專利名稱：生物催化生產(chǎn)的丙烯酸的提純方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬生物化工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種生物催化生產(chǎn)的丙烯酸的提純方法。
背景技術(shù)：
丙烯酸是一種重要有機(jī)原料，用于生產(chǎn)聚丙烯酸酯、聚丙烯酸及其鹽或與其他單體形成的共聚物等高分子材料，這些材料在合成樹脂、合成橡膠、合成纖維以及涂料、乳膠、粘合劑、鞣革、造紙、洗滌劑等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。
工業(yè)化生產(chǎn)丙烯酸的方法很多，但最常用的方法主要包括(1)丙烯腈水解法，該法依賴于化學(xué)水解，在強(qiáng)酸的催化下丙烯腈首先水解生成丙烯酰胺，后者進(jìn)一步水解為丙烯酸，此法工藝路線簡(jiǎn)單，設(shè)備投資相對(duì)較小，缺點(diǎn)是污染嚴(yán)重，副產(chǎn)物酸性銨鹽處理困難。(2)丙烯氣相氧化法，丙烯在金屬催化劑作用下氧化成丙烯醛，再被氧化成丙烯酸，由于石油工業(yè)能夠大量提供廉價(jià)的丙烯，且反應(yīng)中丙烯酸的收率高，該法成為目前最經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)丙烯酸的方法，也是大規(guī)模生產(chǎn)的首選方法，此法的生產(chǎn)能力占世界總生產(chǎn)能力的85％以上，但該方法的缺點(diǎn)是投資較高，需要耐高溫高壓設(shè)備，特別是由于產(chǎn)生乙酸、甲酸等雜質(zhì)給產(chǎn)物的提純帶來(lái)很多麻煩。
由于化學(xué)法通常反應(yīng)條件苛刻，環(huán)境污染大，副反應(yīng)多，難以滿足市場(chǎng)對(duì)高純度丙烯酸產(chǎn)品的需求。有文獻(xiàn)提議應(yīng)用生物催化方法合成丙烯酸，因?yàn)樯锎呋ň哂羞x擇性好、產(chǎn)品純度高、反應(yīng)條件溫和等優(yōu)點(diǎn)。利用微生物固有的酶催化丙烯腈水解產(chǎn)生丙烯酸銨，已有不少相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道實(shí)例，如在Appl.Microbail.Biotechnol.1990，34322-324和美國(guó)專利U.S.5135858中描述的Rhodococcus rhodochrous J1菌屬；專利WO03066872(等同于U.S.6,670,158)中公開(kāi)的Comamonas testosteroni 5-MGAM-4D菌屬；美國(guó)專利U.S.6,361,981和U.S.6,162,624及U.S.5,998,180中公開(kāi)的Rhodococcus rhodochrous NCIMB40757 or NCIMB 40833菌屬；山東大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)1994，29(2)217-223中描述的Pseudomonadaceae菌屬；J.Chem.Soc.，Perkin Trans.1，1997，1099-1104中描述的Rhodococcus sp.AJ270菌屬；Appl.Environ.Microbiol.，1976，31(6)，900-906中描述的Nocardia rhodochrous LL100-21菌屬；J.Bacteriol.，1990，172(9)，4807-4815中描述的Rhodococcus Rhodochrous K22菌屬。
有關(guān)產(chǎn)物的提純，在實(shí)例如在Appl.Microbail.Biotechnol.1990，34322-324中介紹，通過(guò)離心除去細(xì)胞后得到反應(yīng)清液，直接用乙醚從反應(yīng)清液中萃取出丙烯酸，萃取液蒸發(fā)除去大部分萃取劑后，粗丙烯酸通過(guò)精溜進(jìn)一步提純，由于反應(yīng)生成的是丙烯酸銨，反應(yīng)過(guò)程中pH基本上無(wú)變化，因此直接萃取顯然不妥，且反應(yīng)過(guò)程中沒(méi)調(diào)節(jié)pH的必要；而在實(shí)例如U.S.6,361,981中則直接以反應(yīng)生成的丙烯酸銨為產(chǎn)品，沒(méi)有轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的丙烯酸的說(shuō)明。
顯然由生物催化方法合成丙烯酸已為替代化學(xué)方法展示了良好前景，但是當(dāng)前生物催化生產(chǎn)丙烯酸存在的不足在于，文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)例均為小規(guī)模的批式反應(yīng)，缺乏能夠規(guī)?；B續(xù)化的生產(chǎn)工藝，且無(wú)產(chǎn)物丙烯酸分離提純的具體說(shuō)明，包括從丙烯酸銨到丙烯酸的轉(zhuǎn)化以及丙烯酸產(chǎn)品的提純等，滿足不了工業(yè)化生產(chǎn)的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)與不足，從而提供一種生物催化生產(chǎn)的丙烯酸的提純方法。
本發(fā)明的生物催化生產(chǎn)的丙烯酸的提純方法包括以下步驟對(duì)生物催化反應(yīng)得到的丙烯酸反應(yīng)液進(jìn)行提純得到高純度的丙烯酸產(chǎn)品，包括含產(chǎn)物反應(yīng)清液的收集、反應(yīng)清液脫色、脫鹽/酸化、濃縮、萃取、氣提和脫水等步驟，具體如下(1)生成的反應(yīng)液通過(guò)離心或膜過(guò)濾系統(tǒng)除去催化劑等雜質(zhì)，得到丙烯酸銨的水溶液；含產(chǎn)物的反應(yīng)清液收集可用膜過(guò)濾系統(tǒng)處理，收集膜過(guò)濾液，其中的膜過(guò)濾系統(tǒng)可以是中空纖維膜、卷式膜、陶瓷膜或超濾膜。
(2)丙烯酸銨水溶液的脫色常規(guī)的脫色方法都能應(yīng)用，包括活性炭脫色、脫色樹脂脫色、脫色膜脫色，考慮成本用活性炭脫色較為合理，且實(shí)驗(yàn)表明脫色效果較好，活性炭的用量根據(jù)清液色度而定，一般1-50‰能夠滿足要求。
(3)丙烯酸銨水溶液的脫鹽/酸化含產(chǎn)物的脫色清液或含產(chǎn)物的濃縮液可用陽(yáng)離子交換樹脂進(jìn)行脫鹽，既可以是強(qiáng)酸陽(yáng)離子樹脂也可以是弱酸陽(yáng)離子樹脂，脫鹽可以是靜態(tài)交換也可以是動(dòng)態(tài)交換，操作條件按常規(guī)方式進(jìn)行；也可以通過(guò)加入酸如鹽酸、硫酸、磷酸等無(wú)機(jī)酸達(dá)到釋放出丙烯酸的目的。
(4)丙烯酸水溶液的濃縮經(jīng)過(guò)脫鹽后得到純凈的丙烯酸水溶液，將溶液在減壓條件下濃縮，溫度控制在20-80℃之間，壓力在-0.099～-0.020MPa之間，得到濃度＞60％(以丙烯酸計(jì))的丙烯酸水溶液。
(5)丙烯酸的萃取濃縮后的丙烯酸水溶液，用有機(jī)溶劑進(jìn)行萃取，對(duì)丙烯酸有較大溶解性的有機(jī)溶劑均可應(yīng)用，如乙醚、二氯甲烷等。
(6)萃取液氣提通過(guò)向萃取液中通空氣鼓泡的方法，除去大部分萃取劑，同時(shí)達(dá)到阻聚的目的，結(jié)果得到高濃度丙烯酸，同時(shí)萃取劑冷卻回收。
(7)丙烯酸溶液脫水氣提后的丙烯酸溶液含有少量的水，可以通過(guò)加入吸水的無(wú)機(jī)鹽達(dá)到脫水目的，脫水后過(guò)濾，用萃取劑洗滌吸水的無(wú)機(jī)鹽，回收夾帶的丙烯酸，吸水無(wú)機(jī)鹽用烘箱干燥后，可重復(fù)利用。
根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量要求，可進(jìn)一步減壓蒸餾得到的丙烯酸溶液，得到純度更高的丙烯酸產(chǎn)品。
本方法具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單易行、污染小、可實(shí)施產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，得到的丙烯酸產(chǎn)品具有純度高、雜質(zhì)少等顯著優(yōu)點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式
為了更好地說(shuō)明本發(fā)明，下面通過(guò)實(shí)施例予以進(jìn)一步說(shuō)明。
以下實(shí)施例中所列的百分比濃度中，除特別注明的外，均為質(zhì)量體積百分比濃度。
以下涉及到的原材料皆為市售得到。
以下實(shí)施例所使用的乳酪短桿菌(Brevibacterium casei)已于2003年1月20日提交位于北京市海淀區(qū)中關(guān)村北一條13號(hào)的中國(guó)微生物菌種保藏管理委員會(huì)普通微生物中心(CGMCC)保藏，保藏號(hào)為CGMCC No.0887。
實(shí)施例1、生物發(fā)酵法生產(chǎn)丙烯酸配制種子培養(yǎng)基，其組成包括葡萄糖1.5％，酵母膏0.5％，NaCl0.1％，K2HPO40.05％，MgSO4·7H2O0.05％，尿素0.5％，pH7.2；
再配制發(fā)酵培養(yǎng)基，其組成包括葡萄糖1.1％；酵母膏0.8％；尿素1.3％；K2HPO40.08％；KH2PO40.03％；MgSO4·7H2O0.05％；pH7.2；在5L種子罐中裝入種子培養(yǎng)基40％，滅菌后接入1.5％的乳酪短桿菌(Brevibacteriumcasei，保藏號(hào)為CGMCC No.0887)菌種，在溫度28℃，攪拌轉(zhuǎn)速250rpm的條件下培養(yǎng)40小時(shí)，得到種子液，在50L的發(fā)酵罐中裝入50％的發(fā)酵培養(yǎng)基，實(shí)罐消毒后接入6％的種子液，在通氣量1∶0.6，攪拌轉(zhuǎn)速250rpm，罐壓0.04Mpa，溫度28℃的條件下，發(fā)酵培養(yǎng)100小時(shí)。
取發(fā)酵液3.5L，用中空纖維膜過(guò)濾，流量180mL/min，壓力0.8Kg/cm2；將得到的細(xì)胞液，用去離子水將細(xì)胞液恢復(fù)至初始發(fā)酵液體積，取1.5L于2L的三口反應(yīng)瓶中，加入0.5％的丙烯腈按體積1.5L計(jì)，即按每1.5L已恢復(fù)至初始發(fā)酵液體積的前述溶液中加入7.5克丙烯腈(折百)，于28℃水浴溫度和150rpm攪拌轉(zhuǎn)速條件下反應(yīng)，反應(yīng)式如下
(由于反應(yīng)在水溶液中進(jìn)行，得到的產(chǎn)物為丙烯酸銨水溶液)反應(yīng)過(guò)程中間歇加入底物，即通過(guò)HPLC色譜跟蹤分析，當(dāng)?shù)孜餄舛鹊陀?.1％時(shí)，按0.5％的量以前述方式加入底物；反應(yīng)68小時(shí)，底物累計(jì)加入次數(shù)55次，共加入412.5g，約825mL。
取反應(yīng)液樣品，經(jīng)高壓液相色譜(HPLC)定量分析(島津公司LC-10A，下同)，反應(yīng)后底物殘留濃度＜0.05％，轉(zhuǎn)化率＞99.0％，終產(chǎn)物濃度(以丙烯酸銨計(jì))3.13M，丙烯酸產(chǎn)率＞95.0％。
實(shí)施例2、反應(yīng)液的離心或過(guò)濾各取實(shí)施例1得到的濃度為3.13M的反應(yīng)液1000ml，分別按以下處理方式進(jìn)行處理1、用低溫高速離心，在6℃和15000rpm轉(zhuǎn)速下冷凍離心15分鐘；2、用中空纖維膜過(guò)濾，流量180mL/min，壓力0.8Kg/cm2；3、用卷式膜過(guò)濾，流量180mL/min，壓力10Kg/cm2；4、用陶瓷膜過(guò)濾，流量180mL/min，壓力4Kg/cm2；5、用平板超濾膜過(guò)濾，流量180mL/min，壓力3Kg/cm2。
收集得到反應(yīng)清液，HPLC色譜分析，結(jié)果列于表1。
表1

實(shí)施例3、脫色將按實(shí)施例2得到的含有產(chǎn)物的各反應(yīng)清液混和，加入2‰的粉末活性炭，于常溫下震蕩脫色30分鐘，抽濾，得到脫色清液，顏色近無(wú)色，HPLC色譜分析，其中產(chǎn)物濃度(以丙烯酸銨計(jì))為3.00M，收率96.8％。
實(shí)施例4、脫鹽/酸化取實(shí)施例3得到的脫色清液1000mL，上樹脂柱脫鹽，φ5×80玻璃柱裝有1000mL的732強(qiáng)酸陽(yáng)離子樹脂，上柱流速約20mL/min，棄去初始段流出液，當(dāng)流出液pH＜5.0開(kāi)始收集流出液，上第二根裝有1000mL732凝膠樹脂的φ5×80玻璃柱，棄去初始段流出液，當(dāng)流出液pH＜5.0開(kāi)始收集，共得到收集液1380mL，經(jīng)HPLC色譜分析，丙烯酸濃度為1.77M；取去離子水500mL先后洗滌兩樹脂柱，得到洗滌液480mL，經(jīng)HPLC色譜分析，丙烯酸濃度0.79M，上柱液和洗滌液用氨氣敏電極檢測(cè)都無(wú)銨離子存在，過(guò)程總收率88.7％。
另取實(shí)施例3的脫色清液1000mL，加入到3L的三口反應(yīng)瓶中，再加入1500mL的D152弱酸陽(yáng)離子樹脂，加入前濾干，于室溫下攪拌脫鹽，1個(gè)小時(shí)后，抽濾，收集濾液，共1070mL，經(jīng)HPLC色譜分析，丙烯酸濃度2.67M，氨氣敏電極檢測(cè)無(wú)銨離子存在；樹脂加入600mL去離子水洗滌，再抽濾，收集濾液550mL，氨氣敏電極檢測(cè)無(wú)銨離子存在，經(jīng)HPLC色譜分析，丙烯酸濃度0.39M，過(guò)程總收率96.6％。
另取實(shí)施例3得到的濃縮反應(yīng)清液，如表2所列按等摩爾量加入無(wú)機(jī)酸，緩慢加入同時(shí)冰浴攪拌，有大量白色無(wú)機(jī)銨鹽析出，抽濾得到白色或微黃色固體粉末，并用乙醚洗滌回收殘留丙烯酸；酸化前后的產(chǎn)物濃度，經(jīng)HPLC色譜分析，結(jié)果列于表3。
表2、

實(shí)施例5、濃縮按實(shí)施例4得到的丙烯酸溶液，在表2所示的不同條件下減壓蒸餾或薄膜濃縮，濃縮過(guò)程的溜出液，經(jīng)HPLC色譜分析，檢測(cè)到有少量的丙烯酸，實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表3。
表3、濃縮

實(shí)施例6、萃取按實(shí)施例5方法得到的濃縮液，如表4所列用有機(jī)溶劑萃取，萃取劑用量為萃液體積的一倍，分兩次萃取，分液后，收集萃取有機(jī)相，并經(jīng)HPLC色譜分析萃液萃取前后濃度變化，不同條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表4。
表4、萃取

實(shí)施例7、氣提按實(shí)施例6方法得到的含丙烯酸的萃取有機(jī)相，在冰浴條件下，進(jìn)行通氣鼓泡提濃，將有機(jī)溶劑除去，并將揮發(fā)出來(lái)的有機(jī)溶劑，進(jìn)行低溫冷卻回收，實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表5。
表5、氣提

實(shí)施例8、脫水取實(shí)施例7得到的的丙烯酸，按體積5％加入無(wú)機(jī)鹽進(jìn)行脫水，然后抽濾，得到高濃度丙烯酸，吸水的無(wú)機(jī)鹽用有機(jī)溶劑如乙醚洗滌回收殘留丙烯酸，無(wú)機(jī)鹽放烘箱干燥，實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用；脫水前后的產(chǎn)物丙烯酸純度經(jīng)氣相色譜歸一法分析(安捷倫公司，Agilent-6890N)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表6。
表6、脫水

本方法包括將微生物酶催化得到的反應(yīng)清液過(guò)濾收集、脫色、脫鹽/酸化、濃縮、萃取、氣提和脫水而得到丙烯酸，純度≥98％。
本發(fā)明與現(xiàn)有的方法相比，具有明顯的特點(diǎn)和進(jìn)步(1)后處理提純工藝相對(duì)簡(jiǎn)單易行；(2)對(duì)環(huán)境污染??；(3)生產(chǎn)成本低，可工業(yè)化實(shí)施生產(chǎn)；(4)總的提取收率較高，達(dá)到90-95％；(5)得到的丙烯酸雜質(zhì)少，純度≥98％。
權(quán)利要求
1.一種生物催化生產(chǎn)的丙烯酸的提純方法，其特征在于包括以下步驟a、過(guò)濾將含有丙烯酸的反應(yīng)液過(guò)濾，收集得到含有丙烯酸銨的反應(yīng)清液；b、脫色將得到的丙烯酸銨溶液用活性炭脫色；c、脫鹽/酸化將脫色后的丙烯酸銨溶液用離子交換或無(wú)機(jī)酸酸化得到丙烯酸產(chǎn)物溶液；d、濃縮將得到的丙烯酸溶液進(jìn)行濃縮脫去水分；e、萃取將得到的丙烯酸濃縮液用有機(jī)溶劑進(jìn)行萃取；f、氣提將得到的萃取液用氣提方法除去萃取劑；g、脫水將得到的丙烯酸產(chǎn)品脫去殘留的水分。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的反應(yīng)液過(guò)濾是通過(guò)離心或膜過(guò)濾系統(tǒng)除去雜質(zhì)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述的膜過(guò)濾系統(tǒng)包括但不限于中空纖維膜、卷式膜、陶瓷膜或超濾膜。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的脫鹽是用強(qiáng)酸或弱酸陽(yáng)離子樹脂來(lái)完成的。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述的強(qiáng)酸或弱酸陽(yáng)離子樹脂包括但不限于732型、D001型、HD-8、D152、D113或D110。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的丙烯酸水溶液的濃縮是通過(guò)減壓蒸餾或薄膜濃縮完成的。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述的減壓蒸餾或薄膜濃縮的溫度控制在20-80℃。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的萃取使用的有機(jī)溶劑包括但不限于乙醚、二氯甲烷、異丙醚、石油醚或二氯乙烷。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的氣提是用通空氣鼓泡來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的脫水是用吸水無(wú)機(jī)鹽來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種生物催化生產(chǎn)的丙烯酸的提純方法。本方法包括將微生物酶催化得到的反應(yīng)液脫色、濃縮、脫鹽/酸化、萃取、氣提和脫水得到產(chǎn)品丙烯酸，純度≥98％。本方法具有分離提純工藝簡(jiǎn)單、污染小、得到的丙烯酸產(chǎn)品雜質(zhì)少、純度高的顯著特點(diǎn)。
文檔編號(hào)C07C57/00GK101081810SQ20061002712
公開(kāi)日2007年12月5日 申請(qǐng)日期2006年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月30日
發(fā)明者薛建萍, 羅積杏, 李還寶, 朱健, 唐璐敏, 沈寅初 申請(qǐng)人:上海市農(nóng)藥研究所, 薛建萍, 沈寅初