一種基于結晶法發酵分離耦合生產乳酸鎂的方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于乳酸發酵技術領域，涉及一種基于結晶法發酵分離耦合生產乳酸鎂的 改進方法。
【背景技術】
[0002] 乳酸作為一種天然有機酸，在食品、醫藥、紡織、皮革和化學工業中有廣泛應用，乳 酸可以通過化學合成或者微生物發酵法制取，而大多數工業制備乳酸的方法都是以微生物 發酵法為基礎。在發酵過程中添加堿土堿類中和劑中和微生物分泌的酸以維持恒定的PH 是所有發酵方法的共同特征。鈣堿作為常規的中和劑應用最為普遍，WO 98/22611中描述 了以鈣堿作為中和劑發酵制備乳酸的方法，發酵得到含乳酸鈣介質后，向介質中添加碳酸 銨使乳酸鈣轉化為乳酸銨，最后通過鹽分裂電滲析分離制得乳酸。如果目標產物為其它乳 酸鹽，則以常規方法獲得乳酸鈣介質后，通過硫酸酸化的方式獲得乳酸和硫酸鈣沉淀，固液 分離后將乳酸與相應的堿土堿反應制取特定乳酸鹽。CN 103952331 A中描述了在半連續發 酵過程中原位分離乳酸鈣的技術，鑒于乳酸鈣在發酵溫度下較高的溶解度，結晶沉淀需要 配合降溫和外加晶種，這無疑使生產過程繁瑣、耗時。同時，后續分離過程中所產生的固體 廢物硫酸鈣對環境的污染問題是鈣鹽法發酵產乳酸難以克服的弊端。
[0003] 避免固體廢物硫酸鈣的產生，實現中和劑反復回用或產生其它有價值的副產品鹽 類是在發酵法制備乳酸方面研究的熱點。以鎂堿替代鈣堿作為發酵中和劑使以上思路成為 可能。同時，作為乳酸生產過程的中間產品，乳酸鎂可以作為一種性能優良，比較經濟的鎂 質有機強化劑，廣泛應用于食品、飲料、奶制品、面粉、營養液和制藥等，對鎂質補充，防止各 種缺鎂癥，增強生命活力有顯著效果。
[0004] 在現有技術中，幾個文獻描述了基于鎂堿的乳酸或乳酸鹽的生產方法：
[0005] CN 101886094 A中描述了以1%0)3作為中和劑發酵生成乳酸鎂后，在pH為 9. 5-10. 8條件下與NaOH反應生成L-乳酸鈉和Mg (OH) 2, L-乳酸鈉經過脫色、納濾和減壓蒸 餾純化、濃縮后可以得到L-乳酸鈉產品。
[0006] CN 101018756 A中描述了以含乳酸鎂的介質與鈉、鈣、和/或銨的氫氧化物反應， 形成鈉、鈣和/或氨的乳酸鹽和氫氧化鎂的方法。
[0007] 在US 1，459, 395公布的方法中，描述了從工業級乳酸中提純乳酸的方法，向粗品 乳酸中添加氧化鎂、碳酸鎂或氫氧化鎂，生成的乳酸鎂在合適的溶劑中以濃硫酸酸化，硫酸 鎂鹽可以通過過濾除去，所得的含有乳酸的溶液經蒸餾除溶劑后可獲得純化的乳酸。
[0008] 在GB 173, 479所描述的方法中，乳酸鎂溶液采用硫酸酸化后，通過丙酮萃取的方 式回收乳酸。也可以將乳酸鎂鹽溶液懸浮于丙酮中，同時實現乳酸酸化和萃取，除去硫酸鎂 沉淀后回收乳酸。
[0009] WO 00/17378所描述的糖發酵生產乳酸的方法中，涉及以氫氧化鎂為中和劑將發 酵pH控制在5. 5-6. 5。獲得的含有乳酸鎂的介質經鹽酸酸化轉化為乳酸和氯化鎂后，采用 有機溶劑異戊醇、胺或醚萃取乳酸。獲得的氯化鎂受熱可分解為鹽酸和氧化鎂。
[0010] US 3, 429, 777提及了向乳酸鎂溶液中添加純堿、苛性鈉或磷酸鈉制得乳酸鈉和碳 酸鎂或氫氧化鎂的可能性。
[0011] WO 98/37050描述了由含有乳酸堿土金屬鹽的發酵介質制備乳酸的方法，即所謂 的SWAP反應，通過將乳酸的堿土金屬鹽與堿金屬堿反應形成乳酸的堿金屬鹽和堿土金屬 基，乳酸的堿金屬鹽可進一步酸化、萃取生成乳酸和堿金屬鹽。從而實現堿土金屬基回用到 發酵過程，同時生成堿金屬鹽副產品。
[0012] 以上文獻單純驗證了鎂堿作為發酵中和劑的可能性，或者在以乳酸鎂制取乳酸過 程中如何實現鎂堿回用或生成有價值的鹽類產品方面進行了研究。但是，乳酸鎂發酵方式 的改進優化在以上文獻中并未提及，常規的分批發酵模式產物濃度低，必要的種子培養及 發酵液排放、罐體清洗等過程使生產周期延長，降低了發酵罐的利用率，使生產成本提高。 另外，生產過程中發酵廢水的大量排放會造成嚴重的環境污染。
[0013] 基于鎂堿的乳酸鎂發酵制備同樣被以下文獻描述：
[0014] NL-A-288829描述了在維持發酵糖在恒定濃度及45-50°C發酵條件下，采用過濾 法連續移除乳酸鎂或乳酸鋅鹽的可能性。根據此方法（清楚地提及乳酸鎂連續移除過程 中維持恒定的糖濃度），移除乳酸鎂的同時不可避免地吸附夾帶發酵糖，會使糖酸轉化率降 低。同時由于乳酸鎂移除過程中沒有"pH較正步驟"，而是在發酵pH 5-6下進行的，這會影 響乳酸鎂的結晶沉淀，降低產品移除率。此外，沒有詳細提供如何實施該過程以及在何種條 件下進行，如發酵液的回用率存在優化值，反復回用的發酵液如果沒有新鮮培養基的補充 稀釋，會使菌體培養環境不斷惡化。伴隨補料培養基和中和劑的添加，發酵液全部回用又會 使料液體積不斷增大，不利于反應系統的平衡，也會使乳酸移除率降低。如何使包含多個產 品在線移除及補料循環的發酵反應體系達到穩態平衡，文獻中沒有提及。
[0015] 為此，本發明提供一種改進的與發酵耦合的乳酸鎂在線移除方法，無需外加晶種 和冷卻、再加熱過程，簡化了生產步驟，縮短了生產時間。實現了含菌體的發酵廢水的高效 回用，降低發酵用水量40%。同時，節約酵母浸粉用量43%，節約無機鹽用量41 %，降低了 生產成本。
[0016] 本發明的目的是提供一種基于結晶法發酵分離耦合生產乳酸鎂的改進方法。
[0017] 本發明的另一目的是提供一種在乳酸鎂制備過程中，能夠實現發酵廢水高效回 用，乳酸鎂高效移除的改進方法。
[0018] 本發明的又一目的是提供一種高效、平衡的乳酸鎂發酵分離耦合方法。
[0019] 隨著后續描述，本發明的其它目的將變得顯而易見。
【發明內容】
[0020] 針對上述現有技術的不足，本發明提供一種發酵分離耦合生產L-乳酸的方法。該 方法以鼠李糖乳酸桿菌作為產酸菌種，以MgO作為中和劑進行包含多個產品在線移除及補 料循環的反復批次發酵，發酵乳酸產量為140_150g/L，生產速率為2. 0-2. 5g/L/h，糖酸轉 化率可達94. 5 %。以結晶方式對乳酸鎂的原位分離過程中，乳酸移除率可達79. 10 %，發酵 廢水回用率可達65. 57%。本發明可節約水用量40%，節約無機鹽用量41 %，節約酵母浸粉 用量43%，并且在5個穩定的發酵循環中，L-乳酸總產量達到單批發酵的3. 82倍。以本工 藝發酵生產乳酸避免了鈣鹽法生產過程中產生大量固體廢棄物和廢水的弊端，而且無需外 加晶種和冷卻、再加熱過程，簡化了生產步驟，縮短了生產時間，在保證工藝過程環保、可持 續的同時降低了乳酸生產成本。
[0021] 在本發明提供的乳酸發酵分離耦合的生產方法中，其乳酸移除的基本原理為乳酸 鎂結晶以及結晶后實現的固液分離。其特征在于，包括以下步驟：
[0022] (1)斜面培養：實施本發明所使用的鼠李糖乳酸桿菌Lactobacillus rhamnosus CGMCC 1. 2134購自中國普通微生物菌種保藏管理中心。
[0023] 斜面菌種培養方法為：以劃線的方式將Lactobacillus rhamnosus CGMCC L 2134 接種到含有15g/L瓊脂的固體斜面培養基上，在37-42 °C下培養24-48h ;優選地，在 40-42 °C 下培養 24-36h。
[0024] (2)種子培養：將菌種轉接到種子培養基，在37-42°C，120-220rpm下培養24-36h， 然后將一級種子液按10 %的接種量重新接入新鮮種子培養基，在37-42 °C，120-220rpm 下培養8-15h。優選地，在40-42°C，150-180rpm下培養一級種子液24-26h，在40-42°C， 150-180rpm下培養二級種子液10-12h。液體種子培養基中添加15g/L的碳酸鈣作為中和 劑以維持恒定pH。
[0025] (3)發酵培養：將種子培養階段得到的二級種子液按照3-10% (v/v)接種量接入 發酵培養基，在攪拌轉速180_240rpm，發酵溫度37-42°C下，流加 MgO控制pH 5. 5-6. 5。
[0026] (4)原位產物分離：反復批次發酵過程中包含多個乳酸鎂在線移除和補料循環， 在