1,3-丙二醇發(fā)酵液后提取技術(shù)研究進展

吳如春，許赟珍，劉德華

1 清華大學(xué)化工系應(yīng)用化學(xué)研究所，北京 100084

2 廣西民族大學(xué)化學(xué)與生態(tài)工程學(xué)院 化學(xué)與生物轉(zhuǎn)化過程新技術(shù)廣西高校重點實驗室，南寧 530006

1,3-丙二醇發(fā)酵液后提取技術(shù)研究進展

吳如春1,2，許赟珍1，劉德華1

1 清華大學(xué)化工系應(yīng)用化學(xué)研究所，北京 100084

2 廣西民族大學(xué)化學(xué)與生態(tài)工程學(xué)院 化學(xué)與生物轉(zhuǎn)化過程新技術(shù)廣西高校重點實驗室，南寧 530006

1,3-丙二醇是一種重要的化工原料，以甘油或葡萄糖為原料發(fā)酵法制備1,3-丙二醇具有原料可再生、反應(yīng)條件溫和等優(yōu)點，是近年來國內(nèi)外的研究熱點。由微生物發(fā)酵獲得的 1,3-丙二醇發(fā)酵液是含多種強極性的醇及鹽類的稀溶液，這使得采用傳統(tǒng)的分離方法難以經(jīng)濟、有效地的將 1,3-丙二醇從發(fā)酵液中純化出來，后提取過程成為發(fā)酵法工業(yè)化生產(chǎn)1,3-丙二醇的瓶頸。1,3-丙二醇后提取過程主要包括微生物菌體等高分子物質(zhì)的去除，鹽的去除、回收，有機物的純化和水的去除。以下對應(yīng)用于以上分離過程的技術(shù)的研究進展進行討論，提出在該領(lǐng)域應(yīng)該重視的發(fā)展方向。

1,3-丙二醇，發(fā)酵液，后提取，研究進展

Abstract:1,3-propanediol is an important raw material in chemical industry. Microbial conversion of glycerol or glucose into 1,3-propanediol has been given much attention due to its renewable resource, mild reaction conditions, and other advantages. It is a challenge to efficiently separate 1,3-propanediol from a mixture of multiple components, such as 1,3-propanediol, 2,3-butanediol, water, residual glycerol, ethanol, macromolecules and salts, for the reason that 1,3-propanediol, glycerol and 2,3-butanediol are all very hydrophilic and have intense polarity. The conventional evaporation and distillation techniques used in the purification of 1,3-propanediol suffer from the problem of high energy consumption and low recovery. It makes the recovery of 1,3-propanediol from a fermentation broth become a bottleneck in industrial production. The down-stream processing of biologically produced 1,3-propanediol mainly includes the removal of protein,salts, water and other impurities. This paper analyze the research progress of these separation technologies and point out the developing direction worth further investigation.

Keywords:1,3-propanediol, fermentation broth, down-stream processing, research progress

1,3-丙二醇 (PDO) 是一種重要的化工原料，其最主要的一個用途是與對苯二甲酸生成聚對苯二甲酸丙二醇酯 (PTT)[1-2]。目前 1,3-丙二醇的生產(chǎn)方法有化學(xué)合成法和微生物發(fā)酵法[3-5]。相對于化學(xué)合成法，微生物發(fā)酵生產(chǎn)1,3-丙二醇具有原料可再生、操作簡便、反應(yīng)條件溫和、副產(chǎn)物較少、環(huán)境污染小等優(yōu)點。隨著石油資源的日益匱乏，利用可再生資源發(fā)酵生產(chǎn)1,3-丙二醇的路線越來越受到關(guān)注[6-7]，其中以甘油為底物發(fā)酵制備 1,3-丙二醇的路線更是研究的熱點，這是由于甘油不僅是一種可再生資源，并且隨著生物柴油生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，其副產(chǎn)物甘油的產(chǎn)量不斷增加，價格不斷下降，使得以甘油為底物發(fā)酵制備 1,3-丙二醇的工藝路線越來越具競爭力。在利用微生物發(fā)酵生產(chǎn) 1,3-丙二醇時，由于發(fā)酵液體系的復(fù)雜性使得產(chǎn)品的分離純化成本占生產(chǎn)總成本的50%以上，成為大規(guī)模生產(chǎn)1,3-丙二醇的瓶頸問題。

在微生物發(fā)酵生產(chǎn) 1,3-丙二醇的過程中，菌體在產(chǎn)生目標產(chǎn)物 1,3-丙二醇的同時還會產(chǎn)生 2,3-丁二醇及丁二酸、乙酸、乳酸等有機酸，使得發(fā)酵過程中發(fā)酵液的pH值不斷下降，影響菌體的生長，所以需要加入堿液 (如氫氧化鈉溶液) 來中和這些有機酸以保持發(fā)酵液中pH值的穩(wěn)定，同時發(fā)酵培養(yǎng)基中含有硫酸銨等無機鹽類，因此發(fā)酵結(jié)束時發(fā)酵液是一種含目標產(chǎn)物 1,3-丙二醇的稀溶液，發(fā)酵液中的雜質(zhì)包括大分子物質(zhì) (菌體、可溶性蛋白質(zhì)、核酸和多糖等)、有機物 (甘油、2,3-丁二醇等)、鹽 (堿液與丁二酸、乙酸和乳酸等作用形成的鹽及培養(yǎng)基中未耗完的鹽) 和水。由于目標產(chǎn)物1,3-丙二醇在發(fā)酵液中的含量通常為80~110 g/L，同時1,3-丙二醇、2,3-丁二醇和甘油都是高沸點 (三者在常壓下的沸點分別為 214 ℃、184 ℃和 290 ℃)、親水性強的物質(zhì)，因此將 1,3-丙二醇從這樣的復(fù)雜體系中分離出來是一項艱巨的任務(wù)[8]，特別是鹽和2,3-丁二醇的存在會降低 1,3-丙二醇的最終收率而使整個提取成本增加。如在采用反應(yīng)萃取法提純 1,3-丙二醇時，鹽的存在會使得作為催化劑的強酸性陽離子樹脂的催化效率下降；而在采用蒸發(fā)、精餾法提純 1,3-丙二醇的時候，鹽的濃度會隨著蒸發(fā)過程的進行不斷增加，最終使料液呈漿狀，不僅降低 1,3-丙二醇的收率，甚至?xí)氯苈肥惯^程無法進行。副產(chǎn)物2,3-丁二醇則由于其物化性質(zhì)與 1,3-丙二醇接近，會使得多種提純方法難以進行，如常用的有機物提純方法-溶劑萃取法就無法實現(xiàn)二者的分離，而對于傳統(tǒng)的精餾法，二者沸點的相近使得分離所需的回流比增加，大大增加了能耗。目前 1,3-丙二醇后提取過程迫切需要尋找一條高效、低耗、環(huán)保的工藝路線。一些研究者嘗試引入新的技術(shù)來解決以上問題[9-10]，如采用反應(yīng)萃取法降低 1,3-丙二醇的強極性和強親水性后實現(xiàn) 1,3-丙二醇的分離和采用電滲析法來實現(xiàn)脫鹽過程中污染的減少等。另一些研究者考慮改進傳統(tǒng)的分離技術(shù)來適用于這個體系[11-12]，如采用多效蒸發(fā)以降低過程能耗和開發(fā)新的適用于該體系的絮凝劑來實現(xiàn)較完全地去除大分子物質(zhì)的目的。這些研究都取得了很大進展。一般而言，分離純化1,3-丙二醇需要3個步驟 (圖1)，第一步是通過膜過濾、高速離心和溶劑沉淀等方法去除菌體等高分子物質(zhì)；第二步是通過離子交換、電滲析等方法去除鹽類，最后一步是通過雙水相萃取、精餾和離子交換層析等方法純化 1,3-丙二醇。本文綜述了這些研究在經(jīng)濟、高效地分離1,3-丙二醇方面取得的進展，并展望了今后發(fā)展的重點和方向。

1 生物高分子物質(zhì)的去除

發(fā)酵結(jié)束后發(fā)酵液中生物高分子物質(zhì)主要包括菌體及其細胞碎片、可溶性雜蛋白、核酸和其他膠狀物，從發(fā)酵液中分離 1,3-丙二醇的第一步是這些生物高分子物質(zhì)的去除，否則隨著后續(xù)減壓蒸餾除水過程的進行，發(fā)酵液中殘留的蛋白、核酸和多糖等大分子物質(zhì)的濃度會隨著水分的減少而逐漸升高，使料液呈濃漿狀，阻礙蒸餾操作的順利進行，并降低最終產(chǎn)物的收率。可以采用的分離方法主要有高速離心法、超濾法、有機溶劑沉淀法和絮凝法。

圖1 從1,3-丙二醇發(fā)酵液中回收、提純1,3-丙二醇的步驟及主要使用的分離方法Fig. 1 General scheme and major methods studied for the recovery and purification of 1,3-propanediol from fermentation broth.

1.1 高速離心法

該法屬于機械法，當(dāng)離心機轉(zhuǎn)速到達一定后能將菌體等大分子物質(zhì)沉降下來，實驗室采用這種方法可以實現(xiàn)1,3-丙二醇發(fā)酵液中大分子物質(zhì)的去除，但該方法應(yīng)用于工業(yè)規(guī)模時存在設(shè)備投入成本高、運行能耗大的缺點，經(jīng)濟性差。

1.2 絮凝

絮凝法是通過加入絮凝劑后產(chǎn)生的電中和或橋連等作用促進液體中不易沉降的固體懸浮微粒結(jié)合成團、沉降后再經(jīng)過過濾或離心來達到去除固體懸浮微粒的目的。Hao等[13]采用殼聚糖和聚丙烯酰胺兩種絮凝劑耦合對 1,3-丙二醇發(fā)酵液進行了絮凝處理，實驗結(jié)果表明發(fā)酵液中蛋白質(zhì)的去除率大于99.0%。李凡鋒等[14]用天然絮凝劑Ⅱ型 B組分處理1,3-丙二醇發(fā)酵液時發(fā)現(xiàn)絮凝處理后可以加快后續(xù)電滲析脫鹽時的速度。魯詩峰等[15]對12種絮凝劑進行了篩選和工藝優(yōu)化，其中分子量 4萬的殼聚糖絮凝效果較好，發(fā)酵液中菌體和蛋白質(zhì)去除率分別為99.97%和 91.56%。該方法工業(yè)應(yīng)用存在的問題是難以獲得便宜且高效的絮凝劑。

1.3 有機溶劑沉淀法

有機溶劑沉淀法是在含蛋白質(zhì)、糖等物質(zhì)的水溶液中加入乙醇、丙酮等能與水互溶的有機物，使高分子物質(zhì)的溶解度顯著降低并從溶液中沉淀出來而達到分離目的的方法。修志龍等[16]利用乙醇來沉降生物大分子和回收有機酸鹽，實驗表明乙醇可以在去除 1,3-丙二醇濃縮液中的蛋白和核酸等大分子物質(zhì)的同時使?jié)饪s液中的有機酸鹽出現(xiàn)溶析現(xiàn)象，從而將大部分的鹽也分離出去。有機溶劑沉淀法具有分辨率高，溶劑易實現(xiàn)循環(huán)使用的優(yōu)點，但該方法工業(yè)應(yīng)用存在的問題是溶劑用量大，部分溶劑的殘留會影響最終1,3-丙二醇產(chǎn)品的質(zhì)量。

1.4 超濾

超濾是根據(jù)物質(zhì)相對分子質(zhì)量的不同來進行分離的膜技術(shù)，其傳質(zhì)推動力為靜壓差，其截留物質(zhì)的分子量范圍為5 000~500 000 Da，是一種應(yīng)用最廣泛的膜分離技術(shù)。我國研究開發(fā)的膜品種有以醋酸纖維素 (CA)、聚砜 (PS)、聚砜酰胺 (PSA)、磺化聚砜 (SPSF)、聚丙烯腈 (PAN)、聚氯乙烯 (PVC)、聚偏氟乙烯 (PVDF)、聚醚砜 (PES) 和聚醚酮(PEK)等為材料的有機膜和以陶瓷、多孔玻璃、氧化鋁等為材料的無機膜。

發(fā)酵液體系中存在大量的蛋白質(zhì)、糖、色素和菌體等雜質(zhì)，對所用膜的孔隙大小，耐酸性及膜通量方面都有較高的要求。魯詩峰等[17]使用三醋酸中空纖維透析膜對 1,3-丙二醇發(fā)酵液進行超濾處理，菌體和蛋白質(zhì)的去除率分別為 100%和 92.1%。我們應(yīng)用截留分子量為5 000 Da的陶瓷膜對實際發(fā)酵液進行了超濾處理，蛋白質(zhì)的去除率大于95%，滲透液平均通量大于30 L/(m2·h)，有工業(yè)應(yīng)用的價值。

因此相比較而言，超濾法是目前較經(jīng)濟可行的去除生物高分子的方法，具有操作時間短、膜通量高、高分子雜質(zhì)去除效果好等優(yōu)點，如果能進一步減少操作過程中膜的污染，提高膜的耐溶劑能力和使用壽命，該方法有望大規(guī)模應(yīng)用于 1,3-丙二醇發(fā)酵液中高分子雜質(zhì)的去除。

2 鹽的去除

微生物發(fā)酵時鹽的來源有兩種，一種是為中和發(fā)酵過程產(chǎn)生的副產(chǎn)物如乙酸、乳酸、丁二酸等產(chǎn)生的有機鹽，一種是在發(fā)酵過程添加的培養(yǎng)基中所包含的無機鹽。這些鹽分在后續(xù)的濃縮和精餾操作過程中含量會不斷增加，使發(fā)酵液呈漿糊狀，阻止蒸餾操作的進行，并且還會使有機物的沸點增加，增加精餾過程的能耗和降低產(chǎn)物的最終收率。通常采用的除鹽方法有溶析結(jié)晶法、離子交換法和電滲析法。

2.1 溶析結(jié)晶

溶析結(jié)晶是利用被分離物質(zhì)與溶劑分子間相互作用力的差異，通過改變?nèi)軇┑男再|(zhì)來選擇性地溶解其中一種組分，從而使另一組分最大限度地從溶劑中結(jié)晶析出的過程。如加入甲醇或乙醇能顯著降低鉻酸鉀在水中的溶解度[18]。應(yīng)用溶析結(jié)晶法可以有效地分離出生物大分子，其典型的工業(yè)應(yīng)用是蛋白質(zhì)及多糖的分離提取。我們用溶析結(jié)晶法對 1,3-丙二醇發(fā)酵液進行了脫鹽實驗，實驗結(jié)果表明分離效果不理想，需要加入大量的溶劑但鹽析出不完全，且有部分1,3-丙二醇、2,3-丁二醇和甘油一并析出。該方法存在的主要問題是溶劑加入量大，回收困難且分離效率低。

2.2 離子交換法

據(jù)我們實驗結(jié)果可知，采用離子交換法處理1,3-丙二醇發(fā)酵液也可以取得較好的效果，同時還可以去除部分色素，改善最終產(chǎn)品的色度。該方法工業(yè)化應(yīng)用存在的問題是由于發(fā)酵液中鹽含量高使得樹脂容易達到飽和，需要頻繁再生，而樹脂的再生需消耗3~5倍的酸、堿和大量的水，這不僅增加了過程能耗，還產(chǎn)生大量的酸、堿廢液導(dǎo)致環(huán)境污染問題。

2.3 電滲析

電滲析是利用離子交換膜和直流電場的作用，從水溶液和其他不帶電組分中分離帶電組分的一種電化學(xué)分離過程，已廣泛應(yīng)用于各種天然水淡化，海水濃縮制鹽，有機溶液中電解質(zhì)離子的去除等領(lǐng)域。實驗證明[19-20]，用電滲析法可以有效脫除 1,3-丙二醇發(fā)酵液中90%以上的有機酸鹽和無機鹽，具有能耗低、操作簡便、環(huán)境污染小等優(yōu)點，同時采用結(jié)晶的方法可以部分回收高附加值的鹽類[21]，是去除1,3-丙二醇發(fā)酵液中鹽分的有效方法。

目前，電滲析法除鹽存在的最大問題是過程能耗相對較高，膜的價格較貴，但隨著膜技術(shù)的不斷發(fā)展，膜的性能不斷地提高而價格在不斷地下降，目前國產(chǎn)異相離子交換膜的價格就有一定的吸引力(如上海產(chǎn)異相離子交換膜yk04價格為187元/m2，使用壽命2~4年)。另一方面，隨著國家對生產(chǎn)過程環(huán)保要求的提高，該方法由于不形成二次污染，不需要添加化學(xué)品，能部分回收發(fā)酵液中的鹽，具有較高的生態(tài)和環(huán)境效益，因此是目前較可能大規(guī)模應(yīng)用于1,3-丙二醇發(fā)酵液脫鹽的方法。

3 醇的分離

去除了菌體、蛋白質(zhì)等高分子物質(zhì)和鹽分后，1,3-丙二醇發(fā)酵液中目標產(chǎn)物 1,3-丙二醇、甘油和2,3-丁二醇的含量分別為10%、2%和2% (質(zhì)量) 左右。這時需要將大量的水去除，回收 2,3-丁二醇和甘油，但由于這三種醇極性較強，彼此的物化性質(zhì)比較接近，在發(fā)酵液中的濃度都比較低，這給分離提純帶來了很大的困難。傳統(tǒng)的精餾技術(shù)與反應(yīng)萃取等新技術(shù)相比各有優(yōu)缺點。

3.1 多效蒸發(fā)+精餾

精餾是最傳統(tǒng)的分離醇、水混合物的方法。發(fā)酵液中1,3-丙二醇、2,3-丁二醇和甘油在常壓下沸點分別為214 ℃、184 ℃和290 ℃，所以傳統(tǒng)的精餾法可以實現(xiàn)三者的分離，但傳統(tǒng)的蒸發(fā)和精餾存在著能耗高、產(chǎn)物收率低等問題。因此許多研究者對蒸餾技術(shù)進行改進以降低能耗[22-23]，如采用四效蒸發(fā)將質(zhì)量分數(shù)為5%～15%的1,3-丙二醇水溶液濃縮到80%以上，甚至達到90%后再通過精餾獲得合格的1,3-丙二醇產(chǎn)品[24]。總的來說，由于發(fā)酵液中1,3-丙二醇的濃度較低，需處理的發(fā)酵液量比較大，因此該方法存在的問題是過程能耗比較高，并且需要脫鹽、脫蛋白質(zhì)等預(yù)處理過程。

3.2 萃取

3.2.1 有機溶劑萃取

溶劑萃取法具有效率高、生產(chǎn)能力大、能耗低等優(yōu)點，是 1,3-丙二醇提純技術(shù)研究的一個熱點，許多研究者都試圖找到一種適合工業(yè)化需要的萃取劑。但由于 1,3-丙二醇的極性較強，使其在普通疏水溶劑中的溶解度較小，用物理萃取法難以達到滿意的結(jié)果[25]。如 Janusz等[26]采用 ESP(Extractant screening program) 程序選擇萃取劑，該程序利用UNIQUAC基團分配法來計算多組分液液平衡，主要考察醇的同分異構(gòu)體和含有功能基團的醇類的萃取能力，實驗結(jié)果表明對于直鏈醇分配系數(shù)隨著碳個數(shù)增加減小，同碳的異構(gòu)物分配系數(shù)較大，但與少一個碳的直鏈醇差不多，二元醇的分配系數(shù)比一元醇的高。但體系中存在的 2,3-丁二醇、甘油與溶劑的親和力較大而使得 1,3-丙二醇的選擇性降低。Baniel等[27]研究使用戊醇、丙醇、己醇、蓖麻油等萃取分離1,3-丙二醇，該方法很難大規(guī)模應(yīng)用，其原因在于該過程需加入大量的溶劑且分配系數(shù)很低。

3.2.2 絡(luò)合萃取

具有Lewis酸性或Lewis堿性的物質(zhì)可以與醇發(fā)生絡(luò)合作用實現(xiàn)醇溶液的分離。向波濤等[28]選取磷酸三丁酯、己酸、辛酸為絡(luò)合劑，對 1,3-丙二醇的稀溶液進行絡(luò)合萃取。實驗結(jié)果表明隨著磷酸三丁酯體積分數(shù)的增加，分配系數(shù)增大，但最大也僅僅為 0.07；使用純的己酸和辛酸進行萃取時，分配系數(shù)也僅為0.07和0.03，遠遠小于這三種萃取劑對乙醇稀溶液進行萃取時的分配系數(shù)，可見由于 1,3-丙二醇的強親水性，絡(luò)合萃取的方法對該體系不適用。

3.2.3 反應(yīng)萃取

由上可知，只有降低 1,3-丙二醇的強極性和強親水性后萃取法才可能應(yīng)用于 1,3-丙二醇體系，其中一種降低 1,3-丙二醇親水性的方法是將其羥基屏蔽，如用醛類物質(zhì)與 1,3-丙二醇的伯羥基進行可逆縮醛反應(yīng)以屏蔽羥基，得到親水性大大降低的化合物后再采用萃取法將其分離，再生后可得到純的1,3-丙二醇。這就是目前的另一個研究熱點—反應(yīng)萃取分離法[29-30]。Janusz等[31]以強酸性樹脂為催化劑，加入乙醛與 1,3-丙二醇發(fā)生可逆縮醛反應(yīng)，生成 2-甲基-1,3-二 烷 (2MD)，脫去有機相中水后，用鄰二甲苯、甲苯或乙苯萃取2MD，最后2MD水解得到 1,3-丙二醇。實驗結(jié)果表明使用甲苯進行同步萃取可以改變反應(yīng)的平衡位置，促使平衡向生成2MD的方向移動，使得最終的1,3-丙二醇轉(zhuǎn)化率和2MD收率 (分別為98%和91%) 都高于不加萃取劑時。反應(yīng)萃取工藝較為經(jīng)濟合理，但其所得到的 1,3-丙二醇產(chǎn)品中會殘留一定濃度的乙醛，該產(chǎn)品用來生產(chǎn) PTT時會對其纖維產(chǎn)品的多項質(zhì)量指標產(chǎn)生影響，其中對纖維染色的上染效果以及染色穩(wěn)定性的影響尤為顯著，因此該方法得到的 1,3-丙二醇需要采用其他方法處理后才可用于PTT的聚合過程。如徐澤輝等[32]使用顆粒白土來處理含有殘余醛基物質(zhì)的 1,3-丙二醇。該方法除了乙醛殘留問題以外，還存在2MD水解較為困難，1,3-丙二醇收率低和強酸性樹脂催化效果受鹽影響較大等問題，也難以應(yīng)用于工業(yè)實際。

3.2.4 雙水相萃取

雙水相萃取具有萃取條件溫和、容量高等優(yōu)點，常用于高附加值產(chǎn)品的小規(guī)模生產(chǎn)。已經(jīng)有研究者開發(fā)出新的雙水相體系如使用短鏈醇等來降低萃取劑的價格和避開反萃取操作[33]，實驗結(jié)果表明由強極性溶劑和含高價態(tài)陰離子的鹽組成的雙水相體系能有效地從1,3-丙二醇發(fā)酵液中萃取1,3-丙二醇，如在乙醇/硫酸銨組成的雙水相體系中，1,3-丙二醇的分配系數(shù)可達到 4.08，回收率為 93.7%，并且可直接應(yīng)用于未去除高分子物質(zhì)的發(fā)酵液。該方法可以實現(xiàn)微生物菌體與 1,3-丙二醇的同時分離，簡化分離過程，具有一定的經(jīng)濟價值，有工業(yè)放大的可能性，但其存在的問題是萃取后目標產(chǎn)物 1,3-丙二醇的回收研究尚未進行，分離所得鹽的回收也未考慮，這些鹽直接排放將造成經(jīng)濟損失和環(huán)境污染，因此需進一步研究得到較完整的工藝后再重新評估該方法大規(guī)模應(yīng)用的可行性。

3.3 分子篩分離

原位分離是目前分離研究的另一個熱點，在1,3-丙二醇生產(chǎn)期間如能將 1,3-丙二醇及時分離出來可以避免產(chǎn)物對細胞生長的抑制和促進 1,3-丙二醇總產(chǎn)量的增加。Gunzel 等[34]用脫鋁 NaY和硅沸石處理1,3-丙二醇水溶液，可以實現(xiàn)每克沸石負荷0.112 g 1,3-丙二醇，但該實驗沒有研究甘油的選擇性。Schlieker 等[35]使用活性炭分離1,3-丙二醇，發(fā)現(xiàn)由于甘油顯著的非特異性吸附使得活性炭在吸附 1,3-丙二醇的同時也部分吸附甘油，導(dǎo)致最終甘油發(fā)酵產(chǎn)率大大降低。Schoellner等[36]檢驗了幾種沸石的吸附性能，沸石吸附存在的問題是鹽也可能會被瀝濾到沸石中，此外還需考慮如何將 1,3-丙二醇從沸石中回收。Li等[37-38]使用ZSM-5型沸石膜分離1,3-丙二醇，根據(jù)動力學(xué)半徑與擴散速率的不同，可以實現(xiàn)絕大部分 1,3-丙二醇 (0.61 nm) 分子被吸收到ZSM-5通道中 (0.62 nm)，而甘油、水和葡萄糖大部分不經(jīng)過沸石通道而達到分離 1,3-丙二醇的目的，但該實驗只考察了模擬液，沒有對實際發(fā)酵液進行研究。總的來說，分子篩法存在單程產(chǎn)率低，沸石的機械強度和熱穩(wěn)定性較差，耗時較長等問題。

3.4 陽離子交換樹脂吸附

利用磺化聚苯乙烯陽離子樹脂中磺酸基(SO3H)的離子交換功能，可以吸附醇類。Ahmad等[39]采用模擬移動床使發(fā)酵液與磺化聚苯乙烯陽離子樹脂接觸，進行吸附后加入溶劑洗脫被樹脂吸收的組分，最后在洗脫液中回收 1,3-丙二醇。實驗結(jié)果表明使用三種不同類型的樹脂 (Na型UB K555 型，Ca型UB K555 型和Ca 型CS11GC350 型) 1,3-丙二醇的回收率都達到95%以上。但磺酸基對極性水分子的吸附作用也很強，這使得該方法的單程轉(zhuǎn)化率較低，為得到高收率的產(chǎn)品，必須循環(huán)操作，循環(huán)操作不僅增加動力消耗，也增加樹脂損失，使得整個過程的經(jīng)濟性下降。因此，只有在獲得對 1,3-丙二醇具有高選擇性的樹脂并且提高其抗磨損性能后該方法才有望實現(xiàn)工業(yè)化。

由上可知，許多新技術(shù)被應(yīng)用于 1,3-丙二醇的提純研究中，但許多技術(shù)僅僅在小規(guī)模操作時有效，涉及大規(guī)模生產(chǎn)時存在各種問題，比較而言傳統(tǒng)的蒸發(fā)+精餾法具有工藝成熟、產(chǎn)品回收率高等優(yōu)點而備受矚目，特別是通過采用多效蒸發(fā)和真空精餾技術(shù)后該方法的能耗大大降低，經(jīng)濟可行性大大提高。

綜上所述，鑒于實際發(fā)酵液成分的復(fù)雜性和工業(yè)化生產(chǎn)所需要的經(jīng)濟性，使得經(jīng)濟、高效地實現(xiàn)1,3?丙二醇的分離提純難度很大，迄今為止，還沒有一條經(jīng)濟可行的提取工藝路線被報道，結(jié)合我們的研究工作和上述分析，提出圖 2所示的后提取工藝路線，該工藝過程中無化學(xué)品加入，實現(xiàn)了發(fā)酵液中1,3-丙二醇、2,3-丁二醇、甘油和副產(chǎn)物丁二酸鈉的分離和回收。相對于其他工藝路線，該路線考慮了副產(chǎn)物鹽的回收，目前報道的鹽去除方法大部分只考慮到將鹽從發(fā)酵液中分離出來，沒有考慮鹽的回用，這部分分離出來的鹽如果直接排放會造成環(huán)境污染，因此在 1,3-丙二醇真正工業(yè)化生產(chǎn)的時候必須考慮這部分鹽的處理，所以從盡可能的實現(xiàn)零排放，更好的實現(xiàn)生產(chǎn)過程的綠色化角度來說，研究該部分鹽的回收勢在必行。這些鹽中丁二酸鈉是含量較高，價格也較高的一種 (每生產(chǎn)1 t 1,3-丙二醇會產(chǎn)生大約 0.1 t丁二酸鈉，其市場價格為1.1萬元/t左右)，回收其有較大的經(jīng)濟和環(huán)境利益。在圖 2所示的后提取工藝路線中丁二酸鈉的回收采用濃縮結(jié)晶法，可以得到工業(yè)級丁二酸鈉晶體，有一定經(jīng)濟價值，而且減少了鹽污染[21]。但還存在回收過程能耗較高，經(jīng)濟性不明顯的問題，需要嘗試更佳的回收方法。綜合考慮到經(jīng)濟和生態(tài)效益，圖2所示的 1,3-丙二醇后提取工藝路線具有一定的可行性，但其在能耗和 1,3-丙二醇收率上還存在著局限性，需要進一步研究改進。

圖2 具有工業(yè)應(yīng)用前景的1,3-丙二醇后提取工藝路線圖Fig. 2 Flow scheme of downstream processing of 1,3-propanediol with potential industrial application prospect.

4 展望

1,3-丙二醇作為一種重要的化學(xué)品和生物柴油副產(chǎn)物甘油的關(guān)聯(lián)產(chǎn)物，其生物發(fā)酵法制備已成為國內(nèi)外的研究熱點。當(dāng)前該方法迫切需要解決的問題是如何獲得一條經(jīng)濟、高效的后提取工藝路線，以提高其對石化合成路線的競爭力。

根據(jù)目前有關(guān) 1,3-丙二醇后提取的研究現(xiàn)狀來看，許多研究工作是對模擬發(fā)酵液進行的，而實際發(fā)酵液的成分更為復(fù)雜，這就使得工業(yè)化規(guī)模提取分離 1,3-丙二醇的難度很大。綜合而言，采用超濾法去除生物高分子物質(zhì)，電滲析法除鹽和多效蒸發(fā)加精餾的工藝路線在經(jīng)濟性和環(huán)保性上都具有一定優(yōu)勢 (圖2)?？紤]到環(huán)境污染和增加產(chǎn)品的經(jīng)濟性，回收 1,3-丙二醇發(fā)酵液中高附加值的副產(chǎn)物如丁二酸鈉等及減少目標產(chǎn)物 1,3-丙二醇在后提取過程中的損失已成為今后研究的方向。

為增加甘油發(fā)酵生產(chǎn)1,3-丙二醇的經(jīng)濟競爭力，除了采用更高效的純化工藝外，通過基因工程和代謝工程等近代分子生物學(xué)技術(shù)來培育和構(gòu)建新的生產(chǎn)菌株也至關(guān)重要，新菌株的構(gòu)建不僅應(yīng)考慮提高發(fā)酵時 1,3-丙二醇的濃度，增加底物的轉(zhuǎn)化效率和生產(chǎn)強度，還應(yīng)該考慮到后續(xù)提純工藝的簡化。

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Progress in down-stream processing of biologically produced 1,3-propanediol

Ruchun Wu1,2, Yunzhen Xu1, and Dehua Liu1
1 Institute of Applied Chemistry, Department of Chemical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
2 Key Laboratory of Chemical and Biological Transforming Process, College of Chemistry and Ecological Engineering, Guangxi University for Nationalities, Nanning 530006, China

Received: November 21, 2010; Accepted: January 12, 2011

Supported by: National High Technology Research and Development Program of China (863 Program) (No. 2006AA020103).Corresponding author: Dehua Liu. Tel: +86-10-62782654; E-mail: dhliu@tsinghua.edu.cn

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃 (863計劃) (No. 2008AA05Z302) 資助。