从丁酸梭菌的1,3-丙二醇发酵液中分享提取1,3-丙二醇的新工艺研究

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1,3-丙二醇是一种重要的化工原料,发酵法生产1,3-丙二醇是一环境友好的生产方法,但由于发酵液成分复杂,导致下游分离成本较高。本论文的目的是利用阳离子树脂从丁酸梭菌的1,3-丙二醇发酵液中吸附分离1,3-丙二醇,主要研究了1,3-丙二醇的吸附机理和“絮凝-活性炭除色-日离子树脂动态吸附/洗脱-减压蒸馏”的1,3-丙二醇分离提取新工艺,主要结果如下:  (1)研究了12种树脂对1,3-丙二醇的静态吸附能力,发现001×7氢型树脂对1,3-丙二醇的吸附效果最好。研究了1,3-丙二醇在001×7氢型树脂上的吸附平衡特性和热力学特性。1,3-丙二醇的吸附遵循Langmuir吸附等温模型;在热力学方面,ΔG<0,ΔH>0,ΔS>0,说明1,3-丙二醇的吸附为熵增的可自发进行的吸热过程;甘油比1,3-丙二醇更容易吸附到树脂上,甘油吸附也遵循Langmuir吸附等温模型。  (2)采用动边界模型描述1,3-丙二醇在001×7氢型树脂上的吸附动力学特性。1,3-丙二醇的吸附主要受颗粒内扩散控制,增加1,3-丙二醇浓度、减小树脂粒径及升高温度均有利于吸附的进行;1,3-丙二醇的反应级数a为0.644,速率常数k0为3.11×10-3,表观活化能Ea为11.5kJmol-1;甘油与1,3-丙二醇具有相似的吸附动力学特征,但少量甘油的存在不会明显影响树脂对1,3-丙二醇的吸附效果。  (3)用壳聚糖对发酵液进行絮凝预处理,通过单因素及正交实验得到优化的絮凝工艺:pH5.0、絮凝剂用量0.600gL-1、搅拌速率200rmin-1、温度25℃、搅拌时间20min;在优化的工艺条件下,菌体去除率98.8%,蛋白质去除率88.4%,1,3-丙二醇损失率仅1.09%;加入6.00%粗颗粒硅藻土可显著提高过滤速率;加入2.00%活性炭进行除色,除色率为91.9%。  (4)以经预处理的发酵液为体系,考察1,3-丙二醇浓度、流速、温度和树脂堆积高度对1,3-丙二醇动态吸附的影响。随1,3-丙二醇浓度和流速的增大,达到树脂吸附平衡饱和点的时间缩短,吸附床传质区高度(MTZ)增大,树脂吸附率(A)变小;1,3-丙二醇浓度和流速过低会使饱和点出现过晚,导致生产效率下降;温度对动态吸附过程影响较小;树脂吸附率随床层堆积高度的增加而提高;Yoon-Nelson模型对各条件下的动态吸附均能进行较好的拟合。实验范围内,当1,3-丙二醇浓度为30.0gL-1、流速为1.00mLmin-1、床层堆积高度为30.0cm和温度为298K时,吸附效果较好,吸附量为2.13g,树脂对1,3-丙二醇的吸附率为59.2%。  (5)以乙醇-水体系为洗脱剂,研究了不同洗脱条件对1,3-丙二醇和甘油分离效果的影响。乙醇浓度越高,流速越低,越有利于1,3-丙二醇的洗脱,洗脱量越大;当用75%乙醇以1.00mLmin-1的流速进行洗脱时,1,3-丙二醇的洗脱率达95.3%,同时1,3-丙二醇与甘油的洗脱曲线有明显的分离,前54mL的洗脱液中只含1,3-丙二醇,含量为1.64g,占1,3-丙二醇总洗脱量的80.8%。对只含1,3-丙二醇的洗脱液进行减压蒸馏,所得的1,3-丙二醇纯度为99.2%。
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