發酵法生產1,3-丙二醇工藝優化及評價

趙東一，張 霖

(1. 中國石化儀征化纖有限責任公司，江蘇儀征 211900； 2. 中國石化撫順(大連)石油化工研究院，遼寧撫順 113001)

應用技術

發酵法生產1,3-丙二醇工藝優化及評價

趙東一1，張 霖2

(1. 中國石化儀征化纖有限責任公司，江蘇儀征 211900； 2. 中國石化撫順(大連)石油化工研究院，遼寧撫順 113001)

1,3-丙二醇主要用途是和對苯二甲酸(PTA)一起合成新型聚酯對苯二甲酸丙二醇酯(PTT)，但是1,3-丙二醇的高成本制約了PTT的發展，低成本1,3-丙二醇合成工藝的研究開發工作成為國內外的熱點課題之一。本文是在以甘油為底物發酵生產1,3-丙二醇的工藝路線上進行優化，使用實驗室2.5 L發酵罐進行試驗，研究甘油發酵過程中攪拌速度、氮氣通氣率、發酵時間對最終發酵液中1,3-丙二醇含量的影響，在發酵溫度37 ℃、pH值7.0、通氣率0.2 vvm、發酵時間40 h、攪拌轉速400 r/min的條件下，發酵液中1,3-丙二醇的含量高達80 g/L以上，產品純度達到99.5%以上。

1,3-丙二醇 發酵 優化

1,3-丙二醇(簡稱1,3-PDO)，是一種無色無臭，具有刺激性咸味的透明粘稠液體，易溶于水、乙醇。它是一種重要的有機化工原料，目前應用于增塑劑、洗滌劑、油墨添加劑、冷凍劑、聚酯和聚氨酯的合成[1-5]等領域，其中最重要的應用是與對苯二甲酸縮聚制備PTT聚酯纖維[6-7]。PTT是一種性能優異的聚酯材料，兼具聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)的高性能和聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)的易加工性，且具備尼龍良好的回彈性和抗污性，且易染色、耐磨擦，所以在地毯、工程塑料及服裝面料等領域應用前景相當廣泛，是目前國際上合成纖維開發的熱點[8-9]。目前全球以杜邦公司的Sorona為商標的PTT聚酯最為著名[10]，杜邦產能9.4萬噸/年，國內盛虹集團一期5萬噸/年已建成，二期10萬噸/年在建，另有珠海華裕聚酯、張家港美景榮、泉州海天、吳江中鱸各3萬噸/年在產。作為PET的升級產品，國內外都在競相開發，以占領高端聚酯市場的先機。開發新一代PTT高端聚酯技術和產品，勢在必行。但國外1,3-PDO生產廠家對1,3-PDO技術實行了壟斷，抬高了1,3-PDO在國內的價格，從而限制了國內PTT領域的發展。因此，無論從國外還是國內來看，1,3-PDO的需求量只會增加，供需矛盾會日益增加。開發工業化裝置工藝包勢在必行。該試驗為將來工業化設計提供了數據支撐。

1,3-PDO的生產路線有化學法和生物法兩種。目前化學法的技術難度大，特別是其催化劑的制備與選用較為復雜，反應壓力較高且結構相當復雜[11-15]。原料極度易燃，高毒，具強刺激性。對存儲和運輸的要求都很高[16-17]。生物法的生產工藝無高溫、無高壓，綠色環保，原料易得，逐步引起國內外的重視，特別是以克雷伯氏肺炎桿菌為菌種，甘油為底物發酵生產1,3-PDO的技術競爭優勢更高、產品提純精制操作更易。本文是建立在甘油發酵生產1,3-PDO的工藝基礎上，主要討論在溫度37 ℃、 pH值調控為7.0的條件下，考察攪拌轉速、氮氣通氣率、發酵時間對最終發酵液中1,3-PDO濃度的影響。

1 試驗部分

1.1試驗設備儀器

克雷伯氏肺炎桿菌的移植、培養需要在潔凈區操作，潔凈區包括菌種保藏用的無菌間、種子培養間和分析化驗實驗室等，試驗所需主要設備及儀器見表1。

1.2試驗流程設計

試驗主要在實驗室完成，試驗過程中的堿由pH計在線測量反饋給控制閥，自動控制加入量以維持pH值在設定范圍。甘油加入量由每小時取樣分析發酵液中的甘油濃度來手動調整進料速度。罐底部為自動溫度控制底盤，自動調整加熱量維持發酵溫度在設定的溫度。攪拌器的轉速可以根據設定值全自動調整。

表1 主要設備與儀器

維持厭氧環境的氮氣從發酵罐底部注入，氮氣由轉子流量計計量，手動根據流量計調整加入量。發酵產生的尾氣通過罐頂的放空管線直接排向大氣。試驗工藝流程示意圖如圖1所示：

圖1 試驗工藝流程

1.3發酵方法

發酵底物為純度高于95%的工業級甘油。發酵罐體積選擇2.5 L，接種量為10%。發酵過程中產生的酸會抑制菌種生長，所以需要堿來中和產生的酸從而保證pH的穩定，該試驗采用的pH中和劑是濃度為25%的氫氧化鈉。在溫度37 ℃、pH值調控為7.0的條件下考察攪拌轉速、氮氣通氣率、發酵時間對最終產品濃度的影響。過程中每小時取發酵液進行液相分析，并根據分析結果補加甘油，使甘油濃度維持在15～25 g/L。

1.4分析方式

液相分析：以Waters 2695分離系統與Waters 2414示差檢測器構成液相分析系統，其中分離柱選用HPX-87H有機酸和醇分析柱，用于測量發酵體系中甘油的消耗、產物1,3-PDO以及主要副產物乙酸、琥珀酸等。

菌濃測定：波長600的分光光度計測量菌種OD值(1OD=log10(1/trans)，其中trans為檢測物的透光率T值)。

1.5計算公式

本文中所涉及的主要計算公式如下：

其中：W1為發酵液中1,3-PDO生成量；V為發酵液總體積；W2為甘油消耗量；W3為甘油總添加量。

2 結果與討論

2.1菌種活化及培養

在進行發酵試驗前，需對休眠狀態的種子進行兩次活化，以提高菌種的生產強度。首先，在2.5 L的自動培養罐中配1.5 L基礎液，經過高溫滅菌后，調節罐內發酵環境pH值7.0、溫度37 ℃以及攪拌轉速150 r/min，從冰箱中取2 mL菌種原液接入該2.5 L 培養罐中培養，進行一級菌體活化。培養過程中取液進行液相色譜分析1,3-PDO含量及甘油消耗量，波長600的分光光度計測量菌種OD值，一級種子生長曲線如圖2所示。

圖2 一級種子生長曲線

其次，當一級培養進行10 h以上，且OD600達到6以上時，取一級活化后的液體70 mL，轉接到裝液量700 mL培養基的1 L培養罐中(溫度37 ℃、pH值7、轉速150 r/min)進行二級活化7 h，并通入0.1 vvm 氮氣開始厭氧培養，氮氣通入量為0.1 vvm。二級種子生長曲線如圖3所示。

圖3 二級種子生長曲線

2.2發酵對比試驗

取經過二級活化的菌液各150 mL分別移入兩個配有1.5 L基礎液的2.5 L自動發酵罐中進行發酵試驗，通過改變2.5 L罐內的發酵條件考察攪拌轉速、氮氣通氣率、發酵時間等對1,3-PDO最終收率的影響，選定最優的控制方案。發酵接種量為10%，發酵過程中甘油的添加方式為連續添加，根據每小時的分析結果控制添加速度。堿根據pH計測量的反饋數據自動控制添加速度。

2.2.1 發酵時間對1,3-PDO發酵產率的影響

試驗在溫度37 ℃、pH值7、轉速為400 r/min、氮氣通氣率為0.2 vvm的條件下，考察了發酵時間對1,3-PDO發酵產率的影響，試驗結果如圖4所示，在0～4 h屬于菌株生長延滯期，在4～30 h屬于菌株對數生長期，30～40 h屬于菌株穩定生長期，在40 h菌株生長基本穩定，發酵液中1,3-PDO的濃度也基本趨向穩定，而且40 h后的菌濃也開始降低。綜合考慮將來工業化生產效率，最終發酵時間選定為40 h。這樣可以犧牲部分產品濃度來提高批次生產效率。

圖4 發酵時間與1,3-PDO濃度關系

2.2.2 不同轉速下發酵情況對比

試驗在溫度37 ℃、pH值7、氮氣通氣率為0.2 vvm、發酵時間為40 h的條件下，分別考察了轉速為120 r/min、300 r/min、400 r/min及500 r/min條件下1,3-PDO的發酵產率，如圖5所示。隨著轉速的提高，1,3-PDO的發酵產率有所提升，但是轉速為500 r/min相比于400 r/min，發酵產率反而有所下降，這是由于隨著轉速的提高，菌種混合更加均勻，菌種的平均生長環境也比較符合控制要求，但是過大的剪切力(速度梯度)對菌種穩定發酵不利。從而造成最終產品收率降低。所以最終選定攪拌轉速為400 r/min。

圖5 不同轉速下發酵情況

2.2.3 不同氮氣通氣率發酵情況對比

試驗在溫度37 ℃、pH值7、轉速為400 r/min、發酵時間為40 h的條件下，分別考察了通氣率為0.1 vvm、0.2 vvm、0.4 vvm及0.6 vvm條件下的1,3-PDO的發酵產率，試驗結果如圖6所示。

圖6 不同通氮量下發酵情況

在通氣率為0.1 vvm的條件下，1,3-PDO的發酵產率較低，最終產率僅為65 g/L，而通氣率為0.2 vvm以上時，發酵產率得到大幅提高，最終產率可達80 g/L，但是通氣率大于0.2 vvm時，1,3-PDO的發酵產率雖有一定提高，但不明顯，說明通氣率為0.2 vvm時，已經可滿足菌種厭氧發酵的需要。綜合考慮將來工業化裝置能耗等問題，最終選定0.2 vvm的通氣率。

2.2.4 在最佳試驗條件下三組試驗對比

通過上述條件試驗的優化與考察，確定了菌株發酵工藝條件為溫度37 ℃、pH值調控為7.0、轉速為400 r/min、氮氣通氣率為0.2 vvm、發酵時間為40 h，在上述條件下，分別進行了三組試驗驗證，考察在這些條件下的1,3-PDO的產率、甘油轉化率及目標產物選擇性。試驗結果如表2所示：

表2 三組考察試驗對比

試驗結果顯示，在選定的發酵條件下菌株發酵穩定，1,3-PDO的產率也較高，穩定在80 g/L左右，甘油轉化率較高，接近90%，目標產物選擇性為0.5以上，說明發酵過程代謝正常，未產生較多的副產物。

3 產品分析及評價

3.1產品分析

試驗發酵液經過后續的板框過濾、離子交換及精餾塔提純工段后，進行了純度分析，并且與杜邦的產品進行了對比，測試結果如表3所示：

表3 產品測試結果

從測試報告可看出，試驗產品的純度已經達到杜邦工藝水平，但是產品的基礎色號以及紫外透光率與杜邦工藝還存在一定的差距。

3.2產品聚合評價

取純度為99.86%的試驗產品和杜邦的兩種丙二醇進入聚合釜進行聚合性能評價，PTA和1,3-丙二醇按照一定比例加入到聚合釜中，加催化劑、穩定劑及其它助劑，采用常規聚合工藝合成得到一定特性粘度的PTT。

試驗結果表明，試驗產出的丙二醇能夠正常聚合制備PTT。聚合過程中出水正常，與杜邦丙二醇相比，試驗產出的丙二醇聚合速度快，合成的PTT特性粘度略偏低，色相偏黃，具體結果見表4。

表4 常規性能指標

4 結 語

本文主要考察克雷伯氏桿菌試驗發酵的工藝條件，并進行對比優化，得到了以下結論：試驗采用兩級種子培養，一級發酵，最終發酵罐體積為2.5 L，在溫度37 ℃、pH值調控為7.0的基礎條件下，優化工藝條件氮氣通氣率為0.2 vvm、發酵時間為40 h、攪拌轉速為400 r/min。通過對發酵條件的優化，1,3-PDO的最終產率在80 g/L以上，甘油轉化率接近90%，目標產物選擇性超過0.5，試驗所得產品經過分離提純，然后進行聚合評價，產品質量基本達到杜邦產品的水平。

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Evaluationandoptimizationfor1,3-propanediolproductionbyfermentation

Zhao Dongyi1,Zhang Lin2

(1.SinopecYizhengChemicalFibreCo.,Ltd.,YizhengJiangsu211900，China; 2.SinopecFushun(DaLian)ResearchInstituteofPetroleumandpetrochemicals，FushunLiaoning113001，China)

The most important applications of 1,3-PDO is synthesizing a new type of polyester(PTT) with terephthalic. But the high cost of 1,3-PDO constraint on its development, so the lower cost forming processing of 1,3-PDO becoming one of the hot topic at home and abroad. In this paper we finished the comparative experiments with the 2.5 L fermentation cylinder, discussed the impact of the rate of agitation, ventilation ratio, fermentation time to the concentration of 1,3-PDO in fermentation broth. Finally, the concentrations of 1,3-PDO were all above 80 g/L at the optimum conditions of 37 ℃(fermentation time), pH7.0(pH value), 400 r/min(agitation), 40 h(fermentation time), 0.2 vvm(ventilation ratio). GC analysis displayed the purity of the product were exceed 99.5%.

l,3-propanediol； fermentation； optimization

TQ214

B

1006-334X(2017)03-0032-05

2017-08-16

趙東一(1982-)，江蘇常州人，工程師，主要從事化工工藝研究工作。