[发明专利]一种从发酵液中分离1,3-丙二醇、乙酸和丁酸的方法

说明书

本发明属于生物工程技术领域，提供了一种从发酵液中分离1,3‑丙二醇、乙酸和丁酸的方法。该方法为：发酵液经微滤、超滤得到发酵清液，除去几乎全部菌体和大部分杂蛋白；将发酵清液浓缩，除去部分水分；用酸将浓缩液调节至酸性，过滤除去沉淀物；采用疏水性有机溶剂萃取上清液中的乙酸和丁酸，碱或碱性无机盐溶液反萃取萃取液中的有机酸，萃余液进行精馏，回收1,3‑丙二醇。本方法操作简单、回收率高，解决了1,3‑丙二醇与副产物难以分离、成本高的问题，是一种很有工业应用前景的分离方法。

技术领域

本发明属于生物工程技术领域，涉及微生物发酵液的分离技术，特别涉及到从发酵液中分离提取1,3-丙二醇、乙酸和丁酸的方法。

背景技术

1,3-丙二醇是一种重要的化工原料，可用于溶剂、涂料、化妆品、医药和动物饲料等多个行业。由于分子中带有两个羟基官能团，可作为单体参与多种缩聚反应合成聚酯、聚醚和聚氨酯等，其中与对苯二甲酸合成的聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)具有不易产生静电、良好的回弹性、耐污性以及生物可降解性等优点，在纤维和工程塑料等行业有巨大的应用前景。

目前，伴随着生物柴油的生产会产生大量的副产品粗甘油，通过微生物发酵将其转化成1,3-丙二醇，不仅避免资源的浪费，减少废物排放，而且生产高附加值产品，实现“变废为宝”。自然界能够转化甘油发酵生产1,3-丙二醇的微生物包括克雷伯肺炎杆菌(Klebsiella pneumoniae)、巴氏梭菌(Clostridium pasteurianum)、丁酸梭菌(Clostridium butyricum)、拜氏梭菌(Clostridium beijerinckii)等，其中克雷伯肺炎杆菌和丁酸梭菌具有良好的底物耐受性、较高的转化率和生产强度等，受到的关注最多。克雷伯肺炎杆菌是条件致病菌，且发酵液中副产物较多，如2,3-丁二醇、乙酸、乙醇、乳酸、琥珀酸、柠檬酸、甲酸等，产物分离困难，而丁酸梭菌是益生菌，发酵副产物只有乙酸和丁酸，因此具有更好的工业化应用前景。

尽管微生物发酵法生产1,3-丙二醇有诸多优点，但下游的分离提取还面临着诸多困难。1,3-丙二醇亲水性强，沸点高(214℃)；发酵液中1,3-丙二醇的浓度低，通常约为7～8.5％(w/w)；发酵液中成分复杂，不仅包括蛋白质、多糖、核酸等生物大分子，还含有无机盐、有机盐、残存甘油、色素等小分子物质，在下游分离纯化过程中，盐与蛋白的相互作用会导致精馏过程无法正常进行。这些问题使得1,3-丙二醇的分离成本较高，阻碍了其大规模生产应用。

为了解决1,3-丙二醇发酵液下游分离困难的问题，各国研究者对不同的分离工艺进行了探究。CN105712842A公布了一种发酵液中1,3-丙二醇的分离提取方法，通过向发酵液中加入芳香醛类物质和催化剂，将1,3-丙二醇转化成缩醛类物质，分离上相，然后经过浓缩除去未反应的芳香醛类溶剂和残余水分，向浓缩液中添加纯水和水解催化剂，使1,3-丙二醇转移到水相，最后精馏得到1,3-丙二醇产品。虽然反应萃取能提高1,3-丙二醇的分配系数和回收率，但是发酵液中含有其它复杂的成分导致多种副反应伴随发生，同时催化剂也容易失活，给循环使用带来困难。电渗析可以脱盐，有利于进行反应萃取，然而能耗高，膜易污染且清洗频繁，工业上分离成本过高。

CN1816629A公开了一种生物基1,3-丙二醇的纯化方法，其基本过程包括：(1)将发酵液经过微滤、超滤、纳滤除去分子量大于200道尔顿的分子；(2)将步骤(1)得到的过膜液经过多级离子交换除去小分子离子，然后蒸馏脱水得到浓缩液；(3)将步骤(2)中的浓缩液进行氢化或硼氢化，将与1,3-丙二醇沸点相近的杂质转化为可在后续蒸馏中分离的化合物；(4)将步骤(3)中的1,3-丙二醇溶液经多级蒸馏得到1,3-丙二醇纯品。其操作过程较为繁琐，特别是树脂吸附量较小，需要频繁清洗再生，该方法所用的发酵液是基因工程菌发酵，其中1,3-丙二醇浓度较高(135g/L)，自然菌种发酵很难达到这种效果。