CN109206310A - 一种从d-乳酸钙发酵液中提取d-乳酸的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种从D‑乳酸钙发酵液中提取D‑乳酸的方法，包括顺序相接的如下步骤：1)将D‑乳酸钙发酵液进行固液分离去除菌体，得澄清发酵液；2)将步骤1)中所得到的澄清发酵液加入浓硫酸进行酸解，然后除去副产物硫酸钙；3)将步骤2)中所得到的去除硫酸钙的D‑乳酸清液过活性炭柱子进行脱色；4)将步骤3)中所得到的D‑乳酸脱色液进行离子交换；5)将步骤4)中所得到的料液进行纳滤脱色；6)将步骤5)中所得到的纳滤后的发酵液进行浓缩从而获得D‑乳酸。本发明通过高效的D‑乳酸生产菌，获得了高浓度与高光学纯度的D‑乳酸钙，且采用的发酵培养基成分较为简单，易于下游的分离提取；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。

Description

一种从D-乳酸钙发酵液中提取D-乳酸的方法
技术领域
本发明涉及一种从D-乳酸钙发酵液中提取D-乳酸的方法，属于生物工程领域。
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已得到工业上的应用，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制备复杂、产品收率较低、质量较差等缺陷，本发明提供一种从D-乳酸钙发酵液中提取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-乳酸钙发酵液中提取D-乳酸的方法，包括顺序相接的如下步骤：
1)将D-乳酸钙发酵液进行固液分离去除菌体，得澄清发酵液；
2)将步骤1)中所得到的澄清发酵液加入浓硫酸进行酸解，然后除去副产物硫酸钙；
3)将步骤2)中所得到的去除硫酸钙的D-乳酸清液过活性炭柱子进行脱色；
4)将步骤3)中所得到的D-乳酸脱色液进行离子交换；
5)将步骤4)中所得到的料液进行纳滤脱色；
6)将步骤5)中所得到的纳滤后的发酵液进行浓缩从而获得D-乳酸。
本申请中的浓硫酸指质量浓度为98％的硫酸。
为了进一步提高产品品质，步骤1)中，发酵液的固液分离采用离心或者板框过滤的方式。
为了简化操作，同时保证产品品质，步骤2)中，酸解温度55～75℃，酸解时间1～4h，硫酸钙去除采用离心或者板框过滤的方式。
本申请中的浓硫酸指质量浓度为98％的硫酸。
为了进一步提高产品品质，步骤3)中，活性炭柱子采用颗粒活性炭，操作温度为50～70℃。
为了进一步提高产品品质，步骤4)中，离子交换采用阳离子树脂和阴离子树脂相结合的方法进行。
为了进一步提高产品品质，步骤4)中，发酵液先过阳离子柱再过阴离子柱，阳离子交换树脂为732阳离子树脂，阴离子树脂为717阴离子树脂。
为了进一步提高产品品质，步骤5)中，采用纳滤膜进行脱色，纳滤膜的截留分子量为200～500D。
为了进一步提高产品品质，步骤1)中，D-乳酸钙发酵液采用微生物发酵法获得。
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)。
步骤1)中，D-乳酸钙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。
为了进一步提高产品回收率，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；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；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。
本发明未提及的技术均参照现有技术。
本发明有益效果如下：
(1)本发明通过高效的D-乳酸生产菌，获得了高浓度与高光学纯度的D-乳酸钙，且采用的发酵培养基成分较为简单，易于下游的分离提取；
(2)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；
(3)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，分离收率可达85％。
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：
(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。
上述平板培养基成分为(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。
上述种子培养基成分为(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。
上述发酵培养基成分为(g/L):葡萄糖150，酵母膏8，玉米浆干粉4，硫酸镁0.4。
发酵产酸阶段采用碳酸钙作为pH调节剂，以芽孢杆菌生产菌株的D-乳酸钙发酵液，其中D-乳酸浓度115g/L，无残糖。取发酵结束后的D-乳酸钙发酵液经板框进行固液分离，将过滤后的清液加入浓硫酸进行酸解，酸解温度控制在55℃，酸解时间1h，随后采用板框过滤去除副产物硫酸钙；将获得的清液送入活性炭柱进行脱色操作；将脱色后的发酵液进行离子交换，离子交换选用732阳离子树脂与717阴离子交换树脂，先过阳离子柱再过阴离子柱；将离子交换后的发酵液进行纳滤脱色，纳滤膜的截留分子量为500D，最后送入多效蒸发器进行减压蒸发即得到高品质D-乳酸，得到的D-乳酸含量为89.5％，光学纯度为99.5％。
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。
上述平板培养基成分为(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。
上述种子培养基成分为(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。
上述发酵培养基成分为(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钙作为pH调节剂，以芽孢杆菌生产菌株的D-乳酸钙发酵液，其中D-乳酸浓度130g/L，无残糖。取发酵结束后的D-乳酸钙发酵液经板框进行固液分离，将过滤后的清液加入浓硫酸进行酸解，酸解温度控制在75℃，酸解时间4h，随后采用板框过滤去除副产物硫酸钙；将获得的清液送入活性炭柱进行脱色操作；将脱色后的发酵液进行离子交换，离子交换选用732阳离子树脂与717阴离子交换树脂，先过阳离子柱再过阴离子柱；将离子交换后的发酵液进行纳滤脱色，纳滤膜的截留分子量为200D，最后送入多效蒸发器进行减压蒸发即得到高品质D-乳酸，得到的D-乳酸含量为89％，光学纯度为99.5％。
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。
上述平板培养基成分为(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。
上述种子培养基成分为(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。
上述发酵培养基成分为(g/L)：葡萄糖160，酵母膏10，玉米浆干粉5，硫酸镁0.5。
发酵产酸阶段采用碳酸钙作为pH调节剂，以芽孢杆菌生产菌株的D-乳酸钙发酵液，其中D-乳酸浓度144g/L，无残糖。取发酵结束后的D-乳酸钙发酵液经板框进行固液分离，将过滤后的清液加入浓硫酸进行酸解，酸解温度控制在65℃，酸解时间2h，随后采用板框过滤去除副产物硫酸钙；将获得的清液送入活性炭柱进行脱色操作；将脱色后的发酵液进行离子交换，离子交换选用732阳离子树脂与717阴离子交换树脂，先过阳离子柱再过阴离子柱；将离子交换后的发酵液进行纳滤脱色，纳滤膜的截留分子量为300，最后送入多效蒸发器进行减压蒸发即得到高品质D-乳酸，得到的D-乳酸含量为91％，光学纯度为99.7％。
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。
上述平板培养基成分为(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。
上述种子培养基成分为(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。
上述发酵培养基成分为(g/L):葡萄糖150，酵母膏10，玉米浆干粉5，硫酸镁0.5，麸皮10。
发酵产酸阶段采用碳酸钙作为pH调节剂，以芽孢杆菌生产菌株的D-乳酸钙发酵液，其中D-乳酸浓度135g/L，无残糖。以5L发酵液，浓度为135g/L，约有675g质量的D-乳酸。
取5L，含675g D-乳酸的发酵液经板框进行固液分离，D-乳酸收率为98％，板框过滤后得到D-乳酸的质量为661g，将过滤后的清液加入浓硫酸进行酸解。酸解温度控制在65℃，酸解时间2h，随后采用板框过滤去除副产物硫酸钙，共获得490g副产物硫酸钙；将获得的清液送入活性炭柱进行脱色操作；将脱色后的发酵液进行离子交换，离子交换选用732阳离子树脂与717阴离子交换树脂，先过阳离子柱再过阴离子柱；将离子交换后的发酵液进行纳滤脱色，纳滤膜的截留分子量为200D，最后送入多效蒸发器进行减压蒸发即得到高品质D-乳酸，得到的D-乳酸含量为90％，光学纯度为99.7％，共获得D-乳酸产品质量为573g。
最终从含有D-乳酸钙发酵液中分离提取D-乳酸产品的总收率为85％。

Claims (10)

1.一种从D-乳酸钙发酵液中提取D-乳酸的方法，其特征在于：包括顺序相接的如下步骤：
1)将D-乳酸钙发酵液进行固液分离去除菌体，得澄清发酵液；
2)将步骤1)中所得到的澄清发酵液加入浓硫酸进行酸解，然后除去副产物硫酸钙；
3)将步骤2)中所得到的去除硫酸钙的D-乳酸清液过活性炭柱子进行脱色；
4)将步骤3)中所得到的D-乳酸脱色液进行离子交换；
5)将步骤4)中所得到的料液进行纳滤脱色；
6)将步骤5)中所得到的纳滤后的发酵液进行浓缩从而获得D-乳酸。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)中，发酵液的固液分离采用离心或者板框过滤的方式。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2)中，酸解温度55～75℃，酸解时间1～4h，硫酸钙去除采用离心或者板框过滤的方式。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3)中，活性炭柱子采用颗粒活性炭，操作温度为50～70℃。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤4)中，离子交换采用阳离子树脂和阴离子树脂相结合的方法进行。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤4)中，发酵液先过阳离子柱再过阴离子柱，阳离子交换树脂为732阳离子树脂，阴离子树脂为717阴离子树脂。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤5)中，采用纳滤膜进行脱色，纳滤膜的截留分子量为200～500D。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)中，D-乳酸钙发酵液采用微生物发酵法获得。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤1)中，D-乳酸钙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。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：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；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；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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