一种从丙酮酸发酵液中提取丙酮酸并制备丙酮酸钠的方法

摘要

本发明公开了一种从丙酮酸发酵液中提取丙酮酸并制备丙酮酸钠的方法,其主要特征是采用一种特殊的有机溶剂以新的工艺从丙酮酸发酵液中一步提取丙酮酸,再以烧碱调节反萃取液的pH值生产丙酮酸钠产品。本发明具有产品质量高、试剂成本低、操作简便高效、环境污染小等特点,特别适用于工业化生产。

说明书

本发明涉及一种用有机溶剂从丙酮酸发酵液中提取丙酮酸并制备丙酮酸钠的方法。

丙酮酸(pyruvic acid)是一种含有三个碳的酮酸，无色液体，有类似乙酸的气味，是糖代谢过程中一个重要的中间代谢产物。丙酮酸的制备方法有三种，化学合成、酶转化和发酵法。目前，工业上生产丙酮酸的方法主要是化学合成法和发酵法，由于后者具有化学合成法不可比拟的诸多优点，如原料的利用及转化率较高，因而在丙酮酸的工业生产中占据了重要的位置。

从发酵液中提取丙酮酸的方法主要有减压蒸馏法、反渗透法、离子交换法、有机溶剂萃取法等。

减压蒸馏法是化学合成制备丙酮酸过程中的常见方法(现代化学试剂手册.第三分册，生化试剂(二).201-202)，对于组成较为复杂、丙酮酸含量稀少的发酵液体系，这一方法在操作过程中的困难较大，能耗大，效率低。

反渗透法(日本专利06,306,011)是针对丙酮酸和高分子量的杂质之间存在的分子量差，选用反渗透膜进行分离，由于反渗透技术不需要进行相变，因而具有节约能源和资源等优点，而且产品收率和纯度都较高，因而这一技术应用的潜力很大。但由于反渗透技术需要专用的设备，操作上有一定的困难，成本高昂，因而在工业上推广还存在一定的困难。

离子交换法(日本专利06,345,683)是利用丙酮酸和其他物质在离子交换树脂上交换或吸附能力的不同，利用离子交换树脂柱，实现丙酮酸和其他物质的分离。虽然离子交换技术具有优异的分离选择性和很高的浓缩倍数，操作方便，效果突出，提取成本低廉，但目前的收率和纯度还不能令人满意，需结合其他精制方法才能取得更好的效果。

有机溶剂提取法(美国专利3,993,543)是利用丙酮酸和其他物质在有机溶剂中分配系数的不同，通过在发酵液中加入特定的有机溶剂萃取，从而实现丙酮酸和其他物质的分离，该专利使用的有机溶剂为乙醚，工艺也较为单一。由于使用大量的有机溶剂，对溶剂的选择性和再生能力提出了较高要求，目前这种溶剂显然并不能胜任，较单一的工艺下，回收率和纯度都不高，而且这种有毒、易爆、易挥发溶剂的使用，对环境造成了严重污染，给操作也带来了不便。但由于这一方法操作简便得多，只要在选择出合适的萃取剂基础上进一步优化萃取工艺，这仍不失为一种优异的工业化提取方案。

本发明的目的是提供一种对环境污染小、操作简便高效、费用低、成品纯度高、易于工业化生产的从丙酮酸发酵液中提取丙酮酸并制备丙酮酸钠的方法。

本发明的具体操作步骤如下：提取丙酮酸：(1)将丙酮酸发酵液置于高速离心机中进行离心；(2)将(1)离心得到的发酵液上清液通过离子交换树脂柱处理；(3)将(2)得到的发酵液处理液加入一种有机酯类溶剂作萃取剂，在一定温度及pH值下进行萃取操作；(4)分离有机相和水相，在有机相加入纯水进行反萃取操作；制备丙酮酸钠：(5)分离反萃取后的有机相和水相，以烧碱调节水相(反萃取液)的pH值；(6)将(5)得到的溶液在一定的真空度和温度下蒸发浓缩至一定的浓度，使丙酮酸钠晶体析出；(7)乙醇洗涤晶体，真空抽滤并烘干得丙酮酸钠产品。

发酵结束后得到的丙酮酸发酵液，可以采用离心操作条件为3000转/分钟离心10分钟以除去大部分的菌体和固形物成分。

将离心得到的上清液通过732(001×7)型阳离子交换树脂处理，调节通液的pH值，同时脱去一部分色素、阳离子成分。

经树脂柱处理后得到的发酵液处理液，其pH值为1.0～5.0，也即萃取前发酵液的pH值为1.0～5.0，最佳为2.0。

萃取前发酵液中丙酮酸的浓度为20～120g/L，最佳为40～80g/L。采用有机酯类溶剂，如乙酸乙酯，乙酸丁酯，磷酸三丁酯作为萃取剂，尤以磷酸三丁酯为佳，萃取剂的用量为此时发酵液体积的100～200％，最佳用量为100％。

萃取时温度为5～50℃，最佳为20℃。

萃取、反萃取后用烧碱溶液调节反萃取液的pH值为5.0～7.0，最佳为5.5～6.0。

反萃取液真空浓缩时的温度为40～60℃，浓缩液中丙酮酸含量控制在200～400g/L，最佳为380g/L。

晶体用乙醇洗涤，然后在50～60℃的恒温干燥箱中烘干，即可得到白色产品(丙酮酸钠)。

丙酮酸的定量分析采用酶法(Methods of Enzymatic Analysis.3rd Edition，Vol IV Metabolites 1：Carbohydrates.570-577，1984)；丙酮酸钠含量的定量分析采用化工部部颁标准HG3-1166-78规定的方法。

本发明不仅可以在实验室中方便的实施，而且极易在工业生产中运用。本发明中采用的萃取剂磷酸三丁酯，对发酵液中丙酮酸有着很高的分配系数，故选择性高。该溶剂在水溶液中的溶解度很小，使之在萃取过程中不易损耗，易于回收利用，萃取剂可经反萃取、再生后反复使用，而且该溶剂在操作条件下不易挥发，毒性、危险性较小，对环境的污染小；若结合多级逆流萃取工艺，将达到理想的分离提取效果。采用的设备简单，占地面积小，操作简易，成本低廉，效率突出，易于实现从实验室到工业生产的放大。

通过以下的实施例能更好地理解本发明，它们叙述了从丙酮酸发酵液中提取丙酮酸并生产丙酮酸钠的具体操作过程，所有的测量数据都是三次测定的平均值。

实施例1

发酵得到的丙酮酸发酵液，经过离心、离子交换后的发酵液pH为2.0，丙酮酸含量为40g/L，一次加入与此时发酵液体积相同的磷酸三丁酯，充分接触后，液液分离，一次加入与水相体积相同的纯水反萃取，调节反萃取液pH6.0真空浓缩结晶并在60℃下烘干。

结果如下：

丙酮酸钠含量98.1％，提取率50.1％。

实施例2

改变萃取时的pH为5.0，其他操作同实施例1。所得结果如下：

丙酮酸钠含量78.5％，提取率50.8％。

实施例3

改变萃取时的丙酮酸浓度为120g/L，其他操作同实施例1。所得结果如下：

丙酮酸钠含量95.2％，提取率53.9％。

实施例4

改变萃取方式为两级萃取，即溶剂总体积不变，但等分成两次分别加入，中间包括液液分离过程，相应的反萃取操作也分为两次进行，其他操作同实施例2。所得结果如下：

丙酮酸钠含量98.5％，提取率60.1％