[发明专利]一种基于全膜分离系统的丁二酸分离装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及发酵工业中丁二酸分离领域，具体地，本发明涉及一种基于全膜分离系统的丁二酸分离装置及方法。

背景技术

丁二酸(Succinic Acid)又名琥珀酸，广泛存在生物体中，是一种重要的二元有机羧酸，也是微生物三羧酸循环及糖酵解途径的重要代谢产物。因其独特的结构和化学性质，丁二酸在很多领域有着广泛的用途，可用于合成可降解塑料、医药领域的镇定剂、食品工业的食品添加剂、表面活性剂及其它等。丁二酸的合成由传统的化工合成方法和新型的生物发酵法，因生物发酵法原料低廉，并且可以固定CO₂而成为近些年来有机酸研究的热点。除了发酵工艺(US7455997、CN101389752、US6596921)及菌种选育(CN101531972)等的探索，丁二酸的分离纯化也是发酵液生产丁二酸的重要研究内容。

目前专利及文献中报道的丁二酸的分离纯化方法主要有钙盐法、液液萃取法、吸附法、电渗析法、膜分离等方法，现有的丁二酸发酵液提取工艺存在的主要问题总结如下：

1、尽管钙盐法(CN101643400、US5143834)为当前生产丁二酸所用的主要分离纯化方法，但是在其工艺过程中需要大量的钙盐原料氧化钙或氢氧化钙，同时钙盐法在生产丁二酸的同时会生产大量的副产物石膏，并且该工艺线路繁杂，产品的质量不稳定。

2、液液萃取法(US5773653)提取丁二酸主要是采用叔胺类萃取剂进行萃取，萃取剂的选择面很窄，而且萃取效率不高，另外很重要的问题是萃取剂具有较大的毒性，不适于制备食品级或者医药级的丁二酸。

3、吸附法(CN101348428、CN101348429、CN101811953A)主要采用离子树脂吸附，该工艺存在的主要问题是吸附剂的吸附量比较小，树脂处理频繁，再生困难，并且该工艺过程需要大量的洗脱液，因此对水的用量较大。

4、电渗析法(CN101486637A)工艺存在的主要问题是耗能太高，并且电渗析膜也很容易污染损耗。

5、现有的膜分离方法主要是利用单个膜单元操作比如微滤或者超滤进行丁二酸的分离，而没有将其与合适的单元操作结合起来，单元操作设计不合理，使得工艺路线繁杂，或者分离效果差。比如中国专利CN101748161A采用超滤单元操作处理丁二酸的发酵液，超滤之前使用过滤装置实现固液分离，这样不利于实现分离工艺和发酵工艺的耦合；中国专利CN101811953A将发酵液进行超滤操作，获得的滤液采用H-型强酸性阳离子交换树脂，然后再经过纳滤单元操作，最后再浓缩、结晶获得丁二酸晶体，该工艺路线较长，单元操作较多，经济性差；中国专利CN101486637A将丁二酸发酵液先进行微滤操作，再通过纳滤截留蛋白及色素，然后再通过电渗析、浓缩、结晶等操作获得丁二酸晶体，该工艺中纳滤操作除去蛋白色素，经济性差，可以采用超滤和活性炭吸附代替，之后的电渗析操作也可以通过直接调节pH来实现，工艺路线不经济，操作单元功能重叠；中国专利CN1887843A中将发酵液经过微滤超滤之后进行活性炭吸附脱色，浓缩结晶，获得的丁二酸晶体，此工艺路线虽然简单，但是对于超滤之后未结晶的母液未考虑，造成最终丁二酸的收率较低。中国专利CN101475464利用微滤超滤及两次纳滤对丁二酸的发酵液进行处理，工艺繁多，采用两次纳滤及较多的后续操作处理，并且在工艺中需多次调节pH，其两次纳滤可以用一次合适的纳滤操作来代替，降低了成本，同时也避免了两次纳滤操作带来的多次pH的调节。

微滤、超滤都是基于物理筛分原理实现发酵液的初步澄清，在发酵液的处理中有一定的应用。纳滤是近年来在反渗透基础上发展起来一种新型膜分离技术，其相对截留分子量(MWCO)约为200～2000，随着制膜技术的提高，其相对截留分子量(MWCO)在200以下的也有了很多相关报道。纳滤膜分离基于筛分效应和电荷效应，筛分效应是使得纳滤膜能够较好的截留有机小分子，而基于电荷效应，则其能够很好的将二价及高价离子截留，对于一价离子则具有较高的透过性，除此之外，纳滤操作能对发酵液进行比较好的脱色。当前纳滤技术在饮用水的软化及除去有机物方面、酱油脱盐、果汁牛奶浓缩、中草药成分的提取等方面已有相关专利报道。利用纳滤进行丁二酸的分离纯化，仅有CN101748161A、CN101486637A、CN101475464等几篇专利报道，上述专利中存在的不足已在前面的叙述中指出。基于全膜分离系统进行丁二酸的分离纯化，仅有中国专利CN101475464报道，其存在的问题除了如前所述，还有未考虑将分离工艺与发酵工艺耦合的不足。