發(fā)酵法長鏈二元酸分離提取研究進展

李曉姝，高大成，喬 凱，王領民

（中國石化 撫順石油化工研究院，遼寧 撫順 113001）

發(fā)酵法長鏈二元酸分離提取研究進展

李曉姝，高大成，喬 凱，王領民

（中國石化 撫順石油化工研究院，遼寧 撫順 113001）

微生物發(fā)酵法生產(chǎn)長鏈二元酸（DCn）具有良好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，但由于發(fā)酵液組分復雜，使得DCn的提取分離成為了制約生產(chǎn)的關鍵，同時也決定著產(chǎn)品的質(zhì)量。綜述了發(fā)酵法DCn分離提取中的兩種主要方法——水相法和溶劑法的研究進展。溶劑法提取工藝可滿足下游高品質(zhì)DCn的工業(yè)生產(chǎn)要求，但存在能耗較高、生產(chǎn)線不穩(wěn)定等問題。目前，利用水相法提取聚合級精產(chǎn)品的研究還處于實驗室研發(fā)階段，與其他分離提取工藝的聯(lián)用是實現(xiàn)水相法提取DCn精產(chǎn)品的研發(fā)重點。

長鏈二元酸；分離/提?。话l(fā)酵液

長鏈二元酸（DCn）是指碳原子數(shù)大于10且直碳鏈的兩端均連有羧基的一類化合物，結(jié)構(gòu)通式為 HOOC—（CH2）n—COOH（n = 9～16）［1］。DCn的合成方法主要有化學法和發(fā)酵法兩種?；瘜W法生產(chǎn)DCn目前可合成的最長飽和碳鏈是十三碳二元酸，而其中能工業(yè)生產(chǎn)的只有十二碳二元酸。化學法生產(chǎn)DCn的工藝復雜、條件較為苛刻，生產(chǎn)過程污染嚴重，且產(chǎn)品收率低、生產(chǎn)成本高［2-3］。發(fā)酵法生產(chǎn)DCn是指由熱帶假絲酵母菌（至今為止發(fā)酵用出發(fā)菌株均為自然界篩選得到）利用正構(gòu)烷烴發(fā)酵生產(chǎn)的相應碳數(shù)的二元酸。生物合成法生產(chǎn)DCn具有工藝條件溫和、環(huán)境友好、經(jīng)濟高效等特點，可氧化癸烷到十八烷的正構(gòu)烷烴轉(zhuǎn)化成相應碳數(shù)的

經(jīng)過多年的發(fā)展和改進，DCn的發(fā)酵過程已較為成熟［6-7］。與其他化學品的微發(fā)酵法生產(chǎn)過程類似，從發(fā)酵液中分離DCn的工藝流程較為復雜，造成DCn的提取分離成本占總生產(chǎn)成本的份額很大，因此分離工藝的改進是降低成本的關鍵。隨著DCn應用領域的不斷拓寬，尤其是高端下游產(chǎn)品對DCn原料的要求不斷提升，同樣對分離提取工藝的改進提出了迫切要求。

本文綜述了發(fā)酵法DCn提取分離中兩種主要方法——水相法和溶劑法的研究進展，并探討了提純工藝的發(fā)展方向。

1 DC n的應用及生產(chǎn)概況

DCn的用途非常廣泛，可作為合成聚酰胺工程塑料、高性能尼龍工程塑料、高級香料、油漆、涂料、潤滑油、高溫電介質(zhì)和農(nóng)藥等的原材料［8］。以DCn為原料制成的工程塑料具有諸多優(yōu)良性能，如優(yōu)異的成型加工性、耐熱性、絕緣性、耐腐蝕性等，不同性能可應用于不同的領域。近年來，隨著國內(nèi)外電子、汽車、通訊等新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，市場對聚酰胺工程塑料的需求日益增加，我國現(xiàn)已成為世界上聚酰胺工程塑料的最大進口國［9-10］。

據(jù)現(xiàn)有了解，目前中國以發(fā)酵法生產(chǎn)DCn的生產(chǎn)企業(yè)主要有淄博廣通化工、山東凱賽生物、青島多元生物、山東翰林生物、南通圣諾鑫和中國石化清江石化等［11］。同時該領域的研究工作也主要集中在我國。

2 發(fā)酵液的性質(zhì)和粗酸提取

DCn發(fā)酵液的組分較為復雜，主要包括產(chǎn)物、未轉(zhuǎn)化的烷烴、菌體細胞、蛋白質(zhì)、大分子色素、無機鹽和其他中間代謝產(chǎn)物等。通常終止發(fā)酵液要先進行破乳過程，即采用加堿、加熱的方法，將烷烴去乳化，從而與水相的發(fā)酵液和固體菌體分開，回收的烷烴可重復利用。然后需要通過離心、過濾等預處理手段，除去發(fā)酵液中的菌體和其他固體雜質(zhì)。盧利玲等［12］采用陶瓷微濾膜和卷式超濾膜組合過濾，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的板框過濾工藝對DCn發(fā)酵液進行固液分離，可將發(fā)酵液中的大分子物質(zhì)如蛋白、部分色素等有效截留，終產(chǎn)品的灰分、總氮含量、顏色等指標明顯提升，實現(xiàn)了固體廢料的零排放，降低了工藝的勞動操作強度。

固液分離后的發(fā)酵液通常還需要進行脫色、脫雜質(zhì)處理，最后進行終產(chǎn)品的提取。按照提取介質(zhì)的不同，目前DCn的分離提取方法主要有水相法和溶劑法等。

3 水相法分離提取

將預處理后的DCn發(fā)酵清液經(jīng)活性炭、活性白土等進行脫色、脫雜，加入無機酸調(diào)節(jié)體系pH至酸性使DCn結(jié)晶析出，再經(jīng)過濾、水洗、烘干可得到DCn粗酸產(chǎn)品。

中國科學院大連化學物理研究所［13］將預處理后的發(fā)酵液和酸溶液在集成有換熱器的微通道反應器內(nèi)，于15～90 ℃、0.001～10 s條件下，快速混合完成酸化反應，結(jié)晶熟化后體系降至室溫，最后經(jīng)過濾、洗滌、干燥，得到高純度的DCn粉體。在微通道反應器中進行DCn發(fā)酵液的酸化反應［14］，獲得了總酸含量大于等于99%，總氮含量小于等于30 mg/kg的二元酸精產(chǎn)品。采用微通道反應器，可精確控制酸化過程的pH，避免了因局部過飽和而造成的大量雜質(zhì)包埋于晶體中，可顯著降低產(chǎn)品的氮含量，同時大大縮減反應系統(tǒng)體積（1～2個數(shù)量級）。但該體系的控制難度較大，一方面物料在細的管道中由于擴散及碰撞更加明顯，造成了反應速率較常規(guī)反應快；另一方面，由于通道過小，對DCn晶體的粒徑要求更高，粒徑稍大即容易堵塞。

中國石化淮安清江石化［15］采用氧化劑和活性炭偶聯(lián)處理膜過濾后的發(fā)酵清液，阻隔料液中的水溶性蛋白質(zhì)、多肽等含氮化合物及色素等雜質(zhì)，再通過酸化結(jié)晶初期添加微量乙二酸、丙二酸、檸檬酸等有機弱酸助劑，進一步降低了DCn結(jié)晶過程中的化學吸附量，同時結(jié)晶過程利用pH臨界點調(diào)控（即加入少量硫酸形成微量DCn晶核），升溫溶解晶體后冷卻，反復調(diào)節(jié)pH到臨界點，使DCn晶體逐漸生長，從而得到了高品質(zhì)的DCn精產(chǎn)品。但該工藝結(jié)晶過程對pH的調(diào)控精確度要求較高，工業(yè)應用難度較大。

中國科學院微生物研究所［16］將DCn粗品經(jīng)多次酸化、過濾和洗滌，將濾餅于水中（高壓下）加熱至高于100 ℃（在DCn的熔點之上），保持該溫度20～30 min后進行降溫，過濾分離得到DCn晶體，產(chǎn)品的單酸純度在98.5%以上。該方法工藝過程簡單，但對于發(fā)酵液中水溶性雜質(zhì)（如蛋白等）僅使用過濾和多次酸化稀釋的手段，去除并不完全，在結(jié)晶步驟前將體系加熱到高溫會促進色素、蛋白等的氧化及變性，隨著溫降亦會吸附于晶體產(chǎn)品中，對終產(chǎn)品的顏色和氮含量會有一定影響。

中國石化撫順石油化工研究院［17］在酸化結(jié)晶后加熱使DCn在無機鹽的水溶液中熔解成熔融狀態(tài)，形成油層而與水相分開，分離熔融狀態(tài)的二元酸，攪拌的同時加水使二元酸重新結(jié)晶，獲得的產(chǎn)品單酸純度接近98%。上海凱賽生物技術研發(fā)中心有限公司［18］將DCn粗品以溶劑法處理所得的DCn，在減壓狀態(tài)下，加熱熔融后降溫結(jié)晶，得到總酸純度大于98%的二元酸精產(chǎn)品。采用熔融結(jié)晶法對物質(zhì)進行提純，需要待提純的原料具有較高的純度。對于DCn的提純，若原料二元酸純度較低，則結(jié)晶過程中液相中的部分雜質(zhì)會重新包埋于晶體中，尤其是色素類雜質(zhì)，它們分散于液相中，隨著結(jié)晶的進行，會大量附著在晶體層中，使得終產(chǎn)品的顏色和純度難以達到精產(chǎn)品的要求。因此，應該對欲提純的DCn進行脫色、脫雜質(zhì)處理；同時，在熔融結(jié)晶過程中，應綜合考慮結(jié)晶時間、發(fā)汗時間、結(jié)晶溫差及結(jié)晶次數(shù)等工藝參數(shù)，在保證產(chǎn)品收率的前題下獲得高純度的DCn產(chǎn)品。

水相法精制DCn的整個處理過程是在水相中進行的，由于發(fā)酵液中的蛋白等大分子雜質(zhì)多為水溶性，但DCn在水中溶解度很低，結(jié)晶速率及晶體粒徑不易控制，因此水相法獲得高品質(zhì)DCn產(chǎn)品的難度相對較大。然而水相法亦擁有著顯而易見的優(yōu)點，即無需使用有機溶劑，因而設備投資較少，同時生產(chǎn)過程安全性高、無污染，更符合綠色化學發(fā)展的方向。

4 溶劑法分離提取

4.1 醇類溶劑提取

中國石化揚子石油化工有限公司［19］以異戊醇為重結(jié)晶溶劑，將超濾后的發(fā)酵液與異戊醇進行混合，在底部超濾液中加入濃硫酸進行酸化，攪拌混合，然后將二元酸萃取到上層溶劑相中，再將萃取相冷卻結(jié)晶，獲得了總酸純度大于99%，總氮含量小于30 mg/kg的產(chǎn)品。中國石化撫順石油化工研究院［20］采用乙二醇，1，4-丁二醇，1，5-戊二醇等C2～5二元醇中的一種或幾種作為溶劑溶解包埋有菌體的二元酸粗酸濾餅，溶解后過濾除去菌體等固體，再進行降溫結(jié)晶，產(chǎn)品回收率可達90%以上。中國石化揚子石油化工有限公司［21］報道了將微濾和超濾膜過濾后的發(fā)酵清液與C4～10一元醇（丁醇、戊醇、己醇、庚醇、辛醇等）萃取劑混合后加熱酸化，萃取后液液分離，對萃取相冷卻結(jié)晶，得到總酸純度大于99%，總氮含量小于30 mg/kg的DCn產(chǎn)品。

乙醇是一種價格低廉的常用溶劑，對于DCn粗品的提純具有一定效果，但與原料二元酸會發(fā)生酯化反應。邵沖等［22］考察了乙醇作為十二碳二元酸重結(jié)晶溶劑時酯類的生成情況及生成量，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高和時間的延長，十二碳二酸單乙酯生成量增加；單酯生成量隨乙醇濃度的增加先增加后減少，當乙醇含量為80%（φ）時，單酯生成量最高。當溫度在75 ℃、乙醇含量80%（φ）時，單酯平均生成速率最大為21.0 mg/（L·h）。這表明在沒有催化劑存在的條件下酯化反應仍然可發(fā)生，因此在使用醇類溶劑提純DCn時，會有少量酯類副產(chǎn)物生成，從而對終產(chǎn)品DCn的品質(zhì)及產(chǎn)品的聚合性能有一定影響。

4.2 烷烴提取

上海凱賽生物技術研發(fā)中心有限公司［23］以烷烴為重結(jié)晶的溶劑對粗品DCn進行精制。將二元酸粗品與烷烴混合，加熱到110 ℃以上使二元酸溶解，粗品中的大部分雜質(zhì)不溶于烷烴，形成沉淀而分離出來，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70 mg/kg以下。該工藝中所用溶劑烷烴的腐蝕性低、安全性高，且由于烷烴結(jié)晶母液中的雜質(zhì)含量很低，不需精餾純化溶劑，簡化了工藝流程。

4.3 醋酸提取

上海凱賽生物技術研發(fā)中心有限公司［24］在DCn發(fā)酵液中添加無機酸，生成以菌體和DCn為主要不溶物的混合溶液，然后進行固液分離，蒸發(fā)除去固體混合物中大部分的水分，再加入醋酸或醋酸丁酯作為溶劑，進行溶解、萃取，過濾除去固體雜質(zhì)，降溫析出晶體，得到DCn產(chǎn)品。李占朝等［25-26］采用醋酸重結(jié)晶法精制十二碳二元酸，當十二碳二元酸粗品與醋酸的固液比在1∶12.5，溶解溫度為90 ℃，脫色劑加入量1%（w），脫色時間60 m in時，所得產(chǎn)品十二碳二元酸的單酸純度可達到99.62%。目前國內(nèi)DCn主要生產(chǎn)企業(yè)均是以醋酸為溶劑進行DCn粗品的精制，但醋酸腐蝕性極強，導致生產(chǎn)設備造價昂貴，且醋酸溶劑回用需要蒸餾脫水，能耗較高。

4.4 醚類溶劑提取

中國石化撫順石油化工研究院［27］報道了采用乙醚、丙醚、丁醚、戊醚或己醚等作為溶劑，在發(fā)酵液酸化、過濾得到DCn濾餅后，與溶劑進行混合、萃取，再進行溶劑相和水相的分離，溶劑相中加入吸附劑進行脫色處理，經(jīng)過濾除掉固形物、結(jié)晶等步驟獲得單酸純度大于98.5%的精產(chǎn)品。中國石化揚子石油化工有限公司［28］還報道了利用二乙醚、甲基叔丁基醚、乙基叔丁基醚等醚類溶劑，對DCn酸化液進行萃取，可得到總酸純度大于99%，總氮含量低，外觀色澤好的DCn精產(chǎn)品。醚類溶劑對設備的腐蝕性顯著低于醋酸溶劑，且不與產(chǎn)物DCn發(fā)生反應，獲得的產(chǎn)品品質(zhì)好。但醚類溶劑通常易燃、易揮發(fā)，其蒸汽具有特殊的刺激氣味，因此在實際生產(chǎn)中，需要有防火、防爆、防毒裝置或措施，另外還存在溶劑回收問題，生產(chǎn)成本較高。

4.5 其他提取方法

上海凱賽生物技術研發(fā)中心有限公司［29］采用間歇或連續(xù)精餾處理DCn粗酸，先用刮膜蒸發(fā)器去除輕組分，進而在低真空度、溫度180～240 ℃條件下使用短程蒸餾脫除重組分，蒸餾過程中物料呈熔融狀態(tài)，獲得的產(chǎn)品純度高、熱穩(wěn)定性好。鹽析法［30］是在破乳、過濾除菌后的發(fā)酵液中加入一定濃度的KCl或NaCl等無機鹽，使二元酸鹽晶體析出，將二元酸鹽溶于熱水中，再經(jīng)過酸化、過濾、干燥獲得DCn產(chǎn)品。該過程提取工藝簡單，但鹽析法對發(fā)酵料液中的蛋白、多肽等生物大分子亦有明顯的沉淀效果，造成固體雜質(zhì)與析出的結(jié)晶混雜，難以分離；同時在鹽析生成結(jié)晶的過程中，溶液中的無機鹽離子、色素等雜質(zhì)也會隨結(jié)晶的析出而包埋于晶體內(nèi)部。因此若想獲得高品質(zhì)的DCn產(chǎn)品，一方面可對鹽析處理的原料液進行深度處理，盡量脫除料液中的蛋白、多肽、色素等雜質(zhì)；另一方面，在后續(xù)的酸化過程中可通過控制結(jié)晶生成速率、多次結(jié)晶和洗滌以及配合其他提純手段進一步精制。

5 結(jié)語

采用生物發(fā)酵法可合成不同碳數(shù)的DCn產(chǎn)品，過程中條件溫和，在經(jīng)濟效益和環(huán)境效益等方面具有優(yōu)勢和發(fā)展前景。溶劑法提取工藝可滿足下游高品質(zhì)DCn的工業(yè)生產(chǎn)要求，但存在能耗較高、生產(chǎn)線不穩(wěn)定等問題。目前，利用水相法提取聚合級精產(chǎn)品的研究還處于實驗室研發(fā)階段，然而水相法在環(huán)境、能耗、安全性等方面具有著顯著的優(yōu)勢。水相法單獨用于DCn提取時，獲得的產(chǎn)品類型主要是粗酸產(chǎn)品，因此與其他分離提取工藝的聯(lián)用是實現(xiàn)水相法提取DCn精產(chǎn)品的研究重點。可采用前期增加高效的雜質(zhì)（主要是氮、鐵、色素等雜質(zhì)）去除手段，以獲得較純凈的二元酸鹽溶液，再進行水相結(jié)晶提取產(chǎn)品，或結(jié)合新型酸化結(jié)晶設備等（如微通道反應器）大幅度提高酸化結(jié)晶過程的控制精度等方法，有望實現(xiàn)水相法提取DCn精產(chǎn)品的工業(yè)生產(chǎn)路線。同時應綜合考慮不同市場、不同下游應用領域?qū)Cn產(chǎn)品的不同品質(zhì)要求，設計開發(fā)更加合理靈活的生產(chǎn)方案，是今后該領域的研究重點。相信分離提取工藝的不斷改進，必將有力促進DCn產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。

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Progress on the separation of long chain dicarboxylic acid by fermentation

Li Xiaoshu，Gao Dacheng，Qiao Kai，Wang Lingmin
（Sinopec Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochem icals，F(xiàn)ushun Liaoning 113001，China）

Synthesis of the long chain dicarboxylic acid(DCn) via the biological way has well econom ic and environmental benefits. Due to the complex com position of fermentation broth，separation and purification of DCnfrom fermentation broth become the key technologies for biosynthesis. They also determ ine the quality of product. The research advances on two main separation methods of DCnby bioconversion are reviewed，including aqueous phase process and solvent process. Solvent extraction process can meet the industrial production requirements of high quality DCnproducts. However，it exists the problems such as high energy consumption and production line of instability. Currently，extraction of high purity products through aqueous phase process is still in the laboratory stage of research. Combination with other extraction techniques is the key research of aqueous phase extraction process to obtain high purity products.

long chain dicarboxylic acid；separation/purification；fermentation broth

1000-8144（2017）09-1214-05

TQ 921.7

A

2017-02-14；［修改稿日期］2017-05-31。

李曉姝（1984—），女，遼寧省撫順市人，碩士，工程師，電話 024-56389765，電郵 lixiaoshu.fshy@sinopec.com。

10.3969/j.issn.1000-8144.2017.09.020

（編輯 楊天予）