使用紅曲霉來生產聚乳酸的方法
【專利摘要】一種用于生產聚乳酸（PLA）的方法，包括步驟：在發酵容器中pH低于或等于5的培養基中、以及向培養基中生產乳酸的條件下發酵紅曲霉屬微生物，將所生產的乳酸轉化為丙交酯，和將丙交酯聚合形成PLA。
【專利說明】使用紅曲霉來生產聚乳酸的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于從由微生物發酵產生的乳酸生產聚乳酸的方法。
【背景技術】
[0002]聚乳酸(PLA)是一種通過生物發酵從可再生資源制造的熱塑性、可生物降解的脂肪族聚酯，具有廣泛的用途。如同大多數熱塑性材料，它可以被加工成纖維或薄膜。PLA有著廣泛的應用，比如紡織襯衫、可微波使用的盤子和熱充應用。PLA目前應用于許多生物醫學用途，比如縫合、支架、透析介質以及藥物運輸裝置。由于其生物降解能力，其還可用于生物塑料的制造，生物塑料可用于制造疏松包裝、肥料袋、食品包裝以及一次性餐具。纖維和非紡織紡織品形式的PLA也有許多潛在的用途，例如用于室內裝潢、一次性服裝、雨篷、女性衛生用品和尿片。
[0003]目前利用細菌發酵從玉米淀粉或蔗糖生產乳酸。然而，由于水的產生能夠降解所形成的聚合物，因而乳酸不能直接被聚合成有用的產品。相反，它被二聚化成為丙交酯(lactide)。高分子量的PLA是利用最普通的催化劑(例如，錫)通過開環聚合從丙交酯產生的。該機制不會產生額外的水，因此可以獲得在廣泛范圍內的分子量。通常PLA的分子量平均數值(Mn)介于75000和100000道爾頓之間。
[0004]許多微生物都能夠通過需氧或厭氧發酵作用來生產有機酸。乳酸菌物種目前被廣泛用于以淀粉為基礎的乳酸生產工業。這些物種中大多數都缺乏發酵戊糖如木糖和阿拉伯糖的能力。盡管戍糖乳桿菌(Lactobacillus pentosus)、短乳桿菌(Lactobacillusbrevis)和乳酸乳球菌(Lactococcus Iactis)能夠將戍糖發酵為乳酸,但戍糖是經磷酸酮醇酶途徑代謝的，該途徑的乳酸生產效率低下。事實上，在磷酸酮醇酶途徑中，木酮糖5-磷酸被切割為甘油醛3-磷酸和乙酰磷酸。經該途徑，由于丟失兩個碳原子給乙酸，使得乳酸的最大理論產率限于一乳酸每戊糖(0.6g乳酸每克木糖)。
[0005]在大多數比如大腸桿菌這樣的平臺宿主生物中，高滴度的乳酸生產要么是低效率的要么是有毒性的。在中性PH時生產乳酸通常導致產生乳酸鈣，不得不通過添加硫酸使其轉化成乳酸，結果形成CaSO4 (石膏)作為副產物。為了直接生產乳酸，必須在低pH (優選比乳酸的PKa值3.85至少低一個單位)下完成發酵。然而乳酸對微生物是有毒性的，因為在其質子化形式下，它是破壞膜電勢的解偶聯劑。因此，盡管有許多微生物能夠耐受低PH，卻只有有限數目的微生物因其能在低PH下耐受有機酸而適于有機酸生產。
[0006]細菌發酵的一個重要缺陷是成本。由于一些微生物不能合成其生長和有效代謝糖類所需的某些氨基酸或蛋白質，因而常需向其飼以稍顯復雜的營養包，這提高了進行發酵的直接開支。此外，液體培養基的復雜性提高也使得以合理純的形式回收發酵產物更加困難，由此使得回收產物操作和資金成本提高。同樣，使用玉米作為給料直接與食品和飼料業形成競爭。
[0007]由此，仍然需要一種利用耐受高水平乳酸的微生物在基本發酵液體培養基中生產PLA的改進方法。[0008]發明概述
[0009]本發明提供利用產生乳酸的改進微生物生產PLA的方法。特別地，所提供的生產聚乳酸(PLA)的方法包括步驟:
[0010]-在發酵容器中pH低于或等于5的培養基中、以及向培養基中生產乳酸的條件下發酵紅曲霉(Monascus)屬的微生物，
[0011]-將所產生的乳酸轉化成丙交酯，和
[0012]-將丙交酯聚合化形成PLA。
[0013]根據具體的實施方案，在將乳酸轉化成丙交酯之前利用相萃取(phaseextraction)從發酵培養基中回收乳酸。由此，利用相萃取的回收可包括步驟:
[0014](A)通過使所述培養基與萃取溶劑接觸從去除了碎片的所述培養基中提取游離乳酸，從而形成:
[0015](i)含乳酸的萃取物和
[0016](ii)去乳酸的水性溶液；和
[0017](B)將所述含乳酸的萃取物(i)與所述水性溶液(ii)分離，
[0018]由此獲得回收的乳酸。
[0019]用于提取的萃取溶劑可包含1-丁醇、2-乙基己醇、1-辛醇、甲基異丁酮、環己酮、二異丁基酮、異丙醚、乙酸乙酯、乙酸異丁酯、乳酸乙酯、乳酸丁酯、乳酸辛酯、N.N- 二丁基乳酰胺和己酸的一種或多種。根據本方面的一個優選方面，萃取溶劑包含一種烷基叔胺、一種提高分配系數的氧化溶劑和一種調整溶劑混合物粘度的煤油成分。萃取溶劑優選包含一種烷基叔胺三辛酰胺(例如，Henkel’s Alamine336)。萃取溶劑還可以包含辛醇或甲基異丁酮和煤油(例如IsoPar K)。根據本發明的一個方面，萃取溶劑含有60至80wt%烷基叔胺，比如Alamine336, 5至20%甲基異丁酮，以及10至30%煤油(例如IsoPar K)。
[0020]相萃取后可接著進行任選地反萃取(stripping)步驟。由此，回收還可包括步驟:
[0021](C)用反萃取溶劑形成以下不混溶相從所述分離的萃取物(i)中反萃取所萃取的乳酸:
[0022]iii)含乳酸的反萃取溶液，和
[0023]iv)去乳酸的萃取溶劑，
[0024](D)從所述去乳酸萃取溶劑(iv)中分離含乳酸的反萃取溶液(iii)，
[0025]由此獲得回收的乳酸。反萃取溶劑是水性溶劑、極性有機溶劑或這些溶劑的混合物。
[0026]根據本發明的另一個實施方案實施方案，利用醇沉淀使污染物沉淀來從發酵培養基中回收乳酸。由此，在本發明的一種實施方案中，在轉化為丙交酯之前，先從發酵培養基中回收乳酸，所述回收包括以下步驟:
[0027]-利用醇將培養基中的污染物沉淀，所述培養基任選地已清除碎片，和
[0028]-除去沉淀物以獲得含乳酸的澄清的醇溶液。
[0029]由此獲得回收乳酸。所述醇可以是C1至C4直鏈或支鏈醇。
[0030]本發明方法中的丙交酯通常直接或經乳酸縮聚形成乳酸寡聚物而從乳酸轉化而來。根據具體的實施方案，所回收的乳酸經加熱寡聚化、以及加熱由此形成的乳酸寡聚物產生丙交酯蒸汽，而被轉變為丙交酯。所回收的乳酸可以在疏水性溶劑中，優選Alamine336。加熱乳酸寡聚物從而產生丙交酯蒸汽的步驟可以在催化劑，優選錫催化劑，優選辛酸亞錫(II)的存在下完成。根據其它具體的實施方案，乳酸在水性溶液中，并通過加熱所回收乳酸的水性溶液形成蒸汽、以及將所形成的蒸汽通過維持在升高溫度的反應器，來轉化為丙交酯，所述反應器中任選地放置有催化劑。催化劑可以是氧化鋁。根據其它具體的實施方案，乳酸在水性溶液中，并通過從水性溶液中去除水來轉變為丙交酯。
[0031]根據具體的實施方案，丙交酯在金屬催化劑存在下經開環聚合成PLA。該金屬催化劑可具有以下通式(I):
[0032]
【權利要求】
1.一種用于生產聚乳酸(PLA)的方法，包括步驟: -在發酵容器中pH低于或等于5的培養基中、以及向培養基中生產乳酸的條件下發酵紅曲霉屬微生物， -將所述生產的乳酸轉化為丙交酯(lactide)，和 -和將所述丙交酯聚合形成PLA。
2.根據權利要求1的方法，其中所述乳酸在轉化為丙交酯之前從所述發酵培養基中回收，所述回收包括步驟: (A)通過使所述培養基與萃取溶劑接觸從已清除碎片的所述培養基中萃取游離的乳酸，從而形成: (i)含乳酸的萃取物和 (?)去乳酸的水性溶液；和 (B)從所述水性溶液(ii)分離所述含乳酸的萃取物(i)， 由此獲得回收的乳酸。
3.根據權利要求2的方法，其中的萃取溶劑包含1-丁醇、2-乙基己醇、1-辛醇、甲基異丁酮、環己酮、二異丁基酮、異丙醚、乙酸乙酯、乙酸異丁酯、乳酸乙酯、乳酸丁酯、乳酸辛酯、N, N- 二丁基乳酰胺、己酸、烴基叔胺三辛酰胺、Henkel’s Alamine336中的一或多種。
4.根據權利要求2或3的方法，其中所述回收還包括步驟: (C)使用反萃取溶劑從所述分離的萃取物(i)反萃取所述萃取的乳酸從而形成為不混溶相: iii)含乳酸的反萃取溶液，和 iv)去乳酸的萃取溶劑， (D)將所述含乳酸的反萃取溶液(iii)從所述去乳酸的萃取溶劑(iv)分離， 由此得到回收的乳酸。
5.根據權利要求4的方法，其中所述反萃取溶劑是水性溶劑、極性有機溶劑或這些溶劑的混合物。
6.根據權利要求1的方法，其中所述乳酸在轉化為丙交酯之前從所述發酵培養基中回收，所述回收包括步驟: -通過使用醇來沉淀所述培養基中的污染物，所述培養基任選地已清除碎片，和 -除去沉淀物以獲得澄清的含乳酸的醇溶液， 由此得到回收的乳酸。
7.根據權利要求6的方法，其中所述醇為C1至C4直鏈或支鏈醇類。
8.根據權利要求1至7中任一項的方法，其中從乳酸直接地或經由乳酸縮聚形成乳酸寡聚物而轉化成丙交酯。
9.根據權利要求1至8中任一項的方法，其中所述回收的乳酸通過如下轉化為丙交酷: -加熱所述回收的乳酸以使所述乳酸寡聚化，和 -加熱由此形成的乳酸寡聚物以產生丙交酯蒸汽。
10.根據權利要求9的方法，其中所述回收的乳酸是在疏水性溶劑中，優選為Alamine336。
11.根據權利要求9或10的方法，其中所述加熱乳酸寡聚物以產生丙交酯蒸汽的步驟是在催化劑存在下進行的，所述催化劑優選為錫催化劑，優選辛酸亞錫(II)。
12.根據權利要求1至8中任一項的方法，其中所述乳酸在水性溶液中，且通過以下轉化為丙交酯: -加熱所述回收乳酸的水性溶液以形成蒸汽， -使所述形成的蒸汽通過維持在升高溫度的反應器，所述反應器中任選地放置有催化劑。
13.根據權利要求12的方法，其中所述催化劑為氧化鋁。
14.根據權利要求1至8中任一項的方法，其中所述乳酸在水性溶液中且通過從所述水性溶液中除去水轉化為丙交酯。
15.根據權利要求1至14中任一項的方法，其中所述丙交酯在金屬催化劑存在下通過開環聚合成PLA。
【文檔編號】C12N1/14GK103502429SQ201180063633
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2011年10月28日 優先權日:2010年10月28日
【發明者】R.A.韋斯特威斯, E.J.H.沃伯特, J.斯普林格, J.范德奧斯特, G.艾金克 申請人:道達爾研究技術弗呂股份有限公司