一种从发酵液中分离提取乳酸的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于生物技术领域，涉及微生物发酵产品的分离方法，特别涉及一种从发酵液中分离提取乳酸的方法。
【背景技术】
[0002]乳酸作为聚乳酸合成单体和一种重要的有机酸，其市场需求不断扩大，用途愈加广泛，可应用于食品、医药、医用高分子材料、化工工业等领域。目前工业上多采用微生物发酵法生产乳酸，以淀粉(如玉米粉、大米粉、红薯粉等)、葡萄糖等糖类为原料，接种微生物(如米根霉、乳酸菌类等)，通过发酵生成含乳酸或乳酸盐的发酵液，再经分离提取得到乳酸产品。发酵过程中，乳酸的生成会使发酵体系PH值降低，从而抑制菌体的正常生长和产酸，需要通过添加酸中和剂如碳酸盐或氢氧化物(如CaC03、Na0H、氨水等)来控制发酵体系的pH值，使发酵过程得以顺利进行。
[0003]乳酸发酵液是一种成分非常复杂的混合物，除含有乳酸外，还有大量的菌体及碎片、蛋白质、残糖、色素、无机盐、发酵副产物以及未转化的淀粉等杂质，而它们多来源于原料、未消耗完全的培养基及发酵的中间副产物。这些杂质的存在为乳酸后续的分离、精制带来了很大的困难，而在实际的生产中，乳酸的提取成本也占到了总生产成本的50%?60%。因此乳酸的分离提取就变得尤为重要，它是制约乳酸生产过程中的技术瓶颈和难点所在；尤其是蛋白、糖类、无机盐在乳酸提纯过程中难以被脱除，它们的存在会使得后续的精制过程(如分子蒸馏)难以进行，所得乳酸产品收率低，产品品质也不高。
[0004]从发酵液中提取乳酸的主要方法有钙盐法、萃取法、吸附法、酯化法及膜分离法等，考虑到生产成本、环境污染及生产稳定性等问题，目前工业化生产大多采用钙盐法，即乳酸钙结晶-酸解工艺。该工艺流程为:首先对发酵液中的乳酸钙进行浓缩结晶，接着加入硫酸进行酸化、加入活性炭脱色后，将含有乳酸的脱色液进行超滤处理，除去其中的部分糖类和大分子化合物等，再经阴、阳离子交换树脂脱除其中的杂质离子，浓缩，最后经分子蒸馏即可得到精制后的成品乳酸。该工艺相对成熟、设备简单，存在的主要问题有离子交换过程消耗大量的酸碱，并产生大量的废水；采用超滤工艺脱除其中的糖类及大分子化合物，脱除率不高，效果并不理想；整个工艺乳酸损失量大、收率低，所得产品纯度低，达不到聚合级质量指标要求。
[0005]针对传统钙盐法存在的问题，研究者们提出了一些改进的方案。
[0006]CN201010046522.7公开了一种生产L-乳酸的方法，该法采用钙盐法与膜分离、离子交换集成技术提取发酵液中的乳酸，乳酸发酵液通过超滤除蛋白、纳滤脱二价盐及色素，经反渗透浓缩后进入阴阳离子交换树脂脱除发酵液中的阴阳离子，再经真空精馏浓缩得到85%的乳酸产品。该方案使用多个膜分离技术，对于成分如此复杂的发酵液，操作中特别容易造成膜的堵塞，操作困难，需要频繁地清洗、更换膜组件，步骤繁琐、分离成本高，最终所得产品纯度仅能符合食品级乳酸质量指标要求(食品级乳酸对乳酸的色度，所含铁盐及氯离子、硫酸根离子的要求都相对较低)。
[0007]CN201110421584.6公开了一种L-乳酸和/或L-乳酸盐的制备方法，先用絮凝、过滤、离心或超滤处理发酵液，然后进行酸化、阴离子交换等得到乳酸或乳酸盐的技术。该发明省去浓缩、分子蒸馏的步骤，但还是用到了离子交换过程，最终只能得到浓度为160 g/L的乳酸水溶液，而得不到真正的乳酸产品。
[0008]CNOl 109903.8公开了一种吸交法分离提纯制造精制乳酸方法，在传统钙盐法的基础上添加了“吸交剂”，发酵液经酸解后加入“吸交剂”吸附交换发酵液中的乳酸，将其与发酵液中的可溶性有机物分离，再经酸碱洗脱、阴阳离子交换、脱色后得到了 20%?30%的乳酸水溶液，经浓缩后，产品收率在44.6%左右。该技术采用了“吸交剂”及离子交换过程，需消耗更多的酸碱，产生大量的废水，使操作周期大大延长，最终产品的收率也不高。
[0009]CN201010150058.6公开了一种钙盐法清洁生产乳酸的方法，CN201010177402.0公开了一种钙盐法与电渗析耦合清洁生产乳酸的方法，上述专利用可溶性的碳酸盐除去发酵液中的钙离子，然后分别进行离子交换及通过双极膜电渗析得到乳酸的技术方案，这两个工艺方案中分别涉及离子交换和电渗析技术，处理过程会产生大量废水、消耗大量酸或碱、能耗高、成本高；与此同时，使用双极膜电渗析技术，需要频繁地清洗或更换膜，操作周期短、稳定性差。
[0010]CN201310692379.2公开了一种利用分子蒸馏技术工业化生产乳酸的方法，将食品级的乳酸经酸解、脱色、离子交换、降膜蒸发及薄膜蒸发过程，在乳酸物料中水含量< 2%后，对乳酸物料进行分子蒸馏得到高纯度乳酸。尽管精制后的乳酸纯度达到了 98.0%?99.2%，但是只适合于食品级乳酸原料，与此同时，离子交换过程需消耗大量酸碱、产生大量废水，蒸发过程能耗也较高。
[0011]CN03122584.5公开了一种微生物发酵液中提取分离1，3-丙二醇的方法，通过乙醇或甲醇、异丙醇、丙酮、丁酮等有机溶剂沉淀的方法脱除发酵液中的核酸、蛋白和部分盐类物质等，工艺路线简单，成本低，产品损失小，解决了减压蒸馏后期盐结晶和粘性物质影响1，3-丙二醇蒸发的问题。虽然乳酸发酵液中也有糖类、蛋白及无机盐类的存在，若将有机溶剂沉淀的方法应用于提取分离1，3-丙二醇体系，醇类会与乳酸发生酯化反应，生成少量酯化物，影响后续分子蒸馏精制过程及最终乳酸产品的品质。
【发明内容】
[0012]为了解决现有技术中存在的乳酸损失量大、收率低、乳酸品质低、酸碱消耗量及污水处理量大，多糖类物质及大分子化合物难以脱除等问题，本发明提供了一种从发酵液中分离提取乳酸的方法。
[0013]本发明从发酵液中分离提取乳酸的方法，包括以下步骤:
(1)将乳酸发酵液过滤、酸解、加热浓缩脱除70%?80%的水分，得到初步浓缩的乳酸溶液；
(2)采用活性炭对乳酸溶液进行脱色，并向脱色后乳酸清液中加入少量高沸点醇，进行二次浓缩脱水，使乳酸含量达到90%以上；
(3)将步骤(2)所得乳酸浓缩液降温至10?15°C，加入一定量醋酸盐，并边搅拌边向其中缓慢加入醇沉剂，使浓缩液中的蛋白、残糖及无机盐类析出，当体系温度降至4?10°C时，停止降温，过滤得到乳酸滤液及不溶固形物； (4)在步骤(3)所得固形物中加入乙醇洗涤，过滤得到沉淀物和乳酸滤液；
(5)将步骤(3)和(4)所得乳酸滤液进行蒸馏，得到脱溶剂后乳酸溶液；
(6)将步骤(5)所得乳酸溶液采用分子蒸馏进行精制提纯，即可得到高化学纯度及高光学纯度的乳酸产品。
[0014]本发明步骤(I)所用乳酸发酵菌为干酪乳杆菌，发酵碳源为玉米粉，发酵温度为40?50°C，发酵全程通空气，空气体积流速为1.0?20 h \碳酸妈作为pH调节剂，最终发酵液中乳酸含量在120?180 g/L,发酵终止pH值为6.0?8.0。
[0015]本发明步骤(I)采用普通过滤或离心方式对发酵液进行过滤，除去固形不溶物，得到乳酸钙溶液。然后向乳酸钙溶液中加入硫酸酸解，硫酸的质量分数为30%?70%，优选为40%?60%，处理温度为60?80°C，为使酸解过程进行的更为完全，控制最终酸解体系的pH值为1.0?2.5。酸解后进行过滤，得到酸解后乳酸溶液，加热浓缩除去乳酸溶液中70%?80%的水分，得到初步浓缩的乳酸溶液。
[0016]本发明步骤(2)在乳酸溶液中投加活性炭进行脱色处理，加入量为反应体系质量的0.5%?2.5%，优选为0.5%?1.5%，处理温度为55?75°C，优选为60?70°C，搅拌时间20?40 min，所用的活性炭为粉末状，孔隙尺寸约10 6?10 4 mm。本发明优选将乳酸溶液按一定的流速流经碳柱，填充碳柱所用的活性炭为颗粒状活性炭，进料速度为I?4 BV/h,进料温度30?50°C，在脱色的同时可以除去乳酸溶液中的部分大分子有机物。经活性炭脱色处理后，乳酸溶液的透光率提升75%以上。
[0017]本发明步骤(2)使用的高沸点醇为正丁醇、正戊醇、异丁醇或异戊醇，优选为异丁醇，加入量为乳酸清液体积0.01?0.1倍。浓缩脱水可以采用常压蒸馏、减压蒸馏或薄膜蒸发方式，控制减