CN101736042B - 一种生产l-乳酸的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生产L-乳酸的方法。该方法以农作物秸秆和米根霉为原料，具体操作步骤包括：A制备秸秆糖化液，B加入辅料接种米根霉发酵，C重复发酵25批次，D发酵清液酸化，E超滤，F纳滤，G反渗透，H离子交换，I真空浓缩得到质量百分浓度85％的L-乳酸产品。本发明以农作物秸秆水解糖液为主要原料制备L-乳酸，显著降低L-乳酸的生产成本；采用米根霉一次接种增殖，菌体多次重复利用生产L-乳酸，缩短L-乳酸发酵周期，L-乳酸的发酵强度显著提高；采用先进的膜分离、离子交换集成技术，提高了乳酸的产品质量；本发明过程简单，连续性强。

Description

一种生产L-乳酸的方法

技术领域

本发明涉及一种生产L-乳酸的方法，特别是涉及一种米根霉(Rhizopus oryzae)AS3.819利用农作物秸秆水解糖液，菌体重复利用发酵产L-乳酸及膜分离和离子交换集成分离L-乳酸的方法。

背景技术

乳酸作为一种重要的有机酸，已经被广泛应用于食品、药物、医学和化工工业。近年来，世界各地在为解决塑料制品所带来的“白色污染”的研究中，发现以L-乳酸为单体聚合形成的L-乳酸的聚合物—聚L-乳酸制成的塑料薄膜，可100％为生物降解。人体只能代谢L-乳酸，世界卫生组织提倡在食品、医药领域，使用L-乳酸，不要使用DL-乳酸。L-乳酸的需求量不断扩大。

乳酸可以通过化学合成或碳水化合物发酵得到，但是基于发酵法能够专一性的得到L-乳酸或D-乳酸，因此发酵法被广泛采用L-乳酸的生产。米根霉发酵生产乳酸具有光学纯度高，菌体易与发酵液分离等特点，利用米根霉发酵成为大规模生产L-乳酸的趋势。

为了降低L-乳酸的制备成本，提高乳酸生产质量，国内外对乳酸生产过程进行了大量研究，主要集中在：低价原料的开发利用，提高发酵强度，优化乳酸分离提取工艺这三个方面。目前用于L-乳酸生产的原料主要有淀粉、糖蜜、乳清水等。我国每年浪费或低质利用的木质纤维材料总共约10亿吨，其中农作物秸秆一项就大约有7亿多吨，其主要成份为纤维、半纤维、木质素。

L-乳酸发酵液成分复杂，除L-乳酸外，还含有菌体碎片、蛋白质、色素、残糖以及发酵副产物等杂质。乳酸传统的分离方法有乳酸钙前结晶工艺和乳酸钙直接酸解工艺，过程简单，易于控制，被广泛采用，但乳酸收率低，仅80％左右，产品纯度低，发酵液中许多杂质无法得到有效分离。基于此，国内外学者对乳酸的分离做了大量的研究，提出反应萃取、吸附、普通蒸馏、分子蒸馏等过程分离精制乳酸。寻找一条经济、高效的分离提纯方法，提高产品的质量和收率，降低生产成本，以适应大规模生产的需要，已成为乳酸及其聚合物能否大规模推广应用的关键，具有极大的意义。

膜分离技术作为一门新型的高分离、浓缩、提取及净化技术。在近30年来发展迅速，已在各工业领域和科学研究中得到广泛的应用。膜分离技术在分离物质的过程中不涉及相变，对能量的要求低，因此和蒸馏、结晶、蒸发等需要输入能量的过程相比有很大的差异，膜分离的条件一般比较温和，对于热敏性物质、复杂物质的分离、分级、浓缩和富集具有非常重要意义。国内已有报道采用膜分离技术对乳酸发酵液的提取技术。2008年南京工业大学申请的专利“一种乳酸的清洁生产工艺”(申请号200810195297.6)报道了一种利用膜过滤和双极膜电渗析的乳酸提取技术；2008年江苏道森生物化学有限公司申请了专利“一种分离纯化L-乳酸的新工艺”(申请号：200810020397.5)报道了一种利用连续离交、膜分离、分子蒸馏技术分离纯化L-乳酸的新工艺，L-乳酸先吸附到阴离子交换树脂上，再经过洗杂、洗脱工序，产生大量废水，不利于连续操作。在目前的L-乳酸生产过程中，多采用葡萄糖、淀粉等作为发酵碳源，原料成本高；采用分批发酵，每个批次发酵周期长，发酵强度低；后续分离工艺复杂，连续性不强。

发明内容

为了降低乳酸生产原材料成本，提高发酵强度、克服现有乳酸分离方法中连续性不强，过程复杂等不足，本发明提供以农作物秸秆和米根霉为原料的一种L-乳酸的生产方法。

实现上述目的的技术解决方案如下：

一种生产L-乳酸的方法包括以下操作步骤：

(1)将农作物秸秆玉米秸秆粉碎后过40目筛，采用稀碱液、稀酸液、纤维素酶依次处理，制得含糖质量百分比为8-12％的糖化液10L；

(2)将制得的质量百分比为8-12％糖化液加入发酵罐中，同时加入碳酸钙400-600g、硝酸铵30-35g、磷酸二氢钾3-5g、磷酸二氢钠2-3g、硫酸锌3-4g、硫酸镁3-4g和硫酸亚铁0.8-1.0g，灭菌冷却至32℃～34℃，接种孢子浓度为10¹¹个/L的米根霉(Rhizopusoryzae)AS3.819孢子悬液500mL，在32℃～34℃进行通气搅拌发酵，发酵时间60-65h；停止通风及搅拌，罐中残糖浓度小于5g/L，静置；米根霉菌体自然沉降到发酵罐底，采用正压排出5/6体积的L-乳酸发酵液；

(3)按步骤(2)在发酵罐内重新加入物料，在32℃～34℃进行通气搅拌发酵，重复25批次，每个批次发酵时间20～22h；每个批次发酵结束，停止通风及搅拌，米根霉菌体留在罐底重复利用，正压放出5/6体积的L-乳酸发酵液；

(4)将步骤(2)和(3)得到的L-乳酸发酵液合并，按质量/体积比加入4.5‰(w/v)氢氧化钙、7.5‰(w/v)活性炭和3‰(w/v)硫酸镁，在70℃下搅拌45min，静置，离心过滤除去杂质，得到L-乳酸发酵清液；

(5)采用98％浓硫酸对L-乳酸发酵清液进行酸化，静置沉淀，除去硫酸钙，得到酸化发酵液；

(6)将酸化发酵液通过截留分子量为3000道尔顿的卷式超滤膜，操作压力0.8Mpa，浓缩比为10，除去蛋白质等大分子杂质，得到超滤浓缩液和超滤透过液，超滤浓缩液经过活性炭吸附处理后重新过滤；

(7)将超滤透过液采用纳滤膜过滤，截留分子量150～300道尔顿，操作压力1.0MPa，透过液体积占进料体积的95％，得到纳滤浓缩液和纳滤透过液，纳滤浓缩液进入超滤膜超滤；

(8)将纳滤透过液采用反渗透预浓缩，操作压力4MPa，得到质量分数为18％的L-乳酸预浓缩液；

(9)将L-乳酸预浓缩液依次经过强酸性阳离子交换树脂、弱碱性阴离子交换树脂脱除无机盐，得到脱盐L-乳酸溶液；

(10)脱盐L-乳酸溶液进入真空蒸馏单元进行浓缩，得到质量百分浓度85％的L-乳酸产品，质量达到GB2023-2003标准。

所述的农作物秸秆为玉米秸秆或小麦秸秆或水稻秸秆。

本发明采用米根霉发酵农作物秸秆水解糖液，菌体重复利用，采用膜技术与离子交换集成分离提纯L-乳酸，其有益技术效果体现在：

(1)本发明以大量的农作物秸秆水解糖液为主要原料制备L-乳酸，显著降低L-乳酸的生产成本；秸秆水解液是五六碳糖混合液，米根霉可以同时利用五六碳糖，利用秸秆水解糖液大规模制备乳酸，其产业前景非常广阔。

(2)本发明采用米根霉一次接种增殖，菌体多次重复利用生产L-乳酸，缩短L-乳酸发酵周期，目前大部分厂家采用的分批发酵，发酵周期为72个小时左右，本发明除第一个批次发酵时间为60-72h，后续重复批次发酵时间为20-22小时，L-乳酸的发酵强度显著提高。

(3)本发明采用先进的膜分离、离子交换集成技术，提高了乳酸的产品质量。传统的离子交换分离技术是乳酸根离子通过阴离子交换吸附到阴离子交换柱上，再通过酸洗脱得到乳酸溶液，过程复杂，产生大量废水。本发明将经过超滤除蛋白、纳滤脱二价盐及色素、反渗透浓缩后的乳酸溶液先经过阳离子交换树脂通过阳离子交换除掉残余的阳离子，接着通入弱碱性阴离子交换树脂柱，交换吸附硫酸根离子、氯离子等，流出液浓缩即得到乳酸产品，过程简单，连续性强。

附图说明

图1为一种生产L-乳酸的工艺流程方框图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步详细说明。

具体实施方案：

实施例1：

按附图1所示，本发明的操作步骤如下：

(1)将玉米秸秆粉碎后过40目筛，按5L/Kg的比例加入氢氧化钙水溶液，95℃下加热搅拌25min后，添加98％浓硫酸中和氢氧化钙至中性，分离除去固体成份及硫酸钙沉淀，按1g/L的比例添加酶活为15U/g的液体纤维素酶，60℃下搅拌酶解60min，制得含糖质量百分比为10％的糖化液10L；

(2)将制得的质量百分比为8-12％糖化液加入发酵罐中，同时加入碳酸钙500g、硝酸铵33g、磷酸二氢钾4g、磷酸二氢钠2.5g、硫酸锌3.5g、硫酸镁3.5g和硫酸亚铁0.9g，灭菌冷却至32℃-34℃，接种孢子浓度为10¹¹个/L的米根霉(Rhizopus oryzae)AS3.819孢子悬液500mL，在32℃-34℃进行通气搅拌发酵，发酵时间62h；停止通风及搅拌，罐中残糖浓度小于5g/L，静置；米根霉菌体自然沉降到发酵罐底，采用正压排出5/6体积的L-乳酸发酵液；

(3)按步骤(2)在发酵罐内重新加入物料，在32℃-34℃进行通气搅拌发酵，重复25批次，每个批次发酵时间21h；每个批次发酵结束，停止通风及搅拌，米根霉菌体留在罐底重复利用，正压放出5/6体积的L-乳酸发酵液；

(4)将步骤(2)和(3)得到的L-乳酸发酵液合并，按质量/体积比加入4.5‰(w/v)氢氧化钙、7.5‰(w/v)活性炭和3‰(w/v)硫酸镁，在70℃下搅拌45min，静置，离心过滤除去杂质，得到L-乳酸发酵清液；

(5)采用98％浓硫酸对L-乳酸发酵清液进行酸化，料温不超过80℃，用0.1％甲基紫溶液检验，酸解当量合适时呈橘黄色，硫酸过量时呈绿色，乳酸钙过量时呈紫色，硫酸或乳酸过量时相应的补加乳酸钙或硫酸来中和。中和完全后静置2小时使硫酸钙充分析出，除去硫酸钙，得到酸化发酵液；

(6)将酸化发酵液通过截留分子量为3000道尔顿的卷式超滤膜，操作压力0.8Mpa，浓缩比为10，除去蛋白质等大分子杂质，得到超滤浓缩液和超滤透过液，超滤浓缩液经过活性炭吸附处理后重新过滤；

(7)将超滤透过液采用通用电气(GE)公司的DK型纳滤膜过滤，截留分子量150-300道尔顿，操作压力1.0MPa，透过液体积占进料体积的95％，得到纳滤浓缩液和纳滤透过液，纳滤浓缩液进入超滤膜超滤；

(8)将纳滤透过液采用反渗透预浓缩，反渗透膜为通用电气(GE)公司的SG型反渗透膜，操作压力4MPa，得到质量分数为18％的L-乳酸预浓缩液；

(9)将L-乳酸预浓缩液依次经过强酸性阳离子交换树脂、弱碱性阴离子交换树脂脱除无机盐，得到脱盐L-乳酸溶液；

(10)脱盐L-乳酸溶液进入真空蒸馏单元进行浓缩，得到质量百分浓度85％的L-乳酸产品，L-乳酸占总乳酸比例为99％，质量达到GB2023-2003标准。

实施例2：

(1)将小麦秸秆粉碎后过40目筛，按5.5L/Kg的比例加入氢氧化钙水溶液，95℃下加热搅拌20min后，添加98％浓硫酸中和氢氧化钙至中性，分离固体成份及硫酸钙沉淀，按0.8g/L的比例添加酶活为15U/g的液体纤维素酶，60℃下搅拌酶解45min，制得含糖质量百分比为8％的糖化液10L；

(2)将制得的质量百分比为8％糖化液加入发酵罐中，同时加入碳酸钙400g、硝酸铵30g、磷酸二氢钾3g、磷酸二氢钠2g、硫酸锌3g、硫酸镁3g和硫酸亚铁0.8g，灭菌冷却至32℃-34℃，接种孢子浓度为10¹¹个/L的米根霉(Rhizopus oryzae)AS3.819孢子悬液500mL，在32℃-34℃进行通气搅拌发酵，发酵时间60h；停止通风及搅拌，罐中残糖浓度小于5g/L，静置；米根霉菌体自然沉降到发酵罐底，采用正压排出5/6体积的L-乳酸发酵液；

(3)按步骤(2)在发酵罐内重新加入物料，在32℃-34℃进行通气搅拌发酵，重复25批次，每个批次发酵时间20h；每个批次发酵结束，停止通风及搅拌，米根霉菌体留在罐底重复利用，正压放出5/6体积的L-乳酸发酵液；

其它操作步骤同实施例1。

实施例3：

(1)将水稻秸秆粉碎后过40目筛，按4.5L/Kg的比例加入氢氧化钙水溶液，95℃下加热搅拌30min后，添加98％浓硫酸中和氢氧化钙至中性，分离固体成份及硫酸钙沉淀，按1.2g/L的比例添加酶活为15U/g的液体纤维素酶，60℃下搅拌酶解70min，制得含糖质量百分比为12％的糖化液10L；

(2)将制得的质量百分比为12％糖化液加入发酵罐中，同时加入碳酸钙600g、硝酸铵35g、磷酸二氢钾5g、磷酸二氢钠3g、硫酸锌4g、硫酸镁4g和硫酸亚铁1.0g，灭菌冷却至32℃-34℃，接种孢子浓度为10¹¹个/L的米根霉(Rhizopus oryzae)AS3.819孢子悬液500mL，在32℃-34℃进行通气搅拌发酵，发酵时间65h；停止通风及搅拌，罐中残糖浓度小于5g/L，静置；米根霉菌体自然沉降到发酵罐底，采用正压排出5/6体积的L-乳酸发酵液；

(3)按步骤(2)在发酵罐内重新加入物料，在32℃-34℃进行通气搅拌发酵，重复25批次，每个批次发酵时间22h；每个批次发酵结束，停止通风及搅拌，米根霉菌体留在罐底重复利用，正压放出5/6体积的L-乳酸发酵液；其它操作步骤同实施例1。

Claims (2)

1.一种生产L-乳酸的方法，其特征在于包括以下操作步骤：

(1)将农作物秸秆粉碎后过40目筛，采用稀碱液、稀酸液、纤维素酶依次处理，制得含糖质量百分比为8-12％的糖化液10L；

(2)将制得的质量百分比为8-12％糖化液加入发酵罐中，同时加入碳酸钙400-600g、硝酸铵30-35g、磷酸二氢钾3-5g、磷酸二氢钠2-3g、硫酸锌3-4g、硫酸镁3-4g和硫酸亚铁0.8-1.0g，灭菌冷却至32℃～34℃，接种孢子浓度为10¹¹个/L的米根霉(Rhizopus oryzae)AS3.819孢子悬液500mL，在32℃～34℃进行通气搅拌发酵，发酵时间60-65h；停止通风及搅拌，罐中残糖浓度小于5g/L，静置；米根霉菌体自然沉降到发酵罐底，采用正压排出5/6体积的L-乳酸发酵液；

(3)按步骤(2)在发酵罐内重新加入物料，在32℃～34℃进行通气搅拌发酵，重复25批次，每个批次发酵时间20～22h；每个批次发酵结束，停止通风及搅拌，米根霉菌体留在罐底重复利用，正压放出5/6体积的L-乳酸发酵液；

(4)将步骤(2)和(3)得到的L-乳酸发酵液合并，按质量/体积比加入4.5‰(w/v)氢氧化钙、7.5‰(w/v)活性炭和3‰(w/v)硫酸镁，在70℃下搅拌45min，静置，离心过滤除去杂质，得到L-乳酸发酵清液；

(5)采用98％浓硫酸对L-乳酸发酵清液进行酸化，静置沉淀，除去硫酸钙，得到酸化发酵液；

(6)将酸化发酵液通过截留分子量为3000道尔顿的卷式超滤膜，操作压力0.8Mpa，浓缩比为10，除去蛋白质等大分子杂质，得到超滤浓缩液和超滤透过液，超滤浓缩液经过活性炭吸附处理后重新过滤；

(7)将超滤透过液采用纳滤膜过滤，截留分子量150～300道尔顿，操作压力1.0MPa，透过液体积占进料体积的95％，得到纳滤浓缩液和纳滤透过液，纳滤浓缩液进入超滤膜超滤；

(8)将纳滤透过液采用反渗透预浓缩，操作压力4MPa，得到质量分数为18％的L-乳酸预浓缩液；

(9)将L-乳酸预浓缩液依次经过强酸性阳离子交换树脂、弱碱性阴离子交换树脂脱除无机盐，得到脱盐L-乳酸溶液；

(10)脱盐L-乳酸溶液进入真空蒸馏单元进行浓缩，得到质量百分浓度85％的L-乳酸产品，质量达到GB2023-2003标准。

2.根据权利要求1所述的一种生产L-乳酸的方法，其特征在于：所述的农作物秸秆为玉米秸秆或小麦秸秆或水稻秸秆。

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