發(fā)酵法乳酸精制研究進(jìn)展

發(fā)酵法乳酸精制研究進(jìn)展

自1780年瑞典畫(huà)家發(fā)現(xiàn)水楊酸（即2-羥基丙烯酸）以來(lái)，硫酸及其衍生物在食品、藥物和化工等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。尤其是進(jìn)入21世紀(jì)，隨著石油資源的日益枯竭，乳酸作為一種生物質(zhì)資源越來(lái)越受到人們的重視。特別是，聚乳酸不僅性能與傳統(tǒng)的塑料、橡膠等相當(dāng)，且是一種環(huán)境友好材料，因而被認(rèn)為是最有前途的可生物降解的高分子材料。目前，我國(guó)僅塑料和化纖產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到3200萬(wàn)噸/年以上，如果采用聚乳酸材料替代，其市場(chǎng)前景將不可估量。CargillDow公司的聚乳酸產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到14萬(wàn)噸/年。聚乳酸的規(guī)?；l(fā)展必將對(duì)乳酸工業(yè)帶來(lái)極大的推動(dòng)作用，乳酸產(chǎn)品的工業(yè)化將迎來(lái)新一輪的快速發(fā)展。工業(yè)上生產(chǎn)乳酸主要采用微生物發(fā)酵法，成熟的發(fā)酵液中通常還含有菌體、蛋白質(zhì)、色素、殘?zhí)呛蜔o(wú)機(jī)鹽等雜質(zhì)。如何將乳酸從發(fā)酵體系中提取出來(lái)是制約乳酸工業(yè)發(fā)展的重要因素，也是研究者關(guān)注的熱點(diǎn)。近十年來(lái)，隨著材料和分離技術(shù)的飛速發(fā)展，新的分離方法不斷涌現(xiàn)，如膜萃取、分子蒸餾和雙極膜電滲析等，這些新技術(shù)使得乳酸精制方法研究不斷更新，極大地推動(dòng)了乳酸精制方法的發(fā)展。本文作者就近十余年來(lái)乳酸精制技術(shù)的主要進(jìn)展和新的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行簡(jiǎn)要?dú)w納。1發(fā)酵法：酸化乳液和酸乙酸鈉的性質(zhì)1.1乳酸生產(chǎn)工藝目前，工業(yè)乳酸的生產(chǎn)一般均采用糖類(lèi)物質(zhì)發(fā)酵法，即采用發(fā)酵→鈣鹽中和→酸解→乳酸的工藝（如圖1所示）。首先淀粉類(lèi)物質(zhì)經(jīng)過(guò)糖化、發(fā)酵，同時(shí)加入碳酸鈣進(jìn)行中和，發(fā)酵完畢后采用板框過(guò)濾得到較為澄清的乳酸鈣溶液，接著采用濃硫酸分解乳酸鈣得到乳酸和硫酸鈣沉淀，再次進(jìn)行過(guò)濾得到粗乳酸溶液，最后采用活性炭吸附脫色和離子交換去除體系中的雜質(zhì)離子而得到乳酸。該工藝設(shè)備較簡(jiǎn)單，技術(shù)難度較低，是時(shí)下主要的乳酸生產(chǎn)工藝。但是，該法存在一定的環(huán)境問(wèn)題，例如固體廢渣和二氧化碳的排放問(wèn)題等，而且后提取采用的吸附和離子交換技術(shù)制得的乳酸產(chǎn)品質(zhì)量不高，一般用做飼料級(jí)和食用級(jí)。1.2乳酸鈣發(fā)酵液為了消除產(chǎn)物乳酸對(duì)發(fā)酵過(guò)程的抑制作用，發(fā)酵過(guò)程中通常添加中和用的無(wú)機(jī)鹽類(lèi)物質(zhì)，例如常用的碳酸鈣，因此，發(fā)酵液中乳酸通常是以其鹽類(lèi)的形式存在。常溫下，乳酸鈣是難以溶于水中的，發(fā)酵溫度（45～50℃）下乳酸鈣溶解度較大，但是，濃度為10%～20%乳酸鈣發(fā)酵液體系黏度很大，為10～20mPa·s。而且體系中的菌體、殘?zhí)?、蛋白、色素和少量泥沙等雜質(zhì)進(jìn)一步增大了乳酸發(fā)酵液的復(fù)雜性，僅僅依靠常規(guī)的板框過(guò)濾技術(shù)難以達(dá)到對(duì)乳酸發(fā)酵液精制提純的目的。因此，圍繞乳酸發(fā)酵液的提純精制，研究者們開(kāi)展了大量的研究工作。2膜法分離分離方法發(fā)酵法生產(chǎn)乳酸的工藝決定了乳酸產(chǎn)品的分離、精制等費(fèi)用占成本的很大比例。近年來(lái)，研究者們嘗試了多種分離方法，主要包括結(jié)晶法、萃取法、酯化水解法、分子蒸餾法、吸附法和膜分離法等?，F(xiàn)對(duì)這些乳酸精制的方法進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。2.1硫酸系乳酸發(fā)酵工藝結(jié)晶法是一種傳統(tǒng)的方法，采用降溫使乳酸鹽結(jié)晶從發(fā)酵液中分離出來(lái)。其中，鈣鹽法是國(guó)內(nèi)廠(chǎng)家采用最多的方法。在發(fā)酵液中加入碳酸鈣與乳酸反應(yīng)，調(diào)節(jié)體系pH值，發(fā)酵結(jié)束后濃縮降溫得到乳酸鈣晶體，再與硫酸反應(yīng)制備乳酸，產(chǎn)品質(zhì)量較高，但收率低（50%以下）、物耗高和廢水量大，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。由于乳酸鈣結(jié)晶顆粒細(xì)小，結(jié)晶困難，因此有采用鋅鹽結(jié)晶的方法，在粗乳酸鈣溶液中加入硫酸鋅，趁熱濾去石膏后冷卻結(jié)晶，分離出晶體溶解后，通入H2S置換出乳酸，生成ZnS沉淀加硫酸再生成硫酸鋅和H2S，兩者均回用，該方法使得乳酸的收率可以提高到60%左右。2.2乳酸萃取過(guò)程膜萃取工藝研究萃取法是采用適當(dāng)?shù)娜軇┘尤氚l(fā)酵體系將乳酸萃取到萃取相進(jìn)行分離提純的一種方法。為提高萃取過(guò)程的效率，研究者們采用一些新技術(shù)進(jìn)行了過(guò)程強(qiáng)化考察，主要包括發(fā)酵與萃取耦合技術(shù)、膜萃取和液膜法等。發(fā)酵與萃取耦合的原位分離技術(shù)是研究者們興趣所在，在發(fā)酵的同時(shí)采用萃取劑將乳酸從體系中提取出來(lái)，不僅簡(jiǎn)化了原有發(fā)酵工藝，而且消除了產(chǎn)物抑制，提高了發(fā)酵轉(zhuǎn)化率。采用弱堿性（如脂肪胺類(lèi)）物質(zhì)作為萃取劑的萃取過(guò)程研究者將其稱(chēng)為反應(yīng)萃取法，由于其與乳酸能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因而能大幅提高其萃取性能。Wasewar等建立了發(fā)酵與萃取反應(yīng)耦合過(guò)程的工藝流程，考察了酶法葡萄糖轉(zhuǎn)化為乳酸的強(qiáng)化效果，該過(guò)程是一種新型的研究思路。為了減輕萃取時(shí)乳化效應(yīng)的影響，研究者開(kāi)發(fā)出新型的膜萃取技術(shù)，采用微孔膜將萃取劑和被萃取的體系隔開(kāi)，溶劑交換通過(guò)膜的微孔進(jìn)行。Tong等報(bào)道了采用氯化三正辛基甲銨（TOMAC）和油醇對(duì)發(fā)酵液中的乳酸進(jìn)行萃取并采用氯化鈉水溶液將乳酸從萃取液中反萃取出來(lái)，并借助中空纖維微孔膜（孔徑為500nm）將萃取液和原料隔開(kāi)，避免了有機(jī)相溶液之間的乳化，有效提高了萃取效率。Juang等對(duì)此類(lèi)微孔膜萃取的過(guò)程進(jìn)行了傳質(zhì)機(jī)理研究，并以乳酸和檸檬酸的膜萃取過(guò)程為例進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，萃取的結(jié)果受到膜內(nèi)擴(kuò)散外界面相互作用也是影響膜萃取效率的重要因素。液膜法從本質(zhì)上來(lái)講也屬于一種萃取過(guò)程，Jiang等考察了液膜法分離乳酸過(guò)程并進(jìn)行了理論描述。由于液膜乳化液滴在萃取傳質(zhì)交換過(guò)程中有一定溶脹，穩(wěn)定性較差，因此，支撐液膜法分離乳酸過(guò)程得到關(guān)注。Yang等考察了支撐液膜對(duì)乳酸的分離性能和通量的影響，通過(guò)改進(jìn)商業(yè)載體，分離因子達(dá)到2.3ㄢ由于乳酸及其衍生物在萃取劑中的分配系數(shù)低，且一般萃取劑大多具有一定的毒性，使得萃取法精制乳酸技術(shù)與工業(yè)化間仍有一定距離，相關(guān)技術(shù)仍在不斷研究之中。2.3乳酸酯化反應(yīng)酯化水解法是獲得精品級(jí)乳酸的有效方法之一。早在1946年就有文獻(xiàn)報(bào)道，采用甲醇與發(fā)酵液反應(yīng)，蒸餾出乳酸甲酯后進(jìn)行水解制備得到純度很高的乳酸。但由于酯化反應(yīng)化學(xué)平衡的限制，產(chǎn)率不高。近年來(lái)，隨著高效催化劑和工藝的開(kāi)發(fā)，這種傳統(tǒng)的乳酸精制技術(shù)在催化精餾新技術(shù)的推動(dòng)下得到了新的發(fā)展。張猛等設(shè)計(jì)了乳酸提純用的反應(yīng)精餾工藝，并建立了非平衡級(jí)穩(wěn)態(tài)模型，表明連續(xù)化的反應(yīng)精餾工藝突破了反應(yīng)平衡的限制，能大幅提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率，其采用的催化劑也是離子交換樹(shù)脂。由于酯化反應(yīng)的特性，從體系中及時(shí)脫除產(chǎn)物水是提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的重要手段。Tanaka等報(bào)道了采用T形沸石膜蒸汽滲透過(guò)程強(qiáng)化的乳酸乙酯化反應(yīng)，在反應(yīng)的同時(shí)采用沸石膜將體系中的水及時(shí)轉(zhuǎn)移到體系外，使得酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于平衡轉(zhuǎn)化率，接近100%。Benedict等將滲透汽化技術(shù)用于乳酸和琥珀酸與乙醇的酯化反應(yīng)過(guò)程中，利用滲透汽化膜將反應(yīng)產(chǎn)物水及時(shí)從體系中脫除，打破了反應(yīng)平衡，同時(shí)提高了兩種酸的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。Sun等采用銨鹽中和發(fā)酵法，過(guò)程中采用丁醇與乳酸銨酯化，精餾出乳酸丁酯再水解制備得到純度極高的乳酸產(chǎn)品，過(guò)程總收率達(dá)85.6%。催化反應(yīng)和滲透汽化等過(guò)程集成技術(shù)的快速發(fā)展使得傳統(tǒng)的乳酸酯化水解法得到了新的發(fā)展機(jī)遇，雖然過(guò)程能耗較高，但這也為乳酸精制方法提供了一種重要選擇。2.4發(fā)酵液中乳酸的制備分子蒸餾是一種真空蒸餾技術(shù)，也稱(chēng)短程蒸餾，是在高真空度（系統(tǒng)絕壓約0.1Pa）條件下進(jìn)行的非平衡連續(xù)蒸餾過(guò)程，特別適合于分離低揮發(fā)度、高分子量、高沸點(diǎn)、高黏度、熱敏性和具有生物活性的物料。王甲衛(wèi)等采用分子蒸餾對(duì)發(fā)酵液中的乳酸進(jìn)行精制實(shí)驗(yàn)，得到了純度為96%的乳酸產(chǎn)品。鄭弢等采用兩次分子蒸餾方法處理40%左右的發(fā)酵液粗乳酸，產(chǎn)品純度達(dá)到95%。采用分子蒸餾技術(shù)分離乳酸工藝簡(jiǎn)單、步驟少，但一次性投資比較大，且必須是對(duì)乳酸產(chǎn)品進(jìn)行深加工，而不能直接從發(fā)酵液乳酸鹽獲得。在一定程度上，該方法是從粗乳酸制備高品質(zhì)乳酸的一種有效工藝。2.5發(fā)酵液中乳酸的制備由于吸附材料對(duì)特定分子具有較好選擇性吸附功能，因此吸附法也可用來(lái)從發(fā)酵液體系中分離乳酸。通常采用離子交換樹(shù)脂將乳酸從體系中分離出來(lái)。Cao等用陰離子交換樹(shù)脂（AmberliteIRA-400）對(duì)發(fā)酵液體系中的L-乳酸進(jìn)行分離提取，考察了吸附等溫線(xiàn)和穿透曲線(xiàn)，吸附容量為197mg/g濕樹(shù)脂，采用水洗脫，總收率可達(dá)92%。Tong等采用弱堿性陰離子交換樹(shù)脂AmberliteIRA-92在發(fā)酵液體系中進(jìn)行了吸附乳酸的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明乳酸的收率可達(dá)82.6%，純度為96.2%。Aljundi等則考察了采用沸石分子篩對(duì)發(fā)酵液中乳酸的吸附行為，吸附能力為37g/kg，總收率為65%，性能比高分子基樹(shù)脂類(lèi)材料差，但其再生方式簡(jiǎn)單，采用蒸汽通過(guò)由分子篩填充的固定床即可，工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，而且化學(xué)試劑消耗降低。吸附法取決于材料吸附容量的限制，而且乳酸從吸附材料上洗脫需要采用化學(xué)試劑等方法，進(jìn)一步提純存在一定困難，一般難以大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用，相關(guān)技術(shù)的發(fā)展有待進(jìn)一步研究。2.6速發(fā)展促進(jìn)劑技術(shù)膜分離是典型的以材料為基礎(chǔ)的新型化工分離過(guò)程之一，材料學(xué)科的高速發(fā)展促使膜技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。膜分離技術(shù)在乳酸精制過(guò)程中的應(yīng)用主要包括兩大部分：發(fā)酵液的澄清除雜和乳酸精制，前者主要采用超濾和微濾膜過(guò)程，后者則采用納濾、反滲透或電滲析過(guò)程。2.6.1以陶瓷膜為原料的乳酸發(fā)酵技術(shù)微濾膜的孔徑較大主要是達(dá)到除雜除菌的目的。Moueddeb等首先采用這個(gè)思想建立了一個(gè)巧妙的膜生物反應(yīng)器用于乳酸制備，其方法是在兩個(gè)同軸管式陶瓷膜形成的封閉空間內(nèi)固定菌體和營(yíng)養(yǎng)，發(fā)酵底物從管內(nèi)徑向外透過(guò)封閉空間到達(dá)外管外，使得發(fā)酵產(chǎn)生的乳酸不斷流經(jīng)含有菌體的封閉空間，有效地解決了乳酸對(duì)菌體的抑制效應(yīng)。Persson等在乳酸發(fā)酵過(guò)程中采用陶瓷膜對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行微濾，將乳酸菌體從發(fā)酵液中分離出來(lái)，為乳酸菌體的重復(fù)利用提供了可選方法。Carrhe等對(duì)該過(guò)程進(jìn)行了深入分析，探索了影響過(guò)濾通量的主要因素，結(jié)果表明過(guò)濾過(guò)程中的吸附和濃差極化對(duì)通量的衰減起主要作用。2.6.2膜法水處理技術(shù)在乳酸生產(chǎn)中的應(yīng)用納濾膜能有效截留分子量150Da以上的有機(jī)物，反滲透膜則幾乎只能透過(guò)水，利用這一特性將其與乳酸發(fā)酵過(guò)程相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)新型的膜生物反應(yīng)器。Jeantet等采用納濾膜和連續(xù)釜式反應(yīng)器相耦合的方法實(shí)現(xiàn)了乳酸的半連續(xù)生產(chǎn)，過(guò)程中乳酸透過(guò)納濾膜、乳糖和二價(jià)離子等在反應(yīng)體系中得到循環(huán)，結(jié)果乳酸產(chǎn)品色度大大降低，99%以上的納濾膜污染可以輕易除去。納濾和反滲透過(guò)程能夠在一定程度上提高乳酸產(chǎn)品的質(zhì)量，可以滿(mǎn)足食品乳酸生產(chǎn)要求，但是對(duì)于更高級(jí)別（聚合級(jí)等）則達(dá)不到要求。最近有文獻(xiàn)報(bào)道采用納濾作為電滲析過(guò)程的預(yù)處理技術(shù)，去除體系中的二價(jià)離子和部分色素，為電滲析過(guò)程提供了基本保障。Polom等考察了動(dòng)態(tài)形成的納濾膜對(duì)乳酸的截留特性，對(duì)體系中的有機(jī)物進(jìn)行了有效截留。這些研究表明要制備高品質(zhì)的乳酸產(chǎn)品，納濾和反滲透技術(shù)在一定程度上將作為后續(xù)工序的預(yù)處理技術(shù)。2.6.3酸鹽結(jié)晶飲料普通電滲析法是利用選擇性的離子交換膜在電場(chǎng)作用下使離子發(fā)展定向運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到離子的濃縮。Danner等結(jié)合了超濾和普通電滲析過(guò)程從乳酸發(fā)酵液提取出乳酸鈉；Choi等僅采用陽(yáng)離子交換膜結(jié)合硫酸酸化的方法處理乳酸鈉溶液，電滲析去除了反應(yīng)生成的硫酸鈉而得到乳酸，由于存在擴(kuò)散產(chǎn)品中仍然存在部分鈉離子，約5%左右。雙極膜電滲析是新型的技術(shù)，與普通電滲析的區(qū)別在于雙極膜層能使水發(fā)生解離，在發(fā)酵液有機(jī)酸鹽的資源化處理方面有了初步應(yīng)用，因此在從乳酸鹽制備乳酸時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。普通電滲析可獲得較純凈的乳酸鹽溶液，而雙極膜則可以分解乳酸鹽制備乳酸和堿。Lee等采用普通電滲析和雙極膜電滲析串聯(lián)流程制備乳酸，進(jìn)料乳酸鈉溶液濃度為100g/L，能耗為0.78～0.97kW·h/kg乳酸。Madzingaidzo等采用的進(jìn)料乳酸鈉溶液濃度為125g/L，電滲析通量達(dá)到300g/(m2·h)，乳酸產(chǎn)品濃度為16%，殘余葡萄糖含量低于1g/L，電滲析單元能耗在0.6～1.0kW·h/kg乳酸。Habova等考察了進(jìn)料乳酸鈉溶液濃度為175g/L，其結(jié)果能耗為1.5kW·h/kg乳酸，乳酸鈉的轉(zhuǎn)化率達(dá)到98%。在此基礎(chǔ)上，Li等研究了采用電滲析技術(shù)的乳酸連續(xù)發(fā)酵膜生物反應(yīng)器，該反應(yīng)器包含了普通電滲析和雙極膜電滲析器，實(shí)現(xiàn)了乳酸在線(xiàn)移除。電滲析制備乳酸的最大優(yōu)點(diǎn)是過(guò)程簡(jiǎn)單、物耗降低、三廢排放少和乳酸產(chǎn)品質(zhì)量高?？梢?jiàn)，隨著材料技術(shù)的發(fā)展，新型的雙極膜電滲析技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，采用電滲析集成技術(shù)從乳酸鈉制備乳酸的工藝是目前乳酸精制和制備的熱點(diǎn)之一，并已經(jīng)初步具備工業(yè)化的條件。3膜分離與發(fā)酵技術(shù)針對(duì)發(fā)酵法乳酸生產(chǎn)方法，采用各種新技術(shù)對(duì)乳酸制備整個(gè)流程的強(qiáng)化為各國(guó)研究者大力關(guān)注?？v觀(guān)近十余年的文獻(xiàn)，研究者們已經(jīng)開(kāi)始嘗試各種新技術(shù)（包括新型功能分離材料和技術(shù)，如雙極膜電滲析、分子蒸餾等）來(lái)進(jìn)行乳酸的制備，重點(diǎn)是從發(fā)酵液中直接提取乳酸過(guò)程的研究。其中，高效率、低能耗、污染少的膜分離技術(shù)（支撐液膜、膜萃取、微濾、超濾、納濾、反滲透、電滲析等）與發(fā)酵過(guò)程的耦合則更受關(guān)注，尤其是雙極膜電滲析技術(shù)更是近期研究熱點(diǎn)