CN106755143B - 一种从乳酸发酵液中连续提取高纯度乳酸的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种从乳酸发酵液中连续提取高纯度乳酸的方法，包括以下步骤：(1)配制发酵培养基，然后接种乳酸菌，置于发酵罐内厌氧发酵，获得乳酸发酵液；(2)采用微滤膜初步分离步骤(1)所得乳酸发酵液，微滤截留液回流到发酵罐继续发酵，微滤透过液调节pH后采用纳滤膜进行次级分离，得纳滤截留液和纳滤透过液；(3)取步骤(2)所得纳滤透过液，置于多组分模拟移动床精制，将收集到的乳酸溶液浓缩提纯得成品乳酸；将收集到的葡萄糖和乙酸回流到发酵罐循环利用。本发明方法绿色环保，实现了糖循环利用和循环发酵，节省接种量，制得乳酸成品纯度高，提高了工艺连续性和生产效率。

Description

一种从乳酸发酵液中连续提取高纯度乳酸的方法

技术领域

本发明属于乳酸生产技术，特别是涉及一种从乳酸发酵液中连续提取高纯度乳酸的方法。

背景技术

乳酸作为世界三大有机酸之一，它被广泛应用在食品、化妆品、皮革、医药、化工和农业等领域，随着石油等化石资源的日益紧缺，乳酸作为一种可再生生物质资源越来越受到人们的重视。乳酸还是合成聚乳酸(PLA)的原料，相比于由石油化学品合成的塑料，聚乳酸材料具有生物可再生性和生物可降解性，被认为是一种有前途的环境友好型聚合物材料。不仅性能与传统的塑料、橡胶等相当，并且其具备优良的机械强度、韧性、以及加工性能，聚乳酸材料有希望替代传统的石油基热塑性材料，因此被认为是最有前途的可生物降解的高分子材料。近些年来乳酸产量激增，据统计，2012年世界对乳酸需求量在130000～150000吨/年，到2017年乳酸的市场规模达到3673000吨/年。

乳酸生产方法有微生物发酵法、化学法和酶法。工业上生产主要采用发酵法，成熟的发酵液中通常含有菌体、蛋白质、色素、残糖和无机盐等杂质。传统的乳酸提取工艺为乳酸钙结晶-酸解工艺：将发酵得到的乳酸钙发酵液经板框过滤去除杂质；用硫酸酸解，生成硫酸钙；板框过滤去除硫酸钙杂质；用活性炭脱色，再过滤去除活性炭；采用离子交换去除无机盐等；蒸发浓缩得到产品。该工艺比较成熟且易于控制，但是工艺路线长，操作繁重，产生大量的乳酸钙等副产品，污染严重，能耗较高，整个分离过程连续程度较低，乳酸回收率也一般在40～50％之间，且获得的产品纯度较低。如何减少污染和能耗，从发酵液中提取高浓度、高纯度的乳酸产品是制约乳酸工业发展的重要因素，也是研究者关注的热点。

发明内容

为了解决乳酸分离提取过程中乳酸损失量大、收率低、纯度低、污染严重、能耗大、工艺繁琐以及不能连续化生产等问题，本发明提出了一种从乳酸发酵液中连续提取高纯度乳酸的方法。

本发明所述的一种从乳酸发酵液中连续提取高纯度乳酸的方法，包括以下步骤：

(1)配制发酵培养基，然后接种乳酸菌，置于发酵罐内厌氧发酵，获得乳酸发酵液；

(2)采用微滤膜初步分离步骤(1)所得乳酸发酵液，微滤截留液回流到发酵罐继续发酵，微滤透过液调节pH后采用纳滤膜进行次级分离，得纳滤截留液和纳滤透过液；

(3)取步骤(2)所得纳滤透过液，置于多组分模拟移动床精制，分别收集乳酸溶液、葡萄糖溶液和乙酸溶液；将收集到的乳酸溶液浓缩提纯得成品乳酸，将收集到的葡萄糖溶液经过浓缩回流到发酵罐再利用，收集得到的乙酸可以生成乙酸钠，作为培养基中的无机盐添加剂。

本发明所述的高纯度乳酸是指纯度为99％以上的乳酸。

优选的，步骤(1)中，所述发酵培养基包括葡萄糖、酵母粉、蛋白胨、硫酸镁和乙酸钠，用去离子水配置而成。其中优选的，各组分含量为葡萄糖130g/L，酵母粉15g/L，蛋白胨0.5g/L，硫酸镁0.5g/L，乙酸钠5g/L。所述发酵培养基以糖类物质为碳源，还包括氮源、无机盐等必须发酵物质。

步骤(1)中，所述的乳酸菌可以为大部分工业生产菌，例如可以为芽孢杆菌。

优选的，步骤(1)中，所述乳酸菌发酵接种量为10～20％。

优选的，步骤(1)中，厌氧发酵条件：温度为50～60℃，pH为6.0～7.0，搅拌转速150～200rpm，发酵时间44～50h。

其中厌氧发酵时，采用氨水作为pH调节剂，调节发酵pH目的在于解除产物乳酸的抑制作用。

步骤(1)获得的乳酸发酵液中主产物包括乳酸、葡萄糖和乙酸，其中乳酸浓度90～120g/L、葡萄糖浓度为5～15g/L、乙酸浓度为2～5g/L；副产物包括丙酮酸、丁二酸、甲酸和富马酸等，副产物总浓度低于5g/L。

优选的，步骤(2)中，采用微滤膜初步分离步骤(1)所得乳酸发酵液，操作压力0.01MPa～0.4MPa。微滤截留液中含有大量乳酸菌，可回流到发酵罐继续发酵，极大地提高了菌体浓度。

优选的，步骤(2)中，初步分离所用微滤膜为陶瓷膜、有机聚合物膜或金属膜，微滤膜孔径为0.1um～1um。

进一步优选的，步骤(2)中，初步分离所用微滤膜为孔径0.1um～0.3um的陶瓷膜。

优选的，步骤(2)中，微滤透过液调节pH后采用纳滤膜进行次级分离，其中，微滤透过液使用硫酸调节pH为2.0～3.0后泵入纳滤膜进行次级分离，所用纳滤膜为有机聚合物螺旋卷式膜，截留分子量在350～500D，操作压力0.1MPa～4MPa。微滤透过液经过纳滤膜处理可以去除其中的大分子化合物，色素，细胞碎片等。另外，由于微滤透过液用硫酸调节pH后泵入纳滤膜进行分离，使得纳滤截留液中含有大量的硫酸铵，可以通过结晶制成氮肥。

优选的，步骤(3)中，所述多组分模拟移动床系统为三组分分离移动床，填充树脂为超高交联大孔聚合物吸附剂，模拟移动床采用五区式方案，五个区域按顺序切换，由组合式电磁阀控制。进一步的，所述模拟移动床的五区式方案为：一区进洗脱剂，流出强保留组分乙酸；二区进洗脱剂，流出中间保留组分乳酸；三区部分回流乳酸产品液，去除间隙中的糖，提高产品浓度；四区进料，流出弱保留组分葡萄糖；五区再生洗脱剂，回流到二区。

通过上述模拟移动床收集到的乳酸纯度大于99.5％，葡萄糖经过浓缩可以经过灭菌回流到发酵罐再利用，乙酸可以生成乙酸钠，作为培养基中的无机盐添加剂。

优选的，步骤(3)中，所用超高交联大孔聚合物吸附剂以苯乙烯-二乙烯基苯为骨架，以羰基为功能基团，其合成方法同专利CN104530274A公开的方法，具体为：在高溶胀状态下的低交联聚苯乙稀中加入交联剂，进行傅-克反应，可得到交联度极高的刚性三维网络聚合物，反应温度为80～120℃，反应时间为8～14h，所用催化剂为氯化铁或氯化铝，反应溶剂为二氯乙烷或硝基苯。

步骤(3)中，采用实验室自主合成树脂——超高交联大孔聚合物吸附剂进行单柱预分离实验，能很好的分离发酵液中的成分，为后续多组分连续分离提供了很好的介质。

优选的，步骤(3)中，将收集到的乳酸溶液浓缩提纯是指采用分子蒸馏提纯乳酸，其中，分子蒸馏温度控制在65～85℃，系统压力控制在10～100Pa。

进一步优选的，分子蒸馏温度控制在70～80℃，系统压力控制在10～60Pa。

步骤(3)中，制备高纯度乳酸采用去离子水作为洗脱剂和再生洗脱剂，同时产生的发酵残糖(葡萄糖)和乙酸返回发酵罐再利用。

有益效果：本发明方法适用于大部分工业乳酸菌，实现了菌体的循环利用，节约了接种量，缩短了发酵周期，降低了发酵成本；本发明设计了发酵分离耦合系统，实现了连续发酵，连续分离产品，将发酵罐，膜和色谱结合起来，提高了生产效率，降低了能耗；本发明工艺过程中只用氨水调节发酵液pH，不添加其他化学试剂，不产生硫酸钙副产物和其他污染物，充分利用了工艺中所有物质，实现了环境友好，绿色工艺；采用多组分模拟移动床进行产品精制，用水作洗脱剂，绿色环保，收集到的产品纯度大于99％，符合更高级别的产品要求，收集到的其他物质如葡萄糖可继续作为发酵原料，节约了成本；本发明可以清洁化连续提取高纯度乳酸，做到了工艺流程一体化，自动化，连续化，便于工业化放大。

附图说明

图1是本发明方法工艺示意图；

图2是乳酸发酵液液相检测图；

图3是纳滤透过液液相检测图；

图4是本发明发酵液单柱色谱分离图；

图5是本发明模拟移动床工作示意图。

图5中：A乙酸，B乳酸，C葡萄糖，D洗脱剂。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明方法作出详细说明。

试剂来源：葡萄糖(AR)、酵母粉(AR)、蛋白胨(AR)、硫酸镁(AR)，乙酸钠(AR)，氨水(AR)，氯化镁(AR)，硫酸(AR)，二氯乙烷(AR)磷酸二氢钾(AR)，磷酸(AR)购买来自国药集团化学试剂有限公司，苯乙烯，二乙烯基苯购买来自sigma。

芽孢杆菌为实验室培养纯化的乳酸菌。培养方法为：葡萄糖5～10g/L，酵母膏1～2g/L,蛋白胨1～2g/L，碳酸钙2～3g/L，磷酸氢二钾0.5～1g/L，在500mL的摇瓶中培养8～12小时，维持50～60℃，150～200rpm。

乳酸检测方法

高效液相色谱分析产品。色谱条件为：

1)检测器：Agilent 1260型高效液相色谱仪-紫外，示差检测器；

2)色谱柱：Agilent ZORBAX SB-Aq(250mm×4.6mm i.d.,5μm)；

3)流动相：20mmol/L磷酸二氢钾，用磷酸调节pH＝2.7；

4)流速：0.6mL/min；

5)柱温：30℃；

6)进样体积：10μL。

实施例1

如图1所示，一种从乳酸发酵液中连续提取高纯度乳酸的方法，包括以下步骤：

(1)配制发酵培养基，具体为葡萄糖130g/L，酵母粉15g/L，蛋白胨0.5g/L，硫酸镁0.5g/L，乙酸钠5g/L，用去离子水配制而成；然后以凝结芽抱杆菌为生产菌株，接种量为10％；置于发酵罐内厌氧发酵，发酵条件为：温度50℃，用氨水调节发酵液pH维持在6.5，搅拌速度150rpm，发酵48h后获得乳酸发酵液。所得乳酸发酵液各组分液相分析图见附图2，乳酸发酵液中含有许多杂质，主要成分为葡萄糖(保留时间4.7min)，乳酸(保留时间6.58min)和乙酸(保留时间7.05min)；

(2)采用孔径0.1um的19孔道陶瓷微滤膜初步分离步骤(1)所得乳酸发酵液，操作压力0.3MPa，微滤透过液体积为处理料液体积的80％，截留的20％微滤截留液回流到发酵罐中继续发酵，微滤透过液中乳酸浓度90g/L、葡萄糖浓度26g/L、乙酸浓度5g/L、其他的杂酸副产物浓度3g/L；用硫酸调节微滤透过液pH＝2.5后，加压到3MPa，采用GE公司的DK1812型纳滤膜进行次级分离，纳滤膜截留分子量为300，纳滤透过液体积占处理料液体积的95％，经过纳滤处理，透过液中不含大分子蛋白、色素等其他有机酸。纳滤处理的透过液组分分析图见附图3，根据液相检测结果显示纳滤去除了其他杂质，透过液只含有乳酸，葡萄糖和微量的乙酸；纳滤截留液中含有大量的硫酸铵，可以通过结晶制成氮肥；

(3)取步骤(2)所得纳滤透过液，置于三组分模拟移动床系统进行精制，其中，模拟移动床系统包含五个区域，9根树脂柱，一区1根，二区3根，三区3根，四区1根，五区1根，每根树脂柱装填90g树脂，树脂柱直径3.0cm，高度24cm；料液流加流量为4mL/min，洗脱剂水的流加流量为10mL/min，产品收集流量为7ml/min，糖收集流量为5ml/min，乙酸收集流量为2ml/min，25min切换一次树脂柱；

填充树脂为超高交联大孔聚合物吸附剂，合成方法为：在高溶胀状态下的低交联聚苯乙稀中加入交联剂，进行傅-克反应，可得到交联度极高的刚性三维网络聚合物，反应温度为60～90℃，反应时间为4～18h，所用催化剂为氯化铁或氯化铝，反应溶剂为二氯乙烷或硝基苯。步骤(3)中，采用实验室自主合成树脂——超高交联大孔聚合物吸附剂进行单柱预分离实验，实验结果见附图4，单柱实验表明乳酸与葡萄糖分离度为0.4，基本可以分离，乳酸与乙酸分离困难，因此采用模拟移动床进行分离，由图可知，此超高交联树脂能很好的分离发酵液中的成分，为后续多组分连续分离提供了很好的介质；

模拟移动床采用五区式方案，五个区域按顺序切换，由组合式电磁阀控制，一区进洗脱剂去离子水，流出强保留组分乙酸；二区进洗脱剂去离子水，流出中间保留组分乳酸；三区部分回流乳酸产品液，去除间隙中的糖，提高产品浓度；四区进料，流出弱保留组分葡萄糖；五区再生洗脱剂，回流到二区。通过上述模拟移动床方案收集到的乳酸纯度大于99.4％，葡萄糖经过浓缩可以经过灭菌回流到发酵罐再利用，乙酸可以生成乙酸钠，作为培养基中的无机盐添加剂。

最终收集到的乳酸产品浓度可达66g/L，纯度可达到99.4％，收率可达到98％，最后进行分子蒸馏提纯，温度为75℃，压力为25Pa。分子蒸馏最终浓缩得到乳酸产品浓度为94g/L，纯度99.5％，光学纯度99.5％。

实施例2

一种从乳酸发酵液中连续提取高纯度乳酸的方法，包括以下步骤：

(1)配制发酵培养基，具体为葡萄糖110g/L，酵母粉15g/L，蛋白胨0.5g/L，硫酸镁0.5g/L，乙酸钠5g/L，用去离子水配制而成；然后以凝结芽抱杆菌为生产菌株，接种量为10％；置于发酵罐内厌氧发酵，发酵条件为：温度60℃，用氨水调节发酵液pH维持在6.5，搅拌速度200rpm，发酵48h后获得乳酸发酵液；

(2)采用孔径0.2um的19孔道陶瓷微滤膜初步分离步骤(1)所得乳酸发酵液，操作压力0.3MPa，微滤透过液体积为处理料液体积的80％，截留的20％微滤截留液回流到发酵罐中继续发酵，微滤透过液中乳酸浓度84g/L、葡萄糖浓度20g/L、乙酸浓度4g/L、其他的杂酸副产物浓度4g/L；用硫酸调节微滤透过液pH＝2.6后，加压到4MPa，采用GE公司的DK1812型纳滤膜进行次级分离，纳滤膜截留分子量为300，纳滤透过液体积占处理料液体积的93％，经过纳滤处理，透过液中不含大分子蛋白、色素等其他有机酸。纳滤处理的透过液组分分析图见附图3，根据液相检测结果显示纳滤去除了其他杂质，透过液只含有乳酸，葡萄糖和微量的乙酸，纳滤截留液中含有大量的硫酸铵，可以通过结晶制成氮肥；

(3)取步骤(2)所得纳滤透过液，置于三组分模拟移动床系统进行精制，其中，模拟移动床系统包含五个区域，9根树脂柱，一区1根，二区3根，三区3根，四区1根，五区1根，每根树脂柱装填90g树脂，树脂柱直径3.0cm，高度24cm；料液流加流量为5.6mL/min，洗脱剂去离子水的流加流量为11.8mL/min，产品收集流量为7.3ml/min，糖收集流量为6.1ml/min，乙酸收集流量为3ml/min，26min切换一次树脂柱；

填充树脂为超高交联大孔聚合物吸附剂，合成方法为：在高溶胀状态下的低交联聚苯乙稀中加入交联剂，进行傅-克反应，可得到交联度极高的刚性三维网络聚合物，反应温度为80～120℃，反应时间为8～14h，所用催化剂为氯化铁或氯化铝，反应溶剂为二氯乙烷或硝基苯。步骤(3)中，采用实验室自主合成树脂——超高交联大孔聚合物吸附剂进行单柱预分离实验能很好的分离发酵液中的成分，为后续多组分连续分离提供了很好的介质；

模拟移动床采用五区式方案，五个区域按顺序切换，由组合式电磁阀控制，一区进洗脱剂去离子水，流出强保留组分乙酸；二区进洗脱剂去离子水，流出中间保留组分乳酸；三区部分回流乳酸产品液，去除间隙中的糖，提高产品浓度；四区进料，流出弱保留组分葡萄糖；五区再生洗脱剂，回流到二区。模拟移动床收集到的乳酸纯度大于99.2％，葡萄糖经过浓缩可以经过灭菌回流到发酵罐再利用，乙酸可以生成乙酸钠，作为培养基中的无机盐添加剂；

最终收集到的乳酸产品浓度可达59g/L，纯度可达到99.2％，收率可达到98.3％。最后进行分子蒸馏，温度为70℃，压力为20Pa；分子蒸馏最终浓缩得到乳酸产品浓度为84g/L，纯度99.3％，光学纯度99.1％。

综上所得乳酸产品纯度均为99％以上，符合GB-1886.173-2016标准。

Claims (6)

1.一种从乳酸发酵液中连续提取高纯度乳酸的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)配制发酵培养基，然后接种乳酸菌，置于发酵罐内厌氧发酵，获得乳酸发酵液；

(2)采用微滤膜初步分离步骤(1)所得乳酸发酵液，微滤截留液回流到发酵罐继续发酵，微滤透过液调节pH后采用纳滤膜进行次级分离，得纳滤截留液和纳滤透过液；

(3)取步骤(2)所得纳滤透过液，置于多组分模拟移动床精制，分别收集乳酸溶液、葡萄糖溶液和乙酸溶液；将收集到的乳酸溶液浓缩提纯得成品乳酸，将收集到的葡萄糖溶液经过浓缩回流到发酵罐再利用，收集得到的乙酸生成乙酸钠，作为培养基中的无机盐添加剂；

步骤(1)中，所述的乳酸菌为芽孢杆菌；

步骤(3)中，所述多组分模拟移动床系统为三组分分离移动床，填充树脂为超高交联大孔聚合物吸附剂；模拟移动床采用五区式方案，五个区域按顺序切换，由组合式电磁阀控制；所述模拟移动床的五区式方案为：一区进洗脱剂，流出强保留组分乙酸；二区进洗脱剂，流出中间保留组分乳酸；三区部分回流乳酸产品液，去除间隙中的糖，提高产品浓度；四区进料，流出弱保留组分葡萄糖；五区再生洗脱剂，回流到二区；

步骤(3)中，所用超高交联大孔聚合物吸附剂以苯乙烯-二乙烯基苯为骨架，以羰基为功能基团，其合成方法为：在高溶胀状态下的低交联聚苯乙稀中加入交联剂，进行傅-克反应，可得到交联度极高的刚性三维网络聚合物，反应温度为80～120℃，反应时间为8～14h，所用催化剂为氯化铁或氯化铝，反应溶剂为二氯乙烷或硝基苯。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，厌氧发酵条件：温度为50～60℃，pH为6.0～7.0，搅拌转速150～200rpm，发酵时间44h～50h。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，采用微滤膜初步分离步骤(1)所得乳酸发酵液，操作压力0.01MPa～0.4MPa。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，初步分离所用微滤膜为陶瓷膜、有机聚合物膜或金属膜，微滤膜孔径为0.1um～1um。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，微滤透过液调节pH后采用纳滤膜进行次级分离，所用纳滤膜为有机聚合物螺旋卷式膜，截留分子量在350～500D，操作压力0.1MPa～4MPa；所得纳滤截留液结晶制成氮肥。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，将收集到的乳酸溶液浓缩提纯是指采用分子蒸馏提纯乳酸，其中，分子蒸馏温度控制在65～85℃，系统压力控制在10～100Pa。

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