發(fā)酵法制備丁二酸的下游工藝研究.pdf

1、丁二酸(Succinic Acid)，又名琥珀酸，是一種重要的碳四平臺(tái)化合物，是許多重要化學(xué)中間體的原料，在食品、醫(yī)藥、表面活性劑、洗滌劑、綠色溶劑、生物可降解塑料和動(dòng)植物生長刺激物等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
　　 丁二酸傳統(tǒng)生產(chǎn)方法采用的是從丁烷經(jīng)順丁烯二酸酐通過電解生產(chǎn)，生產(chǎn)污染大、成本高，嚴(yán)重抑制了丁二酸這一大宗化學(xué)品的發(fā)展?jié)摿?。生物法生產(chǎn)丁二酸的主要原料是葡萄糖及木糖等糖類物質(zhì)，其來源廣泛且價(jià)格低廉，并在厭氧發(fā)酵過程中吸收

2、固定溫室氣體CO2用于菌株的代謝，可降低丁二酸的生產(chǎn)成本，這對(duì)于進(jìn)一步拓展基于丁二酸的大宗化學(xué)品市場，減少對(duì)石油等化石資源的依賴具有重要意義。
　　 由于生化產(chǎn)品的特殊性質(zhì)及體系的非牛頓流體特性，使得生化產(chǎn)品的分離過程非常復(fù)雜，涉及的操作單元多，工藝流程長，其下游提取成本往往占總成本的一半以上，甚至高于80％。因此，針對(duì)丁二酸這一大宗化學(xué)品的生物法制備體系開發(fā)高效、低成本的下游提取工藝將對(duì)于進(jìn)一步提升生物法制備工藝的競爭能力具有

3、重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　 本文在課題組穩(wěn)定的發(fā)酵工藝基礎(chǔ)上，根據(jù)厭氧發(fā)酵法制備丁二酸體系所具有的固含物少、發(fā)酵液黏度低以及產(chǎn)物相對(duì)簡單等特點(diǎn)，有針對(duì)性地對(duì)丁二酸下游提取工藝進(jìn)行了研究，主要研究內(nèi)容如下：
　　 1.離子交換分離提取丁二酸
　　 (1)樹脂的篩選
　　 分別選用不同載體和活性基團(tuán)的陰離子交換樹脂，在模擬體系下對(duì)樹脂進(jìn)行篩選，并根據(jù)吸附量確定強(qiáng)堿201和弱堿D301為合適的樹脂類型。
　　

4、 (2)樹脂吸附特性研究；
　　 對(duì)201樹脂和D301樹脂的吸附速率曲線和吸附等溫線進(jìn)行了測(cè)定。結(jié)果表明，上述兩種樹脂對(duì)丁二酸的吸附均為非優(yōu)惠型吸附；
　　 分別對(duì)201樹脂和D301樹脂分離提取丁二酸的工藝條件進(jìn)行了研究，確定了料液pH和離子濃度為主要的影響因素。在模擬體系下，當(dāng)固液比為1(g)：100(ml)，溫度為室溫，pH為4.14時(shí)，201樹脂和D301樹脂對(duì)丁二酸的飽和吸附量分別為200mg/g(干樹脂)

5、和375mg/g(干樹脂)。
　　 在上述最佳工藝條件下，利用實(shí)際發(fā)酵體系對(duì)樹脂吸附性能進(jìn)行了進(jìn)一步的考察。結(jié)果表明，兩種樹脂的吸附效果均有不同程度的下降，201和D301樹脂對(duì)丁二酸的吸附量分別為55mg/g(干樹脂)和35 mg/g(干樹脂)。
　　 在其最適條件下，考察了201樹脂對(duì)丁二酸發(fā)酵體系的動(dòng)態(tài)吸附和洗脫過程，確定了動(dòng)態(tài)吸附條件即：上樣濃度為15g/L，上樣流速為2ml/min，洗脫劑為1mol/L鹽酸，洗

6、脫方式為梯度洗脫。在最佳條件下，丁二酸回收率超過80％，但丁二酸的動(dòng)態(tài)吸附量僅有25mg/mL(濕樹脂)。
　　 2.基于膜法分離丁二酸的工藝研究
　　 由于實(shí)際發(fā)酵體系中離子強(qiáng)度較高，且存在諸如甲酸、乙酸等副產(chǎn)物的競爭性吸附，離子交換樹脂對(duì)丁二酸的交換吸附容量較低，難以滿足大規(guī)模制備的要求，且分離過程中需消耗大量的酸、堿和水。因此，本研究針對(duì)厭氧發(fā)酵制備丁二酸的發(fā)酵液的特點(diǎn)(固含物少、發(fā)酵液黏度低以及產(chǎn)物相對(duì)簡單)，建

7、立了基于膜分離技術(shù)的丁二酸分離工藝，并對(duì)工藝條件進(jìn)行了初步的優(yōu)化。具體研究內(nèi)容如下：
　　 (1)微濾法實(shí)現(xiàn)發(fā)酵液的固液分離。選用孔徑為2μm的微濾膜作為分離介質(zhì)。用濃鹽酸調(diào)節(jié)pH至5.0，將丁二酸發(fā)酵液稀釋至丁二酸濃度約25g/L，保溫35℃，在85mL/min的循環(huán)流速下進(jìn)行過濾。微濾平均通量為8.6L/m2.h，除菌率可達(dá)99.6％，蛋白去除率達(dá)87％，脫色率達(dá)92％，兩次全過濾后丁二酸收率≥93％，三次全過濾后丁二酸收率

8、≥98％；
　　 (2)超濾法去除發(fā)酵液中的生物大分子。選用截流分子量為6kD～8kD的超濾膜為分離介質(zhì)，將經(jīng)過膜微濾的丁二酸發(fā)酵液在常溫條件下，以85mL/min的循環(huán)流速，在0.005Mpa的初始?jí)翰钕峦ㄟ^超濾膜。超濾平均通量為2.53L/m2.h，蛋白去除率97.35％，濾液中蛋白濃度≤5mg/L，脫色率約29％，超濾液透光率≥60％，丁二酸收率≥98％。
　　 (3)活性炭脫色。確定型號(hào)為3032的活性炭為脫色劑

9、，活性炭用量為0.35％，脫色pH為5.0，脫色時(shí)間為30min，脫色溫度為50℃。所得脫色液的透光率≥93％，丁二酸收率≥99％。
　　 (4)結(jié)晶法獲得丁二酸產(chǎn)品。采用真空濃縮-冷卻結(jié)晶工藝，從脫色液中直接獲得丁二酸產(chǎn)品。確定了最佳濃縮比為5，最佳pH值為2.5，最佳攪拌轉(zhuǎn)速為200rm/min，加晶種的起晶方式，循環(huán)冷凝水冷卻的降溫方式為最佳的結(jié)晶工藝，一次結(jié)晶收率≥70％。所得產(chǎn)品晶體色澤純白、晶形均勻，純度≥98％。<