一種二元醇與有機酸聯產與分離方法

2023-12-08 12:34:26 2

專利名稱：一種二元醇與有機酸聯產與分離方法
技術領域：
本發明屬於生物工程技術領域，涉及到微生物發酵聯產和二氧化碳回收利用技術，特別涉及一種二元醇與有機酸聯產與分離的方法。
背景技術：
在能源需求不斷擴大、石油資源供應不穩定的情況下，以可再生生物質資源為原料的生物煉製技術越來越受到國內外研究學者的高度重視，尤其是利用工業生物技術生產的生物質能源和生物基大宗化學品，如燃料乙醇、生物柴油、生物氣、生物氫氣以及1，3_丙二醇、2，3-丁二醇、乳酸、琥珀酸、丁醇/丙酮等。其中，1，3-丙二醇、2，3-丁二醇、乳酸和琥珀酸等都備受關注、也是最有工業化前景的二元醇和二元酸類發酵產物。1，3-丙二醇和2， 3_ 丁二醇都是重要的化工原料，具有廣泛的應用領域，如用作溶劑、合成藥物中間體、汽車抗凍劑、潤滑劑、添加劑以及聚合物單體等。由於二者結構和性質存在差異，應用上也稍有區別。1，3-丙二醇主要用途是生產高品質的聚酯材料——聚對苯二甲酸丙二酯(PTT)。2， 3_ 丁二醇可以用於合成手性藥物中間體，可以轉化生成甲乙酮、2- 丁烯、1，3_ 丁二烯、乙偶姻和二乙醯等重要化合物。近幾年1，3_丙二醇與2，3_ 丁二醇的混合物與對苯二甲酸合成新的聚酯材料也已引起人們的關注。有機酸(甲酸、乙酸、乳酸、琥珀酸、檸檬酸、蘋果酸、延胡索酸等)作為生產前景廣闊的化工原料和中間體，在很多領域都有著廣泛的應用。其中乳酸可用作防腐劑、調味料及酸味劑，而以乳酸為單體的聚乳酸(PLA)可廣泛應用於醫藥、 塑料、化妝品及農業中；琥珀酸是一種重要的C4平臺化合物，可以衍化生成1，4_丁二醇、四氫呋喃、Y-丁內酯等大宗化學品，琥珀酸也廣泛用於醫藥、食品、農藥、香料、橡膠、防護塗料、染料和照相材料等工業中。目前1，3_丙二醇主要以石油裂解的乙烯和丙烯為原料化學合成，價格較高；而具有手性的2，3_ 丁二醇化學合成相當困難，因此微生物發酵法生產這兩種二元醇具有相當大的優勢。2006年杜邦公司完成了以基因工程大腸桿菌將葡萄糖一步轉化為1，3_丙二醇的中試研究，德國和國內的清華大學、大連理工大學也相繼完成了用天然菌株將甘油轉化為1，3-丙二醇的中試試驗。近幾年甘油生物轉化發酵生產1，3-丙二醇工藝研究主要包括兩步發酵法、葡萄糖輔助發酵、混菌發酵、微氧發酵、生物柴油副產粗甘油的直接利用等。微生物法生產2，3_ 丁二醇在二戰期間的德國就實現了工業化生產，近幾年又引起企業界的關注。相對於產1，3-丙二醇的菌種，用於生產2，3-丁二醇的菌株具有更寬的底物食譜， 己糖、戊糖、特定的二糖、糖醛酸都可以作為底物，適合於非糧原料，如甘蔗汁(Marilia et al，2001)、木質纖維素(Yu et al, 1985 ；Frazer and McCaskey，1991)、菊芋等的利用。與化學法相比，生物法生產二元醇和有機酸利用的是綠色資源，是一條綠色化工路線，生產過程中排放的CO2較少，並且琥珀酸生產還消耗CO2,理論上每生成Imol琥珀酸要消耗lmol C02。儘管如此，微生物發酵過程中排放CO2也是一個不容忽視的問題。僅乙醇、 1，3-丙二醇、2，3-丁二醇、乳酸、丁醇/丙酮、穀氨酸等幾種大宗發酵產品，二氧化碳的排放量就將達到3. 5-6億噸/年。每生產1噸1，3_丙二醇將產生約0. 3-0. 5噸CO2，其中甘油發酵約排放0. 1噸CO2，其餘部分來自發酵和分離的能源消耗。就發酵自身而言，二氧化碳排放實際上是浪費了原料，如果能將排放的CO2回收用於生產琥珀酸，實現1，3_丙二醇與琥珀酸聯產，就能提高原料利用率，減少溫室氣體的排放。利用CO2生產琥珀酸通常採用高產玻拍酸的菌種(如產玻拍酸厭氧螺菌(Anaerobiospirillum succiniproducens)禾口產玻珀酸放線桿菌(Actinobacillus succinogenes))或基因工程菌(如大腸桿菌)，這樣就需要不同的培養體系，實施起來比較麻煩。如何在同一培養體系中實現CO2的回收利用和上述二元醇和有機酸的聯產？已有的研究表明，甘油在Klebsiella pneumoniae內代謝的過程中，除1，3_丙二醇作為主要代謝產物外，琥珀酸作為三羧酸中間產物以及厭氧代謝的終端還原產物，其它副產物包括乙酸、乳酸、乙醇、2，3-丁二醇等。從經濟效益角度看，乙酸、乙醇比較廉價，但卻是主要副產物，而琥珀酸、乳酸和2，3- 丁二醇經濟性較好，但琥珀酸產量較低。如果能通過代謝調控，利用Klebsiella pneumoniae生產1，3_丙二醇的同時將自身排放的CO2再用於合成琥珀酸，那麼就能實現二元醇和有機酸的聯產，減少廉價的副產物， 提升甘油生物轉化過程的整體經濟效益。從NADH2和ATP平衡的角度分析，琥珀酸途徑完全可以取代乙酸和乙醇途徑。通過升高發酵罐壓力、改用碳酸鹽調節PH，有望使代謝傾向琥珀酸途徑。調高罐壓就意味著增加發酵罐內0)2和吐的分壓，從而抑制甲酸裂解酶的活性， 進而影響丙酮酸的進一步代謝，丙酮酸積累將引發一系列代謝變化。！(.pneumoniae的生長過程表現出先產酸後產醇的代謝生理特徵，如果人為補加一些代謝有機酸，將會改變代謝的進程，有利於1，3_丙二醇的形成。甘油與糖類(葡萄糖、果糖、木糖或阿拉伯糖等)共發酵時有利於提高甘油的轉化率，也有利於乳酸、2，3-丁二醇、琥珀酸等副產物的形成。單獨以糖類(葡萄糖、菊芋塊莖水解液、菊芋等植物秸稈水解液等)為發酵底物時，Klebsiella pneumoniae的主要代謝產物是2，3- 丁二醇，副產物是乙酸、乙醇、乳酸、琥珀酸等。通過代謝調控同樣有可能實現2，3- 丁二醇與乳酸和琥珀酸的聯產。 產物分離是二元醇和有機酸聯產面臨的新問題。鹽析萃取或雙水相萃取技術能夠很好地解決現有的雙二元醇和有機酸分離提取方法中存在的步驟多、收率低、成本高等突出問題。採用鹽析萃取技術分離雙二元醇和有機酸，即將無機鹽和有機溶劑同時加入發酵液，在一定範圍內發酵液可形成兩相。上相即為富含目標產物的溶劑相或萃取相，下相為富鹽相或萃餘相。含有菌體的發酵液經鹽析萃取後在兩相之間形成固相層，由細胞、蛋白、核酸、多糖等組成。鹽析萃取體系中所選用的無機鹽包括可溶性磷酸鹽、硫酸鹽和碳酸鹽等， 有機溶劑包括甲醇、乙醇、丙醇、丁醇和丙酮等。前期的研究結果表明，鹽析萃取體系適合於親水性產物的提取分離，特別是二元醇和有機酸等生物基化學品，一步萃取收率通常在 90%以上，而且可以將細胞和發酵液的分離與產物的萃取合二為一，是一種簡單實用的分離集成技術。合理地設計萃取策略，採取不同的鹽析萃取體系組合，第一步將1，3_丙二醇和/或2，3- 丁二醇萃取在上相，乳酸和琥珀酸萃取在下相，第二步再將有機酸萃取到上相， 這樣就可以實現二元醇和有機酸的分離。第一步萃取上相中的1，3-丙二醇和/或2，3-丁二醇可以通過蒸餾、精餾等方法將有機溶劑回收，並將1，3_丙二醇和2，3_ 丁二醇分離開來；第二步萃取上相中的乳酸和琥珀酸可通過結晶、電滲析或酯化精餾等方法將不同有機酸進行分離。可溶性碳酸鹽與有機溶劑形成萃取體系的下相或萃餘相可以用來調節發酵的 PH，發酵尾氣中的CO2可以用來回收萃餘相中的碳酸鹽，當然尾氣中CO2與相應鹼或氧化物反應形成的產物(碳酸鹽)也可以用來調節PH或者用作鹽析劑。總之，發酵、萃取、CO2回收利用可以藕合在一起。本發明提出加壓發酵和碳酸鹽調節pH-鹽析萃取-CO2固定化耦合生產二元醇和有機酸的新思路，以期建立一個綠色、高效、低成本的聯產新工藝。

發明內容
本發明針對目前1，3_丙二醇和2，3_丁二醇發酵中二氧化碳排放、原料利用率低、 發酵產品單一等問題，提出加壓發酵/碳酸鹽調節pH-鹽析萃取-CO2固定化耦合生產二元醇和有機酸的新方法。本發明的技術方案如下本發明利用克雷伯氏桿菌(Klebsiella pneumoniae)在不同的原料下進行發酵，通過升高發酵罐壓力為0. 01-0. 5atm、碳酸鹽調節發酵pH 6. 0或7. 0、調控通氣量 0. 01-0. 8vvm，氣體為CO2、發酵尾氣或含CO2的混合氣，在同一培養體系中實現尾氣二氧化碳的回收利用與二元醇和有機酸的聯產。採用兩步鹽析萃取將二元醇和有機酸分開。其中發酵原料可以為95%工業甘油、60-85%生物柴油副產甘油、葡萄糖、菊芋塊莖、秸稈水解液等中的一種或者幾種按比例混合。碳酸鹽為碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸銨、碳酸鈣、碳酸鎂等，它們可以是發酵尾氣中CO2 與對應鹼或氧化物(氫氧化鈉、氫氧化鉀、氨水、氫氧化鈣或氧化鈣、氫氧化鎂或氧化鎂)反應的產物，或是可溶性碳酸鹽(碳酸鈉、碳酸鉀或碳酸銨)與有機溶劑形成鹽析萃取體系的萃餘相。二元醇是1，3-丙二醇、2，3- 丁二醇，有機酸是乳酸、琥珀酸。二元醇以1，3-丙二醇為主要產物時，調節發酵pH為7.0 ；二元醇以2，3_ 丁二醇為主要產物時，調節發酵PH為6. 0。本發明可以採用間歇發酵、批式流加或連續發酵等方式生產。鹽析萃取體系中所選用的鹽析劑包括可溶性磷酸鹽、硫酸鹽、碳酸鹽或者它們的組合，有機溶劑包括甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、丙酮或者它們的組合。兩步萃取中第一步將1， 3-丙二醇和/或2，3- 丁二醇萃取在上相或有機相，乳酸和琥珀酸萃取在下相或富鹽相，第二步再將有機酸從第一步的富鹽相中萃取到上相，實現二元醇和有機酸的分離。萃取可以採用單級、多級或連續萃取方式。本發明的效果和益處(一 )同一株菌完成二元醇和有機酸的聯產，實現CO2零排放。按照以往的工藝要完成二元醇和有機酸的聯產通常需要兩株不同的菌種，在不同的發酵罐和不同的培養條件下進行，這無疑增加了實施的難度。利用Klebsiella pneumoniae在轉化甘油或葡萄糖生產1，3-丙二醇和/或2，3- 丁二醇的同時副產琥珀酸和乳酸，通過提高罐壓、碳酸鹽調節PH、回用副產有機酸等措施調控細胞代謝，增加琥珀酸和乳酸的產量，未被利用的CO2再用碳酸鹽吸收循環，達到CO2零排放和原料充分利用的目的。( 二)採用兩步鹽析萃取分離二元醇和有機酸，第一步萃取可以直接從發酵液中分離出二元醇，第二步萃取將有機酸從第一步的富鹽相中分離出來。可溶性無機鹽與有機溶劑形成的鹽析萃取體系可將固液分離、濃縮、除蛋白和有機酸等多步工序整合為一，極大地簡化分離工藝。合理地利用二元醇與有機酸在不同鹽析萃取體系中的不同分配行為，採取兩步萃取的策略將兩類產物分離開來。萃取操作易於放大和工業化，兩步萃取前後緊密銜接，極易實施。鹽析萃取可以通過蒸餾和精餾的方式有效地克服萃取劑難回收的問題，但是其鹽的用量較大，而鹽的回收是阻礙鹽析-萃取工業化的最重要因素之一。我們提出採用二氧化碳反應沉澱方法回收該鹽析萃取體系中的碳酸鹽，不僅可以降低分離能耗和成本，而且可以將生產過程中產生的大部分二氧化碳回收，極大的緩解了環境壓力。(三)可溶性碳酸鹽與有機溶劑鹽析萃取的萃餘相用於調節發酵pH，調控二元醇和有機酸聯產，實現了發酵-分離-CO2固定的集成一體化。用可溶性碳酸鹽與有機溶劑鹽析萃取時，其部分萃餘相可回用於發酵過程的pH 調節，實現發酵-分離-CO2固定化的集成。一方面，利用部分富含碳酸鹽的下相代替現有的氫氧化鈉或氫氧化鉀鹼液調節發酵過程的PH，節省除鹽成本並有利於琥珀酸的生產；另一方面萃餘相中還含有發酵剩餘的底物和乙酸、琥珀酸等副產物，琥珀酸等有機酸的添加有助於提高1，3-丙二醇和2，3- 丁二醇的濃度和轉化率，這樣既可以節約分離成本，又有利於提高原料利用率。
具體實施例方式以下結合技術方案詳細敘述本發明的具體實施方式
。實施例1 流加碳酸鈉溶液調節發酵pH實現1，3-丙二醇、乳酸和琥珀酸聯產(一)菌種克雷伯氏桿菌(Klebsiella pneumoniae CGMCC 2028)( 二 )培養基組成①種子培養基(IL)甘油20g；KH2PO4 1. 3g ；CaCO3 :2g ；K2HPO4 · 3H20 4. 454g ； (NH4) 2S04 2. Og ； MgSO4 · 7H20 0. 2g ；酵母粉lg ；微量元素 A :2mL ；Ca2+ 溶液lmL ；Fe2+ 溶液lmL。②發酵培養基(IL)甘油:40g；KH2PO4 :1. 36g ；檸檬酸0. 42g ；MgCl2 · 6H20 0. 26g ； (NH4)2SO4 6. 61g ； 酵母粉lg;微量元素B:5mL。③Fe2+ 溶液組成(IOOml)飽和鹽酸0. 4ml ；FeSO4 · 7H20 0. 5g ；④Ca2+溶液(100ml) =CaCl2 :2g。⑤微量元素A組成(IL)飽和鹽酸0.9mL ；MnCl2 · 4H20 IOOmg ；NiCl2 · 6H20 :25mg ；H3BO3 :60mg ；ZnCl2 70mg ；NaMoO4 · 2H20 :35mg ；CuCl2 · 2H20 :20mg ；CoCl2 · 6H20 :200mgo⑥微量元素B組成(IL)飽和鹽酸=IOmL；NaMoO4 · 2H20 0. 005g ；FeCl3 · 6H20 5. 4g ；CoCl2 · 6H20 0. 47g ； H3BO3 0. 06g ；MnCl2 · 4H20 0. 17g ；ZnCl2 · 6H20 0. 68g ；CuCl2 · 2H20 0. 47g。(三)發酵控制5L發酵罐，批式流加發酵，裝液量3L，發酵溫度37°C，罐壓控制為 0.05atm，流加85%的生物柴油副產甘油，初始濃度為40g/L，接種量為10% (ν/ν)，攪拌轉速為300r/min，通空氣量為0. 04vvm，分別採用5mol/L的氫氧化鈉溶液和2. 5mol/L碳酸鈉溶液調節pH為7. 0。發酵開始4小時後檢測甘油濃度，流加甘油，使甘油濃度控制在20g/L 左右，發酵至33小時結束。
(四)發酵結果採用5mol/L氫氧化鈉溶液調節pH時，發酵33h，菌種在8h時生長最為旺盛，OD為8. 26。產物1，3-丙二醇、琥珀酸、乳酸和2，3-丁二醇的終濃度分別為 52. 32,8. 24,30. 23和10. 02g/L ； 1，3-丙二醇、琥珀酸、乳酸和2，3-丁二醇的質量轉化率分別為37%、6%、22%和7%，甘油的總質量轉化率為72%。採用2. 5mol/L碳酸鈉溶液調節pH時，發酵33小時，菌種在9h時生長最為旺盛， OD為9. 77。產物1，3-丙二醇、琥珀酸、乳酸和2，3-丁二醇的終濃度分別為46. 67、22. 67、 56. 13和8.09g/L。1，3-丙二醇、琥珀酸、乳酸和2，3-丁二醇的質量轉化率分別為30%, 14%、36%和5%，甘油的總質量轉化率為85%。碳酸鈉溶液調節發酵pH相對於氫氧化鈉調節發酵PH而言，1，3_丙二醇和2，3_丁二醇的濃度略有下降，但琥珀酸和乳酸的濃度則分別提高了 175%和86%，甘油總轉化率提高了 13%。實施例2 流加碳酸鈉溶液調節pH實現1，3-丙二醇、琥珀酸和乳酸聯產(一)菌種克雷伯氏桿菌(Klebsiella pneumoniae CGMCC 2028)( 二)培養基組成發酵培養基酵母粉2g，其它同實施例1。(三)發酵控制5L發酵罐，批式流加發酵，裝液量3L，發酵溫度37°C，流加95% 工業甘油，初始濃度為40g/L，接種量為10 % (ν/ν)，攪拌轉速為300r/min，通空氣量為 0. 02vvm,分別採用5mol/L氫氧化鈉溶液和2. 5mol/L碳酸鈉溶液調節pH為7. 0。發酵開始 4小時後檢測甘油濃度，流加甘油，使甘油濃度控制在15-20g/L左右，發酵至36小時結束。(四)發酵結果採用5mol/L氫氧化鈉溶液調節pH時，發酵36h，菌種在14h時生長最為旺盛，OD為9. 47，發酵結束OD降至6. 51。產物1，3-丙二醇、琥珀酸、乳酸、2，3- 丁二醇和乙醇的最終濃度分別為65. 50、9. 65、43. 76、10. 79和6. 86g/L ； 1，3-丙二醇、琥珀酸、 乳酸、2，3-丁二醇和乙醇的質量轉化率分別為36%、5%、24%、6%和4%，甘油的總質量轉化率為75%。採用2. 5mol/L碳酸鈉溶液調節pH時，發酵36h，菌種在16h時生長最為旺盛，OD為 13. 2，發酵結束OD降至8. 56。產物1，3-丙二醇、琥珀酸、乳酸、2，3-丁二醇和乙醇的最終濃度分別為 65. 20,40. 47,60. 97、13. 15 和 10. 04g/L ；1,3-丙二醇、琥珀酸、乳酸、2，3- 丁二醇和乙醇的質量轉化率分別為26%、16%、25%、5%和4%，甘油的總質量轉化率為76%。 碳酸鈉溶液調節發酵PH相對於氫氧化鈉調節發酵pH而言更有利於琥珀酸的生產，琥珀酸的濃度和轉化率分別提高了 319%和207%，乳酸的濃度提高了 39%，1，3-丙二醇濃度相差不大，2，3- 丁二醇濃度略有提高。實施例3 碳酸鈉/乙醇萃餘相調節pH值的1，3-丙二醇批式流加發酵(一)菌種克雷伯氏桿菌(Klebsiella pneumoniae CGMCC 2028)( 二)培養基組成同實施例1。(三)發酵控制5L發酵罐，批式流加發酵，裝液量3L，發酵溫度為37°C，攪拌轉速為200r/min，接種量為10% (ν/ν)，通空氣量為0. 02vvm，發酵過程中分別採用5mol/L氫氧化鈉溶液和碳酸鈉/乙醇鹽析萃取體系萃餘相調節pH為7. 0。流加95%工業甘油，初始濃度為40g/L，待發酵液中甘油消耗至一定濃度時(20g/左右)開始流加甘油，發酵過程中控制甘油濃度在15-25g/L，發酵至36h結束。(四)發酵結果採用5mol/L氫氧化鈉溶液調節pH時，發酵36h後，產物濃度達到最佳，最終殘餘甘油濃度為18. 42g/L，最大菌體OD值為8. 1，最終1，3-丙二醇、琥珀酸、乳酸和2，3- 丁二醇的濃度分別為55. 41,6. 85,25. 63和7. 68g/L ；1,3-丙二醇、琥珀酸、乳酸和2，3-丁二醇的質量轉化率分別為49%、4%、19%和6%，甘油的總質量轉化率為78%。採用碳酸鈉/乙醇鹽析萃取體系萃餘相調節pH時，發酵36h後，殘餘甘油濃度為 18. 40g/L,最大菌體OD值為12. 4，最終1，3-丙二醇、琥珀酸、乳酸和2，3- 丁二醇的濃度分別為64. 29、10. 34,57. 92和8. 08g/L ；1,3-丙二醇、琥珀酸、乳酸和2，3- 丁二醇的質量轉化率分別為46 %、4 %、31 %和5 %，甘油的總質量轉化率為86 %。碳酸鈉/乙醇鹽析萃取體系萃餘相回用於1，3-丙二醇發酵過程相對於氫氧化鈉鹼液調節pH而言，1，3-丙二醇和琥珀酸的轉化率略有下降，但是二者的濃度分別上升了 16%和49% ；乳酸的濃度和轉化率更是分別提高了 126%和60%，濃度達到了 57. 92g/L ；而甲酸和乙酸等其他主要雜質酸濃度分別下降了 123%和122%。實施例4 碳酸鈉/乙醇萃餘相調節pH值的2，3- 丁二醇批式流加發酵(一)菌種克雷伯氏桿菌(Klebsiella pneumoniae CICC 10011)( 二 )培養基組成①種子培養基(IL)葡萄H :80g ； (NH4)2HPO4 6. Og ；KCl 1. 8g ；EDTA 0. 51g ；MgSO4 『 7H20 0. 6g ； FeSO4 · 7H20 0. 0225g ；MnSO4 · 7Η20 :0· 0038g ；ZnSO4 · 7Η20 :0· 0075g ；檸檬酸0· 21g ；檸檬酸鈉0. 294g②發酵培養基(IL)葡萄糖:50g； (NH4)2SO4 6. 61g ；KH2PO4 1. 36g ；酵母粉Ig ；微量元素 B :5ml ； MgCl2 · 6H20 0. 26g ；檸檬酸0. 42g ；③微量元素B組成(IL)飽和鹽酸=IOmL；NaMoO4 · 2H20 0. 005g ；FeCl3 · 6H20 5. 4g ；CoCl2 · 6H20 0. 47g ； H3BO3 0. 06g ；MnCl2 · 4H20 0. 17g ；ZnCl2 · 6H20 0. 68g ；CuCl2 · 2H20 0. 47g。(三)發酵控制5L發酵罐，批式流加發酵，裝液量3L，發酵溫度為37°C，攪拌轉速為300r/min，接種量為5% (ν/ν)，通空氣量為0. lvvm，發酵過程中分別採用5mol/L的氫氧化鈉溶液和碳酸鈉/乙醇鹽析萃取體系萃餘相調節pH為6. 0。當葡萄糖濃度低於50g/L時補加一定量固體葡萄糖，並通過定時補加葡萄糖使其濃度保持在30-50g/L之間。(四)發酵結果採用5mol/L氫氧化鈉溶液調節pH時，發酵52h時，產物濃度達到最佳，最終殘糖濃度為43. 43g/L，最大菌體OD值達到了 15. 91 ;2，3- 丁二醇、乙偶姻、乳酸和琥珀酸的終濃度分別為62. 63、15. 62、14. 26和4. 13g/L ；2，3-丁二醇、乙偶姻、乳酸和琥珀酸的質量轉化率分別為36%、9%、8%和2%，葡萄糖的總質量轉化率為55%。採用碳酸鈉/乙醇鹽析萃取體系萃餘相調節PH時，發酵66h後，最終殘糖濃度為 49. 49g/L，最大菌體OD值達到了 15. 73，2，3-丁二醇、乙偶姻、乳酸和琥珀酸的終濃度分別為78. 18、10. 23、18. 32和8. 13g/L ；2，3-丁二醇、乙偶姻、乳酸和琥珀酸的質量轉化率分別為41%、5%、10%和4%，葡萄糖的總質量轉化率為60%。碳酸鈉/乙醇鹽析萃取體系萃餘相回用於2，3-丁二醇發酵時，2，3-丁二醇、乳酸和琥珀酸的濃度分別比選用氫氧化鈉鹼液調節PH時提高了 25%、28%和97%，三者的轉化率分別提高了 14%、17%和79%。實施例5 :1，3-丙二醇、2，3-丁二醇與乳酸和琥珀酸的鹽析萃取對1，3-丙二醇、2，3-丁二醇、乳酸和琥珀酸聯產的發酵液進行鹽析萃取，發酵液中1，3-丙二醇、2，3- 丁二醇、乳酸和琥珀酸濃度分別為46. 67,8. 36,56. 13和22. 67g/L，向 7. Og的發酵液中加入1. Og碳酸鈉和2. Og乙醇，攪拌均勻，室溫靜置，形成兩相，上相為含有1，3-丙二醇和2，3-丁二醇的醇相，下相為富含乳酸和琥珀酸的鹽相。1，3-丙二醇的分配係數為7. 0，收率為90%，2，3-丁二醇的分配係數和收率分別為8. 0和94%;74%乳酸和 95%琥珀酸分配在鹽相。向鹽相中加入0. 5g磷酸氫二鉀和2. 5g乙醇進行第二次萃取，上相中乳酸的收率為75%，琥珀酸收率為68%。
權利要求
1.一種二元醇與有機酸聯產與分離方法，是以工業甘油、生物柴油副產的甘油、葡萄糖、菊芋塊莖、秸稈水解液中的一種或幾種為原料，在同一培養體系中實現二元醇和有機酸的聯產與CO2的回收利用，採用兩步鹽析萃取將二元醇和有機酸分開，其特徵是(1)菌種克雷伯氏菌屬(Klebsiellapneumoniae)；(2)聯產調控方式利用碳酸鹽調節發酵pH6.0或7.0，通0.01-0.8vvm C02、發酵尾氣或含C02的混合氣，發酵罐壓力為0. 01-0. 5atm ；(3)產品分離方法第一步鹽析萃取將二元醇萃取在上相或有機相，有機酸萃取在下相或富鹽相；第二步再將有機酸從第一步的富鹽相中萃取到上相，從而實現二元醇和有機酸的分離。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵是發酵原料為95%工業甘油、60-85%生物柴油副產甘油、葡萄糖、菊芋塊莖、秸稈水解液中的一種或者幾種混合。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵是調節PH的碳酸鹽為碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸銨、 碳酸鈣、碳酸鎂。
4.根據權利要求1、2或3所述的方法，其特徵是二元醇是1，3-丙二醇、2，3-丁二醇， 有機酸是乳酸、琥珀酸。
5.根據權利要求1、2或3所述的方法，其特徵是發酵方式是間歇發酵、批式流加或連續發酵。
6.根據權利要求4所述的方法，其特徵是二元醇以1，3_丙二醇為主要產物時，調節發酵PH為7.0。
7.根據權利要求4所述的方法，其特徵是二元醇以2，3_丁二醇為主要產物時，調節發酵PH為6.0。
8.根據權利要求1、2或3所述的方法，其特徵是鹽析萃取體系所選用的無機鹽是可溶性磷酸鹽、硫酸鹽和碳酸鹽的一種或幾種組合。
9.根據權利要求1、2或3所述的方法，其特徵是有機溶劑是甲醇、乙醇、丙醇、丁醇和丙酮的一種或幾種組合。
10.根據權利要求3所述的方法，其特徵是碳酸鹽是發酵尾氣中CO2與對應鹼或氧化物反應的產物，或是可溶性碳酸鹽與有機溶劑形成萃取體系的萃餘相。
全文摘要
本發明屬於生物工程技術領域，提供了一種二元醇與有機酸聯產與分離方法。其特徵是以生物轉化甘油或葡萄糖等產二元醇的Klebsiella pneumoniae為研究對象，通過加壓發酵和碳酸鹽調節發酵pH-鹽析萃取-CO2固定化耦合生產二元醇和有機酸，通過兩步鹽析萃取將1，3-丙二醇和2，3-丁二醇與乳酸和琥珀酸分離。本發明既可以通過控制不同的發酵條件，在同一培養體系中實現不同二元醇和有機酸的聯產，提高原料利用率；同時對發酵中產生的尾氣二氧化碳進行回收利用，解決了發酵行業二氧化碳排放的共性問題。本發明建立了高效、低成本的發酵-分離-CO2固定化集成的新工藝，為CO2回用聯產其它化學品提供借鑑。
文檔編號C07C29/86GK102321680SQ20111015131
公開日2012年1月18日 申請日期2011年6月7日 優先權日2011年6月7日
發明者修志龍, 孫亞琴, 戴建英, 李志剛, 魏搏超 申請人:大連理工大學