一种发酵-分离耦合制备乳酸和/或乳酸盐的方法

摘要

本发明涉及一种发酵-分离耦合制备乳酸和/或乳酸盐的方法，以淀粉类为发酵原料，镁盐为中和剂发酵生产乳酸，利用发酵-分离耦合技术分离纯化得乳酸或乳酸盐，实质上没有任何固体或液体废物排放，是一种对环境友好的制备乳酸或乳酸盐的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及发酵-分离耦合制备乳酸和/或乳酸盐的方法，属于生物技术领域。

背景技术

乳酸（LA）是世界上公认的三大有机酸之一广泛应用于食品、酿造、医药、皮革、卷烟、化工和印染等工业中。最近，人们还发现乳酸的聚合物具有生物降解性，其应用可扩展到医药、塑料等领域，应用价值日益为人们所重视。

乳酸镁，白色至乳酪色晶体粉末或粒状，无臭。易溶于热水，广泛应用于食品、饮料、奶制品、面粉、营养液和制药等。乳酸镁是一种性能优良，比较经济的镁质有机强化剂，广泛添加于各种食品中，以补充食品中镁质的不足，对防止各种缺镁症，增强生命活力有显著效果。

目前，高光学纯度的L-乳酸的生产以微生物发酵为主，发酵菌株包括乳杆菌、米根霉等。我国现有较大规模的企业以淀粉为原料发酵生产乳酸，下游分离提取普遍采用乳酸钙-酸解工艺，将乳酸钙转化为乳酸，产生大量固废物石膏，连续化、自动化程度低，提取率低，产品纯度不高，稳定性差等问题。乳酸盐制备方法则是将常规方法分离纯化的乳酸再转化成乳酸盐，费力、耗时，成本高。膜技术有利于产品的分离纯化，条件温和、操作方便、能耗较低，易于与其他技术集成，便于工业化放大，应用于连续批次发酵更有竞争力。

发明内容

为解决淀粉类水解液发酵生产乳酸周期长、产率低等问题，本发明以淀粉类为发酵原料，镁盐为中和剂发酵生产乳酸，利用发酵-分离耦合技术分离纯化得乳酸或乳酸盐，实质上没有任何固体或液体废物排放，提供一种对环境友好的制备乳酸或乳酸盐的方法。本发明利用发酵-分离耦合技术，批次发酵结束，发酵液在结晶罐中结晶，上清液中菌体和营养物质返回发酵罐循环利用，进行连续批次发酵，达到高碳源利用率，提高乳酸产率的目的。

本发明采用如下技术方案：

一种发酵-分离耦合制备乳酸和/或乳酸盐的方法，包括以下步骤：

（1）淀粉类原料糖化：将淀粉类原料预处理、酶解，得淀粉类水解液；

（2）发酵：发酵过程中，采用镁盐中和剂调节其pH值为6-7；

（3）结晶：第一批发酵结束后，发酵液经泵输送到与发酵罐耦合的结晶罐中，得到乳酸镁晶体粗品，结晶上清液中菌体细胞和营养物质返回发酵罐中，作为下一批发酵培养基，如此循环多次，直至生产速率明显下降，实现发酵-分离耦合连续批次发酵生产乳酸；

（4）乳酸镁精制：乳酸镁晶体粗品经洗涤、重溶、除杂、重结晶、过滤、干燥后得到纯度≥95%的乳酸镁；

（5）乳酸精制：乳酸镁晶体粗品经重溶、酸解、超滤、纳滤、浓缩后得到纯度≥85%的乳酸；

（6）硫酸镁精制：纳滤膜截留液中的硫酸镁经沉淀或结晶，得纯度为95%-98%的硫酸镁，开发附加值产品，达到废物零排放。

在本发明的优选的实施方案中，步骤（1）中的淀粉类原料为淀粉或糖分含量高的非粮作物为生产乳酸的原料，优选为脱脂米糠、玉米、大米、糖蜜、甘薯、马铃薯、木薯、甜高梁中的一种或几种，淀粉水解液中葡萄糖含量不低于140g/L。

在本发明的优选的实施方案中，步骤（2）中的镁盐中和剂为氧化镁、碳酸镁或氢氧化镁，pH调节为6.25-6.5，得乳酸含量为150g/L左右的镁盐发酵液。

在本发明的优选的实施方案中，步骤（3）中的乳酸镁经结晶、洗晶、得到粗品乳酸镁，其中结晶温度为4-42℃，结晶时间为2-24h，连续批次发酵在3次以上。

在本发明的优选的实施方案中，步骤（4）中的洗涤为用水或者无水乙醇作为洗涤剂，除去可溶性色素；重溶为用蒸馏水在低于80℃下重溶，得浓度为40-140g/L的乳酸镁料液；重结晶为乳酸镁料液在pH5.0-6.5，温度为65-75℃条件下浓缩至乳酸含量200g/L左右，重结晶得高纯度乳酸镁；干燥为在真空度0.5-0.9MPa，温度30-50℃下干燥2-5h。

在本发明的优选的实施方案中，步骤（5）中的重溶为用蒸馏水在低于80℃下重溶，得浓度为40-140g/L的乳酸镁料液；酸解为用硫酸调节料液pH为2.0-2.5；超滤为用截留分子量为3000-6000Da的超滤膜，在压力为0.1-0.3MPa、温度为50-80℃条件下过滤去除了微小的不溶性固体杂质、胶质物质和大分子杂质；纳滤为用截留分子量在150-300 Da的纳滤膜，在压力0.8-2.0MPa下除去多价离子和小分子杂质；浓缩为料液在双效蒸发器中于60-75℃下浓缩成成品乳酸，纯度为85%以上。

在本发明的优选的实施方案中，还包括废液回收利用的步骤，所述的废液为菌悬液、浓缩水、一次母液、二次母液、三次母液；其中，菌悬液为微滤膜过滤后剩余的发酵液；浓缩水为乳酸镁和硫酸镁浓缩蒸发的蒸馏水；一次母液为批次发酵-结晶上清液；二次母液为晶体洗涤液；三次母液为精制过程中重结晶上清液；具体步骤如下：

（1）连续批次发酵的菌悬液经烘干作为饲料添加剂或饲料蛋白；

（2）浓缩水作为粗品乳酸镁复溶的溶解水；

（3）一次母液中菌体细胞和营养物质返回发酵罐中，作为下一批发酵培养基，进行连续批次发酵；

（4）二次母液作为超滤膜透析水循环套用；

（5）三次母液经过下述方法的至少一种循环套用： a）作为超滤膜脱色除杂的透析水；b）作为粗品乳酸镁重溶的溶解水；c）作为乳酸精制的料液。

相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

1. 传统乳酸镁是用钙盐发酵分离的乳酸和氧化镁结晶而成，本发明直接从镁盐发酵液结晶分离得乳酸镁晶体。本发明的发酵工段糖酸转化率≥92%，发酵水平≥140g/L；分离工段总收率≥85%，纯度≥85%。相比传统钙盐工艺，本发明采用可连续操作的生产工艺，减少了活性炭脱色、阴阳离子交换等工艺，有效地减轻工人劳动强度，大量减少了酸、碱和树脂等，废水排放量少，降低了成本，减少了污染。

2. 批次发酵-结晶上清液中菌体细胞和营养物质返回发酵罐中，作为下一批发酵培养基，进行连续批次发酵。如此循环多次，直至生产速率明显下降，实现发酵-分离耦合连续批次发酵生产乳酸，发酵液中和剂能开发附加值产品MgSO₄，实现低耗能、环境友好型生产乳酸和/或乳酸盐，经济效益和社会效益好。

3. 乳酸镁粗品可用于精制乳酸镁或/和乳酸，相比于钙盐分离工艺，本工艺可减少活性炭脱色、阴阳离子交换等工艺，操作简单。

4. 将纳滤截留液中硫酸镁，在合适溶剂（如乙醇）中沉淀或结晶，回收MgSO₄，节约了成本，废水量处理量减少，以达到废物零排放。

附图说明

图1 为发酵-分离耦合制备乳酸和/或乳酸盐的工艺流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

实施例1

脱脂米糠水解液2L作为培养基，15g/L米糠蛋白水解液为氮源，接种10%鼠李糖乳杆菌，温度42℃，转速280rpm，20%氧化镁作为中和剂，控制pH6.2-6.25发酵周期60h，得乳酸含量为156g/L的镁盐发酵液。第一批次发酵液常温静置沉淀2h，乳酸镁结晶率为50%，上清液返回发酵罐进行第二批次发酵；第二批发酵液乳酸含量达到140g/L，结晶率48%；第三批次发酵达到140g/L，结晶率47%；如此循环，直至生产力明显降低。

乳酸镁晶体用0℃的水洗涤，除去可溶性杂质，得乳酸镁粗品；用蒸馏水重溶为140g/L，用截留分子量为6KDa的超滤膜除杂，在70℃，0.09MPa下蒸发重结晶，乳酸镁晶体在0.9MPa，40℃下干燥2h，得纯度为95%乳酸镁成品。重结晶上清液用硫酸调节pH 2.2；酸解料液用截留分子量为3KDa的超滤膜脱色除杂；超滤料液用Dow NF270在0.8 MPa，45℃下除去多价离子和小分子杂质；纳滤透过料液在65℃下浓缩成纯度为85%的乳酸成品。纳滤截留液中硫酸镁经结晶得纯度为95%的硫酸镁。

实施例2

如实施例1所述的镁盐发酵液。

乳酸镁晶体用4℃的水洗涤，除去可溶性杂质，得乳酸镁粗品；用蒸馏水重溶为100g/L，用截留分子量为6KDa的超滤膜除杂，在70℃，0.09MPa下蒸发重结晶，晶体在0.9MPa，50℃下干燥3h，得纯度为96%乳酸镁成品。重结晶上清液用硫酸调节pH 2.5；酸解料液用截留分子量为3KDa的超滤膜脱色除杂；超滤料液用Dow NF270在1.0 MPa，40℃下除去多价离子和小分子杂质；纳滤透过料液在70℃下浓缩成纯度为84%的乳酸成品。纳滤截留液中硫酸镁经结晶得纯度为96%的硫酸镁。

实施例3

如实施例1所述的镁盐发酵液。

乳酸镁晶体用0℃的水洗涤，除去可溶性杂质，得乳酸镁粗品；用蒸馏水重溶为60g/L；用硫酸调节pH 2.3；用截留分子量为3KDa的超滤膜除杂；超滤料液用Dow NF270在0.8 MPa，50℃下除去多价离子和小分子杂质；纳滤透过料液在70℃下浓缩成纯度为85%的乳酸成品。纳滤截留液中硫酸镁经结晶得纯度为96%的硫酸镁。。

实施例4

如实施例1所述的镁盐发酵液。

乳酸镁晶体用0℃的水洗涤，除去可溶性杂质，得乳酸镁粗品；用蒸馏水重溶为60g/L；用硫酸调节pH 2.2；用截留分子量为3KDa的超滤膜除杂；超滤料液用Dow NF270在1.0 MPa，35℃下除去多价离子和小分子杂质；纳滤透过料液在70℃下浓缩成纯度为85%的乳酸成品。纳滤截留液中硫酸镁经结晶得纯度为96%的硫酸镁。

以上实施例显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，而不是以任何方式限制本发明的范围，在不脱离本发明范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的范围内。