一種富集發酵液中乳酸的方法
2023-05-17 13:05:26 1
專利名稱：一種富集發酵液中乳酸的方法
技術領域：
本發明涉及一種富集發酵液中乳酸的方法。
背景技術：
乳酸，是世界上應用廣泛的三大有機酸之一，又名丙醇酸。乳酸 主要用於食品、醫藥、藥物、輕工、化工等行業，以乳酸為原料可以 得到一系列具有重要用途的乳酸衍生物。近年來，隨著資源的日益緊 張和人們對環保問題的日益關注，以乳酸為原料合成的可降解的聚合 物聚乳酸引起了世界科研人員的廣泛關注。目前，合成乳酸的主流方 法是發酵法。乳酸的提取精製是將粗產品製取成品乳酸的重要步驟， 在乳酸發酵方法中，提取精製乳酸過程耗費的費用為整個乳酸生產成 本的一半以上。因此，對於乳酸生產的提取精製改進技術一直是研究 熱點。傳統的乳酸生產採用鈣鹽法，該法將乳酸先用碳酸鈣轉變為乳 酸f丐，通過結晶將乳酸鈣從發酵液中提出。乳酸鈣用濃硫酸酸解為乳 酸，乳酸經過進一步脫色、離子交換等工序提純後得到產品。該法提 取精製過程繁多，勞動強度和生產成本很大，產品質量也不穩定。乳 酸的合成已經成為乳酸工業發展的瓶頸，然而乳酸合成的關鍵技術在 於乳酸從發酵液中分離。由於傳統發酵生產過程中存在效率低、成本 高、分離難、方法步驟多等缺點，出現了許多發酵新方法，如離子交 換法、蒸餾法、電滲析發酵、膜發酵、萃取發酵等方法，其中研究的 熱點是萃取發酵。萃取發酵是在發酵過程中利用有機溶劑連續萃取分離發酵產物，從而消除產物的抑制作用，其發酵過程能耗低，選擇性 好且無細菌汙染。文獻報導萃取發酵研究使用的萃取劑主要分為三 類(1)傳統的氧-氫鍵萃取劑，如甲基異丁基酮(MIBK)、辛醇等；
(2)磷類萃取劑，如磷酸三丁酯(TBP)等；(3)胺類萃取劑，如 Aliquat 336禾口 Alamine等。G. Kyuchoukov等(G. Kyuchoukov, et al. Ind. Eng. Chem. Res. 2005, 44, 5733-5739.)研究了以Aliquat 336作為萃取 劑，十二烷和正葵醇為稀釋劑的萃取體系，pH值對乳酸分配係數的 影響。該法的優點是能耗低、選擇性高、分離效率高，工業化技術成 熟，但也存在萃取劑與發酵菌對環境的pH值要求高及萃取劑存在毒 性等缺點。
雙水相體系指聚合物/聚合物、聚合物/鹽或鹽/鹽在水溶液中超過 一定的臨界濃度，而形成的上、下兩個水相的體系。雙水相在生物大 分子方面的應用具有天然綠色的特點，由於大部分蛋白質，核酸和各 種細胞器和細胞在有機溶劑體系中易失活變性，而雙水相本身是由 85-95%的水性溶液體系，成相的聚合物，以及無機鹽類都具有生物 相溶性，可以保持生物物質的活性。另外，雙水相易於放大而且可連 續化，工作條件較溫和，節省能耗，己經廣泛的應用在細胞的回收， 從發酵液中提取蛋白質和酶，以及與產物的萃取分離相結合的生物轉 化。因此，該技術從問世到現在近半個世紀的時間內，在生物技術領 域--直是人們關注的一個焦點，而且無論從基本理論，基礎研究，到 新方法技術和產業化方面，發展也相當成熟。陳繼和劉會洲等(陳繼 等，三相萃取一步法提取純化青黴素，中國發明專利號ZL
00107655.8)在雙水相萃取青黴素研究的基礎上，結合對目前傳統方 法進行創新改進，發明了三相萃取一步法的新方法。Yun等(J. K. Yun, et al. Biotechnol. Bioeng. 1996, 50， 280-290.)報導了利用聚乙烯二胺/ 羥基醚纖維素雙水相體系萃取分離乳酸，乳酸分配在上相，乳酸菌分 配在下相，獲得較高的萃取率。
發明內容
本發明的目的在於克服現有的乳酸發酵過程中，乳酸的提取存在 效率低、成本高、分離難、方法步驟多等問題，提出利用聚合物/鹽 雙水相體系富集發酵液中的乳酸的方法。通過選擇適當的雙水相體系 來調節乳酸和乳酸菌在雙水相體系中的分配，使乳酸分配在富聚合物 相，乳酸菌分配在富鹽相，達到乳酸富集。本發明建立了利用聚乙二 醇/鹽雙水相體系富集發酵液中的乳酸方法，研究了無機鹽的濃度和 乳酸濃度對乳酸分配比的影響。由於採用的雙水相體系為中性萃取體 系，與乳酸發酵的適宜pl^5.5 6.0相近，且使產物和反應物分離， 這種相分離提供了一種乳酸發酵的反應動力，提高了乳酸的生產率， 因此該技術可於乳酸的發酵方法耦合，提供一種綠色、高效、簡便、 節能的富集發酵液中乳酸的方法。
本發明的一種富集發酵液中乳酸的方法，步驟和條件如下.-
(1) 在乳酸濃度為10000ug/mL 30000ug/mL的水溶液中加入質 量分數為20%的聚合物，攪拌使聚合物完全溶解，形成均相體系；
(2) 在上述均相體系中加入質量分數為9.09% 37. 5%的無機鹽， 攪拌使無機鹽完全溶解，形成雙水相體系，靜置分相，水溶液中的乳 酸富集在富聚合物相； (3)分離兩相，富聚合物相通過蒸餾分離出乳酸，同時回收的 聚合物和鹽可循環利用，下相富鹽相可循環利用於發酵方法； 所述的聚合物為聚乙二醇，優先選用聚乙二醇4000; 所述的無機鹽為磷酸氫二鉀、硫酸銨或硫酸鈉。 利用高效液相色譜測定上相和下相中的乳酸的濃度，按公式1計 算分配比。
分配比一 _上船,度_ 八 分配比一 下相乳酸濃度 公式1
與已有技術相比，本發明提供的一種富集發酵液中的乳酸方法的 優點在於
1. 雙水相體系具有可設計和調節性，選擇不同的雙水相體系可 以控制反應物和產物在雙水相中的分配，相分離提供一種發酵反應驅 動力，可以提高乳酸的生產率，達到乳酸的分離和富集。
2. 雙水相體系中乳酸的分配比接近IO。
3. 雙水相體系為中性萃取體系，與乳酸發酵的適宜p1^5.5 6.0 相近，雙水相成相組分具有低毒，低揮發性和生物可降解性的優點， 且對發酵菌無毒副作用，是一種綠色和高效的分離方法。
4. 雙水相體系易於放大而且可連續化，工作條件較溫和，可節 省能耗。
圖1三水合磷酸氫二鉀質量分數對乳酸分配比的影響圖。 圖2硫酸銨質量分數對乳酸分配比的影響圖。
圖3硫酸鈉質量分數對乳酸分配比的影響圖。圖4 PEG/K2HP04雙水相體系中乳酸濃度對分配比的影響圖。
具體實施方式
實施例1
(1) 分別取5mL乳酸濃度為20000ug/mL的水溶液，均加入1.25g 聚乙二醇4000，攪拌使其完全溶解，形成均相體系。
(2) 在上述均相體系中分別加入0.5g、 l.Og、 1.5g、 2.0g、 2.5g、 3.0g不同質量的K2HPCV3H20，攪拌使無機鹽完全溶解，形成雙水相 體系。靜置分相，水溶液中的乳酸富集在富聚乙二醇相。
(3) 分離兩相，富聚乙二醇相通過蒸餾分離出乳酸，同時回收的 聚乙二醇和鹽可循環利用，下相富鹽相可循環利用於發酵方法。
按照上述的公式1計算乳酸的分配比，結果如圖1所示。 實施例2
按照實施例1的方法，但加入的鹽為硫酸銨。按照上述的公式1
計算乳酸的分配比，結果如圖2所示。 實施例3
按照實施例1的方法，但加入的鹽為硫酸鈉。按照上述的公式1 計算乳酸的分配比，結果如圖3所示。 實施例4
(1 )分別取濃度為10000 pg/inL、 15000 pg/mL、 20000 ng/mL、 25000 pg/mL、 30000貼/mL乳酸溶液5mL，分別加入1.25g聚乙二醇4000， 攪拌使其完全溶解，形成均相體系。
(2)在上述均相體系中分別加入2g K2HP(V3H20，攪拌使無機 鹽完全溶解，形成雙水相體系。靜置分相，水溶液中的乳酸富集在富 聚乙二醇相。(3)分離兩相，富聚乙二醇相通過蒸餾分離出乳酸，同時回收的 聚乙二醇和鹽可循環利用，下相富鹽相可循環利用於發酵方法。 按照上述的公式l計算乳酸的分配比，結果如圖4所示。
權利要求
1.一種富集發酵液中乳酸的方法，其特徵在於，步驟和條件為(1)在乳酸濃度為10000ug/mL～30000ug/mL的水溶液中加入質量分數為20％的聚合物，攪拌使聚合物完全溶解，形成均相體系；(2)在上述均相體系中加入質量分數為9.09％～37.5％的無機鹽，攪拌使無機鹽完全溶解，形成雙水相體系，靜置分相，水溶液中的乳酸富集在富聚合物相；(3)分離兩相，富聚合物相通過蒸餾分離出乳酸，同時回收的聚合物和鹽可循環利用，下相富鹽相可循環利用於發酵方法所述的聚合物為聚乙二醇；所述的無機鹽為磷酸氫二鉀、硫酸銨或硫酸鈉。
2. 如權利要求1所述的一種富集發酵液中乳酸的方法，其特徵 在於，所述的聚合物為聚乙二醇4000。
全文摘要
本發明涉及一種富集發酵液中乳酸的方法。通過選擇適當的雙水相體系來調節乳酸和乳酸菌在雙水相體系中的分配，使乳酸分配在富聚合物相，乳酸菌分配在富鹽相，達到乳酸的富集。由於採用的雙水相體系為中性萃取體系，與乳酸發酵的適宜pH＝5.5～6.0相近，且使產物和反應物分離，這種相分離提供了一種乳酸發酵的反應動力，提高了乳酸的生產率，該技術可與乳酸的發酵方法耦合，有益於改造現有的乳酸分離方法。
文檔編號C07C59/00GK101172945SQ20071005625
公開日2008年5月7日 申請日期2007年10月30日 優先權日2007年10月30日
發明者張冬麗, 鄧嶽鋒, 繼 陳 申請人:中國科學院長春應用化學研究所