一种使用丁二酸发酵液制备四氢呋喃的方法，属于生物化工技术领域。本发明方法直接从含有丁二酸的发酵液中进行酯化、氢化和精制制备四氢呋喃，避免以高代价得到丁二酸固体后再进行后续反应的工艺过程；使用双极膜电渗析对经过过滤处理的丁二酸发酵液进行脱除钠离子，以降低对于后续工段中酯化催化剂的寿命的影响；并通过精馏除去发酵液中的色素，避免使用活性炭进行脱色。本发明方法的有益效果是避免取得丁二酸固体，降低过程需要耗费的大量蒸汽，大大降低了成本；简化脱钠工艺，同时避免引入杂阴离子；实现四氢呋喃精制的同时，通过精馏分离的方法脱除色素。
1.一种使用丁二酸发酵液制备四氢呋喃的方法，其特征在于直接从含有丁二酸的发酵液中进行酯化、氢化和精制制备四氢呋喃，避免以高代价得到丁二酸固体后再进行后续反应的工艺过程；使用双极膜电渗析对经过过滤处理的丁二酸发酵液进行脱除钠离子，以降低对于后续工段中酯化催化剂的寿命的影响；并通过精馏除去发酵液中的色素，避免使用活性炭进行脱色；步骤为：（1）发酵液分离菌体：丁二酸发酵液经过离心机进行菌体分离，离心机为碟片式，转速
（2）使用双极膜电渗析进行脱钠：使用双极膜电渗析装置对步骤（1）所得液体进行脱钠，同时调整体系pH值为2；
双极膜电渗析装置的主要部件为膜堆，配以淡化室、浓缩室、极室、循环泵、管路、压力表、流量计、直流电源；其中，膜堆由双极膜和阳离子交换膜、隔板组成，隔板与膜之间构成的隔室为液体流经过的通道；澄清后的发酵液放置于淡化室，接收迁移盐分的自来水放置在浓缩室；
在直流电场的作用下，双极膜将水离解成为氢离子和氢氧根离子，进入不同的分隔室中；体系中的阳离子，主要是钠离子，通过阳离子膜与氢氧根离子结合，生成强碱水溶液；
而氢离子与停留在体系中的丁二酸根结合生成分子态的丁二酸，此时，体系pH值控制为2；
（3）五效蒸发处理：步骤（2）所得液体由泵打入五效蒸发系统，控制出口水分含量不超过70%，第五效的绝对压力为15～30kPa，温度控制在60～80℃；
（4）酯化：经过步骤（3）五效蒸发的浓缩液通过泵进入酯化塔预热器中，将浓缩液温度提高到150～180℃，压力控制在0.8～1MPa；此时，对应丁二酸摩尔数2.1～2.2倍的甲醇在酯化塔预热器进口处与浓缩液会合，加热后进入酯化塔；
酯化塔的反应温度为150～180℃，体系压力控制在0.8～1MPa，进料量控制为100L/小时，酯化塔内的停留时间控制在4～6小时；酯化塔中的阳离子交换树脂为罗门哈斯A16树脂；
（5）再次五效蒸发处理：经过步骤（4）通过酯化塔的反应液重新返回五效蒸发器进料泵的进口，经过五效蒸发器去除掉酯化反应增加的水分，控制水分含量不超过70%；酯化反应液进行内循环，直至出口酯化率达到99.5%，出口液的90%仍旧进行循环，仅出口液的10%进入到下一级的加氢工段；在连续进出料的条件下，至加氢工段的进料量与循环量的体积比为1︰9；
（6）加氢：加氢工段主要由储罐、泵、预热器、固定床反应器、冷却器和气液分离器构成；
加氢催化剂为市售，盘锦南方化学辽河催化剂有限公司生产，型号为lft-95型；
加氢催化剂安装在固定床反应器中，进料量控制为10L/小时，催化剂添加体积为单位时间进料体积的0.2～0.4倍，加氢反应温度为200～240℃；反应压力为3～6MPa；
预热器作用为提升丁二酸二甲酯水溶液的温度，并实现氢气和液体的充分混合；
冷却器和气液分离器的作用是将不可凝气体与液体完全分离；
来自于酯化塔的丁二酸二甲酯水溶液与氢气混合并升温升压后进入固定床反应器，氢气用量为氢酯摩尔比为200～250；
分离器气相部分加压后返回氢气储罐，液体部分为反应产物进入四氢呋喃与丁二醇精馏工段；
（7）精馏：四氢呋喃与丁二醇精馏工段为通用的精馏塔，使用板式或填料塔；所述精馏塔为常压塔，塔板数25～45块，回流比为4︰1～6︰1；塔顶产品为纯净的四氢呋喃和水的共沸物，塔底为丁二醇、色素及无机盐类；塔底物返回酯化塔进口；
四氢呋喃和水的共沸物中四氢呋喃含量为88%，如需得到低水或无水四氢呋喃可以使用共沸精馏或分子筛吸附的方式进行脱水，得到纯度99.99%的四氢呋喃；
2.根据权利要求1所述的使用丁二酸发酵液制备四氢呋喃的方法，其特征在于步骤（6）加氢反应的温度为215～225℃，压力为4.5～5.5MPa，氢气用量为氢酯摩尔比为220～
一种使用丁二酸发酵液制备四氢呋喃的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及从发酵方法制备丁二酸的发酵液中制备四氢呋喃的方法，特别是不需要经过发酵液脱色，也不需要取得丁二酸固体，直接从发酵液制备四氢呋喃，并实现在精馏的过程中脱除发酵液中的色素的工艺，属于生物化工技术领域。
背景技术
[0002] 使用发酵法制备的丁二酸进行四氢呋喃的制取，传统的工艺思路是首先从发酵液中取得固体丁二酸，然后与甲醇进行酯化制取丁二酸二甲酯，最后酯化物经过氢化得到四氢呋喃和丁二醇。
[0003] 上述工艺路线为了取得固体丁二酸，必须将发酵液中的水分蒸干，而发酵液中的丁二酸含量仅为5%~10%，因此过程需要耗费大量的蒸汽，大大增加了成本。如何避免取得丁二酸固体，降低过程成本是本发明工艺过程研究的重点。
[0004] 目前，脂肪族二元酸的酯化普遍使用阳离子交换树脂作为酯化催化剂。该催化剂使用时要求进料体系中的钠离子含量不超过0.05%，否则大量的钠离子会与阳离子交换树脂上的氢离子进行交换，从而减低了阳离子的催化活性，提高了再生成本。
[0005] 传统的脱钠工艺是使用阳离子交换树脂进行钠离子脱除。这就意味着过程工艺中需要大量的阳离子交换树脂进行钠离子脱除和催化酯化反应，这也意味着树脂的一次投入和再生的成本大大增加。因此，简化脱钠工艺，同时避免引入杂阴离子成为本发明工艺过程研究的又一个重点。
[0006] 传统的发酵液后处理工艺中，大多有一套活性炭吸附脱色系统，但活性炭在吸附脱色过程中不可避免的对于有机酸产品进行了吸附，大大降低了产品的收率。但如果将发酵液中的丁二酸直接处理转化为四氢呋喃，可以实现四氢呋喃精制的同时，通过精馏分离的方法脱除色素，这也是本发明工艺研究的主要目的之一。
发明内容
[0007] 本发明的目的是提供一种使用丁二酸发酵液制备四氢呋喃的方法，不需要经过发酵液脱色，也不需要取得丁二酸固体，直接从发酵液制备四氢呋喃，并实现在精馏的过程中脱除发酵液中的色素的工艺。
[0008] 本发明中使用的丁二酸发酵液为用放线杆菌或基因工程的大肠杆菌作为可以将玉米粉，秸秆，葡萄糖等糖源转化为丁二酸的合成菌种，使用碳酸钠，或碳酸钾，或氢氧化钠配合二氧化碳作为中和剂，添加玉米浆或酵母膏作为氮源，同时添加一定量的磷酸二氢钾，磷酸氢钠，氯化镁，氯化钙等无机盐，发酵30～90小时，丁二酸产量为50g/L～100g/L，另外发酵液中还有蛋白，色素以及其他杂离子。详见中国专利200810123545.6，连续发酵或半连续发酵生产丁二酸的方法。
[0009] 本发明的技术方案：一种使用丁二酸发酵液制备四氢呋喃的方法，直接从含有丁二酸的发酵液中进行酯化、氢化和精制制备四氢呋喃，避免以高代价得到丁二酸固体后再进行后续反应的工艺过程；使用双极膜电渗析对经过过滤处理的丁二酸发酵液进行脱除钠离子，以降低对于后续工段中酯化催化剂的寿命的影响；并通过精馏除去发酵液中的色素，避免使用活性炭进行脱色；步骤为：
[0010] （1）发酵液分离菌体：上述丁二酸发酵液经过离心机进行菌体分离，离心机为碟片式，转速1000～5000rpm，最优转速为2500～4000rpm，得到澄清透明的液体。该液体中主要的组成为微量的蛋白，色素，丁二酸钠盐，及少量的氯离子，磷酸根，硫酸根等杂离子。
[0011] （2）使用双极膜电渗析进行脱钠：本发明中使用双极膜电渗析装置对步骤（1）所得液体进行脱钠，同时调整体系pH值到2。
[0012] 双极膜电渗析装置（附图1）的主要部件为膜堆，配以淡化室、浓缩室、极室、循环泵、管路、压力表、流量计、直流电源等部件。其中，膜堆由双极膜和阳离子交换膜、隔板等组成，隔板与膜之间构成的隔室为液体流经过的通道。澄清后的发酵液放置于淡化室，接收迁移盐分（主要是氢氧化钠）的物料（自来水）放置在浓缩室。
[0013] 在直流电场的作用下，双极膜将水离解成为氢离子和氢氧根离子，进入不同的分隔室中；体系中的阳离子（主要是钠离子）通过阳离子膜与氢氧根离子结合，生成强碱水溶液，而氢离子与停留在体系中的丁二酸根结合生产分子态的丁二酸，此时，体系pH值约为2。此时，检测体系中钠离子含量低于0.05%。
[0014] 需要说明的是，此时体系并未进行脱色处理。
[0015] （3）五效蒸发处理：步骤（2）所得液体由泵打入五效蒸发系统，控制出口水分含量不超过70%，第五效的绝对压力为15～30kPa，温度控制在60～80℃。
[0016] （4）酯化：经过五效蒸发器的浓缩液通过泵进入酯化塔预热器中，将浓缩液温度提高到150～180℃，压力控制在0.8～1MPa；此时，对应丁二酸摩尔数2.1～2.2倍的甲醇在酯化塔预热器进口处与浓缩液会合，加热后进入酯化塔。
[0017] 酯化塔的反应温度为150～180℃，考虑到丁二酸高温下易发生分子内缩合，温度控制不超过180℃；体系压力控制在0.8～1MPa，进料量控制为100L/小时，酯化塔内的停留时间控制在4～6小时。考虑到酯化塔进料中含有大量的水，因此酯化反应速率较正常酯化反应效率低很多，因此需要更长的反应时间。酯化塔中的阳离子交换树脂为罗门哈斯A16树脂。
[0018] （5）再次五效蒸发处理：通过酯化塔的反应液重新返回五效蒸发器进料泵的进口，经过五效蒸发器去除掉酯化反应增加的水分，控制水分含量不超过70%。酯化反应液在内循环，直至出口酯化率达到99.5%。出口液的90%仍旧进行循环，而10%进入到下一级的加氢工段。在连续进出料的条件下，至加氢工段的进料量与循环量的体积比为1︰9。
[0019] （6）加氢：加氢工段主要由储罐、泵、预热器、固定床反应器、冷却器和气液分离器构成(附图2)；
[0020] 加氢催化剂为市售，盘锦南方化学辽河催化剂有限公司生产，型号为lft-95型。
[0021] 加氢催化剂安装在固定床反应器中。进料量控制为10L/小时，催化剂添加体积为单位时间进料体积的0.2～0.4倍，加氢反应温度为200～240℃，最优温度为215～225℃；反应压力为3～6MPa，最优压力为4.5～5.5MPa。
[0022] 预热器作用为提升丁二酸二甲酯水溶液的温度，并实现氢气和液体的充分混合。
[0023] 冷却器和气液分离器的作用是将不可凝气体与液体完全分离。
[0024] 来自于酯化塔的丁二酸二甲酯水溶液与氢气混合并升温升压后进入固定床反应器，氢气用量为氢酯摩尔比为200～250，最优比220～230。
[0025] 分离器气相部分加压后返回氢气储罐，反应产物（液体部分）进入四氢呋喃与丁二醇精馏工段。
[0026] （7）精馏：四氢呋喃与丁二醇精馏工段为通用的精馏塔，可使用板式或填料塔。由于四氢呋喃和丁二醇的沸点差异较大，因此分离这两种物质比较容易；然而，由于体系中含有少量的色素需要在精馏工段中去除，因此考虑分离过程中使用较大的回流比。
[0027] 上述精馏塔为常压塔，塔板数25～45块，回流比为4︰1～6︰1。塔顶产品为纯净的四氢呋喃和水的共沸物，塔底为丁二醇，色素及无机盐类；塔底物可返回酯化塔进口。
[0028] 四氢呋喃和水的共沸物中四氢呋喃含量为88%，如需得到低水或无水四氢呋喃可以使用共沸精馏或分子筛吸附的方式进行脱水，可以得到四氢呋喃纯度99.99%。
[0029] 上述两种脱水方式均为通用的化工工艺过程。
[0030] 本发明的有益效果：本发明从发酵方法制备丁二酸的发酵液中直接制备四氢呋喃，特别是不需要经过发酵液脱色，也不需要取得丁二酸固体，直接从发酵液制备四氢呋喃，并实现在精馏的过程中脱除发酵液中的色素的工艺。避免取得丁二酸固体，降低过程需要耗费的大量蒸汽，大大降低了成本；简化脱钠工艺，同时避免引入杂阴离子；实现四氢呋喃精制的同时，通过精馏分离的方法脱除色素，这也是本发明方法的有益效果之一。
附图说明
[0031] 图1 双极膜电渗析示意图
[0032] 图2 加氢工段主要构成示意图。
具体实施方式
[0033] 实施例1
[0034] 以目标体积2400L来配制发酵液。发酵液营养基组成：磷酸二氢钾36g，磷酸氢钠12g，氯化镁1g，氯化钙1g，酵母膏24kg，玉米浆24kg，碳酸钠201.4kg，葡萄糖（85%）336kg，其余为水。使用丁二酸放线杆菌（Actinobacillus succinogenes CGMCC1593）作为合成丁二酸的合成菌种，经过实消灭菌，降温，接种后，发酵温度37～38℃，搅拌转速60rpm，发酵时间48小时，丁二酸含量95g/L。
[0035] 上述发酵液经过离心机进行菌体分离，离心机为碟片式，转速4000rpm，得到的澄清透明的液体2300L，丁二酸的含量90g/L。
[0036] 将澄清后的发酵液放置于双极膜电渗析装置中。该电渗析膜对数为100对，总电压120伏，阳离子交换膜类型为均相膜，每对膜的尺寸为400mm×800mm。实际运行中，电压控制为110伏，电流控制在75~80安培，运转时间12小时。淡室物料pH值为2，体积保持为2300L。
[0037] 上述液体由泵打入五效蒸发系统，控制出口水分含量70%，第五效的绝对压力为20kPa，温度控制在60℃。
[0038] 酯化塔的反应温度为180℃；体系压力控制在0.8MPa，酯化塔内的停留时间控制在5小时，进料量为100L/小时。
[0039] 酯化塔体积为500L，外形尺寸为200mm×1600mm，材质为不锈钢316L，物料流向为低进上出，带蒸汽夹套。
[0040] 物料进入酯化塔中进行反应，流出物返回五效蒸发系统进口，通过气相色谱检测丁二酸二甲酯含量，并计算酯化率，当酯化率达到99.5%时，将物料连续进入加氢工段，进料量为10L/小时。
[0041] 加氢催化剂安装在固定床反应器中，添加体积为4L。加氢反应温度为220℃；反应压力为5MPa。
[0042] 来自于酯化塔的丁二酸二甲酯水溶液与氢气混合并升温升压后进入固定床反应器，氢气用量为氢酯摩尔比为220，即2.566g/小时。
[0043] 反应液经过气液分离，液相得到四氢呋喃和丁二醇的水溶液。
[0044] 上述液体经过常压精馏和共沸精馏可以得到无色的四氢呋喃，纯度为99.9%。
[0045] 塔底丁二醇及其他盐类返回脱脂塔进口，如果考虑长期生产中体系中无机盐和色素的累计，需要根据无机盐和色素的浓度水平适当排出塔底液。
