一种从乳酸发酵液中分离乳酸的方法

技术领域

本发明专利属于乳酸提取领域，具体涉及一种从乳酸发酵液中分离乳酸的方法。

背景技术

乳酸是一种天然存在的多功能有机酸，是一种有价值的工业化学品，在食品工业，制药，皮革和纺织工业中有着非常广泛的应用。乳酸最有价值和希望的应用之一是其用于可生物降解和生物相容的乳酸聚合物，如聚乳酸。

乳酸可以通过发酵或通过化学合成来生产，但是由于环境问题，使用可再生资源代替石化产品生产乳酸己经成为当前的主要趋势。在生产温度低，能量要求低和纯度高的几个环境友好型条件下，使得生物技术发酵过程具有重要意义。关于乳酸生产的生物技术方法的开发以及分离技术的优化有许多研究，其最终目标是使乳酸的生产－分离流程具有更高的有效性和经济性。

CN111592458A公开一种从乳酸发酵液中分离得到精制乳酸的方法，将固液分离、脱色、膜过滤、连续离子交换和浓缩进行有效结合，从乳酸发酵液中分离得到精制乳酸。

CN111574360A，公开了一种分离乳酸的方法，该方法包括以下步骤：(1)将含乳酸溶液进行离子交换，得到乳酸溶液；(2)将所述乳酸溶液进行减压浓缩，得到乳酸浓液；(3)将所述乳酸浓液进行分子蒸馏，得到精制乳酸；其中，所述含乳酸溶液中，乳酸的含量为5-30重量％。该方法将离子交换、减压浓缩和分子蒸馏进行有效结合，可以在一定程度上提高乳酸的纯度。

然而上述方法中，使用传统的减压蒸馏蒸出的乳酸,耐热性不好,乳酸收率也不高，且能耗高。

因此，亟需一种新的节能环保的高收率分离乳酸的方法。

为了解决以上问题，提出本发明。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中分离乳酸的工艺能耗高产生废液、废固的问题，提供一种分离以专有乳酸发酵菌株制备发酵液中乳酸的方法。同时，本发明提供的分离乳酸的方法，简化工艺流程，便于工业化生产。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

本发明提供一种从乳酸发酵液中分离乳酸的方法，所述乳酸发酵液由乳酸发酵菌株经发酵培养制备得到，包括如下步骤：

(1)将乳酸发酵液经微滤后得到微滤发酵液；

(2)将步骤(1)得到的微滤发酵液经脱色得到脱色液；

(3)将步骤(2)得到的脱色液经超滤得到超滤液；

(4)将步骤(3)得到的超滤液再经电渗析得到乳酸溶液；

(5)将步骤(4)得到的乳酸溶液经膜蒸馏浓缩得到乳酸产品

上述乳酸提取方法简单、易操作，无废液污染，能耗低，回收率高，产品品质高。

为了进一步提高产品品质，同时保证乳酸回收率,步骤(1)中所用微滤膜孔径为0.05-0.5μm操作压力为0.3-4bar，优选地，微滤膜孔径为0.45μm操作压力为0.4bar。微滤可以能够实现发酵液的澄清。

为了进一步提高产品品质，同时保证乳酸回收率,步骤(2)中所用脱色剂为双氧水，基于体积百分比，双氧水在微滤发酵液中的添加量为0.3％～3％，双氧水的质量浓度为20-35％，脱色温度为40～70℃，脱色时间为30min～2h；优选地，双氧水在微滤发酵液中的添加量为1％，双氧水的质量浓度为30％，脱色温度为40℃，脱色时间为60min。采用双氧水脱色，除去细胞色素，而采用上述条件可以进一步增强脱色效果。

为了进一步提高产品品质，同时保证乳酸回收率,步骤(3)中所用超滤膜孔径为0.1-0.45μm，操作压力为0.3-0.4bar，优选地，超滤膜孔径为0.1μm，操作压力为0.4bar。该超滤膜，可除去蛋白质、糖类等大分子有机物。

为了进一步提高产品品质，同时保证乳酸回收率,步骤(4)的工作电压为20-30V，进料流量15-25L/h，进出料体积比为1.0-1.5，电渗析8-12小时，优选地，工作电压为27V，进料流量20L/h，进出料体积比为1.3，电渗析10小时。采用倒极膜电渗析，除去盐类离子。

为了进一步提高产品品质，同时保证乳酸回收率,步骤(5)真空膜蒸馏的操作条件为，进料温度为50-80℃、真空度为0.05-1.8atm,进料流量为20-45L/h，优选地，真空膜蒸馏的操作条件为，进料温度为55℃、真空度为0.4atm,进料流量为40L/h。采用膜蒸馏的方式进行浓缩，此过程可充分利用工厂热或太阳能等廉价能源,过程易自动化、设备简单。

为了进一步提高产品品质，同时保证乳酸回收率,乳酸发酵液的制备方法包括以下步骤：

(11)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；

(12)种子培养：将经步骤(11)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，得到种子培养液；

(13)发酵产酸：将步骤(12)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品质，同时保证乳酸回收率,步骤(11)中，平板培养基成分为：葡萄糖10～30g/L，酵母膏1～3g/L，无水乙酸钠1～4g/L，无水硫酸镁0.1～0.4g/L，磷酸二氢钾1～3g/L，琼脂15～25g/L。

为了进一步提高产品品质，同时保证乳酸回收率,步骤(12)中，种子培养基成分为：葡萄糖10～40g/L，酵母膏1～3g/L，蛋白胨1～3g/L，无水硫酸镁0.1～0.4g/L，碳酸钙10～30g/L。

为了进一步提高产品品质，同时保证乳酸回收率,步骤(13)中，发酵培养基成分为:葡萄糖150～180g/L，酵母膏8～12g/L，玉米浆干粉4～6g/L，硫酸镁0.4～0.6g/L。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明首次将膜蒸馏工艺技术引入乳酸的分离中，本发明将膜分离、脱色、电渗析、膜蒸馏有效结合，从乳酸发酵液中分离得到精制乳酸，尤其是采用膜蒸馏技术，有效提高了乳酸回收率、减少能耗。对比来看，相对于采用减压蒸馏进行浓缩(对比例1)，采用膜蒸馏进行浓缩(实施例1-3)，在保证得到的乳酸纯度的同时提高了乳酸的回收率。

2、本发明提供的分离乳酸的方法，固体废物废液排放，同时简化工艺流程，另外，膜蒸馏过程还可充分利用工厂热或太阳能等廉价能源，绿色无污染，便于工业化生产。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行说明，但本发明的实施方式不限于此。

下面对本发明通过实施例作进一步说明,但不仅限于本实施例。实施例中未注明具体条件的实验方法,通常按照常规条件以及手册中所述的条件,或按照制造厂商所建议的条件所用的通用设备、材料、试剂等,如无特殊说明,均可从商业途径得到。以下实施例和对比例中所需要的原料均为市售。

实验材料

本实施方式以专有乳酸发酵菌株制备发酵液中乳酸的分离为例阐述本发明的具体技术方案，但并不表示本发明提供的分离提纯乳酸的方法只能用于此发酵液。本发明提供的方法可适用于所有能产生乳酸的菌株发酵所形成的发酵液。

本发明所用菌株：专有乳酸发酵菌株芽孢杆菌BS1-5,保藏编号CGMCC No.11059/-60。具体可参考申请号：201580000781.7，发明名称为：一种聚合级乳酸单体生产菌及其构建方法与乳酸制造技术的专利。

本发明方法的主要流程包括：

乳酸发酵液→微滤→脱色→超滤→倒极膜电渗析→膜蒸馏→成品。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。

乳酸的检测方法，采用高效液相色谱法检测法；方法如下：色谱仪：AgilentTechnologies 1260Infinity/(LC-20AD)II；检出器：RID；分离柱：Aminex HPX-87HColumn300×7.8mm；流动相：0.005M硫酸；流量：0.5mML/min；进样量：20μL；乳酸保留时间为10-20min。

实施例1

从乳酸发酵液中分离乳酸的方法，包括以下步骤：

(1)将3L乳酸发酵液(乳酸含量100g/L)进行微滤，所述膜过滤条件包括：微滤膜孔径膜0.45μm操作压力为0.5bar。

(2)将得到的微滤液进行脱色，所述脱色条件为：双氧水的添加量为1％(质量体积比)，脱色温度为60℃，脱色时间为1h。双氧水的质量浓度为30％。

(3)将得到的脱色液进行超滤，所述超滤条件为：超滤膜孔径为0.1μm，操作压力为0.4bar。

(4)将得到的超滤液采用电渗析，所述的电渗析工作电压为27V，进料流量20L/h，进出料体积比为1.3，电渗析10小时。

(5)将得到的乳酸溶液进行膜蒸馏进一步浓缩得到精制乳酸，真空膜蒸馏的操作条件为55℃、0.4atm,40L/h。

本实施例中分离得到的乳酸产品含量为93％，光学纯度为99.9％，乳酸产品的总收率为95％。

实施例2

从乳酸发酵液中分离乳酸的方法，保持实施例1中的步骤(1)到(4)不变，将步骤(5)中膜蒸馏条件变为50℃，0.4atm，40L/h。

结果得到的乳酸产品含量为91％，光学纯度为99.8％，乳酸产品的总收率为92％。

实施例3

从乳酸发酵液中分离乳酸的方法，保持实施例1中的步骤(1)到(4)不变，将步骤(5)中膜蒸馏条件变为55℃，0.05atm，40L/h。

结果得到乳酸产品含量91.21％，光学纯度为99.7％，产品的总收率为90％。

对比例1

从乳酸发酵液中分离乳酸的方法，保持实施例1中的步骤(1)到(4)不变，将步骤(5)中膜蒸馏替换为常规的减压蒸馏，且减压蒸馏操作温度为50℃，真空度为0.05atm；得到的乳酸含量为90％，光学纯度为99.5％。产品的总收率约为90％。