3-羥基丁酮的一種純化方法
2023-09-19 22:24:40 2
3-羥基丁酮的一種純化方法
【專利摘要】本發明涉及3-羥基丁酮的一種純化方法，屬於工業微生物【技術領域】。首先將發酵液離心去菌體後減壓蒸餾，回收冷凝液，然後將冷凝液進行滲透蒸餾(OD)濃縮，純化收率達到90.0％以上，3-羥基丁酮產品純度達到98.0％以上。本發明以減壓蒸餾和滲透蒸餾相結合的工藝為特徵，解決了單純的減壓蒸餾沒有濃縮作用的問題，提高了3-羥基丁酮的商業價值，具有工藝簡單、條件溫和、環境友好、產品純度高、易於規模化提取等優點。
【專利說明】3-羥基丁酮的一種純化方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種從發酵液中分離純化3-羥基丁酮的方法，屬於工業微生物【技術領域】。
【背景技術】
[0002] 3-羥基丁酮(acetoin)又名乙偶姻、甲基乙醯甲醇，廣泛存在於玉米、葡萄、可可、蘋果、香蕉、麥芽、動物組織中，也是多種微生物糖代謝的中間代謝產物。3-羥基丁酮是乳酸菌發酵牛奶過程中產生的一種主要的香味物質，具有特有的奶油香味，多用作奶油、乾酪、咖啡的香味增強劑，作為一種食用香料，美國食品和萃取協會(FEMA)已批准在食品中使用，其安全號為2008，我國GB2760-1996也已明確規定允許食用。
[0003]3-羥基丁酮分子式為C4H8O2，分子量88.12，有兩個手性異構體，化學結構式見圖1。3-羥基丁酮單體為無色或淡黃色液體，呈奶油香氣，兩分子3-羥基丁酮易聚合成二聚體，二聚體為白色結晶粉末。3-羥基丁酮熔點15°C，沸點148°C，能自燃，混溶於水，溶於乙醇、丙二醇，微溶於乙醚，在植物油中幾乎不溶。
[0004]3-羥基丁酮生產方法主要包括化學合成法和生物轉化法。化學合成主要採用兩種方法:一種是通過丁二酮部分加氫還原；另一種是通過2，3- 丁二醇選擇性氧化。生物轉化法，一種是利用酶法轉化丁二酮生產，另外是通過微生物發酵糖質原料生產。無論以化學合成生產還是生物酶法轉化都是以丁二酮或2，3- 丁二醇為原料，但是丁二酮和2，3- 丁二醇也是合成香料，而非大宗化工產品，因此原料來源及價格都受到限制，這可能也是目前3-羥基丁酮沒有得到較好研究開發的原因之一。以糖質為原料利用微生物發酵生產丁二酮和2，3- 丁二醇文獻報導比較多，但通常3-羥基丁酮只是作為副產物。
[0005]3-羥基丁酮作為一種食用香料和一種重要的平臺化合物，其需求量日益增加，尤其是隨著人們生活水平的不斷提高，對食品的安全性提出了更高的要求。目前，國際上主要有美國JM公司、德國BASF公司和日本信達公司生產3-羥基丁酮，這三家公司均採用化學合成法獲得。國內也有部分企業從事3-羥基丁酮的工業化生產，主要包括江蘇潘南香料廠、河南濮盟集團、上海泰禾化工有限公司、上海愛普香料有限公司以及上海凱信生物科技有限公司等。其中除上海愛普香料有限公司和上海凱信生物科技有限公司外，其餘生產廠家均採用化學法生產，產量質量無法滿足國內外市場對天然香料的需求。最新報導顯示，上海愛普香料有限公司正在聯合國內相關高校進行發酵法生產天然3-羥基丁酮及其衍生物的產業化研究，並已經取得了初步進展，獲得了一株高產3-羥基丁酮的短小芽孢桿菌，申報了相關專利(申請號:200410084381.2);上海凱信生物科技有限公司正在進行以微生物發酵技術生產天然、旋光性3-羥基丁酮的產業化研究，據稱已獲得Kosher認證證書，並通
過天然度檢測權威機構-美國喬治亞大學(University of Georgia)天然度檢測,但其
尚處於試生產階段，生產規模很小，無法滿足市場的巨大需求。開展3-羥基丁酮的生產及應用研究，尤其是開展環境友好、原料來源豐富、條件溫和、產品可視為純天然的微生物發酵法生產3-羥基丁酮的技術研究，具有重要的意義。[0006]目前，對3-羥基丁酮生產菌株和發酵工藝的研究較多，對發酵液中3-羥基丁酮的分離純化工藝幾乎未見報導。蒸餾法從發酵液中提取2，3-丁二醇的文獻報導較多。2，3-丁二醇的沸點是118°C，其它物理性質與3-羥基丁酮相似，研究報導多採用蒸餾法實現2，3-丁二醇的分離提取。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是提供一種從生物發酵液中分離純化3-羥基丁酮的工藝方法，以減壓蒸餾和滲透蒸餾相結合的提取工藝為特徵，解決了單純的減壓蒸餾沒有濃縮作用的問題，提高了 3-羥基丁酮的商業價值。具有工藝簡單、產品純度高、易於規模化提取等優點。
[0008]本發明按下述工藝步驟操作:
[0009]1、發酵液減壓蒸餾:將發酵液離心去菌體，在60~90°C下減壓蒸餾，回收冷凝液，測定3-羥基丁酮含量。
[0010]3-羥基丁酮含量採用氣相色譜法測定。採用熱導檢測器，柱長1.5m,內徑6.35mm,內裝20%聚乙二醇20M(CarbowaX20M)載於酸洗過的60/80目硅藻土載體上，或其他能分離雙乙醯、水和甲基乙醯原醇的組分。測定時採用下列條件:試樣2yg;進樣溫度約195°C ；柱溫約130°C，檢測器約230°C ;載氣氦的流量約為每分鐘35ml。平均滯留時間:雙乙醯為2minl5s，水為3min，甲基乙醯原醇為12min。所得甲基乙醯原醇的峰面積不得少於所有各峰總面積的96.0%。
[0011]2、滲透蒸餾(OD)濃縮:0D濃縮流程如圖2所示。鹽溶液置於組件的左側(管程)，3-羥基丁酮溶液置於右側(殼程)。濃縮過程中，左側水泵把鹽溶液泵入膜組件管程的左端，沿中空纖維膜外壁流動，再由右端流回貯液槽，右側水泵把貯液瓶中的3-羥基丁酮溶液泵入組件殼層的右端，沿中空纖維管程流入左端，再流回貯液槽。每隔一定時間，3-羥基丁酮貯瓶的質量由電子天`平監測。可根據3-羥基丁酮一側貯瓶中質量的減少來計算膜通量。採用的膜組件為聚乙烯中空纖維膜或聚四氟乙烯中空纖維膜，工業中較為廣泛應用的CaCl2、NaCl作為提取質(鹽溶液)，以CaCl2溶液-蒸餾水、NaCl溶液-蒸餾水為鹽溶液體系，不同濃度CaCl2溶液、NaCl溶液對純水OD膜通量的影響不同，CaCl2的濃度範圍在45%~55% (W/W)，NaCl的濃度範圍在15%~20% (W/W)，鹽溶液和3-羥基丁酮蒸餾液的溫度為45~55°C，進料速率為55~70L/h。
[0012]本發明3-羥基丁酮的純化方法，採用多種現代生物技術方法純化濃縮發酵液中的目標產物，純化收率達到90.0%以上，提升了終產品質量，最終3-羥基丁酮產品純度達到98.0 %以上，為無色液體，具有令人愉快的奶油香氣。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1是3-羥基丁酮化學結構式。
[0014]圖2是滲透蒸餾濃縮工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0015]實施例13-羥基丁酮的一種純化方法，按以下步驟依次進行:
[0016]1、發酵液減壓蒸餾:將70L含3-羥基丁酮56.5g/L的發酵液離心去菌體，在90°C下減壓蒸餾，回收冷凝液，測得3-羥基丁酮含量為58.lg/L。
[0017]2、滲透蒸餾(OD)濃縮:採用聚乙烯中空纖維膜，CaCl2作為提取質(鹽溶液)，以CaCl2溶液-蒸餾水為鹽溶液體系，CaCl2的濃度為55% (W/W)，鹽溶液和3-羥基丁酮蒸餾液的溫度為50°C，進料速率為70L/h。
[0018]經過減壓蒸餾和滲透蒸餾，最終得到蒸餾液58.6L，3-羥基丁酮含量為62.3g/L，純化收率為92.3%，產品純度為99.2%。
[0019]實施例23-羥基丁酮的一種純化方法，按以下步驟依次進行:
[0020]1、發酵液減壓蒸餾:將70L含3-羥基丁酮56.2g/L的發酵液離心去菌體，在80°C下減壓蒸餾，回收冷凝液，測得3-羥基丁酮含量為57.5g/L。
[0021]2、滲透蒸餾(OD)濃縮:採用聚乙烯中空纖維膜，NaCl作為提取質(鹽溶液)，以NaCl溶液-蒸餾水為鹽溶液體系，NaCl的濃度為20% (W/W)，鹽溶液和3-羥基丁酮蒸餾液的溫度為55°C，進料速率為60L/h。
[0022]經過減壓蒸餾和滲透蒸餾，最終得到蒸餾液59.3L，3_羥基丁酮含量為61.4g/L，純化收率為92.6 %，產品純度為98.0 %。
[0023]實施例33-羥基丁酮的一種純化方法，按以下步驟依次進行:
[0024]1、發酵液減壓蒸餾:將70L含3-羥基丁酮56.8g/L的發酵液離心去菌體，在90°C下減壓蒸餾，回收冷凝液，測得3-羥基丁酮含量為58.5g/L。
[0025]2、滲透蒸餾(OD)濃縮 :採用聚四氟乙烯中空纖維膜，CaCl2作為提取質(鹽溶液)，以CaCl2溶液-蒸餾水為鹽溶液體系，CaCl2的濃度為50% (W/W)，鹽溶液和3-羥基丁酮蒸餾液的溫度為45°C，進料速率為65L/h。
[0026]經過減壓蒸餾和滲透蒸餾，最終得到蒸餾液57.9L，3_羥基丁酮含量為62.2g/L，純化收率為90.6%，產品純度為98.1%。
【權利要求】
1.3-羥基丁酮的一種純化方法，其特徵在於:本發明包括以下步驟: .1)發酵液減壓蒸餾:70L發酵液離心去菌體後減壓蒸餾，回收冷凝液，氣相色譜法測定.3-羥基丁酮含量； .2)滲透蒸餾(OD)濃縮:聚乙烯中空纖維膜或聚四氟乙烯中空纖維膜為OD膜組件，CaCl2或NaCl作為提取質(鹽溶液)，控制CaCl2和NaCl的濃度範圍、鹽溶液和3_羥基丁酮蒸餾液的溫度以及進料速率。經過減壓蒸餾和滲透蒸餾兩步純化，收率達到90.0%以上，.3-羥基丁酮產品純度達到98%以上，為無色液體，具有令人愉快的奶油香氣。
2.根據權利要求1所述方法，其特徵在於:步驟I)中減壓蒸餾溫度為60~90°C。
3.根據權利要求1所述方法，其特徵在於:步驟2)中採用的OD膜為聚乙烯中空纖維膜或聚四氟乙烯中空纖維膜。
4.根據權利要求1所述方法，其特徵在於:步驟2)中提取質(鹽溶液)為CaCl2或NaCl，CaCl2的濃度 範圍在45%~55% (ff/ff)，NaCl的濃度範圍在15%~20% (W/W)。
5. 根據權利要求1所述方法，其特徵在於:步驟2)中鹽溶液和3-羥基丁酮蒸餾液的溫度為45~55°C，進料速率為55~70L/h。
【文檔編號】C07C45/82GK103483167SQ201310375482
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年8月27日 優先權日:2013年8月27日
【發明者】王克柳, 王美海 申請人:山東魯北藥業有限公司