CN110862314A - 一种从d-乳酸钠发酵液中分离提取d-乳酸的方法 - Google Patents

一种从d-乳酸钠发酵液中分离提取d-乳酸的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种从D‑乳酸钠发酵液中分离提取D‑乳酸的方法，包括顺序相接的如下步骤：(1)将D‑乳酸钠发酵液进行微滤，得到微滤发酵液；(2)将步骤(1)得到的微滤发酵液进行超滤，得到超滤发酵液；(3)将步骤(2)得到的超滤发酵液进行纳滤，得到纳滤发酵液；(4)将步骤(3)中所得到的纳滤发酵液加入双氧水进行脱色，得到脱色液；(5)将步骤(4)中所得到的脱色液进行电渗析处理，得到乳酸清液；(6)将步骤(5)中所得到的乳酸清液进行浓缩得到D‑乳酸产品。上述乳酸提取方法简单、易操作，无废液污染，能耗低，回收率高，产品品质高。

Description

一种从D-乳酸钠发酵液中分离提取D-乳酸的方法
技术领域
本发明涉及一种从D-乳酸钠发酵液中分离提取D-乳酸的方法，属于D-乳酸提取领域。
背景技术
乳酸是世界三大有机酸之一，它可以广泛的用于食品、医药、化工和农业等领域。特别的D-乳酸可以广泛的应用于医药、化工和农业领域。以D-乳酸为单体合成的聚乳酸以其良好的生物可降解性能及其他优良的使用特性(如透明性、热塑性、产物安全性等)已成为21世纪最具发展前景的绿色环保材料。此外以高纯的D-乳酸制造的生物农药“骠马”和“威霸”等除草剂，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-乳酸的生产和纯化逐渐受到重视。
乳酸的制备方法有发酵法、化学合成法和酶法。其中，发酵法和化学合成法得到工业上的应用，而我国主要采用发酵法。
传统的乳酸提取工艺为乳酸钙结晶-酸解工艺，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，能耗较高，整个分离过程自动化程度较低等缺点，乳酸回收率也一般在40～50％之间，且获得的产品品质较低。
发明内容
为了解决现有技术中乳酸提取存在的工艺路线长，单元操作多，废液污染严重，能耗较高，回收率低，产品品质低等缺陷，本发明提供一种从D-乳酸钠发酵液中分离提取D-乳酸的方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种从D-乳酸钠发酵液中分离提取D-乳酸的方法，包括顺序相接的如下步骤：
(1)将D-乳酸钠发酵液进行微滤，得到微滤发酵液；
(2)将步骤(1)得到的微滤发酵液进行超滤，得到超滤发酵液；
(3)将步骤(2)得到的超滤发酵液进行纳滤，得到纳滤发酵液；
(4)将步骤(3)中所得到的纳滤发酵液加入双氧水进行脱色，得到脱色液；
(5)将步骤(4)中所得到的脱色液进行电渗析处理，得到乳酸清液；
(6)将步骤(5)中所得到的乳酸清液进行浓缩得到D-乳酸产品。
上述乳酸提取方法简单、易操作，无废液污染，能耗低，回收率高，产品品质高。
为了进一步提高产品品质，同时保证乳酸回收率，步骤(1)中，微滤所用微滤膜的孔径为0.05～0.5μm。微滤可以能够实现发酵液的澄清。
为了进一步提高产品品质，同时保证乳酸回收率，步骤(2)中，超滤所用超滤膜的截留分子量为1000-5000D。超滤可以去除大部分大分子的蛋白和一些小分子的蛋白，同时可以起到部分脱色的作用。
为了进一步提高产品品质，同时保证乳酸回收率，步骤(3)中，纳滤所用纳滤膜的截留分子量为150～500D。纳滤可以去除部分色素。
为了进一步提高产品品质，同时保证乳酸回收率，步骤(4)中，脱色方式为双氧水脱色，双氧水的添加量为0.3％～3％(质量体积比)，脱色温度为40～70℃，脱色时间为30min～2h。这样可以进一步增强脱色效果。双氧水的添加量为双氧水的添加体积占纳滤发酵液的质量百分比。双氧水的质量浓度优选为30％。
为了提高物料的回收利用率，步骤(5)中，电渗析所用装置为双极膜电渗析装置。电渗析可以将铵变成氨水进行回收再利用，而乳酸钠变成乳酸，这过程不再用到浓硫酸。
为了提高乳酸回收率，步骤(6)中，浓缩采用减压蒸馏的方式，操作温度50～70℃，真空度为50～200mbar。
本发明所述的发酵菌种为一株高生长产酸速率的D-乳酸生产菌，已于2012年12月6日保藏于中国典型培养物保藏中心(中国，武汉，武汉大学)，其分类命名为芽孢乳杆菌(Sporolactobacillussp.)BS1-5，保藏登记号为CCTCC NO.M2012516，其更具体分类为菊糖芽孢乳杆菌(Sporolactobacillussp.inulinus)。
上述步骤1)中D-乳酸钠发酵液的制备方法包括顺序相接的如下步骤：
(1)平板培养：将芽孢杆菌BS1-5接种至平板培养基厌氧培养，培养温度30～45℃，培养时间20～48h；
(2)种子培养：将经步骤(1)平板培养的芽孢杆菌接种至种子培养基厌氧培养，培养温度30～45℃，培养时间12～24h；
(3)发酵产酸：将步骤(2)获得的种子培养液接种至发酵培养基中进行发酵产酸，接种量为3％～15％，发酵温度30～45℃，通入氮气保持其厌氧的环境，采用中和剂将发酵体系的pH控制在6.0～7.0。
步骤(1)中，平板培养基成分为(g/L)：葡萄糖10～30，酵母膏1～3，无水乙酸钠1～4，无水硫酸镁0.1～0.4，磷酸二氢钾1～3，琼脂15～25；步骤(2)中，种子培养基成分为(g/L)：葡萄糖10～40，酵母膏1～3，蛋白胨1～3，无水硫酸镁0.1～0.4，碳酸钙10～30；步骤(3)中，发酵培养基成分为(g/L):葡萄糖150～180，酵母膏8～12，玉米浆干粉4～6，硫酸镁0.4～0.6。
本申请通过微生物发酵获得了含有D-乳酸钠的发酵液，然后进行固液分离(微滤)，可以能够实现发酵液的澄清；通过超滤可以去除大部分大分子的蛋白和一些小分子的蛋白，同时可以起到部分脱色的作用；通过纳滤可以去除部分色素，通过活性炭柱可以进行脱色，且活性炭可以进行再生。通过电渗析可以将铵变成氨水进行回收再利用，而乳酸钠变成乳酸，这过程不再用到浓硫酸。最后通过浓缩得到D-乳酸产品。
本发明未提及的技术均参照现有技术。
与现有工艺相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明分离的是乳酸钠发酵液，可以直接在常温下进行固液分离和膜分离操作，连续性强，而传统的处理乳酸钙发酵液的固液分离是需要在高温下采用板框过滤的手段，相对传统的处理方式本发明操作能耗较低，自动化程度高；
(2)本发明不需要在高温下进行时间较长的酸解工艺，在此只需在常温下进行酸化，且酸化时间短，避免了在高温下色素的产生给后续处理带来麻烦，并且可以大大减少能源的消耗；
(3)本发明通过微滤、超滤的步骤可以有效降低发酵液中的蛋白的含量，从而大大降低产品中的氮含量的指标；
(4)本发明不产生副产物，钠离子经过电渗析直接变成氢氧化钠可以回用；
(5)本发明采用纳滤操作对发酵液进行脱色，保证了D-乳酸产品的色度，另外加上双氧水的再次脱色处理，使得产品的品质得到进一步提高，同时采用双氧水进行脱色，与粉末活性炭相比无需进行固液分离操作，与活性炭柱相比无需活性炭的再生处理，双氧水的添加量也较小；
(6)本发明整个的工艺流程在能实现高品质的D-乳酸分离基础上，做到了操作最优化，降低了发酵法生产D-乳酸中分离纯化的费用。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1：
D-乳酸钠发酵液的制备方法包括顺序相接的如下步骤：
(1)平板培养：将芽孢杆菌BS1-5接种至平板培养基厌氧培养，培养温度30℃，培养时间48h；
(2)种子培养：将经步骤(1)平板培养的的芽孢杆菌接种至种子培养基厌氧培养，培养温度30℃，培养时间24h；
(3)发酵产酸：将步骤(2)获得的种子培养液接种至发酵培养基中进行发酵产酸，接种量为15％，发酵温度30℃，通入氮气保持其厌氧的环境，采用中和剂将发酵体系的pH控制在6.0。
所述的平板培养基成分为(g/L)：葡萄糖10，酵母膏1，无水乙酸钠1，无水硫酸镁0.1，磷酸二氢钾1，琼脂15。
所述的种子培养基成分为(g/L)：葡萄糖10，酵母膏1，蛋白胨1，无水硫酸镁0.1，碳酸钙10。
所述的发酵培养基成分为(g/L):葡萄糖150，酵母膏8，玉米浆干粉4，硫酸镁0.4。
发酵产酸阶段采用氢氧化钠作为pH调节剂，以芽孢杆菌生产菌株的D-乳酸钠发酵液，其中D-乳酸浓度112g/L，无残糖。取发酵结束后的D-乳酸钠发酵液经微滤进行固液分离，微滤膜孔径为0.05μm，随后采用截留分子量为5000D的超滤膜进行超滤；超滤过后的发酵液进行纳滤操作，纳滤膜的截留分子量为500D；将纳滤过后的发酵液加入双氧水脱色，双氧水的添加量为3％，双氧水的质量浓度为30％，脱色温度控制在40℃，脱色时间为2h；将脱色后的发酵液进行电渗析操作，电渗析装置采用双极膜；最后进行减压蒸馏即得到高品质D-乳酸，减压蒸馏操作温度为70℃，真空度为200mbar；得到的D-乳酸含量为90％，光学纯度为99.2％。最终从含有D-乳酸钠发酵液中分离提取D-乳酸产品的总收率为91％。
实施例2：
(1)平板培养：将芽孢杆菌BS1-5接种至平板培养基厌氧培养，培养温度45℃，培养时间20h；
(2)种子培养：将经步骤(1)平板培养的的芽孢杆菌接种至种子培养基厌氧培养，培养温度45℃，培养时间12h；
(3)发酵产酸：将步骤(2)获得的种子培养液接种至发酵培养基中进行发酵产酸，接种量为3％，发酵温度45℃，通入氮气保持其厌氧的环境，采用中和剂将发酵体系的pH控制在7.0。
所述的平板培养基成分为(g/L)：葡萄糖30，酵母膏3，无水乙酸钠4，无水硫酸镁0.4，磷酸二氢钾3，琼脂25。
所述的种子培养基成分为(g/L)：葡萄糖40，酵母膏3，蛋白胨3，无水硫酸镁0.4，碳酸钙30。
所述的发酵培养基成分为(g/L):葡萄糖180，酵母膏12，玉米浆干粉6，硫酸镁0.6。
发酵产酸阶段采用氢氧化钠作为pH调节剂，以芽孢杆菌生产菌株的D-乳酸钠发酵液，其中D-乳酸浓度130g/L，无残糖。取发酵结束后的D-乳酸钠发酵液经微滤进行固液分离，微滤膜孔径为0.1μm，随后采用截留分子量为3000D的超滤膜进行超滤；超滤过后的发酵液进行纳滤操作，纳滤膜的截留分子量为300D；将纳滤过后的发酵液加入双氧水脱色，双氧水的添加量为1.5％，双氧水的质量浓度为30％，脱色温度控制在55℃，脱色时间为1h；将脱色后的发酵液进行电渗析操作，电渗析装置采用双极膜；最后进行减压蒸馏即得到高品质D-乳酸，减压蒸馏操作温度为50℃，真空度为50mbar；得到的D-乳酸含量为91％，光学纯度为99.5％。最终从含有D-乳酸钠发酵液中分离提取D-乳酸产品的总收率约为90％。
实施例3：
(1)平板培养：将芽孢杆菌BS1-5接种至平板培养基厌氧培养，培养温度37℃，培养时间24h；
(2)种子培养：将经步骤(1)平板培养的的芽孢杆菌接种至种子培养基厌氧培养，培养温度37℃，培养时间20h；
(3)发酵产酸：将步骤(2)获得的种子培养液接种至发酵培养基中进行发酵产酸，接种量为10％，发酵温度37℃，通入氮气保持其厌氧的环境，采用中和剂将发酵体系的pH控制在6.5。
所述的平板培养基成分为(g/L)：葡萄糖20，酵母膏2，无水乙酸钠2，无水硫酸镁0.3，磷酸二氢钾2，琼脂20。
所述的种子培养基成分为(g/L)：葡萄糖20，酵母膏2，蛋白胨2，无水硫酸镁0.3，碳酸钙20。
所述的发酵培养基成分为(g/L):葡萄糖160，酵母膏10，玉米浆干粉5，硫酸镁0.5。
发酵产酸阶段采用氢氧化钠作为pH调节剂，以芽孢杆菌生产菌株的D-乳酸钠发酵液，其中D-乳酸浓度117g/L，无残糖。取发酵结束后的D-乳酸钠发酵液经微滤进行固液分离，微滤膜孔径为0.3μm，随后采用截留分子量为1000D的超滤膜进行超滤；超滤过后的发酵液进行纳滤操作，纳滤膜的截留分子量为150D；将纳滤过后的发酵液加入双氧水脱色，双氧水的添加量为0.3％，双氧水的质量浓度为30％，脱色温度控制在70℃，脱色时间为1h；将脱色后的发酵液进行电渗析操作，电渗析装置采用双极膜；最后进行减压蒸馏即得到高品质D-乳酸，减压蒸馏操作温度为60℃，真空度为120mbar；得到的D-乳酸含量为92％，光学纯度为99.9％。最终从含有D-乳酸钠发酵液中分离提取D-乳酸产品的总收率为92％。
实施例4：
(1)平板培养：将芽孢杆菌BS1-5接种至平板培养基厌氧培养，培养温度37℃，培养时间24h；
(2)种子培养：将经步骤(1)平板培养的的芽孢杆菌接种至种子培养基厌氧培养，培养温度37℃，培养时间20h；
(3)发酵产酸：将步骤(2)获得的种子培养液接种至发酵培养基中进行发酵产酸，接种量为10％，发酵温度37℃，通入氮气保持其厌氧的环境，采用中和剂将发酵体系的pH控制在6.5。
所述的平板培养基成分为(g/L)：葡萄糖20，酵母膏2，无水乙酸钠2，无水硫酸镁0.3，磷酸二氢钾2，琼脂20。
所述的种子培养基成分为(g/L)：葡萄糖20，酵母膏2，蛋白胨2，无水硫酸镁0.3，碳酸钙20。
所述的发酵培养基成分为(g/L):葡萄糖150，酵母膏10，玉米浆干粉5，硫酸镁0.5，麸皮10。
发酵产酸阶段采用氢氧化钠作为pH调节剂，以芽孢杆菌生产菌株的D-乳酸钠发酵液，其中D-乳酸浓度112g/L，无残糖。以5L发酵液，浓度为112g/L，约有560g质量的D-乳酸，发酵过程D-乳酸对葡萄糖的质量收率为92％；取5L，含560g D-乳酸的发酵液经微滤进行固液分离，微滤D-乳酸收率为99％，微滤后得到D-乳酸的质量为554.4g；随后采用截留分子量为1000D的超滤膜进行超滤，分离出大分子蛋白、色素，超滤的D-乳酸得率为99％，经超滤后D-乳酸的总质量为548.8g；随后进行纳滤，纳滤截留分子量为150D，经纳滤后获得的滤液含D-乳酸为537.8g；将纳滤过后的发酵液加入双氧水脱色，双氧水的添加量为1.5％，双氧水的质量浓度为30％，脱色温度控制在55℃，脱色时间为1h，脱色后得到含有D-乳酸的质量为530g；将脱色后的发酵液进行双极膜电渗析处理，获得含有D-乳酸的质量为480g的发酵液；最后进行减压蒸发即得到高品质D-乳酸，减压蒸馏操作温度为55℃，真空度为50mbar，得到的D-乳酸产品含量为92％，光学纯度为99.9％，共得到D-乳酸产品为527g；最终从含有D-乳酸钠发酵液中分离提取D-乳酸产品的总收率为93.75％。

Claims (9)

1.一种从D-乳酸钠发酵液中分离提取D-乳酸的方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)将D-乳酸钠发酵液进行微滤，得到微滤发酵液；
(2)将步骤(1)得到的微滤发酵液进行超滤，得到超滤发酵液；
(3)将步骤(2)得到的超滤发酵液进行纳滤，得到纳滤发酵液；
(4)将步骤(3)中所得到的纳滤发酵液加入双氧水进行脱色，得到脱色液；
(5)将步骤(4)中所得到的脱色液进行电渗析处理，得到乳酸清液；
(6)将步骤(5)中所得到的乳酸清液进行浓缩得到D-乳酸产品。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，微滤所用微滤膜的孔径为0.05～0.5μm。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤(2)中，超滤所用超滤膜的截留分子量为1000-5000D。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤(3)中，纳滤所用纳滤膜的截留分子量为150～500D。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤(4)中，脱色方式为双氧水脱色，双氧水的添加量为0.3％～3％(质量体积比)，脱色温度为40～70℃，脱色时间为30min～2h。
6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤(5)中，电渗析所用装置为双极膜电渗析装置。
7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤(6)中，浓缩采用减压蒸馏的方式，操作温度50～70℃，真空度为50～200mbar。
8.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤(1)中D-乳酸钠发酵液的制备方法包括顺序相接的如下步骤：
(1)平板培养：将芽孢杆菌BS1-5接种至平板培养基厌氧培养，培养温度30～45℃，培养时间20～48h；
(2)种子培养：将经步骤(1)平板培养的芽孢杆菌接种至种子培养基厌氧培养，培养温度30～45℃，培养时间12～24h；
(3)发酵产酸：将步骤(2)获得的种子培养液接种至发酵培养基中进行发酵产酸，接种量为3％～15％，发酵温度30～45℃，通入氮气保持其厌氧的环境，采用中和剂将发酵体系的pH控制在6.0～7.0。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，平板培养基成分为(g/L)：葡萄糖10～30，酵母膏1～3，无水乙酸钠1～4，无水硫酸镁0.1～0.4，磷酸二氢钾1～3，琼脂15～25；步骤(2)中，种子培养基成分为(g/L)：葡萄糖10～40，酵母膏1～3，蛋白胨1～3，无水硫酸镁0.1～0.4，碳酸钙10～30；步骤(3)中，发酵培养基成分为(g/L):葡萄糖150～180，酵母膏8～12，玉米浆干粉4～6，硫酸镁0.4～0.6。
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