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2，3-丁二醇(2，3-butanediol，簡稱2，3-BD)作為一種非常有潛力的C4化學品，可以廣泛應用于化工、食品、燃料以及航空航天等各個領域。2，3-丁二醇是一種極具價值的液體燃料，還可用來制備聚合物、油墨、香水、防凍劑、熏香劑、增濕劑、炸藥以及藥物的手性載體等。2，3-丁二醇的生產方法主要有化學法和微生物發(fā)酵法。
由于2，3-丁二醇結構的特殊性，化學法生產2，3-丁二醇原料消耗大、工藝路線復雜、建設投資大、對環(huán)境污染嚴重；而生物法制備2，3-丁二醇符合綠色化工和可持續(xù)性發(fā)展的要求，不過由于2，3-丁二醇的高沸點，高粘度、高親水性等特點，2，3-丁二醇分離純化難度較大，該過程一直是生物法制備2，3-丁二醇實現工業(yè)化的下游關鍵技術。由國內外研究現狀可知，目前報道的有關2，3-丁二醇的分離純化方法，2，3-丁二醇的分離效率和回收率都很低；工藝路線復雜，能耗高，無法實現工業(yè)化生產。
因此，開發(fā)符合從特定發(fā)酵液中提取2，3-丁二醇特點的、高效、節(jié)能、環(huán)保的工業(yè)化分離工藝流程尤為重要。由于2，3-丁二醇沸點高，且發(fā)酵液中含有易結焦雜質，直接采用蒸餾的辦法提純不僅能耗高、收率較低，而且純化困難；同時，2，3-丁二醇具有極強的親水性，與水精餾分離較為困難，因此需要加入能與水形成共沸物的溶劑精餾分離水；由此，發(fā)明人提出選用能與水形成低共沸物的萃取劑，從而可以在萃取后直接通過恒沸精餾分離水，降低后續(xù)精餾分離的能耗，簡化分離流程。
針對2，3-丁二醇分離提取過程的特點，選用正丁醇作為萃取溶劑，從而可以通過共沸精餾在脫溶劑的同時從產品中脫除水，達到簡化流程、降低后續(xù)精餾分離的能耗。對2，3-丁二醇-水-正丁醇三元液-液相平衡進行深入研究發(fā)現：正丁醇作為萃取劑時，分配系數較大、相比要求和理論級數較小，但液-液不互溶區(qū)域和可操作范圍小。2，3 丁二醇包含3個異構體(2R，3R) 2，3 丁二醇，(2S，3S) 2，3 丁二醇與meso 2，3 丁二醇。
國內外報道的有關2，3-丁二醇的分離純化方法主要包括：(1)噴霧干燥法，即將高溫惰性氣體通入發(fā)酵罐，從而使可揮發(fā)性氣體氣化，由此分離2，3-丁二醇；(2)化學轉化法，采用甲醛或丁醛與發(fā)酵液中的2，3-丁二醇反應，反應生成物經蒸餾、酸化處理回收2，3-丁二醇；(3)活性炭吸附法，包括活性炭吸附、丙酮或者二氧六環(huán)索氏萃?。?4)逆流汽提法，包括乙醇逆流汽提、過濾、精餾分離乙醇等過程；(5)溶劑萃取法，經pH值調節(jié)、加熱、過濾、三效蒸發(fā)濃縮、正丁醇萃取、乙酸丁酯共沸精餾脫水、酯化、中和后得到2，3-丁二醇的二酯形式；(6)發(fā)酵-分離耦合法，包括滲透汽化、膜精餾、真空膜精餾、萃取等過程。
此外，國內還有一些合成方法。
1. 一種分離提取2，3-丁二醇的方法，包含步驟為，
(1)首先，將發(fā)酵原液進行絮凝、過濾、膜分離過程后得到2，3-丁二醇濾液，2，3-丁二醇濾液與正丁醇的質量比為0.5∶1～1.5∶1，優(yōu)選為0.5∶1～1∶1，在混合槽攪拌，使混合完全；
(2)其次，將步驟(1)混合后得到的料液進入澄清槽中靜置分層后，下層萃余液通過泵送回混合槽后繼續(xù)進行萃取，上層萃取液進入精餾塔；
(3)在精餾塔中萃取溶劑與水形成共沸精餾進入塔頂，塔頂產物一部分回流重新進入精餾塔，產物一部分采用蠕動泵將送回到混合槽中，繼續(xù)對2，3-丁二醇水溶液進行萃取；所述的正丁醇既為萃取溶劑，也是后續(xù)共沸精餾的脫水溶劑；萃取溶劑和精餾溶劑為正丁醇；
(4)經過不斷萃取、精餾，2，3-丁二醇集中于塔釜；
(5)當澄清槽水相中2，3-丁二醇質量濃度為1.6％～1.8％時，停止萃取、精餾循環(huán)操作；
(6)最后，將塔釜液繼續(xù)精餾，得到2，3-丁二醇產品液，2，3-丁二醇單次萃取率可達74％以上。
2. 一種由葡萄糖制備(2S,3S)-2,3-丁二醇與(3S)-乙偶姻的方法。具體步驟是：
步驟1：制備生物催化劑，即：終濃度為70～100克細胞干重/升的肺炎克雷伯氏菌CICC10011休止細胞
(1)斜面培養(yǎng)：將肺炎克雷伯氏菌CICC10011劃線到固體培養(yǎng)基斜面上，37℃培養(yǎng)10～18小時。
(2)種子培養(yǎng)：在無菌的條件下，用無菌接種環(huán)挑取步驟(1)斜面上的一環(huán)菌泥，接種到50毫升液體培養(yǎng)基中，37℃培養(yǎng)10～14小時。
(3)發(fā)酵罐培養(yǎng)：在無菌的條件下，取步驟(2)所得培養(yǎng)液以體積比為5％的接種量接種到5升液體培養(yǎng)基中，37℃培養(yǎng)12～20小時。
(4)收集菌體：將步驟(3)中得到的培養(yǎng)物8,000轉/分離心10分鐘，并用pH7.0的磷酸緩沖液洗滌菌體兩遍，然后將細胞重懸于pH7.0的磷酸緩沖液中，使細胞的終濃度為70～100克細胞干重/升，即為生物催化劑，備用。
其中，上述步驟(1)中所述固體培養(yǎng)基配方是：蛋白胨1.0克/升；牛肉膏1.0克/升；酵母粉0.5克/升；葡萄糖0.5克/升；乙酸鈉0.3克/升；檸檬酸三銨0.2克/升；Tween800.1克/升；K2HPO4·3H2O0.2克/升；CaCO30.5克/升；MgSO40.02克/升；MnSO40.05克/升；瓊脂1.5克/升，調pH為6.8～7.2，115℃滅菌20分鐘。上述步驟(2)～(3)中所述液體培養(yǎng)基配方是：葡萄糖80.0克/升；磷酸氫二銨6.0克/升；KCl1.8克/升；MgSO4·7H2O0.6克/升；EDTA0.51克/升；FeSO4·7H2O0.0225克/升；ZnSO4·7H2O0.0075克/升；MnSO4·7H2O0.0038克/升；檸檬酸0.21克/升；檸檬酸鈉0.294克/升，調pH至7.0，115℃滅菌20分鐘。
步驟2：利用步驟1制備的肺炎克雷伯氏菌CICC10011休止細胞生物催化劑制備(2S，3S) 2，3 丁二醇與meso 2，3 丁二醇的混合物。其中：以菌體濃度為14～56克細胞干重/升的生物催化劑即肺炎克雷伯氏菌CICC10011休止細胞，在37±2℃，pH5.0～9.0條件下轉化初始濃度為80～160克/升的葡萄糖，反應3～10小時后，得到含(2S，3S) 2，3 丁二醇與meso 2，3 丁二醇混合物的轉化液；將所得轉化液以8,000±500轉/分離心10～15分鐘，去除所加入的生物催化劑，收集上清液進行減壓蒸餾，待水份完全蒸干后，餾分即為(2S，3S) 2，3 丁二醇與meso 2，3 丁二醇的混合物；以氣相色譜可測定上清液中(2S，3S) 2，3 丁二醇與meso 2，3 丁二醇的濃度。
步驟3：再制備生物催化劑：終濃度為20～50克細胞干重/升的枯草芽孢桿菌ATCC23857休止細胞
(1)斜面培養(yǎng)：將枯草芽孢桿菌ATCC23857劃線到含有質量體積比為1.5％瓊脂的固體培養(yǎng)基斜面上，37℃培養(yǎng)10～18小時。
(2)種子培養(yǎng)：在無菌的條件下，用無菌接種環(huán)挑取步驟(1)斜面上的一環(huán)菌泥，接種到50毫升液體培養(yǎng)基中，37℃培養(yǎng)10～14小時。
(3)發(fā)酵罐培養(yǎng)：在無菌的條件下，取步驟(2)所得培養(yǎng)液以體積比為5％的接種量接種到5升液體培養(yǎng)基中，37℃培養(yǎng)12～20小時。
(4)收集菌體：將步驟(3)中得到的培養(yǎng)物8,000轉/分離心10分鐘，并用pH7.0的磷酸緩沖液洗滌菌體兩遍，然后將細胞重懸于pH7.0的磷酸緩沖液中，使細胞的終濃度為20～50克細胞干重/升，即為生物催化劑，備用。其中，上述步驟(1)中所述固體培養(yǎng)基配方是：蛋白胨10.0克/升；牛肉膏8.0克/升；酵母粉4.0克/升；葡萄糖20.0克/升；乙酸鈉5.0克/升；檸檬酸三銨2.0克/升；K2HPO4·3H2O2.0克/升；MgSO4·7H2O0.2克/升；MnSO40.2克/升；瓊脂15克/升，調pH至6.2，115℃滅菌20分鐘。上述步驟(2)～(3)中所述液體培養(yǎng)基配方是：葡萄糖70克/升；蛋白胨10克/升；酵母粉30克/升，調pH至7.0，115℃滅菌20分鐘。
步驟4：利用步驟(3)制備的枯草芽孢桿菌ATCC23857休止細胞生物催化劑拆分步驟(2)中制得的(2S，3S) 2，3 丁二醇與meso 2，3 丁二醇的混合物，同時制備(2S，3S) 2，3 丁二醇與(3S) 乙偶姻
3. 一種生產手性純(2S，3S)-2，3-丁二醇的方法，是將(2S，3S)-2，3-丁二醇脫氫酶基因在大腸桿菌中表達，并以此重組大腸桿菌全細胞為生物催化劑，以雙乙酰和葡萄糖為底物轉化生產手性純(2S，3S)-2，3-丁二醇。本發(fā)明方法中參與菌株要求的培養(yǎng)基簡單、成本低，并且生產過程及產物分離方便。生產的手性純(2S，3S)-2，3-丁二醇最高產量可達到26gL-1以上，ee值大于99%，具有推廣應用價值和可觀的經濟效益。
2，3 丁二醇各種異構體包括(2S，3S) 2，3 丁二醇是不對稱合成中的重要原料，都是極具應用潛力的醫(yī)藥中間體。手性二醇因具有兩個手性中心而成為一種非常重要的手性化合物,它可作為合成精細化學品、手性藥物、手性試劑等的手性砌塊。其中,(2S,3S)-2,3-丁二醇在不對稱合成含兩個鄰位手性中心的手性化合物中起重要作用。
[1] CN200810202188.2一種分離提取2,3-丁二醇的方法
[2] CN201110247505.4一種由葡萄糖制備(2S,3S)-2,3-丁二醇與(3S)-乙偶姻的方法
[3] CN201110021066.5一種生產手性純(2S,3S)-2,3-丁二醇的方法
[4] 雙酮還原酶的基因挖掘、表征與重組菌發(fā)酵優(yōu)化研究