從發酵液中提取富馬酸的方法
2023-05-30 03:47:01
專利名稱：從發酵液中提取富馬酸的方法
技術領域：
本發明屬於生物化工技術領域，涉及一種從發酵液中提取富馬酸的方法。
背景技術：
富馬酸又名延胡索酸，化學名稱為反丁烯二酸或反-1,2-乙烯二羧酸，富馬酸是一種重 要的有機基本化工原料和精細化工產品。在食品領域，富馬酸可作為食品酸味劑並起著防 腐劑和抗氧化劑的作用，工業級富馬酸主要用於生產不飽和聚酯樹脂和醇酸樹脂，以及用 作生產電泳漆的原料。富馬酸的衍生物應用廣泛。例如富馬酸二辛酯和富馬酸二異辛酯為 內增塑劑。富馬酸作為一種重要的四碳平臺化合物，可採用酶催化轉化、酯化、加氫等工 藝生產L-天冬氨酸、蘋果酸、琥珀酸、馬來酸、1， 4-丁二醇、丁內酯、和四氫呋喃等四 碳化合物。富馬酸在藥物生產中的應用更加廣泛，它可用於生產解毒藥二巰基丁二酸鈉； 治療人體小紅血球貧血病的富馬酸亞鐵；臨床使用的止痛藥物富馬酸異呱丙毗侖；新型的 抗變態反應藥物富馬酸酮替芬等。
富馬酸的合成方法主要有化學法和發酵法。目前工業上主要採用順酐異構化和糠醛氧 化等以化學法合成富馬酸為主，由於順酐的原料主要是苯和丁垸等不可再生的石油資源， 原料受到了限制，並且對環境的汙染較大，由於原料的特性使得通過這種方法製備的富馬 酸品質達不到食品級或飼料級的要求。使得富馬酸的廣泛應用也受到限制。雖然糠醛可由 植物原料水解得到，但是工藝副反應多，後處理困難，成本高。
微生物發酵生產富馬酸的原料為可再生資源，如玉米漿、甘蔗、葡萄糖、木質纖維等， 發酵法操作條件溫和，環境汙染小，可持續發展性強，此外，發酵工程中吸收C02，發酵法 生產的富馬酸純度高且副產物無毒無害，符合食品級的要求。因此從環保和資源的利用上 來看，發酵法生產富馬酸是一種新興、很有發展潛力的綠色工藝。微生物發酵法製備富馬 酸的常用菌種為根黴菌，如米根黴、少根黴、無根根黴以及黑根黴等。美國專利US4877731 公開了一種通過分階段溶氧控制策略發酵R. arrhizus利用葡萄糖生產富馬酸的方法，Tsao 教授等利用米根黴發酵產富馬酸的方法(Bioprocess Biosyst Eng， 2002， 25:179-181)，中 國專利CN101240259A公開了一種工程菌Escherichia coli JM125生產富馬酸的方法；中 國專利CN101100645A公開了一種用米根黴(Rhizopus Oryzae)ME-Fll生產富馬酸的方法。 目前，微生物發酵法生產富馬酸的方法中，糖酸的轉化率最高的只有85%。富馬酸的產量 只佔總酸產量的90%左右，發酵液中同時含有琥珀酸、蘋果酸、a-酮戊二酸等多種有機酸。 因此將微生物發酵液中的富馬酸進行後處理和提純的研究具有重要意義。
從發酵液中提取富馬酸最傳統的方法有活性炭過濾法、溶劑萃取法和電滲析法。但是 由於活性炭對於含雙鍵物質的強烈吸收，造成了富馬酸的極大損失，對活性炭的處理也會 造成較大的環境汙染。溶劑萃取法在提取的過程中需消耗大量昂貴的有機溶劑垸基化三膦，導致提純成本較高，殘留溶劑的毒性也會對食品級及醫藥級產品的質量有不良影響，同時 該法還不適合高強離子強度的發酵液體系。。電滲析法在操作過程中產生的水電離易和發酵 液中鈣鎂等金屬離子結合在膜上形成垢，降低電滲析膜的使用效果和壽命，，同時較強的反 向對流使該過程不能達到高收率。以上方法均具有一定的局限性，難以實現產業化應用。
George T. Tsao等人於1996年在Applide and Environmental Microbiology發表了 利用R. oryzae具有自我固定的特性，設計了一種旋轉生物膜接觸器偶聯吸附柱的裝置從 米根黴的發酵液中吸附收集富馬酸的方法。但是該方法的發酵液中富馬酸濃度較低，樹脂 的吸附能力未能得到有效利用，從而使得發酵工程中樹脂的使用量相對增加，能耗和物耗 較大，樹脂的再生需會產生大量的廢水，同樣不適合工業生產。
中國專利CN101235394A公開了一種中空纖維膜過濾、納濾濃縮和離子交換吸附耦合技 術分離提取富馬酸的方法。該方法在分離過程中需要精確控制溶液的酸度；雖然提高了樹 脂的利用率，但從大孔樹脂洗脫富馬酸時需要大量的鹼溶液，樹脂的再生也會產生大量的 廢水，對環境不友好；由於樹脂對於琥珀酸和蘋果酸同樣具有吸附能力，因此無法有效分 離琥珀酸和蘋果酸等雜質有機酸。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術中的不足，提供了一種從發酵液中提取富馬酸的方法。
本發明的技術方案概述如下
一種從發酵液中提取富馬酸的方法，由如下步驟組成
(1) 將通過微生物發酵法生產的富馬酸鈉發酵液在0.03 0.3MPa， 10 60°C，通過孔徑 為0. 1 0.5 um的微濾膜進行錯流過濾，濃縮倍數為15 25倍，洗水量為發酵液體積的 1% 20%，截留除去菌體和其他顆粒較大的雜質顆粒；
(2) 將經步驟(1)得到的濾液在0.03 0.3 MPa， 20 60°C，通過截留分子量為3000 120000的超濾膜進行錯流過濾，濃縮倍數20 40倍，洗水量為發酵液體積的1% 20%，截 留除去發酵液中殘留的蛋白質，得到澄清的濾液；
(3) 將所述澄清的濾液通過蒸發器濃縮，濃縮倍數為2 10;
(4) 將濃縮液降溫至20 6(TC，加入無機酸調節pH小於4. 0，得到酸化液；
(5) 將所述酸化液通過離心機過濾，固體用水洗滌，洗滌用水量為所述發酵液體積的0. 1% 5%，由於琥珀酸和蘋果酸等雜質有機酸在水中的溶解度較大，通i離心機過濾有效的除去 了發酵液中的雜質有機酸；
(6) 將洗漆後的固體通過流化床在40 100 'C烘乾；將烘乾產生的蒸汽尾氣用於所述步 驟(3)濾液通過蒸發器濃縮前的預加熱。
所述步驟(3)所述蒸發器為一效蒸發器、二效蒸發器、三效蒸發器或四效蒸發器，優 選的是四效蒸發器。
所述步驟(4)所述無機酸為鹽酸、硫酸、硝酸或磷酸，優選硫酸。 優選的pH為2.0。
本發明所用的發酵液是由葡萄糖、蔗糖、玉米澱粉水解糖漿、農作物秸稈木質纖維素 水解糖漿或甜高粱秸杆糖漿為原料發酵得到的含富馬酸鈉的發酵液本發明的方法由於採用了微濾膜和超濾膜，可以除去發酵液中的菌體、顆粒較大的雜 質顆粒和蛋白質，過濾液清澈。質量明顯優於常規發酵液處理採用的離心、絮凝及壓濾方 法，並且操作過程無高速運轉部件，降低了能耗和勞動強度。通過將蒸發、酸化、離心和 烘乾的有效結合，使得雜質有機酸和富馬酸有效的得到了分離，同時避免了利用樹脂吸附 富馬酸而產生的大量廢水。將烘乾產生的蒸汽尾氣得到了綜合利用，蒸汽的利用率得到了 提高。本發明各工序之間串聯緊密，料液始終在密閉的條件下循環，整個工藝過程條件溫 和，不添加任何有機溶劑，工藝流程簡單，對設備要求不高，最後的產品純度高，經檢測 分析富馬酸含量大於99. 0%。
圖l從發酵液中提取富馬酸的工藝流程圖。
具體實施例方式
下面結合具體實施例對本發明作進一步的說明。
實施例1
從發酵液中提取丁富馬酸的方法，由下述步驟組成
將5000L微生物發酵法生產的含富馬酸40.6g/L的富馬酸鈉發酵液通過孔徑為O.lum 的微濾膜進行錯流過濾，除去菌體及顆粒雜質，操作壓力0.12MPa，溫度3(TC，濃縮倍數 為19倍，洗水量為250L，微濾後的清液經截留分子量為80000的超濾膜錯流過濾，除去 發酵液中殘留的蛋白質，操作壓力0.1MPa，溫度40'C，濃縮倍數30倍，洗水量為400L， 得到澄清的濾液，澄清的濾液經四效蒸發，濃縮倍數5倍，濃縮液降溫至3(TC，用硫酸調 整濃縮液的pH值為2.0 ，酸化液離心，固體用50L水洗滌，固體用流化床在10(TC烘乾3 小時，得到189. 2Kg白色的富馬酸成品，收率93. 2%。
實施例2
從發酵液中提取富馬酸的方法，由如下步驟組成
(1) 將通過微生物發酵法生產的富馬酸鈉發酵液在0.03MPa， 60°C，通過孔徑為0.5 um 的微濾膜進行錯流過濾，濃縮倍數為15倍，洗水量為發酵液體積的1%，截留除去菌體和 其他顆粒較大的雜質顆粒；
(2) 將經步驟(1)得到的濾液在0.03 MPa， 60'C,通過截留分子量為120000的超濾膜 進行錯流過濾，濃縮倍數20倍，洗水量為發酵液體積的1%，截留除去發酵液中殘留的蛋 白質，得到澄清的濾液；
(3) 將所述澄清的濾液通過蒸發器濃縮，濃縮倍數為6;
(4) 將濃縮液降溫至6(TC，加入磷酸調節pH為3.9，得到酸化液；
(5) 將所述酸化液通過離心機過濾，固體用水洗滌，洗滌用水量為所述發酵液體積的0. 1%;
(6) 將洗滌後的固體通過流化床在100 'C烘乾；將烘乾產生的蒸汽尾氣用於所述步驟(3) 濾液通過蒸發器濃縮前的預加熱。
實施例3
從發酵液中提取富馬酸的方法，由如下步驟組成-(1)將通過微生物發酵法生產的富馬酸鈉發酵液在0.3MPa， 30°C，通過孔徑為O.lum的微濾膜進行錯流過濾，濃縮倍數為25倍，洗水量為發酵液體積的20%，截留除去菌體和其 他顆粒較大的雜質顆粒；
(2) 將經步驟(1)得到的濾液在0.2 MPa， 50°C，通過截留分子量為3000的超濾膜進行 錯流過濾，濃縮倍數40倍，洗水量為發酵液體積的20%，截留除去發酵液中殘留的蛋白質， 得到澄清的濾液；
(3) 將所述澄清的濾液通過二效蒸發器濃縮，濃縮倍數為2;
(4) 將濃縮液降溫至3(TC，加入硝酸調節pH為2.0，得到酸化液；
(5) 將所述酸化液通過離心機過濾，固體用水洗滌，洗滌用水量為所述發酵液體積的5%。
(6) 將洗滌後的固體通過流化床在60 'C烘乾；將烘乾產生的蒸汽尾氣用於所述步驟(3) 濾液通過蒸發器濃縮前的預加熱。
實施例4
從發酵液中提取富馬酸的方法，由如下步驟組成
(1) 將通過微生物發酵法生產的富馬酸鈉發酵液在0.1 MPa, IO'C，通過孔徑為0.3 um 的微濾膜進行錯流過濾，濃縮倍數為20倍，洗水量為發酵液體積的10%，截留除去菌體和 其他顆粒較大的雜質顆粒；
(2) 將經步驟(1)得到的濾液在0.3 MPa， 2CTC，通過截留分子量為10000的超濾膜進 行錯流過濾，濃縮倍數30倍，洗水量為發酵液體積的10%，截留除去發酵液中殘留的蛋白 質，得到澄清的濾液；
(3) 將所述澄清的濾液通過三效蒸發器濃縮，濃縮倍數為10;
(4) 將濃縮液降溫至2(TC，加入鹽酸調節pH小於l.O，得到酸化液；
(5) 將所述酸化液通過離心機過濾，固體用水洗漆，洗滌用水量為所述發酵液體積的2%;
(6) 將洗滌後的固體通過流化床在4(TC烘乾；將烘乾產生的蒸汽尾氣用於所述步驟(3) 濾液通過蒸發器濃縮前的預加熱。
權利要求
1.一種從發酵液中提取富馬酸的方法，其特徵是由如下步驟組成(1)將通過微生物發酵法生產的富馬酸鈉發酵液在0.03～0.3MPa，10～60℃，通過孔徑為0.1～0.5um的微濾膜進行錯流過濾，濃縮倍數為15～25倍，洗水量為發酵液體積的1％～20％，截留除去菌體和其他顆粒較大的雜質顆粒；(2)將經步驟(1)得到的濾液在0.03～0.3MPa，20～60℃，通過截留分子量為3000～120000的超濾膜進行錯流過濾，濃縮倍數20～40倍，洗水量為發酵液體積的1％～20％，截留除去發酵液中殘留的蛋白質，得到澄清的濾液；(3)將所述澄清的濾液通過蒸發器濃縮，濃縮倍數為2～10；(4)將濃縮液降溫至20～60℃，加入無機酸調節pH小於4.0，得到酸化液；(5)將所述酸化液通過離心機過濾，固體用水洗滌，洗滌用水量為所述發酵液體積的0.1％～5％；(6)將洗滌後的固體通過流化床在40～100℃烘乾；將烘乾產生的蒸汽尾氣用於所述步驟(3)濾液通過蒸發器濃縮前的預加熱。
2. 根據權利要求1所述的一種從發酵液中提取富馬酸的方法，其特徵是所述步驟(3)所述蒸發器為一效蒸發器、二效蒸發器、三效蒸發器或四效蒸發器。
3. 根據權利要求2所述的一種從發酵液中提取富馬酸的方法，其特徵是所述蒸發器為四效蒸發器。
4. 根據權利要求1所述的一種從發酵液中提取富馬酸的方法，其特徵是所述步驟(4)所述無機酸為鹽酸、硫酸、硝酸或磷酸。
5. 根據權利要求4所述的一種從發酵液中提取富馬酸的方法，其特徵是所述無機酸為硫酸。
6. 根據權利要求1所述的一種從發酵液中提取富馬酸的方法，其特徵是所述步驟(4)所述pH為2. 0。
全文摘要
本發明公開了一種從發酵液中提取富馬酸的方法，由如下步驟組成(1)將富馬酸鈉發酵液通過微濾膜進行錯流過濾；(2)將濾液通過超濾膜進行錯流過濾，得到澄清的濾液；(3)將澄清的濾液通過蒸發器濃縮；(4)降溫，加入無機酸調節pH小於4.0，得到酸化液；(5)將酸化液通過離心機過濾，固體用水洗滌；(6)將洗滌後的固體通過流化床烘乾；將烘乾產生的蒸汽尾氣用於所述步驟(3)濾液通過蒸發器濃縮前的預加熱。本發明的方法降低了能耗和勞動強度，雜質有機酸和富馬酸有效的得到了分離，同時避免產生大量廢水。蒸汽尾氣得到了綜合利用，工藝過程條件溫和，不添加任何有機溶劑，工藝流程簡單，對設備要求不高，產品純度高。
文檔編號C07C57/15GK101492366SQ200910068108
公開日2009年7月29日 申請日期2009年3月12日 優先權日2009年3月12日
發明者萬屹東, 華文松, 芮新生, 陸瑾連, 顧松林 申請人:常茂生物化學工程股份有限公司