1，3-二羟基丙酮分离提纯研究进展

林松，赵毅聪，韩迈，李青松

(中国石油大学(华东)重质油国家重点实验室，山东 青岛 266580)

在欧洲利用动物油脂生产生物柴油是一种成熟工艺，该工艺生成9 t柴油的同时副产约1 t的甘油，因此甘油高价值利用刻不容缓[1]。文献中报道贵金属催化氧化或微生物转化甘油生产DHA是一种成熟可行的路线，目前工业生产DHA主要的方法为微生物发酵甘油，该方法主要是反应条件容易满足，产率高，但是后续提纯分离困难，设备投资大且污染环境。当前研究重点主要集中在发酵菌株的筛选，反应过程优化以及底物培养基结构组成方面，发酵液处理及DHA分离相关研究报道并不多[2]。

1 DHA市场应用

1,3-二羟基丙酮(1,3-dihydroxyacetone)拥有两个羟基和一个醛基，化学性质活泼，是一些抗代谢药物的合成前体，还可以参与手性型杂化物的制备，常用于农药和医药的生产；无毒且具有良好的生物降解性能，可以作为食品用添加剂；DHA具有良好的抗紫外光线作用，能与皮肤表面氨基酸发生美拉德反应使皮肤颜色深化，因此可以广泛应用在防晒类化妆品和美黑系列产品内；三个活泼官能团能参与聚合，缩合等多种反应，可以作为一种重要的化工中间体来合成乳化剂、增塑剂等[3-6]。

2 DHA分离提纯方法

二羟基丙酮有4种二聚体和1种单体共5种结构形式，当温度高于40 ℃时容易发生降解，因此DHA混合液直接高温浓缩结晶分离是行不通的。此外当从水溶液中分离DHA时，二者之间会形成氢键，DHA含量较高时溶液粘度增大，后续分离难度也随之增高[7]。本文主要介绍了1,3-二羟基丙酮的提纯分离研究现状，接下来以国内外目前涉及到的主要分离工艺如醇沉-结晶法，反应-萃取法，吸附分离，膜分离和薄膜蒸发法等方面来展开。

2.1 醇沉-浓缩结晶

发酵法生产DHA工艺材料包括菌株、甘油外还有蛋白质、盐类小分子等物质[8]。醇沉法利用杂质不溶于乙醇这一性质来除去发酵液中蛋白、多糖类物质，浓缩结晶是目前DHA生产工艺中相对常用、简便的方法，通常是发酵液除去菌体蛋白质，吸附脱色，除盐，最后浓缩结晶。该工艺的难点就在于生产过程中杂质多，前期预处理除杂工艺效果有限，产品纯度低，吸附操作也会造成部分产品跟随杂质被除去；另一点就是DHA在水中的溶解度很大(20 ℃水溶性大于250 g/L)，亚稳态区域范围大结晶困难，此外反复加入乙醇浓缩，操作周期长、乙醇用量大[9]。马立娟等[10]将发酵液中加入壳聚糖除去菌体蛋白质，活性炭脱色，离子交换树脂除盐，预处理过后的发酵液浓缩过后，加入三倍体积的乙醇40 ℃真空蒸发，反复几次直至出现DHA晶体，结晶产率72%，纯度达到99.8%，加入过量乙醇成功降低了浓缩发酵液的介电常数，使得多糖，菌体蛋白溶解度下降而析出。闻建平等[11]给出了一种从发酵液中提纯二羟基丙酮的生产方法，采用离心或加絮凝剂等方法除菌体，真空减压蒸馏至原体积的三分之一，加入乙醇洗涤后继续离心，然后收集上层清液减压蒸馏回收乙醇，重复几次操作后获得DHA晶体，该工艺成功克服诸多从发酵液中分离DHA的缺点，加乙醇来除杂制来防止后续浓缩液粘稠，生产工艺得到简化，解决了水蒸发带来的能耗问题，经济上成本降低，产品纯度比其他工艺得到提高，因此，该方法成功申请获得专利。

2.2 反应-萃取法

反应萃取法利用了反应生成的溶质在两互不相溶两相中分配系数的差异实现分离，该方法可以在温和的实验条件下进行，操作要求简便。但是萃取过程中加入的萃取剂相当于引入了新杂质，萃取剂和溶质二者相似的性造成分离困难，萃取效率不高，生产成本大，后续工业化进程受到阻碍[12]。DHA有两个羟基，亲水能力使得物理萃取和络合萃取等方法分离水和DHA分离十分困难，张小飞[13]采用了反应-萃取耦合法进行分离DHA，以树脂催化料液和乙醛发生可逆缩醛反应，然后以甲苯为萃取剂分离出缩醛产物，最后水解缩醛产物得到DHA，总收率高达82%。

刘俊峰等[14]以多聚甲醛为原料，溴化苯并噻唑盐为催化剂，反应生成DHA，使用等体积蒸馏水、乙醚萃取反应液，后续水相加入乙酸酐生成淡黄色的酯化物，在滴加氢氧化钠水解的方法，产品的质量分数从90%提升到99.8%，总分离收率到达72%。通过化学反应在分离操作前把DHA的两个羟基屏蔽起来，使得新生成的化合物亲水能力减弱，同时找到合适的萃取剂实现分离，在经过可逆水解操作便可重新获得DHA，这一方法能够解决传统精馏分离能耗过大的问题。

2.3 吸附分离

吸附法是利用具有选择性吸附性的材料吸附混合液中某一组分来实现分离的[15]。吸附操作简单，脱附再生容易，适用范围宽且不会引入其它杂质，但也存在结构强度差，寿命短，分离效果差的缺点。马骏[16]以酵母菌转化甘油生产的DHA发酵液为原料，经过脱色、过滤、浓缩等预处理工艺后，使用自制的石油醚硅胶层析柱，乙酸乙酯-乙醇混合溶液为洗脱剂，成功将二羟基丙酮和发酵剩余甘油分离，分离分辨率达到92.2%。谢艳丽[17]采用PCR钙型离子交换树脂分离二羟基丙酮和反应剩余甘油，以水为洗脱剂，实验结果显示分离温度25 ℃，床层高径比高于20，进样体积小于0.05 BV，流速低于0.15 BV/h 条件下的分离效果较好，分离过程结束后，二羟基丙酮的质量分数也从17.4%升到了90.8%，分离效率达到了76%。二羟基丙酮和甘油在化学式和性质上很相似，离子交换树脂刚好以电荷引力作用、氢键作用和配位络合作用很好的实现了二者的分离[18]。在发酵法生成原料液在分离DHA前，都需要提前除去蛋白质、小分子阴阳离子等盐类，Yamada[19]和专利[20-21]中都在预处理阶段采用了阴阳离子树脂来除杂，后续再继续浓缩结晶，这一步骤提升了产品浓度并简化生产流程，是DHA分离流程中必不可缺的一环。

2.4 膜分离

膜分离技术是一项上世纪60年代后兴起的分离新技术，利用膜的选择性来实现分离纯化目的[22]。与传统过滤工艺相比，采用膜分离具有产品损失少、相态不发生变化、工艺简单和能耗低等优点，膜分离也存在膜被污染后清洗成本高，大部分膜耐受高温，毒害能力差，使用范围有限等缺陷[23-24]。随着研究不断深入，制膜新材料、新工艺的诞生使得膜分离技术不断进步，因此，膜分离技术在分离发酵液产物分离操作中扮演的角色也越来越重要。侯璨[25]利用微滤和纳滤装置分别处理氧化葡萄糖杆菌发酵甘油的发酵液，以回收DHA，实验中采用的孔径为0.1 μm的聚偏氟乙烯膜能有效的除去反应菌株和蛋白质，DHA的收率高于96%，利用的纳滤膜(分子截留量为270)既可以除去杂质，同时DHA的损失量也少，DHA的收率高于95%；同时研究过滤操作中膜污染问题，实验结果表明上述两种操作工艺联用效果良好，工业应用可行性高。焦学芳[26]采用真空膜蒸馏技术代替分离DHA工艺中减压蒸馏除水浓缩过程，可以在较低温度和真空状态下水的通过量较大，在相同的生产时间内，膜蒸馏技术可以处理更多的料液。随着研究深入可以采用辅助工艺来提高膜的水通量以及减少膜污染问题，膜蒸馏分离二羟基丙酮技术也更加具有工业应用优势。此外连续生产DHA的膜反应器也有相关研究，借助透过膜的选择作用会优先分离出发酵生成DHA，能够有效避免DHA聚集对反应的抑制作用，可使反应平衡朝向产物生成方向发展，在获得高产量的同时实现产物分离，大大简化了生产设备投资[27]。

2.5 薄膜蒸发法

薄膜蒸发法是借助蒸发器巨大表面使得混合液以薄膜形式进行分离的一种操作方式，流体均匀通过汽化表面，传热速度快且受热均匀，物料过热现象不会出现，该方法可以在较低温度下加热混合液，热敏型物料可以不受影响实现分离，流体在一定速度下通过加热器，因此物料受热时间短，蒸发速度快，适合大量连续操作。Martin等[28]用两个薄膜蒸发器实现DHA分离，第1个蒸发器保持能使溶剂分离出去的温度和压力，第2个则在特定温度压力下分离DHA，该方法可以得到晶体浆状物质，无需进一步操作便可用于一些DHA加工应用产业。DHA属于热敏型物质，文献中分离DHA操作一般在35～40 ℃条件下真空操作，薄膜蒸发法刚好解决温度过高问题，物料快速通过避免了DHA分解，后续分离溶剂再回收利用，未来可能实现工业化生产规模[29]。

3 结论与展望

本文总结了几种DHA分离工艺，并分析了这些方法的优缺点，通过研究分析可以争取实现提高DHA产量、简化分离提纯工艺的梦想。当前，环境保护问题呼声日益增高，合理利用当前资源实现利益最大化成为新的研究热点，利用绿色生物柴油生产中的副产物甘油通过微生物发酵或者催化氧化合成DHA，该工艺不仅消耗了市场过剩的甘油又创造了巨大的经济价值，这无疑会成为以后研究的热点和新的科研技术方向。目前常见的DHA分离工艺存在能量消耗大，分离纯度低等缺点，这些缺点会限制下一步放大工业化生产，因此需要新的分离工艺或者在原有工艺上不断优化，在较低成本的基础上获得更高产量的二羟基丙酮，尽可能优化提纯步骤减少分离程序，深入研究从结晶动力学和热力学角度优化生产工艺。