乳酸催化轉(zhuǎn)化丙酮酸溶液中乳酸與丙酮酸絡(luò)合萃取分離技術(shù)研究

(河南金丹乳酸科技股份有限公司，河南 鄲城 477150)

丙酮酸(Pyruvic Acid)，又稱α-酮基丙酸或乙?；姿幔瑸闊o色至淡黃色液體，是一種十分重要的有機(jī)化工中間體，主要應(yīng)用于醫(yī)藥、農(nóng)藥和日化工業(yè)，其中丙酮酸鈣的減肥藥已經(jīng)風(fēng)靡全球。鑒于其優(yōu)良的性能和廣泛的應(yīng)用前景，近年來丙酮酸的開發(fā)應(yīng)用已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[1-3]。

目前生產(chǎn)丙酮酸的方法主要有化學(xué)合成法、酶轉(zhuǎn)化法和生物發(fā)酵法。自1977年日本研究所率先實(shí)現(xiàn)由酒石酸為原料化學(xué)合成法生產(chǎn)丙酮酸的工業(yè)化，丙酮酸工業(yè)化生產(chǎn)的歷史已有30余年[1]。直至20世紀(jì)90年代，工業(yè)上還一直沿用化學(xué)法生產(chǎn)丙酮酸，產(chǎn)率50%～55%，該法工藝簡便易行，是國內(nèi)生產(chǎn)丙酮酸的主要方法，但是化學(xué)方法生產(chǎn)的丙酮酸對(duì)環(huán)境污染比較嚴(yán)重，設(shè)備損耗大，且丙酮酸產(chǎn)品是消旋體、底物轉(zhuǎn)化率低、生產(chǎn)成本高，缺乏市場競爭力[2]。酶轉(zhuǎn)化法雖然具有很大的優(yōu)越性，但是在工業(yè)化方面有較大的困難，迄今還未見工業(yè)化生產(chǎn)成功的報(bào)道。1997年張慶勇[3]以反應(yīng)進(jìn)度通過改變加熱強(qiáng)度調(diào)節(jié)，并設(shè)計(jì)了尾氣吸收凈化裝置減低操作環(huán)境的污染。丙酮酸粗品減壓蒸餾。收集沸程為(75～80)℃/3.33 kPa的餾分即為丙酮酸，產(chǎn)率50%～55%。

2003年邱方利[4]在減壓蒸餾(控制真空度約為-0.005 MPa)，溫度150 ℃，餾出液即為粗品丙酮酸，收集沸程(70～75)℃/3 kPa的餾分，收率可達(dá)68.2%，含量98.6%。2001年楊輝瓊[5]以質(zhì)量組成比為3∶5∶92的Pt/ Pb(NO3)2/C作為催化劑，通入氧氣氧化，在45 ℃反應(yīng)2 h，丙酮酸產(chǎn)率66.0%。丙酮酸收率和反應(yīng)的選擇性都較好，工業(yè)生產(chǎn)中氧氣可用空氣代替，反應(yīng)條件溫和，生產(chǎn)成本低且無污染。陳蘇芳[6]介紹了以Pb/Pd、磷酸鐵鹽、Ag、釩、 Fremy 鹽作為催化劑，用乳酸或乳酸乙酯做原料，氧化脫氫一步法生產(chǎn)丙酮酸。這種方法由于反應(yīng)進(jìn)行得過于緩慢，反應(yīng)時(shí)間長，產(chǎn)率低，因而失去工業(yè)價(jià)值[7]。因此亟需進(jìn)一步開發(fā)新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)乳酸低成本、高收率轉(zhuǎn)化丙酮酸技術(shù)的突破。

本研究以生物轉(zhuǎn)化與化學(xué)催化轉(zhuǎn)化為基礎(chǔ)，圍繞提升我國現(xiàn)代生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展為中心，以全新的催化轉(zhuǎn)化技術(shù)和方法，開展大宗生物基化學(xué)品的衍生轉(zhuǎn)化研制。本文重點(diǎn)介紹了丙酮酸與未被轉(zhuǎn)化的乳酸實(shí)現(xiàn)分離的中試規(guī)模研究。

1 技術(shù)路線

工藝流程簡圖如圖1所示。

圖1 研究的技術(shù)路線

2 研究內(nèi)容

2.1 材料與方法

2.1.1主要儀器設(shè)備

立式全溫?fù)u瓶機(jī)、電熱恒溫培養(yǎng)箱、自控發(fā)酵罐、反應(yīng)釜、絡(luò)合萃取塔、離心機(jī)、SHZ-88臺(tái)式水浴恒溫振蕩器、恒溫往復(fù)式搖床、SBA-40C型生化傳感分析儀、恒溫水浴鍋、溶氧測定儀、高效液相色譜儀、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器等。

2.1.2主要原料

假單胞菌JDS026、乳酸(80%食品級(jí))、凈化后的空氣、化學(xué)催化劑(化學(xué)催化氧化乳酸生產(chǎn)丙酮酸催化劑是以磷酸鐵為主，復(fù)配其他催化劑復(fù)配物組分，比例為1∶1)、絡(luò)合萃取劑(三辛胺的乙酸乙酯溶液)。相平衡調(diào)節(jié)劑為N,2,3-三甲基-2-異丙基丁酰胺，與萃取劑的比例為6∶4，質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)均為化學(xué)純。

2.1.3實(shí)驗(yàn)方案

在生物催化氧化、化學(xué)催化和乳酸與丙酮酸絡(luò)合萃取分離小試與中試獨(dú)立試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，開展中試7 t/d整體萃取工藝聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)。稀釋后的乳酸料液經(jīng)生物催化轉(zhuǎn)化，繼續(xù)經(jīng)化學(xué)催化轉(zhuǎn)化，然后進(jìn)入絡(luò)合萃取分離提取系統(tǒng)，解析液經(jīng)過濾濃縮得到丙酮酸產(chǎn)品。

2.1.4主要分析檢測方法

高效液相色譜法、分光光度法、比色法、菲林法、酸堿滴定法、還原滴定法、儀器分析測定法等基本試驗(yàn)檢測方法。

2.2 結(jié)果與分析

絡(luò)合萃取工藝指標(biāo)組合優(yōu)化，通過前期試驗(yàn)驗(yàn)證，1 t試驗(yàn)的絡(luò)合萃取最佳工藝為：萃取劑S5與相調(diào)節(jié)劑D4的比為6∶4，萃取劑加量(占丙酮酸-乳酸溶液中丙酮酸的量)115%，萃取溫度40 ℃，相平衡時(shí)間5 min。繼續(xù)放大到7 t中試，并進(jìn)行整體工藝運(yùn)行試驗(yàn)，組合優(yōu)化絡(luò)合萃取工段對(duì)丙酮酸收率影響敏感的萃取劑加量、萃取溫度和相平衡時(shí)間。利用Design-Expert做星點(diǎn)設(shè)計(jì)-效響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，各因素、水平代碼值及實(shí)際操作值見表1，星點(diǎn)設(shè)計(jì)及效應(yīng)值見表2。

表1 各因素、水平代碼值及實(shí)際操作值

表2 萃取劑加量、溫度和時(shí)間對(duì)丙酮酸收率影響星點(diǎn)設(shè)計(jì)及效應(yīng)值

利用Design Expert統(tǒng)計(jì)軟件通過逐步回歸對(duì)表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，得到丙酮酸收率對(duì)A、B、C三個(gè)因素的二次多項(xiàng)回歸模型為：

丙酮酸收率=71.07+5.74A+0.43B+2.53C-1.55AB+0.38AC+0.98BC-4.01A2-2.63B2-2.77C2

對(duì)模型進(jìn)行方差分析，模型P值=0.000 1，Adeq.Precision(信噪比)=12.259?4，可知回歸方程擬合度和可信度均很高。對(duì)回歸模型系數(shù)顯著性檢驗(yàn)，可知各影響因素對(duì)丙酮酸收率的影響不是簡單的線性關(guān)系。根據(jù)回歸分析方程，做響應(yīng)曲面圖及等高線圖，見圖2～4。

根據(jù)響應(yīng)曲面圖及等高線可以看出，三因素的交互作用顯著，較小的波動(dòng)會(huì)引起丙酮酸收率較大的變化。利用Design Expert統(tǒng)計(jì)軟件的RSM預(yù)測最優(yōu)值，萃取劑加量119%，萃取溫度40 ℃，相平衡時(shí)間5.5 h時(shí)，丙酮酸收率最大73.8%。

對(duì)實(shí)驗(yàn)的預(yù)測指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，采用優(yōu)化出的參數(shù)實(shí)驗(yàn)10次，最終測得的丙酮酸收率的平均值為71.5%，與理論預(yù)測值相比，相對(duì)誤差為3.1%。因此試驗(yàn)設(shè)計(jì)所得的整體工藝運(yùn)行時(shí)絡(luò)合萃取工段的萃取劑加量、萃取溫度和相平衡時(shí)間準(zhǔn)確可靠，具有實(shí)用價(jià)值，為最佳工藝。

3 生產(chǎn)丙酮酸中試運(yùn)行主要控制參數(shù)

通過中試聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)各工藝指標(biāo)的優(yōu)化可知，乳酸衍生轉(zhuǎn)化生產(chǎn)丙酮酸中試運(yùn)行的主要控制參數(shù)見表3。

圖2 萃取劑加量和萃取溫度及其相互作用對(duì)丙酮酸收率的響應(yīng)面和等高線

圖3 萃取劑加量和平衡時(shí)間及其相互作用對(duì)丙酮酸收率的響應(yīng)面和等高線

圖4 萃取溫度和平衡時(shí)間及其相互作用對(duì)丙酮酸收率的響應(yīng)面和等高線

4 生產(chǎn)丙酮酸整體工藝中試連續(xù)運(yùn)行結(jié)果

在小試、中試試驗(yàn)基礎(chǔ)上，我們完成了乳酸衍生轉(zhuǎn)化生產(chǎn)丙酮酸整體工藝聯(lián)動(dòng)運(yùn)行試驗(yàn)，優(yōu)化出了最佳運(yùn)行工藝技術(shù)指標(biāo)，貫通了生產(chǎn)工藝路線。該工藝技術(shù)經(jīng)連續(xù)運(yùn)行表明：工藝運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、先進(jìn)、成熟，產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)穩(wěn)定。結(jié)果見表4。

從中試連續(xù)運(yùn)行結(jié)果可以看出，產(chǎn)品色度、還原糖、醚不溶物、純度等各項(xiàng)重要指標(biāo)穩(wěn)定，質(zhì)量可靠。通過連續(xù)運(yùn)行實(shí)踐證明，本技術(shù)具有生產(chǎn)物耗低、收率高、質(zhì)量好、成本低等特點(diǎn)，生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)定，完全具備進(jìn)一步放大的條件。

表4 乳酸衍生轉(zhuǎn)化生產(chǎn)丙酮酸整體工藝中試連續(xù)運(yùn)行結(jié)果

5 生產(chǎn)丙酮酸中試運(yùn)行成本分析

根據(jù)已完成的中試連續(xù)運(yùn)行結(jié)果，我們對(duì)乳酸衍生轉(zhuǎn)化生產(chǎn)丙酮酸關(guān)鍵技術(shù)生產(chǎn)成本進(jìn)行了分析，見表5。

表5 乳酸衍生轉(zhuǎn)化生產(chǎn)丙酮酸關(guān)鍵技術(shù)噸成本分析表

從中試運(yùn)行成本分析可以看出，項(xiàng)目丙酮酸噸成本33 493.5元，較當(dāng)前國內(nèi)生產(chǎn)的丙酮酸生產(chǎn)成本4.5萬～5.5萬元降低明顯。

6 新技術(shù)與國內(nèi)外同類先進(jìn)技術(shù)對(duì)比

該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了乳酸衍生轉(zhuǎn)化生產(chǎn)丙酮酸的技術(shù)突破，淘汰了落后的酒石酸合成技術(shù)，較現(xiàn)有國內(nèi)外發(fā)酵法生產(chǎn)丙酮酸大幅度提高了收率，降低了生產(chǎn)成本，提高了我國丙酮酸整體工藝技術(shù)水平，拓展了乳酸產(chǎn)業(yè)鏈條。其主要技術(shù)指標(biāo)與國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比見表6。

表6 新技術(shù)與國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)對(duì)比

注：以上數(shù)字來自企業(yè)交流。

7 小結(jié)

通過乳酸衍生轉(zhuǎn)化生產(chǎn)丙酮酸整體工藝中試聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)，優(yōu)化出了最佳工藝技術(shù)參數(shù)，驗(yàn)證了工藝技術(shù)的可行性。在絡(luò)合萃取溫度、萃取劑加量、相平衡時(shí)間等最佳化學(xué)催化工藝條件下，丙酮酸的總收率達(dá)71.7%，產(chǎn)品色度APHA≤50，純度≥98%，項(xiàng)目已經(jīng)完成計(jì)劃的研究任務(wù)和目標(biāo)。