一種從發(fā)酵液中提取2,3-丁二醇的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于生物化工領(lǐng)域，涉及一種生物發(fā)酵法制備2，3-丁二醇的分離提取方法。
【背景技術(shù)】
[0002]2，3- 丁二醇可以作為一種潛在的平臺化合物，替代傳統(tǒng)的平臺化合物，用于大規(guī)模合成甲乙酮(優(yōu)良溶劑)和1，3- 丁二烯(廣泛應(yīng)用于合成橡膠、聚酯和聚亞胺酯等領(lǐng)域)。除此之外，2，3- 丁二醇還可用于制備油墨、香水、熏蒸劑、增濕劑、軟化劑、增塑劑、炸藥及藥物手性載體等，2，3- 丁二醇的氧化產(chǎn)物3-羥基丁酮和丁二酮可作為食用香料使用；同時，因其熱值較高，與乙醇、甲醇相當(dāng)，故可作為燃料添加劑；2，3-丁二醇酯化后可生成聚氨酯泡沫的前體；2，3-丁二醇與乙酸反應(yīng)生成2，3-丁二醇二乙酸酯，該酯可加到奶油中改善風(fēng)味；2，3-丁二醇在我國還被添加到白酒中，以改善白酒的風(fēng)味。2，3-丁二醇脫氫變成雙乙酰，雙乙酰在食品工業(yè)中作為一種具有很高價值的風(fēng)味劑。2，3- 丁二醇的L型異構(gòu)體可用于抗凍劑。2，3-丁二醇酯化物能作為制作藥物和化妝品的前體。其它潛在的用途包括用于制作墨水、增塑劑、濕潤劑。目前2，3- 丁二醇的合成主要采用以石油裂解物為來源的化學(xué)法，但隨著石油資源的大量消耗和不可再生資源價格的節(jié)節(jié)攀升，發(fā)展環(huán)境友好的生物基化學(xué)品的生物煉制技術(shù)已成為轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長方式、保障生態(tài)鏈良性循環(huán)、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略需求。
[0003]生物發(fā)酵制備2，3- 丁二醇的過程中，通常以葡萄糖作為碳源，因此發(fā)酵過程中的副產(chǎn)物較多，發(fā)酵液體系比較復(fù)雜，增加了 2，3-丁二醇產(chǎn)品提取、純化的難度。2，3-丁二醇具有雙羥基，親水性極強(qiáng)，常壓沸點(diǎn)180°C，使用常規(guī)的減壓蒸餾、過蒸發(fā)、膜蒸發(fā)等方式均不能起到良好的提取效果。主要表現(xiàn)在達(dá)到2，3-丁二醇沸點(diǎn)之前，發(fā)酵液中的一些可溶部分就會濃縮成較厚的油狀釜?dú)?，從而減慢了 2，3- 丁二醇的蒸發(fā)速率。
[0004]隨著雙水相萃取技術(shù)的發(fā)展，雙水相萃取的方法也廣泛應(yīng)用于生物發(fā)酵產(chǎn)品的分離、純化。CN 200710010203.9公開了一種從發(fā)酵液中分離2，3-丁二醇的雙水相萃取方法，其特征在于向2，3-丁二醇的發(fā)酵液中加入無機(jī)鹽和親水有機(jī)物形成新型雙水相，從而達(dá)到萃取分離發(fā)酵液中2，3-丁二醇的目的。雖然以乙醇和磷酸氫二鉀組成的雙水相體系能夠?qū)?，3-丁二醇起到較好的濃縮效果，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中，乙醇的加入會引起菌液中蛋白成分的絮凝，其分離效果并不理想。CN200810024865.6公開了一種利用疏水硅沸石吸附分離發(fā)酵液中2，3- 丁二醇的方法，其特征在于將菌種發(fā)酵制得的2，3- 丁二醇發(fā)酵液預(yù)處理后用疏水硅沸石對2，3- 丁二醇進(jìn)行吸附，吸附后用無水乙醇脫附，脫附液除去乙醇后得到2，3-丁二醇。疏水硅沸石是一種新型的吸附分離材料，具有憎水、親有機(jī)物的性質(zhì)，可以在水的存在下選擇有機(jī)分子。雖然2，3- 丁二醇是一種有機(jī)分子，但是由于其含有兩個羥基，容易形成氫鍵，且分子相對較小，具有較強(qiáng)的親水性，因此疏水硅沸石對2.3- 丁二醇的理論吸附量很低，工業(yè)應(yīng)用前景并不理想。
[0005]目前2，3-丁二醇的分離方法，主要是根據(jù)2，3-丁二醇的分子特征，運(yùn)用物理或化學(xué)方式，進(jìn)行有針對性的濃縮、提純，但是從現(xiàn)階段的研究成果表明，其實(shí)際的分離效果并不理想，主要原因在于2，3-丁二醇的發(fā)酵液中，糖類、發(fā)酵副產(chǎn)物、菌體溶出蛋白、脂類等生物大分子之間，在一定條件下具有較強(qiáng)的結(jié)合效應(yīng)，因此僅憑單一的處理方式很難達(dá)到明顯的分離效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種從發(fā)酵液中提取2，3- 丁二醇的方法。本發(fā)明方法能夠有效脫除發(fā)酵液中菌體溶出蛋白、脂類等生物大分子，形成較為均一、純凈的水相，有利于下一步雙水相、精餾等精制方式的實(shí)施，適用于大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。
[0007]本發(fā)明的從發(fā)酵液中提取2，3- 丁二醇的方法，包括如下內(nèi)容:
(1)將造漿組分、增效劑和少量發(fā)酵液在堿性條件下混合均勻，得到發(fā)酵液預(yù)處理劑；
(2)將發(fā)酵液預(yù)處理劑加入發(fā)酵液中，調(diào)節(jié)pH為8?10，混合反應(yīng)，然后調(diào)節(jié)pH為4?6，靜置分離，收集液相，得到預(yù)處理后的發(fā)酵液；
(3)對預(yù)處理后的發(fā)酵液進(jìn)行雙水相萃取，過程如下:向預(yù)處理后的發(fā)酵液加入可溶性無機(jī)鹽，溶解并混合均勻，然后加入低碳醇和/或多元醇，充分混合后，靜置分層，取上清液，精制提取得到2，3- 丁二醇。
[0008]本發(fā)明方法中，所處理的發(fā)酵液來自于以葡萄糖為底物，經(jīng)微生物發(fā)酵獲得的未經(jīng)過任何處理的發(fā)酵液，所述的發(fā)酵液中含有20?200g/L的2，3-丁二醇，其中含有一定有機(jī)酸、菌體蛋白等副廣物。
[0009]本發(fā)明方法中，步驟(I)所述的造漿組分可采用膨潤土、有機(jī)土、高嶺土、伊利石、蒙脫石或海泡石中的一種或幾種，造漿組分的目數(shù)為100~300目，造漿組分加入前需進(jìn)行干燥處理，干燥條件為:100?300°C下干燥10?24小時。
[0010]本發(fā)明方法中，步驟(I)所述的增效劑為磺化褐煤、低粘羧甲基纖維素鈉鹽、高粘羧甲基纖維鈉鹽、羧甲基淀粉、乙烯基磺酸聚合物或聚陰離子纖維素等中的一種或幾種。
[0011]本發(fā)明方法中，步驟(I)所述的造漿組分與增效劑質(zhì)量比為5:1?50:1 ;發(fā)酵液預(yù)處理劑中造漿組分與發(fā)酵液的固液比為1:10?1:2 (g:mL)。
[0012]本發(fā)明方法中，步驟(I)所述的堿性條件的pH為8~10 ;步驟(I)和(2)調(diào)節(jié)pH為8~10可選用氫氧化鈉或氫氧化鈣，也可根據(jù)增效劑中陽離子成分，選擇相應(yīng)的鈉鹽或鈣鹽；步驟(2)中調(diào)節(jié)pH為4~6可選用稀硫酸、磷酸等中強(qiáng)酸。
[0013]本發(fā)明方法中，步驟(2)所述的發(fā)酵液預(yù)處理劑的加入量，按照造漿組分與混合后發(fā)酵液的固液比1:100?1:10 (g:mL)加入。
[0014]本發(fā)明方法中，步驟(2)所述的混合反應(yīng)時間為0.5?2小時，
本發(fā)明方法中，步驟(3 )所述的可溶性無機(jī)鹽為具有較高溶解度的強(qiáng)堿弱酸鹽，如磷酸氫二鉀、磷酸氫二鈉或磷酸二氫鉀中的一種或幾種。
[0015]本發(fā)明方法中，步驟(3)所述的低碳醇和/或多元醇選自乙醇、乙二醇、丙醇、異丙醇、丁醇或1，4- 丁二醇中的兩種或兩種以上，其中至少含有1，4- 丁二醇，低碳醇和/或多元醇中1，4- 丁二醇的體積百分比的10%?30%。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn):
(I)造漿成分中所使用的粘土類礦物，本身呈負(fù)電性、具有離子交換吸附能力，從而能夠?qū)w細(xì)胞、菌體溶出蛋白、脂類等生物大分子具有吸附絮凝作用；通常粘土類礦物在水相中的混合效果較差，因此對發(fā)酵液中生物大分子的吸附作用有限。本方案以PH條件控制膨潤土、有機(jī)土等造漿成分在水相中的聚集狀態(tài)，即高PH條件下提高造漿成分的分散度，易于形成混懸液，從而增加其對發(fā)酵液中生物大分子的吸附效果；低PH條件下使其自發(fā)絮凝，以利于固相分離。
[0017](2)發(fā)酵液預(yù)處理過程中加入具有增效作用的聚合物分子，高pH條件下，能夠增強(qiáng)粘土成分的分散度、水合效果；低pH條件下，能夠增強(qiáng)造漿成分的交聯(lián)作用，從而提高集聚沉降的效果。在聚合物分子的作用下，增強(qiáng)了粘土成分對發(fā)酵液中生物大分子的吸附作用，從而使一些低分子蛋白更容易去除，提高了預(yù)處理效果。
[0018](3)雙水相萃取過程中添加了包含一定量1，4- 丁二醇的低碳醇和/或多元醇，醇類是通過氫鍵能夠?qū)?，3-丁二醇的濃縮，共同存在于上相清液中，同時由于1，4-丁二醇沸點(diǎn)高于2，3- 丁二醇，從而能夠起到在精餾過程中提高2，3- 丁二醇收率的效果。
[0019](4)本發(fā)明方法通過有效的發(fā)酵液預(yù)處理步驟，獲得了更為純凈的發(fā)酵清液，降低了后續(xù)提取難度，同時對雙水相萃取方案進(jìn)行了優(yōu)化，更有利于精餾操作，能夠提高2，3- 丁二醇的收率，更有利于工業(yè)應(yīng)用。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明方法的具體過程及效果進(jìn)行說明，但不局