一种加盐萃取蒸馏分离发酵液中3-羟基丁酮的方法

摘要

本发明属于生物工程技术领域，特别公开了一种加盐萃取蒸馏分离发酵液中3-羟基丁酮的方法。该加盐萃取蒸馏分离发酵液中3-羟基丁酮的方法，向3-羟基丁酮的发酵清液中添加可溶性无机盐，待溶解后在加入疏水性有机溶剂，混合后间歇震荡，抽提后收集无机盐下相，往无机盐下相中再次加入有机溶剂进行二次抽提，重复操作，将收集的有机溶剂上相合并后，加入适量的无水硫酸钠，干燥有机溶剂相至无水，通过常压蒸馏即可回收有机溶剂，并得到黄色粘稠状的3-羟基丁酮样品。本发明操作简单，能耗低，适合工业化生产和应用，在操作过程中的有机溶剂和无机盐均可以回收再利用，不但可以节省成本，提高资源利用效率，也符合当今绿色环保的要求。

说明书

（一）        技术领域

    本发明属于生物工程技术领域，特别涉及一种加盐萃取蒸馏分离发酵液中3-羟基丁酮的方法。

（二）        背景技术

3-羟基丁酮（acetoin），俗名乙偶姻，又称甲基乙酰甲醇，单体为无色或淡黄色液体，长期放置生成二聚体，二聚体为白色结晶性粉末，具有特殊的奶油香气，作为一种重要的平台化合物，广泛应用于食品、化工、医药、烟草等领域中。国外市场上的3-羟基丁酮香料产品主要由美国JM公司、德国BASF公司以及日本信达公司这三家企业生产，国内已有江苏潘南香料厂、上海泰禾化工有限公司、河南省濮盟集团、山东滕州悟通香料有限公司等企业采用化学合成工艺生产3-羟基丁酮，但其产量较低，不能满足国内和国际市场的需求。微生物发酵法生产3-羟基丁酮，产品纯度高，更适合于食品、医药行业应用，生物法3-羟基丁酮香料产品具有非常广阔的国内外市场前景。

当前，3-羟基丁酮的生产主要是以丁二酮或2,3-丁二醇为原料通过化学方法合成，但是丁二酮和2,3-丁二醇并非大宗化工产品，它们均来源于石油等不可再生石化资源，因此原料来源受限、环境污染严重、工艺复杂、产品应用范围相对较小等限制了化学合成法的大规模发展。相比之下，微生物发酵法生产3-羟基丁酮具有原料来源丰富、条件温和、环境友好、产品纯度高等优势，能从根本上解决3-羟基丁酮生产过程中面临的资源、环境压力以及产品质量要求等问题，其发展前景和市场潜力将是巨大的。

现阶段，对微生物发酵法生产3-羟基丁酮的研究已取得了很好的发展，但限制其工业化生产的一个很重要的原因就是分离问题。在3-羟基丁酮的分离纯化过程中，水是作为主要杂质存在于发酵液中的，但是由于3-羟基丁酮与水的相对挥发度接近于1，可形成共沸物，普通的分离手段如减压蒸馏、溶剂萃取等都不能对其进行有效分离，但是针对共沸物分离的共沸精馏和萃取精馏需要夹带剂和共沸剂的辅助，存在操作较为困难，能源消耗大等缺点，对于膜蒸馏、渗透蒸馏、气体分离等新型分离技术，由于其对技术的要求比较高，再加上生产成本高，现阶段还不适用于工业化生产中。因此开发一种从发酵液中分离3-羟基丁酮的方法并且达到工艺简单，能量消耗小，成本低的要求，对于3-羟基丁酮的工业化生产具有非常重要的意义。

（三）        发明内容

    本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种操作简单、能耗低的加盐萃取蒸馏分离发酵液中3-羟基丁酮的方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种加盐萃取蒸馏分离发酵液中3-羟基丁酮的方法，以3-羟基丁酮的发酵清液为原料，其特征为，包括如下步骤：（1）向发酵清液中添加可溶性无机盐，待溶解后在加入疏水性有机溶剂，混合后间歇震荡，抽提后收集无机盐下相，往无机盐下相中加入同样体积的有机溶剂进行二次抽提，重复操作若干次，将收集的有机溶剂上相合并；（2）往有机溶剂上相中加入适量的无水硫酸钠，干燥有机溶剂相至无水，通过常压蒸馏即可回收有机溶剂，并得到黄色粘稠状的3-羟基丁酮样品。

本发明的更优技术特征为：

步骤（1）中，无机盐为无水硫酸镁、无水硫酸钠、无水硫酸铜和无水氯化钙中的一种或多种，其添加量为发酵清液重量的10-50%。

步骤（1）中，有机溶剂为乙醚、二氯甲烷、乙酸乙酯和氯仿中的一种或多种，其加入体积量为发酵清液的0.8-6倍。

步骤（1）中，所述抽提重复操作4次。

所述无机盐优选无水硫酸钠，其添加量为发酵清液重量的10-30%。

所述有机溶剂优选乙醚，其加入体积量为发酵清液的0.8-1.2倍。

本发明操作简单，能耗低，适合工业化生产和应用，在操作过程中的有机溶剂和无机盐均可以回收再利用，不但可以节省成本，提高资源利用效率，也符合当今绿色环保的要求；同时利用加盐萃取和普通蒸馏相结合的方法，对发酵液中3-羟基丁酮的分离效果较好，具有工业化生产的潜力。

（四）        具体实施方式

以下结合技术方案详细叙述本发明的具体实施例。

本实施例中所用Bacillus subtilis SF4-3为本实验室筛选获得，培养基中必须具备微生物生长所需的葡萄糖等碳源，酵母膏、玉米浆、尿素等氮源，硫酸镁、硫酸锰等无机盐，发酵液是利用菌株SF4-3在5L发酵罐中发酵葡萄糖制备得到，发酵结束经测定发酵液中3-羟基丁酮含量为58.5 g/L。

实施例1：

将发酵液以4000r/min离心20min，得到澄清的发酵液，量取100mL的发酵清液，加入30g无水硫酸钠，待无水硫酸钠溶解后，加入100ml的乙醚在抽屉漏斗内间歇震荡，抽提4h，待分相完全后，上相为乙醚萃取液，下相为萃余水相，分离水相加入100mL乙醚进行二次抽提，重复操作4次，合并所有乙醚萃取液，加入30g无水硫酸钠，干燥乙醚相至无水，利用普通蒸馏除去乙醚，得到黄色粘稠状的液体样品5.8mL，对发酵清液3-羟基丁酮乙醚总抽提率为91.4%，用气相色谱分析样品组成，样品中3-羟基丁酮含量为92.2%。

实施例2：

将发酵液以4000r/min离心20min，得到澄清的发酵液，量取100mL的发酵清液，加入10g无水硫酸钠，待无水硫酸钠溶解后，加入100ml的乙醚在抽屉漏斗内间歇震荡，抽提4h，待分相完全后，上相为乙醚萃取液，下相为萃余水相，分离水相加入100mL乙醚进行二次抽提，重复操作4次，合并所有乙醚萃取液，加入10g无水硫酸钠，干燥乙醚相至无水，利用普通蒸馏除去乙醚，得到黄色粘稠状的液体样品5.7mL，对发酵清液3-羟基丁酮乙醚总抽提率为88.3%，用气相色谱分析样品组成，样品中3-羟基丁酮含量为90.6%。

实施例3：

将发酵液以4000r/min离心20min，得到澄清的发酵液，量取100mL的发酵清液，加入25g无水硫酸钠，待无水硫酸钠溶解后，加入100ml的乙酸乙酯在抽屉漏斗内间歇震荡，抽提4h，待分相完全后，上相为乙酸乙酯萃取液，下相为萃余水相，分离水相加入100mL乙酸乙酯进行二次抽提，重复操作4次，合并所有乙酸乙酯萃取液，加入25g无水硫酸钠，干燥乙酸乙酯相至无水，利用普通蒸馏除去乙酸乙酯，得到黄色粘稠状的液体样品6.0mL，对发酵清液3-羟基丁酮乙酸乙酯总抽提率为88.4%，用气相色谱分析样品组成，样品中3-羟基丁酮含量为86.2%。

实施例4：

将发酵液以4000r/min离心20min，得到澄清的发酵液，量取100mL的发酵清液，加入15g无水硫酸镁，待无水硫酸钠溶解后，加入80ml的乙酸乙酯在抽屉漏斗内间歇震荡，抽提4h，待分相完全后，上相为乙酸乙酯萃取液，下相为萃余水相，分离水相加入100mL乙酸乙酯进行二次抽提，重复操作4次，合并所有乙酸乙酯萃取液，加入15g无水硫酸镁，干燥乙酸乙酯相至无水，利用普通蒸馏除去乙酸乙酯，得到黄色粘稠状的液体样品5.9mL，对发酵清液3-羟基丁酮乙酸乙酯总抽提率为86.5%，用气相色谱分析样品组成，样品中3-羟基丁酮含量为85.8%。

实施例5：

将发酵液以4000r/min离心20min，得到澄清的发酵液，量取100mL的发酵清液，加入25g无水硫酸钠，待无水硫酸钠溶解后，加入120ml的氯仿在抽屉漏斗内间歇震荡，抽提4h，待分相完全后，上相为氯仿萃取液，下相为萃余水相，分离水相加入120mL氯仿进行二次抽提，重复操作4次，合并所有氯仿萃取液，加入25g无水硫酸钠，干燥氯仿相至无水，利用普通蒸馏除去氯仿，得到黄色粘稠状的液体样品5.7mL，对发酵清液3-羟基丁酮氯仿总抽提率为88.0%，用气相色谱分析样品组成，样品中3-羟基丁酮含量为90.3%。