一种香紫苏醇发酵液萃取油相的双膜分离工艺

技术领域

本发明涉及从微生物合成香紫苏醇发酵液经萃取后分离含产物油相的分离工艺，属于生物分离领域。

背景技术

香紫苏醇是一种二萜类化合物，是植物生长、发育和一般代谢必不可少的化学物质，可应用于医药，化妆品，保健品，香精香料及农药领域。目前，香紫苏醇的主要获取方法是通过植物香紫苏提取，但是产量规模严重受环境、气候和土壤性质限制，而且植物法成分复杂、分离纯化难度高，因此有研究者们提出微生物法制备香紫苏醇，通过对酿酒酵母进行工程改造，实现了微生物合成香紫苏醇，并提出按照十二烷：水＝1:9进行原位萃取，以尽可能及时转移产物香紫苏醇，保证发酵过程持续高效进行。但因为发酵液中大量的蛋白、多糖等多种表面活性物质，原位萃取过程形成了不易分散且较为稳定的水包油乳液，导致香紫苏醇和菌仍然密切接触，生物发酵效率受到限制。如果提高油水比(例如2：8)时，则又会导致萃取油相体积较大，进一步造成了后续的分离过程的负荷。

为了解决原位萃取过程中乳液形成对发酵效率的影响，需要分离出形成的水包油乳液中的含产物油相，即需要用到破乳技术。现在商用化的破乳技术为化学破乳，加入化学试剂破坏乳液液滴稳定状态，但这种方法不适用于生物发酵液体系，因为化学破乳剂会对菌体活性、产品质量产生影响；还有新兴的电破乳方式，采用高压电场破坏乳液稳定性，但这种方法不适合工业放大，技术危害性大、能耗高，同时对菌体活性也会造成影响。

因此可以看出，现有技术中对于香紫苏醇发酵液的分离存在着分离难度大、工序复杂等问题。

发明内容

本发明将原位萃取和膜分离相结合，提出双膜法分离工艺，分别采用亲水疏油膜和亲油疏水膜实现生物发酵液原位萃取后乳液中含产物油相的来连续分离。本发明的技术构思是：针对在低油水比(十二烷：水＝1:9)条件下对香紫苏醇发酵液进行原位萃取得到的水包油乳液特性，采用亲水疏油陶瓷膜实现破乳，并将水相分离，获得含有发酵产物的油相浓缩液；同时，油相浓缩液可以利用亲油疏水膜对其中的菌体、水进行分离，使含有香紫苏醇的油相透过，再根据十二烷和香紫苏醇的沸点差异对得到的含香紫苏醇油相进行蒸馏，分离的十二烷可回收利用，实现发酵-分离过程的连续化进行。

一种香紫苏醇发酵液萃取油相的双膜分离工艺，包括如下步骤：

步骤1，香紫苏醇发酵液采用有机溶剂进行原位萃取，高速搅拌乳化后，形成乳液；

步骤2，乳液采用亲水疏油膜进行分离，使水相透过，油相被截留；

步骤3，获得的油相采用亲油疏水膜进行分离，使油相透过，水和悬浮物被截留；

步骤4，步骤3中获得的油相蒸除溶剂后，获得香紫苏醇，分离的溶剂返回发酵过程中。

所述的亲水疏油膜的表面水滴接触角为15-50°，水下油接触角为110-170°。

所述的亲油疏水膜的表面水滴接触角为100-165°，油下水接触角为120-170°。

所述的亲水疏油膜的平均孔径范围是8-14nm，分离层的材质为氧化锆。

所述的亲油疏水膜平均孔径范围是80-130nm，分离层的材质是经过疏水表面改性的氧化铝。

所述的亲水疏水膜进行过滤/或亲油疏水膜进行过滤的过程中操作压力为0.5～0.7bar，温度范围为20～25℃。

有益效果

1.香紫苏醇产品经原位萃取后富集到十二烷油相，仅凭借亲油疏水膜无法得到含香紫苏醇的油相，但借助双膜法亲油疏水膜的渗透侧可得到香紫苏醇的十二烷溶液，香紫苏醇透过率超过90％。

2.双膜法在生物发酵液原位萃取体系中实现了油水两相的稳定、连续分离，在500min的测试过程中，亲水疏油膜稳定通量为21L m

3.本发明采用的双膜法分离工艺与现有商业化破乳技术相比，节约能耗及成本，而且绿色环保，同时也更有利于连续自动化。膜破乳技术基于膜的“孔径筛分效应”和“表面聚合效应”，在压差的作用下通过油或水的选择性渗透实现乳液油水分离。

4.本发明采用的陶瓷膜具有良好的化学和机械性能，耐高温，耐酸碱，寿命长。

附图说明

图1是双膜分离工艺流程图。

图2是装置示意图和处理效果照片

图3是水包油乳液显微照片

图4是不同十二烷：水比例下单疏水膜通量随时间的变化

图5是1:9双膜分离工艺亲水膜、疏水膜通量随时间的变化

图6是双膜分离过程中亲水膜和疏水膜的分离效果：(a)渗透水相TOC含量和渗透油相水含量随时间的变化(b)渗透油相中香紫苏醇含量随时间的变化

具体实施方式

本发明涉及一种香紫苏醇发酵液萃取油相的双膜分离工艺。微生物合成香紫苏醇发酵液时，通常采用十二烷(十二烷：水＝1:9)进行原位萃取，降低产物香紫苏醇对微生物的抑制作用，但由于发酵液中含有蛋白、多糖等多种具有亲水亲油的两性物质，形成水包油乳液，严重影响原位萃取效果，菌体活性下降，不利于微生物发酵进行，因此需要及时实现乳液油水分离，但传统破乳技术耗时长成本高且不能很好的同萃取过程耦合。本发明以陶瓷膜油水分离为基础，提出采用亲水疏油膜和疏水亲油膜耦合联用，装配成双膜分离器，同步从萃取形成的乳液中渗透分离油相和水相，实现了香紫苏醇发酵液萃取和破乳连续进行，保证了生物发酵持续高效的进行。

紫外分光光度法含量测定通过配置标准品香紫苏醇十二烷溶液，通过紫外分光光度计进行全波长扫描，确定香紫苏醇在一定波长范围(200～300nm)内有特定吸收峰，据此可根据紫外光谱图中最大吸收峰的波长对其进行定量分析。在浓度范围0.1～10g/L内，香紫苏醇浓度与在最大吸收峰处的紫外吸光度存在良好的线性关系，因此采用紫外分光光度法对香紫苏醇的含量进行测定。

实施例1

本专利中所采用的工艺路线如图1所示，香紫苏醇发酵液经原位萃取(十二烷:水＝1:9)形成水包油乳液，如图2所示。乳液依次经过亲水疏油膜和亲油疏水膜处理。亲水疏油膜的材质为氧化锆，平均孔径为10nm。亲油疏水膜的材质为经十六烷基三甲氧基硅烷疏水改性的氧化铝，平均孔径为100nm。所述的亲水疏油膜的表面水滴接触角为28.2°，水下油接触角为137.6°，所述的亲油疏水膜的表面水滴接触角为141.3°，油下水接触角为154.6°。操作温度都为25℃，操作压力都为0.5bar，由亲水疏油膜的渗透侧得到不含菌体的水相，可回收利用；亲水疏油膜的截留侧的浓缩液再送入亲油疏水膜中进行过滤，由亲油疏水膜的渗透侧得到含香紫苏醇的油相；通过紫外分光光度法测定渗透油相中香紫苏醇含量。测试并计算得到透水膜与透油膜的渗透通量，另外，采用总有机碳分析仪测量渗透水相TOC间接评价亲水疏油膜对油相的截留能力，采用卡尔费休水分测定仪测量渗透水相中的水含量评价亲油疏水膜对水相的截留能力。

对比实验：

工艺理想情形下是计划通过单亲油疏水膜从香紫苏醇发酵液经原位萃取形成的乳液中分离出含产物油相，据此，考察在不同十二烷：水比例原位萃取情形下仅使用亲油疏水膜分离情况，结果如图4所示，其中图例20％、30％、40％、50％是乳液中十二烷所占的体积分数。当按十二烷：水＝1:9对发酵液进行萃取，仅用实施例1中的亲油疏水膜是无法从形成的乳液中分离出含香紫苏醇油相，但当十二烷的量增高到1:4时，仅用亲油疏水膜可以从形成的乳液中分离出含香紫苏醇油相，但通量仅为3.6L·m·

按十二烷：水＝1:9进行原位萃取，双膜分离工艺中亲水疏油膜和亲油疏水膜的渗透通量随时间的变化如图5所示。亲水疏油膜初始通量约为70L·m

进一步对渗透液中的成分进行了分析，结果如图6所示。通过膜的渗透水相中TOC平均含量为53.2mg/L，渗透油相中水分平均含量为140.8ppm，表面亲水疏油膜对油的截留性能和亲油疏水膜对水的截留性能优秀。对亲油疏水膜得到的渗透油相中的香紫苏醇含量进行测试，油相中香紫苏醇平均含量为19.9g/L。可以发现经双膜分离工艺后油相中的含量与原料侧相差不大，仅相差0.1g/L，说明亲油疏水膜对香紫苏醇基本无截留。