CN1993473A - 一种由可再生的原料生产聚乳酸（pla）的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种由可再生的农业原料的发酵高效生产聚乳酸的方法，并不限于用糖滓或甘蔗渣作为原料。本发明尤其提供了一种经济的工业方法，用于通过乳酸的发酵生产聚乳酸，具有工业实用性。

Description

一种由可再生的原料生产聚乳酸（PLA）的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2004年5月提交的申请号为576/MUM/2004的印度临时专利申请为优先权。

技术领域

本发明涉及一种由可再生农业原料的发酵高效生产聚乳酸的方法，并不限于用糖滓(molasses)或甘蔗渣作为原料。本发明尤其提供了一种通过乳酸的发酵生产聚乳酸的经济的具有工业规模的方法，具有工业实用性。

背景技术

近些年，由于在生产生物降解塑料中作为结构单元的重要性，乳酸发酵越来越被重视。乳酸可以从各种基质中产生，例如乳清渗透物和淀粉水解产物，其分别为乳糖和葡萄糖的来源。

最近，已经认识到乳酸可以作为一种新的可再生的生物可降解交酯聚合物的原料。这些生物可降解聚合物被认为是现有塑料材料的替代品或各种新用途的替代品，例如用于发展骨外科手术中支撑或固定膜、使用的塑料制品和容器、医疗服装、一次性尿布、庭院废物包等，其中优选生物可降解的。

用途不同，使用的乳酸纯度不同。用于工程用途时，例如在金属和皮革中，使用低工业级乳酸；在食品相关应用中使用较纯一点的食品级乳酸。高纯度的用于医药领域。然而，作为交酯聚合物原料的乳酸要求纯度极高，热稳定性也极高，尤其优选游离的异构体L-或D-型。

印度有丰富的可再生农业资源可以用做生产乳酸的原料，该乳酸是生产聚乳酸(PLA)的结构单元。

聚乳酸(PLA)是一种由乳酸衍生的生物可降解聚合物。它是一种高度通用的材料，并且由100％可再生资源制成，例如玉米、甜菜、小麦和其他富含淀粉的产品。聚乳酸的很多性质与石油类塑料相当或更好，因此适于各种应用。聚乳酸是一种通用聚合物，有很多潜在的用途，包括很多在纺织和医药工业以及包装工业的应用。聚乳酸还有很多在纤维和无纺布中的潜在用途。它很容易通过常规的熔纺工艺转化为各种纤维状。

据估计，全球石油资源将在80年后用尽，天然气70年，煤700年，但是能源枯竭带来的经济影响来得更快，因为价格会随着能源枯竭而飞升。很明显，研究人员需要以用可再生资源代替化石燃料生产石油类产品为工作目的。用名为聚乳酸(PLA)的聚合物已经得到一些进展，该材料是一种从可再生资源制得的能担负得起且可循环利用的新材料。由可再生农业原料生产聚乳酸是一种尝试，以平衡资源，得到化石燃料的植物类替代物。另外，乳酸类聚合物良好的生物可降解性和它们可循环利用性/可堆肥性的环保特性提高了它们的发展潜力和需要。

本发明是沿这一方向进行的一种尝试，本发明提供了一种由可再生的农业原料高效生产聚乳酸的方法，所述农业原料例如为淀粉材料和纤维素材料，如木头、甘蔗渣、麦秆、稻草糖渣(rice straw molasses)、甘蔗或甜菜根的衍生物。

商业上，乳酸可以由化学合成或可再生碳水化合物发酵制成。随着公众关注的提高和政府对温室气体排放和环境污染的规定的增加，用可再生物质资源通过环境兼容的发酵生物过程生产乳酸优于使用化石燃料(煤、石油或天然气)的化学合成。

聚乳酸不是一种新材料。它已经有几十年了。在1932年，杜邦的科学家Wallace Carothers通过在真空下加热乳酸生产了一种低分子量产品。在1954年，经过进一步改良，杜邦获得了Carothers方法的专利。

由于高成本，从那以后，焦点一直在医用缝合线的生产、植入物和受控的药物释放应用上。单体的生产成本已经成为该聚合物广泛发展的障碍。近来，葡萄糖的发酵取得一些进步，其中将葡萄糖转化为乳酸，从而显著地降低了生产乳酸的成本，大大增加了聚合物的利润。

乳酸、2-羟基丙酸或α-羟基丙酸是通过合成和发酵方法生产/制备的，用于作为食品保藏、医药品、鞣革和金属酸洗的特殊化学过程的起始原料。乳酸的两种旋光异构体(对映体)为如下所示的L(+)或S(+)-右旋和D(-)或R(-)左旋，

     L(+)乳酸                                D(-)乳酸

乳酸的化学合成导致外消旋混合物，其中两种对映体等量存在，然而微生物方法主要产生对映体中的一个。

L-乳酸对于产生生物可降解聚合物是必要的。一般通过在发酵过程中选择合适的微生物菌株生产L-乳酸，包括葡萄糖、果糖、半乳糖等单糖或蔗糖或乳糖等二糖向乳酸转化。一些仅产生乳酸的同型发酵菌株包括Lactobacillus delbruekii、L.casei、L.acidophilus和L.bulgaricus。前者消耗蔗糖、葡萄糖或果糖，但没有乳糖，而后三者除了其他糖外还消耗乳糖和半乳糖。乳糖的生物生产很复杂，原因是乳酸的产生造成pH降低而引起抑制作用，还有从稀释的水性发酵液中产生乳酸的后处理的花费很高。乳酸生产的常规方法为用Lactobacillus sp.在罐批发酵反应器中厌氧发酵。为了保持发酵过程连续，将产生的酸用碱中和或从发酵系统中除去。常规方法使用碳酸钙或氢氧化钠中和产生的酸。然后用各种方法将对应的乳酸盐从发酵液中分离，包括溶剂萃取法、电渗析或蒸馏或一种或多种方法的组合。

聚乳酸的生产需要由碳水化合物原料等食用可再生资源用生物化学方法得到的以L-乳酸为主的高纯度乳酸。常规的工业方法包括从发酵液中除去生物质、然后酸化、纯化、浓缩和聚合。本发明叙述了一种高效的方法，其中从廉价的可再生农业原料发酵主要得到L-乳酸，例如将糖滓或甘蔗渣的水解产物分离、纯化和浓缩得到粗交酯，进一步纯化后聚合得到聚乳酸。

乳酸的发酵生产是得到生产聚乳酸所需的光学纯异构体的常用方法。Carlso等人的美国专利475759(2002年11月5日)提供一种低pH乳酸发酵方法，包括在营养培养基中培养耐酸同型乳酸菌(homolacticbacteria)产生具有高浓度游离乳酸的发酵液。还可以提供分离得到的能产生高浓度游离乳酸的耐酸同型乳酸菌。该专利特别涉及一种可以耐低pH的细菌，因此会限制该专利的方法，其利用了该特定菌株。。这里使用的发酵方法为罐批发酵型。现有技术使用碳酸钙中和产生的酸，最终生成大量硫酸钙(石膏)，从而引起废物处理这一问题，而且硫酸钙对环境不利。

一般用玉米糖浆(Corn syrup)、淀粉、玉米浆、玉米油、牛奶乳清、糖、甜菜和甘蔗汁作为发酵方法的原料。Glessner和David A等人的EP0393818 A1提供了一种生产和纯化乳酸的方法，包括在廉价的含有碳水化合物、玉米浆和玉米油的基质中培养产生乳酸的微生物，直到大部分碳水化合物转化为乳酸。所有这些原料具有食品的价值。实际上，基质的成本是通过发酵低成本生产乳酸的一个现存问题。本发明的发明者用一种廉价的基质，制糖工业的副产品/废品，糖滓和甘蔗渣的水解产物作为乳酸发酵的原料，这些原料没有作为食品的价值。

上述专利涉及一种利用产生乳酸盐的微生物的活菌株(robust strain)通过发酵生产和纯化乳酸的方法，可以在从廉价的发酵培养基中生产高浓度乳酸盐，并且用常规电渗析方法进行纯化以从含有细胞和含氮杂质的全发酵液中回收和浓缩乳酸盐；进行分水电渗析(water-splittingelectrodialysis)将乳酸盐转化为乳酸，用离子交换进行碱处理除去乳酸中的带电杂质。这个方法受到限制，因为是昂贵的电能，而不是其它能源才能使该方法进行下去。而且在电渗析过程中使用的高分子膜对于杂质很敏感，而把它们应用到糖滓的发酵产物时则需要昂贵的纯化操作。

Donald McOulgg等人的EP 0790229A1描述了一种从培养基中回收乳酸的方法，通过将其与具有叔胺或吡啶基的固相游离碱聚合物接触，以吸收乳酸。然后用强酸或热水脱附该乳酸。该方法的主要问题是，树脂负载发酵液中其他不需要的离子和酸性物质、要求高再生效率和发酵液中有机大分子和色素对树脂的污染。

Ohara等人的美国专利6,569,989、Gruber等人的美国专利6,326,458和Michael Cockrem等人的WO 93/00440涉及一种从乳酸生产交酯和聚乳酸的方法，包括发酵、从乳酸合成乳酸酯、蒸馏乳酸酯、在催化剂存在下缩聚乳酸酯得到分子量为5000-15000的预聚物，预聚物解聚得到交酯和开环聚合得到聚乳酸。如果需要，水解酯得到乳酸。该方法包括两步高耗能蒸馏，另外可能发生外消旋作用。

Avraham等人的美国专利6,472,559，Abraham.M.Baniel等人的EP0804607 B1和Abraham.M.Baniel等人的美国专利6,087,532描述了一种从发酵液中用混合溶剂在CO₂存在下分离和回收乳酸，然后用水在80-240℃高温下反萃取的方法。该方法通常包括除水得到40-70％预浓缩料液，该步骤耗能大。该方法还受到一些限制，例如使用高分子量的三烷基胺等昂贵的溶剂，不易处理溶剂混合物及其回收，以及其他相关问题。

Katashi Enomoto等人的美国专利5,310,865公开了一种通过进行在含有有机溶剂的反应混合物中对羟基羧酸或低聚物进行脱水缩合制造多羟基羧酸的方法。该有机溶剂用于通过共沸蒸馏除去浓缩中的水。该方法的局限在于很多用途所需的分子量大于100000的极高分子量聚合物的制备，因为很难除去痕量的水份。

Patrick Richard Gruber等人在美国专利6,326,458中公开的生产交酯和交酯聚合物的连续过程，包括由乳酸或乳酸酯在催化剂存在下制备交酯和交酯聚合物，得到聚乳酸粗品和预聚物，如果使用酯则还产生反应副产物。从预聚物得到的粗交酯在用于聚合之前需通过蒸馏纯化。用乳酸酯作为起始原料产生的副产物和耗能的粗交酯的蒸馏大大增加了该方法的成本。

所有现有技术通过发酵生产乳酸的方法不是要求较纯的培养细菌的基质，就是要求复杂的有毒溶剂用于分离乳酸。而且，回收溶剂很困难，通过蒸馏分离该溶剂所用的能量很高。因此这些方法成本高而且耗时。一些现有技术提供了低pH乳酸发酵方法，包括在营养培养基中培养耐酸同型乳酸菌产生具有高度游离乳酸的发酵液。而且，现有技术使用碳酸钙中和产生的酸最终生成大量硫酸钙(石膏)，从而引起废物处理这一问题，而且硫酸钙对环境不利。

顾及到目前紧急的需要，现在的科学家已经开发出一种由非食用可再生农业原料发酵生产聚乳酸的新方法。

根据本发明，由非食用可再生农业原料发酵生产聚乳酸，本发明的方法比使用淀粉基质所谓原料的常规方法要相对廉价。

在本发明中，pH的调节通过使用氨完成，其不会像常规方法那样形成盐沉淀(石膏)。本发明的方法避免形成盐沉淀，因此解决了废物处理的问题。

与常规方法相比，本发明提供了一种方法，其用单一溶剂在环境温度下从发酵液中分离乳酸，而常规方法使用昂贵溶剂的混合物，还有一些常规方法采用了预浓缩步骤。

本发明还提供了一种方法，其中方法中的溶剂再生/回收总是定量的而没有任何高温操作和/或蒸馏的耗能步骤。因此再生的溶剂无需任何处理即在萃取中再利用。

在本发明的方法中，预聚合和交酯形成步骤是联合在一个操作单元中。本发明还提供了一个方法，其中分离、浓缩和纯化通过在环境温度下利用亲和力驱动方法同时达到，代替了在一些常规方法中使用的耗能驱动方法。

与常规方法相比，发明人开发的本发明的方法效率高、成本低且简便。发明目的

本发明的一个目的是提供一种由可再生的农业原料作为起始原料高效生产聚乳酸的方法。本发明的方法的萃取效率大于90％，而常规方法要求的是90％。

本发明的一个目的是提供一种由糖滓或甘蔗渣水解产物等可再生的农业原料高效生产聚乳酸的方法，该原料是制糖工业的废品，由于使用了最高效的方法生产PLA，因此非常节省成本。

本发明的另一个目的是提供一种方法，其可成功地使用其他可再生农业原料，例如玉米糖浆、甜菜或甘蔗汁。

本发明的又一个目的是提供一种方法，其用单一溶剂在环境温度下从发酵液中分离乳酸，而一些常规方法使用了昂贵溶剂的混合物以及预浓缩步骤。

本发明的再一个目的是提供一种方法，其中本发明方法中的溶剂再生/回收总是定量的，而没有任何高温操作和/或蒸馏的耗能步骤。

本发明的又一个目的是提供一种方法，其中反萃取步骤使用了碱金属或碱土金属的氢氧化物，不同于其他一些温度驱动和高能耗操作的方法，本方法是亲和力驱动的而且能耗较低。该再生溶剂可无需任何进一步的处理就再利用于萃取中。

本发明的另一个目的是提供一种方法，其中浓缩的乳酸溶液在反应器中于120-155℃高蒸汽温度下直接用于交酯的形成，对应的液体温度为180-225℃，真空度为5-30mm Hg，同时把预聚合和交酯形成步骤结合至一个单元操作中。

本发明的再一个目的是提供一种方法，其中交酯的纯化是通过用有机溶剂进行结晶而完成，其中母液再利用于进一步制备交酯中。其他一些方法公开了涉及高真空和能量的真空蒸馏纯化。

本发明的又一个目的是提供一种方法，其中分离、浓缩和纯化通过亲和力驱动在环境温度下同时达到，代替了在一些常规方法中用温度或电驱动的方法。

通过下面优选实施例的详细说明和相关的附图，本发明的前述和其他的目的及优点将会更加清晰。

附图说明

图1为根据本发明的一个实施例绘制的从糖滓发酵生产聚乳酸的框图。

本发明的详细描述

本发明描述了一种生产聚乳酸的方法，该方法使用可再生农业原料，例如糖滓或甘蔗渣水解产物作为原料。使用的可再生农业原料可以是可食用或不可食用的。本发明的方法包括将原料发酵，得到乳酸，从发酵液中分离得到乳酸，将乳酸转化为交酯和聚乳酸。本发明的方法包括下列步骤：

i.用蔗糖滓或甘蔗渣作为原料制备乳酸培养基；

ii.乳酸发酵；

iii.分离乳酸；和

iv.制备交酯和PLA。

本发明的一个方面中，用蔗糖滓或甘蔗渣作为原料制备发酵培养基。

在本发明中，发酵培养基是如此制得的：将含有约40-50％(w/w)可发酵糖的蔗糖滓离心除去悬浮物，用水稀释得到最终可发酵糖浓度为7-10％(w/w)。培养基用其他氮源和其他生长成分补充。在大规模处理中，稀释的糖滓溶液富含2-5％玉米浆和高压灭菌处理过的酵母泥。

用甘蔗渣作为原料的发酵培养基是通过用稀释的酸在120℃下水解甘蔗渣颗粒30-90分钟制备得到的。然后用1-5％(v/v)的碱在120-150℃下进一步处理水解的甘蔗渣15-90分钟以去木质素。得到的纤维素部分用纤维素酶进行酶解。

富有葡萄糖的甘蔗渣水解产物在发酵前用氮源补充。

本发明中，乳酸的发酵在厌氧/微需氧的条件下使用如乳酸杆菌(Lactobacillus)等菌属，以罐批发酵模式进行24-48小时。在本发明的一个优选的实施例中，使用的乳酸杆菌菌株为L.delbrueckii。

本发明中，发酵培养基的pH是通过使用中和剂调节pH得到的。本发明所用的可以保持合适的pH水平的中和剂选自碱或碳酸盐或氨溶液。培养基在发酵过程中的pH用碱或碳酸盐或氨溶液一直保持在5.0-6.0。发酵温度保持在37-45℃。发酵完毕后，含有乳酸的发酵液通过离心澄清，进行下游处理。

用有机溶剂，例如异戊醇、丁醇、环己酮、乙酸甲酯等萃取澄清的发酵液，所用比例为1∶1至1∶5，使用合适的接触装置，例如旋转盘抽提塔。得到萃取物进行后面的过程。本发明可得的萃取效率大于90％。含有乳酸的萃取物与水性碱接触，例如氨、石灰、苛性碱(caustic)等，比例为1∶3至1∶10。搅拌混合物1小时，沉淀2小时，发生相分离。含有乳酸盐的水相从有机萃取剂中分离，进行下游处理。有机层再循环用于萃取。用无机酸处理含有乳酸盐的水相以分离乳酸和形成的盐，如果需要的话，通过离心收集。得到的粗乳酸用阳离子树脂处理出去痕量的金属离子，用真空蒸馏浓缩至少5-6倍。

本发明的另一方面，在装有真空和加热装置的加罩的搅拌釜反应器中将浓缩的乳酸转化为交酯。初始时将内容物加热到120-150℃以除去水，然后加入0.05-2.0％(w/w)催化剂。再继续反应5-24小时，其中温度逐渐从140℃增加到275℃，真空度逐渐增加到1-20mm Hg。除去剩余的水后，将形成的交酯蒸馏出来，在冷却的接收器中收集。

得到的交酯进一步用乙酸乙酯、甲苯或醇等有机溶剂结晶纯化。纯化的交酯在合适的催化剂存在下在搅拌釜反应器中聚合。温度保持在120-200℃1-20小时。将得到的聚合物，聚乳酸(PLA)溶解在合适的溶剂中，在另一个作为促凝剂的溶剂中沉淀以表征。将得到的产品干燥，并且表征。

本发明的发明人开发了一种新的方法，与以前公开的或已知的生产PLA的方法不同，本方法有效地利用廉价的制糖工业的废品进行乳酸发酵，并将其从发酵液中回收。本发明进一步提供了乳酸浓缩和纯化的方法用于下游加工制备交酯和PLA。乳酸在发酵液中的浓度大约是4.5-5.0％(w/v)，上述发酵液用合适的有机溶剂(例如醇、酮、酯和醚)在液液萃取(LLE)装置中萃取，上述液液萃取装置例如为混合沉降器、填充柱、转盘塔、或脉动萃取塔，停留时间为半个小时至1个小时，体积比为1∶1、1∶1.25、1∶1.5、1∶2、1∶3、1∶4等，从而使萃取效率大于90％，残余液(水层)与萃取相(有机层)间的相分离良好。

然后用已知量的碱金属或碱土金属的氢氧化物(例如氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化铵等)在常规搅拌器中处理含有乳酸和一些使萃取相带有颜色的杂质的溶剂萃取相，适度搅拌半小时至1小时，然后再沉淀一段时间以得到更好的相分离。将含有乳酸的水相排出并用于下游加工。在萃取物(有机层)中，除去再生溶剂，并使其再循环回LLE装置进行如上所述的再利用。

然后用硫酸等无机酸处理含有乳酸的盐(也就是乳酸盐)的水相以在pH小于乳酸的pK值，即3.86时，沉淀金属盐，更优选pH小于3，最优选pH为2.5-3.0时沉淀金属盐。然后离心酸化的乳酸盐溶液，除去饼状金属盐，该金属盐充分地用软水洗涤以萃取吸附其中的乳酸，如果需要，所述金属盐循环回金属沉淀步骤。将过滤后的离心/过滤水溶液进行下游加工。

然后将残留在稀释的乳酸中的浓度为9-10％(w/v)的金属离子在用离子交换树脂填充的连续柱中除去，该连续柱具有合适的进出流速调节功能。在柱处理操作的末端显示pH值或直接测量金属离子。

然后在填料蒸馏塔中浓缩稀释的乳酸溶液至50-60％(w/v)，其中，回流比为1∶3∶1∶5，真空度为300-350mm，温度75-85℃。收集的蒸馏物主要是水，所述蒸馏物再循环回沉淀步骤。然后将在蒸馏塔的锅炉底部的浓缩物取出用于生产交酯。

然后将浓缩的乳酸放入搅拌釜反应器，该反应器具有合适的容量、适宜的构建材料、在罩里有加热/冷却装置，以及下游具有合适表面积的冷凝器。需要规格的交酯在如下条件下得到：蒸汽温度120-155℃，液体温度190-225℃，真空度10-30mm Hg，合适的催化剂，除去反应间的游离的和结合的水。高压釜中的剩余物含有未转化的乳酸、三聚体和其他高沸点成分。交酯的平均收率为理论量的75-80％。

上述得到的粗交酯通过乙酸乙酯、乙醇、甲醇、丁醇和大量其他溶剂等有机溶剂结晶纯化。然后将结晶的交酯过滤掉。纯的交酯用一些溶剂进一步重结晶以完全除去有色物质。纯化的交酯产率为50-60％。母液可以进一步再加工/循环用于生产交酯。

然后将纯化的结晶交酯在如下条件下聚合：在合适的钙、锌或锡化合物类催化剂存在下，在具有加热/冷却卷口(coils)的搅拌釜反应器中适度搅拌，温度为185-110℃，聚合15-20小时。然后将得到的聚合物产物(PLA)溶解在合适的溶剂中，在另一个作为促凝剂的溶剂中沉淀，然后干燥。得到分子量为20000-100000的聚合物，可以有很多应用。

本发明中的发酵可以使用用于生产各种代谢物的合适的菌株的微生物细胞。在本发明的一些生产乳酸的实施例中，使用的微生物细胞选自细菌菌种：乳酸杆菌(Lactobacillus)、链球菌(Streptococcus)、杆状菌(Bacillus)或霉菌菌株，如根霉(Rhizopus)。本发明中使用的用于生产乳酸的乳酸杆菌选自L.delbrueckii、L.rhamnosus、L.helveticus、L.casei、L.plantarum、L.bulgaricus、L.amylovorans、L.Lactis、或其类似物。在本发明的一个优选的实施例中，使用的乳酸杆菌菌株为L.delbrueckii。

本发明中的发酵可以是连续的发酵过程、罐批发酵过程或补料分批的发酵过程(fed batch fermentation)。本发明的优选方法包括在罐批发酵过程中培养细菌。

图1描述了按照上面篇章描述的从糖滓生产PLA或其盐的方法。

本发明涉及从糖滓发酵生产PLA的多步过程链，与其他方法相比具有如下优点：

1.该方法利用制糖工业的废品——可再生农业原料糖滓以最有效的方法生产PLA，因此非常节省成本。该方法可以成功地用于其他农业原料，例如玉米糖浆、甜菜、甘蔗汁，这些原料在污染方法比糖滓相对干净一些。

2.上述方法使用单一溶剂在环境温度下从发酵液中分离乳酸，与之不同常规方法使用昂贵溶剂的混合物以及预浓缩步骤。本方法的萃取效率大于90％，而其他方法为90％。

3.本方法中的溶剂再生/回收总是定量的而没有任何高温操作和/或蒸馏的耗能步骤。

4.反萃取步骤使用了碱金属或碱土金属的氢氧化物，与之不同，其他一些方法采用温度驱动和高能耗操作，本方法是亲和力驱动而且能耗较低。该再生溶剂可无需任何处理就再循环用于萃取中。

5.浓缩的乳酸溶液在容器中120-155℃高蒸汽温度下直接用于交酯发酵，对应液体温度为180-225℃，真空度5-30mm Hg，预聚合和交酯形成步骤结合在一个单元操作中。

6.交酯的纯化通过用有机溶剂结晶完成，其中母液再循环用于制备交酯。其他一些方法中公开了涉及高真空和耗能的真空蒸馏纯化。

7.分离、浓缩和纯化在环境温度下通过亲和力同时达到，进行处理，代替了在一些常规方法中用温度或电驱动。

本发明将用实施例来说明。这些实施例演示如何实施本发明，但不能认为是对本发明的限制。大多数实验工作是通过实验室装置/设备完成的。本方法的各个步骤都是在实验室规模、小试或中试设备进行，连续或间歇地作为一个单独的工序/单元操作以演示使用这样的方法在商业规模中的可行性。

实施例1

将含有甘蔗滓的发酵培养基调节到最终可发酵糖的浓度为70g/L，所述发酵培养基富有玉米浆(25g/L)和酵母提取物(10g/L)，向250ml的上述发酵培养基中加入Lactobacillus delbreuckii的24小时老培养物作为接种物，接种物的最终浓度为10％。在Gallenkamp培养振荡器的振荡烧瓶中42℃、150rpm条件下发酵72小时。发酵液的pH用CaCO₃保持在6.0。72小时后乳酸的产量为50g/L。

实施例2

将一批2L发酵培养基放入2.5L生物反应器中，该发酵培养基含有甘蔗滓、补充有25g/L玉米浆和10g/L酵母提取物。调节初始糖浓度至70g/L。将培养基接种200mL Lactobacillus delbreuckii的24小时老培养物。在42℃，200rpm的搅拌条件下发酵48小时。培养基的pH用液氨保持在6.0。完成后得到乳酸66g/L。

实施例3

按比例在500L发酵罐中将乳酸发酵增大至350L的工作体积。将含有甘蔗滓(调节到含糖70g/L)、玉米浆(25g/L)和酵母提取物(10g/L)的发酵培养基接种在100L发酵罐中生长的Lactobacillus delbreuckii(35L)的24小时老培养物。在42℃，200rpm下搅拌，发酵48小时。培养基的pH用液氨保持在6.0。乳酸产量50g/L。

实施例4

在1000L发酵罐中进行乳酸发酵。一批为800L。培养基的组成与实施例1相同。这批用的L.delbreuckii接种物(80L)长在100L发酵罐中。在42℃，搅拌200rpm条件下发酵48小时。培养基的pH用液氨保持在6.0。发酵48小时后，乳酸产量55g/L。

实施例5

通过将糖滓中的糖用Lactobacillus delbruckii发酵，然后离心，将pH降到2.0得到40mL发酵液，比色测得其含有5.8％(w/v)乳酸、4％总糖和20％溶解的总固体，所述发酵液用异戊醇以体积比1∶2溶剂萃取，同时在旋转振荡器中搅拌30min。该发酵液含有不同浓度的各种金属离子。用ICP检测到的金属离子的浓度为：钛，1.76；铬，37.53；锰，578.30；铁，2117.3；钴，42.22；镍，7.62；铜，7.038；锌，123.75；铝，52.20；铅，13.49；钼，1.76；砷，1.17；钠，105.4；钾，129.03；镁，35.07；钙，11.55(所有值的单位均为ppm)。使各相在250ml分液漏斗中分离1小时。水相用相同体积的新鲜醇再次萃取，萃取前要考虑由于两种液相的相互扩散而导致的体积变化。5次这样的液液萃取后，剩余液在7000rpm下离心15分钟，以移去有机相并分析剩余液中的乳酸。根据质量守恒，溶剂中乳酸的回收率为94％，并去除了90％以上的糖。

实施例6

将10mL pH为2的与实施例5描述相似的发酵液与100mL二异丙醚(DIE)在250mL锥形瓶中混合，放在旋转振荡器上1小时。在萃取的过程中，观察到乳液形成，以7000rpm离心产生相分离。然后对水相用DIE重复4步萃取，合并的有机相几乎无色，说明基本完全除去颜色，同时水相中的乳酸浓度从5.8％降至1.8％。

实施例7

将pH为2、其中的乳酸浓度(7.7wt％)增加的发酵液用100mL环己酮在250mL的分液漏斗中进行液液萃取。混合物充分混合1小时，沉淀。分离两相后，底部水层进行2次或多次液液萃取。3步萃取后，萃余液含有0.8wt％乳酸，说明回收了90％。萃取的优点在于将糖和颜色从发酵液中除去。在第一次萃取后，有机层中糖与乳酸的比例为零，颜色与乳酸的比例为0.65，而发酵液中的上述比例分别为0.23和5.6。

实施例8

用1-丁醇测试乳酸的萃取效率，使用实施例5中的发酵液。发酵液与萃取剂的重量比为1∶0.73。将混合物放在旋转振荡器中1小时，在静止状态下再沉淀1小时使得相分离。得到的萃取相用1N的NaOH(体积比1∶2，在旋转振荡器中混合1小时)萃取，因此，碱相含有16.2g/L乳酸钠。

实施例9

在一个实验中，将含有150mL乙酸乙酯的萃取剂与其重量46％的实施例3中的发酵液在500mL塞好的玻璃瓶中用旋转振荡器接触1小时，然后将内容物转移到500mL分液漏斗中，静置使得相分离。萃余液再与新鲜的萃取剂以相同的体积比接触。三次萃取后，剩下的水相中乳酸浓度减少，最终仅为初始值的21％。发酵液的颜色为深棕色，合并的萃取物几乎无色。除去稀释效应的影响，大约98％的颜色保留在萃余液中。

实施例10

研究pH对使用1-辛醇的萃取效率的影响，使用乳酸含量72g/L的发酵液。在一种情况下，使用pH6.2的发酵液，第二个发酵液样品pH为3.5，第三个为3.0。在上述所有情况下，都将5mL发酵液与10mL的醇接触，手动混合30分钟，沉淀合适时间后相分离。测量在萃余液中的乳酸，说明相应pH为6.2、3.5和3.0的预萃取中乳酸回收率分别为＜1％、22％和44％。因此，低pH在相当程度上提高了萃取效率。

实施例11

萃取含有56g/L乳酸的pH为2的发酵液，用1-丁醇萃取合适次数得到富含乳酸的有机物萃取物，每100mL溶剂含有1.6g乳酸。用32mL该有机萃取物与8mL含有3％(w/v)NH₃的氨水接触，在振荡器中混合30分钟。将内容物沉淀1小时，相分离，通过比色测量水层中的乳酸。后者含有55∶7g/L乳酸，转化为回收率就是87％。另32mL含乳酸的溶剂用8mL的4％(w/v)氨水在上述条件下萃取。水相含有60.9％乳酸，即回收率95％。

相似情况下，通过用醇经过上述合适次数萃取发酵液得到含有1.58％(w/v)乳酸的异戊醇。将32mL该萃取物用6％(w/v)氨水以体积比4∶1反萃取(30分钟混合，1小时沉淀)。水层含有乳酸浓度为63.1g/L，说明反萃取效率大于98％。

实施例12

由发酵液(实施例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，所述萃取物用氢氧化钙的水悬浮液反萃取。将200mL有机萃取物加入含2.5g氢氧化钙和20mL水的悬浮液，在烧瓶中机械搅拌混合物1小时。将含有固体的水相在沉淀1小时后分离。总共用20个烧瓶进行相似的过程，从而完成了4L的丁醇萃取物的反萃取。合并水相，用浓硫酸将pH降到2-2.1。过滤除去沉淀的硫酸钙；这一阶段体积为486mL。检测滤液中的乳酸浓度为141.5g/L，对应反萃取效率为95％。

实施例13

将含有L/D比为96∶4的45mg/mL乳酸的450L发酵液与溶剂在转盘抽提塔中连续接触。发酵液从顶部加入，萃取剂从装置底部加入。相分离后，从顶部连续收集萃取相，从萃取器底部收集萃余液。两相的流速在10-50Kg/hr间变化。达到稳定状态后，发酵液流速为10Kg/hr，溶剂为30Kg/hr，在萃取剂中的乳酸浓度为1.6wt％，说明回收率大于95％。

实施例14

从实施例13所述的发酵液中得到的含有1.6wt％乳酸的1260Kg溶剂萃取液与溶解/分散在156Kg软化水中的26Kg石灰在3000L连续搅拌釜式反应器(CSTR)中混合2小时，沉淀反应混合物2小时使得相分离。底部水相含有大部分乳酸，取出顶部再生的溶剂相用于从新鲜发酵液中液液萃取乳酸。从反应器底部得到204Kg水性乳酸盐相，根据质量守恒，表明乳酸回收率大于99％。将得到的水相反萃取物用浓硫酸在玻璃衬(glass lined)连续搅拌釜式反应器(continuous stirred tank reactor，CSTR)中酸化至pH为2-2.5，将乳酸盐转化为乳酸。然后将酸化的反萃取物离心，除去沉淀的硫酸钙。用30Kg DM水洗涤沉淀物以回收附带的乳酸。然后将得到的含有乳酸的滤液通过含有阳离子交换树脂的柱子，条件为在每小时3-5个柱床体积的速度下连续进行柱操作。柱中出来的废水的pH在处理之后降到1.5-2.0。用2柱床体积的软化水清洗树脂柱确保附着的乳酸从树脂柱上回收，用于回收残余乳酸。得到的275Kg深棕色乳酸水溶液在玻璃衬填料蒸馏塔中通过一系列冷凝器浓缩，条件为80-84℃，真空度350mm Hg，回流比3∶1。如上蒸馏的水(245Kg)用于与另一溶剂萃取物进行反萃取。得到具有58％乳酸的30.5Kg水性乳酸浓缩物说明从反萃取到浓缩，乳酸的总回收率为88％。

实施例15

如上述实施例所述，将通过液液萃取，用石灰反萃取，乳酸盐酸化，树脂处理和浓缩从发酵液得到的82g含有66wt％乳酸浓度的水性乳酸浓缩物放入250mL装有测量液体温度装置和通过标准接头通入氮气的三口圆底玻璃烧瓶。将该烧瓶与用作接收器的容量100mL的双口圆底玻璃烧瓶连接，该连接通过一个短口蒸馏头和水/空气冷凝器。在蒸馏头设有温度计插套用于测量蒸汽温度。将反应烧瓶放在旋转架(rota-mantle)上加热并混合反应混合物。在氮气下，温度渐渐升高到140℃，以蒸馏液的形式除去水。然后将反应物冷却到90℃，然后在氮气保护下向反应混合物加入0.6g氧化二丁锡催化剂。然后用2小时将温度渐渐升高到160℃，真空度从大气压渐渐升高到60mm Hg，以除去残留的水。除水后，将反应物冷却到90℃，用空气冷凝器代替水冷凝器，用冰冷却接收器，用5小时将温度渐渐升高到290℃，真空度渐渐升高到4mm Hg，以蒸馏交酯。得到产品蒸馏液40g(粗交酯)，说明以乳酸计，粗交酯的收率大于90％。

实施例16

通过液液萃取，用氨反萃取，离子交换和浓缩从发酵液得到的83g含有75％乳酸的深棕色水性乳酸浓缩物用于形成交酯，使用如实施例15所述的试验设备。在氮气气氛下经过3小时将温度渐渐从室温升到156℃以除去水。反应混合物冷却到85℃，向反应混合物中加入1.6g催化剂——氧化二丁锡，经过4小时，温度渐渐升到160℃，真空度渐渐从大气压增加到40mm Hg，以除去反应混合物中残留的水。反应混合物再次冷却到90℃，逐步升温至235℃，真空度为5mmHg，用短口空气冷凝器冷凝，开始交酯的蒸馏，用干冰冷却交酯的产品接收器。4小时之内收集到47g粗交酯馏出液，在反应烧瓶内留下7.5g残余物，说明粗交酯产率大于90％。

实施例17

在一个形成交酯的实验中，将通过液液萃取，反萃取，酸化，树脂处理和浓缩从发酵液得到的42.5Kg含有44.7wt％乳酸的深色粘稠水性乳酸浓缩物用作工作容量50L的SS-316高压釜(autoclave)反应器的原料。该反应器装有搅拌用轮机推动器、短口冷凝器、测量液体和蒸汽温度的装置和用于氮气覆盖(nitrogen blanking)的口。将具有底阀的20L三口玻璃产品接收器通过冷凝器与反应体系连接。通过热油循环套住反应器以控制温度，用回流冷凝器通过接受器的一个口实施真空。在将原料加入反应器后，反应混合物的温度用10小时慢慢从环境温度增加到152℃，以除去水。在此期间，蒸汽温度在100-108℃间变化。然后加入340g氧化二丁锡催化剂，保持温度在150-160℃，用8小时将真空度渐渐从600mm Hg增加至60mm Hg以进一步除去水。除水后，使用真空度10mmHg，用14小时将温度渐渐从160℃升高到220℃以蒸馏交酯。得到13.4Kg粗交酯蒸馏液，以乳酸计，粗交酯的收率为87％。

实施例18

将实施例15制得的由发酵液得到的粗交酯通过从乙酸乙酯中结晶提纯，使用的粗交酯与乙酸乙酯的比例为5∶3，将交酯溶解在100mL装有回流冷凝器的圆底烧瓶中，冷却溶液到5℃，进行交酯结晶2-4小时。获得熔点89℃的白色交酯晶体。纯化的交酯用乙酸乙酯进行二次重结晶得到与文献中相当的熔点为97℃的纯化交酯。将2g这样的纯化交酯放入100mL圆底烧瓶，在油浴中80℃抽真空1小时，然后加入有0.5％辛酸锡催化剂的0.2mL甲苯溶液，再将反应混合物抽真空1小时除去溶剂。该系统在真空中密封，反应混合物的温度随着磁力搅拌渐渐升高到180℃，在180℃保持45分钟以进行交酯的熔融聚合。然后将温度降到130℃，聚合反应再继续12小时。得到的聚合物通过溶解在氯仿中，用甲醇再沉淀而进行后处理，然后干燥得到1.87g白色产物，其特定溶液粘度为0.21，产率94％。DSC检测以10℃/分钟的加热速率检测该聚合物，得到PLA的3个转化特征，位于55℃、99℃和152℃，分别对应聚合物的玻璃转化、结晶和熔化。

实施例19

将2g由实施例18的步骤制备的纯化交酯放入100mL圆底烧瓶中，再80℃(油浴)下抽真空1小时。然后加入有0.5％辛酸锡催化剂的0.4mL甲苯溶液，将烧瓶在抽真空30分钟以除去甲苯。反应混合物重复通氮气，在氮气存在下将烧瓶密封。然后随着磁力搅拌慢慢升高反应混合物的温度到180℃，在180℃下进行熔融聚合2小时，然后在150℃进行4小时，在120℃进行13小时。再处理的聚合物的GPC分子量为38700，分子量分布为1.98。DSC热分析图显示该聚合物在152℃熔化吸热，冷却时结晶温度为108℃。

实施例20

将如实施例16所述的从发酵液中得到的乳酸制得的粗交酯通过从乙酸乙酯中2次重结晶提纯，使用的交酯与乙酸乙酯的比例为5∶3。然后将交酯过滤，用甲苯重结晶，交酯与甲苯的比例为1∶1。得到的纯交酯的熔点为99℃。将7.5g这样的交酯放入圆底烧瓶中，在80℃下干燥1小时，真空度5-10mm Hg。然后加入以交酯计0.6％的辛酸锡催化剂，在真空下再干燥反应混合物1小时。在真空下密封该烧瓶，在180℃下聚合反应混合物35分钟。得到特性粘度0.69dL/g、GPC分子量78000的聚合物，产率90％。

实施例21

在180℃，交酯重量0.2％的辛酸锡催化剂条件下对酸度为0.01wt％乳酸，水份为180ppm的10g纯化交酯进行3小时的熔融聚合。熔融聚合的实验装置与实施例20中所述相同。得到的聚合物的特性粘度为2.52dL/g，GPC分子量为235000，聚合物产率为95％。聚合物样品的DSC测试得到的熔点为170℃，熔化热为29Kcal/mol。

实施例22

纯化交酯的熔融聚合每批100g。将酸度为0.02wt％乳酸，水份为350ppm的100g纯化交酯放入250mL圆底烧瓶。加入交酯重量0.056wt％的辛酸锡催化剂，在80℃抽真空2小时以除去水份和用于制备催化剂溶液的甲苯。在真空下密封该反应混合物，温度增加到180℃，保持1小时进行熔融聚合。得到GPC分子量为213000、分散度2.12的聚合物，转化率为85％。

实施例23

1.3Kg纯化交酯在0.056％辛酸锡催化剂存在下，在5Kg装有机械搅拌的Paar反应器中熔融聚合。交酯的酸值为0.25％。在75-85℃，真空度20-30mm Hg下干燥交酯4小时。用氮气重复吹洗该混合物，组件在真空下密封。在搅拌下将反应混合物的温度渐渐升高到180℃，保持1小时。得到比粘度为0.77、GPC分子量为72000的聚合物1.1Kg，聚合物产率接近85％。

显然，基于上面的描述，本领域技术人员可以在不背离本发明精神的范围内作出等效的变型。

Claims (29)

1.一种从可再生农业原料发酵生产聚乳酸的方法，避免了废物处理，该方法包括如下步骤：

制备以糖滓为碳源的发酵培养基；

发酵所述发酵培养基；

从所述发酵培养基萃取乳酸；

从所述乳酸除去色素；

纯化、浓缩该乳酸；

由该乳酸制备交酯；以及

聚合该交酯形成聚乳酸。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述的可再生农业原料选自糖滓、甘蔗渣水解产物、玉米糖浆、甜菜或甘蔗汁。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述的可再生农业原料可以是可食用或不可食用的。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述的可再生农业原料是含有约40-约50％(w/w)可发酵糖的甘蔗滓。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述糖滓被调节到可发酵糖的浓度约为70g/L。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述糖滓被离心除去悬浮物，然后用水稀释得到可发酵糖浓度约为7-10％。

7.根据权利要求6所述的方法，其进一步包括用约2-约5％玉米浆和高压灭菌处理过的酵母泥补充糖滓溶液。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述发酵步骤是在厌氧/微需氧的条件下进行的。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述在厌氧/微需氧的条件下的发酵是通过选自乳酸杆菌(Lactobacillus)、链球菌(Streptococcus)、杆状菌(Bacillus)和根霉(Rhizopus)组成的组中的微生物进行的。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述乳酸杆菌选自L.delbrueckii、L.rhamnosus、L.helveticus、L.casei、L.plantarum、L.bulgaricus、L.amylovorans或L.lactis。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述发酵步骤进一步包括调节和保持发酵培养基的pH在约5.0-约6.0的步骤，以避免阻碍微生物生长。

12.根据权利要求1所述的方法，其中所述发酵步骤是连续过程或补料分批发酵过程。

13.根据权利要求11所述的方法，其中所述调节发酵培养基pH的步骤是通过使用选自碱、碳酸盐和氨组成的组中的中和剂完成的。

14.根据权利要求1所述的方法，其中用有机溶剂萃取发酵培养基中产生的乳酸。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述萃取步骤使用选自异戊醇、丁醇、环己酮和乙酸甲酯组成的组中的有机溶剂。

16.根据权利要求1所述的方法，其中所述萃取步骤进一步包括使用溶剂在室温下将所述乳酸从发酵培养基中分离出。

17.根据权利要求15所述的方法，其中所述溶剂为醇或酯。

18.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法的萃取效率大于90％。

19.根据权利要求1所述的方法，其中所述萃取步骤是节能的。

20.根据权利要求14所述的方法，其中萃取出的乳酸得到纯化和浓缩。

21.根据权利要求20所述的方法，其中所述纯化包括将乳酸从有机溶剂中用碱金属或碱土金属的氢氧化物反萃取到水相。

22.根据权利要求21所述的方法，其中反萃取到水相的乳酸用浓硫酸酸化到pH 2-2.5。

23.根据权利要求1所述的方法，其中纯化包括将权利要求22所述的反萃取的乳酸通过阳离子交换树脂。

24.根据权利要求23所述的方法，其中纯化的乳酸在玻璃衬填料蒸馏塔中浓缩。

25.根据权利要求24所述的方法，其中浓缩的乳酸在约120-155℃，相应的液体温度约为180-225℃下，在反应器中转化为交酯。

26.根据权利要求25所述的方法，其中乳酸浓缩成交酯是在真空度约5-30mmHg条件下进行，且预聚合和交酯形成合并在一个操作中。

27.根据权利要求1所述的方法，其中交酯的纯化包括用有机溶剂结晶的步骤。

28.根据权利要求27所述的方法，其中纯化的交酯聚合得到聚乳酸。

29.根据权利要求4所述的方法，其中所述可再生农业原料包括甘蔗渣，所述甘蔗渣是通过将甘蔗渣颗粒用稀酸在120℃下水解30-90分钟，然后用1-5％(v/v)的碱在120-150℃下处理所述甘蔗渣约15-90约分钟以除去木质素而制成。

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