一种利用疏水硅沸石吸附分离发酵液中2,3-丁二醇的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用疏水硅沸石吸附分离发酵液中２，３－丁二醇的方法，将菌种发酵制得的２，３－丁二醇发酵液预处理后用疏水硅沸石对２，３－丁二醇进行吸附，吸附后用无水乙醇脱附，脱附液除去乙醇后得到２，３－丁二醇。本发明专利技术的方法工艺简单，分离效率高且无任何杂质，同时能耗较低，解决了制约目前２，３－丁二醇发酵生产过程中的瓶颈问题，具有较好的工业应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于生物化工
，具体涉及一种采用疏水硅沸石从微生物发酵液中 吸附分离2，3-丁二醇的方法。
技术介绍
2，3_ 丁二醇广泛应用于化工、食品、燃料以及航空航天等多个领域(Syu M J. ApplMicrobiol Biotechnol，2001，55 (1) 10 18)。其脱水产物甲乙酮是一种低沸点的 溶剂，可应用于涂料、粘结剂、润滑剂、染料、油墨等行业，同时又能用作有机合成香料、抗氧 剂等的中间体；酯化后的脱水产物1，3-丁二烯是一种重要的石油化工基础有机原料和合 成橡胶单体；同甲乙酮浓缩脱氢后形成的辛烷异构体，可用来生产高级航空用油；其高值 衍生物3-羟基丁酮(乙偶姻)和丁二酮广泛应用于食品、香料以及化妆品等行业；同时因 其热值较高、2 , 200kJ/kg)，同乙醇09，100kJ/kg)相当，可作为燃料添加剂使用(Garg S， Jain A. Bioresour Technol,1995,51 (2) :103-109)。自然界中的某些细菌具有产2，3_ 丁二醇的能力，主要包括克雷伯氏菌属 (Klebisella)、类芽孢杆菌属(Paenikicillus)、肠杆菌属(Enterobacter)以及沙雷氏菌 属(Serratia)等(AfscharA S, Vaz Rossell C E, Jonas R, et al. J Biotechnol, 1993, 27(3) :317 329)。在过去的一个世纪里，人们对这些细菌生物合成2，3-丁二醇进行了系 统而深入的研究，使它们生物合成2，3- 丁二醇的发酵终浓度达到了较高的水平(最高可达 113g/L)(Olson B H,Johnson M J. JBacteriol,1948,55(2) :209 222 ；Yu E K C,Saddler J N. Appl Environ Microbiol,1983,46(3) 630 ~ 635 ；Zeng A P, Biebl H, Deckwer W D.Appl Microbiol Biotechnol, 1991,34(4) :463-468)。然而产物 2，3-丁二醇的分离提 取一直是制约微生物发酵法生产2，3- 丁二醇发展的瓶颈之一，这是由于2，3- 丁二醇具有 较高的沸点、非常强的亲水性等自身因素并且通常发酵液中含有一些其它杂质，这使得从 发酵液中将2，3_ 丁二醇分离出来非常困难。目前研究较多的分离方法有减压蒸馏(精 馏)、过蒸发、膜蒸馏、真空膜蒸馏和有机溶剂萃取。精馏是利用混合物中各组分挥发能力 的差异，使混合物得到不断分离，但由于发酵液中成分非常复杂，在达到蒸馏温度之前，发 酵液中的一些可溶部分就会浓缩成较厚的油状积块，从而减慢2，3- 丁二醇的蒸发速率，因 此不宜采用精馏的方法来提取。过蒸发即利用浓度梯度，通过非多孔膜进行组分的选择扩 散；膜蒸馏即通过多孔疏水膜进行的蒸发过程，而真空膜蒸馏即为二者的结合。Qureshi等 (Qureshi N, Meagher M Μ, Hutkins R W. Sep SciTechnol, 1994,29(13) :1733-1748)曾在 真空膜蒸馏过程中使用一种具有微孔结构的聚四氟乙烯膜，这种膜可以允许水蒸气顺利通 过，但能够阻止2，3- 丁二醇通过，采用这种方法使2，3- 丁二醇的最终质量浓度达到430g/ L，但该过程后续分离存在较大困难。另外，过蒸发、膜蒸馏、真空膜蒸馏对设备的要求比 较高，膜成本高，而且存在膜污染、难以清洗等问题，所以很难在工业上得到广泛应用。有 机萃取中使用的萃取剂有正丁烷、二乙基乙醚等，jTsaoCTsao G T. Final report, USDOE,Contract No :EG-77-S-02-4298,1978-07-31)发现使用二乙基乙醚可回收发酵液中75% 的2，3_ 丁二醇，但这种方法因溶剂使用量较大且成本较高等只限于实验室规模，并不适合 大规模工业化生产。吸附是一种低能耗的固相萃取分离技术。吸附作用是由于固体表面的分子或原子 因受力不均衡而具有剩余的表面能。当某些物质碰撞固体表面时，受到这些不平衡力的吸 引而滞留在固体表面上，使被吸附分子在吸附剂表面浓度高于溶液本体相中浓度。用吸附 法处理发酵液主要采用的吸附剂有活性炭、改性纤维素和树脂等。活性炭吸附性能较佳，但 其再生困难(需要过热蒸汽和较高温度)。吸附树脂在各个领域得到应用并形成一种独特 的吸附分离技术，但现有树脂的选择性不高。疏水硅沸石是一种新型的吸附分离材料，1977 年美国联合碳化物公司首先作了报道(Grow R W, Flanigen E Μ. USP 40617 (1977))，它 具有憎水、亲有机物的性质，可在水的存在下选择吸附有机分子。同时疏水硅沸石具有很高 的水、热稳定性，耐强酸和弱碱的化学浸蚀，被吸附的有机物脱附温度不高，不易生成残留 物堵塞孔道。在长期反复的吸附-解吸操作后，再生的温度不高于800°C。由于硅沸石的热 及水热稳定性高于850°C，再生后原有的吸附特性可恢复，在不少场合代替活性碳使用，有 较好的综合经济效益。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对2，3- 丁二醇分离过程中存在能耗高、成本高等问题，提供一 种吸附分离技术，利用疏水硅沸石的吸附作用，分离发酵液中的2，3_ 丁二醇，以降低常规 方法分离2，3_ 丁二醇过程中的能耗和成本，便于2，3-丁二醇的规模化生产。本专利技术的目的可以通过以下措施达到—种利用疏水硅沸石吸附分离发酵液中2，3-丁二醇的方法，将菌种发酵制得的 2，3- 丁二醇发酵液预处理后用疏水硅沸石对2，3- 丁二醇进行吸附，吸附后用无水乙醇脱 附，脱附液除去乙醇后得到2，3-丁二醇。吸附和脱附过程可采用静态处理或动态处理。其中菌种为克雷伯氏菌属(Klebisella)、类芽孢杆菌属(Paenikicillus)、芽孢 杆菌属(Bacillus)、肠杆菌属(Enterobacter)、沙雷氏菌属(Serratia)的细菌。2，3_ 丁二 醇发酵液中2，3- 丁二醇的浓度取决于菌种及发酵过程，优选为30 200g/L。发酵液进行吸附前，需进行一些常规预处理，如过滤、絮凝、微滤或离心等，以除去 发酵液中的菌体，并且以NaOH或KOH调节发酵液pH，使其pH为6. 0 8. 0。本专利技术所使用的疏水硅沸石优选为FX-I型疏水硅沸石、FX-II型疏水硅沸石或 MFI型疏水硅沸石。疏水硅沸石的直径并无太大要求，但考虑到用量及吸附效果，优选为 2. 0 3. Omm0疏水硅沸石的吸附和脱附过程可分为采用静态处理或动态处理两种，均是利用疏 水硅沸石吸附2，3_ 丁二醇后再利用乙醇解吸，其差异仅为吸附和脱附所利用的设备不同， 由此带来了操作步骤不同。其中静态处理为将预处理后的2，3-丁二醇发酵液加入含有疏 水硅沸石的吸附容器中进行吸附，其中吸附条件为疏水硅沸石与发酵液中2，3_ 丁二醇的 质量比为1 1.0 2.0，振动转速为100 250r/min (摇床)，温度为25 80°C，吸附时 间为2 他；吸附后离心弃去上清液，加入0. 5 1. 0倍所处理发酵液体积的无水乙本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用疏水硅沸石吸附分离发酵液中２，３－丁二醇－的方法，其特征是将菌种发酵制得的２，３－丁二醇发酵液预处理后用疏水硅沸石对２，３－丁二醇进行吸附，吸附后用无水乙醇脱附，脱附液除去乙醇后得到２，３－丁二醇。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄和，纪晓俊，李霜，胡南，朱建国，杜军，任潇，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]