（食品科学专业论文）米根霉发酵L乳酸的精制工艺研究.pdf

米根霉发酵l 一乳酸的精制工艺研究 摘要 乳酸在化工、食品和医药等领域具有广泛的市场应用前景食品和医药行 业中使用的乳酸不仅要求其构型为l 一型，而且光学纯度高、杂质含量少、稳定 性好。但目前国内外主要用发酵法生产l 一乳酸，其复杂的分离提取工艺制约着 产品的经济效益。 本课题针对目前国内l 一乳酸分离工艺中存在的蛋白质去除率不高、乳酸成 品稳定性较差等问题，开展了以米根霉菌株a s 3 8 1 9 发酵生产l 一乳酸的分离纯 化工艺研究对传统钙盐提取分离进行探索改进。设计提出的工艺路线为：发 酵液一絮凝一超滤一吸附一精制。通过对各个工序关键影响因素的考 察，优化出l 一乳酸分离精制的最适操作条件。实验研究的主要结论如下： l 、壳聚糖是理想的絮凝剂，在壳聚糖的浓度为2 0 m g l 、发酵液温度4 0 1 2 、 搅拌时间9 m i n 、搅拌速度l l o r m i n 、p h 为5 的操作条件下，菌丝体的去除率 为9 6 5 ，乳酸钙损失率仅为0 2 ； 2 、对比u e o s 5 0 3 和u p i s 5 0 3 两种超滤膜的除蛋白效果，综合考虑，优选出 u e o s 5 0 3 超滤膜；以u e o s 5 0 3 膜进行超滤除蛋自，当膜压差0 1 2 m p a 、p h = 4 、温 度4 5 、进料浓度为4 0 9 l 时，蛋白去除率达9 2 8 5 ，乳酸钙的损失率为3 1 4 ； 3 、对比粉末活性炭和颗粒活性炭两吸附剂的脱糖、脱色效果，综合考虑， 优选出颗粒活性炭；以颗粒状活性炭对乳酸发酵液进行脱糖、脱色研究，考虑 温度、吸附剂添加量、搅拌速度、吸附时问及p h 值五个因素对吸附效果的影响， 在单因素实验基础上采用正交实验设计，结果如下：当吸附剂添加量4 ，温度 4 0 1 2 、p h 5 0 、转速1 7 0 r m i n 、吸附时间1 2 h 时，脱糖率为9 1 2 2 ，色素的去 除率为7 7 6 8 ，乳酸钙的损失率为4 8 0 ： 4 、采用响应曲面法对分子蒸馏精制乳酸工艺进行优化并建立数学模型。结 果如下：在操作压力为1 5 p a 、进样温度5 0 、蒸馏温度7 0 、进样速率7 0 m l h 、 刮膜器转速l o o r m i n 时，乳酸收率为6 2 5 0 ，纯度为9 5 ，对建立的数学模 型进行检验，实测值与模型预测值的相关系数为0 9 9 3 6 ，表明该数学模型是有 效的。 经过优化组合的l 一乳酸分离精制工艺合理、操作简单，各工序具有较好的 连续性，所获得的乳酸产品纯度较高、稳定性好。 关键词：l 乳酸精制絮凝超滤颗粒活性炭分子蒸馏 s t u d y o nt h ep u r i f i c a t i o no fl - l a c t i ca c i df e r m e n t e d b yr h i z o p u so r y z a e a b s t r a c t l a c t i ca c i da n di t sd e r i v a t i v e s ，w h i c ha r ew i d e l yu s e di nt h ec h e m i c a l ，f o o d a n d p h a r m a c e u t i c a li n d u s t r i e s ，a r e p r o m i s i n g p r o d u c t s f o rf o o da n d p h a r m a c e u t i c a lp u r p o s e s ，h o w e v e r , h i g ho p t i c a lp u r i t yl - l a c t i cw i t hl o w e rc o n t e n t o fi m p u r i t i e si sr e q u i r e d c u r r e n t l y , l - l a c t i ca c i di sm a i n l y p r o d u c e db y f e r m e n t a t i o nm e t h o d ，w h i c hs u f f e r ss o m ed i f f i c u l t i e ss u c h c o m p l e xs e p a r a t i o n p r o c e s sa n d l o we f f i c i e n c y t h i st h e s i sf o c u s e do nt h ed o w n s t r e a mp u r i f i c a t i o np r o c e s so fl a c t i ca c i d p r o d u c e db yr h i z o p u so r y z a e3 8 1 9 f o rm a i np r o b l e m si nt h et e c h n i q u e so f l - l a c t i ca c i dc l a r i f i c a t i o na n dp u r i f i c a t i o n ，as e r i e so ft e c h n o l o g i e sw e r ei n t r o d u c e d ， t h ee x t r a c t i n gp r o c e s sf o rt r a d i t i o n a lc a l c i u ms a l tw a se x p l o r e da n di m p r o v e d t h e d e s i g np r o p o s e dt h ef o l l o w i n gt e c h n i c a lp r o c e s s ：f e r m e n t a t i o nb r o t h _ f i o c c u l a t i o n u l t r a f i l t r a t i o n - a d s o r p t i o n 4p u r l f y t h ek e yf a c t o r si ne v e r yp r o c e s sw e r e f u r t h e rr e s e a r c h e d f i n a l l y , t h ep r o c e s so fl a c t i ca c i dc l a r i f i c a t i o na n dp u r i f i c a t i o n a n di t sp a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e d t h em a i nc o n c l u s i o n so ft h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha r ea sf o l l o w s ： 1 、c h i t o s a ni sa l li d e a lf l o c c u l e n t w h e nt h ec h i t o s a nc o n c e n t r a t i o n2 0 m g l ， t h ef e r m e n t a t i o nl i q u i dt e m p e r a t u r e4 0 ，s t i r r i n gt i m e9 m i n ，s t i r r i n gs p e e d 11 0 r m i na n dp hv a l u e5 t h er e m o v a lr a t eo fm y c e l i u mw a s9 6 5 a n dt h el o s sr a t e o fc a l c i u ml a c t a t ew a so n l yo 2 2 、i nt h i st r i a lu l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n eu e o s5 0 3w a sc h o s e nb yc o m p a r i n g t h e p r o t e i n - r e m o v i n g e f f e c t sb e t w e e nu e o s 5 0 3a n du p i s 5 0 3 w h e n t r a n s m e m b r a n ep r e s s u r eo 1 2 m p a ，p hv a l u e4 ，t e m p e r a t u r e4 5 。ca n dc o n c e n t r a t i o n 4 0 9 ，l ，t h ep r o t e i n - r e m o v i n gr a t ew a s9 2 8 5 a n dt h el o s sr a t eo fc a l c i u ml a c t a t e w a s3 1 4 3 、b yt h ec o m p a r i s o no ft h ee f f e c t so nt h er e m o v a lo fr e s i d u a ls u g a ra n d p i g m e n t i nf e r m e n t a t i o n l i q u i d b e t w e e nt h ep o w e r e da c t i v a t e dc h a r c o a la n d g r a n u l a ra c t i v a t e dc h a r c o a lp a r t i c l e s ，t h eg r a n u l a ra c t i v a t e dc h a r c o a lw a sc h o s e n a n dt e m p e r a t u r e ，t h ev o l u m eo fa d s o r b e n ta d d e d ，s t i r r i n gs p e e d 。t i m ea n dp hv a l u e w e r ea l s ot a k e ni n t oa c c o u n t a c c o r d i n gt ot h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g n b a s e do nt h es i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t s ，w h e nt h ev o l u m eo fa d s o r b e n ta d d e d4 。 t e m p e r a t u r e4 0 c ，p hv a l u e 5 0 ，r o t a t i o n a ls p e e d1 7 0 r m i n ，t i m e1 2 h ，t h er a t eo f t h e r e m o v a lo fr e s i d u a ls u g a rw a s9 1 2 2 ，p i g m e n t7 7 6 8 a n dt h el o s sr a t eo f c a l c i u ml a c t a t ew a s4 g o 4 、t e c h n i c a lc o n d i t i o n sf o rt h em o l e c u l a rd i s t i l l a t i o no fl a c t i ca c i dw e r e s t u d i e d r e s p o n s es u r f a c em e t h o d o l o g y ( r s m ) w a se m p l o y e di nt h ep r e s e n tw o r k a n da ne q u a t i o nf o rt h em o l e c u l a rd i s t i l l a t i o no fl a c t i ca c i dw a sb u i l t w h e nt h e c o n d i t i o n sf o rt h ey i e l do fl l a c t i ca c i dw e r eo p e r a t i o np r e s s u r e15 p a ，f e e d t e m p e r a t u r e s 0 c d i s t i l l a t i o nt e m p e r a t u r e7 0 c ，f e e dr a t el o o m l ha n dr o t a t i n g s p e e dl o o r m i n ，t h ey i e l do fl a c t i ca c i dw k s6 2 5 a n dt h ep u r i t yw a s9 5 t h e c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e nt h em e a s u r e dv a l u e sa n dt h ee x p e c t e dv a l u ew 8 8 0 9 9 3 6 ，w h i c hs h o w e dt h a tt h em a t h e m a t i c a lm o d e lb u i l ti nt h i st r i a lw a se r i e c t i v e t e c h n i q u e so fs e p a r a t i o na n dr e f i n e m e n to fl - l a c t i ca c i dt h r o u g ho p t i m i z a t i o n g r o u p i n g a r er e a s o n a b l ea n ds i m p l ea n dh a v eb e t t e r c o n t i n u i t yo fw o r k i n g p r o c e d u r e ，t h r o u g hw h i c ht h el a c t i c a c i dp r o d u c t sw i t ht h eh i g hp u r i t ya n df i n e s t a b i l i t yc a nb eg o t k e yw o r d s ：r e f i n e m e n to f l - l a c t i c ；f l o c c u l a t i o n ；u l t r a f i l t r a t i o n ；g r a n u l a ra c t i v a t e d c a r b o n ；m o l e c u l a rd i s t i l l a t i o n 插图清单 图l - ll 型和d 型乳酸的结构式l 图l - 2 钙盐提取工艺流程图3 图1 3 传统酯化法精制乳酸工艺流程图8 图1 - 4l 乳酸的分离与精制实验流程图1 1 图2 - 1 絮凝剂浓度对o d 值的影响1 4 图2 2 絮凝剂浓度对菌体去除率的影响1 4 图2 3 搅拌速度对o d 值的影响1 5 图2 - 4 搅拌速度对菌体去除率的影响1 5 图2 - 5 温度对o d 值的影响1 6 图2 - 6 温度对菌体去除率的影响1 6 图2 7 搅拌时间对o d 值的影响1 7 图2 8 搅拌时间对菌体去除率的影响1 7 图2 9p h 对o d 值的影响1 7 图2 1 0p h 对菌体去除率的影响一1 7 图3 - 1 多孔膜的模型1 9 图3 2 蛋白质标准曲线2 0 图3 3u e o s 5 0 3 与u p i s 5 0 3 两种膜超滤发酵液通量衰减曲线一2 2 图3 4 两种不同超滤膜的双指标比较2 3 图3 - 5 操作压力对发酵液主要组分截留效果的影响2 4 图3 - 6 操作压力对膜通量的影响2 4 图3 7p h 对发酵液主要组分截留效果的影响2 5 图3 8p h 对膜通量的影响2 5 图3 - 9 操作温度对发酵液主要组分截留效果的影响2 6 图3 1 0 操作温度对膜通量的影响2 6 图3 - 1 1 进料浓度对主要组分截留率效果的影响2 7 图3 1 2 迸料浓度对主要组分截留率效果的影响2 7 图4 1 葡萄糖标准曲线2 9 图4 2 发酵液脱色率随两种活性炭添加量的变化规律3 l 图4 3 发酵液脱糖率随两种活性炭添加量的变化规律3 2 图4 4 发酵液钙损失率随两种活性炭添加量的变化规律3 2 图4 5 活性炭用量对其脱糖脱色效果的影响一3 3 图4 - 6 活性炭用量对乳酸钙损失率的影响3 3 图4 7 作用时间对活性炭脱糖脱色效果的影响3 3 图4 - 8 作用时间对乳酸钙损失率的影响3 3 图4 - 9 搅拌速度对活性炭脱糖脱色效果的影响3 4 图4 1 0 搅拌速度对乳酸钙损失率的影响3 4 图4 1 1 温度对活性炭脱糖脱色效果的影响。3 5 图4 - 1 2 温度对乳酸钙损失率的影响3 5 图4 - 1 3p h 对活性炭脱糖脱色效果的影响3 5 图4 1 4p h 对乳酸钙损失率的影响3 5 图5 1 刮膜式分子蒸馏装置示意图4 0 图5 - 2 进样速度、刮膜器转速及其交互作用对乳酸收率的影响的响应面4 4 图5 - 3 蒸馏温度、进样温度及其交互作用对乳酸收率影响的响应面4 5 图5 - 4l 乳酸标准品高效液相色谱图4 5 图5 5 市售乳酸高效液相色谱图一4 6 图5 - 6 精制乳酸l 乳酸高效液相色谱图4 6 图5 7 市售乳酸( 8 5 ) 与精制乳酸( 9 5 ) 的对比4 7 表格清单 表1 1 乳酸异构体的理化性质l 表4 1 脱糖脱色正交实验因素水平表3 l 表4 2 脱糖脱色正交实验方案。3 6 表4 3 脱糖脱色正交试验结果。3 7 表4 4 脱糖脱色正交试验结果分析表3 8 表s 1 试验因素水平和编码4 1 表5 2 试验设计方案及其结果4 l 表5 3 各因素方差分析表4 2 表5 4 方差分析表( 剔除无影响项) 4 3 表5 5 模型的验证结果4 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果据我所知。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果。也不包含为获得 金胆王业太堂或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名q 交摄卜 签字日期勺砷年莎月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 盒胆王些去堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权 金鼹王些态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可 以采用影印，缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名霸渔净 签字日期：。如7 年5 月1 3 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 防子 婵醐。叩“驴日 | 电话： 邮编； 致谢 三年的研究生生活即将结束，回首过去的每一点成长、每一次进步、每一 份收获，感慨颇多。本论文是在导师潘丽军教授的悉心指导下完成的，从论文 的选题到实验方案的制定、论文的完稿，都得到了潘老师无微不至的关怀和帮 助，潘老师渊博的学识、严谨的治学态度、求实创新的科研意识、诲人不倦的 育人精神和豁达的人生态度是我终身学习的目标和榜样本论文凝集了潘老师 的大量心血，学生在此对恩师表示由衷的感谢和崇高的敬意1 在实验过程中，姜绍通教授、郑志副教授、罗水忠老师、陈晓燕老师、李 兴江老师在实验中给予了我很多细致的指导和帮助，提出了许多宝贵意见，学 生在此表示真诚的谢意l 此外，本实验室的许彬、陆香庆、朱羽、程璐、胡锦艳等在实验室中给予 了积极热情的帮助，同时感谢实验室的张婵婵、赵晓园、高慧、肖小发、李岩、 黄开华同学，三年共同的研究生生活，使我从他们身上学到了许多。忠心的感 谢他们! 最后感谢我的家人，是他们在生活和精神上给予了我巨大支持和鼓励，他 们浓浓的亲情和殷切的期盼是我学习的强大动力和人生奋斗的源泉! 作者：胡海江 2 0 0 7 年5 月 第一章前言 1 1 乳酸的性质 乳酸( 1 a c t i ca c i d ) ，学名弘羟基丙酸( a - h y d r x y p r o p i o n i ca c i d ) ，分子式 c 3 h 6 0 3 ，分子量为9 0 0 8 。乳酸是一种天然有机酸，广泛存在于人体、动植物 和微生物中由于乳酸分子中有一个手性碳原子，所以具有光学异构现象，可 分为l 一( + ) 一乳酸，d 一( - ) - 乳酸和d l 一乳酸，其结构式如图l l ，理化性质如表1 1 【1 2 1 l 峥乳酸 c o o h h 夕洲 c h 3 d ( - ) 甥艘 圈l - 1l 型和d 型乳酸的结构式 f i g 1 - i m o l e c u l a rf o r m u l ao f l a n dd l a c t i ca c i d 表1 1 乳酸异构体的理化性质 t a b l e 1 - 1t h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r so f l a c t i ca c i di s o m e r 通常乳酸为无色或黄色液体，熔点为1 6 8 ，沸点为1 2 2 ( 2 k p a ) ，相对 密度为i 2 4 9 3 1 在6 7 1 3 3 p a 的真空条件下反复蒸馏，可得到高纯度的乳酸。 但由于乳酸为热敏物质，因而需要控制蒸馏温度，以防止乳酸分子自身分解。 乳酸通常是乳酸和乳酰乳酸的混合物，几乎无臭或微带有脂肪酸臭，与水、 乙醇、乙醚、丙二醇、甘油、丙酮等互溶，几乎不溶于石油醚、氯仿、二硫化 碳和苯【4 1 。乳酸浓度达6 0 以上时已有很强的吸湿性。商品级乳酸通常为6 0 溶液，食品级乳酸含量为8 0 以上，药典级乳酸含量为8 5 9 0 b 2 1 乳酸分子中含有一个羟基和一个羧基，因此它可以参与很多反应，如氧化 反应、还原反应、缩合反应和酯化反应等u j 。 1 2 乳酸及其衍生物的应用 ， ， 乳酸是一种古老而重要的有机酸乳酸、乳酸盐及其衍生物广泛应用于食 品、医药、农业和化工等方面【乒1 在食品工业中，由于乳酸酸性柔和且稳定， 有助于改善食品风味，因此常作为酸味剂、防腐剂以及还原剂应用于乳酸饮料、 清凉饮料、糕点、咸菜等中 i q 尤其在软饮料生产所使用的酸味剂方面，l 乳酸有取代柠檬酸之势。在啤酒制造方面，乳酸可代替磷酸等无机酸调节p h ： 在制革工业中，乳酸可使皮革柔软、细密；在卷烟工业中，乳酸可除去烟草中 杂质，保持烟草的湿度，提高烟草的质量；在纺织品工业中，乳酸可用来处理 纺织纤维，使其易于着色，从而增加光泽乳酸还具有很强的杀菌作用，其杀 菌能力是柠檬酸、酒石酸、琥珀酸的数倍，可以直接用作手术室、病房、实验 室、车间等场所的消毒剂【1 2 1 ；此外，l 乳酸、l 乳酸钠与葡萄糖、氨基酸等 复合配制成输液，可治疗酸中毒及高钾血症；l 乳酸的铁、钠、钙盐等溶解性 好，是补充金属元素的良好药品。 近年来，随着乳酸行业的发展，乳酸聚合物成为人们关注的焦点在乳酸 聚合物系列产品中最重要的是聚乳酸( p l a ) 聚乳酸是以乳酸为单体经聚合制 成的一类高分子材料，无毒、无刺激性，具有良好的生物相容性，强度高，能 够可塑性加工成型。它易被自然界中的各种微生物和动植物体内的酶分解，最 终生成二氧化碳和水，不会造成“白色污染”。所以，利用聚乳酸的生物降解性， 有望解决“白色污染”的世界性难题，对于实现可持续发展具有重要的战略意 义。 聚乳酸可以制成农用薄膜、纸代用品、纸张塑膜、包装薄膜、食品容器、 生活垃圾袋、化妆品的添加成分等l l ”，还广泛应用于药物缓释胶囊制剂、生物 降解纤维、生物降解材料的生产及生物植片制造等方面，因而被认为是最有前 途的可生物降解高分子材料【1 4 。”。 1 3 乳酸提取精制工艺的研究进展 我国的乳酸工业从4 0 年代以大米为原料发酵开始，发展到以淀粉为原料 发酵，对乳酸的生产菌种、生产工艺进行过大量的研究【2 1 。单就发酵而言，部 分技术已达到或接近国际先进水平。然而，从发酵液中分离纯化目的产物的“下 游工程”，即乳酸提取技术的现状来看，仍维持在工艺流程长( 见图l 一2 ) 、 分离成本高、乳酸回收率低、产品存放不稳定的水平。难以跟上当今乳酸生产 技术的发展步伐【l8 1 。分离精制作为乳酸生产的瓶颈工作，其水平的高低直接影 响到产品的质量和成本，从而影响乳酸的市场竞争力的大小【1 9 l 1 3 1 乳酸提取工艺的研究进展 乳酸发酵液的成分复杂，含有菌体、残糖、蛋白质、色素、胶体、有机杂 酸、无机盐等多种杂质。总体来说，它们来源于原材料、未消耗的营养盐或发 酵的中间副产物。所以从乳酸发酵液中提取乳酸是比较困难的1 1 9 1 2 为了提高乳酸的提取率和产品质量，并尽可能地降低能耗，人们系统的研 究了乳酸的各种提取技术。主要方法有钙盐法、溶剂萃取法、吸附和离子交换 法、膜法等单一或者复合手段，归纳如下： 1 3 1 1 钙盐法 目前我国多数厂家的提取工艺是乳酸钙结晶一酸解工艺i t 2 】该工艺的流程 大致如下( 图卜2 ) ： 一蟹体撼凌 发酵蒗苎竖过拣 滤液一浓缩结晶 蝴l 凇 一离心，挠晶一复溶一馥艉脱色。，过砖、 麓液一 一浓缩- 一离子交换，浓缩脱色+ 过滤- ，成品包装 图l - 2 钙盐提取工艺流程图 f i g 1 - 2f l o wc h a r to fc o n v e n t i o n a lc a l c i u ms a l tr e c o v e r yp r o c e s s 成熟的发酵液经升温、碱化处理后，除去菌体、蛋白质等胶体杂质。得到 的乳酸钙料液经适当浓缩，在一定条件下结晶。再用离心机分离除去母液，并 洗去残留的母液和一些蛋白质、糖类及色素，得到乳酸钙的白色晶体加热溶 解晶体。用硫酸进行酸解，加入适量的活性炭进行脱色，分离除去c a s 0 4 及活 性炭滤渣，得到粗乳酸溶液。再用阴阳离子交换树脂处理浓缩后的粗乳酸液， 除去c lo 、s 0 4 2 - 、c a 2 + 和f + 等阴阳离子，经离子交换处理过的乳酸溶液再经 浓缩至浓度8 0 以上，即成为成品乳酸。 目前国内主要采用的分离方法为上述的乳酸钙酸解工艺。该工艺具有工艺 成熟，易于控制等优点，但因其单元操作多且操作条件差，需要多次结晶，多 次脱色，劳动强度大，环境污染严重，分离成本高，特别是产品收率低( 国内 一般厂家的乳酸收率仅在4 0 4 5 之间 1 8 1 ) ，且产品质量不理想、产品稳定性 也较差。 江苏省微生物研究所曹本昌【2 0 i 等采用了一神新工艺，在传统钙盐工艺的基 础上省去了结晶、洗晶、和复溶等工序，从而大大降低了劳动强度和生产成本， 并使产品的得率提高到7 0 左右但是，改进后的工艺仍然存在产品存放时不 够稳定的缺点，原因可能是发酵液中的一些残糖或还原性物质难以除尽【1 耵 1 3 1 2 萃取法 萃取法是利用相似相溶的原理，使用不溶或微溶于水的有机溶剂，通过物 理或化学萃取方式从粗乳酸中提取乳酸，然后再反萃取，把乳酸从萃取相中分 离出来萃取法不影响产品的熟稳定性，且能耗低、选择性高，现已被广泛应 用于生物分离领域 近几年来，许多新的萃取技术相继出现，如双水相萃取、乳状液膜分离、 有机溶剂萃取、反胶团萃取和超临界萃取等，这些技术主要应用于以下两个方 面 ( 1 ) 利用无毒或低毒的萃取剂与发酵过程同步进行原位分离产物。 ( 2 ) 发酵结束后提取乳酸 清华大学的张英等【2 l t 以三辛胺+ 正辛酵为萃取荆，较为系统地研究了p h 值和络合剂含量对单组分乳酸、醋酸及其混合物萃取特性的影响，在实验所涉 及的络合剂浓度范围内，随着络合剂含量的升高，乳酸、醋酸及其混合物的萃 取平衡分配系数皆升高，分离因子增大：随水相p h 值的升高，相平衡分配系 数均降低，分离因子也呈下降趋势。浙江大学的李绍壮等1 2 2 1 研究了t r p o 磺化 煤油萃取乳酸的影响因素，结果表明，在萃取过程中无机盐( m g s 0 4 、z n s 0 4 、 k h 2 p 0 4 ) 、乳酸钙、葡萄糖和溶液初始乳酸的浓度均对分配比有明显的影响， 反分配比随有机相初始酸浓度的增加而逐渐下降。r u e y s h i nj u a n g 等人印j 对有 机溶剂( t o a ) 萃取和支撑液膜萃取分离乳酸和柠檬酸的过程进行了研究，结 果表明，一种酸在溶剂萃取过程中的平衡扩散受到另一种酸的浓度的影响，并 且支撑液膜萃取过程中的竞争运输可以用来解释溶剂萃取的动力学过程。 m i e h i a k i 等人【2 4 l 研究了胺的种类、稀释荆和温度对烷基胺和t b p 协同萃取乳酸 的影响，结果表明烷基胺的萃取能力为：叔胺) 仲胺) 伯胺。增长叔胺的碳链 有助于提高萃取能力，但继续增长碳链会降低萃取能力，稀释剂的影响很小。 山东大学的董岩等1 2 5 1 研究了伯胺n 1 9 2 3 萃取乳酸的机理及温度对萃取平衡的 影响，表明乳酸与n 1 9 2 3 按1 ：l 络合成结构为【r n h 3 + - 【0 0 c c h o h c h 3 】的络 合物，络合过程为放热过程，降低温度将有利于萃取过程的进行。k a i l a sl 等1 2 6 1 研究了用长链叔胺作为成乳相离子交换剂，对乳酸进行反应萃取，并将其应用 于分批、半分批发酵中，半分批乳酸产率明显高于分批发酵的产率( 5 倍) 。 d y a n k o v 等人【”i 研究以癸烷和十二烷作为稀释剂，以t o a 萃取乳酸，结果表 明萃取效率受初始乳酸浓度和初始p h 值影响，如果萃取与发酵同时进行，添 加h c i 可增大分配系数，稀释剂对平衡常数和酸一胺复合物的形成有很大影响。 萃取法提取乳酸可与发酵过程同步进行，减少了副产物c a s 0 4 对环境的污 染，省去了钙盐法的中和、酸解等步骤，大大节省了化工原料，具有操作简单， 4 占地面积少、对设备腐蚀性小、可以连续自动化操作等优点，是提取化工产品 的重要方法萃取法的关键是找到高效、无毒、水溶性小，经济可行的萃取剂， 以及如何高效地从有机相中分离出乳酸。 1 3 1 3 吸附和离子交换法 吸附法常用的通常所用的吸附剂为多孔颗粒状固体，如活性炭、交联型聚 4 乙烯基吡啶( p v p ) 、聚苯并咪唑( 简称p b i ) 、沸石分子筛等操作时可以 直接将其加入到发酵液中，也可以放置于另一个容器中，使发酵液在此容器与 生物反应器中循环 j u 和c h e n 2 s 】考察了以l d e l b r u e c k i i 为菌种发酵乳酸，以活性炭为吸附剂。 结果发现，由于活性炭的孔径分布较大，从p m 到a ，所有分子量的物质都可以 进入颗粒内部，大分子碳氢化合物的竞争降低了活性炭对乳酸的吸附力和选择 性，同时菌体细胞也会很快被活性炭吸附，限制了活性炭在乳酸发酵上的应用。 美 p u r d u e 大学的l e e1 2 9 1 和k a w a b a m 等人【3 0 l 将p v p 从发酵液中分离乳酸，然后 经甲醇解吸和浓缩，可得到纯乳酸。他们的研究结果表明，应用p v p 树脂吸附， 不但可以将发酵产生的乳酸即时分离，而且能自动调节发酵液p h 值，基本上不 吸附无机盐，取得了良好的效果。但j u 和c h e n 2 8 1 发现p v p 的吸附能力每次经过 再生后会下降1 4 有入研究了p b i 和p v p 对甲酸、乙酸、丙酸、丁酸的吸附。 低酸浓度时，由于p b i 的碱性比p v p 强从而表现出较强的吸附能力，且吸附速率， 再生速率都比较快【3 1 i 。i s a mh a l j u n d i 等) k 3 1 】研究用s i l i c a l i t e 沸石分子筛吸附发 酵液和水溶液中的乳酸，研究了乳酸在s i l i c a l i t e 上的吸附曲线，结果表明，在 两种液体中都存在线形关系，s i l i c a l i t e 在水溶液中比在发酵液中表现出较高的 吸附容量。 离子交换技术作为一种有效的纯化手段，在物质分离提取中有着广泛的应 用。华侨大学的陈碧娥【3 2 l 将米根霉发酵液滤去菌体后经活性炭脱色处理，直接 用离子交换树h 旨( 7 3 2 阳离子交换树脂) 除钙，再经阴离子交换树脂去杂，连续从 发酵液中提取乳酸，并经真空浓缩，获得了质量较好的产品，这种方法不仅节 省了大量的设备和劳力，而且不产生副产物石膏残液污染环境，提取率更是达 到7 0 以上。浙江大学的许丽华等1 3 3 1 筛选了多种吸附剂和离子交换树脂，获得 了一种对乳酸具有优良吸附性能的弱碱性离子交换树脂d 3 4 5 ，为从稀溶液中分 离乳酸提供了一种方法w a n g y ut o n g 等人f 3 4 】以纸浆发酵生产乳酸，选用弱碱 性阴离子交换树脂a m b e r l i t ei r a 一9 2 分离乳酸，研究了流速、上样量、p h 、拄 径比对提取率、产品纯度和产率的影响。经过优化可使得率和产率分别达到 8 2 6 、1 1 6 ( g 乳酸) ，( g - 树脂天) 。离子交换法分离纯化乳酸可以和发酵过程 同步进行。k a u f m a n 等人p 5 i 研究了连续流化床反应器，用作乳酸发酵与分离同 时进行。在他的研究中，筛选了一系列离子交换树脂( r e i l l e x 4 0 2 、4 0 2 1 和4 2 5 ， a m b e r l i t ei r a 3 5 和i r a 9 3 ) 用于固定化l d e l b r u e c k i i 发酵乳酸，主要研究交换 容量、特异性、再生能力、动力学结果表明，r e i l l e x 4 0 2 、4 2 5 、i r a 3 5 、i l 乙a 9 3 在再生后吸附能力迅速下降。哈尔滨工业大学的王建龙等p 6 】提出固定化乳杆菌 细胞生产乳酸，用离子交换树脂从发酵液中分离出乳酸的新方法。该法使发酵 周期由1 2 0 h 缩短至u 9 6 h ，乳酸的体积产率由0 3 2 8 9 ，l h 提高到0 4 8 2 9 l h c a o x u n j u n 等d t i 在p h 高于和低于p k a ( 3 8 6 ) 的情况下分别研究了阴离子交换树脂 a m b e r l i t ei r a 4 0 0 从发酵液中分离提取l 乳酸的情况，在p h 为5 0 时，选用5 0 的甲醇水溶液洗脱，总产率可达到8 6 2 1 ，在p h 2 0 时，选用水洗脱，总产率 可达到9 2 1 ，这两种情况下吸附洗脱机理是不一样的。 与钙盐法相比，吸附和离子交换都有着一定的优势，均杜绝了c a s o 的产 生，但树脂需要频繁再生，会导致大量废液的产生此外离子交换树脂的交换 能力随时间的延续会逐渐减弱，工作稳定性差，并且需定期更换，也会产生固 体废弃物，从而导致分离成本过高。 到目前为止，有关吸附和离子交换法分离乳酸的研究报道仅局限于基础理 论阶段。 1 3 1 4 膜法 膜技术是一门新兴的跨学科技术。它可以弥补传统分离技术( 如蒸发、过 滤、吸附、冷凝、离心、离子交换、结晶等) 的缺点。乳酸提取工艺中可以使 用不同类型的膜：渗析( 依靠扩散排阻) 、电渗析( 依靠离子排阻) 、微滤和超 滤( 依靠分子排阻) 等。 在乳酸的发酵液中，直接用于乳酸分离的膜技术有电渗析和反渗透电渗 析依靠电场的推动力，可使用具有选择性透过的离子交换膜p 引这种离子交换 膜的选择作用包括孔隙选择和电荷选择两个方面，孔隙选择相当于半透膜，而 离子选择相当于离子交换作用。电渗析法提取乳酸的原理是利用阴、阳离子交 换膜的选择透过性能力，在直流电场作用下使电解质溶液中形成电位差，从而 产生阴、阳离子的定向迁移，达到乳酸溶液分离、提取和浓缩的目的。1 9 8 6 年 m o t o g o s h ih o n g o 等【3 8 l 报道了电渗析一发酵法生产乳酸的新方法，展示了电渗 析用于提取乳酸盐和乳酸的可能性。v r a 等p 9 】研究了两步电渗析在乳酸提取 上的应用。第一步使用脱盐电渗析浓缩乳酸钠，浓度可达1 7 5 9 l ；第二步使用 双极膜将乳酸钠转化成乳酸，浓度可达1 5 1 9 l 。g a om i n - t i a n 等【4 0 】对比了连 续进料的间歇电渗析发酵和传统电渗析发酵生产乳酸的能力，发现连续电渗析 发酵【4 1 i 生产能力可达到8 1 8 9 l h ，比传统方法提高1 5 倍，产率提高3 0 。 y a n g - h o o nk l m 等1 4 2 j 采用三室一步电渗析提取发酵液中的乳酸，提取率可达 9 6 ，且发现选择适当的膜有利于提高乳酸提取率。o u n h u iw a n g 等人 4 3 l 用四 室电渗析装置从厨房垃圾发酵液( 主要含有乳酸铵和还原糖) 中提取乳酸，研 究了乳酸浓度、p h 、电流对不同电渗析过程中乳酸提取率和还原糖渗透率的影 响，最终乳酸提取率可达到8 9 5 。d a e h w a nc h o i 等人 4 4 1 用离子取代电渗析 6 从乳酸钠溶液中提取乳酸，对比了传统电渗析和离子取代电渗析的乳酸损失率 和钠离子去除率，结果表明，两种操作都可以去除9 5 的钠离子，但传统电渗 析的乳酸损失率高h o n g l i 等人1 4 5 】将传统电渗析、双极膜电渗析与生物反应 器结合起来，原位分离乳酸，从而有效地控制发酵液p h ，减少产物抑制但是 在电渗析分离过程中，会有微生物细胞吸附在阴离子膜表面上，这样使膜的阻 力增大，从而导致分离效率的降低。 电渗析是一种高效的膜分离技术，该方法有许多优点：( 1 ) 不用添加中和 剂就可控制发酵液的p h = ( 2 ) 减轻产物抑制；( 3 ) 浓缩产物；( 4 ) 分离效率高、 能耗低，便于工业化生产和自动控制；( 5 ) 简化后提取工艺。但在分离过程中， 微生物细胞会逐渐附着到阴离子膜上，导致膜电阻增大，电渗析效率下降。因 此，在乳酸的电渗析法连续生产中，这个缺点成为限制性因素。 除电渗析中用到的电场驱动膜外，压力驱动膜( 如微滤、超滤等) 在乳酸 提取中的应用也越来越广泛。超滤和微滤这种高效分离装置可作为发酵液一种 预处理手段，截留发酵液中未发酵的原料颗粒、残糖、蛋白质等大分子有机物， 减轻后续处理工作的难度。_ k h l i e w 等人【4 0 l 研究各种中和剂形成的乳酸盐 在反渗透过程中的影响时发现，操作的最佳压力为7 m p a ，转速9 0 0 r p m ，平板 聚酰胺膜在p h 为2 2 时存在膨胀问题。h 6 i e n ec a r r r e r e 等人i ”l 用错流微滤 预处理发酵液，对比了不同操作方式对生产能力和膜污染率的影响，发现在恒 定渗透通量操作方式下，产率较低，但膜的污染率也较低，在恒定跨膜压力操 作下，可以获得理想的产率，且膜的污染率适度。 乳酸提取薪工艺、新设备的研究，一直是乳酸生产行业中亟待解决的研究 课题。随着各种分离技术和手段的不断发展和完善，