一种聚合级生物基戊二胺精制提纯工艺

1.本发明属于生物技术领域，具体而言，本发明涉及一种生物基戊二胺精制提纯工艺，用以获得聚合级的生物基戊二胺。


背景技术：

2.1,5-戊二胺是一种重要的具有广泛工业用途的前体材料，广泛应用于各种聚酰胺、聚氨酯、螯合剂和添加剂等生产过程。利用生物技术大量生产戊二胺用于合成优质的高分子材料尼龙5x，是一种绿色环保、可持续的生产方式，具有广泛的应用前景。
3.尽管通过微生物技术生产生物基戊二胺为其大量生产开辟了新的途径，但是由于发酵液组分的复杂性，给戊二胺的分离、提取以及精制带来了困难。为保证能够利用生物基戊二胺进行有效的聚合，需要获得纯度＞99.5％的戊二胺，而发酵液中的未反应的赖氨酸(或赖氨酸盐酸盐)、无机盐离子、未利用的培养基、微生物细胞(碎片)以及代谢产物等杂质的存在给生物基戊二胺的下游处理提出了更高的要求。若生物基戊二胺产品纯度不合标准，将会严重影响聚合效果和产品质量。
4.目前，从发酵液中分离纯化获得较高产量的戊二胺单体，一般是通过快速萃取的分离手段。首先通过离心、絮凝或者过滤的手段除去微生物细胞；然后加入氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化钙来调节体系ph＞13.5；然后在一定温度下孵化发酵液以除去可能存在的副产物n-乙酰基-二氨基戊烷；在使用碱性条件下能过够稳定的有机溶剂(如正丁醇等)进行萃取，得到戊二胺粗产品。利用色谱、蒸馏/精馏或者酸沉淀的方法将戊二胺纯化，纯化后的戊二胺单体达到聚合级要求后，用于生产聚酰胺。
5.蒸馏/精馏作为一种经济、手段成熟的分离手段，已经在各类化合物的工业生产中广泛应用。目前应用的有机萃取剂(如正丁醇等)与目的产物戊二胺的相对挥发度相差较大、沸点差异明显，利用蒸馏/精馏精制戊二胺是一种简单经济的手段。但是经萃取获得的含有戊二胺的萃取相中，仍然存在着干扰戊二胺蒸馏/精馏的非挥发性杂质，可能延长蒸馏/精馏时间，同时在长时间的蒸馏/精馏分离过程中，可能会导致戊二胺转化为其他物质或引入新的杂质。


技术实现要素：

6.本发明提供一种液液萃取后聚合级生物基戊二胺的提纯工艺方法，其特征在于，在蒸馏/精馏之前，利用脱重工序，优先将萃取相中的非挥发性杂质脱出，减少对后续蒸馏/精馏过程中干扰，避免蒸馏/精馏过程中发生物理化学变化，以减少生物基戊二胺的损失，最后通过蒸馏/精馏手段获得纯度＞99.5％的聚合级生物基戊二胺。所述的聚合级生物基戊二胺精制方法，具体包含如下步骤：
7.经过液液萃取分离获得含有较高浓度戊二胺的萃取后溶液，萃取相优先经过脱重工序以脱除非挥发性杂质，获得脱重后产品，然后经过蒸馏/精馏进一步精制戊二胺，获得聚合级生物基戊二胺。
8.第一方面，在本发明方法中，提供一种用于生产聚合级生物基戊二胺脱重的方法，用于优先将萃取相中的非挥发性杂质脱除，避免其后续对蒸馏/精馏过程的干扰，保证生物基戊二胺产品的产量和质量。
9.所述的萃取后溶液是通过液液萃取反应结束后分离获得的萃取相。所述的用于萃取的溶剂包括但不限于正丁醇、正戊醇、正己醇等在碱性条件下稳定存在且与戊二胺相对挥发度差异明显的溶剂的一种。
10.所述的液液萃取原始溶液应来源于生物法制备戊二胺的反应后溶液。
11.优选地，可以是酶催化或全细胞催化制备生物基戊二胺的反应后溶液。
12.所述的较高浓度的戊二胺萃取后溶液中戊二胺的含量应大于0.2mol/l，优选的萃取后溶液中戊二胺的含量应大于0.5mol/l，例如可以是0.5mol/l、0.8mol/l、1mol/l、1.2mol/l、1.5mol/l、2mol/l等。
13.所述的脱重工序是通过将萃取后溶液迅速气化，气化后的溶液经迅速冷凝回收以脱除其中的非挥发性杂质。
14.所述的脱重操作可以是闪蒸、旋蒸等操作。
15.所述的脱重设备可以是闪蒸罐、旋转蒸发仪或薄膜蒸发器等。
16.所述地，可以使用的薄膜蒸发器包括刮膜蒸发器(刮板式蒸发器)、升膜蒸发器或降膜蒸发器。
17.所述地，脱出的非挥发性杂质包括但不限于发酵液中的无机盐，酶/全细胞催化反应中使用的辅酶磷酸吡哆醛(plp)，液液萃取过程中添加的过量的氢氧化钠或氢氧化钙或氢氧化钾以及调节过程中生成的氯化钠或氯化钙或氯化钾等。
18.所述地，根据萃取后样品的差异，可以进行≥1次的脱重操作，脱除干净其中的非挥发性杂质。
19.在本发明方法中，经过脱重处理后的产品，通过蒸馏/精馏的方式进一步精制获得聚合级生物基戊二胺。
20.所述地，蒸馏/精馏操作在常压条件或减压条件下进行；优选地，在减压条件下进行。
21.所述地，精馏操作方式是间歇操作或连续操作。
22.所述地，减压蒸馏/精馏操作的压力为2kpa～101.325kpa(绝对压力)，优选地，操作压力为2kpa～20kpa；更有选地，操作压力为2kpa～10kpa。
23.所述地，实现生物基戊二胺精制地设备是旋转蒸发仪或精馏塔等蒸馏/精馏设备等。
24.所述地，精馏塔是板式塔或填料塔，优选的精馏塔为填料塔。
25.所述地，填料塔填料地装填方式是规整填料或散装填料。
26.所述地，填料塔填料材料类型是金属、陶瓷或玻璃。
27.所述地，规整填料是格栅填料、波纹填料或者脉冲填料。
28.所述地，散装填料类型是拉西环填料、鲍尔环填料、θ环填料、阶梯环填料或弹簧形填料等。
29.所述地，精馏塔规模根据处理戊二胺样品量的大小具体确定。
30.所述的通过蒸馏/精馏操作获得地不同温度组分分别收集，在精制生物基戊二胺
地同时，进一步回收其中地萃取剂。
31.所述地，精制获得地生物基戊二胺通过气相色谱、液相色谱或气质联用进行定量分析。
具体实施方式
32.下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案，本领域技术人员应该明了，下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
33.实施例1
34.将戊二胺水溶液中的戊二胺盐转化为游离戊二胺。在1l戊二胺浓度为2.3mol/l的戊二胺水溶液中分批次加入氢氧化钠固体，边加边搅拌，避免温度高于50℃，直至ph＞13.5。在水浴摇床中80℃100rpm下水浴加热并振荡4h进行脱盐反应。
35.游离戊二胺萃取分离。脱盐反应完成后滤掉多余固体，然后将溶液降至室温，加入三倍戊二胺溶液体积的正丁醇，在50℃200rpm恒温振荡箱中萃取1h，然后分装在分液漏斗中，常温下静置萃取，6h后获得上层正丁醇相和下层水相。
36.将正丁醇相进行脱重。将正丁醇相在旋转蒸发仪中进行减压快速蒸馏除去大部分的可溶性盐，操作压力为2kpa(绝对压力)，加热温度为55℃，冷却水温度为5℃，转速为30rpm，加热中通过不断调整加热温度使液体处于持续沸腾状态，一直加热到彻底蒸干。
37.将脱重后的戊二胺溶液在精馏塔中进行分离。蒸馏塔采用填料式，加热方式为使用带磁力搅拌功能的恒温油浴锅进行梯度升温，操作压力为10kpa(绝对压力)，冷却水温度为10℃，塔釜中加入搅拌磁子防止暴沸。首先塔釜温度为100℃进行全回流，此时塔顶温度为40℃，调整回流时间为5s，采出时间为10s，收集该组分为组分1；随后塔顶温度由40℃升至60℃，调整回流时间为5s，采出时间为5s，收集该组分为组分2；随后塔顶温度会稳定在60℃，调整回流时间为5s，采出时间为15s，收集该组分为组分3；随后塔顶温度由60℃升至105℃，调整回流时间为5s，采出时间为5s，收集该组分为组分4；随后塔顶温度会稳定在105℃，收集该组分为组分5；一直加热到塔釜蒸干，塔顶温度不再升高。
38.经过分析，组分1为水和正丁醇的共沸物，和组分2为水和正丁醇的过渡组分，组分3为正丁醇，组分4为正丁醇和戊二胺的过渡组分，组分5为戊二胺，塔底剩余物脱重后为戊二胺。
39.实施例2
40.将戊二胺水溶液中的戊二胺盐转化为游离戊二胺。在1l戊二胺浓度为2.3mol/l的戊二胺盐溶液中一次性加入400g以上氢氧化钠固体，搅拌使氢氧化钠完全溶解，期间用自来水控制温度，避免温度过高。搅拌4h进行脱盐反应。
41.游离戊二胺萃取分离。脱盐反应完成后降至室温，加入等体积的正丁醇，在50℃下水浴搅拌1h充分混匀，然后分装在分液漏斗中，常温下静置萃取，6h后获得上层正丁醇相和下层水相。
42.然后将正丁醇相进行脱重。将水相离心分离获得固体，将正丁醇相进行脱重。将正丁醇相在旋转蒸发仪中进行减压快速蒸馏除去大部分的可溶性盐，操作压力为2kpa(绝对压力)，加热温度为55℃，冷却水温度为5℃，蒸馏进样瓶转速为30rpm，加热中通过不断调整
真空度使液体处于持续沸腾状态，但要避免暴沸，一直加热到彻底蒸干。
43.将脱重后的戊二胺溶液在精馏塔中进行分离，蒸馏塔采用填料式，加热方式为使用电热套进行恒沸加热，操作压力为10kpa(绝对压力)，冷却水为自来水，塔釜中加入沸石防止暴沸。首先进行30min全回流，此时塔顶温度为40℃，调整回流时间为5s，采出时间为15s，收集该组分为组分1；随后塔顶温度由40℃升至60℃，此时出塔成分为水和正丁醇的过渡组分，调整回流时间为5s，采出时间为10s，收集该组分为组分2；随后塔顶温度稳定在60℃，调整回流时间为5s，采出时间为20s，收集该组分为组分3；随后塔顶温度由60℃升至105℃，调整回流时间为5s，采出时间为10s，收集该组分为组分4；塔釜剩下的液体带有少量杂质，进行旋蒸脱重获得戊二胺。
44.经过分析，组分1为水和正丁醇的共沸物，组分2为水和正丁醇的过渡组分，组分3为正丁醇，组分4为正丁醇和戊二胺的过渡组分，塔底剩余物脱重后为戊二胺。组分1，2，4需加入下一批样品中继续进行精馏。
45.实施例3
46.将戊二胺水溶液中的戊二胺盐盐转化为游离戊二胺。将超过400g的氢氧化钠固体加入在100ml自来水中，不断搅拌使氢氧化钠固体完全溶解，待温度降至50℃左右，与1l戊二胺浓度为2.3mol/l的戊二胺水溶液混合，充分搅拌混匀，密封好50℃水浴加热并磁力搅拌4h进行脱盐反应。
47.将游离戊二胺萃取分离。脱盐反应完成后加入两倍戊二胺溶液体积的正丁醇，在50℃水浴振荡1h，然后分装在分液漏斗中，常温下静置萃取，6h后获得上层正丁醇相和下层水相。
48.将正丁醇相进行脱重。在旋转蒸发仪中进行快速蒸馏除去大部分的可溶性盐，油浴加热温度为230℃，冷却水温度为5℃，转速为50rpm，加入沸石避免暴沸，一直加热到彻底蒸干。
49.将脱重后的戊二胺溶液在精馏塔中进行分离。蒸馏塔采用填料式，加热方式为使用带磁力搅拌功能的恒温水浴锅进行梯度升温，操作压力为3kpa(绝对压力)，冷却水温度为5℃，塔釜中加入搅拌磁子与沸石防止暴沸。首先塔釜温度为100℃进行全回流，此时塔顶温度为40℃，调整回流时间为1s，采出时间为2s，收集该组分为组分1；随后塔顶温度会由40℃升至60℃，调整回流时间为1s，采出时间为1s，收集该组分为组分2；随后塔顶温度会稳定在60℃，调整为全采出，收集该组分为组分3；一直加热到塔顶温度不再升高。塔釜剩下的少量液体为带有少量杂质的戊二胺，进行旋蒸脱重。
50.经过分析，组分1和组分2为水和正丁醇的混合物，组分3为正丁醇，塔底剩余物脱重后为戊二胺。组分1，2需加入下一批样品中继续进行精馏。
51.实施例4
52.将戊二胺水溶液中的戊二胺盐转化为游离戊二胺。将氢氧化钠固体按4:1的质量比溶解在自来水中，不断搅拌使氢氧化钠固体完全溶解，待温度降至50℃左右，将戊二胺浓度为2.3mol/l的戊二胺水溶液流加到氢氧化钠溶液中，充分搅拌混匀，待ph到13.5停止添加戊二胺水溶液，进行脱盐反应。
53.将戊二胺溶液脱重。脱盐反应完成后过滤掉固体杂质，在旋转蒸发仪中进行减压快速蒸馏除去大部分的可溶性盐，操作压力为5kpa(绝对压力)，加热温度为75℃，冷却水温
度为5℃，转速为50rpm，加热中通过不断调整加热温度和操作压力使液体处于持续沸腾状态，但要避免暴沸，一直加热到彻底蒸干。
54.将游离戊二胺萃取分离。脱重完成后加入等体积的正丁醇，搅拌并振荡混匀，然后分装在分液漏斗中，常温下静置萃取，待分层明显后获得上层正丁醇相和下层水相。
55.将正丁醇相在精馏塔中进行分离。蒸馏塔采用填料式，加热方式为使用电热套加热，冷却水温度为5℃，塔釜中加入沸石防止暴沸。进行30min全回流后，将回流时间定为1s，采出时间定为2s。此时塔顶温度为40℃，收集该组分为组分1；随后塔顶温度由40℃升至60℃，收集该组分为组分2；随后塔顶温度会稳定在60℃，收集该组分为组分3；随后塔顶温度由60℃升至105℃，调整为全采出，收集该组分为组分4；随后塔顶温度会稳定在105℃，收集该组分为组分5；一直加热到塔釜蒸干，塔顶温度不再升高。
56.经过分析，组分1为水和正丁醇的共沸物，和组分2为水和正丁醇的过渡组分，组分3为纯品正丁醇，组分4为正丁醇和戊二胺的过渡组分，组分5为纯品戊二胺。组分1，2，4需加入下一批样品中继续进行精馏。
57.申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明从发酵液中提取纯化戊二胺的方法，但本发明并不局限于上述实施例，即不意味着本发明必须依赖上述实施例才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择及操作条件的改换等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

技术特征：
1.本发明提供一种液液萃取后聚合级生物基戊二胺的提纯工艺方法，其特征在于，在蒸馏/精馏之前，利用脱重工序，优先将萃取相中的非挥发性杂质脱出，减少对后续蒸馏/精馏过程中干扰，避免蒸馏/精馏过程中发生物理化学变化，以减少生物基戊二胺的损失，最后通过蒸馏/精馏手段获得纯度＞99.5％的聚合级生物基戊二胺。所述的聚合级生物基戊二胺精制方法，具体包含如下步骤：经过液液萃取分离获得含有较高浓度戊二胺的萃取后溶液，萃取相优先经过脱重工序以脱除非挥发性杂质，获得脱重后产品，然后经过蒸馏/精馏进一步精制戊二胺，获得可用于聚合反应的聚合级生物基戊二胺。2.权利要求1所述的萃取后溶液是通过液液萃取反应结束后分离获得的萃取相。所述的用于萃取的溶剂包括但不限于正丁醇、正戊醇、正己醇等在碱性条件下稳定存在且与戊二胺相对挥发度差异明显的溶剂的一种。3.根据权力要求2所述的液液萃取原始溶液应来源于生物法制备戊二胺的反应后溶液。优选地，可以是酶催化或全细胞催化制备生物基戊二胺的反应后溶液。4.权利要求2所述的戊二胺萃取后溶液中戊二胺的含量应大于0.2mol/l，优选的萃取后溶液中戊二胺的含量应大于0.5mol/l，例如可以是0.5mol/l、0.8mol/l、1mol/l、1.2mol/l、1.5mol/l、2mol/l等。5.权利要求1所述的脱重工序是通过将萃取后溶液迅速气化，气化后的溶液经迅速冷凝回收以脱除其中的非挥发性杂质。所述的脱重操作可以是闪蒸、旋蒸等操作。所述的脱重设备可以是闪蒸罐、旋转蒸发仪或薄膜蒸发器等。所述地，可以使用的薄膜蒸发器包括刮膜蒸发器(刮板式蒸发器)、升膜蒸发器或降膜蒸发器。6.根据权力要求5所述地，脱出的非挥发性杂质包括但不限于发酵液中的无机盐，酶/全细胞催化反应中使用的辅酶磷酸吡哆醛(plp)，液液萃取过程中添加的过量的氢氧化钠或氢氧化钙或氢氧化钾以及调节过程中生成的氯化钠或氯化钙或氯化钾等。7.权利要求1所述地，根据萃取后样品的差异，可以进行≥1次的脱重操作，脱除干净其中的非挥发性杂质。8.根据权利要求1所述地，经过脱重处理后的产品，通过蒸馏/精馏的方式进一步精制获得聚合级生物基戊二胺。9.根据权利要求8所述的蒸馏/精馏操作在常压条件或减压条件下进行；优选地，在减压条件下进行。所述地，精馏操作方式是间歇操作或连续操作。所述地，减压蒸馏/精馏操作的压力为2.5kpa～101.325kpa(绝对压力)，优选地，操作压力为2.5kpa～20kpa；更有选地，操作压力为2.5kpa～10kpa。所述地，实现生物基戊二胺精制地设备是旋转蒸发仪或精馏塔等蒸馏/精馏设备等。所述地，精馏塔是板式塔或填料塔，优选的精馏塔为填料塔。所述地，填料塔填料地装填方式是规整填料或散装填料。所述地，填料塔填料材料类型是金属、陶瓷或玻璃。
所述地，规整填料是格栅填料、波纹填料或者脉冲填料。所述地，散装填料类型是拉西环填料、鲍尔环填料、θ环填料、阶梯环填料或弹簧形填料等。所述地，精馏塔规模根据处理戊二胺样品量的大小具体确定。所述的通过蒸馏/精馏操作获得地不同温度组分分别收集，在精制生物基戊二胺地同时，进一步回收其中地萃取剂。所述地，精制获得地生物基戊二胺通过气相色谱、液相色谱、气质联用进行定量分析。

技术总结
本发明提供了一种液液萃取后聚合级生物基戊二胺的提纯工艺方法，其特征在于，在蒸馏/精馏之前，利用脱重工序，优先将萃取相中的非挥发性杂质脱出，减少对后续蒸馏/精馏过程中干扰，避免蒸馏/精馏过程中发生物理化学变化，以减少生物基戊二胺的损失，最后通过蒸馏/精馏手段获得纯度＞99.5％的聚合级生物基戊二胺。胺。


技术研发人员：黄玉红 李壮 袁江月 王坤 董海峰 甘航
受保护的技术使用者：中国科学院过程工程研究所
技术研发日：2021.12.31
技术公布日：2023/7/13