反应萃取法分离发酵液中2，3-丁二醇的研究
摘要
生物法制备的2,3-丁二醇(2,3-butanediol, BD)具有原料可再生、生产条件温和的优点,是一种非常有潜力的化工产品和替代能源。但是由于2,3-丁二醇特殊物性和发酵液成份复杂,使得2,3-丁二醇分离纯化困难,制约了生物基2,3-丁二醇的工业应用。
本文重点研究了发酵液中的高效分离2,3-丁二醇过程,针对2,3-丁二醇发酵液特殊的物性,提出了反应萃取-水解耦合分离工艺路线,论文研究的主要结果如下：
(1)由于2,3-丁二醇的高沸点和高亲水性,以及2,3-丁二醇发酵液复杂的组成,传统蒸馏工艺从发酵液中直接分离2,3-丁二醇能耗较大,无法得到高纯度的2,3-丁二醇产品。本文针对2,3-丁二醇的特殊物性以及2,3-丁二醇发酵液的特点首次设计开发了反应萃取-水解耦合工艺路线。在反应萃取单元2,3-丁二醇和醛类反应生成疏水性缩醛,并以缩醛的形式进入有机相和发酵液分离；在水解单元,反应萃取的有机相中的缩醛水解生成2,3-丁二醇。反应萃取-水解耦合工艺利用缩醛反应的高度选择性,以反应促进萃取提高了发酵液中2,3-丁二醇的萃取率和选择性；通过反应促进水解,达到2,3-丁二醇分离和浓缩的目的。整个工艺中反应剂和萃取剂可以循环利用,达到了节能、减排的目标。
(2)为减少2,3-丁二醇反应萃取过程中的乳化现象,本文分别对絮凝和膜分离预处理发酵液进行了考察。确定了合适的发酵液预处理方法,为后续分离工艺奠定基础。
(3)根据本文提出的工艺路线,分别对2,3-丁二醇-乙醛体系、2,3-丁二醇-丙醛体系和2,3-丁二醇-正丁醛体系的反应动力学和热力学进行了研究,得到了反应焓数据和拟均相反应动力学方程。由于反应动力学和热力学数据是反应萃取过程必不可少的基础数据,对反应萃取过程的开发和具有理论指导作用,而之前未见文献报道,故此次实验测定补充了2,3-丁二醇反应基础数据。
(4)在反应动力学和热力学研究的基础上,研究了2,3-丁二醇-乙醛-环己烷体系、2,3-丁二醇-丙醛体系和2,3-丁二醇-正丁醛体系的不同特性。设计了相应的2,3-丁二醇分离工艺路线。实验证明反应萃取法具有很好的选择性,三个不同体系的2,3-丁二醇萃取率均在95%以上。对于2,3-丁二醇含量低的发酵液,新工艺的优势尤为明显。
(5)考察了反应萃取有机相的水解情况,并对水解工艺条件进行了优化。在合适的条件下,缩醛水解率在90%以上,未水解的缩醛返回反应萃取单元。
(6)最后以2,3-丁二醇发酵液为原料,对不同体系的分离工艺过程进行耦合。通过反应萃取-水解耦合工艺2,3-丁二醇产品浓度可达99%以上,2,3-丁二醇总收率90%以上,说明根据本文的工艺来分离纯化2,3-丁二醇是合理可行的。对比三个体系的分离耦合结果,最终确定正丁醛为反应萃取-水解耦合工艺合适的反应萃取剂。
本文提出了一条从发酵液中通过反应萃取、水解分离纯化2,3-丁二醇的新工艺。该工艺对发酵液具有广泛的适应性,特别适合处理低浓度发酵液,溶剂用量少,所得产品为无色透明液体,纯度在99%以上,性状稳定。研究成果为生产装置的开发和设计提供了理论和实验基础。
2,3-Butanediol is an important chemical and potential fuels, which is widely used as raw material in chemical industry, food industry and aerospace industry. Now biotechnology makes it possible to produce2,3-butanediol from fermentation broth in commercial scale. However the high boiling point and high hydrophilicity of2,3-butanediol and complex of fermentation broth make separation2,3-butanediol directly from fermetantion broth very hard, which limits the use of bio-based2,3-butanediol.
In this paper, an effective separation process has been studied. An innovative process including reactive-extraction and hydrolysis has been presented, which can effective recover2,3-butanediol from fermentation broth. The main contents and conclusions are as follows:
(1) Conversional distillation process for2,3-butanediol fermentation broth is high energy-consuming and hard to get pure product, due to the high boiling point and high hydrophilicity of2,3-butanediol and the complex of fermentation broth. An innovation reactive-extraction and hydrolysis couple process has been provided in this paper to separate2,3-butanediol from fermentation broth. The process contains pretreatment, reactive-extraction, hydrolysis and purification. In the reactive-extraction unit,2,3-butanediol reacts with aldehyde to form corresponding acetal which is extracted into the organic phase in sequence. Due to the high selectivity of reaction, effective separation of2,3-butanediol has been achieved. The reactive-extraction and hydrolysis couple process requires less solution and less energy.
(2) Pretreatment is used to remove cells and proteins from fermentation broth to avoid emulsion in reactive-extraction. Flocculation and membrane separation have been studied. Feasible pretreatment has been chosen for the following separation process.
(3) The thermodynamics and kinetic study of2,3-butanediol-acetaldehyde,2,3-butanediol-propionaldehyde,2,3-butanediol-n-butylaldehyde have been studied to provide basic data for reactive-extraction and process development.
(4) Reactive-extraction condition selection have been done for2,3-butanediol-acetaldehyde-cyclohexane system,2,3-butanediol-propionaldehyde system and2,3-butanediol-n-butylaldehyde sytem. The results have revealed that reactive-extraction can extracted95%of2,3-butanediol from fermentation broth with less solution.
(5) Hydrolysis is studied in the paper. The results reveal that with feasible hydrolysis conditions, hydrolysis rate can be over90%.
(6) Finally, using2,3-butanediol solution with10%mass concentration as raw material, the final concentration of2,3-butanediol can be over99%, the total recover rate of2,3-butanediol is more than90%. That means the new process can effective separate and purify2,3-butanediol from fermentation broth. And compared the results of three reactive-extraction system, the n-butyl aldehyde system is the most feasible system to run the process.
The innovative process for separation and purification of2,3-butanediol from fermentation broth has been depicted in this paper. This research provides the experimental data for the industrial application.
本文重点研究了发酵液中的高效分离2,3-丁二醇过程,针对2,3-丁二醇发酵液特殊的物性,提出了反应萃取-水解耦合分离工艺路线,论文研究的主要结果如下：
(1)由于2,3-丁二醇的高沸点和高亲水性,以及2,3-丁二醇发酵液复杂的组成,传统蒸馏工艺从发酵液中直接分离2,3-丁二醇能耗较大,无法得到高纯度的2,3-丁二醇产品。本文针对2,3-丁二醇的特殊物性以及2,3-丁二醇发酵液的特点首次设计开发了反应萃取-水解耦合工艺路线。在反应萃取单元2,3-丁二醇和醛类反应生成疏水性缩醛,并以缩醛的形式进入有机相和发酵液分离；在水解单元,反应萃取的有机相中的缩醛水解生成2,3-丁二醇。反应萃取-水解耦合工艺利用缩醛反应的高度选择性,以反应促进萃取提高了发酵液中2,3-丁二醇的萃取率和选择性；通过反应促进水解,达到2,3-丁二醇分离和浓缩的目的。整个工艺中反应剂和萃取剂可以循环利用,达到了节能、减排的目标。
(2)为减少2,3-丁二醇反应萃取过程中的乳化现象,本文分别对絮凝和膜分离预处理发酵液进行了考察。确定了合适的发酵液预处理方法,为后续分离工艺奠定基础。
(3)根据本文提出的工艺路线,分别对2,3-丁二醇-乙醛体系、2,3-丁二醇-丙醛体系和2,3-丁二醇-正丁醛体系的反应动力学和热力学进行了研究,得到了反应焓数据和拟均相反应动力学方程。由于反应动力学和热力学数据是反应萃取过程必不可少的基础数据,对反应萃取过程的开发和具有理论指导作用,而之前未见文献报道,故此次实验测定补充了2,3-丁二醇反应基础数据。
(4)在反应动力学和热力学研究的基础上,研究了2,3-丁二醇-乙醛-环己烷体系、2,3-丁二醇-丙醛体系和2,3-丁二醇-正丁醛体系的不同特性。设计了相应的2,3-丁二醇分离工艺路线。实验证明反应萃取法具有很好的选择性,三个不同体系的2,3-丁二醇萃取率均在95%以上。对于2,3-丁二醇含量低的发酵液,新工艺的优势尤为明显。
(5)考察了反应萃取有机相的水解情况,并对水解工艺条件进行了优化。在合适的条件下,缩醛水解率在90%以上,未水解的缩醛返回反应萃取单元。
(6)最后以2,3-丁二醇发酵液为原料,对不同体系的分离工艺过程进行耦合。通过反应萃取-水解耦合工艺2,3-丁二醇产品浓度可达99%以上,2,3-丁二醇总收率90%以上,说明根据本文的工艺来分离纯化2,3-丁二醇是合理可行的。对比三个体系的分离耦合结果,最终确定正丁醛为反应萃取-水解耦合工艺合适的反应萃取剂。
本文提出了一条从发酵液中通过反应萃取、水解分离纯化2,3-丁二醇的新工艺。该工艺对发酵液具有广泛的适应性,特别适合处理低浓度发酵液,溶剂用量少,所得产品为无色透明液体,纯度在99%以上,性状稳定。研究成果为生产装置的开发和设计提供了理论和实验基础。
2,3-Butanediol is an important chemical and potential fuels, which is widely used as raw material in chemical industry, food industry and aerospace industry. Now biotechnology makes it possible to produce2,3-butanediol from fermentation broth in commercial scale. However the high boiling point and high hydrophilicity of2,3-butanediol and complex of fermentation broth make separation2,3-butanediol directly from fermetantion broth very hard, which limits the use of bio-based2,3-butanediol.
In this paper, an effective separation process has been studied. An innovative process including reactive-extraction and hydrolysis has been presented, which can effective recover2,3-butanediol from fermentation broth. The main contents and conclusions are as follows:
(1) Conversional distillation process for2,3-butanediol fermentation broth is high energy-consuming and hard to get pure product, due to the high boiling point and high hydrophilicity of2,3-butanediol and the complex of fermentation broth. An innovation reactive-extraction and hydrolysis couple process has been provided in this paper to separate2,3-butanediol from fermentation broth. The process contains pretreatment, reactive-extraction, hydrolysis and purification. In the reactive-extraction unit,2,3-butanediol reacts with aldehyde to form corresponding acetal which is extracted into the organic phase in sequence. Due to the high selectivity of reaction, effective separation of2,3-butanediol has been achieved. The reactive-extraction and hydrolysis couple process requires less solution and less energy.
(2) Pretreatment is used to remove cells and proteins from fermentation broth to avoid emulsion in reactive-extraction. Flocculation and membrane separation have been studied. Feasible pretreatment has been chosen for the following separation process.
(3) The thermodynamics and kinetic study of2,3-butanediol-acetaldehyde,2,3-butanediol-propionaldehyde,2,3-butanediol-n-butylaldehyde have been studied to provide basic data for reactive-extraction and process development.
(4) Reactive-extraction condition selection have been done for2,3-butanediol-acetaldehyde-cyclohexane system,2,3-butanediol-propionaldehyde system and2,3-butanediol-n-butylaldehyde sytem. The results have revealed that reactive-extraction can extracted95%of2,3-butanediol from fermentation broth with less solution.
(5) Hydrolysis is studied in the paper. The results reveal that with feasible hydrolysis conditions, hydrolysis rate can be over90%.
(6) Finally, using2,3-butanediol solution with10%mass concentration as raw material, the final concentration of2,3-butanediol can be over99%, the total recover rate of2,3-butanediol is more than90%. That means the new process can effective separate and purify2,3-butanediol from fermentation broth. And compared the results of three reactive-extraction system, the n-butyl aldehyde system is the most feasible system to run the process.
The innovative process for separation and purification of2,3-butanediol from fermentation broth has been depicted in this paper. This research provides the experimental data for the industrial application.
引文
[1]http://www.newenergy.org.cn/html/0123/3131245036.html.
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