一种从糖类中通过微生物发酵培养聚乳酸的装置及方法

1.本发明涉及一种聚乳酸生产装置，尤其是一种从糖类中通过微生物发酵培养聚乳酸的装置及方法。


背景技术：

2.聚乳酸作为一种生物降解型环保材料，以其独特的性能和优良的可加工性，受到世人广泛的关注。聚乳酸可通过两种途径合成，一是乳酸单体的直接缩聚，即直接法；二是丙交酯的开环聚合，即先由乳酸合成丙交酯，再经开环聚合得到聚乳酸，即间接法。所以不论哪种方法，乳酸作为其原料，其一般通过发酵法进行合成。在乳酸的合成过程中，由于各菌种在不同温度下的发酵效率不同，且难以长期处于高温下进行高效发酵，鉴于此，我们提出一种从糖类中通过微生物发酵培养聚乳酸的装置及方法。


技术实现要素：

3.本发明的目的是通过提出一种从糖类中通过微生物发酵培养聚乳酸的装置及方法，以解决上述背景技术中提出的缺陷。
4.本发明采用的技术方案如下：
5.提供一种从糖类中通过微生物发酵培养聚乳酸的装置，包括用于发酵生成乳酸并通过乳酸反应生成聚乳酸的发酵罐，所述发酵罐的顶部通过密封盖密封，所述密封盖上设有阶梯加热装置，所述发酵罐的罐壁内部开有加热腔，所述阶梯加热装置通过管道与所述加热腔内部连通并为加热腔阶梯性提供加热液。
6.作为本发明的一种优选技术方案：所述阶梯加热装置包括若干均匀堆叠的加热盒，所述加热盒均为内部中空的结构，在每个所述加热盒的内底面安装有电热丝，所述电热丝呈涡卷状结构。
7.作为本发明的一种优选技术方案：各个所述加热盒依次通过连接管连通，且在各个连接管上均安装有单向阀。
8.作为本发明的一种优选技术方案：各个所述加热盒呈竖直方向进行堆叠，各个所述加热盒之间的单向阀只允许加热盒内的加热液自上而下流动。
9.作为本发明的一种优选技术方案：位于最上方的所述加热盒顶部设有加水口，且加水口通过密封塞插接进行密封，位于最下方的所述加热盒底部设有出水口，所述出水口与所述管道的顶端连接。
10.作为本发明的一种优选技术方案：所述发酵罐的外壁自上而下分别设有进水管和排水管，所述进水管和排水管均与加热腔连通，所述进水管与所述管道的底端连接，在所述管道上安装有用于控制管道内液体通断的进水阀门，所述排水管上安装有用于控制排水管内液体通断的排水阀门。
11.一种从糖类中通过微生物发酵培养聚乳酸的装置及方法，包括如下步骤：
12.step1：选葡萄糖原液置入发酵罐中，加入发酵菌种，调节ph值至4.8-5.3后密封；
13.step2：在3-5天内，利用阶梯加热装置对发酵罐进行加热，加热次数为5-11次；
14.step3：解除密封，并采用高温蒸汽进行灭菌，得到乳酸；
15.step4：将乳酸单体加入一端通入惰性气体、一端连接导管出气口的三口瓶中，惰性气体保护下，油浴升温至120-160℃，维持常压下脱水反应3-4h后，在水泵减压下聚合3-4h，而后油泵减压聚合3-5h，制得聚合物；
16.step5：将低聚物于三口反应瓶中，在常压、温度为100℃、惰性气体保护下，加入指定量催化剂，搅拌1-1.5h后，升温至180℃，减压缩聚反应5-6h；反应结束后，将所得聚合物冷却至室温，用三氯甲烷溶解，无水甲醇沉淀；沉淀物在60-70℃真空干燥箱内干燥6-8h得到聚乳酸。
17.作为本发明的一种优选技术方案：所述发酵菌种为嗜酸乳杆菌和德氏乳杆菌中的任意一种。
18.作为本发明的一种优选技术方案：所述利用阶梯加热装置对发酵罐进行加热的阶梯为三阶，每阶的热量分别为40-45℃、45-50℃、50-55℃。
19.作为本发明的一种优选技术方案：所述催化剂为tpt、tsa、dmpa中的任意一种或组合。
20.本发明提供的从糖类中通过微生物发酵培养聚乳酸的装置及方法，通过阶梯加热的方式对乳酸发酵过程进行优化，有效提高了发酵过程中菌落的发酵效率。并且阶梯式的加热过程能够更容易让更多种类的菌种适应，使得连续生产出来的聚乳酸有极大的质量提高。
附图说明
21.图1为本发明优选实施例的整体结构示意图之一；
22.图2为本发明优选实施例中发酵罐的俯视图；
23.图3为本发明图2中a-a方向的剖视图；
24.图4为本发明优选实施例的整体结构示意图之二；
25.图5为本发明优选实施例中阶梯加热装置的结构图之一；
26.图6为本发明优选实施例中阶梯加热装置的结构图之二；
27.图7为本发明优选实施例中阶梯加热装置的俯视图；
28.图8为本发明优选实施例中b-b方向的剖视图。
29.图中：1、发酵罐；11、加热腔；12、进水管；13、排水管；14、排水阀门；2、密封盖；3、阶梯加热装置；31、加热盒；311、电热丝；32、支撑腿；33、连接管；34、单向阀；35、加水口；36、出水口；4、管道；41、进水阀门；5、密封塞。
具体实施方式
30.需要说明的是，在不冲突的情况下，本实施例中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.参照图1-8，本发明优选实施例提供了一种从糖类中通过微生物发酵培养聚乳酸的装置及方法，包括用于发酵生成乳酸并通过乳酸反应生成聚乳酸的发酵罐1，发酵罐1的顶部通过密封盖2密封，密封盖2上设有阶梯加热装置3，发酵罐1的罐壁内部开有加热腔11，阶梯加热装置3通过管道4与加热腔11内部连通并为加热腔11阶梯性提供加热液。阶梯加热装置3包括若干均匀堆叠的加热盒31，加热盒31均为内部中空的结构，在每个加热盒31的内底面安装有电热丝311，电热丝311呈涡卷状结构。各个加热盒31依次通过连接管33连通，且在各个连接管33上均安装有单向阀34。各个加热盒31呈竖直方向进行堆叠，各个加热盒31之间的单向阀34只允许加热盒31内的加热液自上而下流动。位于最上方的加热盒31顶部设有加水口35，且加水口35通过密封塞5插接进行密封，位于最下方的加热盒31底部设有出水口36，出水口36与管道4的顶端连接。发酵罐1的外壁自上而下分别设有进水管12和排水管13，进水管12和排水管13均与加热腔11连通，进水管12与管道4的底端连接，在管道4上安装有用于控制管道4内液体通断的进水阀门41，排水管13上安装有用于控制排水管13内液体通断的排水阀门14。其中，各个加热盒31的容积均与加热腔11的容积相同。具体的，在对糖类进行发酵生成乳酸的过程中，先将糖类置于发酵罐1内，加入发酵菌后，由于在50-55℃下其发酵效果达到最大化，但是考虑到菌种需要一定的升温适应时间，则采用阶梯加热装置3来进行加热升温，其中，本实施例中的阶梯加热装置3具有三个加热盒31，三个加热盒31内的电热丝311可进行单独控制，上方第一个加热盒31内的温度最高，中间的加热盒31为中等温度，最下方的加热盒31内温度最低，使用时，先打开进水阀门41，最下方的加热盒31中的水进入加热腔11进行加热，同时上方第一个加热盒31的水在重力作用下自动进入中间的加热盒31，并通过电热丝311保持恒温，其次，中间的加热盒31中的水自动进入最下方的加热盒31，间隔一端时间后，打开排水管13，则加热腔11内的第一批水被排出。则最下方的加热盒31内中等温度的水进入加热腔11，以此来实现阶梯式升温。能够通过多个加热盒31来对不同批次的水进行保温，在需要进入加热腔11时直接打开进水阀门41即可完成阶梯式升温。
32.实施例1：
33.一种从糖类中通过微生物发酵培养聚乳酸的装置及方法，包括如下步骤：
34.step1：选1l浓度为80％的葡萄糖原液置入发酵罐1中，加入嗜酸乳杆菌培养基15g，调节ph值至5后密封；
35.step2：在5天内，利用阶梯加热装置3对发酵罐1进行加热，加热次数为10次；加热的阶梯为三阶，每阶的热量分别为45℃、50℃、55℃，每阶加热间隔时间为1.5h，加热到最高温度后保持8h。
36.step3：解除密封，并采用高温蒸汽进行灭菌，得到乳酸；
37.step4：将得到的乳酸取250ml乳酸单体加入一端通入氮气、一端连接导管出气口的三口瓶中，氮气保护下，油浴升温至150℃，维持常压下脱水反应3h后，在水泵减压下聚合3h，而后油泵减压聚合3h，制得聚合物；
38.step5：称取20g低聚物于三口反应瓶中，在常压、温度为100℃、氮气保护下，加入3gtpt、tsa、dmpa复合催化剂，复合比例1∶1∶1，搅拌1h后，升温至180℃，减压缩聚反应5h；反应结束后，将所得聚合物冷却至室温，用三氯甲烷溶解，无水甲醇沉淀；沉淀物在60℃真空干燥箱内干燥6h得到聚乳酸。
39.实施例2：
40.一种从糖类中通过微生物发酵培养聚乳酸的装置及方法，包括如下步骤：
41.step1：选1l浓度为80％的葡萄糖原液置入发酵罐1中，加入嗜酸乳杆菌培养基15g，调节ph值至5后密封；
42.step2：在5天内，利用阶梯加热装置3对发酵罐1进行加热，加热次数为8次；加热的阶梯为三阶，每阶的热量分别为45℃、50℃、55℃，每阶加热间隔时间为1.5h，加热到最高温度后保持8h。
43.step3：解除密封，并采用高温蒸汽进行灭菌，得到乳酸；
44.step4：将得到的乳酸取250ml乳酸单体加入一端通入氮气、一端连接导管出气口的三口瓶中，氮气保护下，油浴升温至150℃，维持常压下脱水反应3h后，在水泵减压下聚合3h，而后油泵减压聚合3h，制得聚合物；
45.step5：称取20g低聚物于三口反应瓶中，在常压、温度为100℃、氮气保护下，加入3gtpt、tsa、dmpa复合催化剂，复合比例1∶1∶1，搅拌1h后，升温至180℃，减压缩聚反应5h；反应结束后，将所得聚合物冷却至室温，用三氯甲烷溶解，无水甲醇沉淀；沉淀物在60℃真空干燥箱内干燥6h得到聚乳酸。
46.实施例3：
47.一种从糖类中通过微生物发酵培养聚乳酸的装置及方法，包括如下步骤：
48.step1：选1l浓度为80％的葡萄糖原液置入发酵罐1中，加入德氏乳杆菌培养基15g，调节ph值至5后密封；
49.step2：在5天内，利用阶梯加热装置3对发酵罐1进行加热，加热次数为10次；加热的阶梯为三阶，每阶的热量分别为40℃、46℃、51℃，每阶加热间隔时间为1.5h，加热到最高温度后保持8h。
50.step3：解除密封，并采用高温蒸汽进行灭菌，得到乳酸；
51.step4：将得到的乳酸取250ml乳酸单体加入一端通入氮气、一端连接导管出气口的三口瓶中，氮气保护下，油浴升温至150℃，维持常压下脱水反应3h后，在水泵减压下聚合3h，而后油泵减压聚合3h，制得聚合物；
52.step5：称取20g低聚物于三口反应瓶中，在常压、温度为100℃、氮气保护下，加入3gtpt、tsa、dmpa复合催化剂，复合比例1∶1∶1，搅拌1h后，升温至180℃，减压缩聚反应5h；反应结束后，将所得聚合物冷却至室温，用三氯甲烷溶解，无水甲醇沉淀；沉淀物在60℃真空干燥箱内干燥6h得到聚乳酸。
53.实施例4：
54.一种从糖类中通过微生物发酵培养聚乳酸的装置及方法，包括如下步骤：
55.step1：选1l浓度为80％的葡萄糖原液置入发酵罐1中，加入嗜酸乳杆菌培养基15g，调节ph值至5后密封；
56.step2：在5天内，利用阶梯加热装置3对发酵罐1进行加热，加热次数为10次；加热的阶梯为三阶，每阶的热量分别为45℃、50℃、55℃，每阶加热间隔时间为2h，加热到最高温度后保持8h。
57.step3：解除密封，并采用高温蒸汽进行灭菌，得到乳酸；
58.step4：将得到的乳酸取250ml乳酸单体加入一端通入氮气、一端连接导管出气口
的三口瓶中，氮气保护下，油浴升温至150℃，维持常压下脱水反应3h后，在水泵减压下聚合3h，而后油泵减压聚合3h，制得聚合物；
59.step5：称取20g低聚物于三口反应瓶中，在常压、温度为100℃、氮气保护下，加入3gtpt、tsa、dmpa复合催化剂，复合比例1∶1∶1，搅拌1h后，升温至180℃，减压缩聚反应5h；反应结束后，将所得聚合物冷却至室温，用三氯甲烷溶解，无水甲醇沉淀；沉淀物在60℃真空干燥箱内干燥6h得到聚乳酸。
60.实施例5：
61.一种从糖类中通过微生物发酵培养聚乳酸的装置及方法，包括如下步骤：
62.step1：选1l浓度为80％的葡萄糖原液置入发酵罐1中，加入葡聚糖明串珠菌培养基15g，调节ph值至5后密封；
63.step2：在5天内，利用阶梯加热装置3对发酵罐1进行加热，加热次数为10次；加热的阶梯为三阶，每阶的热量分别为45℃、50℃、55℃，每阶加热间隔时间为1.5h，加热到最高温度后保持8h。
64.step3：解除密封，并采用高温蒸汽进行灭菌，得到乳酸；
65.step4：将得到的乳酸取250ml乳酸单体加入一端通入氮气、一端连接导管出气口的三口瓶中，氮气保护下，油浴升温至150℃，维持常压下脱水反应3h后，在水泵减压下聚合3h，而后油泵减压聚合3h，制得聚合物；
66.step5：称取20g低聚物于三口反应瓶中，在常压、温度为100℃、氮气保护下，加入3gtpt、tsa、dmpa复合催化剂，复合比例1∶1∶1，搅拌1h后，升温至180℃，减压缩聚反应5h；反应结束后，将所得聚合物冷却至室温，用三氯甲烷溶解，无水甲醇沉淀；沉淀物在60℃真空干燥箱内干燥6h得到聚乳酸。
67.实施例6：
68.一种从糖类中通过微生物发酵培养聚乳酸的装置及方法，包括如下步骤：
69.step1：选1l浓度为80％的葡萄糖原液置入发酵罐1中，加入嗜酸乳杆菌培养基15g，调节ph值至5后密封；
70.step2：在5天内，利用阶梯加热装置3对发酵罐1进行加热，加热次数为8次；加热的阶梯为三阶，每阶的热量分别为35℃、50℃、55℃，每阶加热间隔时间为1.5h，加热到最高温度后保持8h。
71.step3：解除密封，并采用高温蒸汽进行灭菌，得到乳酸；
72.step4：将得到的乳酸取250ml乳酸单体加入一端通入氮气、一端连接导管出气口的三口瓶中，氮气保护下，油浴升温至150℃，维持常压下脱水反应3h后，在水泵减压下聚合3h，而后油泵减压聚合3h，制得聚合物；
73.step5：称取20g低聚物于三口反应瓶中，在常压、温度为100℃、氮气保护下，加入3gtpt、tsa、dmpa复合催化剂，复合比例1∶1∶1，搅拌1h后，升温至180℃，减压缩聚反应5h；反应结束后，将所得聚合物冷却至室温，用三氯甲烷溶解，无水甲醇沉淀；沉淀物在60℃真空干燥箱内干燥6h得到聚乳酸。
74.实施例7：
75.一种从糖类中通过微生物发酵培养聚乳酸的装置及方法，包括如下步骤：
76.step1：选1l浓度为80％的葡萄糖原液置入发酵罐1中，加入德氏乳杆菌培养基
15g，调节ph值至5后密封；
77.step2：在5天内，利用阶梯加热装置3对发酵罐1进行加热，加热次数为10次；加热的阶梯为三阶，每阶的热量分别为45℃、50℃、60℃，每阶加热间隔时间为1.5h，加热到最高温度后保持8h。
78.step3：解除密封，并采用高温蒸汽进行灭菌，得到乳酸；
79.step4：将得到的乳酸取250ml乳酸单体加入一端通入氮气、一端连接导管出气口的三口瓶中，氮气保护下，油浴升温至150℃，维持常压下脱水反应3h后，在水泵减压下聚合3h，而后油泵减压聚合3h，制得聚合物；
80.step5：称取20g低聚物于三口反应瓶中，在常压、温度为100℃、氮气保护下，加入3gtpt、tsa、dmpa复合催化剂，复合比例1∶1∶1，搅拌1h后，升温至180℃，减压缩聚反应5h；反应结束后，将所得聚合物冷却至室温，用三氯甲烷溶解，无水甲醇沉淀；沉淀物在60℃真空干燥箱内干燥6h得到聚乳酸。
81.实施例8：
82.一种从糖类中通过微生物发酵培养聚乳酸的装置及方法，包括如下步骤：
83.step1：选1l浓度为80％的葡萄糖原液置入发酵罐1中，加入嗜酸乳杆菌培养基15g，调节ph值至5后密封；
84.step2：在5天内，利用阶梯加热装置3对发酵罐1进行加热，加热次数为10次；加热的阶梯为三阶，每阶的热量分别为45℃、50℃、55℃，每阶加热间隔时间为2h，加热到最高温度后保持8h。
85.step3：解除密封，并采用高温蒸汽进行灭菌，得到乳酸；
86.step4：将得到的乳酸取250ml乳酸单体加入一端通入氮气、一端连接导管出气口的三口瓶中，氮气保护下，油浴升温至150℃，维持常压下脱水反应3h后，在水泵减压下聚合3h，而后油泵减压聚合3h，制得聚合物；
87.step5：称取20g低聚物于三口反应瓶中，在常压、温度为100℃、氮气保护下，加入3g二氯化亚锡催化剂，搅拌1h后，升温至180℃，减压缩聚反应5h；反应结束后，将所得聚合物冷却至室温，用三氯甲烷溶解，无水甲醇沉淀；沉淀物在60℃真空干燥箱内干燥6h得到聚乳酸。
88.对比例1：
89.在实施例1其他条件不变的前提下，将阶梯加热方式换为直接加热到55℃持续的方法。
90.对比例2：
91.在实施例1其他条件不变的前提下，将阶梯加热方式换为常温不加热的发酵方式。
92.下面对实施例1-8及对比例1、2制得的聚乳酸进行相对分子质量测试，采用聚合物相对分子质量经凝胶渗透色谱仪(waters 515-2410)测试，采用syragel－ht6e-ht3分级色谱柱以及示差检测器，四氢呋喃(thf)为流动相，柱温30℃，流速为1.0ml/min，聚苯乙烯为标样。检验结果如下表：
[0093] 黏均相对分子质量(mv×
10-4a
)实施例18.45
±
0.23实施例28.69
±
0.18
实施例38.31
±
0.21实施例48.35
±
0.25实施例56.89
±
0.20实施例67.15
±
0.18实施例75.58
±
0.19实施例87.19
±
0.21对比例15.15
±
0.14对比例22.58
±
0.17
[0094]
从上表数据中可以看出，本发明实施例1-8，尤其是实施例1-4制得的聚乳酸，在黏均相对分子质量上有极大的优异性。
[0095]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0096]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。