长链二元酸重组分中混合二元酸提取技术进展

杨晨，宋兴福，侯本良，张淑华，刘文凤

（1 凯赛(金乡)生物材料有限公司，山东济宁272211；2 上海凯赛生物技术股份有限公司，上海201203；3 华东理工大学，上海200237）

长链二元酸是指含有10 个或10 个以上碳原子的直链二羧酸，是合成麝香、聚酰胺、热熔胶、耐寒增塑剂、高级润滑油、高级油漆、涂料和防锈剂等产品的重要原料，被广泛应用于化工、轻工、农药和医药等领域。

长链二元酸生产方法分为化学法和生物法[1-2]。2003 年，凯赛生物公司首次实现了生物法聚合级十二碳二元酸、十三碳二元酸和十四碳二元酸的产业化，并建成世界上最大的生物法长链二元酸生产线。2015 年Invista 公司宣布关闭世界上最大的化学法十二碳二元酸生产线，标志着通过技术进步，使得生物法取代化学法长链二元酸在商业上获得成功。

生物法长链二元酸工业生产中聚合级产品主要通过有机溶剂结晶精制得到，常用的有机溶剂包括乙酸、醇类和酮类等[3-4]。有机溶剂结晶后固液分离得到结晶母液，结晶母液蒸发回收溶剂后，剩余的总固形物称之为重组分。重组分中仍含有较多长链二元酸，有较高的潜在经济价值。但其杂质类型多、组成杂，其分离提取是困扰行业的难题。本文综述了重组分中混合二元酸提取技术研究进展，并探讨了其研究重点和方向。

1 重组分组成和杂质来源分析

因发酵目标产物和提取精制工艺差异，重组分组成并不固定。经分析，其中主要的组成类别包括：①混合长链二元酸，含量50%～70%不等，二元酸碳链数从9到18不等；②一元酸和不饱和酸，含量10%～25%；③无机盐、色素、细胞构成物及代谢副产物等组分，含量10%～30%。

第一、第二部分是重组分的主要组成。因发酵采用的菌株不同、生产的长链二元酸种类不同以及提取长链二元酸工艺的不同，混合二元酸的成分也发生相应的变化。其主成分与主线产品有关，如十二碳二元酸生产线重组分以十二碳二元酸为主。

对于非主线产品的其他碳链二元酸、一元酸和不饱和酸的来源，在以烷烃为底物的二元酸发酵液中，除了由于原料纯度不够造成的发酵液中存在其他二元酸，同时微生物需要进行多步级联的氧化反应（α-氧化）才能将长链烷烃两个末端甲基氧化成羧基从而形成二元酸[5-7]，氧化过程会出现多种中间体，未完全氧化的中间体释放到发酵液中就形成了杂质。同时，微生物也需要利用烷烃进行自主的能量代谢以实现细胞的自我维持（ω-氧化）[5-6]，在将长链烷烃逐步代谢为二氧化碳的过程中也会出现多种短碳链的中间产物，释放到发酵液中也会形成相应的杂质。由于代谢途径的不同也会产生除目标产物之外的一元羧酸或二元羧酸；在以脂肪酸或其衍生物发酵的发酵液中会存在底物利用不充分而残留的脂肪酸或其衍生物底物。

第三部分来源于在长链二元酸提取过程中，发酵液中的部分细胞构成物和代谢副产物也会最终进入重组分；因生产中有加热过程，还会发生美拉德反应（Maillard reaction），生成色素类杂质。此外，溶剂精制粗品带入的无机盐和混杂的活性炭颗粒异物也会富集在母液中。

重组分中含有的长链二元酸是提取的目标物，其他组分都是杂质。这些杂质中，一元酸和不饱和酸与长链二元酸很多理化性质比较接近，分离难度较大；色素、细胞构成物及代谢副产物会影响下游应用产品质量，更重要的是，这类杂质造成了重组分提取体系黏度大、沸点高和难以结晶等一系列难题，是影响提取工艺实施的重要因素。相对而言，无机盐和混杂的活性炭颗粒异物易于分离。

2 重组分中混合酸提取方法

目前，对重组分综合利用的研究报道很少，基本都以专利形式呈现。按照提取手段差异，本文将其归纳为以下几类。

2.1 水相成盐-酸化结晶法

该方法的核心原理是基于酸碱中和反应，主要步骤是将重组分与可溶性碱进行反应，重组分中的酸生成相应的盐，将所得到的盐调节成一定浓度的水溶液，经过脱色、过滤等预处理方式，去除杂质，然后加酸调节pH，再将盐转化为酸沉淀，得到混合酸。该工艺利用二元酸与其他组分在水中的溶解度差异，反应结晶以提纯得到混合二元酸。水相中酸碱中和pH 和浓度是主要调控参数。因主线的结晶工艺所用有机溶剂类型和重组分中溶剂含量差异，所采用的方法略有不同。

（1）水相中中和环节主要调节的参数是pH 和二元酸的浓度，pH 控制的差异产生的分离效果不同。凯赛生物专利CN102010318A[8]将pH 调至8～10 溶解重组分，然后经两次活性炭脱色后再酸化得到混合长链二元酸。然而，在高pH 下绝大部分杂质也呈溶解状态，该工艺主要依靠活性炭脱色除杂。凯赛生物专利CN104844440B[9]、CN104844441 B[10]发现，在一定的条件下，混合二元酸/混合二元酸盐降温析出过程中，会发生油析沉淀，能得到颜色浅白、杂质含量低，且容易过滤的混合二元酸/混合二元酸盐，起到纯化的效果。基于此发现，该专利提出油相固化-二次沉淀工艺，并指出该工艺还可以与氧化工艺联合使用。具体的是将重组分加碱调节pH 在5.6～7.2 之间，并调节溶液中混合二元酸的质量分数为5%～40%，溶解后降温析出沉淀（降温前也可对溶液进行脱色等预处理），分离得到固体；再将固体投入水中，加热升温使其溶解后，以臭氧或/和双氧水为氧化剂进行氧化，从而改善溶液的颜色并降低溶液中不饱和高碳数二元酸的含量；氧化后再酸化使混合二元酸析出。该方法酸碱用量、活性炭用量比高pH 时低，可以得到颜色白、高碳数二元酸（C16以上二元酸）含量低的混合二元酸，适合于防锈领域的应用。

（2）长链二元酸精制时如采用醇为精制溶剂，结晶母液中含有二元酸酯，需要先将酯转化为二元酸和醇，再分离长链二元酸。淄博广通化工有限责任公司专利CN102795984B[11]以十二碳二元酸精制过程乙醇回收后剩余的副产物为原料，与过量3%的液碱在95～100℃反应生成长链二元酸钠盐和乙醇，回收乙醇，反应得到的钠盐经脱色、酸化结晶、过滤、洗涤和真空干燥得到混合二元酸。专利CN104447274B[12]、CN104447280B[13]针对甲醇精制十二碳二元酸结晶母液，也是采用类似的方法获得混合二元酸。该方法可以得到总酸≥99.7%（质量分数），单酸≥99.3%（质量分数）的产品。该工艺存在的问题在于酸碱用量较多，产生较多的硫酸盐，需要处理。且工业化中，该工艺回收溶剂时存在大量二元酸盐和杂质，蒸馏会变得困难。

（3）长链二元酸精制时如所用溶剂为水不溶性有机溶剂，如正丁醇、乙醚、乙酸乙酯、乙酸丁酯、甲苯，则可以加碱调节其pH≥7，得到有机相和水相；将水相分离、酸化，析出晶体，经后处理得到产品[14]。此方法有机溶剂会起到萃取作用，将部分有机杂质萃取到有机相中，起到分离杂质的效果；但水相仍需要进一步脱色、纯化才能获得比较好的产品。

综上而言，水相法操作简单，条件相对温和，无需溶剂。但耗用酸碱，产生较多的盐，需要处理。实践证明，水相法精制二元酸制得的产品纯度、外观色泽及结晶粒度比有机溶剂法的差，因此要制得高纯度的长链二元酸，就要对水相法进行进一步的改进。

2.2 有机溶剂结晶法

有机溶剂结晶是将重组分在特定的溶剂中通过降温、溶析等操作使各组分在溶剂中的过饱和度发生变化，使长链二元酸成核结晶而杂质仍留在液相中，从而达到提取二元酸的目的。

重组分来源于有机溶剂结晶的母液，虽然杂质较多，但长链二元酸仍是主要组分，控制好结晶条件仍可以继续结晶。长链二元酸精制中常用的有机溶剂包括乙酸[4]、甲醇、乙醇和酮类等[3,15]。但对于工业化而言，采用一个新的溶剂系统并不方便，涉及溶剂的回收系统投资、安全、环保诸多方面的问题。为避免采用新的溶剂系统，凯赛生物专利CN104844442A[16]提出结晶母液浓缩后冷却结晶的方法，即将溶剂母液浓缩至体积为原来体积的(1/10)～(1/4)，提高长链二元酸的浓度，然后降温结晶获得混合酸。此方法得到的混合酸产品的纯度高、颜色浅，可以回收重组分中50%～80%的混合酸。且步骤简单，无需碱溶、酸化等繁琐步骤，与主生产线工艺契合程度高，工业化改造工作量小，是容易实现的工艺。

2.3 萃取法

萃取法是将萃取剂与重组分混合，搅拌，静置，将富含长链二元酸的萃取相分离，再经冷却析出二元酸，除去溶剂后干燥，获得混合酸产品。萃取法是长链二元酸提取中常见的方法，一般常用的萃取剂是醚类[17-18]、醇类[19-21]、丙酮[21]等。但实验发现，这些萃取剂（有的也就是精制工艺的结晶溶剂）对很多杂质（如色素）同样有溶解能力，无法达到分离目的。针对副产物杂质特点，凯赛生物专利CN103965035B[22]发现采用烷烃为溶剂，溶解长链二元酸，得到的萃取相颜色非常浅，而棕黑色的色素等杂质基本没有被溶解，两相易于分离；同时，烷烃溶剂可以循环使用，而不影响长链二元酸结晶的颜色。该工艺具体步骤包括：将重组分与烷烃混合，加热到110℃以上使二元酸溶解，将其与杂质部分分离，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70mg/kg以下。该技术对色素类杂质去除率高，结晶时又可以去除部分一元酸和不饱和酸，起到一举两得的效果，但将烷烃彻底去除的技术要求很高。

2.4 色谱分离法

色谱分离法将重组分用碱调节pH 至碱性，必要时将其预处理成无悬浊物的清液，然后使其流经树脂等具有选择性吸附功能的处理柱进行分离，在各流出时间收集洗脱液，洗脱液进一步酸化结晶得到产品。色谱分离法在化学法生产己二酸的副产物分离丁二酸、戊二酸和己二酸中有所研究[23]。凯赛生物专利CN102190572A[24]采用大孔吸附树脂、活性炭、活性白土、硅藻土和硅胶对重组分进行色谱分离。该方法可以简便有效地将长链二元酸与色素等杂质分离出来，并且能够对存在于同一溶液中的不同长链二元酸进行分离。US20160159723A1[25]也提出了类似的方法。但因重组分组分复杂，不同碳链的二元酸和一元酸、不饱和酸及其他杂质与吸附剂的吸附性能区分度较低，往往难以达到较高的分离度。另外，处理柱清理和重复利用困难，操作复杂，不适合大规模生产。因此，该方法需要与其他提取方法联合使用，方能取得较好的效果。

2.5 酯化分离法

长链二元酸常压沸点约300℃以上，在如此高的温度下难以通过精馏分离，所含热敏性杂质也易高温变性。若要降低沸点[26]，一则可以采用提高真空度的方法，如在高真空下十二碳二元酸沸点为254℃（2.0kPa）、245℃（1.33kPa）；另一个办法就是将长链二元酸酯化，所对应的长链二元酸酯在同样压力条件下，沸点可以降低100℃左右，便于精馏分离。此外，重组分酯化过程中一些杂质并不发生酯化，仍为高沸点组分。因而，采用酯化法将混合二元酸粗品与低碳醇在催化剂作用下酯化得到二元酸酯，然后采用精馏分离纯化，加水催化水解，母液冷却结晶，可以得到纯度较高的长链二元酸[27]。水解酯后分离得到的醇可以循环使用。理论上，只要有足够高的塔板，就可以将不同链长的二元酯分离，但这是以提高成本为代价的。更理想的情况是，所得的混合酯直接应用于下游市场，避免后续的水解过程，提高产品附加值。

3 总结和展望

除上述方法，长链二元酸提取中可用的一些技术，如熔融结晶[28]，因重组分组分复杂，以混合二元酸为主，不存在固定熔点，难以结晶；水相反应结晶在发酵液提取中有所应用[29]，但因混合酸高温下酸析时发生油析，低温下结晶状态差也无法达到理想效果。长链二元酸的应用对二元酸的纯度、颜色、热稳定性等指标要求非常高，而重组分中复杂的组成导致分离提纯成为行业中的难题。从目前看，生物法长链二元酸生产过程产生的重组分还没有进一步处理，提取其中的混合二元酸并形成推向市场的产品还没有规模应用，需要进一步开发。对重组分的研究迫在眉睫，探索行之有效的资源化利用工艺是行业和企业的内生需求。本文分析了不同提取方法的原理和效果，从上述分析看，各提取技术各有优劣，未来研究的重点主要有以下几个方面。

（1）开发新的提取工艺 针对重组分中混合酸提取，或基于不同类型杂质理化性质差异，开发新的提取技术，如超临界二氧化碳萃取技术、开发高分离度的色谱树脂；或在结晶、萃取和蒸馏等技术的基础上，结合膜分离[21,30]等工艺进行预处理，达到更好的精制效果，将复杂组成的重组分中的长链二元酸与杂质分离，形成品种和规格的多样化，提供满足不同客户要求的产品。

（2）提高提取装备水平 提取工艺需要专用分离设备以实现产业化。因组分的混杂，对设备的加工要求很高，如在高真空下，利用沸点差可分离二元酸与杂质，但对真空度要求极高，从而对设备的密封性要求极高，同时对精馏系统的压降要精密控制。如采用萃取技术时，需要在高温下将萃取相和黏性大的色素相分离，对液液分离设备的防堵塞要求很高。只有提高提取装备水平，才能实现合适工艺的产业化。

（3）加强环保处理措施 在提取重组分中混合酸的同时，因提取方式不同，或存在于水相中，或形成含有少量灰分的固体残渣，需要采用污水系统的生物代谢、残渣焚烧技术等彻底处理，全面实现重组分减量化资源化的目的。

可以预见，随着分离技术和设备的发展，长链二元酸重组分也一定会被“吃干榨净”，促进长链二元酸行业的良性发展。