趙東一，張 霖

(1. 中國石化儀征化纖有限責(zé)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(yīng)用技術(shù)

發(fā)酵法生產(chǎn)1,3-丙二醇工藝優(yōu)化及評價

趙東一1，張 霖2

(1. 中國石化儀征化纖有限責(zé)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(fā)展，低成本1,3-丙二醇合成工藝的研究開發(fā)工作成為國內(nèi)外的熱點課題之一。本文是在以甘油為底物發(fā)酵生產(chǎn)1,3-丙二醇的工藝路線上進行優(yōu)化，使用實驗室2.5 L發(fā)酵罐進行試驗，研究甘油發(fā)酵過程中攪拌速度、氮氣通氣率、發(fā)酵時間對最終發(fā)酵液中1,3-丙二醇含量的影響，在發(fā)酵溫度37 ℃、pH值7.0、通氣率0.2 vvm、發(fā)酵時間40 h、攪拌轉(zhuǎn)速400 r/min的條件下，發(fā)酵液中1,3-丙二醇的含量高達80 g/L以上，產(chǎn)品純度達到99.5%以上。

1,3-丙二醇 發(fā)酵 優(yōu)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(yīng)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(lǐng)域，其中最重要的應(yīng)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(yōu)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(lǐng)域應(yīng)用前景相當(dāng)廣泛，是目前國際上合成纖維開發(fā)的熱點[8-9]。目前全球以杜邦公司的Sorona為商標(biāo)的PTT聚酯最為著名[10]，杜邦產(chǎn)能9.4萬噸/年，國內(nèi)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(chǎn)。作為PET的升級產(chǎn)品，國內(nèi)外都在競相開發(fā)，以占領(lǐng)高端聚酯市場的先機。開發(fā)新一代PTT高端聚酯技術(shù)和產(chǎn)品，勢在必行。但國外1,3-PDO生產(chǎn)廠家對1,3-PDO技術(shù)實行了壟斷，抬高了1,3-PDO在國內(nèi)的價格，從而限制了國內(nèi)PTT領(lǐng)域的發(fā)展。因此，無論從國外還是國內(nèi)來看，1,3-PDO的需求量只會增加，供需矛盾會日益增加。開發(fā)工業(yè)化裝置工藝包勢在必行。該試驗為將來工業(yè)化設(shè)計提供了數(shù)據(jù)支撐。

1,3-PDO的生產(chǎn)路線有化學(xué)法和生物法兩種。目前化學(xué)法的技術(shù)難度大，特別是其催化劑的制備與選用較為復(fù)雜，反應(yīng)壓力較高且結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜[11-15]。原料極度易燃，高毒，具強刺激性。對存儲和運輸?shù)囊蠖己芨遊16-17]。生物法的生產(chǎn)工藝無高溫、無高壓，綠色環(huán)保，原料易得，逐步引起國內(nèi)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(fā)酵生產(chǎn)1,3-PDO的技術(shù)競爭優(yōu)勢更高、產(chǎn)品提純精制操作更易。本文是建立在甘油發(fā)酵生產(chǎn)1,3-PDO的工藝基礎(chǔ)上，主要討論在溫度37 ℃、 pH值調(diào)控為7.0的條件下，考察攪拌轉(zhuǎn)速、氮氣通氣率、發(fā)酵時間對最終發(fā)酵液中1,3-PDO濃度的影響。

1 試驗部分

1.1試驗設(shè)備儀器

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

1.2試驗流程設(shè)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(shè)定范圍。甘油加入量由每小時取樣分析發(fā)酵液中的甘油濃度來手動調(diào)整進料速度。罐底部為自動溫度控制底盤，自動調(diào)整加熱量維持發(fā)酵溫度在設(shè)定的溫度。攪拌器的轉(zhuǎn)速可以根據(jù)設(shè)定值全自動調(diào)整。

表1 主要設(shè)備與儀器

維持厭氧環(huán)境的氮氣從發(fā)酵罐底部注入，氮氣由轉(zhuǎn)子流量計計量，手動根據(jù)流量計調(diào)整加入量。發(fā)酵產(chǎn)生的尾氣通過罐頂?shù)姆趴展芫€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(fā)酵方法

發(fā)酵底物為純度高于95%的工業(yè)級甘油。發(fā)酵罐體積選擇2.5 L，接種量為10%。發(fā)酵過程中產(chǎn)生的酸會抑制菌種生長，所以需要堿來中和產(chǎn)生的酸從而保證pH的穩(wěn)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(diào)控為7.0的條件下考察攪拌轉(zhuǎn)速、氮氣通氣率、發(fā)酵時間對最終產(chǎn)品濃度的影響。過程中每小時取發(fā)酵液進行液相分析，并根據(jù)分析結(jié)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(tǒng)與Waters 2414示差檢測器構(gòu)成液相分析系統(tǒng)，其中分離柱選用HPX-87H有機酸和醇分析柱，用于測量發(fā)酵體系中甘油的消耗、產(chǎn)物1,3-PDO以及主要副產(chǎn)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(fā)酵液中1,3-PDO生成量；V為發(fā)酵液總體積；W2為甘油消耗量；W3為甘油總添加量。

2 結(jié)果與討論

2.1菌種活化及培養(yǎng)

在進行發(fā)酵試驗前，需對休眠狀態(tài)的種子進行兩次活化，以提高菌種的生產(chǎn)強度。首先，在2.5 L的自動培養(yǎng)罐中配1.5 L基礎(chǔ)液，經(jīng)過高溫滅菌后，調(diào)節(jié)罐內(nèi)發(fā)酵環(huán)境pH值7.0、溫度37 ℃以及攪拌轉(zhuǎn)速150 r/min，從冰箱中取2 mL菌種原液接入該2.5 L 培養(yǎng)罐中培養(yǎng)，進行一級菌體活化。培養(yǎng)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(dāng)一級培養(yǎng)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(zhuǎn)接到裝液量700 mL培養(yǎng)基的1 L培養(yǎng)罐中(溫度37 ℃、pH值7、轉(zhuǎn)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(yǎng)，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(fā)酵對比試驗

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

2.2.1 發(fā)酵時間對1,3-PDO發(fā)酵產(chǎn)率的影響

試驗在溫度37 ℃、pH值7、轉(zhuǎn)速為400 r/min、氮氣通氣率為0.2 vvm的條件下，考察了發(fā)酵時間對1,3-PDO發(fā)酵產(chǎn)率的影響，試驗結(jié)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(shù)生長期，30～40 h屬于菌株穩(wěn)定生長期，在40 h菌株生長基本穩(wěn)定，發(fā)酵液中1,3-PDO的濃度也基本趨向穩(wěn)定，而且40 h后的菌濃也開始降低。綜合考慮將來工業(yè)化生產(chǎn)效率，最終發(fā)酵時間選定為40 h。這樣可以犧牲部分產(chǎn)品濃度來提高批次生產(chǎn)效率。

圖4 發(fā)酵時間與1,3-PDO濃度關(guān)系

2.2.2 不同轉(zhuǎn)速下發(fā)酵情況對比

試驗在溫度37 ℃、pH值7、氮氣通氣率為0.2 vvm、發(fā)酵時間為40 h的條件下，分別考察了轉(zhuǎn)速為120 r/min、300 r/min、400 r/min及500 r/min條件下1,3-PDO的發(fā)酵產(chǎn)率，如圖5所示。隨著轉(zhuǎn)速的提高，1,3-PDO的發(fā)酵產(chǎn)率有所提升，但是轉(zhuǎn)速為500 r/min相比于400 r/min，發(fā)酵產(chǎn)率反而有所下降，這是由于隨著轉(zhuǎn)速的提高，菌種混合更加均勻，菌種的平均生長環(huán)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(wěn)定發(fā)酵不利。從而造成最終產(chǎn)品收率降低。所以最終選定攪拌轉(zhuǎn)速為400 r/min。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下發(fā)酵情況

2.2.3 不同氮氣通氣率發(fā)酵情況對比

試驗在溫度37 ℃、pH值7、轉(zhuǎn)速為400 r/min、發(fā)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(fā)酵產(chǎn)率，試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同通氮量下發(fā)酵情況

在通氣率為0.1 vvm的條件下，1,3-PDO的發(fā)酵產(chǎn)率較低，最終產(chǎn)率僅為65 g/L，而通氣率為0.2 vvm以上時，發(fā)酵產(chǎn)率得到大幅提高，最終產(chǎn)率可達80 g/L，但是通氣率大于0.2 vvm時，1,3-PDO的發(fā)酵產(chǎn)率雖有一定提高，但不明顯，說明通氣率為0.2 vvm時，已經(jīng)可滿足菌種厭氧發(fā)酵的需要。綜合考慮將來工業(yè)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(yōu)化與考察，確定了菌株發(fā)酵工藝條件為溫度37 ℃、pH值調(diào)控為7.0、轉(zhuǎn)速為400 r/min、氮氣通氣率為0.2 vvm、發(fā)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(chǎn)率、甘油轉(zhuǎn)化率及目標(biāo)產(chǎn)物選擇性。試驗結(jié)果如表2所示：

表2 三組考察試驗對比

試驗結(jié)果顯示，在選定的發(fā)酵條件下菌株發(fā)酵穩(wěn)定，1,3-PDO的產(chǎn)率也較高，穩(wěn)定在80 g/L左右，甘油轉(zhuǎn)化率較高，接近90%，目標(biāo)產(chǎn)物選擇性為0.5以上，說明發(fā)酵過程代謝正常，未產(chǎn)生較多的副產(chǎn)物。

3 產(chǎn)品分析及評價

3.1產(chǎn)品分析

試驗發(fā)酵液經(jīng)過后續(xù)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(chǎn)品進行了對比，測試結(jié)果如表3所示：

表3 產(chǎn)品測試結(jié)果

從測試報告可看出，試驗產(chǎn)品的純度已經(jīng)達到杜邦工藝水平，但是產(chǎn)品的基礎(chǔ)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(chǎn)品聚合評價

取純度為99.86%的試驗產(chǎn)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(wěn)定劑及其它助劑，采用常規(guī)聚合工藝合成得到一定特性粘度的PTT。

試驗結(jié)果表明，試驗產(chǎn)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(chǎn)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(jié)果見表4。

表4 常規(guī)性能指標(biāo)

4 結(jié) 語

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

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Evaluationandoptimizationfor1,3-propanediolproductionbyfermentation

Zhao Dongyi1,Zhang Lin2

(1.SinopecYizhengChemicalFibreCo.,Ltd.,YizhengJiangsu211900，China; 2.SinopecFushun(DaLian)ResearchInstituteofPetroleumandpetrochemicals，F(xiàn)ushunLiaoning113001，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。