長鏈二元酸重組分中混合二元酸提取技術(shù)進展

楊晨，宋興福，侯本良，張淑華，劉文鳳

（1 凱賽(金鄉(xiāng))生物材料有限公司，山東濟寧272211；2 上海凱賽生物技術(shù)股份有限公司，上海201203；3 華東理工大學(xué)，上海200237）

長鏈二元酸是指含有10 個或10 個以上碳原子的直鏈二羧酸，是合成麝香、聚酰胺、熱熔膠、耐寒增塑劑、高級潤滑油、高級油漆、涂料和防銹劑等產(chǎn)品的重要原料，被廣泛應(yīng)用于化工、輕工、農(nóng)藥和醫(yī)藥等領(lǐng)域。

長鏈二元酸生產(chǎn)方法分為化學(xué)法和生物法[1-2]。2003 年，凱賽生物公司首次實現(xiàn)了生物法聚合級十二碳二元酸、十三碳二元酸和十四碳二元酸的產(chǎn)業(yè)化，并建成世界上最大的生物法長鏈二元酸生產(chǎn)線。2015 年Invista 公司宣布關(guān)閉世界上最大的化學(xué)法十二碳二元酸生產(chǎn)線，標志著通過技術(shù)進步，使得生物法取代化學(xué)法長鏈二元酸在商業(yè)上獲得成功。

生物法長鏈二元酸工業(yè)生產(chǎn)中聚合級產(chǎn)品主要通過有機溶劑結(jié)晶精制得到，常用的有機溶劑包括乙酸、醇類和酮類等[3-4]。有機溶劑結(jié)晶后固液分離得到結(jié)晶母液，結(jié)晶母液蒸發(fā)回收溶劑后，剩余的總固形物稱之為重組分。重組分中仍含有較多長鏈二元酸，有較高的潛在經(jīng)濟價值。但其雜質(zhì)類型多、組成雜，其分離提取是困擾行業(yè)的難題。本文綜述了重組分中混合二元酸提取技術(shù)研究進展，并探討了其研究重點和方向。

1 重組分組成和雜質(zhì)來源分析

因發(fā)酵目標產(chǎn)物和提取精制工藝差異，重組分組成并不固定。經(jīng)分析，其中主要的組成類別包括：①混合長鏈二元酸，含量50%～70%不等，二元酸碳鏈數(shù)從9到18不等；②一元酸和不飽和酸，含量10%～25%；③無機鹽、色素、細胞構(gòu)成物及代謝副產(chǎn)物等組分，含量10%～30%。

第一、第二部分是重組分的主要組成。因發(fā)酵采用的菌株不同、生產(chǎn)的長鏈二元酸種類不同以及提取長鏈二元酸工藝的不同，混合二元酸的成分也發(fā)生相應(yīng)的變化。其主成分與主線產(chǎn)品有關(guān)，如十二碳二元酸生產(chǎn)線重組分以十二碳二元酸為主。

對于非主線產(chǎn)品的其他碳鏈二元酸、一元酸和不飽和酸的來源，在以烷烴為底物的二元酸發(fā)酵液中，除了由于原料純度不夠造成的發(fā)酵液中存在其他二元酸，同時微生物需要進行多步級聯(lián)的氧化反應(yīng)（α-氧化）才能將長鏈烷烴兩個末端甲基氧化成羧基從而形成二元酸[5-7]，氧化過程會出現(xiàn)多種中間體，未完全氧化的中間體釋放到發(fā)酵液中就形成了雜質(zhì)。同時，微生物也需要利用烷烴進行自主的能量代謝以實現(xiàn)細胞的自我維持（ω-氧化）[5-6]，在將長鏈烷烴逐步代謝為二氧化碳的過程中也會出現(xiàn)多種短碳鏈的中間產(chǎn)物，釋放到發(fā)酵液中也會形成相應(yīng)的雜質(zhì)。由于代謝途徑的不同也會產(chǎn)生除目標產(chǎn)物之外的一元羧酸或二元羧酸；在以脂肪酸或其衍生物發(fā)酵的發(fā)酵液中會存在底物利用不充分而殘留的脂肪酸或其衍生物底物。

第三部分來源于在長鏈二元酸提取過程中，發(fā)酵液中的部分細胞構(gòu)成物和代謝副產(chǎn)物也會最終進入重組分；因生產(chǎn)中有加熱過程，還會發(fā)生美拉德反應(yīng)（Maillard reaction），生成色素類雜質(zhì)。此外，溶劑精制粗品帶入的無機鹽和混雜的活性炭顆粒異物也會富集在母液中。

重組分中含有的長鏈二元酸是提取的目標物，其他組分都是雜質(zhì)。這些雜質(zhì)中，一元酸和不飽和酸與長鏈二元酸很多理化性質(zhì)比較接近，分離難度較大；色素、細胞構(gòu)成物及代謝副產(chǎn)物會影響下游應(yīng)用產(chǎn)品質(zhì)量，更重要的是，這類雜質(zhì)造成了重組分提取體系黏度大、沸點高和難以結(jié)晶等一系列難題，是影響提取工藝實施的重要因素。相對而言，無機鹽和混雜的活性炭顆粒異物易于分離。

2 重組分中混合酸提取方法

目前，對重組分綜合利用的研究報道很少，基本都以專利形式呈現(xiàn)。按照提取手段差異，本文將其歸納為以下幾類。

2.1 水相成鹽-酸化結(jié)晶法

該方法的核心原理是基于酸堿中和反應(yīng)，主要步驟是將重組分與可溶性堿進行反應(yīng)，重組分中的酸生成相應(yīng)的鹽，將所得到的鹽調(diào)節(jié)成一定濃度的水溶液，經(jīng)過脫色、過濾等預(yù)處理方式，去除雜質(zhì)，然后加酸調(diào)節(jié)pH，再將鹽轉(zhuǎn)化為酸沉淀，得到混合酸。該工藝利用二元酸與其他組分在水中的溶解度差異，反應(yīng)結(jié)晶以提純得到混合二元酸。水相中酸堿中和pH 和濃度是主要調(diào)控參數(shù)。因主線的結(jié)晶工藝所用有機溶劑類型和重組分中溶劑含量差異，所采用的方法略有不同。

（1）水相中中和環(huán)節(jié)主要調(diào)節(jié)的參數(shù)是pH 和二元酸的濃度，pH 控制的差異產(chǎn)生的分離效果不同。凱賽生物專利CN102010318A[8]將pH 調(diào)至8～10 溶解重組分，然后經(jīng)兩次活性炭脫色后再酸化得到混合長鏈二元酸。然而，在高pH 下絕大部分雜質(zhì)也呈溶解狀態(tài)，該工藝主要依靠活性炭脫色除雜。凱賽生物專利CN104844440B[9]、CN104844441 B[10]發(fā)現(xiàn)，在一定的條件下，混合二元酸/混合二元酸鹽降溫析出過程中，會發(fā)生油析沉淀，能得到顏色淺白、雜質(zhì)含量低，且容易過濾的混合二元酸/混合二元酸鹽，起到純化的效果。基于此發(fā)現(xiàn)，該專利提出油相固化-二次沉淀工藝，并指出該工藝還可以與氧化工藝聯(lián)合使用。具體的是將重組分加堿調(diào)節(jié)pH 在5.6～7.2 之間，并調(diào)節(jié)溶液中混合二元酸的質(zhì)量分數(shù)為5%～40%，溶解后降溫析出沉淀（降溫前也可對溶液進行脫色等預(yù)處理），分離得到固體；再將固體投入水中，加熱升溫使其溶解后，以臭氧或/和雙氧水為氧化劑進行氧化，從而改善溶液的顏色并降低溶液中不飽和高碳數(shù)二元酸的含量；氧化后再酸化使混合二元酸析出。該方法酸堿用量、活性炭用量比高pH 時低，可以得到顏色白、高碳數(shù)二元酸（C16以上二元酸）含量低的混合二元酸，適合于防銹領(lǐng)域的應(yīng)用。

（2）長鏈二元酸精制時如采用醇為精制溶劑，結(jié)晶母液中含有二元酸酯，需要先將酯轉(zhuǎn)化為二元酸和醇，再分離長鏈二元酸。淄博廣通化工有限責任公司專利CN102795984B[11]以十二碳二元酸精制過程乙醇回收后剩余的副產(chǎn)物為原料，與過量3%的液堿在95～100℃反應(yīng)生成長鏈二元酸鈉鹽和乙醇，回收乙醇，反應(yīng)得到的鈉鹽經(jīng)脫色、酸化結(jié)晶、過濾、洗滌和真空干燥得到混合二元酸。專利CN104447274B[12]、CN104447280B[13]針對甲醇精制十二碳二元酸結(jié)晶母液，也是采用類似的方法獲得混合二元酸。該方法可以得到總酸≥99.7%（質(zhì)量分數(shù)），單酸≥99.3%（質(zhì)量分數(shù)）的產(chǎn)品。該工藝存在的問題在于酸堿用量較多，產(chǎn)生較多的硫酸鹽，需要處理。且工業(yè)化中，該工藝回收溶劑時存在大量二元酸鹽和雜質(zhì)，蒸餾會變得困難。

（3）長鏈二元酸精制時如所用溶劑為水不溶性有機溶劑，如正丁醇、乙醚、乙酸乙酯、乙酸丁酯、甲苯，則可以加堿調(diào)節(jié)其pH≥7，得到有機相和水相；將水相分離、酸化，析出晶體，經(jīng)后處理得到產(chǎn)品[14]。此方法有機溶劑會起到萃取作用，將部分有機雜質(zhì)萃取到有機相中，起到分離雜質(zhì)的效果；但水相仍需要進一步脫色、純化才能獲得比較好的產(chǎn)品。

綜上而言，水相法操作簡單，條件相對溫和，無需溶劑。但耗用酸堿，產(chǎn)生較多的鹽，需要處理。實踐證明，水相法精制二元酸制得的產(chǎn)品純度、外觀色澤及結(jié)晶粒度比有機溶劑法的差，因此要制得高純度的長鏈二元酸，就要對水相法進行進一步的改進。

2.2 有機溶劑結(jié)晶法

有機溶劑結(jié)晶是將重組分在特定的溶劑中通過降溫、溶析等操作使各組分在溶劑中的過飽和度發(fā)生變化，使長鏈二元酸成核結(jié)晶而雜質(zhì)仍留在液相中，從而達到提取二元酸的目的。

重組分來源于有機溶劑結(jié)晶的母液，雖然雜質(zhì)較多，但長鏈二元酸仍是主要組分，控制好結(jié)晶條件仍可以繼續(xù)結(jié)晶。長鏈二元酸精制中常用的有機溶劑包括乙酸[4]、甲醇、乙醇和酮類等[3,15]。但對于工業(yè)化而言，采用一個新的溶劑系統(tǒng)并不方便，涉及溶劑的回收系統(tǒng)投資、安全、環(huán)保諸多方面的問題。為避免采用新的溶劑系統(tǒng)，凱賽生物專利CN104844442A[16]提出結(jié)晶母液濃縮后冷卻結(jié)晶的方法，即將溶劑母液濃縮至體積為原來體積的(1/10)～(1/4)，提高長鏈二元酸的濃度，然后降溫結(jié)晶獲得混合酸。此方法得到的混合酸產(chǎn)品的純度高、顏色淺，可以回收重組分中50%～80%的混合酸。且步驟簡單，無需堿溶、酸化等繁瑣步驟，與主生產(chǎn)線工藝契合程度高，工業(yè)化改造工作量小，是容易實現(xiàn)的工藝。

2.3 萃取法

萃取法是將萃取劑與重組分混合，攪拌，靜置，將富含長鏈二元酸的萃取相分離，再經(jīng)冷卻析出二元酸，除去溶劑后干燥，獲得混合酸產(chǎn)品。萃取法是長鏈二元酸提取中常見的方法，一般常用的萃取劑是醚類[17-18]、醇類[19-21]、丙酮[21]等。但實驗發(fā)現(xiàn)，這些萃取劑（有的也就是精制工藝的結(jié)晶溶劑）對很多雜質(zhì)（如色素）同樣有溶解能力，無法達到分離目的。針對副產(chǎn)物雜質(zhì)特點，凱賽生物專利CN103965035B[22]發(fā)現(xiàn)采用烷烴為溶劑，溶解長鏈二元酸，得到的萃取相顏色非常淺，而棕黑色的色素等雜質(zhì)基本沒有被溶解，兩相易于分離；同時，烷烴溶劑可以循環(huán)使用，而不影響長鏈二元酸結(jié)晶的顏色。該工藝具體步驟包括：將重組分與烷烴混合，加熱到110℃以上使二元酸溶解，將其與雜質(zhì)部分分離，然后再對二元酸烷烴溶液進行降溫結(jié)晶，得到的產(chǎn)品總酸、單酸純度均較高，總氮含量可降到70mg/kg以下。該技術(shù)對色素類雜質(zhì)去除率高，結(jié)晶時又可以去除部分一元酸和不飽和酸，起到一舉兩得的效果，但將烷烴徹底去除的技術(shù)要求很高。

2.4 色譜分離法

色譜分離法將重組分用堿調(diào)節(jié)pH 至堿性，必要時將其預(yù)處理成無懸濁物的清液，然后使其流經(jīng)樹脂等具有選擇性吸附功能的處理柱進行分離，在各流出時間收集洗脫液，洗脫液進一步酸化結(jié)晶得到產(chǎn)品。色譜分離法在化學(xué)法生產(chǎn)己二酸的副產(chǎn)物分離丁二酸、戊二酸和己二酸中有所研究[23]。凱賽生物專利CN102190572A[24]采用大孔吸附樹脂、活性炭、活性白土、硅藻土和硅膠對重組分進行色譜分離。該方法可以簡便有效地將長鏈二元酸與色素等雜質(zhì)分離出來，并且能夠?qū)Υ嬖谟谕蝗芤褐械牟煌L鏈二元酸進行分離。US20160159723A1[25]也提出了類似的方法。但因重組分組分復(fù)雜，不同碳鏈的二元酸和一元酸、不飽和酸及其他雜質(zhì)與吸附劑的吸附性能區(qū)分度較低，往往難以達到較高的分離度。另外，處理柱清理和重復(fù)利用困難，操作復(fù)雜，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。因此，該方法需要與其他提取方法聯(lián)合使用，方能取得較好的效果。

2.5 酯化分離法

長鏈二元酸常壓沸點約300℃以上，在如此高的溫度下難以通過精餾分離，所含熱敏性雜質(zhì)也易高溫變性。若要降低沸點[26]，一則可以采用提高真空度的方法，如在高真空下十二碳二元酸沸點為254℃（2.0kPa）、245℃（1.33kPa）；另一個辦法就是將長鏈二元酸酯化，所對應(yīng)的長鏈二元酸酯在同樣壓力條件下，沸點可以降低100℃左右，便于精餾分離。此外，重組分酯化過程中一些雜質(zhì)并不發(fā)生酯化，仍為高沸點組分。因而，采用酯化法將混合二元酸粗品與低碳醇在催化劑作用下酯化得到二元酸酯，然后采用精餾分離純化，加水催化水解，母液冷卻結(jié)晶，可以得到純度較高的長鏈二元酸[27]。水解酯后分離得到的醇可以循環(huán)使用。理論上，只要有足夠高的塔板，就可以將不同鏈長的二元酯分離，但這是以提高成本為代價的。更理想的情況是，所得的混合酯直接應(yīng)用于下游市場，避免后續(xù)的水解過程，提高產(chǎn)品附加值。

3 總結(jié)和展望

除上述方法，長鏈二元酸提取中可用的一些技術(shù)，如熔融結(jié)晶[28]，因重組分組分復(fù)雜，以混合二元酸為主，不存在固定熔點，難以結(jié)晶；水相反應(yīng)結(jié)晶在發(fā)酵液提取中有所應(yīng)用[29]，但因混合酸高溫下酸析時發(fā)生油析，低溫下結(jié)晶狀態(tài)差也無法達到理想效果。長鏈二元酸的應(yīng)用對二元酸的純度、顏色、熱穩(wěn)定性等指標要求非常高，而重組分中復(fù)雜的組成導(dǎo)致分離提純成為行業(yè)中的難題。從目前看，生物法長鏈二元酸生產(chǎn)過程產(chǎn)生的重組分還沒有進一步處理，提取其中的混合二元酸并形成推向市場的產(chǎn)品還沒有規(guī)模應(yīng)用，需要進一步開發(fā)。對重組分的研究迫在眉睫，探索行之有效的資源化利用工藝是行業(yè)和企業(yè)的內(nèi)生需求。本文分析了不同提取方法的原理和效果，從上述分析看，各提取技術(shù)各有優(yōu)劣，未來研究的重點主要有以下幾個方面。

（1）開發(fā)新的提取工藝 針對重組分中混合酸提取，或基于不同類型雜質(zhì)理化性質(zhì)差異，開發(fā)新的提取技術(shù)，如超臨界二氧化碳萃取技術(shù)、開發(fā)高分離度的色譜樹脂；或在結(jié)晶、萃取和蒸餾等技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合膜分離[21,30]等工藝進行預(yù)處理，達到更好的精制效果，將復(fù)雜組成的重組分中的長鏈二元酸與雜質(zhì)分離，形成品種和規(guī)格的多樣化，提供滿足不同客戶要求的產(chǎn)品。

（2）提高提取裝備水平 提取工藝需要專用分離設(shè)備以實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。因組分的混雜，對設(shè)備的加工要求很高，如在高真空下，利用沸點差可分離二元酸與雜質(zhì)，但對真空度要求極高，從而對設(shè)備的密封性要求極高，同時對精餾系統(tǒng)的壓降要精密控制。如采用萃取技術(shù)時，需要在高溫下將萃取相和黏性大的色素相分離，對液液分離設(shè)備的防堵塞要求很高。只有提高提取裝備水平，才能實現(xiàn)合適工藝的產(chǎn)業(yè)化。

（3）加強環(huán)保處理措施 在提取重組分中混合酸的同時，因提取方式不同，或存在于水相中，或形成含有少量灰分的固體殘渣，需要采用污水系統(tǒng)的生物代謝、殘渣焚燒技術(shù)等徹底處理，全面實現(xiàn)重組分減量化資源化的目的。

可以預(yù)見，隨著分離技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展，長鏈二元酸重組分也一定會被“吃干榨凈”，促進長鏈二元酸行業(yè)的良性發(fā)展。