1，3-二羥基丙酮分離提純研究進展

林松，趙毅聰，韓邁，李青松

(中國石油大學(華東)重質油國家重點實驗室，山東 青島 266580)

在歐洲利用動物油脂生產生物柴油是一種成熟工藝，該工藝生成9 t柴油的同時副產約1 t的甘油，因此甘油高價值利用刻不容緩[1]。文獻中報道貴金屬催化氧化或微生物轉化甘油生產DHA是一種成熟可行的路線，目前工業生產DHA主要的方法為微生物發酵甘油，該方法主要是反應條件容易滿足，產率高，但是后續提純分離困難，設備投資大且污染環境。當前研究重點主要集中在發酵菌株的篩選，反應過程優化以及底物培養基結構組成方面，發酵液處理及DHA分離相關研究報道并不多[2]。

1 DHA市場應用

1,3-二羥基丙酮(1,3-dihydroxyacetone)擁有兩個羥基和一個醛基，化學性質活潑，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，常用于農藥和醫藥的生產；無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生美拉德反應使皮膚顏色深化，因此可以廣泛應用在防曬類化妝品和美黑系列產品內；三個活潑官能團能參與聚合，縮合等多種反應，可以作為一種重要的化工中間體來合成乳化劑、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種結構形式，當溫度高于40 ℃時容易發生降解，因此DHA混合液直接高溫濃縮結晶分離是行不通的。此外當從水溶液中分離DHA時，二者之間會形成氫鍵，DHA含量較高時溶液粘度增大，后續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狀，接下來以國內外目前涉及到的主要分離工藝如醇沉-結晶法，反應-萃取法，吸附分離，膜分離和薄膜蒸發法等方面來展開。

2.1 醇沉-濃縮結晶

發酵法生產DHA工藝材料包括菌株、甘油外還有蛋白質、鹽類小分子等物質[8]。醇沉法利用雜質不溶于乙醇這一性質來除去發酵液中蛋白、多糖類物質，濃縮結晶是目前DHA生產工藝中相對常用、簡便的方法，通常是發酵液除去菌體蛋白質，吸附脫色，除鹽，最后濃縮結晶。該工藝的難點就在于生產過程中雜質多，前期預處理除雜工藝效果有限，產品純度低，吸附操作也會造成部分產品跟隨雜質被除去；另一點就是DHA在水中的溶解度很大(20 ℃水溶性大于250 g/L)，亞穩態區域范圍大結晶困難，此外反復加入乙醇濃縮，操作周期長、乙醇用量大[9]。馬立娟等[10]將發酵液中加入殼聚糖除去菌體蛋白質，活性炭脫色，離子交換樹脂除鹽，預處理過后的發酵液濃縮過后，加入三倍體積的乙醇40 ℃真空蒸發，反復幾次直至出現DHA晶體，結晶產率72%，純度達到99.8%，加入過量乙醇成功降低了濃縮發酵液的介電常數，使得多糖，菌體蛋白溶解度下降而析出。聞建平等[11]給出了一種從發酵液中提純二羥基丙酮的生產方法，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離心，然后收集上層清液減壓蒸餾回收乙醇，重復幾次操作后獲得DHA晶體，該工藝成功克服諸多從發酵液中分離DHA的缺點，加乙醇來除雜制來防止后續濃縮液粘稠，生產工藝得到簡化，解決了水蒸發帶來的能耗問題，經濟上成本降低，產品純度比其他工藝得到提高，因此，該方法成功申請獲得專利。

2.2 反應-萃取法

反應萃取法利用了反應生成的溶質在兩互不相溶兩相中分配系數的差異實現分離，該方法可以在溫和的實驗條件下進行，操作要求簡便。但是萃取過程中加入的萃取劑相當于引入了新雜質，萃取劑和溶質二者相似的性造成分離困難，萃取效率不高，生產成本大，后續工業化進程受到阻礙[12]。DHA有兩個羥基，親水能力使得物理萃取和絡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-萃取耦合法進行分離DHA，以樹脂催化料液和乙醛發生可逆縮醛反應，然后以甲苯為萃取劑分離出縮醛產物，最后水解縮醛產物得到DHA，總收率高達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，反應生成DHA，使用等體積蒸餾水、乙醚萃取反應液，后續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，產品的質量分數從90%提升到99.8%，總分離收率到達72%。通過化學反應在分離操作前把DHA的兩個羥基屏蔽起來，使得新生成的化合物親水能力減弱，同時找到合適的萃取劑實現分離，在經過可逆水解操作便可重新獲得DHA，這一方法能夠解決傳統精餾分離能耗過大的問題。

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實現分離的[15]。吸附操作簡單，脫附再生容易，適用范圍寬且不會引入其它雜質，但也存在結構強度差，壽命短，分離效果差的缺點。馬駿[16]以酵母菌轉化甘油生產的DHA發酵液為原料，經過脫色、過濾、濃縮等預處理工藝后，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酵剩余甘油分離，分離分辨率達到92.2%。謝艷麗[17]采用PCR鈣型離子交換樹脂分離二羥基丙酮和反應剩余甘油，以水為洗脫劑，實驗結果顯示分離溫度25 ℃，床層高徑比高于20，進樣體積小于0.05 BV，流速低于0.15 BV/h 條件下的分離效果較好，分離過程結束后，二羥基丙酮的質量分數也從17.4%升到了90.8%，分離效率達到了76%。二羥基丙酮和甘油在化學式和性質上很相似，離子交換樹脂剛好以電荷引力作用、氫鍵作用和配位絡合作用很好的實現了二者的分離[18]。在發酵法生成原料液在分離DHA前，都需要提前除去蛋白質、小分子陰陽離子等鹽類，Yamada[19]和專利[20-21]中都在預處理階段采用了陰陽離子樹脂來除雜，后續再繼續濃縮結晶，這一步驟提升了產品濃度并簡化生產流程，是DHA分離流程中必不可缺的一環。

2.4 膜分離

膜分離技術是一項上世紀60年代后興起的分離新技術，利用膜的選擇性來實現分離純化目的[22]。與傳統過濾工藝相比，采用膜分離具有產品損失少、相態不發生變化、工藝簡單和能耗低等優點，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不斷進步，因此，膜分離技術在分離發酵液產物分離操作中扮演的角色也越來越重要。侯璨[25]利用微濾和納濾裝置分別處理氧化葡萄糖桿菌發酵甘油的發酵液，以回收DHA，實驗中采用的孔徑為0.1 μm的聚偏氟乙烯膜能有效的除去反應菌株和蛋白質，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，同時DHA的損失量也少，DHA的收率高于95%；同時研究過濾操作中膜污染問題，實驗結果表明上述兩種操作工藝聯用效果良好，工業應用可行性高。焦學芳[26]采用真空膜蒸餾技術代替分離DHA工藝中減壓蒸餾除水濃縮過程，可以在較低溫度和真空狀態下水的通過量較大，在相同的生產時間內，膜蒸餾技術可以處理更多的料液。隨著研究深入可以采用輔助工藝來提高膜的水通量以及減少膜污染問題，膜蒸餾分離二羥基丙酮技術也更加具有工業應用優勢。此外連續生產DHA的膜反應器也有相關研究，借助透過膜的選擇作用會優先分離出發酵生成DHA，能夠有效避免DHA聚集對反應的抑制作用，可使反應平衡朝向產物生成方向發展，在獲得高產量的同時實現產物分離，大大簡化了生產設備投資[27]。

2.5 薄膜蒸發法

薄膜蒸發法是借助蒸發器巨大表面使得混合液以薄膜形式進行分離的一種操作方式，流體均勻通過汽化表面，傳熱速度快且受熱均勻，物料過熱現象不會出現，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現分離，流體在一定速度下通過加熱器，因此物料受熱時間短，蒸發速度快，適合大量連續操作。Martin等[28]用兩個薄膜蒸發器實現DHA分離，第1個蒸發器保持能使溶劑分離出去的溫度和壓力，第2個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，無需進一步操作便可用于一些DHA加工應用產業。DHA屬于熱敏型物質，文獻中分離DHA操作一般在35～40 ℃條件下真空操作，薄膜蒸發法剛好解決溫度過高問題，物料快速通過避免了DHA分解，后續分離溶劑再回收利用，未來可能實現工業化生產規模[29]。

3 結論與展望

本文總結了幾種DHA分離工藝，并分析了這些方法的優缺點，通過研究分析可以爭取實現提高DHA產量、簡化分離提純工藝的夢想。當前，環境保護問題呼聲日益增高，合理利用當前資源實現利益最大化成為新的研究熱點，利用綠色生物柴油生產中的副產物甘油通過微生物發酵或者催化氧化合成DHA，該工藝不僅消耗了市場過剩的甘油又創造了巨大的經濟價值，這無疑會成為以后研究的熱點和新的科研技術方向。目前常見的DHA分離工藝存在能量消耗大，分離純度低等缺點，這些缺點會限制下一步放大工業化生產，因此需要新的分離工藝或者在原有工藝上不斷優化，在較低成本的基礎上獲得更高產量的二羥基丙酮，盡可能優化提純步驟減少分離程序，深入研究從結晶動力學和熱力學角度優化生產工藝。