CN101823953A - 通过絮凝从发酵液中分离乳酸并对絮凝物综合利用的方法 - Google Patents
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Abstract
通过絮凝从发酵液中分离乳酸并对絮凝物综合利用的方法，属于工业微生物发酵工程技术领域，涉及一种通过絮凝对发酵液进行分离前的预处理，并将得到的絮凝物返回至发酵槽，与有机废物共发酵产乳酸的方法。工艺步骤为：(1)将发酵液加入氨水或氢氧化钠碱化并加热；(2)加入絮凝剂搅拌至有明显絮凝物出现，静置沉降至出现明显分层；(3)固液分离后的液相进入后续的膜分离提纯乳酸工序，而固相返回至发酵槽，参与有机废物的乳酸共发酵并提高乳酸的产量。本发明操作简单，絮凝率高，固液分离容易，成本低廉，且对目标产物乳酸几乎无损耗，对絮凝物实现了综合利用，降低了发酵液絮凝预处理的成本。
Description
技术领域：
本发明属于工业微生物发酵工程技术领域，具体涉及一种发酵液中乳酸的分离提取方法。
背景技术：
乳酸，又名丙醇酸，学名2-羟基丙酸，是一种重要的有机羧酸。乳酸已广泛应用于食品、化学、医药、化妆品等工业中，作为酸味剂、防腐剂、乳化剂、杀菌剂和医药中间体等。近年来，作为合成生物可降解的热塑料材料聚乳酸的重要原料，乳酸的生产日益得到人们的重视。乳酸的生产通常通过借助于微生物如细菌、酵母和真菌发酵而进行，发酵基质由碳水化合物和适宜的矿物以及蛋白质营养素组成。发酵液中除了乳酸外，还含有菌体碎片、蛋白质、色素、残糖、无机盐等杂质。因此发酵完成之后需要采用合理的提取精制技术将乳酸分离出来。
传统的乳酸提取方法为钙盐结晶-硫酸酸化法，但这种方法工艺流程长、消耗化工原料多、产品收率低。近年来报道的提取精制方法主要有溶剂萃取法、吸附法、酯化法、离子交换法、蒸馏法和电渗析法等。其中溶剂萃取法反萃难且萃取剂有毒；吸附法对目标产物的选择性较差，影响乳酸纯度；酯化法和蒸馏法能耗大；离子交换法中树脂的再生需要消耗大量的酸、碱和水。电渗析法具有消耗原料少、产品收率高、便于工业化生产和自动控制等优点，但膜污染没得到有效解决而影响到它在有机酸回收领域的应用。本发明人虽然公开了一种采用频繁倒极电渗析取代普通电渗析从垃圾发酵液中提取和浓缩乳酸盐的方法(见中国专利CN100409926C)，使附着在离子交换膜表面的杂物脱落下来，降低了膜的污染，延长了膜的使用寿命，节省了成本，但由于有机废物的发酵液中成分复杂，电渗析长期运行时膜污染问题仍然会发生。如果发酵液进入电渗析前经过有效而不损失乳酸收率的预处理，将会进一步延长膜的使用寿命。
传统的发酵液预处理工艺有过滤、离心分离等，但过滤法效率低，滤布容易被粘胶状滤饼堵塞，且不能分离发酵液中的可溶性杂质。离心分离法可得到澄清的发酵液，但应用于实际生产中的投资和运行费用过高，且同样不能分离可溶性杂质。公开号CN 1916179A为采用壳聚糖和四氧化三铁复配生成的磁聚物对乳酸发酵液进行絮凝预处理。但此方法首先要对壳聚糖和四氧化三铁在弱酸性溶液中进行复配，增加了成本和操作步骤。上述发明中的絮凝工艺，其絮凝剂是主要成本之一，但对于絮凝所得的沉淀物，其中包括大量的蛋白质、菌体、残糖等，没有进行综合利用，造成了资源的浪费以及潜在的环境安全问题。
发明内容
本发明是在公开号CN100409926C的基础上，提出一种通过絮凝对发酵液进行预处理，以减轻后续电渗析提取乳酸时的膜污染，并对絮凝物进行综合利用的方法。通过加入絮凝剂在不影响乳酸含量的基础上去除其中的多种杂质，同时得到的絮凝物还可参与有机废物共发酵，提高乳酸的产量，降低絮凝处理的成本。
一种通过絮凝从发酵液中分离乳酸并对絮凝物综合利用的方法由以下步骤实现：
(1)将发酵液加入氨水或氢氧化钠调节pH值至5～9，加热至30～60℃；
(2)加入絮凝剂0.2g/L～0.6g/L后搅拌5min，静置沉降30min；
(3)固液分离：固液分离后的液相进入后续的膜分离提纯乳酸工序，而固相(即絮凝物)返回至发酵槽，与新添有机废物进行乳酸共发酵。
上述的发酵液为工业酒糟或餐厨垃圾或食品加工废物乳酸发酵后经压滤得到的含乳酸、残糖、蛋白质和菌体碎片等的混合物。
上述步骤(1)中，用氨水或氢氧化钠调节发酵液的pH值。pH值可以在乳酸发酵后的发酵液中调节，也可以在乳酸发酵过程中调节。在乳酸发酵过程中边发酵边加碱调节pH值，可消除发酵体系因乳酸的生成而引起的产物抑制作用，促进乳酸盐浓度的不断增加。添加不同的絮凝剂，其适宜的pH值范围不同。添加壳聚糖的最适宜pH值范围为5～6，阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)的最适宜pH值为8～9。
上述步骤(2)中加入到发酵液中的絮凝剂为壳聚糖或阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)等有机絮凝剂。从絮凝效果来看，加入等量的壳聚糖和CPAM，后者的絮凝效果明显优于前者。通过加入絮凝剂，可以将发酵液中的菌体碎片、蛋白质、色素、残糖等杂质沉降去除，同时基本不影响残留在液相中的乳酸含量。
絮凝得到的沉淀物还可添加到发酵底物有机废物中参与发酵，提高乳酸的产量。步骤(3)中的发酵过程如下：将有机废物粉碎，加入絮凝物和水，絮凝物的加入量为有机废物的10～20dwt％，dwt表示干重，水的加入范围为：固液比1∶2～10g/ml，固体量为有机废物。而后调节发酵体系的含水率和pH值；将有机废物灭菌糖化后，按照有机废物量的0.4～2wt％接入干酪乳杆菌，35℃下厌氧发酵48～96h，固液分离即得发酵液，再经预处理、电渗析提纯，可得到乳酸。
上述步骤(3)中固液分离方法是倾析法或板框压滤法。对固液分离后的液相采用膜分离提纯乳酸，其膜分离法为电渗析法。
本发明是选择电渗析作为乳酸分离提纯方法时所进行的预处理。由于在电场的作用下，乳酸的分离是建立在乳酸根以阴离子的形态透过阴膜而向阳极迁移的基础上，因此在絮凝剂的选择上，需考虑到不能在发酵液中投加其他阴离子，以免影响乳酸的纯度。
本发明具有以下优点：本发明通过加入絮凝剂在不影响乳酸含量的基础上，使其与发酵液中的蛋白质、菌体、残糖等结合成团，易于沉降，可去除发酵液中的多种杂质，固液分离效果好。同时絮凝物中含有的蛋白质分子和菌体成分返回到发酵体系对发酵过程并无不利影响，絮凝物参与发酵可提高乳酸的产量。该法是一种操作简单，絮凝率高的发酵液预处理方法，不仅可满足后续膜分离对发酵液的进料要求，还对产生的絮凝物实现了综合利用，降低了发酵液絮凝预处理的成本，消除了对环境的潜在危害。
具体实施方式
实施例1
取工业白酒酒糟的发酵液50ml，调节pH值为5，加热至30～60℃，按表1加入壳聚糖，常速搅拌5min左右出现明显絮凝物，静置沉降30min，倾出上清液，稀释10倍后在650nm测其吸光度值以及乳酸浓度。
表1加入壳聚糖絮凝前后效果对比
*1絮凝率＝[(絮凝前吸光度值-絮凝后吸光度值)/絮凝前吸光度值]×100％
*2乳酸损失率＝[(絮凝前乳酸浓度-絮凝后乳酸浓度)/絮凝前乳酸浓度]×100％
按表2进行发酵试验：工业白酒酒糟5g，按固液比1∶10加入水，加入1g壳聚糖絮凝物，装入100ml的锥形瓶，调节pH值后121℃灭菌20分钟，按照接种量2％接入乳酸菌，35℃下发酵96h，测定产物中的乳酸含量。结果如表2所示。灭菌后消除了絮凝物中杂菌的影响，絮凝物中富含残糖，可补充酒糟发酵缺乏的碳源。加入1g壳聚糖絮凝物的乳酸产量是不加入絮凝物的1.62倍。
表2壳聚糖絮凝物参与发酵效果对比
| 编号 | 发酵底物 | 乳酸产量(mg/g干酒糟) |
| 1 | 5g酒糟 | 89.38 |
| 2 | 5g酒糟+1g壳聚糖絮凝物 | 144.38 |
实施例2
取工业白酒酒糟的发酵液50ml，调节pH值为8，加热至30～60℃，按表3加入CPAM，常速搅拌5min左右出现明显絮凝物，静置沉降30min，倾出上清液，稀释10倍后在650nm测其吸光度值以及乳酸浓度。
表3加入CPAM絮凝前后效果对比
*1絮凝率＝[(絮凝前吸光度值-絮凝后吸光度值)/絮凝前吸光度值]×100％
*2乳酸损失率＝[(絮凝前乳酸浓度-絮凝后乳酸浓度)/絮凝前乳酸浓度]×100％
按表4进行发酵试验：工业白酒酒糟10g，按固液比1∶5加入水，加入2gCPAM絮凝物，装入100ml的锥形瓶，调节pH值后121℃灭菌20分钟，按20u/g添加纤维素酶在50℃糖化120h后按接种量1％接入乳酸菌，35℃下发酵96h，测定产物中的乳酸含量。结果如表4所示。加入2gCPAM絮凝物的乳酸产量是不加入絮凝物的2.48倍。
表4CPAM絮凝物参与发酵效果对比
| 编号 | 发酵底物 | 乳酸产量(mg/g干酒糟) |
| 1 | 10g酒糟 | 92.01 |
| 2 | 10g酒糟+2gCPAM絮凝物 | 228 |
Claims (7)
1.通过絮凝从发酵液中分离乳酸并对絮凝物综合利用的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将发酵液加入氨水或氢氧化钠调节pH值至5～9，加热至30～60℃；
(2)加入絮凝剂0.2g/L～0.6g/L后搅拌5min，静置沉降30min；
(3)固液分离：固液分离后的液相进入后续的膜分离提纯乳酸工序，而固相即絮凝物返回至发酵槽，与新添有机废物进行乳酸共发酵。
2.根据权利要求1所述的通过絮凝从发酵液中分离乳酸并对絮凝物综合利用的方法，其特征在于所述的发酵液为工业酒糟或餐厨垃圾或食品加工废物乳酸发酵后经压滤得到的含乳酸、残糖、蛋白质和菌体碎片等的混合物。
3.根据权利要求1所述的通过絮凝从发酵液中分离乳酸并对絮凝物综合利用的方法，其特征在于步骤(2)中加入到发酵液中的絮凝剂为壳聚糖或阳离子聚丙烯酰胺有机絮凝剂。
4.根据权利要求1所述的通过絮凝从发酵液中分离乳酸并对絮凝物综合利用的方法，其特征在于步骤(3)中固液分离方法是倾析法或板框压滤法。
5.根据权利要求1所述的通过絮凝从发酵液中分离乳酸并对絮凝物综合利用的方法，其特征在于步骤(3)中膜分离提纯乳酸工序采用的是电渗析法。
6.根据权利要求1所述的通过絮凝从发酵液中分离乳酸并对絮凝物综合利用的方法，其特征在于步骤(3)中的发酵过程如下：将有机废物粉碎，加入絮凝物和水；絮凝物的加入量为有机废物的10～20dwt％，dwt表示干重；水的加入范围为：固液比1∶2～10g/ml，固体量为有机废物；而后调节发酵体系的含水率和pH值，将有机废物灭菌糖化后，按照有机废物的0.4～2wt％接入干酪乳杆菌，35℃下厌氧发酵48～96h，固液分离即得发酵液，再经预处理、电渗析提纯，能得到乳酸。
7.根据权利要求6所述的通过絮凝从发酵液中分离乳酸并对絮凝物综合利用的方法，其特征在于接入的乳酸菌为干酪乳杆菌。
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