一种发酵-分离耦合制备乳酸和/或乳酸盐的方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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】
[0005]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。
[0006]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:
(O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、干燥后得到纯度彡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、浓缩后得到纯度多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。
[0007]在本发明的优选的实施方案中，步骤(I)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。
[0008]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。
[0009]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°C，结晶时间为2-24h，连续批次发酵在3次以上。
[0010]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°C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°C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°C下干燥2_5h。
[0011]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°C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°C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°C下浓缩成成品乳酸，纯度为85%以上。
[0012]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)—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。
[0013]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多92%，发酵水平多140g/L ;分离工段总收率彡85%，纯度彡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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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】
[0017]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】
[0018]以下结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步说明。
[0019]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 °C，转速280rpm，20%氧化镁作为中和剂，控制pH6.2-6.25发酵周期60