生物基化学品2,3-丁二醇分离过程中萃取-精馏过程研究

针对从发酵液中分离纯化2,3-丁二醇的难点（高沸点、高亲水性、高粘度及发酵液的固有特性），本项目拟设计两条萃取-精馏相结合的工艺，其中溶剂萃取-共沸精馏耦合工艺可兼顾萃取、溶剂回收、脱水三重目的，反应萃取-反应精馏工艺可兼顾反应分离、溶剂回收、精制三重目的，使其兼具过程简洁和分离效率高的特点，该技术有望成为此类生物基化学品提取的工业化技术的核心之一，为发展我国同类生物基化学品的大规模生产提供适用的分离技术开发基础；对发酵液复杂体系的液-液相平衡及汽-液相平衡进行深入研究，在丰富热力学数据库的同时，也给本研究的萃取和精馏过程提供必要的基础数据；对发酵液的萃取-精馏过程中的流体力学和动力学进行深入研究，为类似复杂体系的研究奠定基础。

针对2,3-丁二醇的高沸点和高亲水性，首先，本项目考察了几种能与水形成共沸的萃取溶剂，详细研究了其所涉及的溶液热力学，分别提出了加盐强化萃取工艺和溶剂萃取-共沸精馏耦合工艺，确定了工艺过程参数。加盐萃取工艺不仅扩大了原溶液的液液不互溶相区，而且显著提高了2,3-丁二醇的分配系数和选择性，强化了萃取过程。溶剂萃取-共沸精馏耦合工艺设计溶剂与精馏后水相连续循环、料液间歇进料，具有相比不变、溶剂循环萃取的特点，整个工艺可兼顾萃取、溶剂回收、脱水三重目的。其次，重点研究了反应萃取-反应精馏工艺，在反应萃取单元2,3-丁二醇和醛类反应生成疏水性缩醛，并以缩醛的形式进入有机相和发酵液分离；在水解单元，反应萃取的有机相中的缩醛水解生成2,3-丁二醇。反应萃取-水解耦合工艺利用缩醛反应的高度选择性，以反应促进萃取提高了发酵液中2,3-丁二醇的萃取率和选择性；通过反应促进水解，达到2,3-丁二醇分离和浓缩的目的。在反应萃取单元，在反应动力学和热力学研究的基础上，以萃取率、收率和分配系数为评价指标，分别考察并优化三个反应萃取体系（乙醛体系、丙醛体系和正丁醛体系）工艺参数包括反应醛醇比、催化剂用量、反应萃取温度、萃取相比和反应萃取操作方式等；在反应精馏单元，分别考察并优化反应萃取液除杂、不同萃取体系的反应水解以及产品提纯等工艺过程。最后以2,3-丁二醇发酵液为原料，对不同体系的分离工艺过程进行耦合，得出：以正丁醛为萃取溶剂，反应萃取-水解耦合工艺2,3-丁二醇产品浓度可达99%以上，2,3-丁二醇总收率90%以上，说明根据本项目的工艺来分离纯化2,3-丁二醇是合理可行的。