[发明专利]利用生物发酵技术制备乳酸以生产高产率、高光纯丙交酯的方法和系统

说明书

本发明涉及发酵生物学和生物可降解材料领域，具体地涉及一种利用生物发酵技术制备乳酸以生产高产率、高光纯丙交酯的方法和系统。该方法包括：将乳酸发酵菌（保藏编号为CGMCC No.19507的鼠李糖乳杆菌）接种至发酵培养基中进行乳酸发酵，得到乳酸发酵液，将所述乳酸发酵液进行分离，得到L‑乳酸原料，在第一聚合条件下，将乳酸进行预缩聚反应，得到聚合度小于5的乳酸预聚体和含有乳酸的气相；在第二聚合条件下，在降膜式反应器中，将乳酸预聚体进行缩聚反应，得到聚合度在10以下的乳酸低聚物；将乳酸低聚物在催化剂的作用下进行解聚，得到含有丙交酯的产物。利用本发明的方法和系统，可以得到高光纯的丙交酯，且产率高。

技术领域

本发明涉及发酵生物学和生物可降解材料领域，具体地涉及一种利用生物发酵技术制备乳酸以生产高产率、高光纯丙交酯的方法和系统。

背景技术

全球限塑背景下，生物可降解性聚乳酸新材料越来越受到关注，且每年的消费量都在不断增加。欧洲生物塑料协会统计的数据显示，降解材料的产能每年正以接近20%的速度在增长，其需求却以30%的速度在增长，产品长期处于供不应求的状态。生物基聚乳酸的合成一般以高DE值葡萄糖为原料，经生物发酵生成高光纯乳酸，后经脱水浓缩、冷凝回收、缩聚解聚等步骤先得到丙交酯，再开环聚合得到聚乳酸。此方法操作过程可控性较好，产品质量稳定。由于在丙交酯开环聚合反应时不会产生副产物水，可以精确控制聚合反应的分子量达到10万以上，而且可以在丙交酯的制备纯化上，除去乳酸原料内的杂质及少量的内消旋丙交酯，提高光纯度，因此二步法是制备高分子量聚乳酸的经典方法，适用于大规模工业化生产。但是行业内，高光学纯度、高产率的丙交酯生产工艺已经成为行业发展的“卡脖子”工程。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的丙交酯生产工艺制备的丙交酯光纯度低和得率低的问题，提供一种利用生物发酵技术制备乳酸以生产高产率、高光纯丙交酯的方法和系统，利用本发明的方法和系统，可以得到高光纯的丙交酯，且产率高。

本发明的发明人发现，现有技术中无法有效提高丙交酯产率和光纯度的原因在于，1）现有工艺中，通常通过一步缩聚法得到乳酸低聚物，而一步缩聚无法有效得到聚合度5-10的乳酸低聚物，从而导致后续反应效率低下，且副产物较多；2）在现有工艺中，为了获得良好的反应性，通常需要对乳酸进行有效脱水（包括乳酸自身携带的水以及缩聚反应生成的水），以及及时蒸出解聚反应生成的丙交酯产物，而为了获得良好的水份和丙交酯蒸出效果，一般通过提高体系温度和降低体系压力来实现，然而在高温低压下会导致许多副反应发生，例如，乳酸低聚物的碳化、氧化，丙交酯的消旋甚至分解，从而导致丙交酯产率和光纯度低。

为了有效解决如上的技术问题，本发明提出了通过两步法对乳酸进行缩聚，首先，先将乳酸预缩聚成聚合度小于5的乳酸预聚体，然后再进一步缩聚成聚合度5-10的乳酸低聚物，并且缩聚反应在降膜式反应器中进行，从而降低了体系的反应温度，在一定程度缓解了体系对压力的要求，获得了高光纯度的生物基丙交酯，且产率高。

基于如上的研究成果，本发明一方面提供一种利用生物发酵技术制备乳酸以生产丙交酯的方法，该方法包括：将乳酸发酵菌接种至发酵培养基中进行乳酸发酵，得到乳酸发酵液，将所述乳酸发酵液进行分离，得到光纯度高于99%的L-乳酸；

该方法还包括：

（1）在第一聚合条件下，将所述乳酸进行预缩聚反应，得到聚合度小于5的乳酸预聚体和含有乳酸的气相；

（2）在第二聚合条件下，在降膜式反应器中，将乳酸预聚体进行缩聚反应，得到聚合度在10以下的乳酸低聚物；

（3）将所述乳酸低聚物在催化剂的作用下进行解聚，得到含有丙交酯的产物。

本发明第二方面提供一种生产丙交酯的方法，该方法包括：

（1）在第一聚合条件下，将乳酸进行预缩聚反应，得到聚合度小于5的乳酸预聚体和含有乳酸的气相；