本发明涉及制浆造纸及生物质材料领域，尤其涉及一种造纸废液制备乳酸的方法。
背景技术：
纸业是我国重要的传统支柱产业，同时，纸业还是我国工业能源、资源消耗大、污染严重的行业。据2007年中国环境部门的数据：纸业的排水量为31.8亿立方米，占全国工业总排水量的18.4％；cod排放量152.6万吨，占全国总排放量的29.8％。其中，废液中的半纤维素和木质素是造成污染的主要因素之一。
另一方面，乳酸是一种重要的有机酸，广泛应用于食品、医药、化工、酿造及纺织等领域，其分子结构中含有一个不对称碳原子，有d和l两种光学异构体。近年来，以乳酸为单体合成的聚乳酸塑料因具有可生物降解特性，被认为是石化塑料的最佳替代品之一。
现有关于乳酸的制备方法，化学法设备投资高，溶剂消耗量高，成本高昂，发酵法需要严格的无菌条件和繁琐的操作步骤，原料处理较困难，而且处理后含有发酵抑制物，降低发酵效率。其中，乳酸主要是由发酵法生产，发酵方式为批次发酵，即每一次发酵都需要培养一级甚至多级种子，种子培养不仅延长了发酵周期，还增加了种子罐等发酵设备的投入。而在大规模发酵过程中，单罐发酵体积越来越大，种子培养体积也相应增大，种子培养过程中的能量消耗不容忽视。为了避免每一批次都要进行的多级种子培养，可将批次发酵得到的菌体细胞作为下一批次发酵的种子，也称之为细胞回收循环发酵。中国专利cn201010148026.2采用离心法进行细胞分离实现细胞回收循环发酵葡萄糖生产乳酸，但是离心法回收细胞存在操作不连续，不能截留发酵液中蛋白质等营养组分等缺点。而膜技术具有高效率、低能耗、过程简单、条件温和、操作方便等特点，并且易于和其他技术集成、便于工业放大，并且能够截留色素、蛋白质，有利于产品的后续分离纯化，与离心等传统分离相比，膜技术应用于细胞循环发酵更具竞争力。以及中国专利cn200910272524.5报道了一种“间歇式回流细胞高生产率发酵生产有机酸的方法”，但其使用中温菌发酵，整个生产过程需要严格的无菌操作，增加了生产成本，不利于工业放大。
为降低生产成本，利用造纸废液资源生产乳酸成为研究热点。废液含有较多的半纤维素和纤维素。其中，富含戊糖(木糖、阿拉伯糖为主)的半纤维素组分占到原料干重的20-50％，因此戊糖的利用不同忽视。乳酸杆菌(lactobacillus)是工业应用的乳酸生产菌，然而，其对戊糖的利用能力十分有限。凝结芽孢杆菌(bacilluscoagulans)是一种乳酸发酵新菌种，该菌株不但具备发酵葡萄糖生产乳酸能力，而且戊糖发酵能力也十分突出。凝结芽孢杆菌通过磷酸戊糖(pentose-phosphatepathway,pp)途径代谢木糖，乳酸理论收率为100％。凝结芽孢杆菌具有高温(45～60℃)发酵特性，设备及培养基无需灭菌，生产过程为开放式，极大地降低生产成本。与中温乳酸生产菌种相比，凝结芽孢杆菌更适合于细胞回收循环发酵，因为高温发酵染菌几率低，可保证该工艺长期稳定运行，易于工业放大。然而，凝结芽孢杆菌以己糖戊糖混合液发酵时，存在碳分解代谢物阻遏(carboncataboliterepression,ccr)现象，即先利用葡萄糖，代谢结束后再利用戊糖。因此，菌体不能同步利用木质纤维素水解液中存在的葡萄糖、木糖和阿拉伯糖，导致发酵周期延长，乳酸产率不高。
已有报道，使用多级反应器串联发酵，可以提高菌体浓度，能够提高混合糖利用效率。因此，将具有嗜热特性的凝结芽孢杆菌应用于发酵膜分离耦合的细胞回收循环发酵，通过提高生物量的方法提高菌体对混合糖利用效率；同时，高温发酵过程中设备不需灭菌，极大简化了操作工艺，降低了生产成本，这对于细胞循环发酵技术的工业放大具有重大意义。所以，综合研发一种造纸废液制备乳酸的方法对于整个造纸行业和生物质材料领域具有很大的意义。
技术实现要素：
本发明为解决目前造纸废液存在的污染大、资源利用率低的问题，同时解决乳酸生产工艺效率低、成本高的问题，提供一种造纸废液制备乳酸的方法。
造纸废液主要成分包括半纤维素、木质素、纤维素废液、有机酸和盐。其中半纤维素和木质素是主要的污染物。本发明方法通过对造纸废液进行筛网和沉降除杂净化，加入磷酸水解半纤维素，加入有机溶剂萃取分离木质素，水相回收磷酸浓缩为废液。废液在一定条件下发酵，并回收菌体细胞，重复利用降低成本。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种造纸废液制备乳酸的方法，包括以下步骤：
(1)将废液置于分离容器中，用筛网去除不溶解的悬浮物，搅拌后沉降3～5小时，排放下层细小纤维和泥沙；
(2)向步骤(1)净化后的废液中加入磷酸对废液进行水解；
(3)向步骤(2)反应体系中加入有机溶剂萃取木质素；
(4)将步骤(3)反应体系静置分层，分层后的有机相经蒸馏回收有机溶剂，有机相中蒸馏后剩余的组分为木质素，得到回收，分层后的水相，将其中的磷酸回收，再经纳滤膜浓缩；
(5)将步骤(4)浓缩后的废液浓缩液转移到发酵罐中，在一定的发酵条件下接入凝结芽孢杆菌，发酵生产乳酸，培养基无需灭菌，过程也不需无菌操作；
(6)第一批次发酵结束后，发酵液经超滤膜分离，得到含有乳酸的透过液，截留的菌体细胞返回发酵罐中，最终将发酵液体积浓缩；
(7)发酵浓缩液再作为种子培养物接入下一批次发酵培养基中，以与上一批次完全相同的发酵条件继续发酵；
(8)重复上述步骤(1)-(7)，实现造纸废液的连续批次发酵生产乳酸。
进一步地，在所述的造纸废液制备乳酸的方法中，步骤(1)中，所述废液包括各种木材制浆废液和草本制浆废液，废液主要成分包括半纤维素、木质素、纤维素废液、有机酸和盐。
进一步地，在所述的造纸废液制备乳酸的方法中，步骤(1)中，所述废液固含为5～50％(25℃)，ph为3.5～6.5。
进一步地，在所述的造纸废液制备乳酸的方法中，步骤(1)中，所述筛网的目数为50～500目。
进一步地，在所述的造纸废液制备乳酸的方法中，步骤(2)中，反应体系中所述磷酸的质量浓度为50～90％，水解ph为1.5～5.5，水解温度为30～80℃，水解时间为30～120分钟。
进一步地，在所述的造纸废液制备乳酸的方法中，步骤(3)中，所述有机溶剂为酯类化合物，所述酯类化合物为乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯或甲酸乙酯的一种；所述有机溶剂用量与废液比值为5～50％(w/w)，于搅拌条件下进行萃取。
进一步地，在所述的造纸废液制备乳酸的方法中，步骤(4)中，所述磷酸回收的方法为：在水相中加入氢氧化钙或碳酸钙，形成磷酸钙沉淀，经过滤将磷酸钙与废液分离，磷酸钙沉淀加入50～98％的硫酸进行酸化，经过滤分离回收磷酸，并得到副产品硫酸钙。
进一步地，在所述的造纸废液制备乳酸的方法中，步骤(4)中，回收的磷酸回用于步骤(2)，回收的溶剂回用于步骤(3)。
进一步地，在所述的造纸废液制备乳酸的方法中，步骤(4)中，所述纳滤膜为卷式、管式或平板式；所述纳滤膜中纳滤膜材质为醋酸纤维素、磺化聚砜、聚酰胺、聚醚砜、磺化聚醚砜、聚哌嗪或聚乙烯醇；所述纳滤膜组件的截留分子量为90至400道尔顿之间。
进一步地，在所述的造纸废液制备乳酸的方法中，步骤(5)、(6)和(7)中，所述凝结芽孢杆菌的接种量为5～15％。
进一步地，在所述的造纸废液制备乳酸的方法中，步骤(5)中，所述发酵条件为：温度35～55℃，批次发酵时间20～40h，搅拌转速100～250rpm，使用氢氧化钠、氨水或者碳酸钠控制ph值在6.0～6.5之间。
进一步地，在所述的造纸废液制备乳酸的方法中，步骤(6)和(7)中，所述超滤膜组件中超滤膜材质为聚砜、聚砜酰胺、聚酰胺、磺化聚砜、聚丙烯腈、聚氯乙烯、偏聚氯乙烯、聚醚砜或聚醚酮或无机陶瓷膜；所述超滤膜组件为平板式、管式、宽流道卷式或外压式中空纤维式；所述超滤膜组件的截留分子量在1万至10万道尔顿之间。
进一步地，在所述的造纸废液制备乳酸的方法中，步骤(6)中，采用所述超滤膜组件将发酵液浓缩为原始体积的5％～50％。
进一步地，在所述的造纸废液制备乳酸的方法中，步骤(5)、(6)(7)中连续发酵批次至少为5次。
本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：
(1)从废液中提取了木质素，得率一般在93％以上，最高可达95％；
(2)磷酸将半纤维素水解为半纤维素废液，腐蚀性小，条件温和，副反应较少，不含发酵抑制物，回收率在93％以上；
(3)发酵菌种条件较广，回收利用提高效率；
(4)资源利用率较高，成本较低廉；
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行详细和具体的介绍，以使更好的理解本发明，但是下述实施例并不限制本发明范围。
实施例1
10kg造纸厂提供的杨树碱法废液(固含5％，ph3.5，半纤维素含量1.65％，木质素含量1.75％，纤维素废液总糖0.1kg)置于分离容器中，用50目筛网去除不溶解的悬浮物，搅拌后沉降1小时，排放下层细小纤维和泥沙；
加入90％磷酸至ph1.5，温度30℃，水解120分钟，加入乙酸乙酯5kg，搅拌混合后搅拌均匀后分层。有机相减压蒸馏回收乙酸乙酯4.75kg，回收率95％，得到木质素0.163kg，得率93％。
水相加碳酸钙进行反应，过滤分离，分离的废液总糖为0.248kg，半纤维素水解率为89.7％。未检测到发酵抑制物糠醛、酚类、乙酸。磷酸钙中加入98％硫酸酸化，回收磷酸含量为78％，回收率为96％。
使用截留分子量约为90道尔顿的平板式聚酰胺纳滤膜组件浓缩至体积的20％，得到含有124g/l的废液浓缩液(其中葡萄糖64.34g/l，木糖49.38g/l，阿拉伯糖10.28g/l)。
mrs培养基(蛋白胨10g/l，牛肉粉10g/l，酵母粉0.5g/l，无水乙酸钠0.5g/l，柠檬酸氢二胺0.2g/l，磷酸氢二钾0.2g/l)。mrs培养基中添加10g/l葡萄糖即为种子培养基。
将0.0124kg凝结芽孢杆菌(bacilluscoagulans)cgmccno.7635接种于种子培养基，摇床振荡培养(100rpm)12小时，培养温度50℃。
发酵时，向混合糖液中添加20g/l酵母粉得到发酵培养基，发酵培养基不用灭菌。将种子培养基以5％(v/v)的接种量接种于2l发酵培养基中，发酵罐自动控制发酵条件：35～55℃，搅拌转速100～250rpm，培养时间20～40h，结束发酵。培养过程使用40％氢氧化钠自动调节ph值6.0，发酵过程不需要无菌操作。
重复批次发酵：第1次发酵结束，启动与发酵罐耦合的超滤膜组件，超滤膜组件使用聚丙烯腈(pan)材料超滤膜，截留分子量为1万道尔顿。待发酵液浓缩至原来体积5％时，即0.1l时超滤操作结束。将超滤浓缩液作为种子培养物，发酵罐中再次加入发酵培养基到2l，继续开始下一批次发酵培养基中，以与第一次发酵完全相同条件进行发酵培养，培养结束后再次启动膜组件，共发酵6批次，如表1所示。
表1膜分离连续6批次发酵造纸废液
实施例2
8kg造纸厂提供的麦草碱法废液(固含12.5％，ph4.8，半纤维素含量4.13％，木质素含量3.75％，纤维素废液总糖0.24kg)置于分离容器中，用200目筛网去除不溶解的悬浮物，搅拌后沉降1小时，排放下层细小纤维和泥沙。
加入70％磷酸至ph3.5，温度50℃，水解60分钟，加入乙酸丙酯2kg，搅拌混合后搅拌均匀后分层。有机相减压蒸馏回收乙酸丙酯1.92kg，回收率96％，得到木质素0.285kg，得率95％。
水相加碳酸钙进行反应，过滤分离，分离的废液总糖为0.58kg，半纤维素水解率为91.9％。未检测到发酵抑制物糠醛、酚类、乙酸。磷酸钙中加入82％硫酸酸化，回收磷酸含量为70％，回收率为95％。
使用截留分子量约为150道尔顿的卷式醋酸纤维素纳滤膜组件浓缩至体积的50％，得到含有145g/l的废液浓缩液(其中葡萄糖64.34g/l，木糖49.38g/l，阿拉伯糖31.28g/l)。
本实施例中所使用的种子培养基配方与实施例1相同。
将0.8kg凝结芽孢杆菌(bacilluscoagulans)cgmccno.7635接种于种子培养基，摇床振荡培养(100rpm)12小时，培养温度50℃。
发酵时，向混合糖液中添加20g/l酵母粉得到发酵培养基，发酵培养基不用灭菌。将种子培养基以5％(v/v)的接种量接种于8l发酵培养基中，发酵罐自动控制发酵条件：35～55℃，搅拌转速100～250rpm，培养时间20～40h，结束发酵。培养过程使用40％氨水自动调节ph值6.0，发酵过程不需要无菌操作。
重复批次发酵：第1次发酵结束，启动与发酵罐耦合的超滤膜组件，超滤膜组件使用磺化聚醚砜材料超滤膜，截留分子量为5万道尔顿。待发酵液浓缩至原来体积20％时，即1.6l时超滤操作结束。将超滤浓缩液作为种子培养物，发酵罐中再次加入发酵培养基到8l，继续开始下一批次发酵培养基中，以与第一次发酵完全相同条件进行发酵培养，培养结束后再次启动膜组件，共发酵8批次。发酵结果表明，经过8个批次连续发酵后乳酸产率提高2.85倍，每一批次乳酸转化率都在0.95g/g以上，说明此工艺稳定高效。
实施例3
4kg造纸厂提供的麦草碱法废液(固含50％，ph6.5，半纤维素含量16.54％，木质素含量10％，纤维素废液总糖0.40kg)置于分离容器中，用500目筛网去除不溶解的悬浮物，搅拌后沉降1小时，排放下层细小纤维和泥沙。
加入50％磷酸至ph5.5，温度80℃，水解30分钟，加入甲酸乙酯0.2kg，搅拌混合后搅拌均匀后分层。有机相减压蒸馏回收乙酸丙酯0.188kg，回收率94％，得到木质素0.384kg，得率96％。
水相加碳酸钙进行反应，过滤分离，分离的废液总糖为0.995kg，半纤维素水解率为89.93％。未检测到发酵抑制物糠醛、酚类、乙酸。磷酸钙中加入50％硫酸酸化，回收磷酸含量为50％，回收率为93％。
使用截留分子量约为400道尔顿的平板式聚醚酮纳滤膜组件浓缩至体积的50％，得到含有497.5g/l的废液浓缩液(其中葡萄糖257.7g/l，糖197.5g/l，阿拉伯糖42.3g/l)。
本实施例中所使用的种子培养基配方与实施例1相同。
将0.6kg凝结芽孢杆菌(bacilluscoagulans)cgmccno.7635接种于种子培养基，摇床振荡培养(100rpm)12小时，培养温度50℃。
发酵时，向混合糖液中添加20g/l酵母粉得到发酵培养基，发酵培养基不用灭菌。将种子培养基以5％(v/v)的接种量接种于2l发酵培养基中，发酵罐自动控制发酵条件：35～55℃，搅拌转速100～250rpm，培养时间20～40h，结束发酵。培养过程使用40％碳酸钠自动调节ph值6.5，发酵过程不需要无菌操作。
重复批次发酵：第1次发酵结束，启动与发酵罐耦合的超滤膜组件，超滤膜组件使用磺化聚醚砜材料超滤膜，截留分子量为10万道尔顿。待发酵液浓缩至原来体积50％时，即1l时超滤操作结束。将超滤浓缩液作为种子培养物，发酵罐中再次加入发酵培养基到2l，继续开始下一批次发酵培养基中，以与第一次发酵完全相同条件进行发酵培养，培养结束后再次启动膜组件，共发酵8批次。发酵结果表明，经过9个批次连续发酵后乳酸产率提高2.89倍，每一批次乳酸转化率都在0.96g/g以上，说明此工艺稳定高效，具有广阔的工业应用前景。
本发明提供的造纸废液制备乳酸的方法，通过采用筛网、磷酸和有机溶剂从废液中高效地提取、分离木质素，得到的废液经超滤膜处理后进一步发酵得到乳酸，再截留回用菌种。其制备方法条件温和，稳定性好，可充分回收利用废液中的半纤维素、木质素和纤维素废液；既提高了废液的资源化再利用，又显著降低了半纤维素、木质素等作为污染物的含量；且体现了资源化利用和环保的特点。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。