发酵丁二酸的提取工艺研究

论文摘要

丁二酸是工业上一种重要的四碳化合物,它作为有机合成原材料、中间产物或化学品,广泛应用于制药、食品添加剂、绿色溶剂及可降解塑料等多种领域。本论文对发酵丁二酸的提取工艺进行研究,比较钙盐法、阳离子树脂交换法和阴离子树脂吸附法三种提取工艺的可行性,确定从发酵液中分离提取丁二酸的工艺条件。研究内容主要分以下四部分:第一部分为钙盐法提取发酵液中丁二酸的工艺研究。对钙化、酸解、脱色、离交净化、浓缩和结晶等工艺参数逐一进行研究,确定最佳工艺条件:先将发酵液浓缩1倍,使丁二酸含量为8%～10%,在80℃下,按照摩尔比1:1.3（总酸:CaCl2）添加浓度为40%的CaCl2,钙化反应30 min;在80℃下,添加60%的硫酸酸解反应40 min,用双管清法判断终点;脱色工艺中,操作温度为75℃,pH2～3,脱色时间30 min,对玉米糖浆发酵提取液活性炭用量为0.8%,对甘蔗糖蜜发酵提取液活性炭用量为2.5%;选择D315树脂为除SO42-和Cl-的阴离子树脂,上柱流速为1.98 h-1（3.3 mL/min）时效果最佳。综上,从1 L甘蔗糖蜜发酵液和1 L玉米糖浆发酵液提取丁二酸,收率分别为66.4%和68.9%,结晶纯度分别为99.0%和99.5%。经过质量鉴定,丁二酸产品质量完全符合FCC-IV的标准。并对镁盐的回收及酸解和脱色两步合并进行试验,对1L的糖浆发酵液提取,收率达到69.4%,纯度为99.4%。第二部分阳离子树脂交换法提取丁二酸的工艺研究。通过考察上柱流速对丁二酸收率的影响,确定上柱流速为1.5 h-1（2.5 mL/min）时,过柱收率92.3%;以糖浆为原料的发酵液,脱色用量为0.3%～0.5%,以糖蜜为原料的发酵液,脱色用量为1.0%～1.2%,相比钙盐法中脱色工艺所用活性炭分别减少0.3%和1.3%。为降低阳离子树脂交换法提取丁二酸的成本,分别采用Mg,Na,K盐的回收洗脱工艺研究,结果证明采用1.5 mol/LNH4HCO3洗脱,流速为1 mL/min,Na盐的收率达到94.5%。采用以上工艺条件,分别对糖浆和糖蜜两种原料发酵液用树脂交换法提取,提取总收率分别达到86.8%和80.2%,一次结晶纯度分别为92.3%和90%。第三部分为阴离子树脂吸附法提取丁二酸的工艺研究。从八种碱性阴离子树脂中筛选出弱碱性阴离子树脂330（Cl型）作为提取从发酵液中丁二酸的离子交换树脂。考察了不同操作条件（如pH、丁二酸浓度、流速）对固定床离子交换效果的影响,确定上柱的最佳工艺条件:pH为6.0,初始浓度为40 g/L,上柱流速SV=2.9 h-1（1.6 mL/min）。同时还考查了洗脱工艺条件对洗脱效果的影响,当洗脱剂盐酸浓度为2 mol/L,洗脱流速为1.8 h-1（1 mL/min）时,洗脱效果较好。采用以上的工艺条件进行固定床单柱单元操作,提取收率可以达到71.4%,一次结晶纯度达到95%。第四部分对三种提取方法进行物料成本估算。通过比较,得出阳离子树脂交换法丁二酸收率最高,提取收率达到86.8%;对三种工艺提取的物料成本估算,以及考虑盐回收对丁二酸的成本影响,阴离子树脂吸附法的物料成本最低,为2110元/吨,是市场价格的11.7%,具有市场开发潜力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 丁二酸的性质
• 1.1.1 丁二酸的物理性质
• 1.1.2 丁二酸的化学性质
• 1.2 丁二酸的用途与市场状况
• 1.3 丁二酸的生产方法
• 1.3.1 化学合成法
• 1.3.2 生物转化法
• 1.3.3 微生物发酵法
• 1.4 国内外发酵丁二酸的提取工艺研究概况
• 1.4.1 钙盐法
• 1.4.2 铵盐法
• 1.4.3 溶剂萃取法
• 1.4.4 离子交换吸附法
• 1.4.5 固体膜分离法
• 1.5 本论文的研究意义及主要研究内容
• 1.5.1 课题来源
• 1.5.2 研究意义
• 1.5.3 论文的主要研究内容
• 第二章 钙盐法提取丁二酸工艺条件研究
• 2.1 前言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 材料
• 2.2.2 试剂
• 2.2.3 仪器与设备
• 2.2.4 实验方法
• 2.2.5 分析方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 发酵液的预处理
• 2.3.2 钙化剂的选择
• 2.3.3 影响钙化工艺的主要因素
• 2.3.4 酸解工艺的研究
• 2.3.5 脱色工艺的研究
• 2.3.6 离子交换除盐工艺
• 2.3.7 最佳条件实验
• 2.3.8 钙盐法工艺的改进
• 2.4 本章小结
• 第三章 钙盐法提取产物的鉴定及质量标准
• 3.1 前言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 试剂
• 3.2.2 仪器与设备
• 3.2.3 分析方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 丁二酸晶体
• 3.3.2 丁二酸样品的红外光谱测定
• 3.3.3 丁二酸样品的HPLC 测定
• 3.3.4 丁二酸样品熔点的测定
• 3.3.5 丁二酸的氯化物及硫酸盐的含量检测
• 3.3.6 丁二酸产品中Fe、As 及重金属的含量和灼烧残渣及水分的含量检测
• 3.3.7 丁二酸产品的质量标准的比较
• 3.4 本章小结
• 第四章 阳离子树脂交换法提取丁二酸的工艺研究
• 4.1 前言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 材料
• 4.2.2 试剂
• 4.2.3 仪器与设备
• 4.2.4 实验方法
• 4.2.5 分析方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 发酵液的预处理及碱式碳酸镁的回收制备
• 4.3.2 上柱流速对阳离子交换提取丁二酸收率的影响
• 4.3.3 活性炭用量对脱色的影响
• 4.3.4 回收盐液的洗脱工艺研究
• 4.3.5 离子交换法提取丁二酸各步收率计算
• 4.4 本章小结
• 第五章 阴离子树脂吸附法提取丁二酸的工艺研究
• 5.1 前言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 材料
• 5.2.2 主要试剂
• 5.2.3 主要仪器与设备
• 5.2.4 实验方法
• 5.2.5 分析方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 发酵液的脱色处理
• 5.3.2 树脂的筛选
• 5.3.3 溶液pH 对离子交换过程的影响
• 5.3.4 溶液中丁二酸浓度对交换容量的影响
• 5.3.5 固液接触时间对离子交换过程的影响
• 5.3.6 洗脱剂浓度的确定
• 5.3.7 洗脱操作流速对洗脱工艺的影响
• 5.3.8 固定床单柱操作工艺的验证
• 5.4 本章小结
• 第六章 几种提取方法的比较与物料成本估算
• 6.1 前言
• 6.2 几种提取方法的比较
• 6.3 物料成本估算
• 6.3.1 钙盐法提取发酵液中丁二酸的物料成本估算
• 6.3.2 阳离子树脂交换法提取发酵液中丁二酸的物料成本估算
• 6.3.3 阴离子树脂吸附法提取发酵液中丁二酸的物料成本估算
• 6.3.4 三种提取方法的原材料成本比较表
• 6.3.5 关于盐回收及影响丁二酸物料成本的估算
• 6.4 本章小结
• 结论与展望
• 主要结论
• 展望
• 致谢
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文
• 参考文献