TWI522343B - 纖維乳酸醱酵液之乳酸分離純化方法 - Google Patents

Description

纖維乳酸醱酵液之乳酸分離純化方法

本發明係關於一種纖維乳酸醱酵液之乳酸分離純化方法，尤其是一種具高效能的纖維乳酸醱酵液之乳酸分離純化方法。

由於乳酸可運用在食品、化妝品、醫藥及化學工業等多用途上，為一重要的化學品。近年來由於合成技術的成熟，經由乳酸衍生之產物聚乳酸可做為生物可分解環保塑膠材料，因而使得乳酸衍生物受到高度矚目和興趣，並將乳酸衍生物實際應用於食品包材等領域上。

而乳酸分為L-(+)乳酸-及D-(-)-乳酸兩種鏡像異構物，但此兩種光學異構物，特性不同，應用領域亦為不同，同時，就兩種鏡像異構物之價格而言，D-(-)-乳酸價格係為L-(+)-乳酸價格數十倍之多。

目前工業上乳酸之製造方式可分為：化學法及醱酵法，其中化學法是利用乙醛(acetaldehyde)與氫氰酸(hydrogen cyanide,HCN)產生中間物丙醇腈(或稱乳腈，lactonitrile)，最終水解成為乳酸。另一種醱酵法則是以碳水化合物為原料，利用乳酸菌醱酵的方式來產製乳酸。而由於經由化學法所獲得之乳酸僅能獲得難以分離之外消旋異構物(racemic isomer)，也就是L-(+)-乳酸及D-(-)-乳酸兩種鏡像異構物各一半，無法獲得單一鏡像異構物，即使用化學法生產乳 酸效能不如可獲得單一鏡像異構物之醱酵法來產製乳酸。因此，現有的乳酸工業生產方式大部分係採用醱酵法。

而且由於乳酸親水性高，極易與水互溶，且揮發性低(於1661.73Pa壓力下沸點高達122℃)，並於含水量低於20%下容易自行聚合，因此直接以蒸餾方式來純化乳酸係極為困難。

(一)沉澱法：沉澱法係於醱酵過程中，加入碳酸鈣或石灰以中和醱酵液，待醱酵完成後經過濾以除去細胞等大分子，再以蒸發來除去水等方式以獲得乳酸鈣沉澱。經過濾後收集沉澱之乳酸鈣並加入硫酸置換乳酸鈣產生粗乳酸，形成不溶性之硫酸鈣沉澱，再加入硫酸跟甲醇進行酯化反應。而沉澱法的成本較低且操作簡便，然而，沉澱法所得之乳酸的純度不高，雜質難以去除，導致後端處理不易。

(二)萃取法：萃取法係利用特殊溶劑，在醱酵液中反覆萃取乳酸，再加入硫酸跟甲醇進行酯化反應，即可達到乳酸分離純化。其中，萃取法由於萃取劑可多次重複再利用，可連續地操作，而具有環保之優點。然而，由於乳酸親水性高，萃取用試劑必須加入助劑三級胺等有機鹼來增進萃取效果，否則萃取率不佳。因此，在萃取效果及回收機制尚未完備下，目前萃取法僅止於實驗室階段，尚未應用於大量生產的製程中。

(三)吸附法：吸附法係加入離子交換樹脂於醱酵液中以吸附乳酸，再用沖提液將吸附的乳酸脫附，並加入硫酸跟甲醇進行酯化反應即可得到乳酸。吸附法之優點在於粗乳酸純度較高，雜質較少，然而，由於離子交換樹脂原料昂貴且過程中必須消耗大量沖堤液，再加上醱酵液中帶電離子難以分離，故目前亦尚未應用於大量生產的製程中。

(四)電透析法：電透析法係將醱酵液中低濃度之乳酸濃縮聚集，再加入硫酸跟甲醇進行酯化反應，以達到濃縮分離效果，透析過程中可回收氫 氧化氨溶液再利用於醱酵液進行中和。其中，電透析法的缺點在於需耗費較多之電力，且耗材昂貴，且醱酵液中帶電離子係難以分離，故目前也尚未應用於大量生產的製程中。

再者，例如稻桿、麥桿、玉米梗等農業廢棄物係可作為醱酵法製造乳酸的原料，而獲得單一鏡像異構物的乳酸，且能讓農業廢棄物被充分利用並具有低成本的優勢，然而，含有纖維素的醱酵液在分離純化乳酸時，由於其中雜質的含量高，而導致乳酸分離純化困難，不易獲得高純度的乳酸。

據此，現有的乳酸分離方法應用於纖維乳酸醱酵液時，沉澱法係具有純度低、雜質難以去除及後端處理不易的缺點，而萃取法因效果與機制尚未完備而無法商業化，吸附法及電透析法係由於製程成本昂貴而不利於大量生產應用。

為解決上述現有技術的缺失，本發明係提供一種應用纖維乳酸醱酵液之乳酸分離純化方法，主要係將纖維乳酸醱酵液利用濃縮法結合酯化分餾方法來進行乳酸的分離純化，以獲得高純度的乳酸，且具有成本低及利於商業化之大量生產目的。

為達上述目的及其他目的，本發明係提供一種應用纖維乳酸醱酵液之乳酸分離純化方法，包含下列步驟：離心步驟：係利用離心力除去一纖維乳酸醱酵液中之雜質；蒸發濃縮步驟：將經離心後之纖維乳酸醱酵液蒸發濃縮以獲得一濃縮液；酯化反應步驟：於該濃縮液中加入醇類、無機酸及酸性催化劑以進行酯化反應；低溫減壓蒸餾步驟：將上述酯化反應步驟所得之反應物於減壓(70-120℃)下進行蒸餾；高溫減壓蒸餾步驟：上述低溫減壓蒸餾步驟所得之反應物於減壓(120-180℃)下進行蒸餾，以獲得一乳酸酯類餾出液；水解反應步 驟：於該乳酸酯類餾出液中加入酸性樹脂後加熱迴流(120-180℃)，使該乳酸酯類餾出液中的乳酸酯類水解並過濾樹脂以獲得乳酸。

上述之乳酸分離純化方法中，該蒸發濃縮步驟中係以常壓加熱蒸發、減壓加熱蒸發或低溫乾燥進行蒸發濃縮。

上述之乳酸分離純化方法中，該酯化反應步驟中該醇類較佳為丁醇、戊醇；並該無機酸較佳為硫酸或鹽酸；而該酸性催化劑較佳為具有氫離子(H⁺)之樹脂，更佳為Amberlyst 15 H⁺酸性樹脂。

上述之乳酸分離純化方法中，該低溫減壓蒸餾步驟可選擇重覆進行1-5次。

上述之乳酸分離純化方法中，該高溫減壓蒸餾步驟可選擇重覆進行1-5次。

上述之乳酸分離純化方法中，該水解反應之步驟中，該酸性樹脂係為Amberlite IR 120 H⁺酸性樹脂。

據此，本發明提供一種纖維乳酸醱酵液之乳酸分離純化，其可獲得高純度的乳酸，並可達成成本低及利於商業化之大量生產的目的，此外，該纖維乳酸醱酵液之原料係可採用例如稻桿、麥桿、玉米梗等農業廢棄物，而具有環保及資源利用的優點。

S1‧‧‧離心步驟

S2‧‧‧蒸發濃縮步驟

S3‧‧‧酯化反應步驟

S4‧‧‧低溫減壓蒸餾步驟

S5‧‧‧高溫減壓蒸餾步驟

S6‧‧‧水解反應步驟

第1圖係為本發明實施例之應用纖維乳酸發酵液之乳酸分離純化方法的流程圖。

第2圖係為本發明實施例之高效液相層析儀的產品含量分析結果。

第3圖係為本發明實施例之高效液相層析儀的光學純度分析結果。

為充分瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本發明做一詳細說明，說明如後：請參照第1圖，本發明係為一種應用纖維乳酸發酵液之乳酸分離純化方法，主要係針對纖維乳酸發酵液進行乳酸分離純化，包含下列步驟：離心步驟S1：係利用離心力除去一纖維乳酸醱酵液中之雜質；蒸發濃縮步驟S2：係將經離心後之纖維乳酸醱酵液進行蒸發濃縮以獲得一濃縮液；酯化反應步驟S3：於該濃縮液中加入醇類、無機酸及酸性催化劑以進行酯化反應；低溫減壓蒸餾步驟S4：將上述酯化反應步驟S3所得之反應物於減壓(70-120℃)下進行蒸餾；高溫減壓蒸餾步驟S5：上述低溫減壓蒸餾步驟S4所得之反應物於減壓(120-180℃)下進行蒸餾，以獲得一乳酸酯類餾出液；水解反應步驟S6：於該乳酸酯類餾出液中加入酸性樹脂後加熱迴流(120-180℃)，使該乳酸酯類餾出液中的乳酸酯類水解並過濾樹脂以獲得乳酸。

上述之乳酸分離純化方法中，該蒸發濃縮步驟S2中係藉由常壓加熱蒸發、減壓加熱蒸發或低溫乾燥來進行蒸發濃縮，以獲得該濃縮液。

上述之乳酸分離純化方法中，該酯化反應步驟S3中該醇類較佳為丁醇、戊醇等不易溶於水之醇類；並該無機酸較佳為硫酸或鹽酸，當為硫酸時其濃度範圍為1-18M；而該酸性催化劑較佳為具有氫離子(H⁺)之樹脂，更佳為Amberlyst 15 H⁺酸性樹脂。

上述之乳酸分離純化方法中，該低溫減壓蒸餾步驟S4可可選擇重覆進行1-5次(即可選擇進行2-6次)，以提高分離純化乳酸之光學純度，並其操作時間可為1-72小時不等。

上述之乳酸分離純化方法中，該高溫減壓蒸餾步驟S5可可選擇重覆進行1-5次(即可選擇進行2-6次)，以提高分離純化乳酸之光學純度，並其操作時間可為1-72小時不等。

上述之乳酸分離純化方法中，該水解反應之步驟S6中，該酸性樹脂係為Amberlite IR 120 H⁺酸性樹脂。

以下係提供利用本發明之實施例以舉例說明本發明之優點與功效：於本發明實施例中，該纖維乳酸發酵液係具有20%固液比，其係以稻桿作為纖維原料，將該纖維原料打碎之後，加入1%硫酸等溶液，以蒸氣進行爆裂，反應時間為1分鐘，將纖維原料進一步分解。以10%NaOH調整pH至5，轉速設定為150rpm，再加入纖維酵素進行水解，酵素為Novozymes Cellic® CTec3，添加量為15-30FPU/g cellulose，最後加入特定乳酸發酵菌進行發酵，所得之纖維乳酸發酵液中固體與液體的比例係為20%。

將上述20%固液比稻桿纖維素發酵的乳酸發酵液先進行離心步驟S1，以轉速8,000rpm離心10分鐘，以去除不溶於水之雜質。

再進行蒸發濃縮步驟S2，取600mL之上述纖維乳酸發酵液之離心液進行蒸發濃縮，該蒸發濃縮係以減壓濃縮方式於60torr 57℃下成200mL之該濃縮液，該濃縮液之體積係該纖維乳酸發酵液原體積的1/3倍。

再進行酯化反應步驟S3，於200mL之濃縮液加入丁醇(600mL)、硫酸(18M,23mL)及酸性催化劑(Amberlyst 15 H⁺,3.7g)混合後，於攝氏120℃下攪拌17小時，並進迴流除水，使丁醇流回反應槽，於此過程中乳酸消耗為84%。

於低溫減壓蒸餾步驟S4中，將上述酯化反應步驟S3所得濾液使用30公分韋式分餾管(Vigreux column)在減壓下進行蒸餾，於80℃,70mmHg減壓蒸餾獲得約餾出液433g(含丁醇99%，乳酸丁酯1%)。

於高溫減壓蒸餾步驟S5中，於120℃,70mmHg減壓下餾出液208g(含乳酸丁酯85%，丁醇15%)，乳酸丁酯之蒸餾回收率為79%。

再進行水解反應步驟S6，取所乳酸丁酯蒸餾液25g(含乳酸丁酯85%，丁醇15%)加入Amberlite IR 120 H⁺酸性樹脂0.6g(相對於原液乳酸丁酯含量之3%重量)後加熱至100-105℃迴流，反應24小時後回溫至室溫，該乳酸丁酯餾出液中的乳酸丁酯係被水解，並過濾樹脂後，獲得乳酸。

於本實施例中係以高效液相層析儀進行分析，管柱採用Aminex HPX-87H，流洗液為8mN的硫酸水溶液，流速0.8mL/min，偵檢器為折射度計，分析時間為38分鐘。將前述水解反應步驟S6所得之溶液濃縮至體積低於25mL後，加水稀釋配置成25mL溶液，以測定其乳酸含量，可得乳酸含量19.2g，水解產率90.3%其結果如第2圖所示，光學純度約為99%其結果如第3圖所示。

據此，本發明提供一種纖維乳酸發酵液之乳酸分離純化，其可獲得高純度的乳酸，並可達成成本低及利於商業化之大量生產的目的，此外，該纖維乳酸發酵液之原料係可採用例如稻桿、麥桿、玉米梗等農業廢棄物，而具有環保及資源利用的優點。

本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以申請專利範圍所界定者為準。

S1‧‧‧離心步驟

S2‧‧‧蒸發濃縮步驟

S3‧‧‧酯化反應步驟

S4‧‧‧低溫減壓蒸餾步驟

S5‧‧‧高溫減壓蒸餾步驟

S6‧‧‧水解反應步驟

Claims (7)

1. 一種應用纖維乳酸醱酵液之乳酸分離純化方法，其係包含：離心步驟：係利用離心力除去一纖維乳酸醱酵液中之雜質；蒸發濃縮步驟：將經離心後之纖維乳酸醱酵液蒸發濃縮以獲得一濃縮液；酯化反應步驟：於該濃縮液中加入醇類、無機酸及酸性催化劑以進行酯化反應；低溫減壓蒸餾步驟：將上述酯化反應步驟所得之反應物於減壓(70-120℃)下進行蒸餾；高溫減壓蒸餾步驟：上述低溫減壓蒸餾步驟所得之反應物於減壓(120-180℃)下進行蒸餾，以獲得一乳酸酯類餾出液；水解反應步驟：於該乳酸酯類餾出液中加入酸性樹脂後加熱迴流(120-180℃)，使該乳酸酯類餾出液中的乳酸酯類水解並過濾樹脂以獲得乳酸。
2. 如請求項第1項所述之乳酸分離純化方法，該蒸發濃縮步驟中係以常壓加熱蒸發、減壓加熱蒸發或低溫乾燥進行蒸發濃縮。
3. 如請求項第1項所述之乳酸分離純化方法，該酯化反應步驟中該醇類為丁醇或戊醇；並該無機酸為硫酸或鹽酸；而該酸性催化劑為具有氫離子(H⁺)之樹脂。
4. 如請求項第3項所述之乳酸分離純化方法，該酸性催化劑為Amberlyst 15 H⁺酸性樹脂。
5. 如請求項第1項所述之乳酸分離純化方法中，該低溫減壓蒸餾步驟可選擇重覆進行1-5次。
6. 如請求項第1項所述之乳酸分離純化方法中，該高溫減壓蒸餾步驟可選擇重覆進行1-5次。
7. 如請求項第1項所述之乳酸分離純化方法中，該水解反應之步驟中，該酸性樹脂係為Amberlite IR 120 H⁺酸性樹脂。