发酵制造乳酸的方法

专利名称：发酵制造乳酸的方法
技术领域：
本发明涉及一种发酵生产乳酸的新方法。
乳酸在制造日本清酒(日本的一种用稻米发酵制得的酒精饮料)、保鲜饮料、泡菜、酱油、面包或啤酒中被用作食品添加剂，工业上还用于皮革、纺织原料、塑料、药品或农用化学品的制造。
近来，业已发现合成乳酸的衍生物或中间体，即乳酸酯如乳酸乙酯和乳酸丁酯具有作为安全性较高的溶剂和洗涤剂的效用。并且，聚乳酸，即乳酸的聚合物被预计具有生物降解聚合物的作用。
迄今为止，作为制造乳酸的方法，用糖和淀粉作为原料并利用乳酸菌的作用的发酵方法已被广泛地采用。此方法通常是这样完成乳酸制造的在培养基中用乳清、玉米浆、酵母抽提物等作为乳酸菌的营养来源，向培养基中加入碳酸钙作为其中形成的乳酸的中和剂，将乳酸菌接种到培养基中，诱导发酵形成乳酸。
此方法依靠碳酸钙来中和培养基中积累起来的乳酸，但是，这不仅耗费了大量的时间和工作来完成必要的提纯，而且已形成的乳酸会对发酵产生抑制作用。特别是当已形成的乳酸在培养基中积累到一个较高的浓度时，发酵的速度就降低，发酵设备的生产率也严重下降。
作为一种提高发酵设备生产率的方法，高密度培养法采用诸如菌细胞固定化或用膜分离菌细胞的作法。但是，这些方法没能免除已形成的乳酸对发酵的抑制作用。
作为消除产物对发酵的抑制并提高生产率的方法，可构思出从发酵培养基中分离出形成的乳酸的方法，抽提发酵法和电透析发酵法。
抽提发酵法包括连续抽提以回收培养基中积累的乳酸，从而消除产物造成的抑制作用，同时得到粗产物。但是此方法至今未得到充分开发，这是因为发酵所需的最佳pH与抽提所需的最佳pH不同;还因为抽提所用的抽提剂对菌细胞产生的毒性通常是(抽提)功效越高毒性比例强度越大。
电渗析发酵法最先是由Nomura等人开发的(Applied and Environmental Microbiology，1986年8月，314-319页)。此电渗析发酵的装置是阴极、阴离子交换膜、阳离子交换膜和阳极按所述顺序依次排列构成，操作方法是将发酵液引入阴极室，产生的乳酸渗析通过阴离子交换膜。这样，可以得到游离的乳酸。
但是此方法不能使生产率大幅度提高，因为发酵所用的培养基的pH受乳酸电渗析的控制，结果，发酵液中乳酸的浓度降低，其时的电渗析效率也成比例地降低，进一步的原因是，磷酸根离子与乳酸一起渗出，阴极室内的菌细胞因接触到电极和阴离子交换膜而受到破坏。
Toda等人证明了使电渗析发酵法更为有效地发挥作用的方法，即会发酵液中的乳酸以盐的形式而非游离乳酸的形式存在，从而减轻产物所造成的抑制作用，并使发酵即使是在发酵液中的乳酸浓度调节到2-3%时仍能大量而迅速地进行，防止了菌细胞由于被膜分开而受到破坏，将发酵液引入电渗析装置的阴极室，诱导其中的乳酸渗析，该电渗析装置由阴极、阴离子交换膜、阳离子交换膜、阳极按所述顺序排列而成的。(J.Gen.Appl.Microbiol.，36，111-125，1990)。
Boyaval等人也阐述了一种乳酸钠的渗析方法，是通过引导发酵液通过超滤膜进入一个阴极和阳极之间插有多组阳离子交换膜和阴离子交换膜的电渗析装置来完成的。(Biotechnology Letters，卷9，No.3，207-212页，1987)。
至今，现有技术中还没有一种能经济有效地从乳酸钠中回收高纯度乳酸并使钠再生的方法。
当菌细胞按Toda等人或Boyaval等人所提议的那样在发酵液被引入电渗析装置之前经受精滤或超滤时，由于经受过滤的发酵液的状态需含有低浓度的乳酸以达到发酵液中乳酸浓度保持低水平时提高生产率的目的，在这种情形下经过滤的发酵液量是普通连续发酵中含有10%左右浓度的乳酸的发酵液量的几倍、几十倍，且膜的表面积也成比例地大。故，讨论的这些方法的缺点是不经济。
已知乳酸铵容易被含有4个或更多个碳原子的醇酯化。一种能有效地从产生乳酸铵的发酵液中获得高纯度乳酸的方法已被Miura，本发明的发明人之一，及其同事揭示出来(日本专利申请05-230428)。此方法包括向含乳酸铵的发酵液中加入正丁醇，令其酯化同时使大部分的氨释放便于回收，然后向发酵液中加入硫酸进一步完成酯化，从而诱导有效地形成乳酸丁酯，然后蒸馏提纯乳酸丁酯，再将提纯后的乳酸丁酯水解得到高纯度的乳酸。但至今尚不知道如何用现行发酵设备经济有效地制造乳酸铵，并消除产物造成的抑制作用。
考虑到上述的各种问题，本发明的目的是提供一种乳酸发酵的新方法。
本发明的另一个目的是提供一种用切实可行的电渗析发酵法制得乳酸盐，特别是乳酸铵的方法。
本发明人为了解决上述问题，在寻找一种乳酸发酵生产的新方法上做了辛勤的研究。结果发现可以通过以下手段提高发酵设备的生产率，即通过加碱调节发酵的pH值，和将含有菌细胞的发酵培养基引入电渗析装置的一个稀释室，渗析其中的乳酸盐，从而使乳酸容易以高电流效率地从发酵液中分离出来。作为结果，完成了本发明。
特别地，本发明的目的是这样达到的，通过(1).一种乳酸发酵生产的方法，特征在于令发酵液能在培养基中积累乳酸的微生物进行培养的发酵部分和电渗极装置之间循环，并用电渗析装置除去发酵液中的乳酸。
本发明目的进一步由下述方法达到，(2).上文(1)所描述的方法，其中的电渗析装置的操作间歇进行。
本发明目的进一步由下述方法达到，(3).上文(1)所描述的方法，其中电渗析装置与多个发酵部分相连，该多个发酵部分中的发酵液可在也可不在电渗析装置和发酵部分之间循环。
本发明目的进一步由下述方法达到，(4).上文(2)或(3)所描述的方法，其中，提供发酵原料的方式是在电渗析装置的操作中断时，向发酵部分中进行补充。
本发明目的进一步由下述方法达到，(5).上文(4)所描述的方法，其中，通过向发酵部分中部分补充供给发酵用的原料是糖和/或无机盐。
本发明目的进一步由下述方法达到，(6).上文(1)所描述的方法，其中，电渗析装置的操作受发酵培养基的电导率所控制。
本发明目的进一步由下述方法达到，(7).上文(1)所描述的方法，其中的能积累乳酸盐的微生物是属于乳酸杆菌、乳球菌、芽孢杆菌、芽孢乳杆菌属之一的微生物。
本发明目的进一步由以下方法达到，(8).上文(7)所描述的方法，其中，将发酵液引入到电渗析装置中，而微生物细胞已经通过微生物细胞分离装置从该发酵液中分离出去。
本发明目的进一步由以下方法达到，(9).上文(1)所描述的方法，其中，能够积累乳酸盐的微生物是属于根霉属的微生物，而其中含有微生物细胞的发酵液则通过杀菌装置杀菌后被引入到电渗析装置中。
本发明目的进一步由以下方法达到，(10).上文(1)所描述的方法，其中，发酵部分中的培养基和微生物细胞被部分抽提，为了使发酵连续进行，向发酵部分中加入新的培养基。
本发明目的进一步由以下方法达到，(11).上文(1)描述的方法，其中的乳酸盐是乳酸铵，发酵培养基的pH值受氨的控制。
本发明的方法具有很大优点，能容易地制得粗加工的乳酸盐特别是乳酸铵的水溶液，还能同时提高发酵装置的生产效率。


图1示意了本发明操作的实施方案;
图2示意了依据本发明的电渗析装置的一个方案;
图3示意了实施例1-3中所用的实验装置，图4示意了实施例4所用的实验装置。
下面详述本发明。
至今，已经开发的乳酸发酵电渗析发酵法主要是针对以游离乳酸作为产品的体系。这些体系的方法有两种类型，一种类型包括电渗析发酵液中的游离乳酸，另一种类型包括暂时把乳酸转化成盐，然后利用电解作用从发酵液中渗析分离出乳酸。这些方法的通病是，由于发酵液需要通过阴极室，微生物细胞在阴极表面及阴离子交换膜上会被杀死。为克服此缺点，通常采用的方法包括，在把发酵液引入电渗析设备之前，令发酵液通过一个使用膜或离心分离器的分离装置，从发酵液中分离出微生物细胞，然后再将分离出的微生物细胞返回到发酵部分中。由于电渗析发酵的基本特性要求发酵部分的乳酸浓度保持在低水平，从而减轻产物造成的抑制作用，微生物细胞分离部分的乳酸浓度也就低，不可避免地，待处理的发酵液的量相对于要用电渗析分离的乳酸的量也就较大。这就带来严重的问题。作为阻止微生物细胞与阴极接触的办法，可以设想在阴极和阴离子交换膜之间插入另一个阴离子交换膜，并令发酵液在两个相对的阴离子交换膜之间通过。由于电渗析室是靠电解使入口到出口之间产生pH梯度，微生物细胞的破坏仍然会发生，而且阴离子交换膜数量的提高使电阻升高，结果是工作电压会上升，电功损耗也将上升。
另外，由于电渗析是从发酵液的其他成分中分离乳酸或乳酸盐，获得的产物多少还是粗加工的状态。但是，此纯度的产品不适合作食品添加剂或工业生产。为了使此分离产物达到高纯度，还需进行附加的提纯工序。前述的直接用正丁醇酯化乳酸铵的方法可以作为一种可行的、制得高纯乳酸的方法。此方法通过单纯得到乳酸铵来充分实现其功能，根本不需要在发酵部分得到游离态的乳酸。用正丁醇酯化乳酸铵的方法使含乳酸铵的发酵液能够以不经改善的状态投入使用，即不需为后续过程分离微生物细胞。发酵培养基的成分偶而可能会严重地粘附于反应装置上，这取决于所用的发酵原料。故，含有乳酸铵的发酵液最好是已经粗提纯过的。既使含乳酸铵的发酵液可以按其未改善的形式使用，对其进行粗提纯，可以使蒸馏分离出乳酸丁酯后留在发酵液中的残余物量降低，还能使残余物的粘度下降，结果，蒸馏提纯将顺利进行，蒸馏产率有所提高。
容易理解，在此情况下本发明方法的优点在于易于制得粗提纯的乳酸盐特别是乳酸铵的水溶液，同时提高发酵装置的生产效率。
下面将更具体地描述本发明乳酸发酵生产的方法。
首先，可用于本发明的微生物没有特别的限制，仅要求其能够积累乳酸盐。作为微生物具体的例子;可以用乳酸菌类的乳杆菌属、乳球菌属、芽孢杆菌属和芽孢乳杆菌和真菌，及根霉属的乳酸菌类。这里所用的术语“微生物”指酵母、霉菌、真菌、细菌、放线菌、单细胞海藻、病毒(viruses)、原生动物，进一步包括在动物、植物和组织培养物之间没有变异的细胞。
微生物积累的乳酸盐最好是乳酸铵，因为便于通过下步提纯工序得到高纯度的乳酸。但并不限于乳酸铵也可用乳酸钠或乳酸钾来代替。这些盐可溶于水，完全无害，被FDA评定为GRAS，允许代替乳酸作为食品添加剂。
本发明中可有效使用的培养基可以是任何用于培养微生物的普通培养基。此处可用的培养基的具体例子有YM培养基、马铃薯、葡萄糖培养基、Gorodkova培养基、醋酸钠培养基、麦芽汁培养基、麦芽浸膏培养基、蔬菜汁培养基、石膏培养基、玉米粉培养基、马铃薯酵母浸液、葡萄糖培养基、蔡氏(Czapek′s)培养基、Sabouraud′s培养基、燕麦粉培养基、合成毛霉(Mucor)培养基、YpSs培养基、葡萄糖-干酵母培养基、肉汁培养基、酵母-麦芽培养基、淀粉-无机盐培养基、甘油-天门冬酰胺培养基、蛋白胨-酵母-铁培养基、thyrosine培养基、和Pridham-Gotrieb培养基。这些培养基可以以液态使用或用明胶或琼脂将其固化后使用。
尽管能用于本发明的发酵原料可以根据所用微生物的种类而变化，但对它们的最基本的需要是可以被吸收。通常用于乳酸发酵生产的原料包括例如D-葡萄糖、蔗糖、乳糖、D-和L-阿拉伯糖、D-核糖、D-木糖、D-甘露糖、D-半乳糖、L-鼠李糖、D-果糖、L-山梨糖、麦芽糖、乳糖、密二糖、纤维素二糖、海藻糖、棉子糖、松三糖、α-甲基-D-葡糖苷、D-葡糖胺、N-乙酰氨基葡糖、熊果苷、糊精、可溶性淀粉、菊粉、甲醇、乙醇、阿东糖醇、赤熊果苷、糊精、可溶性淀粉、菊粉、甲醇、乙醇、阿东糖醇、赤藓醇、肌醇、D-甘露糖醇、D-山梨糖醇、半乳糖醇、D-葡糖酸酯、甘油、正十六烷和淀粉。含有杂质如废糖蜜、和乳清的糖源也可以使用。
当所用的微生物是乳酸杆菌属、乳球菌属、芽孢杆菌属、或芽孢乳杆菌属的乳酸菌时，通常加入第二原料氮源，如酵母提取液、蛋白胨、和玉米浆，这些对微生物的生长是基本的。必要时允许加入无机盐如伯磷酸钾、仲磷酸钾、硫酸镁、氯化钠、硫酸亚铁、硫酸锰、氯化锰、硫酸锌和碳酸钙。当使用根霉属的微生物时，只要加入糖和其他原料和上面提到的无机盐就行了。
图1示意了发酵装置，下面结合图1描述依本发明方法的乳酸发酵生产装置。
参见图1，在制造乳酸的发酵装置10中，当发酵液借助发酵液循环泵13在能于培养基中积累乳酸盐的微生物进行培养的发酵部分11和电渗析装置12之间循环，接着电渗析装置12进行渗析时，浓缩乳酸盐则经过回收乳酸循环泵14，由乳酸抽提泵15从发酵液中被抽提出来，抽提出乳酸盐的发酵液同时加到发酵部分11中。部分这样返回的发酵液，被废微生物细胞-废培养基抽提泵16抽提排出发酵设备10，从而阻止微生物死细胞在培养基中的量过度上升。另外，在制造乳酸的发酵装置10中，用原料泵17将发酵原料适当地加入发酵部分11，以保证连续发酵得到乳酸盐，并且测定发酵部分11中发酵培养基的pH值，当测得的pH值需要调整到下文将特别叙述的预定值时，就通过碱供给泵18将碱溶液加入培养基中。
发酵部分11是上述发酵装置10的组成部分，对它没有特别的限制。可以是普通的搅拌型发酵罐、装有胶粒的柱式反应器，胶粒可如上面固定有增殖微生物细胞的褐藻酸钙胶体颗粒，或膜式反应器，膜上有高密度吸着的微生物细胞。发酵装置11最好装有各种传感装置，能够测定以下数值，如乳酸浓度、培养基的pH值或电导率，这些下文将特别叙述。
对于电渗极装置12，只要求它能够从发酵液中渗析乳酸盐，而不限是什么类型的结构。例如可以使用一种适应于连续操作的电渗析装置，其中装有多个渗析室，如图2所示的用于实施本发明方法的电渗析装置的结构即可采用。
如图2所示，用于本发明方法的电渗析装置20就总体结构而言具有阴极21、多组(图中所示为7组)阳离子交换膜22和阴离子交换膜23、一个阴离子交换膜23、以及阳极24，所述各构件按提及的次序连续排布，使得由离子交换膜22和23分隔成的各区域顺续构成阴极室25、多对(图中所示为7对)稀释室26和浓缩室27、以及阳极室28。当发酵液到达稀释室26时，碱性离子透过阳离子交换膜22朝阴极21的方向运动，乳酸根离子透过阴离子交换膜23朝阳极24的方向运动，乳酸在浓缩室27中被浓缩。当使用氨来实现pH的调整时，硫酸铵环流至阴极室25和阳极室28。其结果是，阴极室25和阳极室28中的液体可选择性地循环流动，已从与阴极室25相邻的稀释室26中流入阴极室25的碱从阳极室28运动至与阳极室28相邻的浓缩室27。在电渗析装置20中，由于发酵液既不允许与电极21和24接触也不允许在稀释室26的内部形成任何可注意到的pH梯度，因而甚至当发酵液直接加入到电渗析装置20中时也不会杀死发酵液中所含的微生物细胞。这一事实构成本发明的一个特征。
再有，电渗析装置20可实现对乳酸盐全部程度的提纯，因为它不仅能从由电渗析所得到的乳酸盐中除去微生物细胞而且还能除去非离子性的有机物质和大分子化合物。与使发酵液通过膜的通用分离相比较，所述电渗析装置还能大量节约能量实现微生物细胞的分离，因为在电渗析装置20中渗析的量少，而且在离子交换膜22和23的表面沉积损失的微生物细胞的数量成比例地减少。
当连续发酵使微生物细胞密度增加，并因而使电渗析装置的离子交换膜22和23堵塞或使电流效率严重降低的情况下，在发酵液流经电渗析装置20之前必须从发酵液中分离并除去微生物细胞。用于这种分离的装置没有特别的限制。它可以是适于通过使用膜或经离心分离实现这种分离的任何通用装置。
当所述分离微生物细胞的装置与电渗析装置分开安装时，这一分离装置会有不可避免的大体积，如上所述的这一事实成为经济上的障碍。用于本发明的电渗析装置就其自身的结构来说比用于生产游离乳酸的电解装置便宜的多。因而，包含上述装置的整体系统证明是足够经济的。
当微生物细胞是根霉菌(Rhizopus)属微生物时，则不再必须安装上述用于分离的特殊装置，因为培养基和微生物细胞的分离易于实现。但在这种情况下需要安装一个灭菌装置，它应能够杀死微生物细胞，目的在于防止菌丝或孢子流入电渗析装置并防止微生物细胞固定在电渗析装置上并在该处生长。考虑到操作的简便性在这种情况下灭菌装置以依靠热作用的类型为好。自然地允许采用使用其经灭菌手段的装置来替代。
在本发明的电渗析发酵方法中，最好在全部发酵过程中将用于发酵的培养基的pH控制在4至8的最佳范围内，优选5至7，pH的控制考虑到在发酵部分微生物的培养基通过添加碱来实现，考虑到随后的提纯过程通过添加氨或氨水来实现。在这种方法中，发酵能够以高效率进行而不会引起任何由产物造成的抑制，其手段是通过电渗析从发酵液中将形成的乳酸盐分离，回收渗析的乳酸盐，使渗析后余留的发酵液经循环系统返回至发酵部分，将pH值、电导率、以及用于发酵的全部培养基中包括发酵液在内的乳酸盐的浓度控制在所需的值。
通过使存在于发酵部分的发酵液中的乳酸盐浓度保持在可能的最低值，发酵速率可被提高。然而当乳酸盐浓度降低时，用于发酵的培养基的电导率成比例地下降，处理具该性质的发酵液的电渗析过程的电流效率降低，电渗析装置的生产率减少，而且同时，要渗析的其它组分的数量增加，工序中发酵的选择性从而受到不利影响。因而，在发酵液中乳酸盐的浓度适宜于保持在0.2至2%(重量)范围内。
可通过任何通用方法来实现对发酵液中乳酸盐浓度的控制。当发酵液中乳酸盐浓度低时，发酵速率可被提高，然而，当电渗析装置以发酵液中这样低的乳酸盐浓度连续操作时，电渗析装置的产率降低，因为降低了单位离子交换膜表面积上电流，从而降低了电流密度。通过设定发酵液中乳酸盐浓度的上限和下限并经把乳酸盐浓度保持在该范围的开-关控制重复电渗析装置的起动和停止操作，可实现所述系统的高操作效率。在未分离微生物细胞的发酵液直接循环至电渗析装置的情况下，具有图2所示结构的电渗析装置例如适宜于下述设计而成通过中断向电渗析装置的电极流通电流使乳酸盐的渗析操作独自停止，而不是停止发酵液的循环，来防止微生物细胞在电渗析装置内部沉积，发酵液可向下经由离子交换膜分隔成的稀释室流过并循环。
流向电渗析装置的电极的电流流动中断直接导致电渗析装置的操作速率降低。按如下手段实际上可使电渗析装置的操作速率增加至100%，即，使一个电渗析装置负责多个发酵部分，并按照它们在发酵液循环中的预定的选择性将这些发酵部分与电渗析装置接通从而控制乳酸盐浓度。
通过测量用于发酵部分发酵液的培养基的电导率可以容易地选定启动或停止电渗析装置操作的时间或接通上述发酵部分的时间。通常是通过电导率来控制电渗析。在电渗析生产乳酸的通用方法中，是根据发酵部分发酵液中乳酸盐浓度的测量进行电渗析装置控制的。本发明人的研究证实，既使用于发酵的培养基含有大量的其它无机盐以及外来物质并具有大的缓冲能力，测量电导率即可满意地推算乳酸盐浓度。根据这一知识，通过使用与电渗析发酵生产乳酸的通用方法中采用的类似传感器相比很简单的电导率传感器，本发明的方法能够实现对电渗析发酵的控制。因为所考虑的电导率与乳酸盐浓度相关连，所以仅需使之对应于介于上述0.2至2%(重量)范围内的乳酸浓度。具体地说，该电导率适宜于调整至落入1至30ms/cm的范围内，优选5至15ms/cm。当电渗析装置如上所述间歇操作时，设定发酵部分电导率的上限和下限，使得当发酵部分随着发酵的进行乳酸盐浓度增加且用于发酵的培养基的电导率达到上限时起动电渗析装置的操作，当随着电渗析的进行发酵部分乳酸浓度下降且用于发酵的培养基的电导率达到下限时停止电渗析装置操作。当一个电渗析装置负担多个发酵部分时，通过设定电导率的下限并重复一工作步骤来实现，该步骤包括当正在进行渗析操作的发酵部分的发酵培养基的电导率达到下限时，将渗析操作中发酵部分转换至另一个发酵部分，该部分的发酵培养基的电导率高于下限，从而对多个发酵部分逐次连续地进行所述操作。
就电渗析发酵的控制而言，必须进行乳酸盐电渗析发酵方法的一个优点是该系统能够稳定地进行操作而不会产生任何明显的故障，因为除电渗析的控制之外还通过添加碱如氨水对发酵部分的发酵培养基的pH进行了控制，因为在操作中发酵部分乳酸浓度的偶然增加实际上不会产生故障。
对于电渗析的选择性来说，很明显，作为微生物培养基的其它必要组分即无机盐在乳酸渗析时从发酵液中被渗析除去。然而在电渗析发酵分批进行的情况下，已经证实当发酵开始前使所述无机盐以适当的量存在于培养基中时，在发酵的进程中其发酵液中不重新添加无机盐就可以完成发酵过程。这一情况可由如下的推测来解释，即，在发酵的初始阶段，所存在的无机盐被包含在微生物细胞内，而所述微生物细胞提供了足够的无机盐来进行一批发酵。例如含有足够必需无机盐的玉米浆不需要补加无机盐，无论电渗析发酵是分批还是连续进行。在使用酵母提取物作为营养源且必需另外添加无机盐的情况下，按如下手段使所述微生物有效地利用无机盐，即，为了提高电渗析的选择性和防止无机盐的损失在开始发酵时使无机盐少量存在，在开始电渗析后，当按上述的电渗析控制方法电渗析装置中断操作或当先前正进行电渗析的发酵部分转换成另一个发酵部分并随之与电渗析装置分开时，向该发酵部分中补加无机盐。
构成发酵主要原料包含在发酵部分培养基中的糖例如是如上所述的D-葡萄糖、蔗糖和乳糖。由于在乳酸盐电渗析的同时经过上述图2所示结构的装置中的隔离离子交换膜这些糖从稀释室向浓缩室运动，糖成分的循环和回收比值下降，其选择性也成比例下降。一般来说，给定物质透过离子交换膜的容易程度随着该物质的分子量的减少而成比例地增加。在使用葡萄糖作为原料中的糖组分用于分批电渗析发酵的情况下，例如，在充填的原料中糖浓度是10%(重量)时，则充填的葡萄糖的5至10%(重量)在发酵结束时不可避免的会向浓缩室运动，虽然根据离子交换膜的种类和电渗析的操作条件其数量有所改变。因而通过如下途径可将由于移至浓缩室而损失的糖组分的量抑制在一低值，即，添加的糖组分的量为能使发酵液中糖的浓度类似于无机盐一样维持在一低值，且特别是在电渗析的操作启动之后，当按上述的电渗析控制方法电渗析装置的操作中断时或当先前正进行电渗析的发酵部分转换成另一个发酵部分并随之与电渗析装置分开时，向发酵部分补加糖组分。
另外，发酵原料的损失通过使用大分子量物质淀粉、或淀粉的部分水解物糊精作为发酵原料得以大大抑制。常常，如淀粉这类一般具有大分子量的物质不易被乳酸菌吸收。在这种情况下，发酵液可含有液化酶或糖化酶作为辅助组分。
当本发明的电渗析发酵采用连续操作时，可采用高密度培养方法用于发酵培养基中的微生物细胞。通过连续或间歇向发酵部分添加新的培养基并除去和回收由电渗析形成的乳酸盐从而使微生物细胞在发酵部分积累达到一高密度，则连续电渗析发酵能够获得比分批电渗析发酵高的产率。
然而，在发酵液引入电渗析装置之前不从发酵液中分离微生物细胞的情况下，应使用能够防止微生物细胞在电渗析装置内沉积并同时将微生物细胞的密度控制在规定值以下的装置。对于普通乳酸菌来说，其细胞的密度适宜于控制在低于50克/升(以湿物为基准)。对于微生物细胞密度的控制，可采用例如在电渗析装置的出口处将返回至发酵部分的部分细胞弃掉的方法。
在发酵液引入电渗析装置之前经透过膜或通过离心从发酵液中分离微生物细胞的情况下，发酵液中微生物细胞密度不具体限定但可以经膜分离装置或离心分离装置控制。在这种情况下，可以采用例如通过在用于分离微生物细胞的装置的出口处弃掉部分微生物细胞来实现微生物细胞密度控制的方法。
下面参照工作实施例对本发明进行具体说明。
实施例1使用在这一实施例中所叙述的结构如图3所示的通过电渗析发酵生产乳酸的实验仪器来实施本发明的发酵生产乳酸的方法。
如图3所示，在用于通过电渗析发酵生产乳酸的实验仪器30中，内容积为3升的发酵器罐31与电渗析装置32(由Asahi Chemical Industry Co.，Ltd.生产，以Microacylizer的商标市售;可利用的起电表面积0.55dm2，15cp，离子交换膜片(Cartridge) AC-220)相互连接形成一循环系统。向发酵器罐31中提供含有200g葡萄糖和80g玉米浆并用高压消毒锅灭菌的1920ml培养基。向发酵器罐31的培养基中添加通过在下面表1所示组成的培养基中培养之rhamnosus乳酸杆菌(Lactobacillus rhamnosus)IFO 3863所预先获得的菌种培养液80ml，以启动发酵。
表1<
连于发酵器罐31上的加热器和搅拌器在42℃的发酵温度100rpm的搅拌速率下开动和操作，也与发酵器罐31相连的pH电极33施压测量发酵器罐31中的发酵培养基的pH。当如此测量的pH低于规定值时，pH电极33发出信号开动氨水加料泵34由氨水存贮器35向发酵器罐31中添加10%的氨水，将发酵培养基的pH维持在6.0左右。
然后，在发酵开始后，当连接于发酵器罐31的电导率电极36所测量的发酵培养基的电导率达到26ms/cm时，起动发酵液循环泵37向电渗析装置32添加发酵液，同时电导率电极36发出信号启动电渗析装置32电极的电源。当电导率电极36测量的电导率达至12ms/cm时，电导率电极36发出信号关闭电源。供给电极的电源中断直到电导率电极36测量的电导率恢复到26ms/cm。在启动发酵液循环泵37操作的同时开动回收的乳酸铵水溶液循环泵38，以回收在乳酸铵水溶液回收容器39中浓缩并分离的乳酸铵。之后，通过类似地执行电渗析装置32的电极供给电源的开-关控制使发酵继续进行。以固定的电流强度1.0A进行通电。在系统开始操作后发酵液循环泵37和乳酸铵水溶液回收容器39不停地工作直到发酵结束，不论接通电渗析装置32电极的电源是开启/关闭。
由于通过上述电导率对电渗析进行了控制，发酵液中乳酸铵的浓度恒定保持在2.0至1.0%(重量)的范围内，且36小时后发酵结束。通电总时间为4.0小时。在回收容器39中漏入的葡萄糖是初始充填葡萄糖重量的5.9%。
当以相同的培养基经普通的分批发酵时，完成发酵所需的总时间是57小时。
实施例2按照实施例1所述的步骤进行发酵，不同之处是在经电渗析开-关控制的每批量电渗析结束时在发酵器罐32的发酵培养基中添加以下表2所示的无机盐。
表2
发酵基本上如同实施例1那样平稳地进行，并在36小时后结束。通电总时间为4.3小时。在回收容器39中漏入的葡萄糖是初始充填葡萄糖重量的6.7%。
实施例3按照与实施例1相同的方式进行发酵，其中对通向电渗析装置32电极的电源持续进行开-关控制使得由电导率电极36测量的电导率保持在6至13ms/cm的范围内。电源的电流强度恒定为0.7A。
发酵液中乳酸铵的浓度恒定保持在0.5至1.0%(重量)，完成发酵的时间缩短至28小时。通电总时间为6.8小时。在回收容器39中漏入的葡萄糖是初始充填葡萄糖重量的9.6%。
实施例4使用结构如图4所示的实验仪器实施本发明发酵生产乳酸的方法，且按照本实施例所叙述通过电渗析发酵来生产乳酸。
图4中的实验仪器40等同于实施例1中叙述的图3中的实验仪器，不同之处是，在发酵部分31和电渗析装置32之间插入与精密过滤膜组件42配用的循环泵41、精密过滤膜组件42(由Asahi Medical K.K.生产，以产品码“AHF-Ma”市售，使用内径为370μm、长183mm、孔尺寸为0.2μm的二乙酸纤维素空心纤维)、以及连接精密过滤膜组件42和电渗析装置32的液体贮存器43。在这一实验仪器的实际操作中，按照实施例1中的步骤进行发酵，而当由电导率电极36测量的电导率达到26ms/cm之后，起动配置于精密过滤膜组件的循环泵41以将发酵液输送至精密过滤膜组件42并将经膜分离微生物细胞后余下的发酵液输送至液体贮存器43，并接着起动发酵液循环泵37以将液体贮存器43中的发酵液添加到电渗析装置32中使之在其中电渗析。为精密过滤膜组件配置的循环泵41在系统开始操作后不停地操作，直到发酵结束，不论通向电渗析装置32电极的电源是开启/关闭状态。
发酵液中乳酸铵浓度保持在2.0至1.0%(重量)的范围内，完成发酵所需的时间是36小时，与实施例1的时间相同。通电总时间是3.5小时。回收容器39中漏入的葡萄糖是初始充填葡萄糖重量的5.9%。
权利要求
1.一种发酵生产乳酸的方法，特征在于令发酵液在能于培养基中积累乳酸盐的微生物进行培养的发酵部分和电渗析装置之间循环，并用所述的电渗析装置将所述的乳酸盐从所述的发酵液中除去。
2.根据权利要求1的方法，其中所述的电渗析装置的操作间歇进行。
3.根据权利要求1的方法，其中所述的电渗析装置与多个发酵部分相连，在所述的多个发酵部分中的发酵液可在也可不在所述电渗析装置和所述发酵部分之间循环。
4.根据权利要求2的方法，其中发酵用原料是借助在所述电渗析装置操作中止时，向所述发酵部分中补充而提供的。
5.根据权利要求4的方法，其中通过向所述发酵部分中部分补充供给的发酵用原料是糖和/或无机盐。
6.根据权利要求1的方法，其中，所述电渗析装置的操作受发酵培养基的电导率的控制。
7.根据权利要求1的方法，其中所述的能够积累乳酸盐的微生物是属于乳酸杆菌、乳球菌、芽孢杆菌、芽孢乳杆菌属之一的微生物。
8.根据权利要求7的方法，其中，将发酵液引入到所述电渗析装置中，而所述微生物的细胞已经通过微生物细胞分离装置从该发酵液中分离出去。
9.根据权利要求1的方法，其中，所述的能够积累乳酸盐的微生物是属于根霉属的微生物，而其中含有微生物细胞的发酵液经过杀菌装置的介质杀菌后被引入到电渗析装置中。
10.根据权利要求1的方法，其中，所述发酵部分中的培养基和微生物细胞被部分抽提，并向所述发酵部分中加入新的培养基使发酵能连续进行。
11.根据权利要求1的方法，其中，所述的乳酸盐是乳酸铵，所述发酵培养基的pH值受氨的控制。
全文摘要
本发明提供了一种用现行电渗析发酵制乳酸，特别是乳酸铵的方法。实现发酵制造的方法的特征是令发酵液在能于培养基中积累乳酸盐的微生物进行培养的发酵部分与电渗析装置之间循环，用电渗析装置将形成的乳酸从发酵部分中除去。本发明最大的优点是易于制得粗提纯乳酸盐特别是乳酸铵的水溶液，并能提高电渗析装置的生产效率。
文档编号C12R1/225GK1108304SQ9411279
公开日1995年9月13日 申请日期1994年12月8日 优先权日1993年12月8日
发明者三浦重信, 熊谷晃 申请人:株式会社武藏野化学研究所