CN111777504B - 从发酵液提取的l-乳酸的纯化方法 - Google Patents

Abstract

一种从发酵液提取的L‑乳酸的纯化方法，包括以下步骤：对从发酵液提取的L‑乳酸酸化，絮凝，离心过滤，脱色，超滤，纳滤，反渗透浓缩，薄膜蒸发，分子蒸馏提纯即得L‑乳酸，所述絮凝是加入包括阳离子絮凝剂在内的絮凝剂。本发明采用了包括阳离子在内的复配絮凝剂，对絮凝剂种类和用量进行了优选，能够提升L‑乳酸纯度的同时，产品L‑乳酸的损失很少，能够同时保证产品的纯度和收率。

Description

从发酵液提取的L-乳酸的纯化方法

技术领域

本发明属于生物化工技术领域，具体涉及一种从发酵液提取的L-乳酸的纯化方法。

背景技术

随着社会经济的发展，农村生活方式发生了巨变，电、液化气合成品取代了秸秆成为了家庭燃料，因此越来越多的秸秆在田间集中焚烧，一方面浪费了生物质资源，另一方面增加了CO₂和有害气体的排放。农作物秸秆可通过生物炼制技术发酵生产乳酸，乳酸在化工、医药、食品、化妆品等行业存在重要价值，从而实现变废为宝。但利用现有生物炼制技术生产的粗乳酸存在色度高、固体颗粒物杂质多、盐杂质多等缺点，严重增加了乳酸深层次加工的难度和成本，还直接影响了乳酸工业衍生品的质量。

CN107382713公开了一种提纯乳酸的工艺，针对钙盐法生产的L-乳酸发酵液，依次采用离心、浓缩，酸解，脱色，然后将脱色处理后的乳酸料液进入移动柱系统，最后经过纳滤和浓缩得到精制乳酸；其中连续移动柱系统由30根树脂柱串联组成，一半填装强酸阳离子交换树脂，一半填装强碱阴离子交换树脂；经过连续移动柱时，乳酸料液先通过阳离子交换树脂，出料通过阴离子交换树脂；再把出料继续返回阳离子交换树脂，接着出料返回阴离子交换树脂。此方法过程繁琐，耗时长。

CN1916179公开了一种磁聚物絮凝预处理L-乳酸发酵液的方法，磁聚物由壳聚糖，四氧化三铁在弱酸溶液中复配而成，将磁聚物投入到L-乳酸发酵液中，搅拌至有明显的絮状物出现，外加磁场，1-2分钟发酵液即与絮体分离，移除絮状物即可。此方法絮凝率高，形成的絮体坚实，固液分离速度快，但是得到的L-乳酸产品纯度和收率较低。

CN111269107公开了一种L-乳酸提纯精制方法，通过分离去除发酵液中的菌体，菌体可作为饲料原料，酸解过滤上清液，活性炭脱色后进入第一离子交换柱，然后经纳滤膜过滤再预浓缩，之后依次经阳阴离子交换，再采用活性炭脱色柱脱色，浓缩处理得到的L-乳酸的浓缩液。本发明从发酵液得到食品级乳酸过程复杂，耗时长。

CN106834368公开了一种利用木质纤维素发酵生产L-乳酸的方法，以农作物秸秆或能源植物为原料，利用纤维素酶同步糖化发酵生产乳酸，工艺简洁，发酵周期短，原料廉价，降低了乳酸生产成本，但得到的L-乳酸杂质较多。

但是上述专利方法中，利用农作物秸秆的木质纤维素发酵液为原料提取L-乳酸时，往往产品L-乳酸的产率和纯度难以同时达到较高的值，原因可能在于提纯L-乳酸的时候，特别是在絮凝时，为了获得更高纯度的L-乳酸，往往牺牲了一部分产品，因此收率不高。因此，亟需开发一种收率和纯度皆高的提取L-乳酸的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，同时提升L-乳酸的产率和纯度，降低L-乳酸色度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种从发酵液提取的L-乳酸的纯化方法，包括以下步骤：对从发酵液中提取的L-乳酸酸化，絮凝，离心过滤，脱色，超滤，纳滤，反渗透浓缩，薄膜蒸发，分子蒸馏提纯即得L-乳酸，所述絮凝是加入包括阳离子絮凝剂在内的絮凝剂。

优选地，所述酸化是加入硫酸，硫酸浓度为60-70wt％，加入硫酸总量与被纯化L-乳酸体系体积比为1:20-40，优选为1:30-35。未纯化的料液中大部分乳酸是以乳酸钙形式存在，加入硫酸酸化可以使得钙离子与硫酸生成硫酸钙沉淀析出，从而分离钙离子得到L-乳酸。

絮凝作用主要是在于沉降乳酸料液中的蛋白和大分子色素，除去杂质，以提高L-乳酸的纯度。但往往在絮凝步骤中，也是对产品L-乳酸损失较大的一个步骤。本发明采用包括阳离子絮凝剂在内的复配絮凝剂进行絮凝，预料不到地发现，能够提升L-乳酸纯度的同时，极大减少了L-乳酸的损失。

所述阳离子絮凝剂是通过以下方法制备得到：甲醛与二氰二胺，硝基胍反应3-5h，加入交联剂继续反应2-3h，后处理即得。

优选地，甲醛与二氰二胺，硝基胍的摩尔比为10-15：4-6：1-2。

所述交联剂没有特别的限定，比如三烯丙基异氰脲酸酯，邻苯二甲酸二烯丙脂。

优选地，所述絮凝剂包括阳离子型絮凝剂以及聚合氯化铁、偏硅酸钠、壳聚糖中的至少一种。

优选地，所述絮凝剂为阳离子型絮凝剂、聚合氯化铁、偏硅酸钠、壳聚糖按照质量比为15-21：5-8：15-25：10-17的复配。

优选地，所述絮凝剂添加量与L-乳酸体系质量比为1:7000-20000，优选为1:10000-13000，絮凝时的温度为70-80℃，更为优选地，所述絮凝是在75±2℃下进行。

在某一温度范围内硫酸钙的溶解度较低，沉淀效果较好，即硫酸钙在某一温度时存在最小溶解度，并且絮凝效果最佳；因此经过酸化后可直接絮凝，这样减少离心次数，节省成本。

优选地，脱色时的温度为45-55℃，活性炭添加量为发酵液的0.2-0.5wt％。所述脱色是向离心过滤处理后的L-乳酸中加入活性炭进行活性炭吸附脱色。不同的温度会影响活性炭的吸附效果，因为温度会影响液体中被吸附分子自由运动的速度，温度越高，分子自由运动速率越快就越难被活性炭吸附，吸附效果就越差；温度越低，活性炭吸附效果越好，但是由于被吸附分子自由运动速率慢，活性炭吸附速率会变慢而影响纯化效率。

优选地，超滤首先将脱色后的料液加压0.55-0.65MPa，优选为0.6MPa，超滤膜孔径为1-100nm，优选为40-80nm；截留分子量为10000-20000。超滤的目的去除未完全絮凝沉降的蛋白和色素，经超滤后的乳酸料液色度明显降低。

优选地，将进行纳滤的L-乳酸体系加压0.69-0.79MPa，优选为0.75MPa,纳滤膜孔径为0.1-1nm,优选为0.3-0.5nm。纳滤的目的去除硫酸根离子、钙离子和磷酸根离子，并同时去除相对分子质量在4000-6000的黑色素和相对分子质量在400-600的焦糖色素杂质。

优选地，将反渗透装置中的L-乳酸料液加压1.0-2.0MPa，优选为1.5MPa，由于反渗透装置中的半透膜只允许水分子单向通过，本申请的乳酸料液中的水分子向溶剂端渗透，反渗透的目的是使得乳酸料液持续浓缩。

优选地，薄膜蒸发中乳酸料液的温度为75-80℃，优选为78℃；薄膜蒸发装置中的转速为350-450rpm，优选为400rpm；薄膜装置中的真空度为5-7KPa，优选为6KPa。薄膜蒸发的目的是进一步的浓缩乳酸料液。

优选地，分子蒸馏中的L-乳酸体系的温度为45-50℃，优选为48℃；进行分子蒸馏的L-乳酸进样速率为3-4L/h，分子蒸馏装置的真空度为50-70KPa，优选为60KPa；分子蒸馏装置的温度为65-70℃，优选为68℃；分子蒸馏中刮膜器转速为115-125rpm，优选为120rpm。分子蒸馏的目的是将经过薄膜蒸发的L-乳酸进一步提纯。

本发明方法的有益效果如下：

本发明采用了复配絮凝剂，对絮凝剂种类和用量进行了优选，能够提升L-乳酸纯度的同时，产品L-乳酸的损失很少，能够同时保证产品的纯度和收率；

分离过程简单易于操作，产品纯度高，设备投资少，有效提高了分离效率，降低了生产成本；

采用分子蒸馏法分离乳酸，产品纯度较高，色泽好；

工艺操作简单，反应条件温和，产品纯度高，安全环保，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是L-乳酸料液的电导率与pH的关系图；

图2是絮凝剂的添加量与絮凝沉淀物质量的关系图；

图3是絮凝沉淀物的质量、硫酸钙的溶解度与温度的关系图；

图4是脱色温度与活性炭吸附效果的关系图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

本发明实施例所使用的发酵液是通过申请人在前的申请号为CN201710120933.8的专利记载的方法，是以凝结芽孢杆菌对农作物秸秆的木质纤维素进行发酵所得，其中L-乳酸的浓度为62.35g/L，密度为0.97kg/L。本发明实施例所使用的原料或化学试剂，如无特殊说明，均通过常规商业途径获得。

本发明实施例中，测试L-乳酸纯度采用HPLC方法，超高效液相色谱仪(Agilent1260Series)带二极管阵列检测器。

标准曲线中，纯的L-乳酸采购自Sigma-Al-drich公司采购自Sigma-Al-drich公司。

本发明实施例中所述“％”，如果没有特别说明，均为质量百分比。

制备例1

阳离子型脱色絮凝剂制备方法：37％甲醛溶液，二氰二胺和硝基胍以10:4:1的摩尔比添加入反应器中，水浴保温40℃，盐酸调节pH值为3.3。反应较为稳定后加入甲醛溶液，加入二氰二胺和硝基胍总质量的3.3wt％交联剂三烯丙基异氰脲酸酯(TAIC)，并升温至53℃维持47min，再次加入3.3wt％交联剂TAIC,升温至90℃，持续95min即可。

制备例2

按照制备例1相同的方法和步骤制备阳离子絮凝剂，区别在于37％甲醛溶液，二氰二胺和硝基胍的摩尔比为10:4:2。

制备例3

按照制备例1相同的方法和步骤制备阳离子絮凝剂，区别在于37％甲醛溶液，二氰二胺和硝基胍的摩尔比为5:2:2。

制备例4

按照制备例1相同的方法和步骤制备阳离子絮凝剂，区别在于不加入硝基胍。

实施例1

(1)向1000L的含有L-乳酸的微生物发酵液中加入60wt％的硫酸，加入硫酸总量与纯化初始纯化体系体积比为1:33，酸化后体系的pH值为2.3。

(2)添加絮凝剂后将絮凝体系升温至75℃，并快速搅拌絮凝体系8min，再低速搅拌8min，最终静置沉降15min，沉降结束后4500rpm离心除去酸化反应生成的硫酸钙和絮凝沉降的大分子色素和蛋白。混合絮凝剂为阳离子型絮凝剂、聚合氯化铁、偏硅酸钠、壳聚糖按照质量比为17:16:6:12的复配。混合絮凝剂添加量与发酵液质量比为1:10000。

(3)向絮凝离心后的料液中加入粉末活性炭，将粗乳酸料液升温至50℃，缓慢搅拌40min，活性炭添加量为含有乳酸的微生物发酵液重量的0.3％，搅拌结束后4500rpm离心除去活性炭固体。

(4)通过加压泵将离心后的L-乳酸加压0.6MPa通过超滤膜，超滤膜孔径为40-80m，截留分子量为10000-20000。主要截留未完全絮凝沉降的大分子蛋白和大分子色素，经超滤后的乳酸料液色度明显降低。

(5)通过加压泵将超滤后的乳酸料液加压0.75Mpa透过纳滤膜，纳滤膜孔径为0.6nm，截留分子量为150-300。纳滤的作用主要将二价盐离子，如硫酸根、钙离子、磷酸根离子阻隔在截留液中，并同时除去来自原料分子质量较大的黑色素和焦糖色素杂质。

(6)将纳滤过后的乳酸料液加压1.5MPa，注入反渗透装置透过半透膜，半透膜只允许水分子单向通过，乳酸料液中的水分子向溶剂端渗透使得乳酸料液持续浓缩。

(7)通过反渗透浓缩后的乳酸料液注入薄膜蒸发装置，将乳酸料液加热至77℃，薄膜蒸发装置以转速为400rpm搅拌，薄膜装置真空度为6KPa。

(8)将经过薄膜蒸发提纯的乳酸浓缩液预热至47℃，将预热好的乳酸料液注入分子蒸馏装置，分子蒸馏进样速率为3.5L/h，真空度保持在60KPa，蒸馏温度设置为67℃，分子蒸馏刮膜器转速设置为120rpm，生物炼制技术生产的深黑色粗乳酸料液纯化前浓度为13％，经过分子蒸馏后的精制乳酸溶液纯度达到99.6％，收率达到90.7％，呈淡黄色。

为得到最佳的硫酸的加入量，絮凝温度，絮凝剂的加入量和脱色温度，还进行了以下试验。

确定木质纤维素乳酸发酵液中最适合的硫酸添加量，首先加入硫酸不得过量，过量的硫酸会使待纯化乳酸中混入硫酸根杂质，过低的pH值也会腐蚀设备；硫酸量过少会使得钙离子沉淀不彻底。以乳酸料液的电导率作为参比，即以电导率最低时为最优的硫酸的添加量，料液pH值与电导率关系如图1所示。

由于絮凝剂成本较高，增加絮凝剂的用量会浪费原料，减小絮凝剂的用量达不到絮凝效果。确定絮凝剂的最佳用量，向乳酸料液加入不同量的絮凝剂，设置絮凝温度为75℃，絮凝结束后离心分离得到沉淀物，将其放置于115℃烘箱中烘干4h，称取絮凝物的重量。絮凝得到的沉淀物的重量与絮凝剂用量的关系如图2所示。

乳酸料液絮凝存在最适温度，硫酸钙在某一温度时存在最小溶解度，乳酸料液的温度直接影响了絮凝和硫酸钙沉淀的情况，温度与絮凝程度以及硫酸钙溶解度如图3所示。试验发现，在酸化离心后的乳酸料液中添加絮凝剂，设置不同的温度梯度，对照硫酸钙的溶解度；可发现乳酸料液在75℃下，硫酸钙的溶解度较低，絮凝沉淀效果较好，因此在酸化后可直接絮凝，这样减少离心次数，节省成本。因此乳酸料液在75℃时，实验效果最佳。

最佳活性炭吸附温度的测定是分别将酸化絮凝后的乳酸料液设置不同的吸附温度，向其中添加0.3％的活性炭粉末，通过测量乳酸料液在波长512nm处的吸光度值与吸附时间，判断活性炭的吸附效果。活性炭完全吸附判定标准：随着时间的推移乳酸料液吸光度值不发生变化，达到完全吸附时的临界时间为完全吸附时间，如图4所示，因此选择50℃作为脱色温度。

实施例2

其他条件和步骤和实施例1相同，区别在于步骤(2)中采用的阳离子絮凝剂为制备例2制得。经测定，精制L-乳酸溶液纯度能达到99.8％，回收率达到91.1％，溶液色度低呈淡黄色。

实施例3

其他条件和步骤和实施例1相同，区别在于步骤(2)中采用的阳离子絮凝剂为制备例3制得。经测定，精制L-乳酸溶液纯度能达到99.5％，回收率达到89.3％，溶液色度低呈淡黄色。

实施例4

其他条件和步骤和实施例1相同，区别在于步骤(2)中采用的阳离子絮凝剂为制备例4制得。经测定，精制L-乳酸溶液纯度能达到99.2％，回收率达到86.3％，溶液色度低呈淡黄色。

实施例5

其他条件和步骤和实施例1相同，区别在于步骤(2)絮凝剂混合絮凝剂为阳离子型絮凝剂、聚合氯化铁、偏硅酸钠、壳聚糖按照质量比为5:6:2:4的复配。经测定，精制L-乳酸溶液纯度能达到99.3％，回收率达到88.5％，溶液色度低呈淡黄色。

实施例6

其他条件和步骤和实施例1相同，区别在于步骤(2)混合絮凝剂不加入壳聚糖。经测定，精制L-乳酸溶液纯度能达到98.7％，回收率达到89.4％，溶液色度低呈淡黄色。

实施例7

其他条件和步骤和实施例1相同，区别在于步骤(2)絮凝剂不加入硅酸钠。经测定，精制L-乳酸溶液纯度能达到99.0％，回收率达到90.2％，溶液色度低呈淡黄色。

实施例8

其他条件和步骤和实施例1相同，区别在于步骤(2)絮凝剂不加入聚合氯化铁。经测定，精制L-乳酸溶液纯度能达到98.8％，回收率达到88.6％，溶液色度低呈淡黄色。

实施例9

其他条件和步骤和实施例1相同，区别在于步骤(2)中混合絮凝剂添加量与发酵液质量比为1:13000，经测定，精制L-乳酸溶液纯度能达到99.7％，回收率达到90.2％，溶液色度低呈淡黄色。

对比例1

其他条件和步骤和实施例1相同，区别在于步骤(2)中不加入阳离子絮凝剂，经测定，精制L-乳酸溶液纯度能达到98.2％，回收率达到84.5％，溶液色度低呈淡黄色。

对比例2

其他条件和步骤和实施例1相同，区别在于省去步骤(5)的纳滤步骤。经测定，精制L-乳酸溶液纯度能达到96.3％，回收率达到92.7％，溶液呈黄色，色度较高。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种从发酵液提取的L-乳酸的纯化方法，包括以下步骤：对从发酵液中提取的L-乳酸酸化，絮凝，离心过滤，脱色，超滤，纳滤，反渗透浓缩，薄膜蒸发，分子蒸馏提纯即得L-乳酸，所述絮凝是加入包括阳离子絮凝剂在内的絮凝剂，所述絮凝剂包括阳离子型絮凝剂，以及聚合氯化铁、偏硅酸钠、壳聚糖的复配；

所述阳离子絮凝剂是通过以下方法制备得到：甲醛与二氰二胺，硝基胍反应3-5h，加入交联剂继续反应2-3h，后处理即得，甲醛，二氰二胺和硝基胍的摩尔比为10-15:4-6:1-2。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述酸化是加入硫酸，硫酸浓度为60-70wt％，加入硫酸总量与被纯化L-乳酸体系体积比为1:20-40。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，加入硫酸总量与被纯化L-乳酸体系体积比为1:30-35。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述絮凝剂为阳离子型絮凝剂、聚合氯化铁、偏硅酸钠、壳聚糖按照质量比为15-21:5-8:15-25:10-17的复配。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述絮凝剂添加量与发酵液质量比为1:7000-20000；絮凝时的温度为70-80℃。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述絮凝剂添加量与发酵液质量比为1:10000-13000，絮凝时的温度为75±2℃。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，脱色是加入活性炭在加热条件下进行，加热温度为45-55℃，活性炭添加量为发酵液0.2-0.5wt％。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超滤是将脱色后的料液加压0.55-0.65MPa，通过超滤膜，所述超滤膜孔径为1-100nm；截留分子量为10000-20000；和/或

所述纳滤是将超滤流出液加压0.69-0.79MPa,通过纳滤膜，所述纳滤膜孔径为0.1-1nm。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述超滤膜孔径为40-80nm，所述纳滤膜孔径为0.3-0.5nm。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将反渗透装置中的L-乳酸料液加压1.0-2.0MPa；和/或

薄膜蒸发中乳酸料液的温度为75-80℃；薄膜蒸发装置中的转速为350-450rpm ；薄膜装置中的真空度为5-7KPa；和/或

分子蒸馏中的温度为45-50℃，进行分子蒸馏的L-乳酸进样速率为3-4L/h，分子蒸馏装置的真空度为50-70KPa；分子蒸馏装置的温度为65-70℃；分子蒸馏中刮膜器转速为115-125rpm。

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