一种基于结晶法发酵分离耦合生产乳酸镁的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于乳酸发酵技术领域，涉及一种基于结晶法发酵分离耦合生产乳酸镁的 改进方法。
【背景技术】
[0002] 乳酸作为一种天然有机酸，在食品、医药、纺织、皮革和化学工业中有广泛应用，乳 酸可以通过化学合成或者微生物发酵法制取，而大多数工业制备乳酸的方法都是以微生物 发酵法为基础。在发酵过程中添加碱土碱类中和剂中和微生物分泌的酸以维持恒定的PH 是所有发酵方法的共同特征。钙碱作为常规的中和剂应用最为普遍，WO 98/22611中描述 了以钙碱作为中和剂发酵制备乳酸的方法，发酵得到含乳酸钙介质后，向介质中添加碳酸 铵使乳酸钙转化为乳酸铵，最后通过盐分裂电渗析分离制得乳酸。如果目标产物为其它乳 酸盐，则以常规方法获得乳酸钙介质后，通过硫酸酸化的方式获得乳酸和硫酸钙沉淀，固液 分离后将乳酸与相应的碱土碱反应制取特定乳酸盐。CN 103952331 A中描述了在半连续发 酵过程中原位分离乳酸钙的技术，鉴于乳酸钙在发酵温度下较高的溶解度，结晶沉淀需要 配合降温和外加晶种，这无疑使生产过程繁琐、耗时。同时，后续分离过程中所产生的固体 废物硫酸钙对环境的污染问题是钙盐法发酵产乳酸难以克服的弊端。
[0003] 避免固体废物硫酸钙的产生，实现中和剂反复回用或产生其它有价值的副产品盐 类是在发酵法制备乳酸方面研究的热点。以镁碱替代钙碱作为发酵中和剂使以上思路成为 可能。同时，作为乳酸生产过程的中间产品，乳酸镁可以作为一种性能优良，比较经济的镁 质有机强化剂，广泛应用于食品、饮料、奶制品、面粉、营养液和制药等，对镁质补充，防止各 种缺镁症，增强生命活力有显著效果。
[0004] 在现有技术中，几个文献描述了基于镁碱的乳酸或乳酸盐的生产方法：
[0005] CN 101886094 A中描述了以1%0)3作为中和剂发酵生成乳酸镁后，在pH为 9. 5-10. 8条件下与NaOH反应生成L-乳酸钠和Mg (OH) 2, L-乳酸钠经过脱色、纳滤和减压蒸 馏纯化、浓缩后可以得到L-乳酸钠产品。
[0006] CN 101018756 A中描述了以含乳酸镁的介质与钠、钙、和/或铵的氢氧化物反应， 形成钠、钙和/或氨的乳酸盐和氢氧化镁的方法。
[0007] 在US 1，459, 395公布的方法中，描述了从工业级乳酸中提纯乳酸的方法，向粗品 乳酸中添加氧化镁、碳酸镁或氢氧化镁，生成的乳酸镁在合适的溶剂中以浓硫酸酸化，硫酸 镁盐可以通过过滤除去，所得的含有乳酸的溶液经蒸馏除溶剂后可获得纯化的乳酸。
[0008] 在GB 173, 479所描述的方法中，乳酸镁溶液采用硫酸酸化后，通过丙酮萃取的方 式回收乳酸。也可以将乳酸镁盐溶液悬浮于丙酮中，同时实现乳酸酸化和萃取，除去硫酸镁 沉淀后回收乳酸。
[0009] WO 00/17378所描述的糖发酵生产乳酸的方法中，涉及以氢氧化镁为中和剂将发 酵pH控制在5. 5-6. 5。获得的含有乳酸镁的介质经盐酸酸化转化为乳酸和氯化镁后，采用 有机溶剂异戊醇、胺或醚萃取乳酸。获得的氯化镁受热可分解为盐酸和氧化镁。
[0010] US 3, 429, 777提及了向乳酸镁溶液中添加纯碱、苛性钠或磷酸钠制得乳酸钠和碳 酸镁或氢氧化镁的可能性。
[0011] WO 98/37050描述了由含有乳酸碱土金属盐的发酵介质制备乳酸的方法，即所谓 的SWAP反应，通过将乳酸的碱土金属盐与碱金属碱反应形成乳酸的碱金属盐和碱土金属 基，乳酸的碱金属盐可进一步酸化、萃取生成乳酸和碱金属盐。从而实现碱土金属基回用到 发酵过程，同时生成碱金属盐副产品。
[0012] 以上文献单纯验证了镁碱作为发酵中和剂的可能性，或者在以乳酸镁制取乳酸过 程中如何实现镁碱回用或生成有价值的盐类产品方面进行了研究。但是，乳酸镁发酵方式 的改进优化在以上文献中并未提及，常规的分批发酵模式产物浓度低，必要的种子培养及 发酵液排放、罐体清洗等过程使生产周期延长，降低了发酵罐的利用率，使生产成本提高。 另外，生产过程中发酵废水的大量排放会造成严重的环境污染。
[0013] 基于镁碱的乳酸镁发酵制备同样被以下文献描述：
[0014] NL-A-288829描述了在维持发酵糖在恒定浓度及45-50°C发酵条件下，采用过滤 法连续移除乳酸镁或乳酸锌盐的可能性。根据此方法（清楚地提及乳酸镁连续移除过程 中维持恒定的糖浓度），移除乳酸镁的同时不可避免地吸附夹带发酵糖，会使糖酸转化率降 低。同时由于乳酸镁移除过程中没有"pH较正步骤"，而是在发酵pH 5-6下进行的，这会影 响乳酸镁的结晶沉淀，降低产品移除率。此外，没有详细提供如何实施该过程以及在何种条 件下进行，如发酵液的回用率存在优化值，反复回用的发酵液如果没有新鲜培养基的补充 稀释，会使菌体培养环境不断恶化。伴随补料培养基和中和剂的添加，发酵液全部回用又会 使料液体积不断增大，不利于反应系统的平衡，也会使乳酸移除率降低。如何使包含多个产 品在线移除及补料循环的发酵反应体系达到稳态平衡，文献中没有提及。
[0015] 为此，本发明提供一种改进的与发酵耦合的乳酸镁在线移除方法，无需外加晶种 和冷却、再加热过程，简化了生产步骤，缩短了生产时间。实现了含菌体的发酵废水的高效 回用，降低发酵用水量40%。同时，节约酵母浸粉用量43%，节约无机盐用量41 %，降低了 生产成本。
[0016] 本发明的目的是提供一种基于结晶法发酵分离耦合生产乳酸镁的改进方法。
[0017] 本发明的另一目的是提供一种在乳酸镁制备过程中，能够实现发酵废水高效回 用，乳酸镁高效移除的改进方法。
[0018] 本发明的又一目的是提供一种高效、平衡的乳酸镁发酵分离耦合方法。
[0019] 随着后续描述，本发明的其它目的将变得显而易见。
【发明内容】
[0020] 针对上述现有技术的不足，本发明提供一种发酵分离耦合生产L-乳酸的方法。该 方法以鼠李糖乳酸杆菌作为产酸菌种，以MgO作为中和剂进行包含多个产品在线移除及补 料循环的反复批次发酵，发酵乳酸产量为140_150g/L，生产速率为2. 0-2. 5g/L/h，糖酸转 化率可达94. 5 %。以结晶方式对乳酸镁的原位分离过程中，乳酸移除率可达79. 10 %，发酵 废水回用率可达65. 57%。本发明可节约水用量40%，节约无机盐用量41 %，节约酵母浸粉 用量43%，并且在5个稳定的发酵循环中，L-乳酸总产量达到单批发酵的3. 82倍。以本工 艺发酵生产乳酸避免了钙盐法生产过程中产生大量固体废弃物和废水的弊端，而且无需外 加晶种和冷却、再加热过程，简化了生产步骤，缩短了生产时间，在保证工艺过程环保、可持 续的同时降低了乳酸生产成本。
[0021] 在本发明提供的乳酸发酵分离耦合的生产方法中，其乳酸移除的基本原理为乳酸 镁结晶以及结晶后实现的固液分离。其特征在于，包括以下步骤：
[0022] (1)斜面培养：实施本发明所使用的鼠李糖乳酸杆菌Lactobacillus rhamnosus CGMCC 1. 2134购自中国普通微生物菌种保藏管理中心。
[0023] 斜面菌种培养方法为：以划线的方式将Lactobacillus rhamnosus CGMCC L 2134 接种到含有15g/L琼脂的固体斜面培养基上，在37-42 °C下培养24-48h ;优选地，在 40-42 °C 下培养 24-36h。
[0024] (2)种子培养：将菌种转接到种子培养基，在37-42°C，120-220rpm下培养24-36h， 然后将一级种子液按10 %的接种量重新接入新鲜种子培养基，在37-42 °C，120-220rpm 下培养8-15h。优选地，在40-42°C，150-180rpm下培养一级种子液24-26h，在40-42°C， 150-180rpm下培养二级种子液10-12h。液体种子培养基中添加15g/L的碳酸钙作为中和 剂以维持恒定pH。
[0025] (3)发酵培养：将种子培养阶段得到的二级种子液按照3-10% (v/v)接种量接入 发酵培养基，在搅拌转速180_240rpm，发酵温度37-42°C下，流加 MgO控制pH 5. 5-6. 5。
[0026] (4)原位产物分离：反复批次发酵过程中包含多个乳酸镁在线移除和补料循环， 在