一種由可再生的原料生產聚乳酸(pla)的方法

2023-12-10 09:13:52 1

專利名稱:一種由可再生的原料生產聚乳酸(pla)的方法
技術領域：
本發明涉及一種由可再生農業原料的發酵高效生產聚乳酸的方法，並不限於用糖滓(molasses)或甘蔗渣作為原料。本發明尤其提供了一種通過乳酸的發酵生產聚乳酸的經濟的具有工業規模的方法，具有工業實用性。
背景技術：
近些年，由於在生產生物降解塑料中作為結構單元的重要性，乳酸發酵越來越被重視。乳酸可以從各種基質中產生，例如乳清滲透物和澱粉水解產物，其分別為乳糖和葡萄糖的來源。
最近，已經認識到乳酸可以作為一種新的可再生的生物可降解交酯聚合物的原料。這些生物可降解聚合物被認為是現有塑料材料的替代品或各種新用途的替代品，例如用於發展骨外科手術中支撐或固定膜、使用的塑料製品和容器、醫療服裝、一次性尿布、庭院廢物包等，其中優選生物可降解的。
用途不同，使用的乳酸純度不同。用於工程用途時，例如在金屬和皮革中，使用低工業級乳酸；在食品相關應用中使用較純一點的食品級乳酸。高純度的用於醫藥領域。然而，作為交酯聚合物原料的乳酸要求純度極高，熱穩定性也極高，尤其優選游離的異構體L-或D-型。
印度有豐富的可再生農業資源可以用做生產乳酸的原料，該乳酸是生產聚乳酸(PLA)的結構單元。
聚乳酸(PLA)是一種由乳酸衍生的生物可降解聚合物。它是一種高度通用的材料，並且由100％可再生資源製成，例如玉米、甜菜、小麥和其他富含澱粉的產品。聚乳酸的很多性質與石油類塑料相當或更好，因此適於各種應用。聚乳酸是一種通用聚合物，有很多潛在的用途，包括很多在紡織和醫藥工業以及包裝工業的應用。聚乳酸還有很多在纖維和無紡布中的潛在用途。它很容易通過常規的熔紡工藝轉化為各種纖維狀。
據估計，全球石油資源將在80年後用盡，天然氣70年，煤700年，但是能源枯竭帶來的經濟影響來得更快，因為價格會隨著能源枯竭而飛升。很明顯，研究人員需要以用可再生資源代替化石燃料生產石油類產品為工作目的。用名為聚乳酸(PLA)的聚合物已經得到一些進展，該材料是一種從可再生資源製得的能擔負得起且可循環利用的新材料。由可再生農業原料生產聚乳酸是一種嘗試，以平衡資源，得到化石燃料的植物類替代物。另外，乳酸類聚合物良好的生物可降解性和它們可循環利用性/可堆肥性的環保特性提高了它們的發展潛力和需要。
本發明是沿這一方向進行的一種嘗試，本發明提供了一種由可再生的農業原料高效生產聚乳酸的方法，所述農業原料例如為澱粉材料和纖維素材料，如木頭、甘蔗渣、麥稈、稻草糖渣(rice straw molasses)、甘蔗或甜菜根的衍生物。
商業上，乳酸可以由化學合成或可再生碳水化合物發酵製成。隨著公眾關注的提高和政府對溫室氣體排放和環境汙染的規定的增加，用可再生物質資源通過環境兼容的發酵生物過程生產乳酸優於使用化石燃料(煤、石油或天然氣)的化學合成。
聚乳酸不是一種新材料。它已經有幾十年了。在1932年，杜邦的科學家Wallace Carothers通過在真空下加熱乳酸生產了一種低分子量產品。在1954年，經過進一步改良，杜邦獲得了Carothers方法的專利。
由於高成本，從那以後，焦點一直在醫用縫合線的生產、植入物和受控的藥物釋放應用上。單體的生產成本已經成為該聚合物廣泛發展的障礙。近來，葡萄糖的發酵取得一些進步，其中將葡萄糖轉化為乳酸，從而顯著地降低了生產乳酸的成本，大大增加了聚合物的利潤。
乳酸、2-羥基丙酸或α-羥基丙酸是通過合成和發酵方法生產/製備的，用於作為食品保藏、醫藥品、鞣革和金屬酸洗的特殊化學過程的起始原料。乳酸的兩種旋光異構體(對映體)為如下所示的L(+)或S(+)-右旋和D(-)或R(-)左旋， L(+)乳酸 D(-)乳酸乳酸的化學合成導致外消旋混合物，其中兩種對映體等量存在，然而微生物方法主要產生對映體中的一個。
L-乳酸對於產生生物可降解聚合物是必要的。一般通過在發酵過程中選擇合適的微生物菌株生產L-乳酸，包括葡萄糖、果糖、半乳糖等單糖或蔗糖或乳糖等二糖向乳酸轉化。一些僅產生乳酸的同型發酵菌株包括Lactobacillus delbruekii、L.casei、L.acidophilus和L.bulgaricus。前者消耗蔗糖、葡萄糖或果糖，但沒有乳糖，而後三者除了其他糖外還消耗乳糖和半乳糖。乳糖的生物生產很複雜，原因是乳酸的產生造成pH降低而引起抑制作用，還有從稀釋的水性發酵液中產生乳酸的後處理的花費很高。乳酸生產的常規方法為用Lactobacillus sp.在罐批發酵反應器中厭氧發酵。為了保持發酵過程連續，將產生的酸用鹼中和或從發酵系統中除去。常規方法使用碳酸鈣或氫氧化鈉中和產生的酸。然後用各種方法將對應的乳酸鹽從發酵液中分離，包括溶劑萃取法、電滲析或蒸餾或一種或多種方法的組合。
聚乳酸的生產需要由碳水化合物原料等食用可再生資源用生物化學方法得到的以L-乳酸為主的高純度乳酸。常規的工業方法包括從發酵液中除去生物質、然後酸化、純化、濃縮和聚合。本發明敘述了一種高效的方法，其中從廉價的可再生農業原料發酵主要得到L-乳酸，例如將糖滓或甘蔗渣的水解產物分離、純化和濃縮得到粗交酯，進一步純化後聚合得到聚乳酸。
乳酸的發酵生產是得到生產聚乳酸所需的光學純異構體的常用方法。Carlso等人的美國專利475759(2002年11月5日)提供一種低pH乳酸發酵方法，包括在營養培養基中培養耐酸同型乳酸菌(homolacticbacteria)產生具有高濃度游離乳酸的發酵液。還可以提供分離得到的能產生高濃度游離乳酸的耐酸同型乳酸菌。該專利特別涉及一種可以耐低pH的細菌，因此會限制該專利的方法，其利用了該特定菌株。。這裡使用的發酵方法為罐批發酵型。現有技術使用碳酸鈣中和產生的酸，最終生成大量硫酸鈣(石膏)，從而引起廢物處理這一問題，而且硫酸鈣對環境不利。
一般用玉米糖漿(Corn syrup)、澱粉、玉米漿、玉米油、牛奶乳清、糖、甜菜和甘蔗汁作為發酵方法的原料。Glessner和David A等人的EP0393818 A1提供了一種生產和純化乳酸的方法，包括在廉價的含有碳水化合物、玉米漿和玉米油的基質中培養產生乳酸的微生物，直到大部分碳水化合物轉化為乳酸。所有這些原料具有食品的價值。實際上，基質的成本是通過發酵低成本生產乳酸的一個現存問題。本發明的發明者用一種廉價的基質，製糖工業的副產品/廢品，糖滓和甘蔗渣的水解產物作為乳酸發酵的原料，這些原料沒有作為食品的價值。
上述專利涉及一種利用產生乳酸鹽的微生物的活菌株(robust strain)通過發酵生產和純化乳酸的方法，可以在從廉價的發酵培養基中生產高濃度乳酸鹽，並且用常規電滲析方法進行純化以從含有細胞和含氮雜質的全發酵液中回收和濃縮乳酸鹽；進行分水電滲析(water-splittingelectrodialysis)將乳酸鹽轉化為乳酸，用離子交換進行鹼處理除去乳酸中的帶電雜質。這個方法受到限制，因為是昂貴的電能，而不是其它能源才能使該方法進行下去。而且在電滲析過程中使用的高分子膜對於雜質很敏感，而把它們應用到糖滓的發酵產物時則需要昂貴的純化操作。
Donald McOulgg等人的EP 0790229A1描述了一種從培養基中回收乳酸的方法，通過將其與具有叔胺或吡啶基的固相游離鹼聚合物接觸，以吸收乳酸。然後用強酸或熱水脫附該乳酸。該方法的主要問題是，樹脂負載發酵液中其他不需要的離子和酸性物質、要求高再生效率和發酵液中有機大分子和色素對樹脂的汙染。
Ohara等人的美國專利6,569,989、Gruber等人的美國專利6,326,458和Michael Cockrem等人的WO 93/00440涉及一種從乳酸生產交酯和聚乳酸的方法，包括發酵、從乳酸合成乳酸酯、蒸餾乳酸酯、在催化劑存在下縮聚乳酸酯得到分子量為5000-15000的預聚物，預聚物解聚得到交酯和開環聚合得到聚乳酸。如果需要，水解酯得到乳酸。該方法包括兩步高耗能蒸餾，另外可能發生外消旋作用。
Avraham等人的美國專利6,472,559，Abraham.M.Baniel等人的EP0804607 B1和Abraham.M.Baniel等人的美國專利6,087,532描述了一種從發酵液中用混合溶劑在CO2存在下分離和回收乳酸，然後用水在80-240℃高溫下反萃取的方法。該方法通常包括除水得到40-70％預濃縮料液，該步驟耗能大。該方法還受到一些限制，例如使用高分子量的三烷基胺等昂貴的溶劑，不易處理溶劑混合物及其回收，以及其他相關問題。
Katashi Enomoto等人的美國專利5,310,865公開了一種通過進行在含有有機溶劑的反應混合物中對羥基羧酸或低聚物進行脫水縮合製造多羥基羧酸的方法。該有機溶劑用於通過共沸蒸餾除去濃縮中的水。該方法的局限在於很多用途所需的分子量大於100000的極高分子量聚合物的製備，因為很難除去痕量的水份。
Patrick Richard Gruber等人在美國專利6,326,458中公開的生產交酯和交酯聚合物的連續過程，包括由乳酸或乳酸酯在催化劑存在下製備交酯和交酯聚合物，得到聚乳酸粗品和預聚物，如果使用酯則還產生反應副產物。從預聚物得到的粗交酯在用於聚合之前需通過蒸餾純化。用乳酸酯作為起始原料產生的副產物和耗能的粗交酯的蒸餾大大增加了該方法的成本。
所有現有技術通過發酵生產乳酸的方法不是要求較純的培養細菌的基質，就是要求複雜的有毒溶劑用於分離乳酸。而且，回收溶劑很困難，通過蒸餾分離該溶劑所用的能量很高。因此這些方法成本高而且耗時。一些現有技術提供了低pH乳酸發酵方法，包括在營養培養基中培養耐酸同型乳酸菌產生具有高度游離乳酸的發酵液。而且，現有技術使用碳酸鈣中和產生的酸最終生成大量硫酸鈣(石膏)，從而引起廢物處理這一問題，而且硫酸鈣對環境不利。
顧及到目前緊急的需要，現在的科學家已經開發出一種由非食用可再生農業原料發酵生產聚乳酸的新方法。
根據本發明，由非食用可再生農業原料發酵生產聚乳酸，本發明的方法比使用澱粉基質所謂原料的常規方法要相對廉價。
在本發明中，pH的調節通過使用氨完成，其不會像常規方法那樣形成鹽沉澱(石膏)。本發明的方法避免形成鹽沉澱，因此解決了廢物處理的問題。
與常規方法相比，本發明提供了一種方法，其用單一溶劑在環境溫度下從發酵液中分離乳酸，而常規方法使用昂貴溶劑的混合物，還有一些常規方法採用了預濃縮步驟。
本發明還提供了一種方法，其中方法中的溶劑再生/回收總是定量的而沒有任何高溫操作和/或蒸餾的耗能步驟。因此再生的溶劑無需任何處理即在萃取中再利用。
在本發明的方法中，預聚合和交酯形成步驟是聯合在一個操作單元中。本發明還提供了一個方法，其中分離、濃縮和純化通過在環境溫度下利用親和力驅動方法同時達到，代替了在一些常規方法中使用的耗能驅動方法。
與常規方法相比，發明人開發的本發明的方法效率高、成本低且簡便。發明目的本發明的一個目的是提供一種由可再生的農業原料作為起始原料高效生產聚乳酸的方法。本發明的方法的萃取效率大於90％，而常規方法要求的是90％。
本發明的一個目的是提供一種由糖滓或甘蔗渣水解產物等可再生的農業原料高效生產聚乳酸的方法，該原料是製糖工業的廢品，由於使用了最高效的方法生產PLA，因此非常節省成本。
本發明的另一個目的是提供一種方法，其可成功地使用其他可再生農業原料，例如玉米糖漿、甜菜或甘蔗汁。
本發明的又一個目的是提供一種方法，其用單一溶劑在環境溫度下從發酵液中分離乳酸，而一些常規方法使用了昂貴溶劑的混合物以及預濃縮步驟。
本發明的再一個目的是提供一種方法，其中本發明方法中的溶劑再生/回收總是定量的，而沒有任何高溫操作和/或蒸餾的耗能步驟。
本發明的又一個目的是提供一種方法，其中反萃取步驟使用了鹼金屬或鹼土金屬的氫氧化物，不同於其他一些溫度驅動和高能耗操作的方法，本方法是親和力驅動的而且能耗較低。該再生溶劑可無需任何進一步的處理就再利用於萃取中。
本發明的另一個目的是提供一種方法，其中濃縮的乳酸溶液在反應器中於120-155℃高蒸汽溫度下直接用於交酯的形成，對應的液體溫度為180-225℃，真空度為5-30mm Hg，同時把預聚合和交酯形成步驟結合至一個單元操作中。
本發明的再一個目的是提供一種方法，其中交酯的純化是通過用有機溶劑進行結晶而完成，其中母液再利用於進一步製備交酯中。其他一些方法公開了涉及高真空和能量的真空蒸餾純化。
本發明的又一個目的是提供一種方法，其中分離、濃縮和純化通過親和力驅動在環境溫度下同時達到，代替了在一些常規方法中用溫度或電驅動的方法。
通過下面優選實施例的詳細說明和相關的附圖，本發明的前述和其他的目的及優點將會更加清晰。
圖1為根據本發明的一個實施例繪製的從糖滓發酵生產聚乳酸的框圖。
本發明的詳細描述本發明描述了一種生產聚乳酸的方法，該方法使用可再生農業原料，例如糖滓或甘蔗渣水解產物作為原料。使用的可再生農業原料可以是可食用或不可食用的。本發明的方法包括將原料發酵，得到乳酸，從發酵液中分離得到乳酸，將乳酸轉化為交酯和聚乳酸。本發明的方法包括下列步驟i.用蔗糖滓或甘蔗渣作為原料製備乳酸培養基；ii.乳酸發酵；iii.分離乳酸；和iv.製備交酯和PLA。
本發明的一個方面中，用蔗糖滓或甘蔗渣作為原料製備發酵培養基。
在本發明中，發酵培養基是如此製得的將含有約40-50％(w/w)可發酵糖的蔗糖滓離心除去懸浮物，用水稀釋得到最終可發酵糖濃度為7-10％(w/w)。培養基用其他氮源和其他生長成分補充。在大規模處理中，稀釋的糖滓溶液富含2-5％玉米漿和高壓滅菌處理過的酵母泥。
用甘蔗渣作為原料的發酵培養基是通過用稀釋的酸在120℃下水解甘蔗渣顆粒30-90分鐘製備得到的。然後用1-5％(v/v)的鹼在120-150℃下進一步處理水解的甘蔗渣15-90分鐘以去木質素。得到的纖維素部分用纖維素酶進行酶解。
富有葡萄糖的甘蔗渣水解產物在發酵前用氮源補充。
本發明中，乳酸的發酵在厭氧/微需氧的條件下使用如乳酸桿菌(Lactobacillus)等菌屬，以罐批發酵模式進行24-48小時。在本發明的一個優選的實施例中，使用的乳酸桿菌菌株為L.delbrueckii。
本發明中，發酵培養基的pH是通過使用中和劑調節pH得到的。本發明所用的可以保持合適的pH水平的中和劑選自鹼或碳酸鹽或氨溶液。培養基在發酵過程中的pH用鹼或碳酸鹽或氨溶液一直保持在5.0-6.0。發酵溫度保持在37-45℃。發酵完畢後，含有乳酸的發酵液通過離心澄清，進行下遊處理。
用有機溶劑，例如異戊醇、丁醇、環己酮、乙酸甲酯等萃取澄清的發酵液，所用比例為1∶1至1∶5，使用合適的接觸裝置，例如旋轉盤抽提塔。得到萃取物進行後面的過程。本發明可得的萃取效率大於90％。含有乳酸的萃取物與水性鹼接觸，例如氨、石灰、苛性鹼(caustic)等，比例為1∶3至1∶10。攪拌混合物1小時，沉澱2小時，發生相分離。含有乳酸鹽的水相從有機萃取劑中分離，進行下遊處理。有機層再循環用於萃取。用無機酸處理含有乳酸鹽的水相以分離乳酸和形成的鹽，如果需要的話，通過離心收集。得到的粗乳酸用陽離子樹脂處理出去痕量的金屬離子，用真空蒸餾濃縮至少5-6倍。
本發明的另一方面，在裝有真空和加熱裝置的加罩的攪拌釜反應器中將濃縮的乳酸轉化為交酯。初始時將內容物加熱到120-150℃以除去水，然後加入0.05-2.0％(w/w)催化劑。再繼續反應5-24小時，其中溫度逐漸從140℃增加到275℃，真空度逐漸增加到1-20mm Hg。除去剩餘的水後，將形成的交酯蒸餾出來，在冷卻的接收器中收集。
得到的交酯進一步用乙酸乙酯、甲苯或醇等有機溶劑結晶純化。純化的交酯在合適的催化劑存在下在攪拌釜反應器中聚合。溫度保持在120-200℃1-20小時。將得到的聚合物，聚乳酸(PLA)溶解在合適的溶劑中，在另一個作為促凝劑的溶劑中沉澱以表徵。將得到的產品乾燥，並且表徵。
本發明的發明人開發了一種新的方法，與以前公開的或已知的生產PLA的方法不同，本方法有效地利用廉價的製糖工業的廢品進行乳酸發酵，並將其從發酵液中回收。本發明進一步提供了乳酸濃縮和純化的方法用於下遊加工製備交酯和PLA。乳酸在發酵液中的濃度大約是4.5-5.0％(w/v)，上述發酵液用合適的有機溶劑(例如醇、酮、酯和醚)在液液萃取(LLE)裝置中萃取，上述液液萃取裝置例如為混合沉降器、填充柱、轉盤塔、或脈動萃取塔，停留時間為半個小時至1個小時，體積比為1∶1、1∶1.25、1∶1.5、1∶2、1∶3、1∶4等，從而使萃取效率大於90％，殘餘液(水層)與萃取相(有機層)間的相分離良好。
然後用已知量的鹼金屬或鹼土金屬的氫氧化物(例如氫氧化鈉、氫氧化鈣、氫氧化銨等)在常規攪拌器中處理含有乳酸和一些使萃取相帶有顏色的雜質的溶劑萃取相，適度攪拌半小時至1小時，然後再沉澱一段時間以得到更好的相分離。將含有乳酸的水相排出並用於下遊加工。在萃取物(有機層)中，除去再生溶劑，並使其再循環回LLE裝置進行如上所述的再利用。
然後用硫酸等無機酸處理含有乳酸的鹽(也就是乳酸鹽)的水相以在pH小於乳酸的pK值，即3.86時，沉澱金屬鹽，更優選pH小於3，最優選pH為2.5-3.0時沉澱金屬鹽。然後離心酸化的乳酸鹽溶液，除去餅狀金屬鹽，該金屬鹽充分地用軟水洗滌以萃取吸附其中的乳酸，如果需要，所述金屬鹽循環回金屬沉澱步驟。將過濾後的離心/過濾水溶液進行下遊加工。
然後將殘留在稀釋的乳酸中的濃度為9-10％(w/v)的金屬離子在用離子交換樹脂填充的連續柱中除去，該連續柱具有合適的進出流速調節功能。在柱處理操作的末端顯示pH值或直接測量金屬離子。
然後在填料蒸餾塔中濃縮稀釋的乳酸溶液至50-60％(w/v)，其中，回流比為1∶3∶1∶5，真空度為300-350mm，溫度75-85℃。收集的蒸餾物主要是水，所述蒸餾物再循環回沉澱步驟。然後將在蒸餾塔的鍋爐底部的濃縮物取出用於生產交酯。
然後將濃縮的乳酸放入攪拌釜反應器，該反應器具有合適的容量、適宜的構建材料、在罩裡有加熱/冷卻裝置，以及下遊具有合適表面積的冷凝器。需要規格的交酯在如下條件下得到蒸汽溫度120-155℃，液體溫度190-225℃，真空度10-30mm Hg，合適的催化劑，除去反應間的游離的和結合的水。高壓釜中的剩餘物含有未轉化的乳酸、三聚體和其他高沸點成分。交酯的平均收率為理論量的75-80％。
上述得到的粗交酯通過乙酸乙酯、乙醇、甲醇、丁醇和大量其他溶劑等有機溶劑結晶純化。然後將結晶的交酯過濾掉。純的交酯用一些溶劑進一步重結晶以完全除去有色物質。純化的交酯產率為50-60％。母液可以進一步再加工/循環用於生產交酯。
然後將純化的結晶交酯在如下條件下聚合在合適的鈣、鋅或錫化合物類催化劑存在下，在具有加熱/冷卻卷口(coils)的攪拌釜反應器中適度攪拌，溫度為185-110℃，聚合15-20小時。然後將得到的聚合物產物(PLA)溶解在合適的溶劑中，在另一個作為促凝劑的溶劑中沉澱，然後乾燥。得到分子量為20000-100000的聚合物，可以有很多應用。
本發明中的發酵可以使用用於生產各種代謝物的合適的菌株的微生物細胞。在本發明的一些生產乳酸的實施例中，使用的微生物細胞選自細菌菌種乳酸桿菌(Lactobacillus)、鏈球菌(Streptococcus)、杆狀菌(Bacillus)或黴菌菌株，如根黴(Rhizopus)。本發明中使用的用於生產乳酸的乳酸桿菌選自L.delbrueckii、L.rhamnosus、L.helveticus、L.casei、L.plantarum、L.bulgaricus、L.amylovorans、L.Lactis、或其類似物。在本發明的一個優選的實施例中，使用的乳酸桿菌菌株為L.delbrueckii。
本發明中的發酵可以是連續的發酵過程、罐批發酵過程或補料分批的發酵過程(fed batch fermentation)。本發明的優選方法包括在罐批發酵過程中培養細菌。
圖1描述了按照上面篇章描述的從糖滓生產PLA或其鹽的方法。
本發明涉及從糖滓發酵生產PLA的多步過程鏈，與其他方法相比具有如下優點1.該方法利用製糖工業的廢品——可再生農業原料糖滓以最有效的方法生產PLA，因此非常節省成本。該方法可以成功地用於其他農業原料，例如玉米糖漿、甜菜、甘蔗汁，這些原料在汙染方法比糖滓相對乾淨一些。
2.上述方法使用單一溶劑在環境溫度下從發酵液中分離乳酸，與之不同常規方法使用昂貴溶劑的混合物以及預濃縮步驟。本方法的萃取效率大於90％，而其他方法為90％。
3.本方法中的溶劑再生/回收總是定量的而沒有任何高溫操作和/或蒸餾的耗能步驟。
4.反萃取步驟使用了鹼金屬或鹼土金屬的氫氧化物，與之不同，其他一些方法採用溫度驅動和高能耗操作，本方法是親和力驅動而且能耗較低。該再生溶劑可無需任何處理就再循環用於萃取中。
5.濃縮的乳酸溶液在容器中120-155℃高蒸汽溫度下直接用於交酯發酵，對應液體溫度為180-225℃，真空度5-30mm Hg，預聚合和交酯形成步驟結合在一個單元操作中。
6.交酯的純化通過用有機溶劑結晶完成，其中母液再循環用於製備交酯。其他一些方法中公開了涉及高真空和耗能的真空蒸餾純化。
7.分離、濃縮和純化在環境溫度下通過親和力同時達到，進行處理，代替了在一些常規方法中用溫度或電驅動。
本發明將用實施例來說明。這些實施例演示如何實施本發明，但不能認為是對本發明的限制。大多數實驗工作是通過實驗室裝置/設備完成的。本方法的各個步驟都是在實驗室規模、小試或中試設備進行，連續或間歇地作為一個單獨的工序/單元操作以演示使用這樣的方法在商業規模中的可行性。
實施例1
將含有甘蔗滓的發酵培養基調節到最終可發酵糖的濃度為70g/L，所述發酵培養基富有玉米漿(25g/L)和酵母提取物(10g/L)，向250ml的上述發酵培養基中加入Lactobacillus delbreuckii的24小時老培養物作為接種物，接種物的最終濃度為10％。在Gallenkamp培養振蕩器的振蕩燒瓶中42℃、150rpm條件下發酵72小時。發酵液的pH用CaCO3保持在6.0。72小時後乳酸的產量為50g/L。
實施例2將一批2L發酵培養基放入2.5L生物反應器中，該發酵培養基含有甘蔗滓、補充有25g/L玉米漿和10g/L酵母提取物。調節初始糖濃度至70g/L。將培養基接種200mL Lactobacillus delbreuckii的24小時老培養物。在42℃，200rpm的攪拌條件下發酵48小時。培養基的pH用液氨保持在6.0。完成後得到乳酸66g/L。
實施例3按比例在500L發酵罐中將乳酸發酵增大至350L的工作體積。將含有甘蔗滓(調節到含糖70g/L)、玉米漿(25g/L)和酵母提取物(10g/L)的發酵培養基接種在100L發酵罐中生長的Lactobacillus delbreuckii(35L)的24小時老培養物。在42℃，200rpm下攪拌，發酵48小時。培養基的pH用液氨保持在6.0。乳酸產量50g/L。
實施例4在1000L發酵罐中進行乳酸發酵。一批為800L。培養基的組成與實施例1相同。這批用的L.delbreuckii接種物(80L)長在100L發酵罐中。在42℃，攪拌200rpm條件下發酵48小時。培養基的pH用液氨保持在6.0。發酵48小時後，乳酸產量55g/L。
實施例5通過將糖滓中的糖用Lactobacillus delbruckii發酵，然後離心，將pH降到2.0得到40mL發酵液，比色測得其含有5.8％(w/v)乳酸、4％總糖和20％溶解的總固體，所述發酵液用異戊醇以體積比1∶2溶劑萃取，同時在旋轉振蕩器中攪拌30min。該發酵液含有不同濃度的各種金屬離子。用ICP檢測到的金屬離子的濃度為鈦，1.76；鉻，37.53；錳，578.30；鐵，2117.3；鈷，42.22；鎳，7.62；銅，7.038；鋅，123.75；鋁，52.20；鉛，13.49；鉬，1.76；砷，1.17；鈉，105.4；鉀，129.03；鎂，35.07；鈣，11.55(所有值的單位均為ppm)。使各相在250ml分液漏鬥中分離1小時。水相用相同體積的新鮮醇再次萃取，萃取前要考慮由於兩種液相的相互擴散而導致的體積變化。5次這樣的液液萃取後，剩餘液在7000rpm下離心15分鐘，以移去有機相併分析剩餘液中的乳酸。根據質量守恆，溶劑中乳酸的回收率為94％，並去除了90％以上的糖。
實施例6將10mL pH為2的與實施例5描述相似的發酵液與100mL二異丙醚(DIE)在250mL錐形瓶中混合，放在旋轉振蕩器上1小時。在萃取的過程中，觀察到乳液形成，以7000rpm離心產生相分離。然後對水相用DIE重複4步萃取，合併的有機相幾乎無色，說明基本完全除去顏色，同時水相中的乳酸濃度從5.8％降至1.8％。
實施例7將pH為2、其中的乳酸濃度(7.7wt％)增加的發酵液用100mL環己酮在250mL的分液漏鬥中進行液液萃取。混合物充分混合1小時，沉澱。分離兩相後，底部水層進行2次或多次液液萃取。3步萃取後，萃餘液含有0.8wt％乳酸，說明回收了90％。萃取的優點在於將糖和顏色從發酵液中除去。在第一次萃取後，有機層中糖與乳酸的比例為零，顏色與乳酸的比例為0.65，而發酵液中的上述比例分別為0.23和5.6。
實施例8用1-丁醇測試乳酸的萃取效率，使用實施例5中的發酵液。發酵液與萃取劑的重量比為1∶0.73。將混合物放在旋轉振蕩器中1小時，在靜止狀態下再沉澱1小時使得相分離。得到的萃取相用1N的NaOH(體積比1∶2，在旋轉振蕩器中混合1小時)萃取，因此，鹼相含有16.2g/L乳酸鈉。
實施例9在一個實驗中，將含有150mL乙酸乙酯的萃取劑與其重量46％的實施例3中的發酵液在500mL塞好的玻璃瓶中用旋轉振蕩器接觸1小時，然後將內容物轉移到500mL分液漏鬥中，靜置使得相分離。萃餘液再與新鮮的萃取劑以相同的體積比接觸。三次萃取後，剩下的水相中乳酸濃度減少，最終僅為初始值的21％。發酵液的顏色為深棕色，合併的萃取物幾乎無色。除去稀釋效應的影響，大約98％的顏色保留在萃餘液中。
實施例10研究pH對使用1-辛醇的萃取效率的影響，使用乳酸含量72g/L的發酵液。在一種情況下，使用pH6.2的發酵液，第二個發酵液樣品pH為3.5，第三個為3.0。在上述所有情況下，都將5mL發酵液與10mL的醇接觸，手動混合30分鐘，沉澱合適時間後相分離。測量在萃餘液中的乳酸，說明相應pH為6.2、3.5和3.0的預萃取中乳酸回收率分別為＜1％、22％和44％。因此，低pH在相當程度上提高了萃取效率。
實施例11萃取含有56g/L乳酸的pH為2的發酵液，用1-丁醇萃取合適次數得到富含乳酸的有機物萃取物，每100mL溶劑含有1.6g乳酸。用32mL該有機萃取物與8mL含有3％(w/v)NH3的氨水接觸，在振蕩器中混合30分鐘。將內容物沉澱1小時，相分離，通過比色測量水層中的乳酸。後者含有55∶7g/L乳酸，轉化為回收率就是87％。另32mL含乳酸的溶劑用8mL的4％(w/v)氨水在上述條件下萃取。水相含有60.9％乳酸，即回收率95％。
相似情況下，通過用醇經過上述合適次數萃取發酵液得到含有1.58％(w/v)乳酸的異戊醇。將32mL該萃取物用6％(w/v)氨水以體積比4∶1反萃取(30分鐘混合，1小時沉澱)。水層含有乳酸濃度為63.1g/L，說明反萃取效率大於98％。
實施例12由發酵液(實施例7中使用的)用1-丁醇萃取得到的丁醇萃取物含有18.1g/L乳酸，所述萃取物用氫氧化鈣的水懸浮液反萃取。將200mL有機萃取物加入含2.5g氫氧化鈣和20mL水的懸浮液，在燒瓶中機械攪拌混合物1小時。將含有固體的水相在沉澱1小時後分離。總共用20個燒瓶進行相似的過程，從而完成了4L的丁醇萃取物的反萃取。合併水相，用濃硫酸將pH降到2-2.1。過濾除去沉澱的硫酸鈣；這一階段體積為486mL。檢測濾液中的乳酸濃度為141.5g/L，對應反萃取效率為95％。
實施例13將含有L/D比為96∶4的45mg/mL乳酸的450L發酵液與溶劑在轉盤抽提塔中連續接觸。發酵液從頂部加入，萃取劑從裝置底部加入。相分離後，從頂部連續收集萃取相，從萃取器底部收集萃餘液。兩相的流速在10-50Kg/hr間變化。達到穩定狀態後，發酵液流速為10Kg/hr，溶劑為30Kg/hr，在萃取劑中的乳酸濃度為1.6wt％，說明回收率大於95％。
實施例14從實施例13所述的發酵液中得到的含有1.6wt％乳酸的1260Kg溶劑萃取液與溶解/分散在156Kg軟化水中的26Kg石灰在3000L連續攪拌釜式反應器(CSTR)中混合2小時，沉澱反應混合物2小時使得相分離。底部水相含有大部分乳酸，取出頂部再生的溶劑相用於從新鮮發酵液中液液萃取乳酸。從反應器底部得到204Kg水性乳酸鹽相，根據質量守恆，表明乳酸回收率大於99％。將得到的水相反萃取物用濃硫酸在玻璃襯(glass lined)連續攪拌釜式反應器(continuous stirred tank reactor，CSTR)中酸化至pH為2-2.5，將乳酸鹽轉化為乳酸。然後將酸化的反萃取物離心，除去沉澱的硫酸鈣。用30Kg DM水洗滌沉澱物以回收附帶的乳酸。然後將得到的含有乳酸的濾液通過含有陽離子交換樹脂的柱子，條件為在每小時3-5個柱床體積的速度下連續進行柱操作。柱中出來的廢水的pH在處理之後降到1.5-2.0。用2柱床體積的軟化水清洗樹脂柱確保附著的乳酸從樹脂柱上回收，用於回收殘餘乳酸。得到的275Kg深棕色乳酸水溶液在玻璃襯填料蒸餾塔中通過一系列冷凝器濃縮，條件為80-84℃，真空度350mm Hg，回流比3∶1。如上蒸餾的水(245Kg)用於與另一溶劑萃取物進行反萃取。得到具有58％乳酸的30.5Kg水性乳酸濃縮物說明從反萃取到濃縮，乳酸的總回收率為88％。
實施例15如上述實施例所述，將通過液液萃取，用石灰反萃取，乳酸鹽酸化，樹脂處理和濃縮從發酵液得到的82g含有66wt％乳酸濃度的水性乳酸濃縮物放入250mL裝有測量液體溫度裝置和通過標準接頭通入氮氣的三口圓底玻璃燒瓶。將該燒瓶與用作接收器的容量100mL的雙口圓底玻璃燒瓶連接，該連接通過一個短口蒸餾頭和水/空氣冷凝器。在蒸餾頭設有溫度計插套用於測量蒸汽溫度。將反應燒瓶放在旋轉架(rota-mantle)上加熱並混合反應混合物。在氮氣下，溫度漸漸升高到140℃，以蒸餾液的形式除去水。然後將反應物冷卻到90℃，然後在氮氣保護下向反應混合物加入0.6g氧化二丁錫催化劑。然後用2小時將溫度漸漸升高到160℃，真空度從大氣壓漸漸升高到60mm Hg，以除去殘留的水。除水後，將反應物冷卻到90℃，用空氣冷凝器代替水冷凝器，用冰冷卻接收器，用5小時將溫度漸漸升高到290℃，真空度漸漸升高到4mm Hg，以蒸餾交酯。得到產品蒸餾液40g(粗交酯)，說明以乳酸計，粗交酯的收率大於90％。
實施例16通過液液萃取，用氨反萃取，離子交換和濃縮從發酵液得到的83g含有75％乳酸的深棕色水性乳酸濃縮物用於形成交酯，使用如實施例15所述的試驗設備。在氮氣氣氛下經過3小時將溫度漸漸從室溫升到156℃以除去水。反應混合物冷卻到85℃，向反應混合物中加入1.6g催化劑——氧化二丁錫，經過4小時，溫度漸漸升到160℃，真空度漸漸從大氣壓增加到40mm Hg，以除去反應混合物中殘留的水。反應混合物再次冷卻到90℃，逐步升溫至235℃，真空度為5mmHg，用短口空氣冷凝器冷凝，開始交酯的蒸餾，用乾冰冷卻交酯的產品接收器。4小時之內收集到47g粗交酯餾出液，在反應燒瓶內留下7.5g殘餘物，說明粗交酯產率大於90％。
實施例17在一個形成交酯的實驗中，將通過液液萃取，反萃取，酸化，樹脂處理和濃縮從發酵液得到的42.5Kg含有44.7wt％乳酸的深色粘稠水性乳酸濃縮物用作工作容量50L的SS-316高壓釜(autoclave)反應器的原料。該反應器裝有攪拌用輪機推動器、短口冷凝器、測量液體和蒸汽溫度的裝置和用於氮氣覆蓋(nitrogen blanking)的口。將具有底閥的20L三口玻璃產品接收器通過冷凝器與反應體系連接。通過熱油循環套住反應器以控制溫度，用回流冷凝器通過接受器的一個口實施真空。在將原料加入反應器後，反應混合物的溫度用10小時慢慢從環境溫度增加到152℃，以除去水。在此期間，蒸汽溫度在100-108℃間變化。然後加入340g氧化二丁錫催化劑，保持溫度在150-160℃，用8小時將真空度漸漸從600mm Hg增加至60mm Hg以進一步除去水。除水後，使用真空度10mmHg，用14小時將溫度漸漸從160℃升高到220℃以蒸餾交酯。得到13.4Kg粗交酯蒸餾液，以乳酸計，粗交酯的收率為87％。
實施例18將實施例15製得的由發酵液得到的粗交酯通過從乙酸乙酯中結晶提純，使用的粗交酯與乙酸乙酯的比例為5∶3，將交酯溶解在100mL裝有回流冷凝器的圓底燒瓶中，冷卻溶液到5℃，進行交酯結晶2-4小時。獲得熔點89℃的白色交酯晶體。純化的交酯用乙酸乙酯進行二次重結晶得到與文獻中相當的熔點為97℃的純化交酯。將2g這樣的純化交酯放入100mL圓底燒瓶，在油浴中80℃抽真空1小時，然後加入有0.5％辛酸錫催化劑的0.2mL甲苯溶液，再將反應混合物抽真空1小時除去溶劑。該系統在真空中密封，反應混合物的溫度隨著磁力攪拌漸漸升高到180℃，在180℃保持45分鐘以進行交酯的熔融聚合。然後將溫度降到130℃，聚合反應再繼續12小時。得到的聚合物通過溶解在氯仿中，用甲醇再沉澱而進行後處理，然後乾燥得到1.87g白色產物，其特定溶液粘度為0.21，產率94％。DSC檢測以10℃/分鐘的加熱速率檢測該聚合物，得到PLA的3個轉化特徵，位於55℃、99℃和152℃，分別對應聚合物的玻璃轉化、結晶和熔化。
實施例19將2g由實施例18的步驟製備的純化交酯放入100mL圓底燒瓶中，再80℃(油浴)下抽真空1小時。然後加入有0.5％辛酸錫催化劑的0.4mL甲苯溶液，將燒瓶在抽真空30分鐘以除去甲苯。反應混合物重複通氮氣，在氮氣存在下將燒瓶密封。然後隨著磁力攪拌慢慢升高反應混合物的溫度到180℃，在180℃下進行熔融聚合2小時，然後在150℃進行4小時，在120℃進行13小時。再處理的聚合物的GPC分子量為38700，分子量分布為1.98。DSC熱分析圖顯示該聚合物在152℃熔化吸熱，冷卻時結晶溫度為108℃。
實施例20將如實施例16所述的從發酵液中得到的乳酸製得的粗交酯通過從乙酸乙酯中2次重結晶提純，使用的交酯與乙酸乙酯的比例為5∶3。然後將交酯過濾，用甲苯重結晶，交酯與甲苯的比例為1∶1。得到的純交酯的熔點為99℃。將7.5g這樣的交酯放入圓底燒瓶中，在80℃下乾燥1小時，真空度5-10mm Hg。然後加入以交酯計0.6％的辛酸錫催化劑，在真空下再乾燥反應混合物1小時。在真空下密封該燒瓶，在180℃下聚合反應混合物35分鐘。得到特性粘度0.69dL/g、GPC分子量78000的聚合物，產率90％。
實施例21在180℃，交酯重量0.2％的辛酸錫催化劑條件下對酸度為0.01wt％乳酸，水份為180ppm的10g純化交酯進行3小時的熔融聚合。熔融聚合的實驗裝置與實施例20中所述相同。得到的聚合物的特性粘度為2.52dL/g，GPC分子量為235000，聚合物產率為95％。聚合物樣品的DSC測試得到的熔點為170℃，熔化熱為29Kcal/mol。
實施例22純化交酯的熔融聚合每批100g。將酸度為0.02wt％乳酸，水份為350ppm的100g純化交酯放入250mL圓底燒瓶。加入交酯重量0.056wt％的辛酸錫催化劑，在80℃抽真空2小時以除去水份和用於製備催化劑溶液的甲苯。在真空下密封該反應混合物，溫度增加到180℃，保持1小時進行熔融聚合。得到GPC分子量為213000、分散度2.12的聚合物，轉化率為85％。
實施例231.3Kg純化交酯在0.056％辛酸錫催化劑存在下，在5Kg裝有機械攪拌的Paar反應器中熔融聚合。交酯的酸值為0.25％。在75-85℃，真空度20-30mm Hg下乾燥交酯4小時。用氮氣重複吹洗該混合物，組件在真空下密封。在攪拌下將反應混合物的溫度漸漸升高到180℃，保持1小時。得到比粘度為0.77、GPC分子量為72000的聚合物1.1Kg，聚合物產率接近85％。
顯然，基於上面的描述，本領域技術人員可以在不背離本發明精神的範圍內作出等效的變型。
權利要求
1.一種從可再生農業原料發酵生產聚乳酸的方法，避免了廢物處理，該方法包括如下步驟製備以糖滓為碳源的發酵培養基；發酵所述發酵培養基；從所述發酵培養基萃取乳酸；從所述乳酸除去色素；純化、濃縮該乳酸；由該乳酸製備交酯；以及聚合該交酯形成聚乳酸。
2.根據權利要求
1所述的方法，其中所述的可再生農業原料選自糖滓、甘蔗渣水解產物、玉米糖漿、甜菜或甘蔗汁。
3.根據權利要求
1所述的方法，其中所述的可再生農業原料可以是可食用或不可食用的。
4.根據權利要求
1所述的方法，其中所述的可再生農業原料是含有約40-約50％(w/w)可發酵糖的甘蔗滓。
5.根據權利要求
1所述的方法，其中所述糖滓被調節到可發酵糖的濃度約為70g/L。
6.根據權利要求
5所述的方法，其中所述糖滓被離心除去懸浮物，然後用水稀釋得到可發酵糖濃度約為7-10％。
7.根據權利要求
6所述的方法，其進一步包括用約2-約5％玉米漿和高壓滅菌處理過的酵母泥補充糖滓溶液。
8.根據權利要求
1所述的方法，其中所述發酵步驟是在厭氧/微需氧的條件下進行的。
9.根據權利要求
8所述的方法，其中所述在厭氧/微需氧的條件下的發酵是通過選自乳酸桿菌(Lactobacillus)、鏈球菌(Streptococcus)、杆狀菌(Bacillus)和根黴(Rhizopus)組成的組中的微生物進行的。
10.根據權利要求
9所述的方法，其中所述乳酸桿菌選自L.delbrueckii、L.rhamnosus、L.helveticus、L.casei、L.plantarum、L.bulgaricus、L.amylovorans或L.lactis。
11.根據權利要求
1所述的方法，其中所述發酵步驟進一步包括調節和保持發酵培養基的pH在約5.0-約6.0的步驟，以避免阻礙微生物生長。
12.根據權利要求
1所述的方法，其中所述發酵步驟是連續過程或補料分批發酵過程。
13.根據權利要求
11所述的方法，其中所述調節發酵培養基pH的步驟是通過使用選自鹼、碳酸鹽和氨組成的組中的中和劑完成的。
14.根據權利要求
1所述的方法，其中用有機溶劑萃取發酵培養基中產生的乳酸。
15.根據權利要求
14所述的方法，其中所述萃取步驟使用選自異戊醇、丁醇、環己酮和乙酸甲酯組成的組中的有機溶劑。
16.根據權利要求
1所述的方法，其中所述萃取步驟進一步包括使用溶劑在室溫下將所述乳酸從發酵培養基中分離出。
17.根據權利要求
15所述的方法，其中所述溶劑為醇或酯。
18.根據權利要求
1所述的方法，其中所述方法的萃取效率大於90％。
19.根據權利要求
1所述的方法，其中所述萃取步驟是節能的。
20.根據權利要求
14所述的方法，其中萃取出的乳酸得到純化和濃縮。
21.根據權利要求
20所述的方法，其中所述純化包括將乳酸從有機溶劑中用鹼金屬或鹼土金屬的氫氧化物反萃取到水相。
22.根據權利要求
21所述的方法，其中反萃取到水相的乳酸用濃硫酸酸化到pH 2-2.5。
23.根據權利要求
1所述的方法，其中純化包括將權利要求
22所述的反萃取的乳酸通過陽離子交換樹脂。
24.根據權利要求
23所述的方法，其中純化的乳酸在玻璃襯填料蒸餾塔中濃縮。
25.根據權利要求
24所述的方法，其中濃縮的乳酸在約120-155℃，相應的液體溫度約為180-225℃下，在反應器中轉化為交酯。
26.根據權利要求
25所述的方法，其中乳酸濃縮成交酯是在真空度約5-30mmHg條件下進行，且預聚合和交酯形成合併在一個操作中。
27.根據權利要求
1所述的方法，其中交酯的純化包括用有機溶劑結晶的步驟。
28.根據權利要求
27所述的方法，其中純化的交酯聚合得到聚乳酸。
29.根據權利要求
4所述的方法，其中所述可再生農業原料包括甘蔗渣，所述甘蔗渣是通過將甘蔗渣顆粒用稀酸在120℃下水解30-90分鐘，然後用1-5％(v/v)的鹼在120-150℃下處理所述甘蔗渣約15-90約分鐘以除去木質素而製成。
專利摘要
本發明涉及一種由可再生的農業原料的發酵高效生產聚乳酸的方法，並不限於用糖滓或甘蔗渣作為原料。本發明尤其提供了一種經濟的工業方法，用於通過乳酸的發酵生產聚乳酸，具有工業實用性。
文檔編號C12P7/56GK1993473SQ20058001616
公開日2007年7月4日 申請日期2005年5月20日
發明者松蒂·文卡塔·拉瑪·克裡希納, 威貼·蘭加斯瓦米, 達爾門德拉·賈殷, 拉傑·庫馬爾·賈格達姆巴拉, 普拉迪普·尚蒂普海·帕特爾, 德博伊約蒂·卡爾, 蘇布拉馬尼亞·拉馬錢德蘭, 普拉哈德·安巴達斯·加內什普雷, 烏馬·桑卡爾·薩特帕蒂 申請人:利萊恩斯生命科學有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan