本發(fā)明屬于生物化工領(lǐng)域，具體涉及一種高效利用乳酸發(fā)酵廢液回收制備乳酸的方法。

背景技術(shù)：

1、乳酸作為生物基大宗化學(xué)品已被廣泛應(yīng)用，目前乳酸的主要生產(chǎn)方法是以玉米、小麥等淀粉為原料進(jìn)行生物發(fā)酵。但是，我國糧食安全問題凸顯，環(huán)境保護(hù)需求不斷增強(qiáng)，探索以木質(zhì)纖維素為代表的非糧原料發(fā)酵生產(chǎn)乳酸已成為維護(hù)國家糧食戰(zhàn)略儲備水平、落實(shí)環(huán)保政策的重要途徑之一。

2、我國對木質(zhì)纖維素的利用率極低，其根本原因在于木質(zhì)纖維素干基的粗蛋白含量低、粗纖維含量高，且適口性差、質(zhì)地粗糙，難以被微生物直接利用。木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的強(qiáng)相互作用（即氫鍵和疏水相互作用），生物聚合物結(jié)構(gòu)的水解具有很強(qiáng)的抵抗力，這需要一系列高效的預(yù)處理方法以提高水解效果。木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的預(yù)處理是將復(fù)雜的木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等簡單成分的過程，最終去除木質(zhì)素，保留半纖維素，降低纖維素結(jié)晶度并增加材料的孔隙率。目前多種預(yù)處理技術(shù)已經(jīng)被開發(fā)來提高生物質(zhì)化學(xué)品及燃料的產(chǎn)量，包括物理、化學(xué)、生物和物理化學(xué)等方法。然而，在傳統(tǒng)的生物煉制過程中，單一的物理或生物預(yù)處理方法因?yàn)槠涓吣芎暮透吆臅r，往往在有限的投入成本下難以達(dá)到預(yù)期的處理效果而缺乏放大生產(chǎn)的案例；物理化學(xué)法如蒸汽爆破法和氨纖維爆破法，不僅能耗高而且副產(chǎn)物毒性大；而化學(xué)法，如以氫氧化鈉、氫氧化鉀、三乙胺、乙二胺為代表的堿法預(yù)處理工藝，其預(yù)處理過程中產(chǎn)生的黑液廢水處理難度大；硫酸、鹽酸、對甲苯磺酸、鄰苯二甲酸酐等酸法預(yù)處理工藝，都需要外源購置預(yù)處理催化劑，且在后續(xù)產(chǎn)物分離過程中需要加入一道除去這些酸性雜質(zhì)的工序。此外，目前纖維素基乳酸的發(fā)酵生產(chǎn)除了上述的原料預(yù)處理問題之外，仍有諸多需要改善之處。例如，木質(zhì)纖維素預(yù)處理液毒性較大，影響乳酸菌的發(fā)酵生產(chǎn)，導(dǎo)致乳酸的產(chǎn)量低；分離提取乳酸用離子交換樹脂除去其它雜酸時，其酸液往往是用堿中和后廢棄；乳酸溶液經(jīng)濃縮、精餾提純得到產(chǎn)品，其釜底液要么廢棄，要么就簡單合并到下一批乳酸生產(chǎn)的發(fā)酵液中，但是經(jīng)濃縮富集的雜質(zhì)和蒸餾過程中產(chǎn)生的高分子膠狀物，不僅會影響下一批的乳酸菌的發(fā)酵生產(chǎn)，而且增加了乳酸分離純化的難度。因此，針對這些難題，需要發(fā)展一種新的技術(shù)方法，以提高木質(zhì)纖維素預(yù)處理效率、乳酸產(chǎn)量，減少乳酸生產(chǎn)過程的廢液排放。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高效利用乳酸發(fā)酵廢液回收制備乳酸的方法。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一種利用乳酸發(fā)酵廢液回收制備乳酸的方法，其包括以下步驟：

4、1）分段收集乳酸發(fā)酵液分離過程中產(chǎn)生的有機(jī)酸廢液并濃縮，然后測定其中有機(jī)酸濃度；

5、2）將乳酸發(fā)酵液精餾后釜底的乳酸廢液稀釋，并加入絮凝劑攪拌混勻后過濾，測定濾液中乳酸的濃度；

6、3）將步驟1）所得有機(jī)酸廢液及步驟2）所得濾液按一定比例混合，之后在所得混合廢液加入木質(zhì)纖維素，加熱到一定溫度后保溫進(jìn)行預(yù)處理，待其降溫后再加入脫毒劑，經(jīng)攪拌，過濾，得到預(yù)處理后的木質(zhì)纖維素殘?jiān)?/p>

7、4）在所得預(yù)處理后的木質(zhì)纖維素殘?jiān)屑尤肴ルx子水，并調(diào)節(jié)ph?4~7后，加入纖維素酶進(jìn)行酶解；之后加入氮源，并接入乳酸菌，通入壓縮空氣一段時間后，通入氮?dú)?，并連續(xù)加入氫氧化鈣懸濁液進(jìn)行發(fā)酵，至乳酸濃度不再增加。

8、進(jìn)一步地，所述乳酸發(fā)酵液是將玉米秸稈、甘蔗渣、水稻秸稈、煙葉秸稈、筍殼等木質(zhì)纖維素原料采用傳統(tǒng)生物發(fā)酵技術(shù)進(jìn)行發(fā)酵后獲得。

9、進(jìn)一步地，步驟1）中將分段收集的有機(jī)酸廢液濃縮至原體積的20%~90%。

10、進(jìn)一步地，步驟2）中采用水為稀釋液對乳酸廢液進(jìn)行稀釋，其用量為乳酸廢液重量的1.0~5.0倍。

11、進(jìn)一步地，步驟2）中所述絮凝劑為聚丙烯酰胺（phiii），其分子量為500~1000萬，用量為0.5~3?g/l。

12、進(jìn)一步地，步驟3）中有機(jī)酸廢液與濾液混合的比例按所得混合廢液中乳酸濃度為1~10?g/l，甲酸濃度為0.1~5?g/l，乙酸濃度為0.1~5?g/l，琥珀酸濃度為1~8g/l，總酸濃度為5~20?g/l進(jìn)行換算。

13、進(jìn)一步地，步驟3）中所用木質(zhì)纖維素為玉米秸稈、甘蔗渣、水稻秸稈、煙葉秸稈、筍殼等，其用量為混合廢液質(zhì)量的1~25%。

14、進(jìn)一步地，步驟3）中所述預(yù)處理的溫度為100~130?℃，時間為0.5~3?h。

15、進(jìn)一步地，步驟3）中所述脫毒劑為乙二胺四乙酸或其鈉鹽，其用量按每升混合廢液加入0.01~0.5?g進(jìn)行換算。

16、進(jìn)一步地，步驟2）、3）中所述攪拌的時間均為1~3?h。

17、進(jìn)一步地，步驟4）中采用磷酸或其酸式鹽調(diào)節(jié)ph。

18、進(jìn)一步地，步驟4）中纖維素酶的加入量按使用每克木質(zhì)纖維素加入5~30?fpu進(jìn)行換算。

19、進(jìn)一步地，步驟4）中加入纖維素酶進(jìn)行酶解的體系溫度為47~55?℃，時間為2~5h。

20、進(jìn)一步地，步驟4）中所用氮源為酵母粉、玉米漿或玉米蛋白粉等有機(jī)氮源，其用量按每升酶解液加入為5-30g進(jìn)行換算。

21、進(jìn)一步地，步驟4）中乳酸菌的接入量為酶解液體積的1%~20%。

22、進(jìn)一步地，步驟4）中通入壓縮空氣的時間為2~6?h。

23、進(jìn)一步地，步驟4）中通入氮?dú)獾臅r間為1~3?h。

24、進(jìn)一步地，步驟4）中所用氫氧化鈣懸濁液的濃度為50~300g/l，其用量按使發(fā)酵體系ph維持在4.5~6.5為準(zhǔn)。

25、進(jìn)一步地，步驟4）中所述發(fā)酵的溫度為50~55℃。

26、本發(fā)明具有以下技術(shù)優(yōu)勢：

27、1.?本發(fā)明回收了乳酸分離過程中產(chǎn)生的有機(jī)酸以及釜底乳酸廢液，并將其用于木質(zhì)纖維素預(yù)處理；

28、2.?本發(fā)明中將有機(jī)酸廢液分段收集，有利于調(diào)控混合酸溶液中的甲酸、乙酸、琥珀酸和乳酸的含量以及總酸濃度；

29、3.?在乳酸分離的精餾步驟，隨著釜底液不斷濃縮，金屬離子不斷富集并產(chǎn)生一系列聚合物雜質(zhì)。本發(fā)明使用聚丙烯酰胺作為絮凝劑能和高價金屬離子交聯(lián)成不溶性的凝膠體；且其分子鏈的極性基團(tuán)，能通過吸附溶液中懸浮的固體粒子使粒子間架橋，并通過電荷中和使粒子凝聚形成大的絮凝物，方便除去大部分重金屬離子和聚合物雜質(zhì)。

30、4.?本發(fā)明中采用混合有機(jī)酸預(yù)處理木質(zhì)纖維素原料，其反應(yīng)條件溫和，且在多種有機(jī)酸的共同作用下，預(yù)處理效果好；

31、5.?乙二胺四乙酸或其鈉鹽是強(qiáng)力的金屬螯合劑，能與金屬離子形成穩(wěn)定的水溶性絡(luò)合物，且其能通過過濾操作使重金屬離子和預(yù)處理后的木質(zhì)纖維素殘?jiān)蛛x，避免了后續(xù)糖化步驟中重金屬離子對纖維素酶的抑制作用，增加了酶解糖化的效率。

32、6.?本發(fā)明中磷酸或其酸式鹽的使用不僅可以調(diào)節(jié)溶液ph值，還可以用作微生物生長所需的磷源。

33、7.?本發(fā)明中采用先酶解糖化一段時間后再接種乳酸菌的半同步糖化發(fā)酵方式，有利于在發(fā)酵前期積累較多碳源，以維持接種后微生物的快速增長。

34、8.?本發(fā)明在兼性厭氧乳酸菌接種后先通入一段時間壓縮空氣利于其快速繁殖、提高od值；隨后通入氮?dú)庵脫Q溶液中的氧氣，利于厭氧發(fā)酵，提高乳酸生產(chǎn)效率。

35、總而言之，本發(fā)明解決了木質(zhì)纖維素基乳酸生產(chǎn)過程中，有機(jī)酸廢液和蒸餾釜底廢液中的甲酸、乙酸、琥珀酸和乳酸的回收再利用問題。使用聚丙烯酰胺除去釜底液的聚合物雜質(zhì)以及懸浮顆粒，并將回收的有機(jī)酸按適當(dāng)配比調(diào)配成混合酸溶液用于木質(zhì)纖維素的預(yù)處理，處理效果拔群。預(yù)處理后的木質(zhì)纖維素溶液經(jīng)乙二胺四乙酸或其鈉鹽脫毒后，過濾得到的木質(zhì)纖維素殘?jiān)美w維素酶酶解，乳酸菌半同步糖化發(fā)酵，乳酸收率高。其中先通壓縮空氣提高生產(chǎn)菌株的od值，再通過氮?dú)庵脫Q溶液中的氧氣操作，大大提高了厭氧發(fā)酵效率。