发酵法长链二元酸分离提取研究进展

李晓姝，高大成，乔 凯，王领民

（中国石化 抚顺石油化工研究院，辽宁 抚顺 113001）

发酵法长链二元酸分离提取研究进展

李晓姝，高大成，乔 凯，王领民

（中国石化 抚顺石油化工研究院，辽宁 抚顺 113001）

微生物发酵法生产长链二元酸（DCn）具有良好的经济效益和环境效益，但由于发酵液组分复杂，使得DCn的提取分离成为了制约生产的关键，同时也决定着产品的质量。综述了发酵法DCn分离提取中的两种主要方法——水相法和溶剂法的研究进展。溶剂法提取工艺可满足下游高品质DCn的工业生产要求，但存在能耗较高、生产线不稳定等问题。目前，利用水相法提取聚合级精产品的研究还处于实验室研发阶段，与其他分离提取工艺的联用是实现水相法提取DCn精产品的研发重点。

长链二元酸；分离/提取；发酵液

长链二元酸（DCn）是指碳原子数大于10且直碳链的两端均连有羧基的一类化合物，结构通式为 HOOC—（CH2）n—COOH（n = 9～16）［1］。DCn的合成方法主要有化学法和发酵法两种。化学法生产DCn目前可合成的最长饱和碳链是十三碳二元酸，而其中能工业生产的只有十二碳二元酸。化学法生产DCn的工艺复杂、条件较为苛刻，生产过程污染严重，且产品收率低、生产成本高［2-3］。发酵法生产DCn是指由热带假丝酵母菌（至今为止发酵用出发菌株均为自然界筛选得到）利用正构烷烃发酵生产的相应碳数的二元酸。生物合成法生产DCn具有工艺条件温和、环境友好、经济高效等特点，可氧化癸烷到十八烷的正构烷烃转化成相应碳数的

经过多年的发展和改进，DCn的发酵过程已较为成熟［6-7］。与其他化学品的微发酵法生产过程类似，从发酵液中分离DCn的工艺流程较为复杂，造成DCn的提取分离成本占总生产成本的份额很大，因此分离工艺的改进是降低成本的关键。随着DCn应用领域的不断拓宽，尤其是高端下游产品对DCn原料的要求不断提升，同样对分离提取工艺的改进提出了迫切要求。

本文综述了发酵法DCn提取分离中两种主要方法——水相法和溶剂法的研究进展，并探讨了提纯工艺的发展方向。

1 DC n的应用及生产概况

DCn的用途非常广泛，可作为合成聚酰胺工程塑料、高性能尼龙工程塑料、高级香料、油漆、涂料、润滑油、高温电介质和农药等的原材料［8］。以DCn为原料制成的工程塑料具有诸多优良性能，如优异的成型加工性、耐热性、绝缘性、耐腐蚀性等，不同性能可应用于不同的领域。近年来，随着国内外电子、汽车、通讯等新兴产业的快速发展，市场对聚酰胺工程塑料的需求日益增加，我国现已成为世界上聚酰胺工程塑料的最大进口国［9-10］。

据现有了解，目前中国以发酵法生产DCn的生产企业主要有淄博广通化工、山东凯赛生物、青岛多元生物、山东翰林生物、南通圣诺鑫和中国石化清江石化等［11］。同时该领域的研究工作也主要集中在我国。

2 发酵液的性质和粗酸提取

DCn发酵液的组分较为复杂，主要包括产物、未转化的烷烃、菌体细胞、蛋白质、大分子色素、无机盐和其他中间代谢产物等。通常终止发酵液要先进行破乳过程，即采用加碱、加热的方法，将烷烃去乳化，从而与水相的发酵液和固体菌体分开，回收的烷烃可重复利用。然后需要通过离心、过滤等预处理手段，除去发酵液中的菌体和其他固体杂质。卢利玲等［12］采用陶瓷微滤膜和卷式超滤膜组合过滤，代替传统的板框过滤工艺对DCn发酵液进行固液分离，可将发酵液中的大分子物质如蛋白、部分色素等有效截留，终产品的灰分、总氮含量、颜色等指标明显提升，实现了固体废料的零排放，降低了工艺的劳动操作强度。

固液分离后的发酵液通常还需要进行脱色、脱杂质处理，最后进行终产品的提取。按照提取介质的不同，目前DCn的分离提取方法主要有水相法和溶剂法等。

3 水相法分离提取

将预处理后的DCn发酵清液经活性炭、活性白土等进行脱色、脱杂，加入无机酸调节体系pH至酸性使DCn结晶析出，再经过滤、水洗、烘干可得到DCn粗酸产品。

中国科学院大连化学物理研究所［13］将预处理后的发酵液和酸溶液在集成有换热器的微通道反应器内，于15～90 ℃、0.001～10 s条件下，快速混合完成酸化反应，结晶熟化后体系降至室温，最后经过滤、洗涤、干燥，得到高纯度的DCn粉体。在微通道反应器中进行DCn发酵液的酸化反应［14］，获得了总酸含量大于等于99%，总氮含量小于等于30 mg/kg的二元酸精产品。采用微通道反应器，可精确控制酸化过程的pH，避免了因局部过饱和而造成的大量杂质包埋于晶体中，可显著降低产品的氮含量，同时大大缩减反应系统体积（1～2个数量级）。但该体系的控制难度较大，一方面物料在细的管道中由于扩散及碰撞更加明显，造成了反应速率较常规反应快；另一方面，由于通道过小，对DCn晶体的粒径要求更高，粒径稍大即容易堵塞。

中国石化淮安清江石化［15］采用氧化剂和活性炭偶联处理膜过滤后的发酵清液，阻隔料液中的水溶性蛋白质、多肽等含氮化合物及色素等杂质，再通过酸化结晶初期添加微量乙二酸、丙二酸、柠檬酸等有机弱酸助剂，进一步降低了DCn结晶过程中的化学吸附量，同时结晶过程利用pH临界点调控（即加入少量硫酸形成微量DCn晶核），升温溶解晶体后冷却，反复调节pH到临界点，使DCn晶体逐渐生长，从而得到了高品质的DCn精产品。但该工艺结晶过程对pH的调控精确度要求较高，工业应用难度较大。

中国科学院微生物研究所［16］将DCn粗品经多次酸化、过滤和洗涤，将滤饼于水中（高压下）加热至高于100 ℃（在DCn的熔点之上），保持该温度20～30 min后进行降温，过滤分离得到DCn晶体，产品的单酸纯度在98.5%以上。该方法工艺过程简单，但对于发酵液中水溶性杂质（如蛋白等）仅使用过滤和多次酸化稀释的手段，去除并不完全，在结晶步骤前将体系加热到高温会促进色素、蛋白等的氧化及变性，随着温降亦会吸附于晶体产品中，对终产品的颜色和氮含量会有一定影响。

中国石化抚顺石油化工研究院［17］在酸化结晶后加热使DCn在无机盐的水溶液中熔解成熔融状态，形成油层而与水相分开，分离熔融状态的二元酸，搅拌的同时加水使二元酸重新结晶，获得的产品单酸纯度接近98%。上海凯赛生物技术研发中心有限公司［18］将DCn粗品以溶剂法处理所得的DCn，在减压状态下，加热熔融后降温结晶，得到总酸纯度大于98%的二元酸精产品。采用熔融结晶法对物质进行提纯，需要待提纯的原料具有较高的纯度。对于DCn的提纯，若原料二元酸纯度较低，则结晶过程中液相中的部分杂质会重新包埋于晶体中，尤其是色素类杂质，它们分散于液相中，随着结晶的进行，会大量附着在晶体层中，使得终产品的颜色和纯度难以达到精产品的要求。因此，应该对欲提纯的DCn进行脱色、脱杂质处理；同时，在熔融结晶过程中，应综合考虑结晶时间、发汗时间、结晶温差及结晶次数等工艺参数，在保证产品收率的前题下获得高纯度的DCn产品。

水相法精制DCn的整个处理过程是在水相中进行的，由于发酵液中的蛋白等大分子杂质多为水溶性，但DCn在水中溶解度很低，结晶速率及晶体粒径不易控制，因此水相法获得高品质DCn产品的难度相对较大。然而水相法亦拥有着显而易见的优点，即无需使用有机溶剂，因而设备投资较少，同时生产过程安全性高、无污染，更符合绿色化学发展的方向。

4 溶剂法分离提取

4.1 醇类溶剂提取

中国石化扬子石油化工有限公司［19］以异戊醇为重结晶溶剂，将超滤后的发酵液与异戊醇进行混合，在底部超滤液中加入浓硫酸进行酸化，搅拌混合，然后将二元酸萃取到上层溶剂相中，再将萃取相冷却结晶，获得了总酸纯度大于99%，总氮含量小于30 mg/kg的产品。中国石化抚顺石油化工研究院［20］采用乙二醇，1，4-丁二醇，1，5-戊二醇等C2～5二元醇中的一种或几种作为溶剂溶解包埋有菌体的二元酸粗酸滤饼，溶解后过滤除去菌体等固体，再进行降温结晶，产品回收率可达90%以上。中国石化扬子石油化工有限公司［21］报道了将微滤和超滤膜过滤后的发酵清液与C4～10一元醇（丁醇、戊醇、己醇、庚醇、辛醇等）萃取剂混合后加热酸化，萃取后液液分离，对萃取相冷却结晶，得到总酸纯度大于99%，总氮含量小于30 mg/kg的DCn产品。

乙醇是一种价格低廉的常用溶剂，对于DCn粗品的提纯具有一定效果，但与原料二元酸会发生酯化反应。邵冲等［22］考察了乙醇作为十二碳二元酸重结晶溶剂时酯类的生成情况及生成量，发现随着温度的升高和时间的延长，十二碳二酸单乙酯生成量增加；单酯生成量随乙醇浓度的增加先增加后减少，当乙醇含量为80%（φ）时，单酯生成量最高。当温度在75 ℃、乙醇含量80%（φ）时，单酯平均生成速率最大为21.0 mg/（L·h）。这表明在没有催化剂存在的条件下酯化反应仍然可发生，因此在使用醇类溶剂提纯DCn时，会有少量酯类副产物生成，从而对终产品DCn的品质及产品的聚合性能有一定影响。

4.2 烷烃提取

上海凯赛生物技术研发中心有限公司［23］以烷烃为重结晶的溶剂对粗品DCn进行精制。将二元酸粗品与烷烃混合，加热到110 ℃以上使二元酸溶解，粗品中的大部分杂质不溶于烷烃，形成沉淀而分离出来，然后再对二元酸烷烃溶液进行降温结晶，得到的产品总酸、单酸纯度均较高，总氮含量可降到70 mg/kg以下。该工艺中所用溶剂烷烃的腐蚀性低、安全性高，且由于烷烃结晶母液中的杂质含量很低，不需精馏纯化溶剂，简化了工艺流程。

4.3 醋酸提取

上海凯赛生物技术研发中心有限公司［24］在DCn发酵液中添加无机酸，生成以菌体和DCn为主要不溶物的混合溶液，然后进行固液分离，蒸发除去固体混合物中大部分的水分，再加入醋酸或醋酸丁酯作为溶剂，进行溶解、萃取，过滤除去固体杂质，降温析出晶体，得到DCn产品。李占朝等［25-26］采用醋酸重结晶法精制十二碳二元酸，当十二碳二元酸粗品与醋酸的固液比在1∶12.5，溶解温度为90 ℃，脱色剂加入量1%（w），脱色时间60 m in时，所得产品十二碳二元酸的单酸纯度可达到99.62%。目前国内DCn主要生产企业均是以醋酸为溶剂进行DCn粗品的精制，但醋酸腐蚀性极强，导致生产设备造价昂贵，且醋酸溶剂回用需要蒸馏脱水，能耗较高。

4.4 醚类溶剂提取

中国石化抚顺石油化工研究院［27］报道了采用乙醚、丙醚、丁醚、戊醚或己醚等作为溶剂，在发酵液酸化、过滤得到DCn滤饼后，与溶剂进行混合、萃取，再进行溶剂相和水相的分离，溶剂相中加入吸附剂进行脱色处理，经过滤除掉固形物、结晶等步骤获得单酸纯度大于98.5%的精产品。中国石化扬子石油化工有限公司［28］还报道了利用二乙醚、甲基叔丁基醚、乙基叔丁基醚等醚类溶剂，对DCn酸化液进行萃取，可得到总酸纯度大于99%，总氮含量低，外观色泽好的DCn精产品。醚类溶剂对设备的腐蚀性显著低于醋酸溶剂，且不与产物DCn发生反应，获得的产品品质好。但醚类溶剂通常易燃、易挥发，其蒸汽具有特殊的刺激气味，因此在实际生产中，需要有防火、防爆、防毒装置或措施，另外还存在溶剂回收问题，生产成本较高。

4.5 其他提取方法

上海凯赛生物技术研发中心有限公司［29］采用间歇或连续精馏处理DCn粗酸，先用刮膜蒸发器去除轻组分，进而在低真空度、温度180～240 ℃条件下使用短程蒸馏脱除重组分，蒸馏过程中物料呈熔融状态，获得的产品纯度高、热稳定性好。盐析法［30］是在破乳、过滤除菌后的发酵液中加入一定浓度的KCl或NaCl等无机盐，使二元酸盐晶体析出，将二元酸盐溶于热水中，再经过酸化、过滤、干燥获得DCn产品。该过程提取工艺简单，但盐析法对发酵料液中的蛋白、多肽等生物大分子亦有明显的沉淀效果，造成固体杂质与析出的结晶混杂，难以分离；同时在盐析生成结晶的过程中，溶液中的无机盐离子、色素等杂质也会随结晶的析出而包埋于晶体内部。因此若想获得高品质的DCn产品，一方面可对盐析处理的原料液进行深度处理，尽量脱除料液中的蛋白、多肽、色素等杂质；另一方面，在后续的酸化过程中可通过控制结晶生成速率、多次结晶和洗涤以及配合其他提纯手段进一步精制。

5 结语

采用生物发酵法可合成不同碳数的DCn产品，过程中条件温和，在经济效益和环境效益等方面具有优势和发展前景。溶剂法提取工艺可满足下游高品质DCn的工业生产要求，但存在能耗较高、生产线不稳定等问题。目前，利用水相法提取聚合级精产品的研究还处于实验室研发阶段，然而水相法在环境、能耗、安全性等方面具有着显著的优势。水相法单独用于DCn提取时，获得的产品类型主要是粗酸产品，因此与其他分离提取工艺的联用是实现水相法提取DCn精产品的研究重点。可采用前期增加高效的杂质（主要是氮、铁、色素等杂质）去除手段，以获得较纯净的二元酸盐溶液，再进行水相结晶提取产品，或结合新型酸化结晶设备等（如微通道反应器）大幅度提高酸化结晶过程的控制精度等方法，有望实现水相法提取DCn精产品的工业生产路线。同时应综合考虑不同市场、不同下游应用领域对DCn产品的不同品质要求，设计开发更加合理灵活的生产方案，是今后该领域的研究重点。相信分离提取工艺的不断改进，必将有力促进DCn产业的蓬勃发展。

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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，Fushun 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。

李晓姝（1984—），女，辽宁省抚顺市人，硕士，工程师，电话 024-56389765，电邮 lixiaoshu.fshy@sinopec.com。

10.3969/j.issn.1000-8144.2017.09.020

（编辑 杨天予）