2，3-丁二醇的絮凝预处理研究

Posted 2023-01-12 絮凝

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为使生物法制备2，3-丁二醇的后续分离纯化过程顺利进行，研究了絮凝法预处理2，3-丁二醇发酵液。选用10种絮凝剂，以絮凝率和蛋白去除率为指标，分别考察了絮凝剂、质量浓度、pH值、温度和搅拌时间等条件对2，3-丁二醇发酵液的絮凝效果、浓度及后续萃取过程的影响，得出较优絮凝条件：以氯化铁为絮凝剂，质量浓度为23g/L，pH值5.1，温度为20—50℃，搅拌时间15min，静置20min。在此工艺条件下，2，3-丁二醇的絮凝率和蛋白去除率均可高达98%以上，为后续的分离纯化过程奠定基础。关键词：2，3-丁二醇；絮凝；絮凝剂
2，3-丁二醇，也称2，3-双羟基丁烷。该产品可用于制备甲乙酮、1，3-丁二烯、苯乙烯、香水及药物的手性载体等，同时也是一种很好的液体燃料，燃烧值可与乙醇媲美[1-2]。2，3-丁二醇的生产方法有化学法和微生物发酵法。生物法制备的2，3-丁二醇作为生物基产品，是一种非常有潜力的化工原料和潜在的替代能源。但是由于2，3-丁二醇的性质特殊性，即高沸点、高黏度、高亲水性及发酵液固有的特性，从发酵液中对其进行分离纯化较为困难，成为了制约生物法制备2，3-丁二醇工业化生产的瓶颈之一。目前，国内外有关生物法制备2，3-丁二醇的分离纯化研究报道较少，至今未见完整的工业化流程的报道[3-9]。
本文在对2，3-丁二醇相关的必要的基础数据(液液相平衡和汽液相平衡)[10-13]研究的基础上，提出了萃取与精馏耦合工艺。而鉴于发酵液中含有影响传质分离过程的蛋白质、核酸、糖分等杂质，在萃取和精馏过程中容易形成乳化而影响传质分离，必须对发酵液进行预处理。
本文根据2，3-丁二醇发酵液的特点，选用絮凝法对发酵液进行预处理，对絮凝剂和絮凝条件进行筛选和优化，为中试及今后的工业化放大提供了可靠的参考依据。1 实验材料与方法
1.1 实验药品与器材
2，3-丁二醇发酵液，华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室提供。
实验试剂：聚丙烯酰胺(PAM)，壳聚糖(Chi-tosan)，氯化铁(FeCl3)，氯化铝(AlCl3)，氯化钠(NaCl)，硫酸锌(ZnSO4)，亚铁氰化钾[K4Fe(CN)4]，硫酸铝[Al2(SO4)3]，硫酸亚铁[FeSO4]。实验器材：自行设计的恒温磁力搅拌器，Sar-toiusBS210S电子天平，UV762型分光光度计，GC112A气相色谱仪。
1.2 实验方法
1.2.1 絮凝操作
取调好pH值的发酵液50mL，倒入加有絮凝剂的烧杯中，快速搅拌1min以促使其溶解、絮凝，慢速搅拌养絮，静置一定时间后抽滤，滤液用来考察絮凝效果。
1.2.2 絮凝效果的比较
本研究采用絮凝率FR和蛋白去除率RP为指标来考察絮凝效果。

式中：A为610nm波长下吸光度值。

式中，m0为发酵原液过滤后的蛋白质量，mi为絮凝、过滤后发酵液的蛋白质量。RP为蛋白质去除率，蛋白质测定采用考马斯亮蓝法。
1.2.3 2，3-丁二醇浓度的气相色谱测定
色谱柱：SE-30毛细管柱；检测器：FID；测定方法：内标法；内标物：乙醇。
2 结果与讨论
2.1 絮凝剂的选择
2.1.1 絮凝剂的初选
对10种絮凝剂进行考察。由表1可见，高分子絮凝剂与发酵液形成相对稳定的体系，絮凝液沉淀量少，液体黏度大，过滤困难；而NaC，lAl2(SO4)3和FeSO4的絮凝液沉淀颗粒细小，形成悬浮物，沉淀在抽滤过程中进入滤液；AlCl3和FeCl3絮凝实验结果沉淀量大，清液澄清度高，过滤效果良好。

由絮凝剂初选结果，较优的絮凝剂有：PAM+AlCl3，ZnSO4，AlCl3和FeCl3。
2.1.2 絮凝剂质量浓度对絮凝效果的影响
在絮凝剂初选的基础上，分别考察ZnSO4，AlCl3和FeCl33种较优无机絮凝剂的质量浓度对絮凝效果的影响。由图1和图2可见，絮凝剂质量浓度对絮凝效果影响较大，存在较优的絮凝剂质量浓度范围。其中以FeCl3为絮凝剂，质量浓度在21—30g/L时效果最佳。综合考虑成本和絮凝效果，选用质量浓度为23g/L的FeCl3为絮凝剂。
由絮凝剂初选和质量浓度考察可知，对于本研究中的2，3-丁二醇发酵液，以FeCl3和PAM+AlCl3作为絮凝剂效果较优。

2.2 pH值对絮凝效果的影响
聚丙烯酰胺有阴离子型、阳离子型和非离子型。本实验采用的是非离子型，它主要通过氢键和范德华力产生絮凝作用，溶液pH值的改变，会影响胶粒及絮凝剂的电离度，从而影响分子链的伸展程度、溶解度以及基团的结合能力，因此体系的pH值对絮凝效果有明显的影响。由表2可见，pH值对PAM+AlCl3的絮凝效果影响明显，对FeCl3的絮凝效果影响较小。且2种絮凝剂都在pH=5.1时效果最佳。

2.3 温度对絮凝效果的影响
考察了温度θ对絮凝效果η的影响。由图3可见，当温度低于20℃时絮凝效果较差，而随着温度上升，絮凝效果有所提高。可能原因是温度升高使得体系中胶体性质发生变化，促进了絮团的生成速度，而蛋白质的变性和体系黏度变化也加速了絮团的沉淀。

2.4 絮凝过程2，3-丁二醇的损失率
发酵液絮凝前后2，3-丁二醇的浓度变化率及损失率见表3。

由表3可见，絮凝后由于发酵液中杂质的减少，2种絮凝剂絮凝后溶液中2，3-丁二醇浓度都有所提高；且絮凝过程都造成2，3-丁二醇的损失，其中以FeCl3絮凝时损失率较低。
2.5 絮凝剂的种类对后续萃取过程的影响
以正丁醇、乙酸丁酯或乙酸乙酯为萃取溶剂时，分别考察了2种絮凝剂对后续萃取过程的影响。由表4可知：以正丁醇或者乙酸丁酯为溶剂，采用FeCl3絮凝时对后续萃取过程较优；以乙酸乙酯为溶剂，采用PAM+AlCl3絮凝效果较优。但总的来说，以FeCl3为絮凝剂其效果普遍较优。

2.6 絮凝剂的适用性
分别考察了PAM+AlCl3和FeCl3对5批发酵液的絮凝效果。实验发现以PAM+AlCl3作为絮凝剂时，有一批发酵液出现黏度增大、抽滤较难的现象，絮凝效果不理想，适用性较差；而以FeCl3为絮凝剂时，5批发酵液都得到类似的结果，适用性好。
2.7 搅拌时间对絮凝效果的影响
由FeCl3作为絮凝剂时，搅拌时间t对絮凝效果的影响见图4。搅拌少于15min时，絮凝剂在发酵液中的分散不均匀，絮凝的小颗粒不能有效地通过架桥或电中和作用形成大的絮团；15min后，絮凝剂在发酵液中的分散比较均匀，絮凝率和蛋白去除率基本没有变化。从能源损耗和确保搅拌均匀综合考虑，搅拌时间定在15min，静置20min。

3.结论
本文分别考察了絮凝剂种类、质量浓度、pH值、温度及搅拌时间等对2，3-丁二醇发酵液的絮凝效果、浓度及后续萃取过程的影响，从10种絮凝剂中筛选出FeCl3为絮凝剂，得出最佳絮凝条件：质量浓度为23g/L，pH值5.1，温度20—50℃，搅拌时间15min，静置20min，絮凝率和蛋白去除率均可高达98%以上。