EA005309B1

EA005309B1 - Способ получения биодеградируемых полимеров молочной кислоты и применение полимеров молочной кислоты, полученных таким способом

Info

Publication number: EA005309B1
Application number: EA200301054A
Authority: EA
Inventors: Вамбола Колбаков; Аллан Нурк; Ян Симискер
Original assignee: Маилтек Ою
Priority date: 2001-03-23
Filing date: 2001-09-13
Publication date: 2004-12-30
Also published as: AU2001287551B2; DK1397501T3; ATE402265T1; EP1397501A1; EP1397501B9; WO2002077252A1; DE60135032D1; EA200301054A1; ES2311024T3; CA2480300A1; EP1397501B1; PT1397501E; US20060154350A1; EE200100181A

Abstract

Настоящее изобретение относится к применению молочной кислоты и ее эфиров, полученных в ходе микробиологической ферментации органических веществ, в особенности зернового крахмала, для получения биодеградируемых полимеров молочной кислоты, и к использованию биодеградируемых полимеров, полученных по такой технологии. Области применения настоящего изобретения охватывают технологию получения пищевых продуктов и химическую технологию. Области использования изобретения включают производство крахмала, фитопротеина, молочной кислоты и ее производных, включающих соли, сложные эфиры и биодеградируемый полимер молочной кислоты (PLA).

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к применению органических веществ, в особенности молочной кислоты, полученной методом микробиологической ферментации зернового крахмала, и сложных эфиров указанной кислоты для получения биодеградируемых полимеров молочной кислоты, а также к применению полученных таким образом полимеров. Настоящее изобретение также относится к технологии получения пищевых продуктов и химической технологии. Область применения настоящего изобретения охватывает производство крахмала, фитопротеинов, молочной кислоты и ее производных, включая их соли, сложные эфиры и биодеградируемые полимеры молочной кислоты (РЬА).

Известный уровень техники

Пластические массы с длительным периодом разложения являются основным источником загрязнения окружающей среды. Основную часть таких загрязнений представляют собой продукты, предназначенные для одноразового применения с коротким потребительским циклом, которые в настоящее время, в основном, получают из пластических масс нефтяного происхождения, трудно поддающихся разложению в природных условиях. Уменьшение загрязнений такого рода в результате повторного использования в большинстве случаев экономически нецелесообразно и часто невозможно по гигиеническим причинам. Реальным решением проблемы могло бы стать использование биодеградируемых полимеров с регулируемым периодом разложения. Одним из наиболее эффективных материалов такого типа является полимер молочной кислоты, т.е. полилактат, который до настоящего времени использовался, в основном, в медицинских продуктах, но не в потребительских продуктах.

Хорошо известный способ получения молочной кислоты, предназначенной для синтеза ее полимеров, представляет собой микробиологический синтез, в котором используют молочно-кислотную ферментацию предварительно обработанного крахмала, в присутствии таких молочно-кислых бактерий, как Ьас1оЬасШик ату1орЫ1ик и Ь. Ату1орйогик или Ьас1оЬасШик Ьи1дапсит и Ь.бе1Ьгиески. В качестве сырья могут использоваться обогащенные крахмалом культуры, причем пшеница и маниок (кассава) являются лучшими представителями зерновых культур и клубнеплодов, соответственно. В области технологии известно выделение крахмала и его очистка из культур и клубнеплодов. Поскольку большая часть молочно-кислых бактерий не способна использовать крахмал в качестве растительного субстрата, его вначале следует превращать в сахар (глюкозу) с использованием соответствующих энзимов, причем последовательность таких превращений выглядит сле дующим образом: крахмал^декстрин^мальтоза^глюкоза, после чего начинают процесс ферментации. Молочную кислоту, полученную в результате ферментации, выделяют из раствора в виде кальциевой соли путем седиментации, путем экстракции неполярными растворителями или в результате электродиализа и, если необходимо, очищают с использованием реакции этерификации и селективных мембран (\УО 9950345, И8 4885247, ЕР 0657542 А1, И8 5053485, И8 5503750, И8 5723639, ΟΝ 1050203, ДР 4359014 и \УО 9509879). Остатки зерна после процессов фракционирования и ферментации могут использоваться в качестве кормовых добавок.

В связи с развитием соответствующей технологии сложный полиэфир молочной кислоты, который главным образом использовали в особых медицинских устройствах, превращается в основной материал для пластмасс народного потребления. Наиболее традиционным полиэфиром молочной кислоты, название которого связано с технологией его производства через лактид, является полимер молочной кислоты (РЬА) (ХУй/ке, Ό.Ρ.: №1гауап. ГО, КоЫаб, И. Мастото1еси1ек, 1997, 30, 7075). Для синтеза РЬА предпочтительно использовать оптически чистую молочную кислоту, и единственной технологией промышленного производства такой молочной кислоты является микробиологическое получение из сахаров и их смесей. С учетом объемов молочной кислоты, необходимых для экономически целесообразного производства РЬА, основным доступным сырьем, имеющимся в необходимом количестве, следует считать крахмал, особенно зерновой крахмал.

С учетом сказанного выше разрабатывается общая производственная линия от зерновых к РЬА пластмассам. До настоящего времени технология производства РЬА была разделена на три различные технологические стадии: одна для производства сахаров, способных к брожению, другая для ферментации сахаров в молочную кислоту, и третья для синтеза РЬА. До настоящего времени не запатентована общая, интегральная технологическая схема производства РЬА из зерновых культур, и раздельная структура производственных линий не позволяет координированно использовать источники, главным образом воду, энергию, а также минеральные и азотные соединения, присутствующие в зерновых культурах.

Согласно наиболее традиционным схемам производства, обогащенный волокном внешний слой зерен удаляют в результате первоначального фракционирования отрубей. В ходе дальнейшей обработки зерновых осуществляют разделение фракций крахмала и белка. Рассматриваемые установки существуют с 1835 г. (Ообоп с сотр., Она1. Р1аШ Рообк Нит. Миг., 1983 33:161). С тех пор в ходе фракционирования используется вода (Тс11сг5. Ιη 1пбик1па1 Икек οί Сегеа1к, Еб. Υ. Ротегапх. Атепсап ΛκκοοίαΙίοη οί Сегеа1 СНеиикк 81. Раи1, Μίηη., 1963 207), хотя запатентован альтернативный способ, в котором в качестве сепарационной среды используют этанол (И8 5851301).

Проблема, связанная с производством крахмала, состоит в больших количествах обогащенных биогенами сточных вод, образующихся в ходе фракционирования (до 4 м³ на тонну крахмала), которые следует отделять от произведенных товарных продуктов (крахмала, клейковины, кормов), а также в том, что растворенные биогены следует экстрагировать с целью уменьшения загрязнения окружающей среды. Обычно сточные воды выпаривают, а сухие биогены добавляют, например, в кормовые фракции. На выпаривание воды расходуется большое количество энергии.

Промышленная ферментация молочной кислоты реализуется на практике в течение столетия. Первая установка по производству молочной кислоты, на которой осуществлялась ферментация сахаров в молочную кислоту, была создана в США в 1883 г. (Ауету Ьас1а1е Сотрапу, ЫШеЮгт Маккасйикейк). В качестве сырья для процесса ферментации молочной кислоты используют сахара и сахарвырабатывающие остатки (мелассы), молочную сыворотку, а также частично или полностью засахаренный крахмал. В промышленности чаще всего используют штаммы вида ЬасЮЬасШик, из которых наиболее широко применяемым штаммом для производства молочной кислоты является Ь. Ое1Ьгиески ИС1В 8130. Получение оптически чистой Ь(+) или Ό(-) молочной кислоты для синтеза РЬА требует высокого уровня микробиологической чистоты, поскольку помимо опасности микробного загрязнения любые другие продуценты молочной кислоты могут ухудшать ее оптическую чистоту. Температура роста наиболее широко используемых промышленных молочнокислых бактерий составляет 42-45°С, что не устраняет опасность микробного загрязнения. Альтернативными источниками молочной кислоты являются штаммы семейства ВасШик (И8 5079164; Рауοΐ Т. С с сотр. Епхуше апб М1сгоЫа1 Тес^юШ^у 24: 191-199, 1999; ЕР 077-684; Ойата Η. ΥηΠοΙη Μ. ΙοιίΓηηΙ οί ЕеттеШаίίοη апб Вюепдпееппд 1996, т.81, выпуск 3, стр. 272-274).

Молочная кислота выпускается на рынок в виде 8-процентного водного раствора или в меньшей степени в виде солей. Поскольку на установках по производству молочной кислоты конечная концентрация молочной кислоты в ферментационной среде обычно не превышает 10-12%, производство молочной кислоты требует больших затрат воды и энергии. Для получения товарного продукта следует удалять 80100% воды, образующейся в процессе.

Объединение установок по производству крахмала и молочной кислоты, что является целью настоящего изобретения, обеспечивает возможность рационального использования сточных вод, образующихся в ходе фракционирования, а также содержащихся в них биогенов для получения растительной среды в ходе производства молочной кислоты, а также предусматривает использование воды, образующейся при концентрировании молочной кислоты, для фракционирования хлебных злаков.

До настоящего времени отсутствовала возможность реализации различных предложенных схем производства крахмала и молочной кислоты в физически раздельных установках (И8 5453365, И8 5766439, И8 6087532, И8 6187951, №0/95/24498, №0/98/28433 и ЕР 0614983).

Различные решения фракционирования зерна описаны в следующих патентах: И8 4132566, И8 4217414, И8 4494530, И8 4689409, И8 5439526 и И8 5851301.

Получение РЬА поликонденсацией молочной кислоты было описано еще в 1932 г. (СагоШетк, № с сотр. 1. Ат. СЬет. 8ο^, 1932, т. 54, 761). Поскольку растяжение цепей РЬА в ходе поликонденсации трудно контролировать, в большинстве запатентованных схем описывается синтез РЬА через лактид с использованием реакции так называемого «раскрытия кольца». К настоящему времени не налажено крупномасштабное производство РЬА. Для получения лактида и синтеза РЬА необходимо применять высокие температуры (до 200°С). В связи с этим объединение установки по производству РЬА с установками получения крахмала и молочной кислоты позволит использовать тепло, выделяющееся при получении РЬА, на ожижение и осахаривание крахмала.

В патентах И8 5723639, ЕР 0614983, СИ 1102180 и СВ 346486 раскрывается способ очистки лактата как примера сложных эфиров молочной кислоты.

В наиболее широко используемой схеме синтеза РЬА требуется осуществить синтез чистого и безводного лактида в качестве интермедиата. Были описаны некоторые способы получения, включающие использование молочной кислоты в газовой фазе, синтез из предполимера, синтез из раствора ПЭГ или синтез из солей (И8 5332839, И8 5453365, И8 6005067; Катт с сотр., Ас1а ΒΐοΐοοΗποΙ. 20 (2000) 3-4, 289-304).

При использовании лактата, его солей и сложных эфиров в качестве источника сырья для получения полимера подходящие для этой цели растворы должны обеспечивать протекание непрерывного процесса (И8 6005067; И8 5453365).

Некоторые известные способы подходят для полимеризации РЬА, например, те, что раскрыты в патентах И8 6207792, И8 5543494 или описаны в статьях 1аеоЬ5Сп с1 а1. 1. о£ Вю1се11по1. 86 (2001) 151-160.

Далее будет показано, что интеграция установки для получения крахмала, производства молочной кислоты и ее производных и синтеза РЬЛ в одну производственную линию является новым качеством с экономической и экологической точек зрения, которое обеспечивает более рациональный производственный режим и позволяет уменьшить двойное выпаривание больших количеств воды и сэкономить сырьевые и энергетические источники.

Подоплека изобретения

Задача настоящего изобретения состоит в разработке способа получения полимеров молочной кислоты на основе крахмала, оставшегося в зерновых культурах климатической зоны с определенной температурой. Такие зерновые культуры включают пшеницу, рожь, тритикале, ячмень и кукурузу, зерна которых содержат более 60% крахмала. Цель заключается в ускорении цикла культивации, т. е. в уменьшении существующего периода культивации в 6-7 дней до 2-2,5 дней, а также в повышении оптимальной температуры культивации от существующих в настоящее время 44°С до 52-62°С, что обеспечит стерильность в отношении практически любой загрязняющей микрофлоры. Кроме этого, такой способ должен обеспечить выход молочной кислоты в ходе культивации не ниже 85-90% от теории, высокое сродство продуцента к ферментированному сахару с целью обеспечения низкой концентрации остаточного сахара, легкость сепарации микробиальных клеток от культивационной среды и высокую прототрофию с целью понижения зависимости от некоторых факторов роста. Изложенные требования могут быть удовлетворены в результате использования термотолерантных и высокопродуктивных бактерий.

Настоящее изобретение относится к интегральному решению производства молочной кислоты, сложных эфиров молочной кислоты, солей молочной кислоты и пластических масс на основе молочной кислоты из зернового крахмала. В отдельных стадиях интегральной схемы производства используются уже существующие технические решения, варианты, реализованные в практических условиях и/или описанные в патентной литературе. Новизна изобретения заключается в объединении существующих технологических приемов в рамках одного оригинального способа, при этом интегральный производственный цикл позволяет экономить природные ресурсы, например, воду и энергию и уменьшить содержание биогенов в сточных водах по сравнению с производством крахмала, молочной кислоты и РЬЛ на отдельных установках и, таким образом, упрощает соблюдение правил, касающихся защиты окружающей среды.

Описание технологического процесса

В ходе мокрого измельчения и фракционирования зерен образуется фракция крахмала, из которой удаляют большую часть волокна и часть протеинов. Использование гидроциклонов позволяет выделить из полученного крахмала наиболее чистую фракцию, так называемый Акрахмал, который может использоваться в качестве самостоятельного коммерческого продукта. Для получения полимеров молочной кислоты можно использовать более чистый А-крахмал, а также так называемый В-крахмал, который содержит большее количество присадок. В последнем случае минералы и соединения азота могут находить коммерческое использование в качестве факторов роста. После этого крахмал сжижают при 75-90°С, после чего стерилизуют или пастеризуют и используют в качестве ферментационной среды, в которую добавляют факторы роста. На этой стадии полисахариды (т. е. крахмал) подвергаются разложению в моносахариды (глюкоза) с использованием соответствующих ферментов, и после этого полученные сахара сбраживают в молочную кислоту (СН₃-СН(ОН)-СООН) с использованием соответствующих бактерий. Описанный процесс схематически представлен на фиг. 1. Для ожижения и осахаривания крахмала используют воду, образовавшуюся при фракционировании зерна.

На фиг. 2 представлена альтернативная возможность, используемая в том случае, когда нецелесообразно проводить мокрое размалывание зерен и последующую сепарацию крахмала и протеина. В соответствии с представленной схемой, для приготовления ферментационной среды можно использовать 70-75% крахмала из зерен. Волокна выделяют из гидролизата с использованием центрифугирования. Супернатант стерилизуют и используют для получения ферментационной среды, добавляя дрожжевой экстракт в качестве фактора роста.

Обычно продуценты молочной кислоты требуют наличия сложного набора факторов роста, точный состав которых никогда не был описан единообразным образом в соответствии с используемыми штаммами. Потребности продуцента, используемого в настоящей заявке на патент, касающиеся факторов роста, достаточно полно удовлетворяются факторами, присутствующими в сусле и дрожжевых экстрактах (ссылка на патент Университета Тарту). Дрожжевой экстракт может быть частично заменен (вплоть до 75%) на гидролизат зернового протеина, что не вызывает существенных отклонений в получении конечной концентрации лактата. Замена дорогостоящего дрожжевого экстракта на более дешевый фитопротеин обеспечивает возможность снижения стоимости производства молочной кислоты. Объединение фракционирования и ферментации зерен в единую технологическую схему также позволяет рационально использовать зерновой протеин, включая протеин, который остается в воде после фракционирования крахмала.

Скорость образования молочной кислоты в ходе ферментации зависит как от рН среды, так и от реальной концентрации молочной кислоты. Продуценты, используемые в настоящей заявке на патент, позволяют осуществлять ферментацию с получением лактата с концентрацией до 10% в результате стабилизации рН в интервале

5.5- 6,0 с использованием СаСО₃ в качестве нейтрализатора, однако при этом используется относительно длительный цикл ферментации (до 120 ч). Если значение рН стабилизируют в интервале 6,2-6,3 (например, с использованием ИН₃), длительность цикла ферментации может быть уменьшена до 50-60 ч, и при этом конечная концентрация лактата остается в интервале

7.5- 12%.

Решающим фактором для повышения эффективности процесса ферментации является взаимосвязь между производительностью (скорость образования лактата в час на литр) и конечной концентрацией лактата, которая технологически регулируется концентрацией и составом факторов роста и значением рН.

Процесс ферментации настоящей заявки на патент характеризуется следующими параметрами:

1. Температура ферментации 52-62°С

2. Выход лактата в расчете на использованную глюкозу до 98%

3. Конечная концентрация лактата 8-12%

4. Длительность культивации при периодическом 50-120 осуществлении процесса в зависимости от значения рН и час используемого нейтрализатора

5. Производительность при концентрации лактата 30-400 мМ до 4 г.л^-1ч^-1

6. Производительность ферментационного цикла 0,7-1,5 г.л^-1ч^-1

Решающим фактором обеспечения эффективной ферментации является низкое содержание в среде остаточных сахаров. Продуценты, используемые в настоящей заявке, обеспечивают безотходную утилизацию глюкозы при конечной концентрации лактата 8-12%. Использование высоких температур ферментации и возможность регулирования рН в интервале 5,5-6,3 позволяют объединить осахаривание с ферментацией, сохраняя при этом подходящие условия для протекания обоих процессов и минимизируя степень микробиологического загрязнения.

Выделение молочной кислоты из ферментационной среды может осуществляться с использованием любых способов, применяемых до настоящего времени, однако предпочтительно использовать непрерывный технологический процесс, протекающий, например, через образование сложных эфиров. Полученную молочную кислоту направляют на стадию полимеризации. Поскольку молочная кислота (2-гидрокси пропионовая кислота) содержит как гидроксильную группу, так и карбоксильную группу, она представляет собой типичный мономер для полимеризации и способна образовывать полимерные цепи - полиэфиры. В результате такого процесса получают полимерную молочную кислоту.

В принципе, полимеризацию молочной кислоты можно осуществлять двумя путями:

1) прямой полимеризацией молочной кислоты;

2) полимеризацией молочной кислоты с использованием ее циклического димера - лактида.

Полимерная молочная кислота, полученная прямой полимеризацией молочной кислоты, имеет низкую молекулярную массу (3000-4000), поскольку в используемых условиях реакция полимеризации находится в равновесии с реакцией деполимеризации. Однако, использование циклического димера молочной кислоты, т.е. лактида (3,6-метил-1,4-диоксан-2,4диона) обеспечивает получение (со)полимеров с высокой молекулярной массой.

Синтез лактида

Для осуществления синтеза лактида необходимо присутствие катализатора. Для этой цели могут использоваться металлы 4, 5, 8, 9, 10, 14 и 15 групп периодической системы или их производные, олово и его производные, оксид цинка и соли щелочных металлов (за исключением солей натрия). Активность металлических катализаторов изменяется в ряду:

8η>Ζη>ΖΓ>Τί>ΑΙ. Реакцию проводят при повышенной температуре (150-240°С) в вакууме при дистилляции образующихся лактидов (температура кипения мезолактида составляет 142°С/8 мм Нд, температура плавления 116-119°С).

Полимеризация лактида

Полимеризацию лактида проводят при высокой температуре (~150-250°С) в присутствии таких катализаторов, как 8пС1₄, тетрафенилолово и δη-2-этилгексанат (8пОс1), различные алкоксиды металлов, например, этилат магния, изопропилат алюминия, бутилат цинка или олова, пропилат циркония, дибутил-или трибутилметилат олова. Наиболее широко используемый катализатор представляет собой 8η-2этилгексанат (8пОс1), являющийся катализатором быстрой полимеризации, не вызывающий заметной рацемизации при высоких температурах.

Реакция полимеризации в присутствии такого катализатора осуществляется по механизму неионного внедрения.

Оптимальная концентрация катализатора зависит от температуры и продолжительности полимеризации, а также от температуры плавления полученного полимера. В присутствии воды происходит деполимеризация высокомолекулярной полимерной молочной кислоты, связанная с ее термодинамической неустойчивостью.

В результате изменения условий полимеризации появляется возможность синтеза полимеров молочной кислоты, обладающих различными свойствами (например, может изменяться температура стеклования полимера, могут быть синтезированы аморфные, полукристаллические или кристаллические, нормальные или разветвленные полимеры).

В ходе полимеризации, а также при получении сополимеров в реакционную среду могут добавляться другие мономеры и полимеры. Реакция полимеризации имеет первый порядок как по мономеру, так и по катализатору.

Объединение установок по производству крахмала и получению молочной кислоты, как показано на фиг. 3, обеспечивает рациональное использование остаточной воды, образовавшейся в ходе фракционирования крахмала и его биогенов с получением растительной среды для производства молочной кислоты, причем вода, выделяющаяся при концентрировании молочной кислоты, может использоваться для фракционирования зерновой муки. Такие возможности не могут быть использованы в современных схемах получения крахмала и молочной кислоты на физически разделенных установках. Объединение производства молочной кислоты с процессом получения крахмала позволяет исключить стадию окончательной сушки крахмальной и протеиновой фракции, что снижает стоимость крахмала и протеина по сравнению со стоимостью этих веществ, производимых на существующих в настоящее время установках получения крахмала.

Унификация фракционирования хлебных злаков с ферментацией и очисткой лактата и полимеризацией позволяет использовать образовавшуюся воду для фракционирования зерен. В принципе, для осуществления фракционирования может использоваться любое ранее запатентованное решение (на которые ссылались выше), которое обеспечивает получение Акрахмала и протеина в результате отделения от них фракции волокон.

Согласно схеме, предложенной авторами изобретения, предпочтительно проводить ферментативное сжижение и осахаривание крахмала, что не исключает кислотный гидролиз. Лизис протеинов и пептидов предпочтительно осуществлять в присутствии протеаз.

Осахаривание и расщепление белка можно проводить либо в специальных реакторах, либо полностью или частично в бродильных чанах.

Предпочтительно осуществлять полунепрерывный процесс ферментации, в котором образование и предварительная ферментация маточной культуры представляют собой непрерывный процесс, а основная ферментация проводится в ферментерах периодического действия. Полученную молочную кислоту нейтрализуют с использованием подходящих оснований (Са²⁺, ΝΉ₄ ⁺, Να⁺, К*) или органических оснований.

Используемые продуценты включают микроорганизмы, вырабатывающие чистые Ь(+)- или Б(-)-стереоизомеры молочной кислоты, однако предпочтительными штаммами являются те, что продуцируют Ь(+)-молочную кислоту, поскольку Ь-лактат и его производные имеют широкую область применения. Среди таких штаммов предпочтительными являются штаммы вида ВаеШик, обладающие толерантностью к высокой температуре и низкой потребностью в факторах роста.

Использование температурно толерантных штаммов, оптимальный рост которых происходит при температуре выше 55°С, позволяет исключить традиционную стерилизацию бродильного оборудования с использованием пара высокого давления. Наиболее предпочтительными из таких продуцентов молочной кислоты являются микроаэрофильные бактерии, продуцирующие большее количество клеточной массы в ходе предферментации в микроаэрофильных условиях и, таким образом, повышающие производительность основной реакции ферментации. Замена молочно-кислых бактерий на кислород-толерантные бактерии позволяет лучше контролировать число клеток в маточной культуре с использованием микроаэрофильного предроста.

Для выделения лактата из ферментационной среды могут использоваться все существующие технологические решения, адаптируемые в интегральную продукционную схему с повторяющимся применением воды, например, такие как испарение, перфузия, электродиализ и обратный осмос. Максимальный эффект достигается с использованием технологий, которые включают концентрацию молочной кислоты в результате испарения.

Для получения достаточно чистого лактата для синтеза полимера предпочтительная схема, предложенная авторами изобретения, включает очистку через сложные эфиры молочной кислоты.

Наиболее широко используемая схема синтеза РЬА предусматривает синтез чистого безводного лактида в качестве интермедиата.

Для этого использовался ряд способов, например, образование из испаренной молочной ки11 слоты, синтез из предполимера, синтез из растворов ПЭГ или синтез из солей.

При использовании лактата, его солей и сложных эфиров в качестве сырья для получения полимера подходящие технические решения предусматривают осуществление непрерывного технологического процесса.

Некоторые из описанных выше методов подходят для полимеризации РЬЛ.

Схема интеграции производства, представленная в настоящей заявке, обладает некоторыми преимуществами в сравнении с отдельно действующими установками получения крахмала, молочной кислоты и ее производных, а также РЬЛ полимера.

Примеры осуществления изобретения

Пример 1.

Пшеничную муку суспендировали, соответственно, в дистиллированной воде и в воде, выделившейся после концентрации ферментативной среды (дистиллят среды, используемой для гомоферментативного брожения молочной кислоты в присутствии ВасШик соади1ап1к). Суспензиям давали оседать, в результате чего отчетливо проявлялась зона клейковины (верхняя), и образовывались фракции крахмала и волокон. В двух экспериментальных сериях методами микроскопии не было обнаружено какоголибо различия между этими фракциями.

Пример 2. Ферментативный гидролиз крахмала в среде воды, которая использовалась для фракционирования хлебных злаков.

Водой, используемой для фракционирования, считалась вода, полученная после 20минутного суспендирования зерновой (пшеничной) муки в воде, из которой волокно, зерна крахмала и частицы белка удаляли центрифугированием при 2000 г в течение 15 мин. Использование указанной воды приводило к получению суспензии крахмала, в результате полного гидролиза которого получали 800 мМ водный раствор глюкозы. В качестве контрольного раствора использовали дистиллированную воду. Крахмал (200 г) сжижали в присутствии промышленного фермента альфа-амилазы (№туаике ВТ) и осахаривали в присутствии гликоамилазы (Какуете П151Шегу, Ек1оша). Для сжижения крахмала с помощью альфа-амилазы за 40 мин температуру системы повышали до 80°С и проводили инкубацию при этой температуре в течение 10 мин. Независимо от природы используемой воды также получали водный раствор сжиженной декстрозы с ЭЕ= 17-20. Затем раствор сжиженного крахмала охлаждали до 58°С и добавляли гликоамилазу. Полученную смесь инкубировали при указанной температуре в течение 3-10 ч в зависимости от количества добавленной гликоамилазы до значения ЭЕ=97-98. Длительность осахаривания не зависит от природы используемой воды. Указанный выше гидролизат использовали для питания продуцента молочной кислоты.

Пример 3. Ферментативный гидролиз клейковины в воде, используемой для фракционирования зерновых культур.

Водой, используемой для фракционирования, считалась вода, полученная после 20минутного суспендирования зерновой (пшеничной) муки в воде, из которой волокно, зерна крахмала и частицы белка удаляли центрифугированием при 2000 г в течение 15 мин. Затем получали 12% водный раствор клейковины, используя для этой цели воду фракционирования или дистиллированную воду. В обоих случаях поддерживали рН 6 и суспензию инкубировали при 47°С. Для гидролиза клейковины использовали промышленный протеазный комплекс Науоигхуше (ΝονοΝοΓάίκΙί. Эеитагк) в количестве 50 единиц на грамм белка. Независимо от природы используемой воды после 30минутного экспонирования получали свободные аминокислоты с выходом 33% от теории (определено с помощью нингидрина). Качественный анализ аминокислот с использованием тонкослойной хроматографии не выявил какого-либо различия в аминокислотном составе лизатов. Рассматриваемый гидролизат использовали для питания продуцента молочной кислоты.

Пример 4. Ферментация лактата при питании мукой из цельного зерна.

Крахмал из суспензии муки из цельного зерна подвергали гидролизу с получением глюкозы (15,2%) в результате энзимной обработки альфа-амилазой и гликоамилазой. При использовании для этого Νονο-ΝοΓάίκΚ Науоигхуше (5 ед./г, 50°С, 20) зерновые протеины превращали в смесь аминокислот с конверсией 30% на начальной стадии сжижения крахмала. В соответствии с результатами нингидриновой реакции общее количество аминокислот составило 1,2%. Полученный корм очищали с использованием центрифугирования и супернатант ферментировали в присутствии ВасШик соади1аи1. 96% ферментированной глюкозы превращали в Ь-лактат, который аккумулировался в ферментативной среде в виде лактата аммония, в результате чего конечная концентрация молочной кислоты составляла 9,9%. Дополнительные источники минеральных веществ и соединений азота не использовались.

Культивацию осуществляли в анаэробных условиях при перемешивании со скоростью 60 об/мин, температуре 57°С, значении рН в стационарном режиме 6,3 и использовании ΝΗ₄ ⁺ в качестве нейтрализатора. Длительность цикла культивации составляла 42 ч. После завершения ферментации клетки выделяли центрифугированием и лактат аммония, содержащийся в супернатанте, концентрировали дистилляцией до 80%. Водный дистиллят конденсировали и собирали для последующих экспериментов.

Пример 5. Клейковина, как источник Νсоединений и факторов роста

a) В контрольном опыте питательную систему, используемую в качестве ферментационной среды, готовили добавлением в дистиллированную воду 800 мМ глюкозы и клейковины (15 г на литр), подвергнутой лизису по методике примера 3, а также минеральных солей. Используемый продуцент молочной кислоты представлял собой термофильный изолят ВасШик соади1апк. Минеральные соли имели следующий состав:

КН₂РО₄ 0,2 гл^-1

Мд8О₄.-7Н₂О 0,2 гл^-1

Ми8О₄.-4,5Н₂О 10 мгл^-1

В качестве нейтрализатора использовали СаСО₃. 40% глюкозы, используемой в ходе ферментации, превращалось в лактат с выходом 94%, причем концентрация лактата достигала 5,4% (в расчете на молочную кислоту).

b) В следующей ферментации при составлении питательной среды использовали те же добавки в воду после фракционирования зерна (согласно описанному в примере 2). Питательную систему использовали в качестве ферментационной среды для продуцирования молочной кислоты штаммом ВасШик Соади1апк. В качестве нейтрализатора использовали СаСО3. В ходе ферментации превращалось 58% глюкозы с образованием лактата с выходом 94%, концентрация которого в среде возрастала до 7,6% (относительно молочной кислоты).

c) Добавление 5 г дрожжевого экстракта на литр конечной ферментативной среды приводило к полной утилизации глюкозы, причем конечная концентрация лактата составляла 10,1%, а его выход, в расчете на прореагировавшую глюкозу - 90,2%.

6) При замене нейтрализующего карбоната кальция на 4М водный раствор аммиака также достигалась полная утилизация глюкозы при конечной концентрации лактата 10,1%.

Пример 6.

При замене дрожжевого экстракта, описанного в примерах 5с и 56, на лизат клеток ВасШик соади1апк (полученный с помощью протеаз Патоигхушс и №и1гаке, ΝονοΝοιύίκΚ. Эсптагк). конверсия глюкозы составила 97,2%, при ферментации 90,2% сахаров в лактат и его конечной концентрации 9,6% (в расчете на молочную кислоту).

Пример 7. Полимеризация лактата

Полученные 800 г 8%-ого водного раствора Ь-лактата нагревали при постоянном перемешивании в токе аргона до отделения воды, после чего в систему добавляли катализатор. Температура реакционной среды повышалась до 180°С, а давление в системе понижалось до 6 миллибар. При оптимальной температуре и давлении получали стеклообразную массу с очень хорошей прозрачностью и затем ее охлаждали в потоке аргона до комнатной температуры. Количество образовавшей массы составило 386 г.

В расплавленном состоянии полученный полимер может быть вытянут в длинные нити (до 10

м) или использоваться в качестве покрытия бумажных страниц, придавая им водостойкость.

Применение полимера молочной кислоты

Полученный чистый полимер молочной кислоты редко используется в потребительских продуктах из-за его хрупкости. Его свойства могут модифицироваться в соответствии с планируемым применением, характеристиками среды, в которой предполагается его использование и разложение. Таким образом, необходимо выбрать полимер, свойства которого удовлетворяют функциям потребительского продукта, после чего за требуемое время провести его разложение в запланированных окружающих условиях.

С целью улучшения некоторых физических свойств полимеров молочной кислоты, включающих гибкость, жесткость и ударную вязкость, а также для модификации его кристалличности и биодеградируемости используют некоторые добавки для получения конечных пластических масс в ходе сополимеризации с молочной кислотой (например, при взаимодействии молочной кислоты с алифатической и/или ароматической дикарбоновой кислотой в присутствии олигоалкиленоксида, или молочной кислоты с гликолем и дикарбоновой кислотой, или молочной кислоты с полиуретаном или ароматическим полиэфиром и т.д.), а также для формирования физических смесей с полимером молочной кислоты, например, смесей с другими полимерами (полиэтиленгликолем, полипропиленгликолем, полибутиленовым эфиром или их смесями).

Будучи термопластичным полимером, полимер молочной кислоты может использоваться в качестве упаковочного материала для любых сформованных продуктов. Могут упаковываться пищевые продукты, медицинские продукты, отдельные предметы или конструкции из конкретного полимера. Кроме этого, такие полимеры могут служить подходящим материалом для основных пластмасс, поскольку полимер молочной кислоты не является благоприятной растительной средой для микробов и вследствие этого более безопасен, чем пластики на основе целлюлозы. Полимер молочной кислоты способен легко модифицироваться в микроволокна и использоваться в текстильных изделиях, которые из-за таких своих качеств, как низкая поглощаемость влаги, быстрая сушка, отсутствие складок, пониженная воспламеняемость, хорошая оптическая плотность, способность к очистке и приятный уток, могут использоваться для замены таких природных материалов, как шелк и хлопок. Этот полимер также может использоваться для производства халатов (гоЬек).

Чистый немодифицированный полимер молочной кислоты, не содержащий добавок, может использоваться в медицине для произ15 водства временных бандажей и в качестве пленки-подложки, а также в качестве саморастворимой иммобилизационной основы для анальгетиков, антибиотиков и других медицинских продуктов местного применения.

Полимер молочной кислоты и защита окружающей среды

Чистый немодифицированный полимер молочной кислоты, не содержащий добавок, представляет собой разлагаемый материал, который разлагается при температуре 57°С в течение времени от нескольких дней до двух недель в зависимости от технологии разложения. Полимер молочной кислоты может разлагаться без компостирования, но для этого требуется много времени.

Продукты на основе модифицированной молочной кислоты, предназначенные для внешнего использования и которые подлежат применению при различных уровнях длительности потребления и биодеградируемости, способны разлагаться в течение времени от нескольких месяцев до двух лет, что также приемлемо для естественных условий. В соответствии с определенными требованиями, может быть изготовлен такой пластик на основе полимера молочной кислоты, который способен подвергаться деградации под воздействием влаги и/или почвенных микроорганизмов. Такой пластик можно сжигать, поскольку при его горении образуется мало дыма, и не выделяются ядовитые газы. Продуктами горения являются исключительно диоксид углерода и вода.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ получения биодеградируемого полимера молочной кислоты из зернового крахмала, отличающийся тем, что используемые исходные материалы включают такие хлебные злаки, как пшеница, рожь, тритикале, овес, ячмень или кукуруза, причем микробиологический синтез молочной кислоты проводят в присутствии термотолерантных бактерий с использованием компонентов хлебных злаков в качестве источников минеральных веществ и соединений азота, а для получения биодеградируемых полимеров молочной кислоты используется единый интегрированный продукционный цикл, на входе в который используют хлебные злаки, а на выходе получают РЬА.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в ходе фракционирования зерновой культуры на фракции, содержащие крахмал, протеин и волокно, используется вода, выделившаяся в ходе концентрирования, этерификации и синтеза РЬА.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что воду, выделившуюся в ходе фракционирования зерновых культур на фракции, содержащие крахмал, протеин и волокно, используют для образования сбраживаемой среды.
4. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что воду, применяемую для фракционирования зерновой и, частично, протеиновой фракции, используют для получения молочной кислоты в качестве источника Ν-соединений, витаминов и минеральных солей.
5. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что крахмал, сахара, растворенные в воде, используемой для фракционирования зерновых культур, и крахмал, оставшийся в протеиновой фракции, используются в качестве источника сахара, сбраживаемого в молочную кислоту.
6. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что крахмал, содержащийся в воде, используемой для фракционирования, а также крахмал в протеиновой фракции в зависимости от природы микроорганизма, используемого до ферментации, подвергают сжижению или сжижают и осахаривают.
7. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что осахаривание и сжижение крахмала и оставшегося крахмала, растворенного в сбраживаемой среде, осуществляют в одном реакторе.
8. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что сжижение и осахаривание крахмала, оставшегося в протеиновой фракции, осуществляют параллельно протеолизу белков, для чего используется отдельный реактор, или осуществляют в реакторах, предназначенных для сжижения и осахаривания крахмала, и такую операцию можно продолжать в ходе ферментации.
9. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что протеин, оставшийся в воде после фракционирования зерен, крахмальную фракцию и протеиновую фракцию подвергают протеолизу в ходе получения сбраживаемой среды.
10. Способ по п.9, отличающийся тем, что протеолиз белков осуществляют с помощью смеси пептидаз и карбоксипептидаз, имеющих оптимальное значение рН протеолиза в интервале 5-7 и обладающих устойчивостью к воздействию температуры вплоть до 55°С.
11. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что бактериальную массу, образовавшуюся в ходе ферментации, используют в качестве добавки в процессе получения концентрированного фуража из волокна и/или протеиновой фракции или после предварительного протеолиза в ходе получения сбраживаемой среды в качестве источника Νсоединений и факторов роста.
12. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что молочнокислые бактерии могут быть заменены на кислород-толерантные бактерии.
13. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что в указанном цикле используют все штаммы молочнокислых бактерий и бактерий, сбраживающих глюкозу, но предпочтительными являются штаммы с низкой ауксотрофией и обладающие высокой устойчивостью к температурному воздействию.
14. Способ по п.1, отличающийся тем, что выделение лактата из среды и его очистку осуществляют по любой из разработанных схем, адаптированных к многократному использованию интегральной схемы производства воды согласно пп.2-10.
15. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что для получения циклических эфиров лактата, необходимых для синтеза РЬЛ, используют сложные эфиры или предполимер лактата, или соли лактата, либо комбинацию указанных выше способов.
16. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что тепловая энергия воды, выделяющейся в ходе этерификации и полимеризации, а также охлаждающей воды используется для сжижения и осахаривания крахмала.
17. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что при получении товарных продуктов осуществляют оптимальное регулирование образования побочных и промежуточных продуктов и соотношения между ними.
18. Способ по п.17, отличающийся тем, что указанные продукты представляют собой фитопротеин, крахмал, волокно, молочную кислоту, а также ее сложные эфиры и соли, РЬЛ и продукты на его основе.
19. Применение полимеров молочной кислоты, полученных по способу, описанному в любом из пп.1-18, в качестве биодеградируемого материала для производства пластмасс для упаковочных материалов, медицинских и пищевых аксессуаров, в особенности для производства систем, шприцев, имплантантов и посуды, предназначенных для одноразового использования, а также для применения в сельском хозяйстве, автомобильной, электронной, волоконной и текстильной промышленности.