專(zhuān)利名稱(chēng):一種由可再生的原料生產(chǎn)聚乳酸(pla)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種由可再生農(nóng)業(yè)原料的發(fā)酵高效生產(chǎn)聚乳酸的方法，并不限于用糖滓(molasses)或甘蔗渣作為原料。本發(fā)明尤其提供了一種通過(guò)乳酸的發(fā)酵生產(chǎn)聚乳酸的經(jīng)濟(jì)的具有工業(yè)規(guī)模的方法，具有工業(yè)實(shí)用性。
背景技術(shù)：
近些年，由于在生產(chǎn)生物降解塑料中作為結(jié)構(gòu)單元的重要性，乳酸發(fā)酵越來(lái)越被重視。乳酸可以從各種基質(zhì)中產(chǎn)生，例如乳清滲透物和淀粉水解產(chǎn)物，其分別為乳糖和葡萄糖的來(lái)源。
最近，已經(jīng)認(rèn)識(shí)到乳酸可以作為一種新的可再生的生物可降解交酯聚合物的原料。這些生物可降解聚合物被認(rèn)為是現(xiàn)有塑料材料的替代品或各種新用途的替代品，例如用于發(fā)展骨外科手術(shù)中支撐或固定膜、使用的塑料制品和容器、醫(yī)療服裝、一次性尿布、庭院廢物包等，其中優(yōu)選生物可降解的。
用途不同，使用的乳酸純度不同。用于工程用途時(shí)，例如在金屬和皮革中，使用低工業(yè)級(jí)乳酸；在食品相關(guān)應(yīng)用中使用較純一點(diǎn)的食品級(jí)乳酸。高純度的用于醫(yī)藥領(lǐng)域。然而，作為交酯聚合物原料的乳酸要求純度極高，熱穩(wěn)定性也極高，尤其優(yōu)選游離的異構(gòu)體L-或D-型。
印度有豐富的可再生農(nóng)業(yè)資源可以用做生產(chǎn)乳酸的原料，該乳酸是生產(chǎn)聚乳酸(PLA)的結(jié)構(gòu)單元。
聚乳酸(PLA)是一種由乳酸衍生的生物可降解聚合物。它是一種高度通用的材料，并且由100％可再生資源制成，例如玉米、甜菜、小麥和其他富含淀粉的產(chǎn)品。聚乳酸的很多性質(zhì)與石油類(lèi)塑料相當(dāng)或更好，因此適于各種應(yīng)用。聚乳酸是一種通用聚合物，有很多潛在的用途，包括很多在紡織和醫(yī)藥工業(yè)以及包裝工業(yè)的應(yīng)用。聚乳酸還有很多在纖維和無(wú)紡布中的潛在用途。它很容易通過(guò)常規(guī)的熔紡工藝轉(zhuǎn)化為各種纖維狀。
據(jù)估計(jì)，全球石油資源將在80年后用盡，天然氣70年，煤700年，但是能源枯竭帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)影響來(lái)得更快，因?yàn)閮r(jià)格會(huì)隨著能源枯竭而飛升。很明顯，研究人員需要以用可再生資源代替化石燃料生產(chǎn)石油類(lèi)產(chǎn)品為工作目的。用名為聚乳酸(PLA)的聚合物已經(jīng)得到一些進(jìn)展，該材料是一種從可再生資源制得的能擔(dān)負(fù)得起且可循環(huán)利用的新材料。由可再生農(nóng)業(yè)原料生產(chǎn)聚乳酸是一種嘗試，以平衡資源，得到化石燃料的植物類(lèi)替代物。另外，乳酸類(lèi)聚合物良好的生物可降解性和它們可循環(huán)利用性/可堆肥性的環(huán)保特性提高了它們的發(fā)展?jié)摿托枰?br> 本發(fā)明是沿這一方向進(jìn)行的一種嘗試，本發(fā)明提供了一種由可再生的農(nóng)業(yè)原料高效生產(chǎn)聚乳酸的方法，所述農(nóng)業(yè)原料例如為淀粉材料和纖維素材料，如木頭、甘蔗渣、麥稈、稻草糖渣(rice straw molasses)、甘蔗或甜菜根的衍生物。
商業(yè)上，乳酸可以由化學(xué)合成或可再生碳水化合物發(fā)酵制成。隨著公眾關(guān)注的提高和政府對(duì)溫室氣體排放和環(huán)境污染的規(guī)定的增加，用可再生物質(zhì)資源通過(guò)環(huán)境兼容的發(fā)酵生物過(guò)程生產(chǎn)乳酸優(yōu)于使用化石燃料(煤、石油或天然氣)的化學(xué)合成。
聚乳酸不是一種新材料。它已經(jīng)有幾十年了。在1932年，杜邦的科學(xué)家Wallace Carothers通過(guò)在真空下加熱乳酸生產(chǎn)了一種低分子量產(chǎn)品。在1954年，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步改良，杜邦獲得了Carothers方法的專(zhuān)利。
由于高成本，從那以后，焦點(diǎn)一直在醫(yī)用縫合線的生產(chǎn)、植入物和受控的藥物釋放應(yīng)用上。單體的生產(chǎn)成本已經(jīng)成為該聚合物廣泛發(fā)展的障礙。近來(lái)，葡萄糖的發(fā)酵取得一些進(jìn)步，其中將葡萄糖轉(zhuǎn)化為乳酸，從而顯著地降低了生產(chǎn)乳酸的成本，大大增加了聚合物的利潤(rùn)。
乳酸、2-羥基丙酸或α-羥基丙酸是通過(guò)合成和發(fā)酵方法生產(chǎn)/制備的，用于作為食品保藏、醫(yī)藥品、鞣革和金屬酸洗的特殊化學(xué)過(guò)程的起始原料。乳酸的兩種旋光異構(gòu)體(對(duì)映體)為如下所示的L(+)或S(+)-右旋和D(-)或R(-)左旋， L(+)乳酸 D(-)乳酸乳酸的化學(xué)合成導(dǎo)致外消旋混合物，其中兩種對(duì)映體等量存在，然而微生物方法主要產(chǎn)生對(duì)映體中的一個(gè)。
L-乳酸對(duì)于產(chǎn)生生物可降解聚合物是必要的。一般通過(guò)在發(fā)酵過(guò)程中選擇合適的微生物菌株生產(chǎn)L-乳酸，包括葡萄糖、果糖、半乳糖等單糖或蔗糖或乳糖等二糖向乳酸轉(zhuǎn)化。一些僅產(chǎn)生乳酸的同型發(fā)酵菌株包括Lactobacillus delbruekii、L.casei、L.acidophilus和L.bulgaricus。前者消耗蔗糖、葡萄糖或果糖，但沒(méi)有乳糖，而后三者除了其他糖外還消耗乳糖和半乳糖。乳糖的生物生產(chǎn)很復(fù)雜，原因是乳酸的產(chǎn)生造成pH降低而引起抑制作用，還有從稀釋的水性發(fā)酵液中產(chǎn)生乳酸的后處理的花費(fèi)很高。乳酸生產(chǎn)的常規(guī)方法為用Lactobacillus sp.在罐批發(fā)酵反應(yīng)器中厭氧發(fā)酵。為了保持發(fā)酵過(guò)程連續(xù)，將產(chǎn)生的酸用堿中和或從發(fā)酵系統(tǒng)中除去。常規(guī)方法使用碳酸鈣或氫氧化鈉中和產(chǎn)生的酸。然后用各種方法將對(duì)應(yīng)的乳酸鹽從發(fā)酵液中分離，包括溶劑萃取法、電滲析或蒸餾或一種或多種方法的組合。
聚乳酸的生產(chǎn)需要由碳水化合物原料等食用可再生資源用生物化學(xué)方法得到的以L-乳酸為主的高純度乳酸。常規(guī)的工業(yè)方法包括從發(fā)酵液中除去生物質(zhì)、然后酸化、純化、濃縮和聚合。本發(fā)明敘述了一種高效的方法，其中從廉價(jià)的可再生農(nóng)業(yè)原料發(fā)酵主要得到L-乳酸，例如將糖滓或甘蔗渣的水解產(chǎn)物分離、純化和濃縮得到粗交酯，進(jìn)一步純化后聚合得到聚乳酸。
乳酸的發(fā)酵生產(chǎn)是得到生產(chǎn)聚乳酸所需的光學(xué)純異構(gòu)體的常用方法。Carlso等人的美國(guó)專(zhuān)利475759(2002年11月5日)提供一種低pH乳酸發(fā)酵方法，包括在營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基中培養(yǎng)耐酸同型乳酸菌(homolacticbacteria)產(chǎn)生具有高濃度游離乳酸的發(fā)酵液。還可以提供分離得到的能產(chǎn)生高濃度游離乳酸的耐酸同型乳酸菌。該專(zhuān)利特別涉及一種可以耐低pH的細(xì)菌，因此會(huì)限制該專(zhuān)利的方法，其利用了該特定菌株。。這里使用的發(fā)酵方法為罐批發(fā)酵型?，F(xiàn)有技術(shù)使用碳酸鈣中和產(chǎn)生的酸，最終生成大量硫酸鈣(石膏)，從而引起廢物處理這一問(wèn)題，而且硫酸鈣對(duì)環(huán)境不利。
一般用玉米糖漿(Corn syrup)、淀粉、玉米漿、玉米油、牛奶乳清、糖、甜菜和甘蔗汁作為發(fā)酵方法的原料。Glessner和David A等人的EP0393818 A1提供了一種生產(chǎn)和純化乳酸的方法，包括在廉價(jià)的含有碳水化合物、玉米漿和玉米油的基質(zhì)中培養(yǎng)產(chǎn)生乳酸的微生物，直到大部分碳水化合物轉(zhuǎn)化為乳酸。所有這些原料具有食品的價(jià)值。實(shí)際上，基質(zhì)的成本是通過(guò)發(fā)酵低成本生產(chǎn)乳酸的一個(gè)現(xiàn)存問(wèn)題。本發(fā)明的發(fā)明者用一種廉價(jià)的基質(zhì)，制糖工業(yè)的副產(chǎn)品/廢品，糖滓和甘蔗渣的水解產(chǎn)物作為乳酸發(fā)酵的原料，這些原料沒(méi)有作為食品的價(jià)值。
上述專(zhuān)利涉及一種利用產(chǎn)生乳酸鹽的微生物的活菌株(robust strain)通過(guò)發(fā)酵生產(chǎn)和純化乳酸的方法，可以在從廉價(jià)的發(fā)酵培養(yǎng)基中生產(chǎn)高濃度乳酸鹽，并且用常規(guī)電滲析方法進(jìn)行純化以從含有細(xì)胞和含氮雜質(zhì)的全發(fā)酵液中回收和濃縮乳酸鹽；進(jìn)行分水電滲析(water-splittingelectrodialysis)將乳酸鹽轉(zhuǎn)化為乳酸，用離子交換進(jìn)行堿處理除去乳酸中的帶電雜質(zhì)。這個(gè)方法受到限制，因?yàn)槭前嘿F的電能，而不是其它能源才能使該方法進(jìn)行下去。而且在電滲析過(guò)程中使用的高分子膜對(duì)于雜質(zhì)很敏感，而把它們應(yīng)用到糖滓的發(fā)酵產(chǎn)物時(shí)則需要昂貴的純化操作。
Donald McOulgg等人的EP 0790229A1描述了一種從培養(yǎng)基中回收乳酸的方法，通過(guò)將其與具有叔胺或吡啶基的固相游離堿聚合物接觸，以吸收乳酸。然后用強(qiáng)酸或熱水脫附該乳酸。該方法的主要問(wèn)題是，樹(shù)脂負(fù)載發(fā)酵液中其他不需要的離子和酸性物質(zhì)、要求高再生效率和發(fā)酵液中有機(jī)大分子和色素對(duì)樹(shù)脂的污染。
Ohara等人的美國(guó)專(zhuān)利6,569,989、Gruber等人的美國(guó)專(zhuān)利6,326,458和Michael Cockrem等人的WO 93/00440涉及一種從乳酸生產(chǎn)交酯和聚乳酸的方法，包括發(fā)酵、從乳酸合成乳酸酯、蒸餾乳酸酯、在催化劑存在下縮聚乳酸酯得到分子量為5000-15000的預(yù)聚物，預(yù)聚物解聚得到交酯和開(kāi)環(huán)聚合得到聚乳酸。如果需要，水解酯得到乳酸。該方法包括兩步高耗能蒸餾，另外可能發(fā)生外消旋作用。
Avraham等人的美國(guó)專(zhuān)利6,472,559，Abraham.M.Baniel等人的EP0804607 B1和Abraham.M.Baniel等人的美國(guó)專(zhuān)利6,087,532描述了一種從發(fā)酵液中用混合溶劑在CO2存在下分離和回收乳酸，然后用水在80-240℃高溫下反萃取的方法。該方法通常包括除水得到40-70％預(yù)濃縮料液，該步驟耗能大。該方法還受到一些限制，例如使用高分子量的三烷基胺等昂貴的溶劑，不易處理溶劑混合物及其回收，以及其他相關(guān)問(wèn)題。
Katashi Enomoto等人的美國(guó)專(zhuān)利5,310,865公開(kāi)了一種通過(guò)進(jìn)行在含有有機(jī)溶劑的反應(yīng)混合物中對(duì)羥基羧酸或低聚物進(jìn)行脫水縮合制造多羥基羧酸的方法。該有機(jī)溶劑用于通過(guò)共沸蒸餾除去濃縮中的水。該方法的局限在于很多用途所需的分子量大于100000的極高分子量聚合物的制備，因?yàn)楹茈y除去痕量的水份。
Patrick Richard Gruber等人在美國(guó)專(zhuān)利6,326,458中公開(kāi)的生產(chǎn)交酯和交酯聚合物的連續(xù)過(guò)程，包括由乳酸或乳酸酯在催化劑存在下制備交酯和交酯聚合物，得到聚乳酸粗品和預(yù)聚物，如果使用酯則還產(chǎn)生反應(yīng)副產(chǎn)物。從預(yù)聚物得到的粗交酯在用于聚合之前需通過(guò)蒸餾純化。用乳酸酯作為起始原料產(chǎn)生的副產(chǎn)物和耗能的粗交酯的蒸餾大大增加了該方法的成本。
所有現(xiàn)有技術(shù)通過(guò)發(fā)酵生產(chǎn)乳酸的方法不是要求較純的培養(yǎng)細(xì)菌的基質(zhì)，就是要求復(fù)雜的有毒溶劑用于分離乳酸。而且，回收溶劑很困難，通過(guò)蒸餾分離該溶劑所用的能量很高。因此這些方法成本高而且耗時(shí)。一些現(xiàn)有技術(shù)提供了低pH乳酸發(fā)酵方法，包括在營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基中培養(yǎng)耐酸同型乳酸菌產(chǎn)生具有高度游離乳酸的發(fā)酵液。而且，現(xiàn)有技術(shù)使用碳酸鈣中和產(chǎn)生的酸最終生成大量硫酸鈣(石膏)，從而引起廢物處理這一問(wèn)題，而且硫酸鈣對(duì)環(huán)境不利。
顧及到目前緊急的需要，現(xiàn)在的科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種由非食用可再生農(nóng)業(yè)原料發(fā)酵生產(chǎn)聚乳酸的新方法。
根據(jù)本發(fā)明，由非食用可再生農(nóng)業(yè)原料發(fā)酵生產(chǎn)聚乳酸，本發(fā)明的方法比使用淀粉基質(zhì)所謂原料的常規(guī)方法要相對(duì)廉價(jià)。
在本發(fā)明中，pH的調(diào)節(jié)通過(guò)使用氨完成，其不會(huì)像常規(guī)方法那樣形成鹽沉淀(石膏)。本發(fā)明的方法避免形成鹽沉淀，因此解決了廢物處理的問(wèn)題。
與常規(guī)方法相比，本發(fā)明提供了一種方法，其用單一溶劑在環(huán)境溫度下從發(fā)酵液中分離乳酸，而常規(guī)方法使用昂貴溶劑的混合物，還有一些常規(guī)方法采用了預(yù)濃縮步驟。
本發(fā)明還提供了一種方法，其中方法中的溶劑再生/回收總是定量的而沒(méi)有任何高溫操作和/或蒸餾的耗能步驟。因此再生的溶劑無(wú)需任何處理即在萃取中再利用。
在本發(fā)明的方法中，預(yù)聚合和交酯形成步驟是聯(lián)合在一個(gè)操作單元中。本發(fā)明還提供了一個(gè)方法，其中分離、濃縮和純化通過(guò)在環(huán)境溫度下利用親和力驅(qū)動(dòng)方法同時(shí)達(dá)到，代替了在一些常規(guī)方法中使用的耗能驅(qū)動(dòng)方法。
與常規(guī)方法相比，發(fā)明人開(kāi)發(fā)的本發(fā)明的方法效率高、成本低且簡(jiǎn)便。發(fā)明目的本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種由可再生的農(nóng)業(yè)原料作為起始原料高效生產(chǎn)聚乳酸的方法。本發(fā)明的方法的萃取效率大于90％，而常規(guī)方法要求的是90％。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種由糖滓或甘蔗渣水解產(chǎn)物等可再生的農(nóng)業(yè)原料高效生產(chǎn)聚乳酸的方法，該原料是制糖工業(yè)的廢品，由于使用了最高效的方法生產(chǎn)PLA，因此非常節(jié)省成本。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種方法，其可成功地使用其他可再生農(nóng)業(yè)原料，例如玉米糖漿、甜菜或甘蔗汁。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供一種方法，其用單一溶劑在環(huán)境溫度下從發(fā)酵液中分離乳酸，而一些常規(guī)方法使用了昂貴溶劑的混合物以及預(yù)濃縮步驟。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種方法，其中本發(fā)明方法中的溶劑再生/回收總是定量的，而沒(méi)有任何高溫操作和/或蒸餾的耗能步驟。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供一種方法，其中反萃取步驟使用了堿金屬或堿土金屬的氫氧化物，不同于其他一些溫度驅(qū)動(dòng)和高能耗操作的方法，本方法是親和力驅(qū)動(dòng)的而且能耗較低。該再生溶劑可無(wú)需任何進(jìn)一步的處理就再利用于萃取中。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種方法，其中濃縮的乳酸溶液在反應(yīng)器中于120-155℃高蒸汽溫度下直接用于交酯的形成，對(duì)應(yīng)的液體溫度為180-225℃，真空度為5-30mm Hg，同時(shí)把預(yù)聚合和交酯形成步驟結(jié)合至一個(gè)單元操作中。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種方法，其中交酯的純化是通過(guò)用有機(jī)溶劑進(jìn)行結(jié)晶而完成，其中母液再利用于進(jìn)一步制備交酯中。其他一些方法公開(kāi)了涉及高真空和能量的真空蒸餾純化。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供一種方法，其中分離、濃縮和純化通過(guò)親和力驅(qū)動(dòng)在環(huán)境溫度下同時(shí)達(dá)到，代替了在一些常規(guī)方法中用溫度或電驅(qū)動(dòng)的方法。
通過(guò)下面優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明和相關(guān)的附圖，本發(fā)明的前述和其他的目的及優(yōu)點(diǎn)將會(huì)更加清晰。
圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例繪制的從糖滓發(fā)酵生產(chǎn)聚乳酸的框圖。
本發(fā)明的詳細(xì)描述本發(fā)明描述了一種生產(chǎn)聚乳酸的方法，該方法使用可再生農(nóng)業(yè)原料，例如糖滓或甘蔗渣水解產(chǎn)物作為原料。使用的可再生農(nóng)業(yè)原料可以是可食用或不可食用的。本發(fā)明的方法包括將原料發(fā)酵，得到乳酸，從發(fā)酵液中分離得到乳酸，將乳酸轉(zhuǎn)化為交酯和聚乳酸。本發(fā)明的方法包括下列步驟i.用蔗糖滓或甘蔗渣作為原料制備乳酸培養(yǎng)基；ii.乳酸發(fā)酵；iii.分離乳酸；和iv.制備交酯和PLA。
本發(fā)明的一個(gè)方面中，用蔗糖滓或甘蔗渣作為原料制備發(fā)酵培養(yǎng)基。
在本發(fā)明中，發(fā)酵培養(yǎng)基是如此制得的將含有約40-50％(w/w)可發(fā)酵糖的蔗糖滓離心除去懸浮物，用水稀釋得到最終可發(fā)酵糖濃度為7-10％(w/w)。培養(yǎng)基用其他氮源和其他生長(zhǎng)成分補(bǔ)充。在大規(guī)模處理中，稀釋的糖滓溶液富含2-5％玉米漿和高壓滅菌處理過(guò)的酵母泥。
用甘蔗渣作為原料的發(fā)酵培養(yǎng)基是通過(guò)用稀釋的酸在120℃下水解甘蔗渣顆粒30-90分鐘制備得到的。然后用1-5％(v/v)的堿在120-150℃下進(jìn)一步處理水解的甘蔗渣15-90分鐘以去木質(zhì)素。得到的纖維素部分用纖維素酶進(jìn)行酶解。
富有葡萄糖的甘蔗渣水解產(chǎn)物在發(fā)酵前用氮源補(bǔ)充。
本發(fā)明中，乳酸的發(fā)酵在厭氧/微需氧的條件下使用如乳酸桿菌(Lactobacillus)等菌屬，以罐批發(fā)酵模式進(jìn)行24-48小時(shí)。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，使用的乳酸桿菌菌株為L(zhǎng).delbrueckii。
本發(fā)明中，發(fā)酵培養(yǎng)基的pH是通過(guò)使用中和劑調(diào)節(jié)pH得到的。本發(fā)明所用的可以保持合適的pH水平的中和劑選自堿或碳酸鹽或氨溶液。培養(yǎng)基在發(fā)酵過(guò)程中的pH用堿或碳酸鹽或氨溶液一直保持在5.0-6.0。發(fā)酵溫度保持在37-45℃。發(fā)酵完畢后，含有乳酸的發(fā)酵液通過(guò)離心澄清，進(jìn)行下游處理。
用有機(jī)溶劑，例如異戊醇、丁醇、環(huán)己酮、乙酸甲酯等萃取澄清的發(fā)酵液，所用比例為1∶1至1∶5，使用合適的接觸裝置，例如旋轉(zhuǎn)盤(pán)抽提塔。得到萃取物進(jìn)行后面的過(guò)程。本發(fā)明可得的萃取效率大于90％。含有乳酸的萃取物與水性堿接觸，例如氨、石灰、苛性堿(caustic)等，比例為1∶3至1∶10。攪拌混合物1小時(shí)，沉淀2小時(shí)，發(fā)生相分離。含有乳酸鹽的水相從有機(jī)萃取劑中分離，進(jìn)行下游處理。有機(jī)層再循環(huán)用于萃取。用無(wú)機(jī)酸處理含有乳酸鹽的水相以分離乳酸和形成的鹽，如果需要的話，通過(guò)離心收集。得到的粗乳酸用陽(yáng)離子樹(shù)脂處理出去痕量的金屬離子，用真空蒸餾濃縮至少5-6倍。
本發(fā)明的另一方面，在裝有真空和加熱裝置的加罩的攪拌釜反應(yīng)器中將濃縮的乳酸轉(zhuǎn)化為交酯。初始時(shí)將內(nèi)容物加熱到120-150℃以除去水，然后加入0.05-2.0％(w/w)催化劑。再繼續(xù)反應(yīng)5-24小時(shí)，其中溫度逐漸從140℃增加到275℃，真空度逐漸增加到1-20mm Hg。除去剩余的水后，將形成的交酯蒸餾出來(lái)，在冷卻的接收器中收集。
得到的交酯進(jìn)一步用乙酸乙酯、甲苯或醇等有機(jī)溶劑結(jié)晶純化。純化的交酯在合適的催化劑存在下在攪拌釜反應(yīng)器中聚合。溫度保持在120-200℃1-20小時(shí)。將得到的聚合物，聚乳酸(PLA)溶解在合適的溶劑中，在另一個(gè)作為促凝劑的溶劑中沉淀以表征。將得到的產(chǎn)品干燥，并且表征。
本發(fā)明的發(fā)明人開(kāi)發(fā)了一種新的方法，與以前公開(kāi)的或已知的生產(chǎn)PLA的方法不同，本方法有效地利用廉價(jià)的制糖工業(yè)的廢品進(jìn)行乳酸發(fā)酵，并將其從發(fā)酵液中回收。本發(fā)明進(jìn)一步提供了乳酸濃縮和純化的方法用于下游加工制備交酯和PLA。乳酸在發(fā)酵液中的濃度大約是4.5-5.0％(w/v)，上述發(fā)酵液用合適的有機(jī)溶劑(例如醇、酮、酯和醚)在液液萃取(LLE)裝置中萃取，上述液液萃取裝置例如為混合沉降器、填充柱、轉(zhuǎn)盤(pán)塔、或脈動(dòng)萃取塔，停留時(shí)間為半個(gè)小時(shí)至1個(gè)小時(shí)，體積比為1∶1、1∶1.25、1∶1.5、1∶2、1∶3、1∶4等，從而使萃取效率大于90％，殘余液(水層)與萃取相(有機(jī)層)間的相分離良好。
然后用已知量的堿金屬或堿土金屬的氫氧化物(例如氫氧化鈉、氫氧化鈣、氫氧化銨等)在常規(guī)攪拌器中處理含有乳酸和一些使萃取相帶有顏色的雜質(zhì)的溶劑萃取相，適度攪拌半小時(shí)至1小時(shí)，然后再沉淀一段時(shí)間以得到更好的相分離。將含有乳酸的水相排出并用于下游加工。在萃取物(有機(jī)層)中，除去再生溶劑，并使其再循環(huán)回LLE裝置進(jìn)行如上所述的再利用。
然后用硫酸等無(wú)機(jī)酸處理含有乳酸的鹽(也就是乳酸鹽)的水相以在pH小于乳酸的pK值，即3.86時(shí)，沉淀金屬鹽，更優(yōu)選pH小于3，最優(yōu)選pH為2.5-3.0時(shí)沉淀金屬鹽。然后離心酸化的乳酸鹽溶液，除去餅狀金屬鹽，該金屬鹽充分地用軟水洗滌以萃取吸附其中的乳酸，如果需要，所述金屬鹽循環(huán)回金屬沉淀步驟。將過(guò)濾后的離心/過(guò)濾水溶液進(jìn)行下游加工。
然后將殘留在稀釋的乳酸中的濃度為9-10％(w/v)的金屬離子在用離子交換樹(shù)脂填充的連續(xù)柱中除去，該連續(xù)柱具有合適的進(jìn)出流速調(diào)節(jié)功能。在柱處理操作的末端顯示pH值或直接測(cè)量金屬離子。
然后在填料蒸餾塔中濃縮稀釋的乳酸溶液至50-60％(w/v)，其中，回流比為1∶3∶1∶5，真空度為300-350mm，溫度75-85℃。收集的蒸餾物主要是水，所述蒸餾物再循環(huán)回沉淀步驟。然后將在蒸餾塔的鍋爐底部的濃縮物取出用于生產(chǎn)交酯。
然后將濃縮的乳酸放入攪拌釜反應(yīng)器，該反應(yīng)器具有合適的容量、適宜的構(gòu)建材料、在罩里有加熱/冷卻裝置，以及下游具有合適表面積的冷凝器。需要規(guī)格的交酯在如下條件下得到蒸汽溫度120-155℃，液體溫度190-225℃，真空度10-30mm Hg，合適的催化劑，除去反應(yīng)間的游離的和結(jié)合的水。高壓釜中的剩余物含有未轉(zhuǎn)化的乳酸、三聚體和其他高沸點(diǎn)成分。交酯的平均收率為理論量的75-80％。
上述得到的粗交酯通過(guò)乙酸乙酯、乙醇、甲醇、丁醇和大量其他溶劑等有機(jī)溶劑結(jié)晶純化。然后將結(jié)晶的交酯過(guò)濾掉。純的交酯用一些溶劑進(jìn)一步重結(jié)晶以完全除去有色物質(zhì)。純化的交酯產(chǎn)率為50-60％。母液可以進(jìn)一步再加工/循環(huán)用于生產(chǎn)交酯。
然后將純化的結(jié)晶交酯在如下條件下聚合在合適的鈣、鋅或錫化合物類(lèi)催化劑存在下，在具有加熱/冷卻卷口(coils)的攪拌釜反應(yīng)器中適度攪拌，溫度為185-110℃，聚合15-20小時(shí)。然后將得到的聚合物產(chǎn)物(PLA)溶解在合適的溶劑中，在另一個(gè)作為促凝劑的溶劑中沉淀，然后干燥。得到分子量為20000-100000的聚合物，可以有很多應(yīng)用。
本發(fā)明中的發(fā)酵可以使用用于生產(chǎn)各種代謝物的合適的菌株的微生物細(xì)胞。在本發(fā)明的一些生產(chǎn)乳酸的實(shí)施例中，使用的微生物細(xì)胞選自細(xì)菌菌種乳酸桿菌(Lactobacillus)、鏈球菌(Streptococcus)、桿狀菌(Bacillus)或霉菌菌株，如根霉(Rhizopus)。本發(fā)明中使用的用于生產(chǎn)乳酸的乳酸桿菌選自L.delbrueckii、L.rhamnosus、L.helveticus、L.casei、L.plantarum、L.bulgaricus、L.amylovorans、L.Lactis、或其類(lèi)似物。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，使用的乳酸桿菌菌株為L(zhǎng).delbrueckii。
本發(fā)明中的發(fā)酵可以是連續(xù)的發(fā)酵過(guò)程、罐批發(fā)酵過(guò)程或補(bǔ)料分批的發(fā)酵過(guò)程(fed batch fermentation)。本發(fā)明的優(yōu)選方法包括在罐批發(fā)酵過(guò)程中培養(yǎng)細(xì)菌。
圖1描述了按照上面篇章描述的從糖滓生產(chǎn)PLA或其鹽的方法。
本發(fā)明涉及從糖滓發(fā)酵生產(chǎn)PLA的多步過(guò)程鏈，與其他方法相比具有如下優(yōu)點(diǎn)1.該方法利用制糖工業(yè)的廢品——可再生農(nóng)業(yè)原料糖滓以最有效的方法生產(chǎn)PLA，因此非常節(jié)省成本。該方法可以成功地用于其他農(nóng)業(yè)原料，例如玉米糖漿、甜菜、甘蔗汁，這些原料在污染方法比糖滓相對(duì)干凈一些。
2.上述方法使用單一溶劑在環(huán)境溫度下從發(fā)酵液中分離乳酸，與之不同常規(guī)方法使用昂貴溶劑的混合物以及預(yù)濃縮步驟。本方法的萃取效率大于90％，而其他方法為90％。
3.本方法中的溶劑再生/回收總是定量的而沒(méi)有任何高溫操作和/或蒸餾的耗能步驟。
4.反萃取步驟使用了堿金屬或堿土金屬的氫氧化物，與之不同，其他一些方法采用溫度驅(qū)動(dòng)和高能耗操作，本方法是親和力驅(qū)動(dòng)而且能耗較低。該再生溶劑可無(wú)需任何處理就再循環(huán)用于萃取中。
5.濃縮的乳酸溶液在容器中120-155℃高蒸汽溫度下直接用于交酯發(fā)酵，對(duì)應(yīng)液體溫度為180-225℃，真空度5-30mm Hg，預(yù)聚合和交酯形成步驟結(jié)合在一個(gè)單元操作中。
6.交酯的純化通過(guò)用有機(jī)溶劑結(jié)晶完成，其中母液再循環(huán)用于制備交酯。其他一些方法中公開(kāi)了涉及高真空和耗能的真空蒸餾純化。
7.分離、濃縮和純化在環(huán)境溫度下通過(guò)親和力同時(shí)達(dá)到，進(jìn)行處理，代替了在一些常規(guī)方法中用溫度或電驅(qū)動(dòng)。
本發(fā)明將用實(shí)施例來(lái)說(shuō)明。這些實(shí)施例演示如何實(shí)施本發(fā)明，但不能認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。大多數(shù)實(shí)驗(yàn)工作是通過(guò)實(shí)驗(yàn)室裝置/設(shè)備完成的。本方法的各個(gè)步驟都是在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模、小試或中試設(shè)備進(jìn)行，連續(xù)或間歇地作為一個(gè)單獨(dú)的工序/單元操作以演示使用這樣的方法在商業(yè)規(guī)模中的可行性。
實(shí)施例1
將含有甘蔗滓的發(fā)酵培養(yǎng)基調(diào)節(jié)到最終可發(fā)酵糖的濃度為70g/L，所述發(fā)酵培養(yǎng)基富有玉米漿(25g/L)和酵母提取物(10g/L)，向250ml的上述發(fā)酵培養(yǎng)基中加入Lactobacillus delbreuckii的24小時(shí)老培養(yǎng)物作為接種物，接種物的最終濃度為10％。在Gallenkamp培養(yǎng)振蕩器的振蕩燒瓶中42℃、150rpm條件下發(fā)酵72小時(shí)。發(fā)酵液的pH用CaCO3保持在6.0。72小時(shí)后乳酸的產(chǎn)量為50g/L。
實(shí)施例2將一批2L發(fā)酵培養(yǎng)基放入2.5L生物反應(yīng)器中，該發(fā)酵培養(yǎng)基含有甘蔗滓、補(bǔ)充有25g/L玉米漿和10g/L酵母提取物。調(diào)節(jié)初始糖濃度至70g/L。將培養(yǎng)基接種200mL Lactobacillus delbreuckii的24小時(shí)老培養(yǎng)物。在42℃，200rpm的攪拌條件下發(fā)酵48小時(shí)。培養(yǎng)基的pH用液氨保持在6.0。完成后得到乳酸66g/L。
實(shí)施例3按比例在500L發(fā)酵罐中將乳酸發(fā)酵增大至350L的工作體積。將含有甘蔗滓(調(diào)節(jié)到含糖70g/L)、玉米漿(25g/L)和酵母提取物(10g/L)的發(fā)酵培養(yǎng)基接種在100L發(fā)酵罐中生長(zhǎng)的Lactobacillus delbreuckii(35L)的24小時(shí)老培養(yǎng)物。在42℃，200rpm下攪拌，發(fā)酵48小時(shí)。培養(yǎng)基的pH用液氨保持在6.0。乳酸產(chǎn)量50g/L。
實(shí)施例4在1000L發(fā)酵罐中進(jìn)行乳酸發(fā)酵。一批為800L。培養(yǎng)基的組成與實(shí)施例1相同。這批用的L.delbreuckii接種物(80L)長(zhǎng)在100L發(fā)酵罐中。在42℃，攪拌200rpm條件下發(fā)酵48小時(shí)。培養(yǎng)基的pH用液氨保持在6.0。發(fā)酵48小時(shí)后，乳酸產(chǎn)量55g/L。
實(shí)施例5通過(guò)將糖滓中的糖用Lactobacillus delbruckii發(fā)酵，然后離心，將pH降到2.0得到40mL發(fā)酵液，比色測(cè)得其含有5.8％(w/v)乳酸、4％總糖和20％溶解的總固體，所述發(fā)酵液用異戊醇以體積比1∶2溶劑萃取，同時(shí)在旋轉(zhuǎn)振蕩器中攪拌30min。該發(fā)酵液含有不同濃度的各種金屬離子。用ICP檢測(cè)到的金屬離子的濃度為鈦，1.76；鉻，37.53；錳，578.30；鐵，2117.3；鈷，42.22；鎳，7.62；銅，7.038；鋅，123.75；鋁，52.20；鉛，13.49；鉬，1.76；砷，1.17；鈉，105.4；鉀，129.03；鎂，35.07；鈣，11.55(所有值的單位均為ppm)。使各相在250ml分液漏斗中分離1小時(shí)。水相用相同體積的新鮮醇再次萃取，萃取前要考慮由于兩種液相的相互擴(kuò)散而導(dǎo)致的體積變化。5次這樣的液液萃取后，剩余液在7000rpm下離心15分鐘，以移去有機(jī)相并分析剩余液中的乳酸。根據(jù)質(zhì)量守恒，溶劑中乳酸的回收率為94％，并去除了90％以上的糖。
實(shí)施例6將10mL pH為2的與實(shí)施例5描述相似的發(fā)酵液與100mL二異丙醚(DIE)在250mL錐形瓶中混合，放在旋轉(zhuǎn)振蕩器上1小時(shí)。在萃取的過(guò)程中，觀察到乳液形成，以7000rpm離心產(chǎn)生相分離。然后對(duì)水相用DIE重復(fù)4步萃取，合并的有機(jī)相幾乎無(wú)色，說(shuō)明基本完全除去顏色，同時(shí)水相中的乳酸濃度從5.8％降至1.8％。
實(shí)施例7將pH為2、其中的乳酸濃度(7.7wt％)增加的發(fā)酵液用100mL環(huán)己酮在250mL的分液漏斗中進(jìn)行液液萃取?；旌衔锍浞只旌?小時(shí)，沉淀。分離兩相后，底部水層進(jìn)行2次或多次液液萃取。3步萃取后，萃余液含有0.8wt％乳酸，說(shuō)明回收了90％。萃取的優(yōu)點(diǎn)在于將糖和顏色從發(fā)酵液中除去。在第一次萃取后，有機(jī)層中糖與乳酸的比例為零，顏色與乳酸的比例為0.65，而發(fā)酵液中的上述比例分別為0.23和5.6。
實(shí)施例8用1-丁醇測(cè)試乳酸的萃取效率，使用實(shí)施例5中的發(fā)酵液。發(fā)酵液與萃取劑的重量比為1∶0.73。將混合物放在旋轉(zhuǎn)振蕩器中1小時(shí)，在靜止?fàn)顟B(tài)下再沉淀1小時(shí)使得相分離。得到的萃取相用1N的NaOH(體積比1∶2，在旋轉(zhuǎn)振蕩器中混合1小時(shí))萃取，因此，堿相含有16.2g/L乳酸鈉。
實(shí)施例9在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，將含有150mL乙酸乙酯的萃取劑與其重量46％的實(shí)施例3中的發(fā)酵液在500mL塞好的玻璃瓶中用旋轉(zhuǎn)振蕩器接觸1小時(shí)，然后將內(nèi)容物轉(zhuǎn)移到500mL分液漏斗中，靜置使得相分離。萃余液再與新鮮的萃取劑以相同的體積比接觸。三次萃取后，剩下的水相中乳酸濃度減少，最終僅為初始值的21％。發(fā)酵液的顏色為深棕色，合并的萃取物幾乎無(wú)色。除去稀釋效應(yīng)的影響，大約98％的顏色保留在萃余液中。
實(shí)施例10研究pH對(duì)使用1-辛醇的萃取效率的影響，使用乳酸含量72g/L的發(fā)酵液。在一種情況下，使用pH6.2的發(fā)酵液，第二個(gè)發(fā)酵液樣品pH為3.5，第三個(gè)為3.0。在上述所有情況下，都將5mL發(fā)酵液與10mL的醇接觸，手動(dòng)混合30分鐘，沉淀合適時(shí)間后相分離。測(cè)量在萃余液中的乳酸，說(shuō)明相應(yīng)pH為6.2、3.5和3.0的預(yù)萃取中乳酸回收率分別為＜1％、22％和44％。因此，低pH在相當(dāng)程度上提高了萃取效率。
實(shí)施例11萃取含有56g/L乳酸的pH為2的發(fā)酵液，用1-丁醇萃取合適次數(shù)得到富含乳酸的有機(jī)物萃取物，每100mL溶劑含有1.6g乳酸。用32mL該有機(jī)萃取物與8mL含有3％(w/v)NH3的氨水接觸，在振蕩器中混合30分鐘。將內(nèi)容物沉淀1小時(shí)，相分離，通過(guò)比色測(cè)量水層中的乳酸。后者含有55∶7g/L乳酸，轉(zhuǎn)化為回收率就是87％。另32mL含乳酸的溶劑用8mL的4％(w/v)氨水在上述條件下萃取。水相含有60.9％乳酸，即回收率95％。
相似情況下，通過(guò)用醇經(jīng)過(guò)上述合適次數(shù)萃取發(fā)酵液得到含有1.58％(w/v)乳酸的異戊醇。將32mL該萃取物用6％(w/v)氨水以體積比4∶1反萃取(30分鐘混合，1小時(shí)沉淀)。水層含有乳酸濃度為63.1g/L，說(shuō)明反萃取效率大于98％。
實(shí)施例12由發(fā)酵液(實(shí)施例7中使用的)用1-丁醇萃取得到的丁醇萃取物含有18.1g/L乳酸，所述萃取物用氫氧化鈣的水懸浮液反萃取。將200mL有機(jī)萃取物加入含2.5g氫氧化鈣和20mL水的懸浮液，在燒瓶中機(jī)械攪拌混合物1小時(shí)。將含有固體的水相在沉淀1小時(shí)后分離?？偣灿?0個(gè)燒瓶進(jìn)行相似的過(guò)程，從而完成了4L的丁醇萃取物的反萃取。合并水相，用濃硫酸將pH降到2-2.1。過(guò)濾除去沉淀的硫酸鈣；這一階段體積為486mL。檢測(cè)濾液中的乳酸濃度為141.5g/L，對(duì)應(yīng)反萃取效率為95％。
實(shí)施例13將含有L/D比為96∶4的45mg/mL乳酸的450L發(fā)酵液與溶劑在轉(zhuǎn)盤(pán)抽提塔中連續(xù)接觸。發(fā)酵液從頂部加入，萃取劑從裝置底部加入。相分離后，從頂部連續(xù)收集萃取相，從萃取器底部收集萃余液。兩相的流速在10-50Kg/hr間變化。達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，發(fā)酵液流速為10Kg/hr，溶劑為30Kg/hr，在萃取劑中的乳酸濃度為1.6wt％，說(shuō)明回收率大于95％。
實(shí)施例14從實(shí)施例13所述的發(fā)酵液中得到的含有1.6wt％乳酸的1260Kg溶劑萃取液與溶解/分散在156Kg軟化水中的26Kg石灰在3000L連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器(CSTR)中混合2小時(shí)，沉淀反應(yīng)混合物2小時(shí)使得相分離。底部水相含有大部分乳酸，取出頂部再生的溶劑相用于從新鮮發(fā)酵液中液液萃取乳酸。從反應(yīng)器底部得到204Kg水性乳酸鹽相，根據(jù)質(zhì)量守恒，表明乳酸回收率大于99％。將得到的水相反萃取物用濃硫酸在玻璃襯(glass lined)連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器(continuous stirred tank reactor，CSTR)中酸化至pH為2-2.5，將乳酸鹽轉(zhuǎn)化為乳酸。然后將酸化的反萃取物離心，除去沉淀的硫酸鈣。用30Kg DM水洗滌沉淀物以回收附帶的乳酸。然后將得到的含有乳酸的濾液通過(guò)含有陽(yáng)離子交換樹(shù)脂的柱子，條件為在每小時(shí)3-5個(gè)柱床體積的速度下連續(xù)進(jìn)行柱操作。柱中出來(lái)的廢水的pH在處理之后降到1.5-2.0。用2柱床體積的軟化水清洗樹(shù)脂柱確保附著的乳酸從樹(shù)脂柱上回收，用于回收殘余乳酸。得到的275Kg深棕色乳酸水溶液在玻璃襯填料蒸餾塔中通過(guò)一系列冷凝器濃縮，條件為80-84℃，真空度350mm Hg，回流比3∶1。如上蒸餾的水(245Kg)用于與另一溶劑萃取物進(jìn)行反萃取。得到具有58％乳酸的30.5Kg水性乳酸濃縮物說(shuō)明從反萃取到濃縮，乳酸的總回收率為88％。
實(shí)施例15如上述實(shí)施例所述，將通過(guò)液液萃取，用石灰反萃取，乳酸鹽酸化，樹(shù)脂處理和濃縮從發(fā)酵液得到的82g含有66wt％乳酸濃度的水性乳酸濃縮物放入250mL裝有測(cè)量液體溫度裝置和通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接頭通入氮?dú)獾娜趫A底玻璃燒瓶。將該燒瓶與用作接收器的容量100mL的雙口圓底玻璃燒瓶連接，該連接通過(guò)一個(gè)短口蒸餾頭和水/空氣冷凝器。在蒸餾頭設(shè)有溫度計(jì)插套用于測(cè)量蒸汽溫度。將反應(yīng)燒瓶放在旋轉(zhuǎn)架(rota-mantle)上加熱并混合反應(yīng)混合物。在氮?dú)庀?，溫度漸漸升高到140℃，以蒸餾液的形式除去水。然后將反應(yīng)物冷卻到90℃，然后在氮?dú)獗Ｗo(hù)下向反應(yīng)混合物加入0.6g氧化二丁錫催化劑。然后用2小時(shí)將溫度漸漸升高到160℃，真空度從大氣壓漸漸升高到60mm Hg，以除去殘留的水。除水后，將反應(yīng)物冷卻到90℃，用空氣冷凝器代替水冷凝器，用冰冷卻接收器，用5小時(shí)將溫度漸漸升高到290℃，真空度漸漸升高到4mm Hg，以蒸餾交酯。得到產(chǎn)品蒸餾液40g(粗交酯)，說(shuō)明以乳酸計(jì)，粗交酯的收率大于90％。
實(shí)施例16通過(guò)液液萃取，用氨反萃取，離子交換和濃縮從發(fā)酵液得到的83g含有75％乳酸的深棕色水性乳酸濃縮物用于形成交酯，使用如實(shí)施例15所述的試驗(yàn)設(shè)備。在氮?dú)鈿夥障陆?jīng)過(guò)3小時(shí)將溫度漸漸從室溫升到156℃以除去水。反應(yīng)混合物冷卻到85℃，向反應(yīng)混合物中加入1.6g催化劑——氧化二丁錫，經(jīng)過(guò)4小時(shí)，溫度漸漸升到160℃，真空度漸漸從大氣壓增加到40mm Hg，以除去反應(yīng)混合物中殘留的水。反應(yīng)混合物再次冷卻到90℃，逐步升溫至235℃，真空度為5mmHg，用短口空氣冷凝器冷凝，開(kāi)始交酯的蒸餾，用干冰冷卻交酯的產(chǎn)品接收器。4小時(shí)之內(nèi)收集到47g粗交酯餾出液，在反應(yīng)燒瓶?jī)?nèi)留下7.5g殘余物，說(shuō)明粗交酯產(chǎn)率大于90％。
實(shí)施例17在一個(gè)形成交酯的實(shí)驗(yàn)中，將通過(guò)液液萃取，反萃取，酸化，樹(shù)脂處理和濃縮從發(fā)酵液得到的42.5Kg含有44.7wt％乳酸的深色粘稠水性乳酸濃縮物用作工作容量50L的SS-316高壓釜(autoclave)反應(yīng)器的原料。該反應(yīng)器裝有攪拌用輪機(jī)推動(dòng)器、短口冷凝器、測(cè)量液體和蒸汽溫度的裝置和用于氮?dú)飧采w(nitrogen blanking)的口。將具有底閥的20L三口玻璃產(chǎn)品接收器通過(guò)冷凝器與反應(yīng)體系連接。通過(guò)熱油循環(huán)套住反應(yīng)器以控制溫度，用回流冷凝器通過(guò)接受器的一個(gè)口實(shí)施真空。在將原料加入反應(yīng)器后，反應(yīng)混合物的溫度用10小時(shí)慢慢從環(huán)境溫度增加到152℃，以除去水。在此期間，蒸汽溫度在100-108℃間變化。然后加入340g氧化二丁錫催化劑，保持溫度在150-160℃，用8小時(shí)將真空度漸漸從600mm Hg增加至60mm Hg以進(jìn)一步除去水。除水后，使用真空度10mmHg，用14小時(shí)將溫度漸漸從160℃升高到220℃以蒸餾交酯。得到13.4Kg粗交酯蒸餾液，以乳酸計(jì)，粗交酯的收率為87％。
實(shí)施例18將實(shí)施例15制得的由發(fā)酵液得到的粗交酯通過(guò)從乙酸乙酯中結(jié)晶提純，使用的粗交酯與乙酸乙酯的比例為5∶3，將交酯溶解在100mL裝有回流冷凝器的圓底燒瓶中，冷卻溶液到5℃，進(jìn)行交酯結(jié)晶2-4小時(shí)。獲得熔點(diǎn)89℃的白色交酯晶體。純化的交酯用乙酸乙酯進(jìn)行二次重結(jié)晶得到與文獻(xiàn)中相當(dāng)?shù)娜埸c(diǎn)為97℃的純化交酯。將2g這樣的純化交酯放入100mL圓底燒瓶，在油浴中80℃抽真空1小時(shí)，然后加入有0.5％辛酸錫催化劑的0.2mL甲苯溶液，再將反應(yīng)混合物抽真空1小時(shí)除去溶劑。該系統(tǒng)在真空中密封，反應(yīng)混合物的溫度隨著磁力攪拌漸漸升高到180℃，在180℃保持45分鐘以進(jìn)行交酯的熔融聚合。然后將溫度降到130℃，聚合反應(yīng)再繼續(xù)12小時(shí)。得到的聚合物通過(guò)溶解在氯仿中，用甲醇再沉淀而進(jìn)行后處理，然后干燥得到1.87g白色產(chǎn)物，其特定溶液粘度為0.21，產(chǎn)率94％。DSC檢測(cè)以10℃/分鐘的加熱速率檢測(cè)該聚合物，得到PLA的3個(gè)轉(zhuǎn)化特征，位于55℃、99℃和152℃，分別對(duì)應(yīng)聚合物的玻璃轉(zhuǎn)化、結(jié)晶和熔化。
實(shí)施例19將2g由實(shí)施例18的步驟制備的純化交酯放入100mL圓底燒瓶中，再80℃(油浴)下抽真空1小時(shí)。然后加入有0.5％辛酸錫催化劑的0.4mL甲苯溶液，將燒瓶在抽真空30分鐘以除去甲苯。反應(yīng)混合物重復(fù)通氮?dú)?，在氮?dú)獯嬖谙聦棵芊狻Ｈ缓箅S著磁力攪拌慢慢升高反應(yīng)混合物的溫度到180℃，在180℃下進(jìn)行熔融聚合2小時(shí)，然后在150℃進(jìn)行4小時(shí)，在120℃進(jìn)行13小時(shí)。再處理的聚合物的GPC分子量為38700，分子量分布為1.98。DSC熱分析圖顯示該聚合物在152℃熔化吸熱，冷卻時(shí)結(jié)晶溫度為108℃。
實(shí)施例20將如實(shí)施例16所述的從發(fā)酵液中得到的乳酸制得的粗交酯通過(guò)從乙酸乙酯中2次重結(jié)晶提純，使用的交酯與乙酸乙酯的比例為5∶3。然后將交酯過(guò)濾，用甲苯重結(jié)晶，交酯與甲苯的比例為1∶1。得到的純交酯的熔點(diǎn)為99℃。將7.5g這樣的交酯放入圓底燒瓶中，在80℃下干燥1小時(shí)，真空度5-10mm Hg。然后加入以交酯計(jì)0.6％的辛酸錫催化劑，在真空下再干燥反應(yīng)混合物1小時(shí)。在真空下密封該燒瓶，在180℃下聚合反應(yīng)混合物35分鐘。得到特性粘度0.69dL/g、GPC分子量78000的聚合物，產(chǎn)率90％。
實(shí)施例21在180℃，交酯重量0.2％的辛酸錫催化劑條件下對(duì)酸度為0.01wt％乳酸，水份為180ppm的10g純化交酯進(jìn)行3小時(shí)的熔融聚合。熔融聚合的實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)施例20中所述相同。得到的聚合物的特性粘度為2.52dL/g，GPC分子量為235000，聚合物產(chǎn)率為95％。聚合物樣品的DSC測(cè)試得到的熔點(diǎn)為170℃，熔化熱為29Kcal/mol。
實(shí)施例22純化交酯的熔融聚合每批100g。將酸度為0.02wt％乳酸，水份為350ppm的100g純化交酯放入250mL圓底燒瓶。加入交酯重量0.056wt％的辛酸錫催化劑，在80℃抽真空2小時(shí)以除去水份和用于制備催化劑溶液的甲苯。在真空下密封該反應(yīng)混合物，溫度增加到180℃，保持1小時(shí)進(jìn)行熔融聚合。得到GPC分子量為213000、分散度2.12的聚合物，轉(zhuǎn)化率為85％。
實(shí)施例231.3Kg純化交酯在0.056％辛酸錫催化劑存在下，在5Kg裝有機(jī)械攪拌的Paar反應(yīng)器中熔融聚合。交酯的酸值為0.25％。在75-85℃，真空度20-30mm Hg下干燥交酯4小時(shí)。用氮?dú)庵貜?fù)吹洗該混合物，組件在真空下密封。在攪拌下將反應(yīng)混合物的溫度漸漸升高到180℃，保持1小時(shí)。得到比粘度為0.77、GPC分子量為72000的聚合物1.1Kg，聚合物產(chǎn)率接近85％。
顯然，基于上面的描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不背離本發(fā)明精神的范圍內(nèi)作出等效的變型。
權(quán)利要求
1.一種從可再生農(nóng)業(yè)原料發(fā)酵生產(chǎn)聚乳酸的方法，避免了廢物處理，該方法包括如下步驟制備以糖滓為碳源的發(fā)酵培養(yǎng)基；發(fā)酵所述發(fā)酵培養(yǎng)基；從所述發(fā)酵培養(yǎng)基萃取乳酸；從所述乳酸除去色素；純化、濃縮該乳酸；由該乳酸制備交酯；以及聚合該交酯形成聚乳酸。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述的可再生農(nóng)業(yè)原料選自糖滓、甘蔗渣水解產(chǎn)物、玉米糖漿、甜菜或甘蔗汁。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述的可再生農(nóng)業(yè)原料可以是可食用或不可食用的。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述的可再生農(nóng)業(yè)原料是含有約40-約50％(w/w)可發(fā)酵糖的甘蔗滓。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述糖滓被調(diào)節(jié)到可發(fā)酵糖的濃度約為70g/L。
6.根據(jù)權(quán)利要求
5所述的方法，其中所述糖滓被離心除去懸浮物，然后用水稀釋得到可發(fā)酵糖濃度約為7-10％。
7.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的方法，其進(jìn)一步包括用約2-約5％玉米漿和高壓滅菌處理過(guò)的酵母泥補(bǔ)充糖滓溶液。
8.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述發(fā)酵步驟是在厭氧/微需氧的條件下進(jìn)行的。
9.根據(jù)權(quán)利要求
8所述的方法，其中所述在厭氧/微需氧的條件下的發(fā)酵是通過(guò)選自乳酸桿菌(Lactobacillus)、鏈球菌(Streptococcus)、桿狀菌(Bacillus)和根霉(Rhizopus)組成的組中的微生物進(jìn)行的。
10.根據(jù)權(quán)利要求
9所述的方法，其中所述乳酸桿菌選自L.delbrueckii、L.rhamnosus、L.helveticus、L.casei、L.plantarum、L.bulgaricus、L.amylovorans或L.lactis。
11.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述發(fā)酵步驟進(jìn)一步包括調(diào)節(jié)和保持發(fā)酵培養(yǎng)基的pH在約5.0-約6.0的步驟，以避免阻礙微生物生長(zhǎng)。
12.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述發(fā)酵步驟是連續(xù)過(guò)程或補(bǔ)料分批發(fā)酵過(guò)程。
13.根據(jù)權(quán)利要求
11所述的方法，其中所述調(diào)節(jié)發(fā)酵培養(yǎng)基pH的步驟是通過(guò)使用選自堿、碳酸鹽和氨組成的組中的中和劑完成的。
14.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其中用有機(jī)溶劑萃取發(fā)酵培養(yǎng)基中產(chǎn)生的乳酸。
15.根據(jù)權(quán)利要求
14所述的方法，其中所述萃取步驟使用選自異戊醇、丁醇、環(huán)己酮和乙酸甲酯組成的組中的有機(jī)溶劑。
16.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述萃取步驟進(jìn)一步包括使用溶劑在室溫下將所述乳酸從發(fā)酵培養(yǎng)基中分離出。
17.根據(jù)權(quán)利要求
15所述的方法，其中所述溶劑為醇或酯。
18.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述方法的萃取效率大于90％。
19.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述萃取步驟是節(jié)能的。
20.根據(jù)權(quán)利要求
14所述的方法，其中萃取出的乳酸得到純化和濃縮。
21.根據(jù)權(quán)利要求
20所述的方法，其中所述純化包括將乳酸從有機(jī)溶劑中用堿金屬或堿土金屬的氫氧化物反萃取到水相。
22.根據(jù)權(quán)利要求
21所述的方法，其中反萃取到水相的乳酸用濃硫酸酸化到pH 2-2.5。
23.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其中純化包括將權(quán)利要求
22所述的反萃取的乳酸通過(guò)陽(yáng)離子交換樹(shù)脂。
24.根據(jù)權(quán)利要求
23所述的方法，其中純化的乳酸在玻璃襯填料蒸餾塔中濃縮。
25.根據(jù)權(quán)利要求
24所述的方法，其中濃縮的乳酸在約120-155℃，相應(yīng)的液體溫度約為180-225℃下，在反應(yīng)器中轉(zhuǎn)化為交酯。
26.根據(jù)權(quán)利要求
25所述的方法，其中乳酸濃縮成交酯是在真空度約5-30mmHg條件下進(jìn)行，且預(yù)聚合和交酯形成合并在一個(gè)操作中。
27.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其中交酯的純化包括用有機(jī)溶劑結(jié)晶的步驟。
28.根據(jù)權(quán)利要求
27所述的方法，其中純化的交酯聚合得到聚乳酸。
29.根據(jù)權(quán)利要求
4所述的方法，其中所述可再生農(nóng)業(yè)原料包括甘蔗渣，所述甘蔗渣是通過(guò)將甘蔗渣顆粒用稀酸在120℃下水解30-90分鐘，然后用1-5％(v/v)的堿在120-150℃下處理所述甘蔗渣約15-90約分鐘以除去木質(zhì)素而制成。
專(zhuān)利摘要
本發(fā)明涉及一種由可再生的農(nóng)業(yè)原料的發(fā)酵高效生產(chǎn)聚乳酸的方法，并不限于用糖滓或甘蔗渣作為原料。本發(fā)明尤其提供了一種經(jīng)濟(jì)的工業(yè)方法，用于通過(guò)乳酸的發(fā)酵生產(chǎn)聚乳酸，具有工業(yè)實(shí)用性。
文檔編號(hào)C12P7/56GK1993473SQ20058001616
公開(kāi)日2007年7月4日 申請(qǐng)日期2005年5月20日
發(fā)明者松蒂·文卡塔·拉瑪·克里希納, 威貼·蘭加斯瓦米, 達(dá)爾門(mén)德拉·賈殷, 拉杰·庫(kù)馬爾·賈格達(dá)姆巴拉, 普拉迪普·尚蒂普?！づ撂貭? 德博伊約蒂·卡爾, 蘇布拉馬尼亞·拉馬錢(qián)德蘭, 普拉哈德·安巴達(dá)斯·加內(nèi)什普雷, 烏馬·?？枴に_特帕蒂 申請(qǐng)人:利萊恩斯生命科學(xué)有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan