CN102516063A

CN102516063A - 一种从发酵液中提取d-乳酸的方法

Info

Publication number: CN102516063A
Application number: CN2011104574641A
Authority: CN
Inventors: 应汉杰; 胡亚南; 吴菁岚; 陈勇; 陈晓春; 谢婧婧; 柏建新; 王裴
Original assignee: Nanjing Tech University
Current assignee: Nanjing Tech University
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2011-12-30
Publication date: 2012-06-27

Abstract

本发明公开了一种从发酵液中提取D-乳酸的方法，该方法将经酸化处理的发酵液，通过一步大孔吸附树脂吸附饱和，接着用60℃以上的热水洗脱树脂床层，得到纯度高的D-乳酸洗脱液。该方法选用的大孔吸附树脂能够有效地分离D-乳酸和杂酸，其中，D-乳酸的纯度高于98％，硫酸根去除率大于92％，乳酸的热水洗脱收率大于98％。该工艺路线易于实现工业化放大，比传统工艺节省步骤，产品收率提高1.5～2倍；同时，采用热水作为洗脱剂，过程不需要消耗大量的酸、碱等试剂，减少废水排放量，建立了一个经济有效和环保的工艺路线。

Description

一种从发酵液中提取D-乳酸的方法

技术领域

本发明属于生物分离技术领域，具体涉及一种从发酵液中提取D-乳酸的方法。

背景技术

D-乳酸是一种重要的有机酸，它可以广泛的用于医药、化工和农业等领域。例如，以乳酸为原料合成的聚乳酸塑料可以完全代替传统的塑料。聚乳酸是一种生物可降解高分子材料，在自然界中经过微生物作用分解成二氧化碳和水，可以解决白色污染问题。同时，研究发现等量混合右旋聚乳酸(PDLA)与左旋聚乳酸(PLLA)得到的聚乳酸立体复合结构，其热稳定性高于纯聚乳酸50℃。此外，以高纯的D-乳酸制造的“骠马”和“威霸”除草剂，作为新型的低毒性农药，能够有效的除草杀虫既经济又可靠。市场上，同等级的D-乳酸价格比L-乳酸贵5～10倍。因此，D-乳酸的生产与纯化逐渐受到重视。

目前，乳酸主要通过发酵法生产，以淀粉、还原糖、牛乳等原料，利用菊糖芽孢乳酸杆菌(Sporolactobacillus Lactobacillus)、德氏乳杆菌(Lactobacillus delbrueckii)、保加利亚乳杆菌(Lactobacillus bulgaricus)、芽孢乳杆菌(Sporolactobacillus)等发酵生产乳酸。然而，乳酸含量较多时会对乳酸菌生长产生抑制作用，需加入中和剂(如碳酸钙)提高发酵液的pH。因此，乳酸发酵产物多为乳酸钙。乳酸的分离一直是乳酸生产的难点，它占取乳酸生产成本的60％左右。工业上，普遍采用乳酸钙结晶-酸解工艺提纯乳酸。该工艺成熟易于控制，但是存在工艺路线长，单元操作多，废液污染严重，乳酸回收率在40～50％之间，成本高等缺点。

针对以上问题，许多研究者采取各种方法改进乳酸提取工艺。其中，离子交换法和吸附法作为备选的技术得到广泛的研究。Rpque L.Evangelista等(Applied Biochemistyand Biotechnology，1996，57：471-480)用弱极性阴离子吸附剂分离乳酸，考察三种吸附介质VI-5、MWA-1、IRA-35对乳酸的吸附性能，但是发酵液中杂质也被吸附到树脂上，且容易洗脱下来，造成产品纯度不高，需要后分离。M.Isabel Gonzalez等(Industrial &Engineering Chemistry Research，2006，45，3243-3247)提出了一种新的纯化工艺，选用强酸性阳离子交换树脂Lewatit S2568H去除阳离子，降低溶液的pH到1.5左右；再经过阴离子树脂Lewatit S3428除无机阴离子，该工艺提高产品的纯度，但是，离子交换树脂需要频繁的再生，酸碱耗用量大，造成环境污染问题。Isam H.Aljundi等(ChemicalEngineering Science，2005，60：5004-5009)采用沸石分子筛从发酵液和水溶液中吸附乳酸，但沸石对发酵液中的乳酸吸附量(55g/kg)比水溶液中的乳酸低(37g/kg)，而相较于其他聚合吸附剂吸附量低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种从发酵液中提取D-乳酸的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种从发酵液中提取D-乳酸的方法，该方法包括如下步骤：

(1)将经过加热溶解的D-乳酸钙发酵液固液分离得D-乳酸钙清液；

(2)将含量为50～60wt％的硫酸加入步骤(1)得到的D-乳酸钙清液中酸解D-乳酸钙，边流加酸边搅拌，反应温度控制在60～80℃，直至溶液pH值达到2.0，酸解结束，固液分离后取清液得到粗D-乳酸溶液；

(3)将步骤(2)得到的粗D-乳酸溶液经装有大孔吸附树脂的吸附柱吸附，柱温20～40℃，吸附流速2～4BV/h，直至吸附饱和；

(4)用60℃以上的去离子水洗脱吸附饱和的吸附柱，柱温维持在60～100℃，洗脱流速1～3BV/h，去离子水的用量为3～5BV，将D-乳酸从树脂柱上洗脱下来，收集洗脱液，实现D-乳酸的分离；

(5)用50～80(v/v)％的乙醇以2～4BV/h的流速洗去树脂上的色素对柱中树脂进行再生，乙醇的用量为2～4BV，吸附柱再生后以备下一次吸附使用。

步骤(1)中，加热溶解温度为80～90℃。

步骤(1)中，得到的D-乳酸钙清液中D-乳酸钙浓度为5～12wt％，其还包括硫酸根、钙离子、葡萄糖、色素等杂质。

步骤(1)或步骤(2)中，固液分离分离方法为离心或板框压滤。

步骤(3)中，所述的大孔吸附树脂为聚苯乙烯大孔吸附树脂，其功能基团为酚羟基、酰胺基或氰基。

步骤(3)中，所述的大孔吸附树脂粒径范围为0.2～1.5mm，比表面积为150～1000m²/g，孔容为0.5～2ml/g，平均孔径为1～100nm，含水量为40～70％，湿视密度为500～800g/L。

步骤(3)中，所述的吸附柱高径比为5～10∶1。

步骤(4)中，去离子水的温度为80～90℃，柱温维持在80～90℃。

目前工业上一般采用钙盐法提取乳酸，该工艺成熟，但是单元操作多且污染严重。而离子交换法中树脂的洗脱和再生需要消耗大量的酸、碱等试剂，且强酸性离子(如

)与乳酸产生竞争吸附，影响乳酸吸附量。因此，本文选择一种大孔吸附树脂对发酵液中的D-乳酸进行分离提取研究。筛选出的大孔吸附树脂可以直接吸附D-乳酸，同时对共存离子

基本不吸附。加之，通过热解吸的方法从吸附剂中将D-乳酸洗脱下来，减少环境污染，研究发现热水解吸收率达到98％以上。

有益效果：本发明的从发酵液中提取D-乳酸的方法，选择的大孔吸附树脂属于热再生树脂，在温度较低时，可吸附乳酸，在温度较高时，失去对D-乳酸的吸附作用，因此热水可将D-乳酸洗脱下来。采用的热再生树脂不需消耗酸碱或有机溶剂，避免环境污染问题，具有很重要的环保意义。本发明涉及的大孔吸附树脂对色素吸附量大，但是热水不能将之洗脱下来，而被残留在树脂上，因此省去脱色步骤。总之，筛选的大孔树脂对葡萄糖和各种杂质离子

Cl^-不吸附，从而实现乳酸和杂质的分离。通过实验结果表明，乳酸的提取率达90～94％，硫酸根去除率达到92％以上，葡萄糖去除率达到99％，并除去大部分色素。

附图说明

图1为传统钙盐法工艺流程图。

图2为本发明工艺流程示意图。

图3为本发明实施1中D-乳酸在不同pH下的解离曲线和吸附量比较。

图4为本发明实施3中D-乳酸在不同温度下的吸附等温线。

图5为本发明实施4中测定的大孔吸附树脂的洗脱曲线。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

以下实施例中，采用高效液相法检测溶液中D-乳酸的浓度，色谱条件为：Bio-RAD公司Aminex HPX-87H离子色谱柱(300mm×7.8mm，9μm)；流动相为3mmol/L硫酸溶液；流速为0.4ml/min；柱温为65℃；进样量为20μL；紫外检测波长设定为210nm；

实施例1：pH的影响

配制5g/L的D-乳酸溶液50mL，磁力搅拌测定pH。将0.1mol/L的NaOH滴定到D-乳酸溶液中，磁力搅拌同时测量pH，记录碱滴定量及pH值。通过以下公式换算得出D-乳酸的解离曲线，结果如图3所示。

配制25mL，35g/L D-乳酸溶液7瓶，分别调节pH值为1.5，2.0，3.0，4.0，5.0，6.0，7.0，置于20℃的摇床里，转速设定为120rpm，振荡平衡12h。吸附饱和后用HPLC测定D-乳酸浓度，计算吸附量。其结果如图4所示。

由图3可知，pH对D-乳酸的吸附量影响很大，在较低pH(≤2)下，D-乳酸的吸附量较大，有利于D-乳酸的吸附；而随着pH(＞6)的升高，D-乳酸的吸附量逐渐降低直至基本无变化。原因为大孔吸附树脂的功能基团为酚羟基，酰胺基或氰基，在较低pH下，D-乳酸主要为乳酸分子，乳酸分子中的羧基和羟基与树脂功能基团发生氢键作用，促进于D-乳酸吸附到树脂上；但随着pH的升高，D-乳酸逐渐解离为乳酸盐，减弱了氢键作用，不利于D-乳酸的吸附。因此，发酵液上柱的pH保持在2.0左右。

实施例2：

本实施例为测定大孔吸附树脂对混合液中的D-乳酸和硫酸根的吸附分离因子，具体如下。

配制一定浓度配比的D-乳酸和硫酸钠的混合料液，取25ml的混合液于100ml的锥形瓶中。准确称取2g的树脂，加入混合液中，置于20℃的摇床，以120rpm的转速平衡8h。用高效液相法与GB/T 5750.5-2006分别检测溶液中的D-乳酸和硫酸根浓度，结果见表1。

表1 大孔吸附树脂的分离因素

实施例3：

配置不同浓度配比的25ml乳酸溶液，分别加入2g的大孔吸附树脂，分别置于20℃，40℃，60℃，80℃的摇床里，转速设定为120rpm，待吸附平衡后，测定溶液中的D-乳酸浓度。对实验数据采用modified Langmuir等温方程式进行拟合。

结果如图4所示，可见D-乳酸的吸附过程符合modified Langmuir吸附等温模型。随着温度的升高，吸附容量减少，说明该吸附过程是放热过程。升高温度加速D-乳酸溶解到溶液中，而不是吸附到树脂上。因此可以推断，升高温度，D-乳酸容易从树脂上解吸下来。

实施例4：

采用芽孢乳杆菌(Sporolactobacillus 07 or Sporolactobacillus Y15)发酵生产D-乳酸的工艺，包括平板培养、种子培养和上罐发酵。首先将芽孢如杆菌接种至平板培养基中进行厌氧培养，温度37℃，培养时间为48h；接着将平板培养好的芽孢乳杆菌接种到种子培养基中，倒入灭过菌的液体石蜡1.5cm左右液封，温度37℃，培养时间为24h；最后将种子培养液接种到发酵液培养基中直接上罐发酵，接种量为10％(v/v)，发酵罐子装液量4-5L，转速200rpm，温度37℃，全程通入氮气维持厌氧环境。其中，平板培养基：葡萄糖100g/L，酵母膏2g/L，蛋白胨2g/L，玉米浆2ml/L，无水乙酸钠2g/L，七水合硫酸镁0.4g/L，KH₂PO₄ 2g/L，自来水配制，调pH7.0，121℃20min灭菌。种子培养基：糖20g/L，酵母膏2g/L，蛋白胨2g/L，玉米浆5ml/L，七水合硫酸镁0.4g/L，麸皮2g/L，CaCO₃ 14g/L，玻璃珠10颗左右，自来水配制，调pH7.0，121℃20min灭菌。发酵培养基：糖150g/L，酵母膏5g/L，玉米浆15ml/L，七水合硫酸镁1g/L，麸皮15g/L，CaCO₃ 90g/L，摇瓶加玻璃珠10颗左右，自来水配制，调pH7.0，121℃15min灭菌。

实施例5：

将实施例4得到的D-乳酸钙发酵液按如下步骤进行分离，其中，所使用的大孔吸附树脂为聚苯乙烯大孔吸附树脂，其功能基团为酚羟基，树脂粒径范围为0.2～0.6mm，比表面积为300～1000m²/g，孔容为0.5～1.8ml/g，平均孔径为1～80nm，含水量为50～70％，湿视密度为500～700g/L。

(1)将经过80℃加热溶解的D-乳酸钙发酵液离心得D-乳酸钙清液，其中，D-乳酸钙浓度为5wt％，纯度为40％；

(2)将含量为50wt％的硫酸加入步骤(1)得到的D-乳酸钙清液中酸解D-乳酸钙，边流加酸边搅拌，反应温度控制在80℃，直至溶液pH值达到2.0，酸解结束，离心后除去硫酸钙沉淀取清液得到粗D-乳酸溶液；

(3)将步骤(2)得到的粗D-乳酸溶液经装有大孔吸附树脂的吸附柱吸附，吸附柱高径比为5∶1，通过循环水预加热树脂柱，维持柱温在20℃，吸附流速4BV/h，直至吸附饱和；

(4)用60℃的去离子水洗脱吸附饱和的吸附柱，通过循环水预加热树脂柱，维持柱温在60℃，洗脱流速3BV/h，去离子水的用量为5BV，将D-乳酸从树脂柱上洗脱下来，收集洗脱液，实现D-乳酸的分离，洗脱液中D-乳酸纯度为98％；

(5)用50(v/v)％的乙醇以4BV/h的流速洗去树脂上的色素对柱中树脂进行再生，乙醇的用量为2BV，吸附柱再生后以备下一次吸附使用。

本实施例中，乳酸提取率达到90％，硫酸根去除率达到92％以上，葡萄糖去除率达到99％，色素去除率达到93％。

实施例6：

将实施例4得到的D-乳酸钙发酵液按如下步骤进行分离，其中，所使用的大孔吸附树脂为聚苯乙烯大孔吸附树脂，其功能基团为酰胺基，粒径范围为1.2～1.5mm，比表面积为150～800m²/g，孔容为0.5～2ml/g，平均孔径为20～100nm，含水量为40～60％，湿视密度为600～800g/L。

(1)将经过90℃加热溶解的D-乳酸钙发酵液离心得D-乳酸钙清液，其中，D-乳酸钙浓度为12wt％，纯度为60％；

(2)将含量为60wt％的硫酸加入步骤(1)得到的D-乳酸钙清液中酸解D-乳酸钙，边流加酸边搅拌，反应温度控制在60℃，直至溶液pH值达到2.0，酸解结束，离心后除去硫酸钙沉淀取清液得到粗D-乳酸溶液；

(3)将步骤(2)得到的粗D-乳酸溶液经装有大孔吸附树脂的吸附柱吸附，吸附柱高径比为10∶1，通过循环水预加热树脂柱，维持柱温在40℃，吸附流速2BV/h，直至吸附饱和；

(4)用95℃的去离子水洗脱吸附饱和的吸附柱，通过循环水预加热树脂柱，维持柱温在95℃，洗脱流速1BV/h，去离子水的用量为3BV，将D-乳酸从树脂柱上洗脱下来，收集洗脱液，实现D-乳酸的分离，洗脱液中D-乳酸纯度为98.5％；

(5)用80(v/v)％的乙醇以2BV/h的流速洗去树脂上的色素对柱中树脂进行再生，乙醇的用量为4BV，吸附柱再生后以备下一次吸附使用。

本实施例中，乳酸提取率达到93％，硫酸根去除率达到92.5％，葡萄糖去除率达到99.2％，色素去除率达到94％。

实施例7：

将实施例4得到的D-乳酸钙发酵液按如下步骤进行分离，其中，所使用的大孔吸附树脂为聚苯乙烯大孔吸附树脂，其功能基团为氰基，粒径范围为0.8～1.0mm，比表面积为450～800m²/g，孔容为1～2ml/g，平均孔径为20～100nm，含水量为50～60％，湿视密度为600～700g/L。

(1)将经过85℃加热溶解的D-乳酸钙发酵液离心得D-乳酸钙清液，其中，D-乳酸钙浓度为10wt％，纯度为58％；

(2)将含量为55wt％的硫酸加入步骤(1)得到的D-乳酸钙清液中酸解D-乳酸钙，边流加酸边搅拌，反应温度控制在70℃，直至溶液pH值达到2.0，酸解结束，离心后除去硫酸钙沉淀取清液得到粗D-乳酸溶液；

(3)将步骤(2)得到的粗D-乳酸溶液经装有大孔吸附树脂的吸附柱吸附，吸附柱高径比为10∶1，通过循环水预加热树脂柱，维持柱温在30℃，吸附流速3BV/h，直至吸附饱和；

(4)用60℃以上的去离子水洗脱吸附饱和的吸附柱，通过循环水预加热树脂柱，维持柱温在85℃，洗脱流速2BV/h，去离子水的用量为4BV，将D-乳酸从树脂柱上洗脱下来，收集洗脱液，实现D-乳酸的分离，洗脱液中D-乳酸纯度为99％；

(5)用60(v/v)％的乙醇以3BV/h的流速洗去树脂上的色素对柱中树脂进行再生，乙醇的用量为3BV，吸附柱再生后以备下一次吸附使用。

本实施例中，乳酸提取率达到94％，硫酸根去除率达到93％，葡萄糖去除率达到99.5％，色素去除率达到95％。

Claims

1.一种从发酵液中提取D-乳酸的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(5)用50～80(v/v)％的乙醇以2～4BV/h的流速对柱中树脂进行再生，乙醇的用量为2～4BV，吸附柱再生后以备下一次吸附使用。

2.根据权利要求1所述的从发酵液中提取D-乳酸的方法，其特征在于，步骤(1)中，加热溶解温度为80～90℃。

3.根据权利要求1所述的从发酵液中提取D-乳酸的方法，其特征在于，步骤(1)中，得到的D-乳酸钙清液中D-乳酸钙浓度为5～12wt％。

4.根据权利要求1所述的从发酵液中提取D-乳酸的方法，其特征在于，步骤(1)或步骤(2)中，固液分离分离方法为离心或板框压滤。

5.根据权利要求1所述的从发酵液中提取D-乳酸的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的大孔吸附树脂为聚苯乙烯大孔吸附树脂，其功能基团为酚羟基、酰胺基或氰基。

6.根据权利要求1或5所述的从发酵液中提取D-乳酸的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的大孔吸附树脂粒径范围为0.2～1.5mm，比表面积为150～1000m²/g，孔容为0.5～2ml/g，平均孔径为1～100nm，含水量为40～70％，湿视密度为500～800g/L。

7.根据权利要求1所述的从发酵液中提取D-乳酸的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的吸附柱高径比为5～10∶1。

8.根据权利要求1所述的从发酵液中提取D-乳酸的方法，其特征在于，步骤(4)中，去离子水的温度为80～90℃，柱温维持在80～90℃。