L(+)-lactic acid purification from fermentation broth using ion exchange resins

Abstract

öz Laktik asit doğada D(-) ve L(+) olmak üzere iki formda bulunur ve gıda, deri, tekstil, ilaç ve kozmetik endüstrilerinde kullanılmaktadır. Bununla birlikte, L(+)-laktik asit, biyomedikal uygulamalarda kullanılan poli-L-laktik asitin üretimi için de hammadde teşkil etmektedir. Bu çalışmada mikrobiyal yolla üretilen L(+)-laktik asitin fermantasyon ortamından verimli ve ekonomik olarak ayrılması amaçlanmıştır. Çeşitli alt alam işlemlerinden iyon değiştirme kromatografisi seçiciliğinin yüksek olması ve düşük maliyetle kısa sürede ürün eldesi sebebiyle kullanılmıştır. Ayrıca, son ürün saflığının araştırılması, laktik asitin adsorpsiyon/desorpsiyon davranışları üzerine yeni verilerin eldesi ve sistemin endüstriyel kullanımda uygulanabilirliğinin araştırılması ilave amaçlar arasındadır. Bu projede, pH 5.5 ve 37 °C'de 12 saat süren fermantasyon yoluyla peynir suyundan L(+)-laktik asit üretimi için Lactobacillus casei NRRL B-441 kullanılmıştır. %100 L(+)-laktik asit içerikli ürün konsantrasyonu 50 g/Tdir. Ardından yüksek sorpsiyon kapasitesi ve hızlı denge davranışına bağlı olarak uygun reçine seçilmiştir. Dowex marathon WBA, OH formunda bulunan zayıf bazlı anyon değiştirici, dengeye 15 dakika içerisinde ulaşmıştır. Kesikli sorpsiyon deneyleri yaklaşık olarak pH 7.0 ve 30°C de yapılmış, 20 saat boyunca örnek alınmıştır. Ayrıca sıcaklık ve pH'nın etkisi incelenmiş ve etkisi önemsiz bulunmuştur. Bütün adsorpsiyon/desorpsiyon deneyleri model laktik asit ve fermantasyon sıvışma uygulanmıştır. Dowex marathon WBA, üzerindeki laktik asit ve fermantasyon sıvısındaki L(+)-laktik asitin iyon değiştirme dengesi Langmuir izotermi ile açıklanmıştır. Model laktik asit için maksimum değişim kapasitesi (qm) 0.25 g La/g yaş reçine ve fermantasyon sıvısında 0.04 g La/g yaş reçinedir. Fermantasyon sıvısındaki L(+)-laktik asitin dengede yüklenmesi ve değiştirme etkinliği diğer iyonik türlerin rekabetinin sonucu olarak azalmıştır. Mevcut iyonlar L(+)-laktik asitin iyon değiştiricinin serbest bölgelerine bağlanmasını engellemiştir. Bununla birlikte, adsorplanan laktik asitin iyon değiştiriciden geri kazanılması için kolon işlemleri uygulanmıştır. Bağlı L(+)-laktik asitin geri kazanılması için 1 ml/dk ve ortam sıcaklığında 2 M HC1 uygun elüsyon ajanı olarak seçilmiştir. Bağlı L(+)-laktik asitin % 95M Dowex marathon WBA` dan geri kazanılmıştır.

ABSTRACT Lactic acid exists in two optically active form, D(-) and L(+)-lactic acid. It has been used in food, leather, textile, pharmaceutical and cosmetic industries. Moreover, L(+)-lactic acid constitutes the raw material for the production of poly-L-lactic acid which is used in biomedical applications. The aim of this study was to recover and purify the microbially produced L(+)~ lactic acid from the fermentation media efficiently and economically. Among the various downstream operations, ion exchange chromatography was used since it is highly selective and yields a low cost product recovery within a short period of time. The additional goals were to investigate the end product purity, to obtain new data on the adsorption/desorption behaviours of lactic acid and to investigate the applicability of the system for industrial usage. In this project, Lactobacillus casei NRRL B-441 was used for the production of L(+)-lactic acid from whey by a 12 hours fermentation process at pH 5.5 and 37 °C. The product concentration was 50 g/1 with 100% L(+)-lactic acid content Then, a suitable resin with high sorption capacity and rapid equilibrium behavior was selected. The selected resin was Dowex marathon WBA, a weakly basic anion exchanger in OH form. It reached the equilibrium state in 15 minutes. The batch sorption experiments were done at pH 7.0 and 30 °C and sampling was continued for 20 hours. Furthermore, the effect of temperature and pH was investigated and their influence was found to be unimportant. All the adsorption/desorption experiments were applied both to model lactic acid and to biomass free fermentation broth. The ion exchange equilibria of lactic acid and L(+)-lactic acid in fermentation broth on Dowex marathon WBA were explained by the Langmuir isotherm. The maximum exchange capacity (qm) for model lactic acid was 0.25 g La/g wet resin, while L(+)-lactic acid in fermentation broth has a qm value of 0.04 g La/g wet resin. The equilibrium loading and exchange efficiency of L(+)-lactic acid in fermentation broth were reduced as a result of competition by other ionic species. The competing ions inhibit the binding of L(+)-lactic acid to the free sites of ion exchanger. Moreover, column operations were applied to recover sorbed lactic acid from the ion exchanger. 2.0 M HC1 was found to be a suitable eluting agent to recover the bound L(+)-lactic acid with a flowrate of 1 ml/min at ambient temperature. About 95 % of bound L(+)-lactic acid was recovered from Dowex marathon WBA.