林松，趙毅聰，韓邁，李青松

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266580)

在歐洲利用動(dòng)物油脂生產(chǎn)生物柴油是一種成熟工藝，該工藝生成9 t柴油的同時(shí)副產(chǎn)約1 t的甘油，因此甘油高價(jià)值利用刻不容緩[1]。文獻(xiàn)中報(bào)道貴金屬催化氧化或微生物轉(zhuǎn)化甘油生產(chǎn)DHA是一種成熟可行的路線，目前工業(yè)生產(chǎn)DHA主要的方法為微生物發(fā)酵甘油，該方法主要是反應(yīng)條件容易滿足，產(chǎn)率高，但是后續(xù)提純分離困難，設(shè)備投資大且污染環(huán)境。當(dāng)前研究重點(diǎn)主要集中在發(fā)酵菌株的篩選，反應(yīng)過(guò)程優(yōu)化以及底物培養(yǎng)基結(jié)構(gòu)組成方面，發(fā)酵液處理及DHA分離相關(guān)研究報(bào)道并不多[2]。

1 DHA市場(chǎng)應(yīng)用

1,3-二羥基丙酮(1,3-dihydroxyacetone)擁有兩個(gè)羥基和一個(gè)醛基，化學(xué)性質(zhì)活潑，是一些抗代謝藥物的合成前體，還可以參與手性型雜化物的制備，常用于農(nóng)藥和醫(yī)藥的生產(chǎn)；無(wú)毒且具有良好的生物降解性能，可以作為食品用添加劑；DHA具有良好的抗紫外光線作用，能與皮膚表面氨基酸發(fā)生美拉德反應(yīng)使皮膚顏色深化，因此可以廣泛應(yīng)用在防曬類化妝品和美黑系列產(chǎn)品內(nèi)；三個(gè)活潑官能團(tuán)能參與聚合，縮合等多種反應(yīng)，可以作為一種重要的化工中間體來(lái)合成乳化劑、增塑劑等[3-6]。

2 DHA分離提純方法

二羥基丙酮有4種二聚體和1種單體共5種結(jié)構(gòu)形式，當(dāng)溫度高于40 ℃時(shí)容易發(fā)生降解，因此DHA混合液直接高溫濃縮結(jié)晶分離是行不通的。此外當(dāng)從水溶液中分離DHA時(shí)，二者之間會(huì)形成氫鍵，DHA含量較高時(shí)溶液粘度增大，后續(xù)分離難度也隨之增高[7]。本文主要介紹了1,3-二羥基丙酮的提純分離研究現(xiàn)狀，接下來(lái)以國(guó)內(nèi)外目前涉及到的主要分離工藝如醇沉-結(jié)晶法，反應(yīng)-萃取法，吸附分離，膜分離和薄膜蒸發(fā)法等方面來(lái)展開(kāi)。

2.1 醇沉-濃縮結(jié)晶

發(fā)酵法生產(chǎn)DHA工藝材料包括菌株、甘油外還有蛋白質(zhì)、鹽類小分子等物質(zhì)[8]。醇沉法利用雜質(zhì)不溶于乙醇這一性質(zhì)來(lái)除去發(fā)酵液中蛋白、多糖類物質(zhì)，濃縮結(jié)晶是目前DHA生產(chǎn)工藝中相對(duì)常用、簡(jiǎn)便的方法，通常是發(fā)酵液除去菌體蛋白質(zhì)，吸附脫色，除鹽，最后濃縮結(jié)晶。該工藝的難點(diǎn)就在于生產(chǎn)過(guò)程中雜質(zhì)多，前期預(yù)處理除雜工藝效果有限，產(chǎn)品純度低，吸附操作也會(huì)造成部分產(chǎn)品跟隨雜質(zhì)被除去；另一點(diǎn)就是DHA在水中的溶解度很大(20 ℃水溶性大于250 g/L)，亞穩(wěn)態(tài)區(qū)域范圍大結(jié)晶困難，此外反復(fù)加入乙醇濃縮，操作周期長(zhǎng)、乙醇用量大[9]。馬立娟等[10]將發(fā)酵液中加入殼聚糖除去菌體蛋白質(zhì)，活性炭脫色，離子交換樹(shù)脂除鹽，預(yù)處理過(guò)后的發(fā)酵液濃縮過(guò)后，加入三倍體積的乙醇40 ℃真空蒸發(fā)，反復(fù)幾次直至出現(xiàn)DHA晶體，結(jié)晶產(chǎn)率72%，純度達(dá)到99.8%，加入過(guò)量乙醇成功降低了濃縮發(fā)酵液的介電常數(shù)，使得多糖，菌體蛋白溶解度下降而析出。聞建平等[11]給出了一種從發(fā)酵液中提純二羥基丙酮的生產(chǎn)方法，采用離心或加絮凝劑等方法除菌體，真空減壓蒸餾至原體積的三分之一，加入乙醇洗滌后繼續(xù)離心，然后收集上層清液減壓蒸餾回收乙醇，重復(fù)幾次操作后獲得DHA晶體，該工藝成功克服諸多從發(fā)酵液中分離DHA的缺點(diǎn)，加乙醇來(lái)除雜制來(lái)防止后續(xù)濃縮液粘稠，生產(chǎn)工藝得到簡(jiǎn)化，解決了水蒸發(fā)帶來(lái)的能耗問(wèn)題，經(jīng)濟(jì)上成本降低，產(chǎn)品純度比其他工藝得到提高，因此，該方法成功申請(qǐng)獲得專利。

2.2 反應(yīng)-萃取法

反應(yīng)萃取法利用了反應(yīng)生成的溶質(zhì)在兩互不相溶兩相中分配系數(shù)的差異實(shí)現(xiàn)分離，該方法可以在溫和的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行，操作要求簡(jiǎn)便。但是萃取過(guò)程中加入的萃取劑相當(dāng)于引入了新雜質(zhì)，萃取劑和溶質(zhì)二者相似的性造成分離困難，萃取效率不高，生產(chǎn)成本大，后續(xù)工業(yè)化進(jìn)程受到阻礙[12]。DHA有兩個(gè)羥基，親水能力使得物理萃取和絡(luò)合萃取等方法分離水和DHA分離十分困難，張小飛[13]采用了反應(yīng)-萃取耦合法進(jìn)行分離DHA，以樹(shù)脂催化料液和乙醛發(fā)生可逆縮醛反應(yīng)，然后以甲苯為萃取劑分離出縮醛產(chǎn)物，最后水解縮醛產(chǎn)物得到DHA，總收率高達(dá)82%。

劉俊峰等[14]以多聚甲醛為原料，溴化苯并噻唑鹽為催化劑，反應(yīng)生成DHA，使用等體積蒸餾水、乙醚萃取反應(yīng)液，后續(xù)水相加入乙酸酐生成淡黃色的酯化物，在滴加氫氧化鈉水解的方法，產(chǎn)品的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從90%提升到99.8%，總分離收率到達(dá)72%。通過(guò)化學(xué)反應(yīng)在分離操作前把DHA的兩個(gè)羥基屏蔽起來(lái)，使得新生成的化合物親水能力減弱，同時(shí)找到合適的萃取劑實(shí)現(xiàn)分離，在經(jīng)過(guò)可逆水解操作便可重新獲得DHA，這一方法能夠解決傳統(tǒng)精餾分離能耗過(guò)大的問(wèn)題。

2.3 吸附分離

吸附法是利用具有選擇性吸附性的材料吸附混合液中某一組分來(lái)實(shí)現(xiàn)分離的[15]。吸附操作簡(jiǎn)單，脫附再生容易，適用范圍寬且不會(huì)引入其它雜質(zhì)，但也存在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差，壽命短，分離效果差的缺點(diǎn)。馬駿[16]以酵母菌轉(zhuǎn)化甘油生產(chǎn)的DHA發(fā)酵液為原料，經(jīng)過(guò)脫色、過(guò)濾、濃縮等預(yù)處理工藝后，使用自制的石油醚硅膠層析柱，乙酸乙酯-乙醇混合溶液為洗脫劑，成功將二羥基丙酮和發(fā)酵剩余甘油分離，分離分辨率達(dá)到92.2%。謝艷麗[17]采用PCR鈣型離子交換樹(shù)脂分離二羥基丙酮和反應(yīng)剩余甘油，以水為洗脫劑，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示分離溫度25 ℃，床層高徑比高于20，進(jìn)樣體積小于0.05 BV，流速低于0.15 BV/h 條件下的分離效果較好，分離過(guò)程結(jié)束后，二羥基丙酮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也從17.4%升到了90.8%，分離效率達(dá)到了76%。二羥基丙酮和甘油在化學(xué)式和性質(zhì)上很相似，離子交換樹(shù)脂剛好以電荷引力作用、氫鍵作用和配位絡(luò)合作用很好的實(shí)現(xiàn)了二者的分離[18]。在發(fā)酵法生成原料液在分離DHA前，都需要提前除去蛋白質(zhì)、小分子陰陽(yáng)離子等鹽類，Yamada[19]和專利[20-21]中都在預(yù)處理階段采用了陰陽(yáng)離子樹(shù)脂來(lái)除雜，后續(xù)再繼續(xù)濃縮結(jié)晶，這一步驟提升了產(chǎn)品濃度并簡(jiǎn)化生產(chǎn)流程，是DHA分離流程中必不可缺的一環(huán)。

2.4 膜分離

膜分離技術(shù)是一項(xiàng)上世紀(jì)60年代后興起的分離新技術(shù)，利用膜的選擇性來(lái)實(shí)現(xiàn)分離純化目的[22]。與傳統(tǒng)過(guò)濾工藝相比，采用膜分離具有產(chǎn)品損失少、相態(tài)不發(fā)生變化、工藝簡(jiǎn)單和能耗低等優(yōu)點(diǎn)，膜分離也存在膜被污染后清洗成本高，大部分膜耐受高溫，毒害能力差，使用范圍有限等缺陷[23-24]。隨著研究不斷深入，制膜新材料、新工藝的誕生使得膜分離技術(shù)不斷進(jìn)步，因此，膜分離技術(shù)在分離發(fā)酵液產(chǎn)物分離操作中扮演的角色也越來(lái)越重要。侯璨[25]利用微濾和納濾裝置分別處理氧化葡萄糖桿菌發(fā)酵甘油的發(fā)酵液，以回收DHA，實(shí)驗(yàn)中采用的孔徑為0.1 μm的聚偏氟乙烯膜能有效的除去反應(yīng)菌株和蛋白質(zhì)，DHA的收率高于96%，利用的納濾膜(分子截留量為270)既可以除去雜質(zhì)，同時(shí)DHA的損失量也少，DHA的收率高于95%；同時(shí)研究過(guò)濾操作中膜污染問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明上述兩種操作工藝聯(lián)用效果良好，工業(yè)應(yīng)用可行性高。焦學(xué)芳[26]采用真空膜蒸餾技術(shù)代替分離DHA工藝中減壓蒸餾除水濃縮過(guò)程，可以在較低溫度和真空狀態(tài)下水的通過(guò)量較大，在相同的生產(chǎn)時(shí)間內(nèi)，膜蒸餾技術(shù)可以處理更多的料液。隨著研究深入可以采用輔助工藝來(lái)提高膜的水通量以及減少膜污染問(wèn)題，膜蒸餾分離二羥基丙酮技術(shù)也更加具有工業(yè)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。此外連續(xù)生產(chǎn)DHA的膜反應(yīng)器也有相關(guān)研究，借助透過(guò)膜的選擇作用會(huì)優(yōu)先分離出發(fā)酵生成DHA，能夠有效避免DHA聚集對(duì)反應(yīng)的抑制作用，可使反應(yīng)平衡朝向產(chǎn)物生成方向發(fā)展，在獲得高產(chǎn)量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物分離，大大簡(jiǎn)化了生產(chǎn)設(shè)備投資[27]。

2.5 薄膜蒸發(fā)法

薄膜蒸發(fā)法是借助蒸發(fā)器巨大表面使得混合液以薄膜形式進(jìn)行分離的一種操作方式，流體均勻通過(guò)汽化表面，傳熱速度快且受熱均勻，物料過(guò)熱現(xiàn)象不會(huì)出現(xiàn)，該方法可以在較低溫度下加熱混合液，熱敏型物料可以不受影響實(shí)現(xiàn)分離，流體在一定速度下通過(guò)加熱器，因此物料受熱時(shí)間短，蒸發(fā)速度快，適合大量連續(xù)操作。Martin等[28]用兩個(gè)薄膜蒸發(fā)器實(shí)現(xiàn)DHA分離，第1個(gè)蒸發(fā)器保持能使溶劑分離出去的溫度和壓力，第2個(gè)則在特定溫度壓力下分離DHA，該方法可以得到晶體漿狀物質(zhì)，無(wú)需進(jìn)一步操作便可用于一些DHA加工應(yīng)用產(chǎn)業(yè)。DHA屬于熱敏型物質(zhì)，文獻(xiàn)中分離DHA操作一般在35～40 ℃條件下真空操作，薄膜蒸發(fā)法剛好解決溫度過(guò)高問(wèn)題，物料快速通過(guò)避免了DHA分解，后續(xù)分離溶劑再回收利用，未來(lái)可能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模[29]。

3 結(jié)論與展望

本文總結(jié)了幾種DHA分離工藝，并分析了這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)，通過(guò)研究分析可以爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)提高DHA產(chǎn)量、簡(jiǎn)化分離提純工藝的夢(mèng)想。當(dāng)前，環(huán)境保護(hù)問(wèn)題呼聲日益增高，合理利用當(dāng)前資源實(shí)現(xiàn)利益最大化成為新的研究熱點(diǎn)，利用綠色生物柴油生產(chǎn)中的副產(chǎn)物甘油通過(guò)微生物發(fā)酵或者催化氧化合成DHA，該工藝不僅消耗了市場(chǎng)過(guò)剩的甘油又創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，這無(wú)疑會(huì)成為以后研究的熱點(diǎn)和新的科研技術(shù)方向。目前常見(jiàn)的DHA分離工藝存在能量消耗大，分離純度低等缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)會(huì)限制下一步放大工業(yè)化生產(chǎn)，因此需要新的分離工藝或者在原有工藝上不斷優(yōu)化，在較低成本的基礎(chǔ)上獲得更高產(chǎn)量的二羥基丙酮，盡可能優(yōu)化提純步驟減少分離程序，深入研究從結(jié)晶動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)角度優(yōu)化生產(chǎn)工藝。