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CN100357445C - 通过絮凝从含有乳酸的发酵产物中分离生物质 - Google Patents

通过絮凝从含有乳酸的发酵产物中分离生物质 Download PDF

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Abstract

本发明涉及通过发酵制备乳酸的领域，更具体地，它涉及通过絮凝从含有乳酸的发酵产物中分离生物质的方法。我们发现，对于生物质从含有乳酸盐和乳酸的发酵液中的分离，下列过程是非常方便和适宜的：a)将发酵液进行碱化步骤，b)加入一种或多种絮凝剂以及c)从含有乳酸盐/乳酸的发酵液中分离生物质絮凝物。利用这个方法，即使对基于细菌的发酵液也能适当地处理。

Description

通过絮凝从含有乳酸的发酵产物中分离生物质
技术领域
本发明涉及通过发酵制备乳酸的领域，更具体地，它涉及通过絮凝从含有乳酸盐和乳酸的发酵产物中分离生物质的方法。
背景技术
乳酸、其盐和酯长期被用作食品添加剂以及用于各种化学和制药应用。近来，乳酸已经作为目前塑料材料的替代物被用于可生物降解聚合物的制造中，又用于各种需要或希望生物降解性的新用途如用于医学移植物和缓释药物。从而对于改进的和经济上可行的乳酸工艺来说存在日益增长的需求。本发明提供了一种传统的乳酸通过发酵的生产过程的改进方法。
乳酸的生产通常通过借助于微生物如细菌、酵母和真菌发酵而进行。发酵基质由碳水化合物和适宜的矿物以及蛋白质营养素组成。发酵以后，含有乳酸盐和乳酸的发酵产物必须与生物质分离。上述含有乳酸的发酵产物为液体形式(即液体或在溶液中)。通常该生物质通过过滤、离心分离、絮凝、凝固、浮选或它们的组合而分离。例如在其中描述通过发酵用于制备乳酸的连续过程的WO 01/38283中描述了这一方法。特别是当通过细菌进行发酵时，上述生物质不容易分离。由于在生物质中存在小的固体颗粒，因此过滤本身是不可能的。
在美国专利第5,453,365号中，为了形成引起碳酸钙或碳酸镁沉淀的乳酸铵，使用氨水和二氧化碳添加剂来增加钙或镁乳酸盐发酵液的pH值。细胞材料在碳酸钙或碳酸镁上被吸收并且很大程度上与之沉淀。固体随后通过过滤器或离心机分离。
WO 98/58072描述了生物材料从含有有机酸的体系、更具体为丙烯酸铵体系中的絮凝。这里絮凝由阴离子颗粒性物质的加入所引起。
在美国专利第5,766,439号中，描述了一种用于通过微孔过滤去除生物质的方法。
我们发现，对于从含有乳酸盐和乳酸的发酵液中分离生物质，下列絮凝过程是非常方便和适宜的：
a)将发酵液进行碱化步骤，
b)加入一种或多种絮凝剂，以及
c)从含有乳酸盐/乳酸的发酵液中分离生物质絮凝物。
利用这个方法，即使对基于细菌的发酵液也能进行适当地处理。
在步骤a)中，将发酵液的pH值增加到高于9，优选高于10。在保持发酵液的温度处于25℃和100℃之间，优选为50℃和100℃之间进行上述碱化步骤，60-80℃的温度是最优选的。这个pH值的增加可以通过将碱性化合物作为固体以溶液的形式或者以悬浮液的形式加入到发酵液中而获得。适宜的碱性化合物的例子有(氢)氧化钙，氢氧化钠，氢氧化钾，氢氧化锂，(氢)氧化镁，铵化合物如氢氧化铵、氢氧化季铵以及胺类如单乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、聚乙烯亚胺(PEI)，改性的PEI等等。由于(氢)氧化钙能够确保得到高透明度的含乳酸产物，因此(氢)氧化钙的使用是优选的。
可选地，将在碱化步骤中得到的混合物在25-100℃之间的温度下老化高达1000小时，更优选为50-100℃老化高达25小时。当使用老化步骤时，老化时间优选超过8小时，因为这么长的老化时间能够确保在含有乳酸的发酵产物中适度的絮凝以及低的金属和二氧化硅浓度。
然而，发现完全省略老化步骤以及将碱化停留时间控制到很短时间却呈现出非常好的结果。碱化停留时间被定义为增加pH值高于10和分离生物质絮凝物之间的时间。当设定碱化停留时间在1秒和4小时之间时，发现能够确保适度的絮凝，最终的含有乳酸盐和乳酸的发酵产物中多糖的量非常低，并且最终的含有乳酸盐和乳酸的发酵产物具有非常高的透明度。当设定碱化停留时间在1秒和15分钟之间、更优选在1秒和60秒之间时，甚至得到更好的结果。这样是有好处的，因为随后的乳酸纯化步骤可以不那么严格或者甚至可以省略。常规的随后纯化步骤为包括短程蒸馏和真空蒸馏的蒸馏、结晶、电渗析、萃取、碳处理、离子交换及它们的组合。
为了确保非常短的碱化停留时间，优选在线实施碱化。利用在线，可以达到1和60秒之间，甚至是1和30秒之间，特别地甚至是1和15秒之间的碱化停留时间。为了增加停留时间例如高达15分钟，可以使用附加的容器。
适宜的絮凝剂在本领域中是众所周知的，这里不需要进一步说明。在依照本发明的方法中，正磷酸和/或高分子絮凝剂如阴离子聚丙烯酰胺及其共聚物或丙烯酸盐的使用是优选的。在Kirk-Othmer著，Encyclopedia of Chemical Technology(化学工艺百科全书)，第3版，第10卷，489-523页描述了其它适宜的高分子絮凝剂。通常使用基于发酵液总重量约50-500ppm的正磷酸，优选使用约100-300ppm的正磷酸。聚合物的量可以在1-2000ppm的范围，优选在10-500ppm之间，更优选在20-200ppm之间，甚至更优选在30-70ppm之间。也可以使用絮凝剂的组合物，其中正磷酸和高分子絮凝剂的组合物是优选的。在絮凝剂的加入过程中，发酵液的温度保持在25和100℃之间，优选保持在50和80℃之间、更优选保持在60-80℃之间，最优选保持在60和70℃之间。为了严格控制碱化的停留时间，优选在线加入絮凝剂。不同的絮凝剂的加入次序不是重要的，可以使用任何一种加入次序；优选的加入次序为：(i)碱性材料，(ii)正磷酸，(iii)高分子絮凝剂。絮凝剂通常以溶液形式加入，溶液的浓度调节为得到所希望的粘度。
步骤a)和b)都优选在搅拌下进行。然而，搅拌不应该太剧烈以至于打碎生物质絮凝物。上述搅拌可以利用静态混合器、泵等等完成。步骤a)和b)也可以合并在一起。
生物质絮凝物从含有乳酸盐和乳酸的发酵液中的分离可以利用任何一种液-固分离方法如过滤，例如利用滤床式过滤器、鼓型过滤器、旋转真空过滤器、带式过滤器；沉淀，例如利用静态沉淀池、离心沉淀机或旋风分离器来完成。这些分离方法在本领域中是众所周知的，这里不需要进一步说明。
任选地，生物质沉淀物在分离以后洗涤一个或多个并且进行一个或多个附加的絮凝剂加入步骤，接着通过分离生物质沉淀物以增加整个过程的乳酸产量。仔细选择洗涤步骤的条件(剪切力，温度)以确保洗掉最大量的乳酸盐和乳酸，同时将最大量的存在于生物质沉淀物中的多糖保留在生物质中。
通过下列理解为不局限于此的实施例进一步说明本发明。
具体实施方式
实施例1
使用依照图1的由碱化容器(2)、在线的正磷酸(3)和絮凝剂(5)配料组成的用于生物质去除的处理装置。在这个装置中，将使用产乳酸的细菌在70℃的温度下由细菌发酵得到的无糖的发酵液(1)用泵送入碱化容器(2)。在容器中，将25％氢氧化钙悬浮液加入到液体中。碱化6-7小时，将液体转移(经过混合器(4)和(6))到倾析器(7)的方向并且同时与160ppm正磷酸(OPA)和60ppm高分子絮凝剂阴离子聚丙烯酰胺在线混合。在倾析器中，液体很容易地被分成生物质和含乳酸的发酵产物(9)，以下简称产物1。
实施例2
使用依照图1的由碱化容器、在线的正磷酸和絮凝剂配料组成的用于生物质去除的处理装置。在这个装置中，将使用产生乳酸的细菌在70℃的温度下由细菌发酵得到的无糖的发酵液用泵送入碱化容器。在容器中，将25％氢氧化钙悬浮液加入到液体中。碱化1小时，将液体转移到倾析器的方向并且同时与160ppm正磷酸(OPA)和60ppm高分子絮凝剂阴离子聚丙烯酰胺在线混合。在倾析器中，液体很容易地被分成生物质和含乳酸的发酵产物，以下简称产物2。
实施例3
使用依照图1的由碱化容器、在线的正磷酸和絮凝剂配料组成的用于生物质去除的处理装置。在这个装置中，将使用产乳酸的细菌在70℃的温度下由细菌发酵得到的无糖的发酵液用泵送入碱化容器。在容器中，将25％氢氧化钙悬浮液加入到液体中。碱化16小时，将液体转移到倾析器的方向并且同时与160ppm正磷酸(OPA)和60ppm高分子絮凝剂阴离子聚丙烯酰胺在线混合。在倾析器中，液体很容易地被分成生物质和含乳酸的发酵产物，以下简称产物3。
实施例4
在这个实施例中，使用依照图2的装置。这里省略碱化容器并补充附加的静态混合器(10)。在线投入25％氢氧化钙悬浮液(11)。投料后，利用静态混合器(10)混合使用产生乳酸的细菌通过细菌发酵而得到的发酵液。在静态混合后加入160ppm正磷酸并且将流体通过混合器(4)再次混合。在混合的液体中加入60ppm阴离子聚丙烯酰胺高分子絮凝剂溶液，并且同样使用静态混合器(6)在线混合这个流体。所有的混合器为Sulzer SMI-W DN25型静态混合器。碱化停留时间约为15秒。流体经过混合器进入倾析器(7)。在倾析器中流体被分成生物质(8)和含乳酸盐和乳酸的发酵产物(12)，以下简称产物4。
当比较产物1、2、3和4中的多糖含量时，产物2、3和4具有大约为实施例1产物多糖含量的50％的多糖含量。产物1和3的金属含量(特别是Fe)低于产物2和4的金属含量。所有的产物都是清澈的，其中产物4具有非常高的透明度。

Claims (9)

1.一种从存在于发酵液中的含有乳酸盐和乳酸的发酵产物中分离生物质的方法，其包括：
a)将发酵液进行碱化步骤，
b)加入一种或多种絮凝剂，以及
c)从含有乳酸盐/乳酸的发酵液中分离生物质絮凝物，
其中所述发酵液的碱化停留时间是1秒至15分钟，所述碱化停留时间是增加pH值高于10和分离生物质絮凝物之间的时间。
2.依照权利要求1的方法，其中在碱化步骤中将发酵液的pH值增加到高于10。
3.依照述权利要求1或2的方法，其中絮凝剂为正磷酸。
4.依照述权利要求1或2的方法，其中絮凝剂为高分子絮凝剂。
5.依照述权利要求1或2的方法，其中步骤a)和b)在搅拌下进行。
6.依照述权利要求1或2的方法，其中步骤a)和b)合并进行。
7.依照述权利要求1或2的方法，具中碱化步骤是在线进行。
8.依照述权利要求1或2的方法，其中步骤b)是在线进行。
9.依照述权利要求1或2的方法，其中将生物质沉淀物进行一个或多个洗涤步骤以及一个或多个附加的碱化和/或絮凝剂加入步骤，接着分离生物质沉淀物。
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