一種發(fā)酵-分離耦合制備乳酸和/或乳酸鹽的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及發(fā)酵-分離耦合制備乳酸和/或乳酸鹽的方法，屬于生物技術領域。
【背景技術】
[0002]乳酸(LA)是世界上公認的三大有機酸之一廣泛應用于食品、釀造、醫(yī)藥、皮革、卷煙、化工和印染等工業(yè)中。最近，人們還發(fā)現乳酸的聚合物具有生物降解性，其應用可擴展到醫(yī)藥、塑料等領域，應用價值日益為人們所重視。
[0003]乳酸鎂，白色至乳酪色晶體粉末或粒狀，無臭。易溶于熱水，廣泛應用于食品、飲料、奶制品、面粉、營養(yǎng)液和制藥等。乳酸鎂是一種性能優(yōu)良，比較經濟的鎂質有機強化劑，廣泛添加于各種食品中，以補充食品中鎂質的不足，對防止各種缺鎂癥，增強生命活力有顯著效果。
[0004]目前，高光學純度的L-乳酸的生產以微生物發(fā)酵為主，發(fā)酵菌株包括乳桿菌、米根霉等。我國現有較大規(guī)模的企業(yè)以淀粉為原料發(fā)酵生產乳酸，下游分離提取普遍采用乳酸鈣-酸解工藝，將乳酸鈣轉化為乳酸，產生大量固廢物石膏，連續(xù)化、自動化程度低，提取率低，產品純度不高，穩(wěn)定性差等問題。乳酸鹽制備方法則是將常規(guī)方法分離純化的乳酸再轉化成乳酸鹽，費力、耗時，成本高。膜技術有利于產品的分離純化，條件溫和、操作方便、能耗較低，易于與其他技術集成，便于工業(yè)化放大，應用于連續(xù)批次發(fā)酵更有競爭力。

【發(fā)明內容】

[0005]為解決淀粉類水解液發(fā)酵生產乳酸周期長、產率低等問題，本發(fā)明以淀粉類為發(fā)酵原料，鎂鹽為中和劑發(fā)酵生產乳酸，利用發(fā)酵-分離耦合技術分離純化得乳酸或乳酸鹽，實質上沒有任何固體或液體廢物排放，提供一種對環(huán)境友好的制備乳酸或乳酸鹽的方法。本發(fā)明利用發(fā)酵-分離耦合技術，批次發(fā)酵結束，發(fā)酵液在結晶罐中結晶，上清液中菌體和營養(yǎng)物質返回發(fā)酵罐循環(huán)利用，進行連續(xù)批次發(fā)酵，達到高碳源利用率，提高乳酸產率的目的。
[0006]本發(fā)明采用如下技術方案:
一種發(fā)酵-分離耦合制備乳酸和/或乳酸鹽的方法，包括以下步驟:
(O淀粉類原料糖化:將淀粉類原料預處理、酶解，得淀粉類水解液；
(2)發(fā)酵:發(fā)酵過程中，采用鎂鹽中和劑調節(jié)其pH值為6-7;
(3)結晶:第一批發(fā)酵結束后，發(fā)酵液經泵輸送到與發(fā)酵罐耦合的結晶罐中，得到乳酸鎂晶體粗品，結晶上清液中菌體細胞和營養(yǎng)物質返回發(fā)酵罐中，作為下一批發(fā)酵培養(yǎng)基，如此循環(huán)多次，直至生產速率明顯下降，實現發(fā)酵-分離耦合連續(xù)批次發(fā)酵生產乳酸；
(4)乳酸鎂精制:乳酸鎂晶體粗品經洗滌、重溶、除雜、重結晶、過濾、干燥后得到純度彡95%的乳酸鎂；
(5)乳酸精制:乳酸鎂晶體粗品經重溶、酸解、超濾、納濾、濃縮后得到純度多85%的乳酸； (6)硫酸鎂精制:納濾膜截留液中的硫酸鎂經沉淀或結晶，得純度為95%-98%的硫酸鎂，開發(fā)附加值產品，達到廢物零排放。
[0007]在本發(fā)明的優(yōu)選的實施方案中，步驟(I)中的淀粉類原料為淀粉或糖分含量高的非糧作物為生產乳酸的原料，優(yōu)選為脫脂米糠、玉米、大米、糖蜜、甘薯、馬鈴薯、木薯、甜高梁中的一種或幾種，淀粉水解液中葡萄糖含量不低于140g/L。
[0008]在本發(fā)明的優(yōu)選的實施方案中，步驟(2)中的鎂鹽中和劑為氧化鎂、碳酸鎂或氫氧化鎂，pH調節(jié)為6.25-6.5，得乳酸含量為150g/L左右的鎂鹽發(fā)酵液。
[0009]在本發(fā)明的優(yōu)選的實施方案中，步驟(3)中的乳酸鎂經結晶、洗晶、得到粗品乳酸鎂，其中結晶溫度為4-42°C，結晶時間為2-24h，連續(xù)批次發(fā)酵在3次以上。
[0010]在本發(fā)明的優(yōu)選的實施方案中，步驟(4)中的洗滌為用水或者無水乙醇作為洗滌劑，除去可溶性色素；重溶為用蒸餾水在低于80°C下重溶，得濃度為40-140g/L的乳酸鎂料液；重結晶為乳酸鎂料液在PH5.0-6.5，溫度為65-75°C條件下濃縮至乳酸含量200g/L左右，重結晶得高純度乳酸鎂；干燥為在真空度0.5-0.9MPa，溫度30-50°C下干燥2_5h。
[0011]在本發(fā)明的優(yōu)選的實施方案中，步驟(5)中的重溶為用蒸餾水在低于80°C下重溶，得濃度為40-140g/L的乳酸鎂料液；酸解為用硫酸調節(jié)料液pH為2.0-2.5 ;超濾為用截留分子量為3000-6000Da的超濾膜，在壓力為0.1-0.3MPa、溫度為50-80°C條件下過濾去除了微小的不溶性固體雜質、膠質物質和大分子雜質；納濾為用截留分子量在150-300 Da的納濾膜，在壓力0.8-2.0MPa下除去多價離子和小分子雜質；濃縮為料液在雙效蒸發(fā)器中于60-75°C下濃縮成成品乳酸，純度為85%以上。
[0012]在本發(fā)明的優(yōu)選的實施方案中，還包括廢液回收利用的步驟，所述的廢液為菌懸液、濃縮水、一次母液、二次母液、三次母液；其中，菌懸液為微濾膜過濾后剩余的發(fā)酵液；濃縮水為乳酸鎂和硫酸鎂濃縮蒸發(fā)的蒸餾水；一次母液為批次發(fā)酵-結晶上清液；二次母液為晶體洗滌液；三次母液為精制過程中重結晶上清液；具體步驟如下:
(1)連續(xù)批次發(fā)酵的菌懸液經烘干作為飼料添加劑或飼料蛋白；
(2)濃縮水作為粗品乳酸鎂復溶的溶解水；
(3)—次母液中菌體細胞和營養(yǎng)物質返回發(fā)酵罐中，作為下一批發(fā)酵培養(yǎng)基，進行連續(xù)批次發(fā)酵；
(4)二次母液作為超濾膜透析水循環(huán)套用；
(5)三次母液經過下述方法的至少一種循環(huán)套用:a)作為超濾膜脫色除雜的透析水；b)作為粗品乳酸鎂重溶的溶解水；c)作為乳酸精制的料液。
[0013]相比于現有技術，本發(fā)明的有益效果在于:
1.傳統(tǒng)乳酸鎂是用鈣鹽發(fā)酵分離的乳酸和氧化鎂結晶而成，本發(fā)明直接從鎂鹽發(fā)酵液結晶分離得乳酸鎂晶體。本發(fā)明的發(fā)酵工段糖酸轉化率多92%，發(fā)酵水平多140g/L ;分離工段總收率彡85%，純度彡85%。相比傳統(tǒng)鈣鹽工藝，本發(fā)明采用可連續(xù)操作的生產工藝，減少了活性炭脫色、陰陽離子交換等工藝，有效地減輕工人勞動強度，大量減少了酸、堿和樹脂等，廢水排放量少，降低了成本，減少了污染。
[0014]2.批次發(fā)酵-結晶上清液中菌體細胞和營養(yǎng)物質返回發(fā)酵罐中，作為下一批發(fā)酵培養(yǎng)基，進行連續(xù)批次發(fā)酵。如此循環(huán)多次，直至生產速率明顯下降，實現發(fā)酵-分離耦合連續(xù)批次發(fā)酵生產乳酸，發(fā)酵液中和劑能開發(fā)附加值產品MgSO4,實現低耗能、環(huán)境友好型生產乳酸和/或乳酸鹽，經濟效益和社會效益好。
[0015]3.乳酸鎂粗品可用于精制乳酸鎂或/和乳酸，相比于鈣鹽分離工藝，本工藝可減少活性炭脫色、陰陽離子交換等工藝，操作簡單。
[0016]4.將納濾截留液中硫酸鎂，在合適溶劑(如乙醇)中沉淀或結晶，回收MgSO4，節(jié)約了成本，廢水量處理量減少，以達到廢物零排放。
【附圖說明】
[0017]圖1為發(fā)酵-分離耦合制備乳酸和/或乳酸鹽的工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0018]以下結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步說明。
[0019]實施例1
脫脂米糠水解液2L作為培養(yǎng)基，15g/L米糠蛋白水解液為氮源，接種10%鼠李糖乳桿菌，溫度42 °C，轉速280rpm，20%氧化鎂作為中和劑，控制pH6.2-6.25發(fā)酵周期60