CN110028402B - 一种提取3-羟基丙酸的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提取3‑羟基丙酸的方法，所述方法包括：将含有3‑羟基丙酸的发酵液经过絮凝后再进行萃取、反萃后得到3‑羟基丙酸溶液；本发明通过选择特定的絮凝剂、助凝剂以及络合萃取体系，达到了从3‑羟基丙酸的发酵液分离提取3‑羟基丙酸的目的，相比于现有的单独利用絮凝、膜分离、离心的方法从发酵液中提取3‑羟基丙酸的方法，本发明的方法能够去除更多的如2,3‑丁二醇、1,3‑丁二醇、琥珀酸、乙酸等杂质，菌体去除率可达到99％以上，萃取率可达到80％以上，3‑羟基丙酸最终的收率可达到50％～70％，纯度可达到60％以上，对于3‑羟基丙酸的工业化生产具有重要的参考价值，具有良好的应用前景。

Description

一种提取3-羟基丙酸的方法

技术领域

本发明属于化学分离领域，涉及一种提取3-羟基丙酸的方法。

背景技术

3-羟基丙酸是一种具有三个碳原子的非手性有机酸，酸解离常数为4.5，呈液态，具有黏性，无色无味，可溶于水、乙醇、乙醚。可以用于丙烯酸等多种化学品的合成。3-羟基丙酸是乳酸(2-羟基丙酸)的同分异构体，由于羟基位置的不同，其化学性质更加活泼。通过氧化、脱水、酯化反应等可以合成多种重要的化学物质，如丙烯酸、丙二酸，以及生物降解性塑料聚3-羟基丙酸，还可以作为食品或饲料的添加剂和防腐剂。

CN107353197A公开了一种提取3-羟基丙酸的方法，包括如下步骤：1)将含有3-羟基丙酸的粗品水溶液与有机溶剂混合，对混合液进行蒸发浓缩去除水分，得到含有3-羟基丙酸的有机溶剂；2)提取步骤1)所得中的3-羟基丙酸。但是此方法无法应用到生物合成法制备得到的3-羟基丙酸的分离提取，具有一定的局限性。

CN109704950A公开了一种3-羟基丙酸的分离提纯方法，包括如下步骤：步骤：1、将含有3-羟基丙酸的粗品水溶液与有机溶剂混合,在混合溶液中加入15-35倍体积的冰乙醇沉淀聚3-羟基丙酸，进行萃取；步骤2、得到的沉淀物用乙醇清洗后，真空干燥45-60min，得到高纯度的聚3-羟基丙酸；步骤3、将步骤1中萃取之后剩余的溶液中加入组合溶剂，然后蒸馏浓缩，进而进行重结晶；步骤4、将步骤3中重结晶完成的溶液进行过滤，提取所得的3-羟基丙酸。此方法中涉及到转移的步骤较多，容易造成产物的流失和浪费。

CN106588642A公开了一种从桑白皮中提取的对羟基苯丙酸及其制备方法与应用，有效解决从桑白皮中提取对羟基苯丙酸，以及在制备治疗LPS诱导的HPAEC损伤药物中的应用问题，将桑白皮煎煮提取，提取液减压浓缩得干燥物，干燥物加蒸馏水混悬，上树脂柱，依次用水、乙醇梯度洗脱，各个梯度洗脱液浓缩至干，干物用甲醇溶解，再加入硅胶，加入到色谱柱的液面上，进行梯度洗脱，各流份经TLC分析、合并，减压浓缩，得总样A1、A2、A3；总样A1用甲醇溶解，上Toyopearl HW-40柱，用甲醇洗脱，薄层检识、合并，得子流份A1-2，减压浓缩、干燥，用甲醇溶解，上ODS柱，用甲醇洗脱，薄层检识，合并含相同的流份，减压浓缩，得对羟基苯丙酸；此方法主要是通过层析的方法进行分离提取，不适用于3-羟基丙酸的分离。

目前，有关3-羟基丙酸的分离提取主要集中在通过蒸馏、离心、膜过滤等进行，不能有效的将3-羟基丙酸从发酵液等溶液中提取出来，而如何开发一种新的提取工艺对于3-羟基丙酸的工业化应用具有重要的价值。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种提取3-羟基丙酸的方法，以解决现有方法中提取效率低，纯度不高的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供的一种提取3-羟基丙酸的方法，所述方法包括：将含有3-羟基丙酸的发酵液经过絮凝后再进行萃取、反萃后得到3-羟基丙酸溶液。

本发明通过絮凝、萃取和反萃步骤的联用，达到了从3-羟基丙酸的发酵液分离提取3-羟基丙酸的目的，相比于现有的单独利用絮凝、膜分离、离心的方法从发酵液中提取3-羟基丙酸的方法，本发明的方法能够去除更多的如2,3-丁二醇、1,3-丁二醇、琥珀酸、乙酸等杂质，菌体去除率可达到99％以上，萃取率可达到80％以上，3-羟基丙酸最终的收率可达到50％～70％，纯度可达到60％以上。

优选地，所述絮凝的方法为：向含有3-羟基丙酸的发酵液中加入聚合硅酸铝铁溶液后静置得到上清液。

聚合硅酸铝铁是一种新型的水溶性高分子电解质。目前主要用于净化饮用水，还可用于给水的特殊水质处理、除镉、除氟、除放射性污染、除浮油等。本发明意外的发现，发酵液中使用聚合硅酸铝铁进行絮凝时，对于菌体的去除效果非常好，而一些常用的絮凝剂如硅藻土等，几乎没有絮凝效果。

优选地，所述含有3-羟基丙酸的发酵液与聚合硅酸铝铁溶液的体积比为(5～20):1，例如可以是5:1、7:1、8:1、9:1、10:1、12:1、15:1、16:1、18:1或20:1等，优选为(8～10):1。

在絮凝的过程中，控制聚合硅酸铝铁的用量对于絮凝的效果至关重要，优选控制在(8～10):1的范围内时，絮凝的效果最佳。絮凝过程中，在聚合硅酸铝铁的作用下，菌体架桥等作用聚集，最终形成沉淀。

优选地，所述聚合硅酸铝铁溶液的浓度为15～30g/L，例如可以是15g/L、18g/L、20g/L、23g/L、25g/L、28g/L或30g/L等。

优选地，所述含有3-羟基丙酸的发酵液的pH值为5～9，例如可以是5、6、7、8或9等，优选为7。

实际絮凝过程中，pH过低或者过高都会降低絮凝的效果，综合考虑pH值为7时最佳。

优选地，所述静置的时间为20～50min，例如可以是20min、25min、30min、35min、40min、45min或50min等。

优选地，所述静置的温度为20～50℃，例如可以是20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃或50℃等。

优选地，加入聚合硅酸铝铁溶液后还包括加入助凝剂的步骤。

优选地，所述助凝剂为海藻酸钠溶液。

优选地，所述海藻酸钠溶液的浓度为5～10g/L，例如可以是5g/L、6g/L、7g/L、8g/L、9g/L或10g/L等等，优选为8g/L。

絮凝过程中，海藻酸钠能够实现增稠的效果，促使形成大胶团，加速沉淀的效果。而海藻酸钠与聚合硅酸铝铁的配合使用时，菌体的去除较为彻底并且产物的损失少。

优选地，所述絮凝后，将絮凝得到的上清液进行萃取、反萃的步骤。

优选地，所述萃取的方法为络合萃取。

优选地，所述络合萃取的步骤为：将三辛胺的正十二醇溶液加入到上清液中进行络合萃取，收集有机相。

在本发明中，正十二醇作为三辛胺的溶剂，对于萃取分配系数的贡献越大，由于正十二醇的剂型和偶极-极化率较高，相比于其他的溶剂，更有利于萃取。

优选地，所述三辛胺的正十二醇溶液与上清液的体积比为(0.7～1.5):1，例如可以是0.7:1、0.8:1、0.9:1、1:1、1.1:1、1.2:1、1.3:1、1.4:1或1.5:1等，优选为1.2:1。

在本发明中，上清液的含量越高，萃取率会逐渐降低。而上清液的含量较低时，有机相中含有更多的三辛胺，萃取的效果更好；但是上清液的含量过低对于萃取收率也会造成影响。优选体积比为1.2:1。

优选地，所述三辛胺在正十二醇中的体积分数为20％～40％，例如可以是20％、22％、25％、30％、35％、38％或40％等，优选为35％。

在本发明中，三辛胺在正十二醇中的体积分数应控制在一定的范围内，如果体积分数过高时，正十二醇的量就相对较小，会使得有机相中萃合物的溶剂化作用减弱，降低萃取的效果。

优选地，所述络合萃取的温度为10～15℃，例如可以是10℃、11℃、12℃、13℃、14℃或15℃等。

在本发明中，络合萃取的温度不能过高，由于这个萃取反应属于放热反应，较低的温度有利于反应的正向进行。因此，温度升高，萃取效果下降。

优选地，所述络合萃取的pH值为3～5，例如可以是3、3.5、4、4.5或5等。

本领域技术人员可以通过实际需要，通过常用的酸或碱调节pH值至合适的范围内。络合萃取的pH值最适宜为3～5之间。

优选地，所述反萃的方法为：将氢氧化钠溶液与有机相混合进行反萃。

在本发明中，通过反萃的方法，将3-羟基丙酸由有机相萃取到水相中，实现最终的分离。

优选地，所述氢氧化钠溶液的浓度为2～4mol/L，例如可以是2mol/L、2.2mol/L、2.5mol/L、3mol/L、3.1mol/L、3.5mol/L、3.7mol/L或4mol/L等。

优选地，所述氢氧化钠溶液与有机相的体积比为(3～5):1，例如可以是3:1、3.2:1、3.5:1、4:1、4.3:1、4.6:1或5:1等。

优选地，所述反萃的温度为30～50℃，例如可以是30℃、35℃、40℃、45℃或50℃等。

优选地，所述方法包括以下步骤：

向pH值为5～9的含有3-羟基丙酸的发酵液中加入浓度为15～30g/L的聚合硅酸铝铁溶液，在浓度为5～10g/L的助凝剂的存在下，温度为20～50℃下静置20～50min得到上清液，其中含有3-羟基丙酸的发酵液与聚合硅酸铝铁溶液的体积比为(5～20):1；

将上清液使用体积分数为20％～40％的三辛胺的正十二醇溶液，在温度为10～15℃、pH值为3～5下进行络合萃取，其中三辛胺的正十二醇的溶液与上清液的体积比为(0.7～1.5):1，收集有机相，然后使用浓度为2～4mol/L的氢氧化钠溶液与有机相混合，氢氧化钠溶液与有机相的体积比为(3～5):1，在温度为30～50℃下反萃，收集水相，得到3-羟基丙酸。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明通过絮凝、萃取和反萃步骤的联用，选择特定的絮凝剂、助凝剂以及络合萃取体系，达到了从3-羟基丙酸的发酵液分离提取3-羟基丙酸的目的，相比于现有的单独利用絮凝、膜分离、离心的方法从发酵液中提取3-羟基丙酸的方法，本发明的方法能够去除更多的如2,3-丁二醇、1,3-丁二醇、琥珀酸、乙酸等杂质，菌体去除率可达到99％以上，萃取率可达到80％以上，3-羟基丙酸最终的收率可达到50％～70％，纯度可达到60％以上，对于3-羟基丙酸的工业化生产具有重要的参考价值，具有良好的应用前景。

具体实施方式

下面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，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

实施例1

本实施例通过以下方法从发酵液中提取3-羟基丙酸

向pH值为7的含有3-羟基丙酸的发酵液中加入浓度为20g/L的聚合硅酸铝铁溶液，在浓度为8g/L的海藻酸钠的存在下，温度为30℃下静置30min得到上清液，其中含有3-羟基丙酸的发酵液与聚合硅酸铝铁溶液的体积比为9:1；

将上清液使用体积分数为35％的三辛胺的正十二醇溶液，在温度为10℃、pH值为4下进行络合萃取，其中三辛胺的正十二醇的溶液与上清液的体积比为1.2:1，收集有机相，然后使用浓度为3mol/L的氢氧化钠溶液与有机相混合，氢氧化钠溶液与有机相的体积比为4:1，在温度为40℃下反萃，收集水相，得到3-羟基丙酸。

实施例2

本实施例通过以下方法从发酵液中提取3-羟基丙酸

向pH值为7的含有3-羟基丙酸的发酵液中加入浓度为30g/L的聚合硅酸铝铁溶液，在浓度为10g/L的海藻酸钠的存在下，温度为50℃下静置20min得到上清液，其中含有3-羟基丙酸的发酵液与聚合硅酸铝铁溶液的体积比为10:1；

将上清液使用体积分数为40％的三辛胺的正十二醇溶液，在温度为15℃、pH值为5下进行络合萃取，其中三辛胺的正十二醇的溶液与上清液的体积比为1.5:1，收集有机相，然后使用浓度为4mol/L的氢氧化钠溶液与有机相混合，氢氧化钠溶液与有机相的体积比为5:1，在温度为50℃下反萃，收集水相，得到3-羟基丙酸。

实施例3

本实施例通过以下方法从发酵液中提取3-羟基丙酸

向pH值为7的含有3-羟基丙酸的发酵液中加入浓度为15g/L的聚合硅酸铝铁溶液，在浓度为5g/L的海藻酸钠的存在下，温度为20℃下静置50min得到上清液，其中含有3-羟基丙酸的发酵液与聚合硅酸铝铁溶液的体积比为8:1；

将上清液使用体积分数为20％的三辛胺的正十二醇溶液，在温度为10℃、pH值为3下进行络合萃取，其中三辛胺的正十二醇的溶液与上清液的体积比为1.3:1，收集有机相，然后使用浓度为4mol/L的氢氧化钠溶液与有机相混合，氢氧化钠溶液与有机相的体积比为5:1，在温度为30℃下反萃，收集水相，得到3-羟基丙酸。

实施例4

本实施例通过以下方法从发酵液中提取3-羟基丙酸

向pH值为7的含有3-羟基丙酸的发酵液中加入浓度为19g/L的聚合硅酸铝铁溶液，在浓度为7g/L的海藻酸钠的存在下，温度为40℃下静置35min得到上清液，其中含有3-羟基丙酸的发酵液与聚合硅酸铝铁溶液的体积比为20:1；

将上清液使用体积分数为28％的三辛胺的正十二醇溶液，在温度为13℃、pH值为4下进行络合萃取，其中三辛胺的正十二醇的溶液与上清液的体积比为0.7:1，收集有机相，然后使用浓度为3mol/L的氢氧化钠溶液与有机相混合，氢氧化钠溶液与有机相的体积比为4:1，在温度为45℃下反萃，收集水相，得到3-羟基丙酸。

实施例5

本实施例通过以下方法从发酵液中提取3-羟基丙酸

向pH值为7的含有3-羟基丙酸的发酵液中加入浓度为25g/L的聚合硅酸铝铁溶液，在浓度为5g/L的海藻酸钠的存在下，温度为25℃下静置45min得到上清液，其中含有3-羟基丙酸的发酵液与聚合硅酸铝铁溶液的体积比为5:1；

将上清液使用体积分数为28％的三辛胺的正十二醇溶液，在温度为13℃、pH值为5下进行络合萃取，其中三辛胺的正十二醇的溶液与上清液的体积比为0.9:1，收集有机相，然后使用浓度为3mol/L的氢氧化钠溶液与有机相混合，氢氧化钠溶液与有机相的体积比为4:1，在温度为50℃下反萃，收集水相，得到3-羟基丙酸。

实施例6

本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中含有3-羟基丙酸的发酵液的pH值为5。

实施例7

本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中含有3-羟基丙酸的发酵液的pH值为9。

实施例8

本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中含有3-羟基丙酸的发酵液与聚合硅酸铝铁溶液的体积比为2:1。

实施例9

本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中含有3-羟基丙酸的发酵液与聚合硅酸铝铁溶液的体积比为25:1。

实施例10

本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中含三辛胺的正十二醇溶液与上清液的体积比为1.8:1。

实施例11

本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中含三辛胺的正十二醇溶液与上清液的体积比为0.4:1。

实施例12

本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中络合萃取的温度为25℃。

实施例13

本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中絮凝时用壳聚糖替换聚合硅酸铝铁作为絮凝剂。

实施例14

本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中采用三辛胺的正辛醇溶液进行络合萃取。

对比例1

本对比例与实施例1的区别在于，本对比例仅仅进行絮凝的步骤而不包括萃取、反萃的步骤。

将上述实施例1-14与对比例1提取的3-羟基丙酸溶液进行收率和纯度的测定。收率为提取后3-羟基丙酸溶液中含有的3-羟基丙酸质量与发酵液中含有的3-羟基丙酸质量的比值；纯度为提取后3-羟基丙酸溶液中含有的3-羟基丙酸的质量百分比。质量均采用高效液相色谱进行检测，色谱型号为安捷伦1100高效液相色谱仪，色谱柱为C₁₈柱，柱温30℃，紫外吸收波长210nm，流动相中水、磷酸和甲醇体积比为950.00:0.50:50.00，流速0.80mL/min，进样20.00μL，采用外标法定量，得到的具体结果如下表1所示：

表1

通过表1中的数据可知，影响3-羟基丙酸收率和纯度的因素是多方面的。

通过实施例1-5、8-9的对比可知，3-羟基丙酸的发酵液与聚合硅酸铝铁溶液的体积比控制在(8～10):1的范围内时，絮凝效果更好。

通过实施例1与实施例6-7的对比可知，发酵液的pH值会影响收率和纯度，最佳的pH值控制在7左右为宜。

通过实施例1与实施例10-11的对比可知，含三辛胺的正十二醇溶液与上清液的体积比为1.2:1时，萃取效果最佳，而上清液的含量过多或过少提取的效果均会下降。

通过实施例1与实施例12的对比可知，络合萃取的温度对于收率和纯度的影响是非常显著的，温度升高，萃取收率大幅降低。

通过实施例1与实施例13-14的对比可知，当絮凝剂或者络合萃取体系发生改变时，会影响3-羟基丙酸的收率和纯度。

通过实施例1与对比例的对比可知，当仅进行絮凝时，3-羟基丙酸的收率不会受到影响，但是纯度仅有不到40％，纯度无法达到要求。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。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、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (23)

1.一种提取3-羟基丙酸的方法，其特征在于，所述方法包括：将含有3-羟基丙酸的发酵液经过絮凝后再进行萃取、反萃后得到3-羟基丙酸溶液；

所述絮凝的方法为：向含有3-羟基丙酸的发酵液中加入聚合硅酸铝铁溶液后静置得到上清液；

所述含有3-羟基丙酸的发酵液与聚合硅酸铝铁溶液的体积比为(5～20):1；

所述聚合硅酸铝铁溶液的浓度为15～30g/L；

所述含有3-羟基丙酸的发酵液的pH值为5～9。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含有3-羟基丙酸的发酵液与聚合硅酸铝铁溶液的体积比为(8～10):1。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含有3-羟基丙酸的发酵液的pH值为7。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述静置的时间为20～50min。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述静置的温度为20～50℃。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，加入聚合硅酸铝铁溶液后还包括加入助凝剂的步骤。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述助凝剂为海藻酸钠溶液。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述海藻酸钠溶液的浓度为5～10g/L。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述海藻酸钠溶液的浓度为8g/L。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述絮凝后，将絮凝得到的上清液进行萃取、反萃的步骤。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述萃取的方法为络合萃取。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述络合萃取的步骤为：将三辛胺的正十二醇溶液加入到上清液中进行络合萃取，收集有机相。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述三辛胺的正十二醇溶液与上清液的体积比为(0.7～1.5):1。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述三辛胺的正十二醇溶液与上清液的体积比为1.2:1。

15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述三辛胺在正十二醇中的体积分数为20％～40％。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述三辛胺在正十二醇中的体积分数为35％。

17.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述络合萃取的温度为10～15℃。

18.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述络合萃取的pH值为3～5。

19.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述反萃的方法为：将氢氧化钠溶液与有机相混合进行反萃。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述氢氧化钠溶液的浓度为2～4mol/L。

21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述氢氧化钠溶液与有机相的体积比为(3～5):1。

22.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述反萃的温度为30～50℃。

23.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

向pH值为5～9的含有3-羟基丙酸的发酵液中加入浓度为15～30g/L的聚合硅酸铝铁溶液，在浓度为5～10g/L的助凝剂的存在下，温度为20～50℃下静置20～50min得到上清液，其中含有3-羟基丙酸的发酵液与聚合硅酸铝铁溶液的体积比为(5～20):1；

将上清液使用体积分数为20％～40％的三辛胺的正十二醇溶液，在温度为10～15℃、pH值为3～5下进行络合萃取，其中三辛胺的正十二醇的溶液与上清液的体积比为(0.7～1.5):1，收集有机相，然后使用浓度为2～4mol/L的氢氧化钠溶液与有机相混合，氢氧化钠溶液与有机相的体积比为(3～5):1，在温度为30～50℃下反萃，收集水相，得到3-羟基丙酸。