一种从发酵液中盐析萃取二元醇耦合回收二氧化碳的方法

摘要

本发明属于生物工程技术领域，涉及一种从发酵液中盐析萃取二元醇耦合回收二氧化碳的方法。其特征是向二元醇的发酵液中添加一种或一种以上可溶性碱性无机盐，然后加入有机溶剂的废气通与盐反应生成盐相，CO

说明书

技术领域

本发明属于生物工程技术领域，涉及到微生物发酵液的分离技术及二氧化碳的固定技术，特别涉及到从发酵液中分离二元醇的方法及其发酵和分离所释放的二氧化碳的固定技术。

背景技术

二元醇在工业上具有广泛而美好的应用前景，如1，3-丙二醇与对苯二甲酸合成的新型聚酯材料枛聚对苯二甲酸丙二酯(PTT)具有许多聚酯材料所不具备的优良特性，如尼龙样的弹性恢复、抗紫外、臭氧及氮氧化物的着色性、低静电、低水吸附、全色范围内无需添加任何特殊化学品而呈现出的良好的连续印染性及可生物降解性等。2，3-丁二醇是一种极具价值的液体燃料，2，3-丁二醇可以用来制造重要的工业有机溶剂甲乙酮；还可以用来生产2丁烯和1，3-丁二烯等生产人造橡胶的单体物质；酯化形式的2，3-丁二醇是合成聚亚胺的前体，可应用于药物、化妆品、洗液等；通过催化脱氢得到的二乙酰化形式的2，3-丁二醇可以用来作为具有高价值香料的食品添加剂；左旋形式的2，3-丁二醇由于其较低的凝固点可用来作为抗冻剂；此外，二元醇还在染料、炸药、香水、药物载体等领域显示出潜在的应用价值，但其昂贵的价格却阻碍了其广泛应用。发酵法生产二元醇一直被寄予厚望，其工业化的瓶颈是高效廉价的分离技术开发。近来二氧化碳的排放问题越来越受到关注，也将成为制约发酵法生产二元醇产业化的重要因素。

由于二元醇本身的一些性质，如高沸点、高亲水性以及发酵液中溶解的其它杂质使得该提纯过程非常困难。目前从微生物发酵液中提取分离二元醇，多采用带菌发酵液经高速离心或经膜(如纤维膜)过滤分离细胞，然后通过萃取、离子交换树脂或分子筛吸附、减压蒸馏等方法加以提取。精馏是利用混合物中各组分挥发能力的差异，使混合物得到不断分离，但由于发酵液中成分非常复杂，在达到蒸馏温度之前，发酵液中的一些可溶部分就会浓缩成较厚的油状积块，从而减慢二元醇的蒸发速率，因此不宜采用直接精馏的方法来提取。Mi-HaeCho等用有机萃取法(Process Biochemistry，2006，41：739至744)对1，3-丙二醇进行分离研究，所用萃取剂为乙酸乙酯，分离对象为模拟发酵液。向波涛等研究了萃取法(清华大学学报(自然科学版)，2001，41(12)：53-55)自稀溶液中分离1，3丙二醇的过程，结果表明普通有机萃取(用氯仿作萃取剂)和络合萃取法(用磷酸三丁酯(TBP)、辛酸、己酸等作络合剂)均不能有效地分离1，3-丙二醇。Tsao等(Conversion of biomass from agricultureinto useful product s.Final report，USDDE，Contract No，EG-77-S-02-4298，1978-07-31)发现使用二乙基乙醚可回收发酵液中75％的2，3丁二醇，但这种方法因溶剂使用量较大且成本较高等原因而只限于实验室规模，不适合于大规模工业化生产。刘德华等(CN1634823A)用丁醛等非水溶性醛通过缩醛反应萃取发酵液中的1，3-丙二醇。反应萃取需要多步操作，工艺复杂，操作条件不易控制，分离效率较低。另外由于反应萃取使用大量醛类物质，其残余的醛会对1，3-丙二醇参与的聚合反应产生不利影响，因此其工业化前景不容乐观。Qureshi等(Recovery of 2，3butanediol by vacuum membrane distillation.Sep SciTechnol，1994，29：1733～1748)曾在真空膜蒸馏过程中使用一种具有微孔结构的聚四氟乙烯膜，这种膜可以允许水蒸气顺利通过，却能够阻止2，3-丁二醇通过，采用这种方法，2，3-丁二醇的最终质量浓度可高达430g/L，但后续分离存在较大困难。另外，过蒸发、膜蒸馏、真空膜蒸馏对设备的要求比较高，膜成本高，而且存在膜污染、难以清洗等问题，所以很难在工业上得到应用。

在二元醇的发酵和分离过程中都产生大量二氧化碳，而在当今全球气温变暖，各国都在努力减排的情况下，二元醇的发酵行业的二氧化碳减排是其未来必须面对和解决的问题。二氧化碳现有的回收方法主要有变压吸附法、膜分离法和吸收法几种。吸附法是利用天然沸石、分子筛、硅胶和活性炭等吸附分离二氧化碳，但此法的吸附容量有限、需要大量的吸附剂、吸附解吸频繁、费用过高，只适用于中小规模的二氧化碳吸收(新疆化工，2003，(3)：10214)。膜分离法通常采用醋酸纤维素、聚醚砜、聚肽、聚酰胺(PI)等聚合材料制成的薄膜，依据对不同气体的渗透率差异来分离CO₂，但膜污染导致难以得到高纯度的CO₂(现代化工，2001，21(9)：53257)。吸收法分为物理吸收法和化学吸收两种，前者采用冷甲醇、多乙二醇醚、磷酸三丁酯和环丁砜等有机化合物作为吸收溶剂，后者主要应用含有碳酸钾、一级醇胺(如MEA)、二级醇胺(如DEA、D IPA)及三级醇胺(如MDEA)等能与CO₂反应的溶液作为吸收溶剂，先吸收CO₂，然后通过升温或降压的方式脱除CO₂，整个过程需要较高的设备投资，较多的蒸汽或动能损耗。现有的CO₂固定化技术主要包括生物法、物理法和化学法。生物法包括造林、海洋施肥和微生物固定。造林是有效的方法，但是受到地理条件等限制，海洋施肥(Yamasaki，2003)能够加快海洋植物的生长，从而吸收更多的CO₂，然而这也同时带来了更多的甲烷排放，而后者被证明是一种更强的温室效应气体。微生物固定是微生物以CO₂为碳源将其转化为有机物，所用微生物分为光能自养型微生物和化能自养型微生物两种。前者主要包括微藻类和光合细菌，它们都含叶绿素，以光为能源；后者的能源主要来源于H₂、H₂S、S₂O₃^2-、NH⁴⁺、NO^2-、Fe²⁺及还原态无机物等。然而这种方法需要较长的时间，处理成本较高，所以直到现在依然处于实验室阶段(Energy Conversion andManagement，2005，46：403？20)。物理法主要包括海洋深层储存法和陆地蓄水层(或废油、气井)储存法，但是这两种方法只能延缓而不能彻底地阻止CO₂排入大气(Journal ofEnvironmental Sciences，2008，20：14？7)。化学法的一种途径是利用CO₂和其它物质反应生成有价值的化学品，例如，CO₂与H₂、CH₄、H₂O、CH₃OH等通过化学反应分别合成甲醇、甲酸甲酯、碳酸二甲酯等(有机化学http://epub.edu.cnki.net/grid2008/brief/SourceJump.aspx？酸盐矿石与CO₂之间的反应生成稳定的碳酸盐，但反应过程极其缓慢，不能直接用于工业过程。化学固定法常需纯的CO₂，而排放的CO₂纯度一般只有20％左右，这就需要昂贵的分离成本。综上所述，目前的二氧化碳固定化方法大多是能耗高、设备投资大、效益低。

将二元醇的分离与CO₂固定化耦联起来，这是我们提出本发明的基本设想。前期的研究发现无机盐不仅能与亲水性有机溶剂形成双水相体系，用于直接萃取发酵液中的二元醇产物(CN200710010201.X；CN200710010203.9)，而且也能促进疏水性有机溶剂对二元醇的有机萃取。实质上这两种萃取方法都是由于盐溶液中的离子尤其是阴离子与水分子的强结合作用导致二元醇与水分子的氢键作用减弱，甚至最终断裂，从而驱使二元醇与盐溶液分为两相，即所谓的盐析作用。在不添加有机溶剂的情况下，只有少数溶解度较大的无机盐在接近饱和浓度的条件下，才能将目标产物从发酵液中有效地分离出来。加入有机溶剂后，盐析效应显著，降低了盐的浓度，拓展了盐的种类，而盐析进一步强化了有机萃取效应，提高了分配系数，减少了溶剂用量，形成了盐析萃取的独特方式，可以有效地萃取分离发酵液中的二元醇产物。这种盐析萃取体系易于成相，分相清晰，萃取相黏度低，溶剂易回收，体系易放大，操作成本低，因此有望解决一直以来二元醇发酵产物分离困难的问题。但是萃余相中无机盐的回收是其工业应用的一个关键技术问题。对于碱性无机盐来说，高浓度的盐液吸收固定二元醇发酵和分离过程中释放的大量二氧化碳，既能达到回收无机盐的目的，又能实现二氧化碳的减排目标。这无疑是发酵法生产二元醇节能减排的有益尝试。

发明内容

本发明提供了一种盐析萃取的方法，既能从发酵液中分离二元醇，又能利用其富盐下相吸收生产过程中产生的二氧化碳，实现二元醇、无机盐和二氧化碳的同步回收。

本发明的技术方案及步骤如下：

(1)盐析萃取：二元醇发酵原液可以用絮凝、过滤、微滤或离心的方法进行预处理，除去菌体得到清液，也可以是未经预处理的发酵原液，或者是经过浓缩的原液或清液，其中二元醇的浓度范围为30700g/L。向上述发酵液或清液中添加一种或一种以上可溶性碱性无机盐，所加可溶性碱性无机盐为固体或浓盐溶液，加盐后发酵液中盐的饱和度达到10％～100％；然后加入有机溶剂形成两相体系或多相系统，含盐发酵液和有机溶剂的体积比为1∶0.01～1∶10。

二元醇为1，3-丙二醇、2，3-丁二醇或1，2-丙二醇等；碱性无机盐是碳酸钾、碳酸钠、磷酸钠、磷酸钾或磷酸氢二钾等；有机溶剂为乙醇、丙醇、正丁醇、戊醇、油醇、乙酸乙酯、丙酮或乙醚等。

将此含盐发酵液和有机溶剂的混合液静置至分相，上相为富含二元醇的溶剂相或萃取相，下相为富盐相或萃余相。用蒸馏或精馏法从溶剂相中回收溶剂，得到二元醇的粗品和固体盐。

萃取操作方式可以是间歇的，也可以是连续的；对于分配系数较小的体系可以采用多级或逆流萃取的方式。

萃取操作在低于溶剂易挥发的温度下进行。为了使二元醇尽可能多地分配到上相，蛋白、核酸、多糖等大分子和无机盐尽可能保留在下相，可以调节体系的pH值或者向体系中添加络合剂。pH值范围一般在3-10之间，络合剂可以是无机盐类或有机化合物，如磷酸三丁酯(TBP)、辛酸、己酸等。

(2)无机盐和CO₂回收：将发酵和分离过程排出的CO₂废气通入萃取后的富盐相，CO₂与碱性盐反应生成溶解度较低的酸式盐，以沉淀的方式由过滤或离心分离，或者加入有机溶剂溶析结晶。富盐相可以是萃取后的萃余相，也可以是下相经过蒸发浓缩或稀释后的富盐溶液，其盐的饱和度为10％～100％。所通入的气体可以是发酵过程排出的CO₂废气，也可以是分离过程耗能燃煤排出的CO₂废气，或者是发酵和分离过程中排出的CO₂混合废气，其浓度范围为1％-99％(v/v)。

所生成的酸式盐可以为碳酸氢钠、碳酸氢钾、碳酸氢铵、磷酸二氢钾、磷酸二氢钠或碳酸氢钠等。所生成的酸式盐可作为副产物加以利用，也可以通过加热分解的方式回收高浓度的CO₂，并回收碱性无机盐。

本发明的效果和益处是本发明针对目前从发酵液中分离二元醇存在的分离工艺复杂，分离能力小，总体收率低，成本高，二氧化碳排放量大等问题，提供了一种从发酵液中盐析萃取二元醇耦合回收二氧化碳的方法，克服了目前从微生物发酵液中提取分离二元醇工艺存在的诸多弊端，使工艺得以简化，分离时间短，成本降低，经济可行。具体表现在：盐析萃取对二元醇发酵产物有较好的萃取效果，解决了传统萃取剂萃取效率较低的问题；盐析萃取可以直接处理发酵液，免除了菌体分离步骤，并且可以将发酵液中大量的核酸、蛋白、多糖除掉，解决了超滤除杂动力消耗较大、需要对膜进行清洗、菌体浓缩液中残留较多的二元醇无法回收等问题；利用富盐相吸收生产过程中产生的二氧化碳既可以有效地回收无机盐，又可以回收大部分的二氧化碳，解决了盐析萃取盐回收困难以及生产过程中大量排放CO₂的问题。

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。

本实施例中用于生产1，3-丙二醇和2，3-丁二醇的菌种均为克雷伯氏杆菌(Klebsiellapneumoniae)，分别购自中国普通微生物菌种保藏中心(CGMCC2028)和中国工业微生物菌种保藏管理中心(CICC10011)。培养基中必须具备微生物生长所需的营养成分，如甘油或葡萄糖等碳源，酵母浸膏或酵母粉等氮源，钠、钾、氨、镁、钙等阳离子和磷酸根、硫酸根、氯离子等阴离子，以及锌、铁、锰、铜、钴、硼和钼等微量元素。发酵液是分别采用克雷伯氏杆菌批式流加甘油或葡萄糖发酵得到的，其中1，3-丙二醇的浓度为53g/L，2，3-丁二醇的浓度为65g/L。

实施例1：盐析萃取发酵液中1，3-丙二醇

用切割分子量为5,000道尔顿、有效面积为1.5m²的乙酸纤维素超滤膜(日本NIPRO公司的产品，型号FB-150AGA)处理1，3-丙二醇发酵液，得到澄清的滤液。取10mL滤液，加入磷酸钾至饱和，再加入等体积的乙酸乙酯，混合、静置、分相。经气相色谱检测，得到1，3-丙二醇的分配系数为1.28，回收率为56.22％。

实施例2：盐析萃取发酵液中2，3-丁二醇

用切割分子量为5,000道尔顿、有效面积为1.5m²的乙酸纤维素超滤膜(日本NIPRO公司的产品，型号FB-150AGA)处理2，3-丁二醇发酵液，得到澄清的滤液。取10mL滤液，加入碳酸钾至饱和，再加入等体积的乙醚，混合、静置、分相。经气相色谱检测，得到2，3-丁二醇的分配系数为8.1，回收率为90.27％。

实施例3：盐析萃取1，3-丙二醇耦合吸收CO₂

用切割分子量为5,000道尔顿、有效面积为1.5m²的乙酸纤维素超滤膜(日本NIPRO公司的产品，型号FB-150AGA)处理1，3-丙二醇发酵液，得到澄清的滤液。取2L滤液，加入20％(w/w)的乙醇，再加入碳酸钠至饱和，混合、静置、分相。经气相色谱检测，得到1，3-丙二醇的分配系数为7.97，回收率为92.13％。将含20％CO₂的废气以200ml/min的速率通入萃取后的1.251含370g/l碳酸钠的富盐相中，保持37℃恒温和500转/分的搅拌，废气中的CO₂被富盐相吸收，并与碳酸钠反应生成碳酸氢钠。随着CO₂吸收反应的进行，碳酸氢钠逐渐沉淀析出。每反应12h，用减压过滤法去除体系中的碳酸氢钠沉淀。共反应48小时，盐的回收率达到了91％，二氧化碳的最高回收率为86％，总回收率超过60％。所生成的碳酸氢钠在200℃下加热分解，重新得到碳酸钠，并副产浓度在95％以上的二氧化碳。