CN102533878B - 一种乳酸的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种乳酸的制备方法，其是以粮食或纤维素原料的乙醇发酵残液和糠醛渣为原料，接种乳酸菌，同时加入纤维素酶，发酵制备乳酸。本发明选用资源丰富、结构疏松的糠醛渣作为纤维素原料，选用商业可获得的乳酸菌，利用低廉的乙醇发酵残渣作为氮源，通过同步糖化混合发酵制备乳酸，将乙醇发酵与乳酸发酵进行有机耦合，提高了原料利用率和降低了化学品的消耗。
Description
技术领域
本发明涉及生物质化学工程领域，具体地说，涉及一种以乙醇发酵残液和糠醛渣为原料，发酵制备乳酸的新方法。
背景技术
化石精炼可供给社会的主要能源和化学品，同时带来了严重的环境问题。随着化石原料的不断消耗及其不可再生性，开发生物质精炼是维持可持续社会发展的必然趋势。目前生物质精炼过程成本居高不下，其商业化应用局限于乳酸和燃料乙醇的生产，并且都是基于淀粉等粮食原料的炼制过程。燃料乙醇可以直接代替汽油、柴油等石油燃料，是即将枯竭的化石能源替代能源；乳酸则是一种多用途化学品，在多个行业中具有广泛应用。近年来由于将粮食原料用于燃料乙醇和化学品的生产从而导致粮食价格的上涨，加剧了世界粮食危机。因此当前世界各国提倡以非粮食原料进行生物质精炼，我国也明确强调发展非粮食基生物质精炼。目前工业采用发酵法实现转化碳水化合物得到燃料乙醇，而乳酸的工业化生产主要有化学合成法、酶法和微生物发酵法，我国多采用发酵法为主。
采用价廉易得的木质纤维原料来生产乳酸，不仅能大大拓展其生产原料的来源，降低原料成本，而且对解决粮食危机和减少环境污染有积极意义，其经济效益和社会效益十分明显。使用木质纤维原料生物质生产乳酸，其过程成本远高于使用淀粉生产乳酸，因此降低木质纤维原料基乳酸的生产成本意义重大。微生物发酵法生产乳酸，可通过菌种选育和培养条件的选择而得到具有专一性的L-乳酸、D-乳酸或DL-乳酸。目前乳酸发酵多采用传统的乳酸菌，这些乳酸菌发酵需要复杂的营养条件，额外的营养物质添加不仅提高了发酵成本，也降低纯化乳酸的经济性。此外木质纤维原料本身通常难以提供乳酸菌发酵所需要的营养物质，因此使用木质纤维原料进行乳酸发酵尤其需要添加大量营养物质来保证原料的转化率。因此研究关注使用廉价的天然含氮物质替代酵母浸出物，从而降低使用木质纤维原料进行乳酸生产的成本。
目前燃料乙醇生产主要采用淀粉基原料，近年来，世界各国提倡以非粮食原料进行燃料乙醇生产。但是无论采用何种原料，乙醇工业都会产生大量废液或者残渣，这些废液和残渣富含难以回用的酵母细胞和其它有机物。对于需要一定糖及营养输入的酵母，不回用乙醇工业所产生的残渣无疑会降低过程的经济性，对于其它有机物，不回用则会降低原料组分利用率。采用淀粉基原料进行的乙醇生产，发酵残渣富含纤维素和酵母细胞，通常用作动物饲料以增加收入，然而这也只能利用其中的酵母细胞而不能利用非淀粉类多糖；如果采用非粮食原料，尤其是木质纤维原料进行的乙醇生产，发酵残渣因为富含木质素，缺少高效的利用方式。
在糠醛生产(纤维原料蒸煮水解)过程中，伴有大量糠醛废渣产生，每吨糠醛产品排出10吨以上残渣，我国每年排放糠醛废渣约3000万吨。糠醛的生产大多采用弱酸水解法，在分离了大部分半纤维素的同时，原料原有的纤维素与半纤维素、木素之间的复杂网状结构遭到一定程度的破坏，可省去复杂的植物纤维原料预处理过程，为利用糠醛渣纤维素生物转化提供了有利条件。
发明内容
本发明的目的是提供一种以乙醇发酵残液和糠醛渣为原料，发酵制备乳酸的新方法。
为了实现本发明目的，本发明的一种乳酸的制备方法，其是以乙醇发酵残液和糠醛渣为原料，接种乳酸菌，同时加入纤维素酶，发酵制备乳酸。其中，所述乙醇发酵残液是由粮食或纤维素原料经糖化发酵分离乙醇后剩余的残液，主要成分包括酵母细胞、未转化的纤维素、半纤维素、寡糖和单糖等。
接种时所用的乳酸菌为经过适应性培养的乳酸菌，适应性培养体系为：糠醛渣5g/l、KH2PO40.5g/l、MgSO4·7H2O 0.5g/l、NaCl 0.1g/l和CaCO320g/l，pH值6.0，以水配制。适应性培养温度为32℃，培养时间36h。
发酵时乳酸菌接种浓度为1.0～1.5g/l，优选1.25g/l，纤维素酶用量为10～20FPU/g糠醛渣，优选15FPU/g糠醛渣；发酵温度38～42℃，发酵时间108～120h，优选120h，控制发酵液pH值5.5～6.5。
本发明利用乙醇发酵残液作为乳酸发酵的氮源，以纤维素聚合度低、结构松散的糠醛渣为原料，采用经过适应性培养的乳酸菌及纤维素酶进行纤维素的同步糖化发酵转化同时制备乳酸。
首先用固体氢氧化钠对糠醛渣水溶液进行中和、过滤，中和的糠醛渣pH控制在5～6，滤液用于乳酸菌的适应性培养。乙醇发酵液经分离得到乙醇产品，剩下乙醇发酵残液，不额外再处理或经过附加酵母破碎处理的乙醇发酵残液经过滤分离出木质素，滤液备用。处理后的糠醛渣滤渣加入同步糖化发酵系统，并加入上步得到乙醇发酵残液的滤液，最后加入一定比例的经过适应性培养的乳酸菌及纤维素酶进行纤维素的同步糖化发酵转化，经分离可获得乳酸产品。
酵母细胞能为乳酸菌提供需要的营养物质，因此，发明人提出利用低廉的乙醇发酵残液作为发酵营养物，同步糖化发酵木质纤维原料生产乳酸，这种方式可以实现零投入化学品，只利用乙醇发酵残液作为营养源来生产乳酸。根据原料的不同，乙醇发酵残液可以分为两类：一类是使用淀粉原料进行乙醇发酵的发酵残液；另一类是使用非粮食原料进行乙醇发酵的发酵残液。通常第一类含有碳水化合物(单糖较少，多糖较多)和酵母细胞，第二类富含木质素和酵母细胞。使用上述两类酵母作为氮源的乳酸发酵相比单种乳酸菌发酵优势在于不消耗化学品。其它的优点在于：对于第一类酵母，还能高效利用乙醇工业过程残留单糖及非淀粉类多糖，并提高乳酸浓度；对于第二类酵母，实现酵母有机物和木质素的分离高效利用。
本发明的工艺流程如图1所示。其中，糠醛渣(工业糠醛渣)含水量55～60％，pH值2～3，经碱中和后，过滤至糠醛渣中水分含量80～85％。乙醇发酵的原料可以是淀粉原料，木质纤维原料或者二者的混合原料。发酵可以在中期或者后期停止，从而获得高的生产力或者产率，发酵在中期停止的发酵液中含有高浓度的残糖，发酵后期的发酵液中则残糖一般低于1g/l。因此发酵液中含有大量乙醇，可以含有范围广泛的可发酵单糖(＞0.5g/l)，含有大量非淀粉多糖(淀粉原料)，含有大量木质素(木质纤维原料及混合原料)。
其中淀粉原料：乙醇发酵液经过乙醇分离过程，通常为蒸馏过程，蒸馏过后残液能直接用于乳酸发酵，但是附加的处理能进一步提高乳酸的产率。木质纤维原料及混合原料：乙醇发酵液经过乙醇分离过程，通常为蒸馏过程，蒸馏过后残液分离木质素，滤液能直接用于乳酸发酵，分离木质素之前进行一些附加处理能进一步提高乳酸的产率。
以乙醇发酵残液作为氮源，进行糠醛渣同步糖化发酵制备乳酸的工艺具体如下：
(1)乙醇发酵液先采用蒸馏的方式分离乙醇，蒸馏是工业常用的乙醇分离单元操作。对于采用淀粉原料进行的乙醇发酵，蒸馏余液可以直接用于乳酸发酵，对于木质纤维原料进行的乙醇发酵，蒸馏余液先离心分离出木质素，之后滤液用于乳酸发酵。一些附加的处理可以提高蒸馏余液营养物质的溶出，比如蒸馏之后继续高温热处理或者酸热处理等。
(2)乳酸菌适应性培养：适应性培养是指乳酸菌发酵使用前提前适应含抑制物等发酵液环境的过程。乳酸菌适应性培养体系中含有5g/l糠醛渣。适应性培养的培养温度为32℃，培养时间为36h，pH值为6.0。乳酸菌适应性培养体系中还含有KH2PO40.5g/l、MgSO4·7H2O0.5g/l、NaCl 0.1g/l和CaCO3 20g/l，以水配制。
(3)同步糖化发酵：糠醛渣滤渣经过灭菌装入发酵罐，同步糖化发酵时糠醛渣固液比为5～9％(w/v)，纤维素酶用量15FPU/(g糠醛渣纤维素)，加入适应性培养过的乳酸菌，乳酸菌接种浓度1.25g/l，温度为38～42℃，同步糖化发酵120h，pH值5.5～6.5。
本发明的优点及有益效果：
(一)工业糠醛废渣资源量大、价格低廉，糠醛渣含有丰富的纤维素，其纤维素聚合度较低且结构松散，是制备纤维素生物转化的优选原料。
(二)本发明的乳酸发酵不需要添加其它有机物质，采用低廉的工业残余物作为氮源。
(三)传统的乙醇蒸馏过程也是一种有效的酵母破碎过程，因此乙醇发酵残渣可以直接作为乳酸发酵的营养添加物，不需要额外的单元操作，与现有的乙醇工业具有极高的可相容性。
(四)对于淀粉类原料的乙醇工业过程，本发明方法可以同时利用残液中酵母和非淀粉多糖，转化为乳酸。
(五)对于木质纤维原料的乙醇工业过程，本发明方法实现了酵母和木质素的分离高效利用。
(六)相比普通的木质纤维原料乳酸发酵体系，本发明方法能转化乙醇工业过程没有转化的碳水化合物，从而得到较高的乳酸浓度。
(七)乙醇发酵后期发酵速度明显减慢，为了保证底物转化率通常选择牺牲生产力，本发明方法可以保证乙醇较高的生产力，而残余的可发酵单糖同样能用与乳酸发酵，不造成浪费。
(八)乳酸的附加值高于乙醇，乙醇过程和乳酸过程的耦合，可以提高乙醇工业的过程经济性。
(九)本发明采用乙醇发酵残液作为营养物来源，使用乳酸菌(乳酸菌为嗜热乳杆菌)同步糖化发酵处理糠醛渣，可降低化学品消耗，提高同步糖化发酵产物浓度，同时较大程度提高乙醇发酵残液中纤维素、酵母细胞(酵母为耐高温型安琪活性干酵母)和木质素的利用率。
附图说明
图1为本发明以乙醇发酵残液和糠醛渣为原料，发酵制备乳酸的工艺流程图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。若未特别指明，实施例中涉及到的百分号“％”，是指质量百分比；但溶液的百分比，除另有规定外，是指100ml溶液中含有溶质的克数。以下实施例中纤维素酶来源于诺维信公司，酵母为耐高温型安琪活性干酵母，乳酸菌为嗜热乳杆菌，均为市售商品。
实施例1
使用20％玉米水解液，加入0.2％酵母，乙醇发酵30h，发酵液中含有27.6g/L糖，45.2g/L乙醇。取1L分离出乙醇后的发酵残液于121℃加热60min。乳酸菌适应性培养体系中含有糠醛渣5g/l，KH2PO40.5g/l、MgSO4·7H2O 0.5g/l、NaCl 0.1g/l和CaCO3 20g/l，以水配制。适应性培养的培养温度为32℃，培养时间为36h，pH值为6.0。取0.17L处理后的发酵残液加入发酵罐中，加入5％(w/v)糠醛渣进行发酵，用水补足发酵总体积至1L，固体CaCO3 5％(w/v)，纤维素酶加入量15FPU/g糠醛渣，适应性乳酸菌加入量1.25g/L，发酵温度为42℃，pH值为6.0，120h后乳酸为31.0g/L，产率100.1％(计算基准为残液中的单糖和糠醛渣的纤维素含量)。
实施例2
使用20％玉米水解液，加入0.2％酵母，乙醇发酵30h，发酵液中含有27.6g/L糖，45.2g/L乙醇。取1L分离出乙醇后的发酵残液于100℃加热10min。乳酸菌适应性培养体系中含有糠醛渣5g/l，KH2PO40.5g/l、MgSO4·7H2O 0.5g/l、NaCl 0.1g/l和CaCO3 20g/l，以水配制。适应性培养的培养温度为32℃，培养时间为36h，pH值为6.0。取0.17L处理后的发酵残液加入发酵罐中，加入5％糠醛渣进行发酵，，用水补足发酵总体积至1L，固体CaCO3，5％(w/v)，纤维素酶加入量15FPU/g糠醛渣，适应性乳酸菌加入量1.0g/L，发酵温度为38℃，pH值为6.0，108h后乳酸为27.9g/L，产率89.9％(计算基准为残液中的单糖和糠醛渣的纤维素)。
实施例3
使用20％玉米水解液，加入0.2％酵母，乙醇发酵30h，发酵液中含有27.6g/L糖，45.2g/L乙醇。向1L分离出乙醇后的发酵残液中加入1mol/L盐酸25℃放置1h，100℃加热10min，之后用10％NaOH调到中性备用。乳酸菌适应性培养体系中含有糠醛渣5g/l，KH2PO40.5g/l、MgSO4·7H2O 0.5g/l、NaCl 0.1g/l和CaCO3 20g/l，以水配制。适应性培养的培养温度为32℃，培养时间为36h，pH值为6.0。取0.17L处理后的发酵残液加入发酵罐中，加入5％(w/v)糠醛渣进行发酵，用水补足发酵总体积至1L，固体CaCO3，5％(w/v)，纤维素酶加入量20FPU/g糠醛渣，适应性乳酸菌加入量1.5g/L，发酵温度为42℃，pH值为6.5，110h后乳酸为29.41g/L，产率94.9％(计算基准为残液中的单糖和糠醛渣的纤维素含量)。
实施例4
使用5％糠醛渣进行乙醇发酵，加入0.2％酵母，发酵144h，发酵液中残糖0.64g/L，乙醇10.1g/L。取1L分离出乙醇后的发酵残液于100℃加热10min。乳酸菌适应性培养体系中含有糠醛渣5g/l，KH2PO40.5g/l、MgSO4·7H2O 0.5g/l、NaCl 0.1g/l和CaCO3 20g/l，以水配制。适应性培养的培养温度为32℃，培养时间为36h，pH值为6.0。残液经过滤后，滤渣主要为木质素，取0.17L处理后的发酵残液加入发酵罐中，加入5％糠醛渣进行发酵，发酵总体积1L，固体CaCO3，5％(w/v)，纤维素酶加入量10FPU/g糠醛渣，适应性乳酸菌加入量1.25g/L，发酵温度为40℃，pH值为6.0，100h后乳酸为22.2g/L，产率90.7％(计算基准为糠醛渣的纤维素含量)。
对比例
采用5％糠醛渣乳酸发酵，不加发酵培养基，固体CaCO3 5％(w/v)，纤维素酶加入量15FPU/g糠醛渣，乳酸菌加入量1.25g/L，发酵温度为42℃，120h后乳酸16.3g/L，产率为66.6％(计算基准为糠醛渣的纤维素含量)。该结果表明有机氮源对乳酸产率影响极大。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (5)
1.一种乳酸的制备方法，其特征在于，以乙醇发酵残液和糠醛渣为原料，接种乳酸菌，同时加入纤维素酶，发酵制备乳酸；
其中，所述乙醇发酵残液是由粮食或纤维素原料经糖化发酵分离乙醇后剩余的残液，主要成分包括酵母细胞、未转化的纤维素、半纤维素、寡糖和单糖；
乳酸菌接种浓度为1.0～1.5g/L；纤维素酶用量为10～20FPU/g糠醛渣；发酵温度38～42℃，发酵时间108～120h，控制发酵液pH值5.5～6.5。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述乳酸菌为经过适应性培养的乳酸菌，适应性培养体系为：糠醛渣5g/L、KH2PO40.5g/L、MgSO4·7H2O0.5g/L、NaCl0.1g/L和CaCO320g/L，pH值6.0，以水配制；适应性培养温度为32℃，培养时间36h。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，乳酸菌接种浓度为1.25g/L。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，纤维素酶用量为15FPU/g糠醛渣。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，发酵时间120h。
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| Tang, Y et al..Simultaneous saccharification and fermentation of furfural residues by mixed cultures of lactic acid bacteria and yeast to produce lactic acid and ethanol..《EUROPEAN FOOD RESEARCH AND TECHNOLOGY》.2011,第233卷(第3期),489-495. |
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