发酵法生产1,3-丙二醇工艺优化及评价

赵东一，张 霖

(1. 中国石化仪征化纤有限责任公司，江苏仪征 211900； 2. 中国石化抚顺(大连)石油化工研究院，辽宁抚顺 113001)

应用技术

发酵法生产1,3-丙二醇工艺优化及评价

赵东一1，张 霖2

(1. 中国石化仪征化纤有限责任公司，江苏仪征 211900； 2. 中国石化抚顺(大连)石油化工研究院，辽宁抚顺 113001)

1,3-丙二醇主要用途是和对苯二甲酸(PTA)一起合成新型聚酯对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)，但是1,3-丙二醇的高成本制约了PTT的发展，低成本1,3-丙二醇合成工艺的研究开发工作成为国内外的热点课题之一。本文是在以甘油为底物发酵生产1,3-丙二醇的工艺路线上进行优化，使用实验室2.5 L发酵罐进行试验，研究甘油发酵过程中搅拌速度、氮气通气率、发酵时间对最终发酵液中1,3-丙二醇含量的影响，在发酵温度37 ℃、pH值7.0、通气率0.2 vvm、发酵时间40 h、搅拌转速400 r/min的条件下，发酵液中1,3-丙二醇的含量高达80 g/L以上，产品纯度达到99.5%以上。

1,3-丙二醇 发酵 优化

1,3-丙二醇(简称1,3-PDO)，是一种无色无臭，具有刺激性咸味的透明粘稠液体，易溶于水、乙醇。它是一种重要的有机化工原料，目前应用于增塑剂、洗涤剂、油墨添加剂、冷冻剂、聚酯和聚氨酯的合成[1-5]等领域，其中最重要的应用是与对苯二甲酸缩聚制备PTT聚酯纤维[6-7]。PTT是一种性能优异的聚酯材料，兼具聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的高性能和聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)的易加工性，且具备尼龙良好的回弹性和抗污性，且易染色、耐磨擦，所以在地毯、工程塑料及服装面料等领域应用前景相当广泛，是目前国际上合成纤维开发的热点[8-9]。目前全球以杜邦公司的Sorona为商标的PTT聚酯最为著名[10]，杜邦产能9.4万吨/年，国内盛虹集团一期5万吨/年已建成，二期10万吨/年在建，另有珠海华裕聚酯、张家港美景荣、泉州海天、吴江中鲈各3万吨/年在产。作为PET的升级产品，国内外都在竞相开发，以占领高端聚酯市场的先机。开发新一代PTT高端聚酯技术和产品，势在必行。但国外1,3-PDO生产厂家对1,3-PDO技术实行了垄断，抬高了1,3-PDO在国内的价格，从而限制了国内PTT领域的发展。因此，无论从国外还是国内来看，1,3-PDO的需求量只会增加，供需矛盾会日益增加。开发工业化装置工艺包势在必行。该试验为将来工业化设计提供了数据支撑。

1,3-PDO的生产路线有化学法和生物法两种。目前化学法的技术难度大，特别是其催化剂的制备与选用较为复杂，反应压力较高且结构相当复杂[11-15]。原料极度易燃，高毒，具强刺激性。对存储和运输的要求都很高[16-17]。生物法的生产工艺无高温、无高压，绿色环保，原料易得，逐步引起国内外的重视，特别是以克雷伯氏肺炎杆菌为菌种，甘油为底物发酵生产1,3-PDO的技术竞争优势更高、产品提纯精制操作更易。本文是建立在甘油发酵生产1,3-PDO的工艺基础上，主要讨论在温度37 ℃、 pH值调控为7.0的条件下，考察搅拌转速、氮气通气率、发酵时间对最终发酵液中1,3-PDO浓度的影响。

1 试验部分

1.1试验设备仪器

克雷伯氏肺炎杆菌的移植、培养需要在洁净区操作，洁净区包括菌种保藏用的无菌间、种子培养间和分析化验实验室等，试验所需主要设备及仪器见表1。

1.2试验流程设计

试验主要在实验室完成，试验过程中的碱由pH计在线测量反馈给控制阀，自动控制加入量以维持pH值在设定范围。甘油加入量由每小时取样分析发酵液中的甘油浓度来手动调整进料速度。罐底部为自动温度控制底盘，自动调整加热量维持发酵温度在设定的温度。搅拌器的转速可以根据设定值全自动调整。

表1 主要设备与仪器

维持厌氧环境的氮气从发酵罐底部注入，氮气由转子流量计计量，手动根据流量计调整加入量。发酵产生的尾气通过罐顶的放空管线直接排向大气。试验工艺流程示意图如图1所示：

图1 试验工艺流程

1.3发酵方法

发酵底物为纯度高于95%的工业级甘油。发酵罐体积选择2.5 L，接种量为10%。发酵过程中产生的酸会抑制菌种生长，所以需要碱来中和产生的酸从而保证pH的稳定，该试验采用的pH中和剂是浓度为25%的氢氧化钠。在温度37 ℃、pH值调控为7.0的条件下考察搅拌转速、氮气通气率、发酵时间对最终产品浓度的影响。过程中每小时取发酵液进行液相分析，并根据分析结果补加甘油，使甘油浓度维持在15～25 g/L。

1.4分析方式

液相分析：以Waters 2695分离系统与Waters 2414示差检测器构成液相分析系统，其中分离柱选用HPX-87H有机酸和醇分析柱，用于测量发酵体系中甘油的消耗、产物1,3-PDO以及主要副产物乙酸、琥珀酸等。

菌浓测定：波长600的分光光度计测量菌种OD值(1OD=log10(1/trans)，其中trans为检测物的透光率T值)。

1.5计算公式

本文中所涉及的主要计算公式如下：

其中：W1为发酵液中1,3-PDO生成量；V为发酵液总体积；W2为甘油消耗量；W3为甘油总添加量。

2 结果与讨论

2.1菌种活化及培养

在进行发酵试验前，需对休眠状态的种子进行两次活化，以提高菌种的生产强度。首先，在2.5 L的自动培养罐中配1.5 L基础液，经过高温灭菌后，调节罐内发酵环境pH值7.0、温度37 ℃以及搅拌转速150 r/min，从冰箱中取2 mL菌种原液接入该2.5 L 培养罐中培养，进行一级菌体活化。培养过程中取液进行液相色谱分析1,3-PDO含量及甘油消耗量，波长600的分光光度计测量菌种OD值，一级种子生长曲线如图2所示。

图2 一级种子生长曲线

其次，当一级培养进行10 h以上，且OD600达到6以上时，取一级活化后的液体70 mL，转接到装液量700 mL培养基的1 L培养罐中(温度37 ℃、pH值7、转速150 r/min)进行二级活化7 h，并通入0.1 vvm 氮气开始厌氧培养，氮气通入量为0.1 vvm。二级种子生长曲线如图3所示。

图3 二级种子生长曲线

2.2发酵对比试验

取经过二级活化的菌液各150 mL分别移入两个配有1.5 L基础液的2.5 L自动发酵罐中进行发酵试验，通过改变2.5 L罐内的发酵条件考察搅拌转速、氮气通气率、发酵时间等对1,3-PDO最终收率的影响，选定最优的控制方案。发酵接种量为10%，发酵过程中甘油的添加方式为连续添加，根据每小时的分析结果控制添加速度。碱根据pH计测量的反馈数据自动控制添加速度。

2.2.1 发酵时间对1,3-PDO发酵产率的影响

试验在温度37 ℃、pH值7、转速为400 r/min、氮气通气率为0.2 vvm的条件下，考察了发酵时间对1,3-PDO发酵产率的影响，试验结果如图4所示，在0～4 h属于菌株生长延滞期，在4～30 h属于菌株对数生长期，30～40 h属于菌株稳定生长期，在40 h菌株生长基本稳定，发酵液中1,3-PDO的浓度也基本趋向稳定，而且40 h后的菌浓也开始降低。综合考虑将来工业化生产效率，最终发酵时间选定为40 h。这样可以牺牲部分产品浓度来提高批次生产效率。

图4 发酵时间与1,3-PDO浓度关系

2.2.2 不同转速下发酵情况对比

试验在温度37 ℃、pH值7、氮气通气率为0.2 vvm、发酵时间为40 h的条件下，分别考察了转速为120 r/min、300 r/min、400 r/min及500 r/min条件下1,3-PDO的发酵产率，如图5所示。随着转速的提高，1,3-PDO的发酵产率有所提升，但是转速为500 r/min相比于400 r/min，发酵产率反而有所下降，这是由于随着转速的提高，菌种混合更加均匀，菌种的平均生长环境也比较符合控制要求，但是过大的剪切力(速度梯度)对菌种稳定发酵不利。从而造成最终产品收率降低。所以最终选定搅拌转速为400 r/min。

图5 不同转速下发酵情况

2.2.3 不同氮气通气率发酵情况对比

试验在温度37 ℃、pH值7、转速为400 r/min、发酵时间为40 h的条件下，分别考察了通气率为0.1 vvm、0.2 vvm、0.4 vvm及0.6 vvm条件下的1,3-PDO的发酵产率，试验结果如图6所示。

图6 不同通氮量下发酵情况

在通气率为0.1 vvm的条件下，1,3-PDO的发酵产率较低，最终产率仅为65 g/L，而通气率为0.2 vvm以上时，发酵产率得到大幅提高，最终产率可达80 g/L，但是通气率大于0.2 vvm时，1,3-PDO的发酵产率虽有一定提高，但不明显，说明通气率为0.2 vvm时，已经可满足菌种厌氧发酵的需要。综合考虑将来工业化装置能耗等问题，最终选定0.2 vvm的通气率。

2.2.4 在最佳试验条件下三组试验对比

通过上述条件试验的优化与考察，确定了菌株发酵工艺条件为温度37 ℃、pH值调控为7.0、转速为400 r/min、氮气通气率为0.2 vvm、发酵时间为40 h，在上述条件下，分别进行了三组试验验证，考察在这些条件下的1,3-PDO的产率、甘油转化率及目标产物选择性。试验结果如表2所示：

表2 三组考察试验对比

试验结果显示，在选定的发酵条件下菌株发酵稳定，1,3-PDO的产率也较高，稳定在80 g/L左右，甘油转化率较高，接近90%，目标产物选择性为0.5以上，说明发酵过程代谢正常，未产生较多的副产物。

3 产品分析及评价

3.1产品分析

试验发酵液经过后续的板框过滤、离子交换及精馏塔提纯工段后，进行了纯度分析，并且与杜邦的产品进行了对比，测试结果如表3所示：

表3 产品测试结果

从测试报告可看出，试验产品的纯度已经达到杜邦工艺水平，但是产品的基础色号以及紫外透光率与杜邦工艺还存在一定的差距。

3.2产品聚合评价

取纯度为99.86%的试验产品和杜邦的两种丙二醇进入聚合釜进行聚合性能评价，PTA和1,3-丙二醇按照一定比例加入到聚合釜中，加催化剂、稳定剂及其它助剂，采用常规聚合工艺合成得到一定特性粘度的PTT。

试验结果表明，试验产出的丙二醇能够正常聚合制备PTT。聚合过程中出水正常，与杜邦丙二醇相比，试验产出的丙二醇聚合速度快，合成的PTT特性粘度略偏低，色相偏黄，具体结果见表4。

表4 常规性能指标

4 结 语

本文主要考察克雷伯氏杆菌试验发酵的工艺条件，并进行对比优化，得到了以下结论：试验采用两级种子培养，一级发酵，最终发酵罐体积为2.5 L，在温度37 ℃、pH值调控为7.0的基础条件下，优化工艺条件氮气通气率为0.2 vvm、发酵时间为40 h、搅拌转速为400 r/min。通过对发酵条件的优化，1,3-PDO的最终产率在80 g/L以上，甘油转化率接近90%，目标产物选择性超过0.5，试验所得产品经过分离提纯，然后进行聚合评价，产品质量基本达到杜邦产品的水平。

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Evaluationandoptimizationfor1,3-propanediolproductionbyfermentation

Zhao Dongyi1,Zhang Lin2

(1.SinopecYizhengChemicalFibreCo.,Ltd.,YizhengJiangsu211900，China; 2.SinopecFushun(DaLian)ResearchInstituteofPetroleumandpetrochemicals，FushunLiaoning113001，China)

The most important applications of 1,3-PDO is synthesizing a new type of polyester(PTT) with terephthalic. But the high cost of 1,3-PDO constraint on its development, so the lower cost forming processing of 1,3-PDO becoming one of the hot topic at home and abroad. In this paper we finished the comparative experiments with the 2.5 L fermentation cylinder, discussed the impact of the rate of agitation, ventilation ratio, fermentation time to the concentration of 1,3-PDO in fermentation broth. Finally, the concentrations of 1,3-PDO were all above 80 g/L at the optimum conditions of 37 ℃(fermentation time), pH7.0(pH value), 400 r/min(agitation), 40 h(fermentation time), 0.2 vvm(ventilation ratio). GC analysis displayed the purity of the product were exceed 99.5%.

l,3-propanediol； fermentation； optimization

TQ214

B

1006-334X(2017)03-0032-05

2017-08-16

赵东一(1982-)，江苏常州人，工程师，主要从事化工工艺研究工作。