[发明专利]发酵与扩张床原位吸附耦合的乳酸生产工艺

说明书

技术领域

本发明属于生物技术领域，公开了一种乳酸生产的新工艺。具体的说是采用发酵方法生产乳酸；发酵过程中，采用扩张床分离乳酸的工艺与发酵过程耦合，实现乳酸的在线分离。

背景技术

乳酸是一种重要的多用途有机酸，广泛用于食品、医药、化工、制革、纺织、环保和农业生产等领域。乳酸的衍生物-聚乳酸(PLA)，可以用来生产可生物降解纤维、可生物降解塑料以及可生物降解医用材料等，目前引起了越来越多学者的关注。

乳酸生产可分为化学合成法和微生物发酵方法。其中化学合成方法环境污染严重，原料价格较贵；而微生物发酵法生产乳酸原料来源广泛，生产成本低、产品光学纯度高、安全性高，所以成为生产乳酸的重要方法。

自然界中可产生乳酸的微生物很多，但目前应用发酵法生产L-乳酸常用的微生物仅有两大类，一类为乳酸细菌(Lactic acid bacteria)；另一类为根霉(Rhizopus)。

目前，国内外多采用根霉中的米根霉(Rhizopus oryzae)进行L-乳酸的发酵。米根霉营养要求低，在发酵过程中对低pH环境有较高的耐受性，并且产物为高光学纯度的L-乳酸。但是，根霉的乳酸产率和转化率比乳酸细菌低，并且产物除了乳酸外，还有富马酸、琥珀酸、甘油和乙醇等大量的副产物，使乳酸的提取和精制变得困难。

基于上述原因，近年来人们逐渐将目光转向同型发酵的乳酸细菌。用于乳酸生产的菌属：主要有乳杆菌属(Lactobacillus)、链球菌属(Streptoccoccus)和芽胞杆菌属(Bacillus)以及最近报道的肠球菌属(Enterococcus)。近年来，已经用于生产的主要是乳杆菌。通过菌种选育和培养物质及培养条件的控制，发酵生产的L-乳酸可以达到高的光学纯度。并且乳杆菌的厌氧发酵或兼性厌氧发酵使可以大规模降低能耗，有利于连续发酵，减少乳酸的生产成本。同型发酵的乳杆菌的实际转化率大多在90％以上。另外，乳杆菌生长速率较高，在很短的时间形成优势菌群，不易污染杂菌。从国际乳酸生产研究发展上看，应用乳杆菌进行L-乳酸生产已成为趋势。尤其是鼠李糖乳杆菌(Lb.rhamnosus)生产L-乳酸，转化率高，产品光学纯度高，成为研究者关注的热点。

乳酸发酵是一个典型的产物抑制性发酵过程，大量乳酸的积累严重抑制了发酵进程和乳酸菌的生长。乳酸发酵最适pH值为5.5-6.0，pH值小于5.0时发酵被抑制，乳酸产率仅约为1.6％。乳酸发酵过程中随着乳酸的不断产生，发酵液的pH值不断降低，使乳酸菌的生长和产酸受到抑制，乳酸产率降低。如果不及时将产物分离或中和，发酵将无法继续进行下去。

传统的发酵方法是添加碳酸钙、氢氧化钠、氨水中和产生的乳酸，以维持最适pH值。由于乳酸钙溶解度大，约有30％乳酸钙残留在结晶母液中，不能析出。此外过高的乳酸盐对乳酸菌的代谢也有抑制作用，在发酵液中造成乳酸菌活性下降，而使发酵周期延长。发酵与分离耦合可以有效地解决这一问题。目前常用的发酵与分离耦合方法有：电渗析(EDF)法、萃取法和离子交换层析法。电渗析法有很多优点：(1)不用中和剂就可以控制pH值；(2)降低产物抑制；(3)浓缩产物；(4)简化后提取工艺。但若不组合精密过滤装置，乳酸菌细胞会逐渐附着到阴离子膜上，造成乳酸菌细胞被杀死，发酵液中活细胞减少；另外还会导致渗析膜电阻增大，电渗析效率下降。因此，在乳酸的电渗析法连续生产中，乳酸菌对膜的吸附成为限制因素。萃取法提取发酵具有能耗低，溶剂选择性高和无细菌污染等优点。研究者对乙醇、丁醇的提取发酵进行了广泛的研究，十二烷醇、油醇是常用的提取剂。但是目前萃取的方法还是停留在研究阶段，而且反萃问题尚未得到很好的解决。

从工业化生产的角度来看，离子交换树脂法以选择性高、交换容量大、操作简便、易于自动化控制等优点具有较强的竞争力。但是目前用来进行乳酸吸附的层析柱都是固定床层析柱，如：乳酸菌固定化细胞原位分离发酵生产乳酸(CN200310106657.8)，可是在进入层析柱之前仍需要先经过固液分离处理，否则发酵液带着渗漏的菌体进入固定床层析柱就很容易发生堵塞，无法实现原位分离。然而利用扩张床层析柱与发酵相耦合则可以克服固定床的缺点，实现在线分离乳酸，解除抑制。