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从发酵液中萃取L乳酸的工艺
Jan.2008・56 ・
生物加工过程
ChineseJournalofBioprocessEngineering
第6卷第1期
2008年1月
从发酵液中萃取L2乳酸的工艺
王甲卫,李 政,谭天伟
3
(北京化工大学 生命科学与技术学院生物加工过程重点实验室,北京100029
摘 要:
以L2乳酸发酵液为对象,以正丁醇为萃取剂,在pH为2、温度为25℃、n(乳酸:
n(正丁醇=1∶1、乳酸在发酵液中的质量分数为30%时,经3次萃取后,最终的萃取率可达到7517%。
萃取完成后,不需要将乳酸进行反萃,可将所得到的正丁醇2乳酸的混合体系作为底物进行酯化反应,生成乳酸丁酯,从而避开提取纯乳酸的高操作要求。
关键词:
正丁醇;分配系数;萃取;L2乳酸
中图分类号:
Q815;TQ921+13 文献标识码:
A 文章编号:
1672-3678(200800-0056-04
ExtractionofL2lacticacidfromfermentationbrothbyn2butanol
WANGJia2wei,LIZheng,TANTian2wei
(BeijingBioprocessKeyLaboratory,CollegeofLifeScienceandTechnology,BeijingUniversity
ofChemicalTechnology,Beijing100029,China
Abstract:
TheextractionofL2lacticacidfromfermentationbrothbyn2butanolwasinvestigated.Theex2perimentalresultsshowedtheextractionratewas7517%undertheoptimizedconditionsofthen2butanoltolacticacidmolarratioat1∶1,temperatureat25℃,andthreetimesofextraction.Theextractedmix2turecouldbeuseddirectlytoproducen2butyllactateandavoidingredundantseparationofL2laticacid.Keywords:
n2butanol;distributioncoefficient;extraction;L2lacticacid
乳酸是一种无色或略带黄色的糖浆状液体。
他是世界上公认的三大有机酸之一,被广泛应用
于食品,酿造、医药、皮革、卷烟、化工和印染等工业中。
人们还发现乳酸的聚合物作为一种可生物
降解的新一代高分子材料具有生物降解性[1]
其应用可扩展到医药、塑料等领域。
应用价值日益为人们所重视。
乳酸的生产分为合成法和发酵法两大类。
乳酸主要以发酵法获得,其优势在于原料的利用及转化率较高,但其分离难度大,操作条件要求苛刻。
已经报道过应用TOPO(三正辛基氧化膦、TBP
(磷酸三丁酯、高分子量的烷基化胺和季铵盐
[2-4]
作为萃取剂来萃取有机酸,在他们的研究中,亲水性的有机酸如乳酸在以上所提到的萃取剂中的萃取率都比较低。
应用正丁醇作为萃取剂将乳酸从发酵液中进行萃取,使之形成正丁醇与乳酸的络合物,可将此络合物作为生成乳酸丁酯的底物进行反应,而不需要得到高纯乳酸,从而避开得到高纯乳酸的高操作要求。
乳酸丁酯是一种性能优良、用途广泛的溶剂,可作为硝酸纤维素及多种纤维素醚和碱性颜料的特殊溶剂,用于制造醇酸树脂、硝基漆、油墨、粘结剂、蜡纸等。
同时也是一种性能优良的
3收稿日期:
2007203216
基金项目:
国家自然科学基金资助项目(20636010,50373003
作者简介:
王甲卫(1981-男,山东泰安人,硕士研究生,研究方向:
生物分离。
联系人:
谭天伟,教授,博士生导师,E2mail:
tantw@mail.buct.edu.cn.
2008年1月王甲卫等:
从发酵液中萃取L2乳酸的工艺・57 ・
食用合成香料,可用于一些软饮料、冰淇淋等食
品中[5]
。
本实验采用正丁醇为萃取剂,所得的萃取混合物不再进行反萃,而直接将其作为反应底物来生成乳酸丁酯,充分提高了原料的利用率。
1 实验材料及方法
1.1 材料
L2乳酸发酵液(本实验室自制,正丁醇,浓硫
取一定浓度的乳酸发酵液,加入适量的正丁醇,充分搅拌后,移置分液漏斗,几分钟后,即可完全分层,界面清晰可见,分相后,应用11211的测定方法分别测定有机相和水相中乳酸的含量。
2 实验结果与讨论
实验中,正丁醇与水充分混合分层后,两者的质量比为,即在以下的实验中,假设正丁醇与水为互不相溶。
实验为多级错流萃取实验。
乳酸的分配系数由公式(1定义,如下:
D=乳酸在有机相中的平衡质量浓度(g/L乳酸在水相中的平衡质量浓度(g/L(1
2.1 乳酸质量分数对分配系数的影响
发酵液中乳酸含量的不同,从而使其推动力也不相同,导致不同的分配系数。
由图1可看出,随着发酵液中乳酸浓度的升高,乳酸在有机相中的分配系数也越来越高,并且乳酸与正丁醇的摩尔比不同时,其分配系数趋于平缓时乳酸质量分数是不同的。
在酯化反应过程中,正丁醇不应太过量,所以在以下实验中选择n(乳酸∶n(正丁醇为1∶1时作为其萃取条件,当乳酸质量分数达到30%时,其曲线已渐平缓,说明此时在乳酸已经在有机相中达饱和,即使提高发酵液中乳酸的浓度,其分配系数提高不明显。
2.2 温度对分配系数的影响
温度升高,其推动力也会相应增大,
其分配系
图1 乳酸质量分数对分配系数的影响
Fig.1 Effectofthelacticacidconcentration
ondistributioncoefficient
数也会提高,实验时,乳酸的质量分数为30%,乳酸与正丁醇的比值为1∶1。
从图2可看出,在水2乳酸2正丁醇体系中,温度升高,乳酸分配系数有所增大,但其分配系数升高缓慢。
温度升高,操作能耗增加,所以选择温度在室温下进行。
图2 温度对分配系数的影响
Fig.2 Effectofthetemperatureondistributioncoefficient
2.3 pH值对分配系数的影响
乳酸的解离常数为3186,但从发酵液中将乳酸再生,适宜的pH应小于3186,通过做不同pH下的分配系数,可以看出随着pH的降低,其分配系数增大。
另外,在发酵液的pH在3186左右时,发酵液中仍然含有少量的盐未能沉淀,而将发酵液一直酸化到2时,发酵液中再次沉淀出沉淀物。
以pH在3186左右时的发酵液进行萃取,会有少量的盐因为
水的溶解从而进入到有机相中,会对后面的酯化过程产生一定影响,在pH=2时进行萃取,能进入到有机相中的盐类相对减少很多,所以综合考虑,选定在pH=2时为较好的操作条件。
・58 ・
生物加工过程
第6卷第1期
图3 不同pH对分配系数的影响
Fig.3 EffectofthepHondistributioncoefficient
2.4 搅拌时间对分配系数的影响
搅拌过程中使用磁力搅拌进行有机相与水相的混合,能否充分混合,是决定分配系数的一个重要参数,使用漩涡振荡器和磁力搅拌器进行对比,前者在混合过程中水相和有机相始终分层,不能达到很好的混合效果,后者则可以将水相和有机相进行充分混合。
图4给出了以磁力搅拌器进行混合后的分配系数图。
由图4可看出,随着搅拌时间的增长,其分配系数几乎不变,可推断在一分钟之内已能将水相和有机相充分混合
。
图4 搅拌时间对分配系数的影响
Fig.4 Effectofthestirtimeondistributioncoefficient
2.5 萃取3次后的萃取率
因为乳酸在有酸中的分配系数并不是很高,所
以要达到较高的萃取率,需要多次萃取。
图5给出了萃取3次后总的萃取率。
2.6 萃取相中乳酸纯度的分析
虽然发酵过程中的代谢产物比较复杂,但以本实验室的菌种发酵代谢途径中,主要是以产乳酸为主,同时不可避免的代谢少量其他副产物。
预处理
图5 萃取3次后总的萃取率
Fig.5 Totalextractionrateaftertreetimesextracti
on
图6 乳酸标准品液相谱图
Fig.6 LacticacidstandardHPLCspectru
m
图7 乳酸发酵液液相谱图
Fig.7 FermentationbrothHPLCspectrum
后的发酵液中依然含有少量的副产物。
经紫外扫描确定,在波长210nm时,有较大吸收。
用C218(5μ,250mm×416mm色谱柱以5mmol的硫酸为流动相,波长210nm,流速018mL/mim的条件进行液相色谱的分析,乳酸标准品为阿法埃莎公司的纯
2008年1月王甲卫等:
从发酵液中萃取L2乳酸的工艺・59
・度为98%的晶体乳酸。
液相色谱图30min之内只有乳酸表现出响应,
其他少量杂质未能出峰,为此,做质谱图以进行再
次验证。
质谱条件:
离子源ESI2,锥孔电压为30V,
流动相配比为V(乙腈∶V(水=80∶20,用甲醇稀
释样品。
荷质比为8815的物质为乳酸。
图8中,质谱图
中荷质比大于200以后没有物质峰出现,而在图9
中荷质比为30619处出现物质峰,可以认为发酵液
中不存在这种物质。
另外,荷质比为9615的物质没有出现在图9中,说明这种物质没有进入到有机相中,而荷质比为10516的物质均有出现。
从乳酸代谢途径可能的产生物质(乙醇、乙酸、丙酮酸、柠檬酸等来看,没有一种物质能与其对应,推测可能是代谢途径以外的副产物。
发酵过程中主要以产乳酸为主,不可避免的会产生其他副产物,但以有机物萃取时,可以避免部分杂质进入有机相,减少对后续工序的影响。
图8 乳酸发酵液质谱图
Fig.8 Fermentationbrothmassspectrometryspectrum
图9 萃取有机相质谱图
Fig.9 Organicphasemassspectrometryspectrum
3 结 论
经过3次萃取后,以正丁醇为萃取剂萃取乳酸的萃取率可达到7517%,不需要将乳酸进行反萃,将得到的产品作为底物进行酯化提高了乳酸的利用率。
由实验确定的最佳操作条件为温度在25℃下,pH为2,乳酸在发酵液中的质量分数达到30%时,进行萃取,经过3次萃取后,萃取率为7517%。
参考文献:
[1] 曹本昌,徐建林.L2乳酸研究综述[J].食品与发酵工业,1993,
19(3:
56261.
[2] HanoT,MatsumotoM,OhtakeT,Extractionequilibriaoforganic
acidswithtri2n2octylphosphineoxide[J].JChemEngJpn,1990,
23(6:
7342738.
[3] MatsumotoM,OtonoT,KondoK.Synergisticextractionoforgan2
icacidswithtri2n2octylamineandtri2n2butylphosphate[J].Separ
PurifTechnol,2001,24(112:
3372342.
[4] MatsumotoM,TakagiT,NakasoT,etal.Extractionequilibriaof
organicacidswithtri2n2octylmethylammoniumchloride[J].Solv
ExtrResDevJpn,1999,6:
1442150.
[5] 化工部科技情报所.化工产品手册(有机化工原料:
上册
[K].北京:
化学工业出版社,1985:
3332334.
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