菊糖芽孢乳杆菌以及采用该菌株发酵制备D-乳酸的方法
技术领域
本发明涉及制备D-乳酸的方法。
本发明涉及一种工业化生产高纯度聚合级D-乳酸的工艺路线,它包含专用菌种、种子和发酵培养基配方,发酵工艺和提取纯化工艺,属于有机酸生物炼制领域。
背景技术
乳酸(Lactic Acid)是一种重要的有机酸,它在食品、饮料、饲料、现代医药、现代农药、日用化工、造纸及电子等行业具有广泛的应用前景。根据乳酸的旋光性质可分为L-乳酸、DL-乳酸和D-乳酸。近年来,人们以L-乳酸为原料,制成可生物降解的新型环保材料-聚乳酸(PLA)。在全球变暖、石油紧缺、原油价格剧烈波动的大环境下,再生资源特别是生物降解材料受到了更大的关注。其中,聚乳酸材料是第一个形成商业化规模的降解材料,被认为是最有市场价值的可降解新材料。目前开发聚乳酸主要由L-乳酸制备而来,所制备的L型聚乳酸称为PLLA,由于受其性能影响,目前主要应用于普通包装材料和热塑制品。随着D型聚乳酸(PDLA)技术的开发,通过对PLLA中加入一定量的PDLA共混,可形成高结晶性的立构聚乳酸(scPLA),有更高的溶解温度(230℃,普通聚乳酸为180℃)和更好的机械性能,scPLA可用于高附加值工程塑料应用领域和改善PLA性能拓展其应用领域。在2008年前国际上工业级D-乳酸还未形成产业化,少量的中试D-乳酸产品价格在10~30万元/吨,国内目前还没有提供高品质聚合级D型乳酸产品的生产单位。
在聚乳酸材料开发之前,D-乳酸的研究未被重视,随着D-乳酸产品应用价值的发现,促进了D-乳酸生产研究的开展。生产乳酸的方法主要有化学合成法和发酵法。其中化学合成法只能合成DL-乳酸,若要得到L型和D型乳酸还需进行光学拆分,而且合成法原料来自于石油副产物,具有毒性,所以在日常生产中一般不被接受。微生物发酵乳酸以淀粉糖为原料,来源广泛,生产安全性好,成本低,是乳酸主要的生产方式。
国内有关D-乳酸研究报道较少,南京工业大学丁子建等于2004年首次报道利用芽孢乳杆菌(Sporolactobacillus sp.)从葡萄糖发酵产D-乳酸的工艺,发酵72小时后产酸40.7g/L,光学纯度96.04%;南京工业大学杨文革等在2006年发表组合发酵生产D-乳酸工艺(中国专利申请号200610097453.6)以乳酸杆菌(Lactobacillus)进行有氧、微氧、厌氧三段组合发酵技术,发酵时间25-38h,产酸达到7.5-13.1%;中国科学院微生物研究所许平等在2007年发表半连续法发酵生产D-乳酸工艺中国专利申请号200710176056.2。
上述公开的技术,由于主要局限于菌种和局部发酵条件的探索等原因,未深入涉及到工业化生产工艺以及D-乳酸的提取纯化技术的开发,与工业化有较大距离,所以目前均未能工业化实施。
发明内容
本发明的目的是提供一种菊糖芽孢乳杆菌以及采用该菌株发酵制备D-乳酸的方法,以实现工业化发酵生产D-乳酸。
用于生产本发明的D-乳酸的微生物-菊糖芽孢乳杆菌(Sporolactobacillus inulinus)为一种属于芽孢乳杆菌属的菌种,进一步鉴定种名为菊糖芽孢乳杆菌,该菌种从东北菊糖厂粗制菊糖粉中分离而得,其于2010年7月7日,在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心保藏(地址:北京市朝阳区北辰西路1号院3号 邮编:100101),保藏号为CGMCC No.3997。
所述的菊糖芽孢乳杆菌(Sporolactobacillus inulinus)具有下述性质:
1)形态特征:杆状、单个或成对,形成内生孢子,少量周生鞭毛,运动。
在含有葡萄糖、酵母膏、牛肉膏、蛋白胨的琼脂平板上形成细小的针状菌落。
2)生理生化特征:革兰氏阳性,微耗氧。不形成吲哚,不液化明胶,不还原硝酸盐,石蕊牛奶不变。
能利用果糖、葡萄糖、菊糖、棉子糖、麦芽糖、甘露糖、海藻糖、蔗糖产酸,不能利用木糖、半乳糖、阿拉伯糖产酸。
10℃以下和45℃以上不生长,最适生长温度35-40℃。
根据东秀珠等《常见细菌系统鉴定手册》(科学出版社2001)报道的方法进行鉴定,所述的菌种属于芽孢乳杆菌属的菌种,但是,又与“伯杰细菌鉴定手册”(第八版)中菊糖芽孢乳乳杆菌有明显区别,其“伯杰细菌鉴定手册”(第八版)中菊糖芽孢乳乳杆菌与菊糖芽孢乳杆菌形态和生理生化特征比较如表1所示:
表1
所述菊糖芽孢乳杆菌(Sporolactobacillus inulinus)的筛选方法:
(1)采集来自菊糖厂粗制菊糖粉,称取5g菊糖粉溶于100mL生理盐水,充分混匀后取1mL至9mL无菌水中,摇匀制成10-1稀释液。重复上述步骤制成10-2、10-3、10-4、10-5稀释液,取10-3、10-4、10-5稀释液0.1-0.2mL涂布于MRS固体培养基上,37℃培养;菌落长出后,挑取能将周围培养基的碳酸钙溶解而形成透明圈明显的单菌落,接种于25mL发酵培养基中,38℃静止培养72hr后,根据上述具体实施方式中所述的检测方法,检测发酵液中D-乳酸含量。经过多次筛选,挑出一株D-乳酸产量最高的菌株;
(2)菌株诱变筛选
采用化学诱变剂亚硝基胍处理上述获得的D-乳酸产量最高的菌株后,在添加乳酸钠(相当于8.0%-10%乳酸)的MRS培养基中进行37℃培养,共得到324株耐受产物乳酸能力增长的突变型。最后,对发酵培养基进行优化并对20株产量正突变株的发酵产物进行定量测定。经传代发酵试验,即可获得本发明的菊糖芽孢乳杆菌(Sporolactobacillus inulinus)高产变异株。
采用所述菊糖芽孢乳杆菌(Sporolactobacillus inulinus)发酵生产D-乳酸的方法,包括如下步骤:
(1)发酵种子的培养:
在无菌室内,将试管斜面培养的菊糖芽孢乳杆菌接种到三角玻璃培养瓶内,以葡萄糖为碳源,进行厌氧培养,并加入碳酸钙,将瓶口用绒布和牛皮纸二层扎紧封口,在箱式摇床上进行培养,培养温度在35-45℃,pH控制在5-6,培养时间在15-20小时;
然后将上述培养后的产物,以葡萄糖为碳源,配制种子培养基,糖的质量浓度为4%-5%,培养温度为35-45℃,pH为5-6的条件下进行种子罐种子培养,中和剂选用轻质碳酸钙,前期通入氮气在0.1-0.05Mpa罐压下,接入摇瓶种子进行种子罐种子培养,培养时间在15-20小时,培养中后期转化为微氧培养,种子罐可以是一级培养也可以二级或三级培养。
上述的发酵种子的培养为一种常规的方法,培养基等为无特殊的要求,具体的过程,可参见Kosaki.M.:Production of high optical purity D-lactic acid(P).US5466588,1995-11-14 文献报道的方法;
(2)D-乳酸发酵:
将步骤(1)培养好的种子接种于发酵培养基上,接种量为3%-8%(v/v),培养温度为35-45℃,pH为5-6,发酵采用交替批式培养,从开始培养至6小时之间,利用自身排出的二氧化碳气体作为厌氧环境,为厌氧发酵,6-30小时之间为微氧发酵,30小时至培养结束利用自身排出的二氧化碳气体作为厌氧环境,为厌氧发酵,发酵周期为40-50小时,获得含有D-乳酸的发酵醪液;
所述微氧发酵时,通入空气,空气通入量采用氧化还原电位和二氧化碳变化进行控制,氧化还原电位为-150~-180,尾气二氧化碳含量在15-20%;
其中:
产酸为120-140g/L,糖酸转化率为92%-94%,发酵液光学纯度为98-99%;
糖酸转化率的定义如下:
P·V/S×100%
其中,P:发酵终了时,D-乳酸产酸量
V:发酵液总体积
S:配料时葡萄糖用量×(1-葡萄糖含水量)
所述的培养基以葡萄糖为发酵碳源,以豆粕水解液为氮源,通过培养基优选,培养基的组分和重量配比如下:
口服葡萄糖150克/升,玉米浆8克/升,蛋白胨6克/升,豆粕水解液15克/升。
(3)聚合级D-乳酸的提取和精制:
(a)将获得的发酵醪液,30~40℃下通过管式微滤膜过滤器,精度为10-80nm,过滤时间为5~10小时,过滤后,获得的清液的透光率为60-65%,发酵醪液的体积浓缩倍数为15~25倍;
所述管式微滤膜过滤器可采用商业化的产品,如欧洲进口的荷兰公司牌号为Norit的产品;
其中:术语“精度为10-80nm”,指的是10-80纳米,相等于0.01-0.08微米;
(b)在获得的清液中,加入重量浓度为95~98%的硫酸,进行酸解反应,反应时间为1~2小时,生成D-乳酸与硫酸钙,过滤,去除硫酸钙,得到重量含量为8~10%的D-乳酸清液;
(c)将D-乳酸清液30~40℃下通过卷式超滤膜过滤器,精度为4000-8000Doltons,超滤时间5~10小时,过滤后,获得的清液其透光率85-88%,色度500-800APHA,D-乳酸重量含量为7~9%;
所述卷式超滤膜过滤器可采用商业化的产品,如美国进口、GE公司牌号的产品;
(d)将步骤(c)获得的产物,30~40℃下通过卷式纳滤膜过滤器,精度为400-800Doltons,纳滤时间为5~10小时,过滤后,获得的清液的透光率为96-98%,色度30-50APHA,D-乳酸重量含量为6~8%;
卷式纳滤膜过滤器可采用商业化的产品,如美国进口、GE公司牌号的产品;
(e)将步骤(d)获得的产物蒸发浓缩至原体积的10~12倍,获得浓缩物,其中,D-乳酸的重量含量85%,色度50-70APHA;
(f)将步骤(e)的浓缩物,在一级短程蒸馏装置中真空蒸馏,进行脱水浓缩和脱氢组分,浓缩真空度为0.8-0.95Mpa,浓缩温度为50-90℃,由蒸馏装置的底部获得成品,重量浓度为98-100%,色度为10-20 APHA;
(g)由一级短程蒸馏装置底部出来的物料,送入二级短程蒸馏装置进行纯化分离,蒸馏真空度为10-100pa,蒸馏温度为50-100℃,由二级短程蒸馏装置底部获得成品,浓度98-100%,成品色度在10-20 APHA;未被分离的重组分送入后续工段,另行处理后再利用。
所述的短程蒸馏是高真空下的单程连续蒸馏过程,短程是指蒸发面和冷凝面之间的间距小,由于蒸发面和冷凝面之间的间距小,汽液相间不存在相平衡,其工作原理可参见文献:“武汉化工学院学报,2005年01期”的报道。
所述短程蒸馏装置,可采用商业化的产品,如北京新特科技发展公司可提供产品工业化生产技术及全套分子蒸馏装置,目前已推广工业化装置40余套。
本发明所用菌株具有稳定的高产性能和高光学纯度特点,发酵配方来源广泛,价格低廉,发酵状态介于厌氧和微氧之间,在大型发酵时无需大量惰性气体供应,可减少发酵过程的复杂性和降低生产成本,采用尾气二氧化碳和氧化还原电极在线检测和控制,有利于保障发酵高产稳产和发酵质量。在本发明所用菌株发酵周期40-50小时,发酵产酸12-14%,糖酸转化率在92%-94%,发酵光学纯度98-99%。在提取和纯化方面采用了一系列当今较为先进的膜技术和短程蒸馏技术,确保了产品质量和提取收率。
具体实施方式
实施例1
菌种筛选:
采集来自菊糖厂的粗制菊糖粉,称取5g菊糖粉溶于100mL生理盐水,充分混匀后取1mL至9mL无菌水中,摇匀制成10-1稀释液。重复上述步骤制成10-2、10-3、10-4、10-5稀释液,取10-3、10-4、10-5稀释液0.1mL涂布于MRS固体培养基上,38℃培养;菌落长出后,挑取能将周围培养基的碳酸钙溶解而形成透明圈明显的单菌落,接种于25mL发酵培养基中,38℃静止培养72hr后,根据上述具体实施方式中所述的检测方法,检测发酵液中D-乳酸含量。经过多次筛选,挑出一株D-乳酸产量最高的菌株。按东秀珠等《常见细菌系统鉴定手册》(科学出版社2001)初步鉴定命名为菊糖芽孢乳杆菌Sporolactobacillus.inulinus.DS2。
实施例2
D-乳酸菌株的筛选与诱变方法:
采用化学诱变剂亚硝基胍处理上述获得的D-乳酸产量最高的菌株后,在添加乳酸钠(相当于8.0%-10%乳酸)的MRS培养基中进行37℃培养,共得到324株耐受产物乳酸能力增长的突变型。最后,对发酵培养基进行优化并对20株产量正突变株的发酵产物进行定量测定。经传代发酵试验,获得一株稳定高产,生长速度快且转化率高的D-乳酸变异株DS2-18。
实施例3
采用来源广泛的豆粕水解液作为氮源生产D-乳酸。
摇瓶种子培养:在500mL三角玻璃培养瓶中装300mL 20克/升的葡萄糖液,加入蛋白胨10克/升,牛肉膏10克/升,酵母膏5克/升,柠檬酸氢二铵2克/升,乙酸钠5克/升,磷酸氢二钾2克/升,硫酸锰0.25克/升,硫酸镁0.5克/升,吐温80,1克/升,溶解均匀,121℃灭菌15分钟,冷却至40℃,接入一白金耳试管斜面培养的菊糖芽孢乳杆菌菌种,并加入15克/升的碳酸钙,将瓶口用绒布和牛皮纸二层扎紧封口,在箱式摇床上进行培养,培养温度在40℃,摇床转速200r/min,培养16小时后,接入发酵培养瓶。
摇瓶发酵培养:在500mL三角玻璃培养瓶中按比例加入口服葡萄糖120克/升,玉米浆8克/升,蛋白胨6克/升,添加不同比例豆粕水解液,溶解均匀,装液量300mL,121℃灭菌15分钟,冷却至40℃,接种子培养液30mL,发酵过程中添加灭过菌的碳酸钙作为中和剂,瓶口用绒布和牛皮纸二层扎紧封口,在箱式摇床上进行培养,培养温度40℃,摇床转速200r/min,40小时后发酵结束,豆粕水解液10克/升比例较佳,辅料成本降低15.0%,采用EDTA滴定法测得发酵液中的乳酸重量含量11.5%,通过高压液相色谱测定光学纯度99.0%。
实施例4
摇瓶种子培养:选用葡萄糖20克/升,蛋白胨10克/升,牛肉膏10克/升,酵母膏5克/升,柠檬酸氢二铵2克/升,乙酸钠5克/升,磷酸氢二钾2克/升,硫酸锰0.25克/升,硫酸镁0.5克/升,吐温80 1克/升,将试管斜面培养的菊糖芽孢乳杆菌接种到500mL三角玻璃培养瓶内,并加入15克/升的碳酸钙,将瓶口用绒布和牛皮纸二层扎紧封口,在箱式摇床上进行培养,培养温度在40℃,摇床转速200r/min,pH控制在6,培养时间在16小时。培养结束后将种子全部接入到发酵罐内。
发酵培养:发酵培养基重量体积百分比:口服葡萄糖150克/升,玉米浆8克/升,蛋白胨6克/升,豆粕水解液10克/升。
选用30L自控发酵罐,配置有温度、转速、pH、空气流量、尾气二氧化碳、氧化还原电位等控制。发酵定容21L,接种量5%(v/v),中和剂为轻质碳酸钙,搅拌转速180r/min。经过空消灭菌的发酵罐,装入10L的发酵培养基和9L的水进行实罐灭菌,灭菌温度121℃15分钟,灭菌后冷却到40℃,加入1700克灭过菌的碳酸钙,接入培养好的种子开始进行发酵。前期不通无菌空气,发酵温度40℃,pH控制在6;
随着细胞浓度(OD)的增长,氧化还原电位和二氧化碳发生变化,培养6小时后开始进入微氧培养阶段,根据氧化还原电位和二氧化碳变化控制无菌空气流量,在发酵6-30小时,控制氧化还原电位为-150mv,以后控制在-180mv,尾气二氧化碳含量在15%;
在发酵30小时后不再通无菌空气,40小时后发酵结束,采用EDTA滴定法测得发酵液中的乳酸的重量含量12.5%,通过高压液相色谱测定光学纯度98.6%
实施例5
摇瓶种子培养:(与实施例4同)
一级种子罐培养:一级种子罐培养基重量百分比配比(与实施例4同)
选用30L自控发酵罐进行种子培养,配置有温度、转速、pH、空气流量、等控制。种子罐定容18L,接种量5%(v/v),中和剂为轻质碳酸钙,搅拌转速120r/min。经过空消灭菌的种子罐,装入10L种子培养基和6L的水进行实罐灭菌,灭菌温度121℃15分钟,灭菌后冷却到38℃,加入灭过菌的碳酸钙,接入培养好的摇瓶种子开始进行培养。在种子培养过程中通入2L/min氮气,培养温度38℃,pH控制在5,培养时间在16小时,培养结束后将种子全部接入到发酵罐内。
发酵培养:发酵培养基(与实施例4基本同)
选用300L自控发酵罐,配置有温度、转速、pH、空气流量、尾气二氧化碳、氧化还原电位等控制。发酵定容240L,接种量8%(v/v),中和剂为轻质碳酸钙,搅拌转速150r/min。经过空消灭菌的发酵罐装入发酵培养基和一定量的水进行实罐灭菌,灭菌温度121℃15分钟,灭菌后冷却到40℃,加入灭过菌的碳酸钙,接入培养好的种子开始进行发酵。前期不通无菌空气,发酵温度40℃,pH控制在5;随着细胞浓度(OD)的增长,氧化还原电位和二氧化碳发生变化,培养6小时后开始进入微氧培养阶段,根据氧化还原电位和二氧化碳变化控制无菌空气流量,在发酵6-30小时控制氧化还原电位在-150mv以后控制在在-180mv,尾气二氧化碳含量在15-20%;在发酵30小时后不再通无菌空气,50小时后发酵结束,采用EDTA滴定法测得发酵液中的乳酸重量含量13.5%,通过高压液相色谱测定光学纯度99%.
实施例6
D-乳酸提取及纯化工艺:
发酵液工艺物料情况:体积240L,D-乳酸重量含量13.5%,物料温度30℃.
1)选用一组管式微滤膜过滤器,精度10-80nm,面积10m2,作为发酵液菌体过滤,过滤时间4小时,过滤后透光率60-65%,发酵液浓缩10倍;
2)将清液送入300L酸解反应釜内,然后加入重量含量为98%浓硫酸进行酸解反应,反应时间2小时,生成D-乳酸与硫酸钙,板式过滤器滤去硫酸钙,得到重量含量10%左右的D-乳酸清液,然后送入超滤设备进行超滤;
3)选用一组卷式超滤膜过滤器,精度2000-5000 Doltons,面积10m2,超滤时间4小时,过滤后:透光率85-88%,色度500-800APHA,D-乳酸重量含量9%;
4)选用一组卷式纳滤膜过滤器,精度200-500Doltons,面积10m2,纳滤时间6小时,过滤后:透光率96-98%,色度30-50APHA,D-乳酸重量含量8%;
5)含量8%的纯清D-乳酸,经过10L/h的薄膜浓缩蒸发器和一组1m2刮板浓缩器的浓缩后,D-乳酸重量含量85%,色度50-70APHA。
参照L-乳酸食品级GB2023-80标准进行检测,D-乳酸的质量指标如下:
氯化物:≤20ppm,硫酸盐:≤20ppm,铁盐:≤10ppm,重金属:≤10ppm,钙盐:合格,灼烧残渣(%)≤0.05。
实施例7
短程蒸馏控制工艺:
选用一组二级短程蒸馏装置:第一级短程加热面积0.3m2,第二级短程加热面积1m2。
第一级用于继续脱色和轻组分,第二级进行短程蒸馏。
将来自浓缩后的D-乳酸送入到第一级短程进行脱水浓缩和脱氢组分,浓缩真空度在0.9Mpa,浓缩温度在70℃;
含量达到98%以上的D-乳酸料液连续送入到第二级短程蒸馏进行纯化分离;
从成品口出来的产品送入成品贮罐,未被分离的重组分送入重组分贮罐,另行处理后再利用。蒸馏真空度在50pa,蒸馏温度在80℃,成品出料浓度100%,成品色度在10 APHA。
短程蒸馏处理前后产品质量对照表
项目 |
处理前 |
处理后 |
浓度(%) |
85 |
100 |
色度(APHA) |
70 |
10 |
光学纯度(L/L+D,%) |
99 |
99 |
氯化物(%) |
≤0.002 |
≤0.001 |
硫酸盐(%) |
≤0.002 |
≤0.001 |
铁盐(%) |
≤0.001 |
≤0.0002 |
重金属(%) |
≤0.001 |
≤0.0002 |
钙盐(%) |
合格 |
合格 |
灼烧残渣(%) |
≤0.1 |
≤0.05 |
砷盐(%) |
≤0.0001 |
≤0.0001 |
热稳定性 |
黄色 |
195-200℃,≤50APHA |
实施例8
L型与D型聚乳酸共混试验:
本发明生产的D-乳酸送样做D型预聚物与L型预聚物共混试验,经相关研发聚乳酸单位试验结果:单独的D型预聚物的熔点在150℃附近,而L型与D型聚乳酸立构复合物的熔点在200℃附近,有明显的提高物质熔点的作用。