從發(fā)酵液中萃取L - 乳酸的工藝 - 圖文-

1、Jan .200856生物加工過(guò)程Chinese Journal of B i op r ocess Engineering第6卷第1期2008年1月從發(fā)酵液中萃取L 2乳酸的工藝王甲衛(wèi),李政,譚天偉3(北京化工大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院生物加工過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100029摘要:以L 2乳酸發(fā)酵液為對(duì)象,以正丁醇為萃取劑,在pH 為2、溫度為25、n (乳酸:n (正丁醇=11、乳酸在發(fā)酵液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí),經(jīng)3次萃取后,最終的萃取率可達(dá)到7517%。萃取完成后,不需要將乳酸進(jìn)行反萃,可將所得到的正丁醇2乳酸的混合體系作為底物進(jìn)行酯化反應(yīng),生成乳酸丁酯,從而避開(kāi)提取純?nèi)樗岬母卟僮饕?。關(guān)

2、鍵詞:正丁醇;分配系數(shù);萃取;L 2乳酸中圖分類號(hào):Q815;T Q921+13文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3678(200800-0056-04Extracti on of L 2l acti c ac i d fro m ferm en t a ti on broth by n 2but anolWANG J ia 2wei,L I Zheng,T AN Tian 2wei(Beijing B i op r ocess Key Laborat ory,College of L ife Science and Technol ogy,Beijing Universityof Che

3、m ical Technol ogy,Beijing 100029,China Abstract:The extracti on of L 2lactic acid fr om fer mentati on br oth by n 2butanol was investigated .The ex 2peri m ental results showed the extracti on rate was 7517%under the op ti m ized conditi ons of the n 2butanol t o lactic acid molar rati o at 11,te

4、mperature at 25,and three ti m es of extracti on .The extracted m ix 2ture could be used directly t o p r oduce n 2butyl lactate and avoiding redundant separati on of L 2latic acid .Key words:n 2butanol;distributi on coefficient;extracti on;L 2lactic acid乳酸是一種無(wú)色或略帶黃色的糖漿狀液體。他是世界上公認(rèn)的三大有機(jī)酸之一,被廣泛應(yīng)用于食品,釀

5、造、醫(yī)藥、皮革、卷煙、化工和印染等工業(yè)中。人們還發(fā)現(xiàn)乳酸的聚合物作為一種可生物降解的新一代高分子材料具有生物降解性1,其應(yīng)用可擴(kuò)展到醫(yī)藥、塑料等領(lǐng)域。應(yīng)用價(jià)值日益為人們所重視。乳酸的生產(chǎn)分為合成法和發(fā)酵法兩大類。乳酸主要以發(fā)酵法獲得,其優(yōu)勢(shì)在于原料的利用及轉(zhuǎn)化率較高,但其分離難度大,操作條件要求苛刻。已經(jīng)報(bào)道過(guò)應(yīng)用T OP O (三正辛基氧化膦、T BP(磷酸三丁酯、高分子量的烷基化胺和季銨鹽2-4作為萃取劑來(lái)萃取有機(jī)酸,在他們的研究中,親水性的有機(jī)酸如乳酸在以上所提到的萃取劑中的萃取率都比較低。應(yīng)用正丁醇作為萃取劑將乳酸從發(fā)酵液中進(jìn)行萃取,使之形成正丁醇與乳酸的絡(luò)合物,可將此絡(luò)合物作為生成乳

6、酸丁酯的底物進(jìn)行反應(yīng),而不需要得到高純?nèi)樗?從而避開(kāi)得到高純?nèi)樗岬母卟僮饕?。乳酸丁酯是一種性能優(yōu)良、用途廣泛的溶劑,可作為硝酸纖維素及多種纖維素醚和堿性顏料的特殊溶劑,用于制造醇酸樹(shù)脂、硝基漆、油墨、粘結(jié)劑、蠟紙等。同時(shí)也是一種性能優(yōu)良的3收稿日期:2007203216基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20636010,50373003作者簡(jiǎn)介:王甲衛(wèi)(1981-男,山東泰安人,碩士研究生,研究方向:生物分離。聯(lián)系人:譚天偉,教授,博士生導(dǎo)師,E 2mail:tant w mail .buct .edu .cn .2008年1月王甲衛(wèi)等:從發(fā)酵液中萃取L 2乳酸的工藝57食用合成香料,可用

7、于一些軟飲料、冰淇淋等食品中5。 本實(shí)驗(yàn)采用正丁醇為萃取劑,所得的萃取混合物不再進(jìn)行反萃,而直接將其作為反應(yīng)底物來(lái)生成乳酸丁酯,充分提高了原料的利用率。1實(shí)驗(yàn)材料及方法1.1材料L 2乳酸發(fā)酵液(本實(shí)驗(yàn)室自制,正丁醇,濃硫酸(分析純,S BA 240C 型生化傳感分析儀(山東省科學(xué)院,pH 計(jì)。1.2實(shí)驗(yàn)方法1.2.1乳酸含量的測(cè)定采用S BA 240C 型生化傳感分析儀。1.2.2乳酸萃取的方法取一定濃度的乳酸發(fā)酵液,加入適量的正丁醇,充分?jǐn)嚢韬?移置分液漏斗,幾分鐘后,即可完全分層,界面清晰可見(jiàn),分相后,應(yīng)用11211的測(cè)定方法分別測(cè)定有機(jī)相和水相中乳酸的含量。2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論實(shí)驗(yàn)中,正丁

8、醇與水充分混合分層后,兩者的質(zhì)量比為,即在以下的實(shí)驗(yàn)中,假設(shè)正丁醇與水為互不相溶。實(shí)驗(yàn)為多級(jí)錯(cuò)流萃取實(shí)驗(yàn)。乳酸的分配系數(shù)由公式(1定義,如下:D =乳酸在有機(jī)相中的平衡質(zhì)量濃度(g/L 乳酸在水相中的平衡質(zhì)量濃度(g/L (12.1乳酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)分配系數(shù)的影響發(fā)酵液中乳酸含量的不同,從而使其推動(dòng)力也不相同,導(dǎo)致不同的分配系數(shù)。由圖1可看出,隨著發(fā)酵液中乳酸濃度的升高,乳酸在有機(jī)相中的分配系數(shù)也越來(lái)越高,并且乳酸與正丁醇的摩爾比不同時(shí),其分配系數(shù)趨于平緩時(shí)乳酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)是不同的。在酯化反應(yīng)過(guò)程中,正丁醇不應(yīng)太過(guò)量,所以在以下實(shí)驗(yàn)中選擇n (乳酸n (正丁醇為11時(shí)作為其萃取條件,當(dāng)乳酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到

9、30%時(shí),其曲線已漸平緩,說(shuō)明此時(shí)在乳酸已經(jīng)在有機(jī)相中達(dá)飽和,即使提高發(fā)酵液中乳酸的濃度,其分配系數(shù)提高不明顯。2.2溫度對(duì)分配系數(shù)的影響溫度升高,其推動(dòng)力也會(huì)相應(yīng)增大,其分配系圖1乳酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)分配系數(shù)的影響Fig .1Effect of the lactic acid concentrati onon distributi on coefficient數(shù)也會(huì)提高,實(shí)驗(yàn)時(shí),乳酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%,乳酸與正丁醇的比值為11。從圖2可看出,在水2乳酸2正丁醇體系中,溫度升高,乳酸分配系數(shù)有所增大,但其分配系數(shù)升高緩慢。溫度升高,操作能耗增加,所以選擇溫度在室溫下進(jìn)行。圖2溫度對(duì)分配系數(shù)的影響Fi

10、g .2Effect of the te mperature on distributi on coefficient2.3pH 值對(duì)分配系數(shù)的影響乳酸的解離常數(shù)為3186,但從發(fā)酵液中將乳酸再生,適宜的pH 應(yīng)小于3186,通過(guò)做不同pH 下的分配系數(shù),可以看出隨著pH 的降低,其分配系數(shù)增大。另外,在發(fā)酵液的pH 在3186左右時(shí),發(fā)酵液中仍然含有少量的鹽未能沉淀,而將發(fā)酵液一直酸化到2時(shí),發(fā)酵液中再次沉淀出沉淀物。以pH 在3186左右時(shí)的發(fā)酵液進(jìn)行萃取,會(huì)有少量的鹽因?yàn)樗娜芙鈴亩M(jìn)入到有機(jī)相中,會(huì)對(duì)后面的酯化過(guò)程產(chǎn)生一定影響,在pH =2時(shí)進(jìn)行萃取,能進(jìn)入到有機(jī)相中的鹽類相對(duì)減少很多

11、,所以綜合考慮,選定在pH =2時(shí)為較好的操作條件。58生物加工過(guò)程第6卷第1期圖3不同pH 對(duì)分配系數(shù)的影響Fig .3Effect of the pH on distributi on coefficient2.4攪拌時(shí)間對(duì)分配系數(shù)的影響 攪拌過(guò)程中使用磁力攪拌進(jìn)行有機(jī)相與水相的混合,能否充分混合,是決定分配系數(shù)的一個(gè)重要參數(shù),使用漩渦振蕩器和磁力攪拌器進(jìn)行對(duì)比,前者在混合過(guò)程中水相和有機(jī)相始終分層,不能達(dá)到很好的混合效果,后者則可以將水相和有機(jī)相進(jìn)行充分混合。圖4給出了以磁力攪拌器進(jìn)行混合后的分配系數(shù)圖。由圖4可看出,隨著攪拌時(shí)間的增長(zhǎng),其分配系數(shù)幾乎不變,可推斷在一分鐘之內(nèi)已能將水相和

12、有機(jī)相充分混合。 圖4攪拌時(shí)間對(duì)分配系數(shù)的影響Fig .4Effect of the stir ti m e on distributi on coefficient2.5萃取3次后的萃取率因?yàn)槿樗嵩谟兴嶂械姆峙湎禂?shù)并不是很高,所以要達(dá)到較高的萃取率,需要多次萃取。圖5給出了萃取3次后總的萃取率。2.6萃取相中乳酸純度的分析雖然發(fā)酵過(guò)程中的代謝產(chǎn)物比較復(fù)雜,但以本實(shí)驗(yàn)室的菌種發(fā)酵代謝途徑中,主要是以產(chǎn)乳酸為主,同時(shí)不可避免的代謝少量其他副產(chǎn)物。預(yù)處理圖5萃取3次后總的萃取率Fig .5Total extracti on rate after tree ti m es extraction圖6乳

13、酸標(biāo)準(zhǔn)品液相譜圖Fig .6Lactic acid standard HP LC s pectrum圖7乳酸發(fā)酵液液相譜圖Fig .7Fer mentati on br oth HP LC s pectru m后的發(fā)酵液中依然含有少量的副產(chǎn)物。經(jīng)紫外掃描確定,在波長(zhǎng)210nm 時(shí),有較大吸收。用C 218(5,250mm ×416mm 色譜柱以5mmol 的硫酸為流動(dòng)相,波長(zhǎng)210nm ,流速018mL /m i m 的條件進(jìn)行液相色譜的分析,乳酸標(biāo)準(zhǔn)品為阿法埃莎公司的純2008年1月王甲衛(wèi)等:從發(fā)酵液中萃取L2乳酸的工藝59度為98%的晶體乳酸。液相色譜圖30m in之內(nèi)只有乳酸表

14、現(xiàn)出響應(yīng),其他少量雜質(zhì)未能出峰,為此,做質(zhì)譜圖以進(jìn)行再次驗(yàn)證。質(zhì)譜條件:離子源ESI2,錐孔電壓為30V,流動(dòng)相配比為V(乙腈V(水=8020,用甲醇稀釋樣品。荷質(zhì)比為8815的物質(zhì)為乳酸。圖8中,質(zhì)譜圖中荷質(zhì)比大于200以后沒(méi)有物質(zhì)峰出現(xiàn),而在圖9中荷質(zhì)比為30619處出現(xiàn)物質(zhì)峰,可以認(rèn)為發(fā)酵液中不存在這種物質(zhì)。另外,荷質(zhì)比為9615的物質(zhì)沒(méi)有出現(xiàn)在圖9中,說(shuō)明這種物質(zhì)沒(méi)有進(jìn)入到有機(jī)相中,而荷質(zhì)比為10516的物質(zhì)均有出現(xiàn)。從乳酸代謝途徑可能的產(chǎn)生物質(zhì)(乙醇、乙酸、丙酮酸、檸檬酸等來(lái)看,沒(méi)有一種物質(zhì)能與其對(duì)應(yīng),推測(cè)可能是代謝途徑以外的副產(chǎn)物。發(fā)酵過(guò)程中主要以產(chǎn)乳酸為主,不可避免的會(huì)產(chǎn)生其他副

15、產(chǎn)物,但以有機(jī)物萃取時(shí),可以避免部分雜質(zhì)進(jìn)入有機(jī)相,減少對(duì)后續(xù)工序的影響。圖8乳酸發(fā)酵液質(zhì)譜圖Fig.8Fer mentati on br oth mass s pectr ometry s pectru m圖9萃取有機(jī)相質(zhì)譜圖Fig.9O rganic phase mass s pectr ometry s pectru m3結(jié)論經(jīng)過(guò)3次萃取后,以正丁醇為萃取劑萃取乳酸的萃取率可達(dá)到7517%,不需要將乳酸進(jìn)行反萃,將得到的產(chǎn)品作為底物進(jìn)行酯化提高了乳酸的利用率。由實(shí)驗(yàn)確定的最佳操作條件為溫度在25下,pH為2,乳酸在發(fā)酵液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到30%時(shí),進(jìn)行萃取,經(jīng)過(guò)3次萃取后,萃取率為7517

16、%。參考文獻(xiàn):1曹本昌,徐建林.L2乳酸研究綜述J.食品與發(fā)酵工業(yè),1993,19(3:56261.2Hano T,Matsumot o M,Ohtake T,Extracti on equilibria of organicacids with tri2n2octyl phos phineoxideJ.J Che m Eng Jpn,1990,23(6:7342738.3Matsumot o M,O t ono T,Kondo K.Synergistic extracti on of organ2ic acids with tri2n2octyla m ine and tri2n2butyl phos phat