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丁二酸(Succinic Acid)，又名琥珀酸，是一种重要的碳四平台化合物，是许多重要化学中间体的原料，在食品、医药、表面活性剂、洗涤剂、绿色溶剂、生物可降解塑料和动植物生长刺激物等领域有广泛的应用前景。
丁二酸传统生产方法采用的是从丁烷经顺丁烯二酸酐通过电解生产，生产污染大、成本高，严重抑制了丁二酸这一大宗化学品的发展潜力。生物法生产丁二酸的主要原料是葡萄糖及木糖等糖类物质，其来源广泛且价格低廉，并在厌氧发酵过程中吸收固定温室气体CO2用于菌株的代谢，可降低丁二酸的生产成本，这对于进一步拓展基于丁二酸的大宗化学品市场，减少对石油等化石资源的依赖具有重要意义。
由于生化产品的特殊性质及体系的非牛顿流体特性，使得生化产品的分离过程非常复杂，涉及的操作单元多，工艺流程长，其下游提取成本往往占总成本的一半以上，甚至高于80％。因此，针对丁二酸这一大宗化学品的生物法制备体系开发高效、低成本的下游提取工艺将对于进一步提升生物法制备工艺的竞争能力具有重要的现实意义。
本文在课题组稳定的发酵工艺基础上，根据厌氧发酵法制备丁二酸体系所具有的固含物少、发酵液黏度低以及产物相对简单等特点，有针对性地对丁二酸下游提取工艺进行了研究，主要研究内容如下：
1.离子交换分离提取丁二酸
(1)树脂的筛选
分别选用不同载体和活性基团的阴离子交换树脂，在模拟体系下对树脂进行筛选，并根据吸附量确定强碱201和弱碱D301为合适的树脂类型。
(2)树脂吸附特性研究；
对201树脂和D301树脂的吸附速率曲线和吸附等温线进行了测定。结果表明，上述两种树脂对丁二酸的吸附均为非优惠型吸附；
分别对201树脂和D301树脂分离提取丁二酸的工艺条件进行了研究，确定了料液pH和离子浓度为主要的影响因素。在模拟体系下，当固液比为1(g)：100(ml)，温度为室温，pH为4.14时，201树脂和D301树脂对丁二酸的饱和吸附量分别为200mg/g(干树脂)和375mg/g(干树脂)。
在上述最佳工艺条件下，利用实际发酵体系对树脂吸附性能进行了进一步的考察。结果表明，两种树脂的吸附效果均有不同程度的下降，201和D301树脂对丁二酸的吸附量分别为55mg/g(干树脂)和35 mg/g(干树脂)。
在其最适条件下，考察了201树脂对丁二酸发酵体系的动态吸附和洗脱过程，确定了动态吸附条件即：上样浓度为15g/L，上样流速为2ml/min，洗脱剂为1mol/L盐酸，洗脱方式为梯度洗脱。在最佳条件下，丁二酸回收率超过80％，但丁二酸的动态吸附量仅有25mg/mL(湿树脂)。
2.基于膜法分离丁二酸的工艺研究
由于实际发酵体系中离子强度较高，且存在诸如甲酸、乙酸等副产物的竞争性吸附，离子交换树脂对丁二酸的交换吸附容量较低，难以满足大规模制备的要求，且分离过程中需消耗大量的酸、碱和水。因此，本研究针对厌氧发酵制备丁二酸的发酵液的特点(固含物少、发酵液黏度低以及产物相对简单)，建立了基于膜分离技术的丁二酸分离工艺，并对工艺条件进行了初步的优化。具体研究内容如下：
(1)微滤法实现发酵液的固液分离。选用孔径为2μm的微滤膜作为分离介质。用浓盐酸调节pH至5.0，将丁二酸发酵液稀释至丁二酸浓度约25g/L，保温35℃，在85mL/min的循环流速下进行过滤。微滤平均通量为8.6L/m2.h，除菌率可达99.6％，蛋白去除率达87％，脱色率达92％，两次全过滤后丁二酸收率≥93％，三次全过滤后丁二酸收率≥98％；
(2)超滤法去除发酵液中的生物大分子。选用截流分子量为6kD～8kD的超滤膜为分离介质，将经过膜微滤的丁二酸发酵液在常温条件下，以85mL/min的循环流速，在0.005Mpa的初始压差下通过超滤膜。超滤平均通量为2.53L/m2.h，蛋白去除率97.35％，滤液中蛋白浓度≤5mg/L，脱色率约29％，超滤液透光率≥60％，丁二酸收率≥98％。
(3)活性炭脱色。确定型号为3032的活性炭为脱色剂，活性炭用量为0.35％，脱色pH为5.0，脱色时间为30min，脱色温度为50℃。所得脱色液的透光率≥93％，丁二酸收率≥99％。
(4)结晶法获得丁二酸产品。采用真空浓缩-冷却结晶工艺，从脱色液中直接获得丁二酸产品。确定了最佳浓缩比为5，最佳pH值为2.5，最佳搅拌转速为200rm/min，加晶种的起晶方式，循环冷凝水冷却的降温方式为最佳的结晶工艺，一次结晶收率≥70％。所得产品晶体色泽纯白、晶形均匀，纯度≥98％。
由于该工艺路线是在膜分离的基础上，利用丁二酸与体系中主要杂质的溶解度差异，采用直接结晶的方法得到纯化产品，因此具有路线短、能耗较低、实用性较强等特点。利用上述工艺提取发酵液中的丁二酸，总收率≥95％，丁二酸总得率≥63％，获得的丁二酸产品含量≥98％，丁二酸水溶液透光率(20g/L)≥94％，基本达到了规模化应用的要求。