guò)程的溜出液均沒(méi)有檢測(cè)到羥基乙酸，得到濃度＞90％的羥基乙酸溶液。
實(shí)施例6將實(shí)施例5在不同條件下濃縮得到的羥基乙酸溶液，分別放置在1℃下攪拌迅速結(jié)晶，抽濾，得到的晶體放置于真空干燥箱內(nèi)干燥4小時(shí)，HPLC色譜分析，測(cè)得晶體純度，結(jié)果見(jiàn)表2。
表2

本方法包括將微生物酶催化得到的反應(yīng)液過(guò)濾、脫色、脫鹽、濃縮、結(jié)晶和干燥得到羥基乙酸晶體，純度≥99％，收率90％。
本發(fā)明與現(xiàn)有的方法相比，具有明顯的特點(diǎn)和進(jìn)步(1)后處理提純工藝相對(duì)簡(jiǎn)單易行；(2)對(duì)環(huán)境污染小；(3)生產(chǎn)成本低，可工業(yè)化實(shí)施生產(chǎn)；(4)得到的羥基乙酸晶體雜質(zhì)少，純度高。
權(quán)利要求
1.一種生物催化生產(chǎn)的羥基乙酸的提純方法，其特征在于包括以下步驟a、將含有羥基乙酸的反應(yīng)液過(guò)濾，得到羥基乙酸的反應(yīng)清液；b、脫色；c、脫鹽；d、濃縮；e、結(jié)晶和干燥。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的反應(yīng)液過(guò)濾是通過(guò)離心或膜過(guò)濾系統(tǒng)除去雜質(zhì)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述的膜過(guò)濾系統(tǒng)包括但不限于中空纖維膜、卷式膜、陶瓷膜、超濾膜或Ultra-flo。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的羥基乙酸水溶液的脫鹽是用強(qiáng)酸或弱酸陽(yáng)離子樹(shù)脂來(lái)完成的。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述的強(qiáng)酸或弱酸陽(yáng)離子樹(shù)脂包括但不限于732型、D001型、HD-8或D152。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的羥基乙酸水溶液的濃縮是通過(guò)減壓蒸餾或薄膜濃縮完成的。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述的減壓蒸餾或薄膜濃縮的溫度控制在20-80℃。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述的減壓蒸餾或薄膜濃縮的壓力控制在0.099～0.020MPa之間。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種生物催化生產(chǎn)羥基乙酸的提純方法。本方法包括將微生物酶催化得到的反應(yīng)液過(guò)濾、脫鹽、濃縮、結(jié)晶和干燥得到羥基乙酸晶體，純度≥99％，收率90％。本方法具有分離提純工藝簡(jiǎn)單、無(wú)污染、得到的羥基乙酸產(chǎn)品雜質(zhì)少、純度高的顯著特點(diǎn)。
文檔編號(hào)C07C51/47GK1789228SQ20041008941
公開(kāi)日2006年6月21日 申請(qǐng)日期2004年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月13日
發(fā)明者薛建萍, 羅積杏, 李還寶, 于軍華, 朱健, 許弘, 沈寅初 申請(qǐng)人:上海市農(nóng)藥研究所, 薛建萍