发布时间 : 星期日 文章制备丁二酸相关方法更新完毕开始阅读268e19a5e209581b6bd97f19227916888586b948
图 铵盐法提取流程简图
酯化法
在生物发酵法产丁二酸的发酵液中，丁二酸以盐的形式存在(微溶于醇溶剂)，加酸使丁二酸盐酸化为丁二酸与水合盐(不溶于醇溶剂)，加入醇溶剂后盐析形成沉淀，同时丁二酸与醇溶剂发生酯化反应，溶于醇溶剂中。此酯化反应是可逆反应，将醇溶剂蒸馏除去，余下的晶体即为生物基丁二酸。反应式如下：
HOOCCH2CH2COOH+C2H5OHHOOCCH2CH2COOC2H5+C2H5OHHOOCCH2CH2COOC2H5+H2O(1)C2H5OOCCH2CH2COOC2H5+H2O(2)
反应式 (1)、(2)均为可逆反应，当醇过量时，反应向正反应方向进行；当醇不足时，反应向逆反应方向进行，由此达到分离纯化生物基丁二酸的目的。 溶剂萃取法
溶剂萃取技术用于分离提取发酵制得的生物制品已经有几十年的历史，并且在过去20年中对以发酵为基础的产品的生产技术的改进起了一定作用。溶剂萃取技术的原理主要是利用发酵液中丁二酸和其他杂质组分在萃取剂中的溶解度不同，把丁二酸萃取到溶剂相中。再经过减压浓缩，结晶，干燥最后得到产品。目前常用的萃取剂大多是叔胺类，主要有三丙胺(TPA)、三丁胺(TBA)、三戊胺(TPcA)和三辛胺(TOA)。Won Hi Hongt等人报道了通过液液萃取的方法，以TOA为萃取剂，可以选择性的将乙酸从发酵液中除去，控制时，可以将丁二酸/乙酸的比例由原来的变为。2006年，Yun Suk Huh利用Mannheimia succiniciproducens葡萄
糖为碳源发酵生产丁二酸，通过溶剂萃取法，收率可以达到％，纯度达到％，其工艺流程（图）。使用这种方法的缺点是在提取过程中需使用大量有机溶剂。同时，在食品级和医药级产品的生产中将对最终产品的质量有不良影响。文献中还没有关于采用三辛胺进行大规模生产的成本问题以及三辛胺是否能够回收利用的报道。
图 萃取法提取流程简图
离子交换吸附法
在上世纪七、八十年代，离子交换吸附法开始应用于发酵液中有机酸的分离提取。它是利用特定的有机高分子树脂的高选择离子交换性，通过寻找、使用合适的树脂，直接从处理后的发酵滤液中提取有机酸或其盐类。国内一般的流程是将发酵液经过滤后用离子交换柱交换吸附，氨水洗脱后过阳离子交换柱转型，再经活性炭脱色、除杂后浓缩，结晶，最后得到有机酸产品。
目前，对于离子交换吸附法提取丁二酸的报道较少，只有Brian 等人研究了在模拟体系中丁二酸的提取，他们筛选出两种弱碱性阴离子树脂XUS40285和XFS40422，表现出对丁二酸有较好的吸附容量，同时可以将丁二酸和发酵副产物完全分开，利用盐酸来洗脱，可以使丁二酸的浓度由初始浓度10g/L提高到40~110g/L，该树脂再生后，操作10个周期，并且间歇操作的收率达到95％以上。
离子交换吸附法工艺简单，与钙盐法相比，由于减少了丁二酸的相变过程，能耗大大降低；生产过程中不产生大量的石膏废渣，大大降低了工人的劳动强度，也改善了周围环境；重要的是提高了丁二酸的收率。当然，该工艺也存在一些缺点，例如，离子交换树脂在使用中需要频繁再生，会产生大量废水；再之，离子交换树脂具有一定的寿命，也需要经常更换，会产生大量的固体废弃物。因此，寻求或研制高效、寿命长、易回收利用的离子交换树脂，废液的循环利用或零排放，就成为该工艺得以工业化推广的关键。 固体膜分离法
用于发酵有机酸分离提取的固体膜分离法主要有两种——超滤法和电渗析法。 超滤法
超滤是一种以压力差为推动力，按粒径选择分离溶液中所含的微粒和大分子的膜分离操
作，只是简单的物理分离过程。该工艺简单，易于控制，且不会产生污染。它的关键是选择合适孔径的耐酸超滤膜，由于其易堵塞，所以超滤法一般只作为一种预处理手段，截留发酵液中的大分子有机物，如残糖、蛋白质、未发酵的原料颗粒等，以减轻后续提取工序的污染。
南京工业大学发明了涉及一种丁二酸的分离提取方法，特别是利用膜分离，活性炭脱色及结晶技术从厌氧发酵法制备的发酵液中分离提取丁二酸的方法。该方法主要包括：将厌氧发酵的丁二酸发酵液采用孔径为~μm的微滤膜过滤，然后用超滤膜超滤，再用活性炭脱色除杂，得到澄清的丁二酸溶液，调丁二酸溶液~，浓缩，结晶得到丁二酸产品，通过这些步骤，结晶前丁二酸收率达到75％~80％，丁二酸的纯度达到％以上。 电渗析法
电渗析法是一种高效的膜分离技术，它的工作原理是利用阴阳离子交换膜的选择透过性，在电场力的作用下，分别将混合液中的丁二酸根和氢离子分离出来，生成丁二酸。图 是进行两极膜电渗析的工艺流程简图。发酵结束后的混合丁二酸盐及乙酸盐溶液经过滤后，进入两极电渗析单元，在这里离子和非离子部分(糖)及大分子物质(蛋白质和多糖)分开。电渗析膜包含离交部分，有一固定的电荷。有固定正电荷的膜选择性地允许酸根离子通过而排除钠离子，负电荷的膜选择性的允许钠离子通过而排除酸根离子，通过这一机制，可以将盐和其它不带电荷的糖、蛋白质及氨基酸分离开，然后打入分批地两极膜电渗析单元，在这里离交转变成他们相应的酸及其它形成的碱，然后分开。两极膜是一种新型的膜，它能在水溶液中使水产生质子和氢氧根离子，并能使离子向相反电荷的电极迁移。随着这一过程的进行，丁二酸钠被转变成丁二酸。钠离子通过阳离子膜和氢氧根结合形成氢氧化钠，可重新用于发酵罐中的中和反应。
通过两极电渗析膜后，丁二酸和乙酸得到浓缩，而且由于乙酸的存在加速了丁二酸的结晶。然后通过固液分离，丁二酸变为结晶产品。母液经过乙酸．水溶液分离系统，除去乙酸，剩余的溶液回收到种子罐中继续发酵。通过该法提取的丁二酸的收率92％，纯度达到%。 这种方法的缺点是操作费用相当高，如膜的消耗和电渗析中的电能消耗。此工艺的另一局限性是不能处理二价离子，因此，发酵过程中用氢氧化镁或氢氧化钙中和的发酵液不能用这种方法酸化或纯化。
图 两极膜电渗析提取工艺简图 表 不同提取丁二酸方法的比较
提取方法 钙盐法 铵盐法 酯化法 萃取法 离子交换吸附法 膜分离法 优点 钙盐沉淀商业化可行，技术风险低，商业化应用成熟 副产物少，所有化学试剂都可以重复使用 回收率高，纯度高 高生产力和低能耗，易于放大 便于放大 纯度和回收率高 缺点 操作费用大，消耗大量的化学品，并且没法循环使用，产生的副产物硫酸钙价值低，还需要增加其处理成本 高能耗，设备要求高，设备成本昂贵，技术风险高， 需要技术验证 操作复杂，能耗高 在进行络合萃取之前必须要除蛋白和除盐 用于实际发酵液时常常吸附量低，再生困难，再生频繁，需要消耗大量的酸碱和水 膜污染严重，膜的损耗高，不能将葡萄糖分离，设备费用昂贵 不同提取丁二酸方法的优缺点比较如表所示。综上所述，目前对从发酵液中提取丁二酸的研究趋势是：一方面从单纯的提取丁二酸扩展到直接制备丁二酸衍生产品；另一方面寻找操作简单、废物排放少、能耗低的提取方法，从而达到降低提取过程的成本，减少提取过程产生的污染。
（5）需要解决的问题
虽然国内外对微生物发酵产琥珀酸进行了大量的研究，但是仍然存在着较多的科学问题制约着微生物发酵产琥珀酸的工业化生产，主要科学问题如下：（1）除E. coli外，其余产琥珀酸菌株的代谢框架已经基本构建，但是代谢网络不完善。在的代谢研究中，美国密西根州的生物技术研究最先公布了经16SrRNA鉴定的，也最先研究了该菌株的代谢框架，但是其代谢通量数据不够完善，且该类菌种的关键代谢调控仍有很多未知的地方，如各个途径在不同条件下的代谢流如何分配等问题。
（2）对产琥珀酸菌株内的H供体代谢平衡机理缺乏深入研究。作为微生物细胞内一个重要的代谢中间体，琥珀酸的生成需要消耗大量的H供体，尽管Guettler MV等开展通入