细胞发酵获得乳酸

细胞发酵获得乳酸随着世界人口的急剧增长，人类对化石能源进行掠夺性开发，由此引发的环境污染问题也日趋严重。因此，利用生物技术生产新型材料越来越受到人们的关注，细胞发酵以其特有的优点，被广泛应用于农业、医药、酿造、食品及化工等方面。乳酸是公认的三大有机酸之一，是一种用途广泛的三碳化合物，具有悠久的应用历史。它有两种旋光异构体，其中L-乳酸可用作酸味剂、芳香剂、防腐剂、植物生长调节剂等，在食品、制药、酿造、制革、纺织和农业中具有广泛用途。虽然乳酸的应用历史悠久，但在21世纪之前，占总需求85%左右的乳酸都应用在食品及食品相关领域，只有15%应用在非食品工业中。乳酸最重要的工业应用，是用于生产可降解聚合物一一聚乳酸。聚乳酸具有生物相容性、生物可降解性及优良的机械性能和物理性能，因而被产业界认为是新世纪最有发展前途的新型包装材料，将有望逐步替代聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等材料，应用前景十分广阔［1］。此外，L-乳酸与其它含氧功能单体，如乳酸的D-异构体、乙交酯、己酸内酯或聚醚多元醇进行共聚合反应，还可使产品获得更广泛的特性。因此，用最优的方法实现乳酸的工业化生产对我国的工业发展有重要意义。目前乳酸的生产方法主要有：1、 发酵法发酵法的主要途径是糖在乳酸菌作用下，调节pH值5左右，保持大约50°C发酵三到五天得粗乳酸。发酵法的原料一般是玉米、大米、甘薯等淀粉质原料(也有以苜蓿、纤维素等作原料，近年有研究提出厨房垃圾及鱼体废料循环利用生产乳酸的)。乳酸发酵阶段能够产酸的乳酸菌很多，但产酸质量较高的却不多，主要是根霉菌和乳酸杆菌等菌系。不同菌系其发酵途径不同，可分同型发酵和异型发酵⑵，实际由于存在微生物其它生理活动，可能不是单纯某一种发酵途径。具体反应机理如下：同型发酵：微生物通过EMP代谢途径发酵，乳酸是代谢的唯一产物，lmol葡萄糖转化生成2mol乳酸，理论转换率为100%，实际上转化率在80%以上者即视为同型发酵。总反应式为：C6H12O6+2ADP+2Pif2CH3CH(OH)COOH+2ATP异型发酵：微生物经由Bifidus途径和PK途径生成等物质的量的乳酸、CO2和乙醇。葡萄糖的理论转化率只有50%，总反应式为：C6H12O6+ADP+PifCH3CH(OH)COOH+CH3CH2OH+CO2+ATP2、 合成法主要有乳腈法、丙稀腈法、丙酸法、丙稀法等，用于工业生产的仅乳腈法(也叫乙醛氢氤酸法)和丙稀腈法。3、 酶化法主要有氯丙酸酶法转化和丙酮酸酶法转化。化学合成法的产品是外消旋乳酸即DL-乳酸，且由于所用的原料是乙醛和剧毒物质氢氤酸等，因而合成法生产乳酸大大受到限制，此外其生产成本也较高。酶法生产乳酸虽然可以得到专一性旋光乳酸，但工艺比较复杂，应用到工业上还有待于进一步研究⑷。微生物发酵法生产乳酸，可通过菌种选育和培养条件的选择而得到具有专一性的L-乳酸，D-乳酸或DL-乳酸，完全可以满足聚乳酸的生产需求。另外发酵法生产乳酸除能以葡萄糖、乳糖等单糖为原料外，还能以淀粉、纤维素为原料发酵生产乳酸，利用这些可再生资源不会导致环境污染。因此，微生物发酵法生产乳酸因其原料来源广泛，生产成本也较低，产品光学纯度高和安全可靠性好等优点而成为国内外生产乳酸的重要方法⑸。因此本文主要对发酵法做简单介绍：以玉米、小麦、红薯等淀粉为原料，将淀粉转化为糖后接入菌种进行发酵。发酵法生产L-乳酸主要有两种微生物，霉菌和细菌。用根霉进行乳酸发酵，提取困难，糖转化率低，理论值仅为75%，而乳酸菌对糖转化率理论值达到100%，实际生产中也在90%以上，另外根霉在发酵过程中需要通气搅拌，动力消耗比较大，费用高3］。细菌发酵乳酸通常为微需氧，可减少通气的能量消耗，降低成本。因此目前利用乳酸菌发酵生产L-乳酸是研究的热点。菌种的选择：用于乳酸生产的菌属主要有乳杆菌属(Lactobacillus)，芽孢杆菌属(Bacillus)、链球菌属(Streptococcus)。国内外乳酸生产菌种主要是德氏乳杆菌，德氏乳杆菌生产的乳酸主要为DL-型，在一定的温度、pH值下进行厌氧批式发酵。乳酸菌是一类能发酵糖、主要生成乳酸的细菌的总称.适用于工业生产L-乳酸的菌种，一般有如下要求：一是同型发酵类型；二是营养要求简单，成本低；三是产酸迅速，生产周期短；四是能耐高温(减少冷却水用量及染菌机会)；五是L-乳酸产量高.虽然说以米根霉发酵生产L-乳酸产酸率要高于乳酸菌，而且米根霉的营养要求低于乳酸菌，但是根霉糖代谢主要有以下几种反应［6］：(1)正常呼吸C6H12O6f6CO2+6H2O同化作用：干菌体量的95%来自碳水化合物富马酸发酵CHO+3O—CHO+2CO+4HO6126 2 444 2 2酒精发酵C6H12O6—2CO2+2C2HQH乳酸发酵C6H12O6—2CHO由此可知，米根霉存在着富马酸发酵和酒精发酵，因此利用米根霉进行L一乳酸发酵必须抑制(1)(3)(4)反应，才能提高乳酸产率；但副产物不可避免，这会给提取带来很大困难.根霉对糖转化率理论值为75%，与细菌乳酸发酵理论转化率100%(实际生产中也可达到90%以上)相差的比较多.根霉发酵生产乳酸需要通气搅拌，动力消耗比较大，通风搅拌费用比较高，大约占总费用的1/3。细菌发酵乳酸可以在兼性条件下，静置发酵可减少通气的能量消耗，降低成本.在发酵工艺方面，根霉发酵生产乳酸主要采用的工艺是气升式反应器和固定化方法，而细菌乳酸发酵可以和产物提取相耦合，采用原位分离技术在发酵过程中进行产物提取，减少了工艺流程。如果用离子交换树脂的方法还可以减少工业废料石膏的产生，符合清洁生产的要求.一些典型的传统的乳酸发酵工艺：1、分批发酵工艺分批发酵也称间歇发酵，是目前、或者说也会是在相当一段时间内发酵生产乳酸的主要工艺。国内大多数乳酸生产厂均采用德氏乳杆菌等生产DL-乳酸，其优点是可大大降低能耗，使成本降低。2、 补料分批发酵工艺补料分批发酵是一种介于分批发酵和连续发酵之间的特殊培养模式，它是在微生物的分批培养过程中向生物反应器中间歇或连续补加一种或多种限制性底物直到培养结束后才排出培养液的一种操作方式。3、 同时糖化发酵工艺同时糖化发酵工艺(SimultaneousSaccharificationandFermentation，SSF)主要是针对一些非糖类原料，将糖化过程和发酵过程耦合同时进行的生产工艺。发酵工艺中将相关糖化酶和发酵菌种同时混合发酵，工艺过程中控制糖化和发酵的速率以避免抑制作用是工艺开发的一个重要因素。4、 萃取发酵法生产工艺萃取发酵是利用有机溶剂在线连续移去发酵产物，即先用萃取剂萃取溶液中的乳酸，然后对负载乳酸的有机相进行反萃取，以达到降低终产物的抑制作用。其发酵过程能耗低、选择性好且无细菌污染，已有的萃取发酵研究使用的萃取剂主要为胺类。目前国内外研究的新技术或方法：1、 开放式全细胞回收循环发酵生产光学纯L-乳酸该方法是以凝结芽孢杆菌(Bacilluscoagulans)为菌种进行开放式发酵，发酵结束后对培养液进行离心，去除菌体的培养液即为含有高光学纯度L-乳酸发酵液，离心后所得菌体再作为种子培养物接入下一批次发酵培养基中，以与上次发酵完全相同的发酵条件进行发酵培养，如此循环，得到光学纯L-乳酸。本发明光学纯L-乳酸的生产方法明显优于现有的光学纯L-乳酸生产方法，具有纯度高、低污染、生产效率高、对仪器设备要求低和成本低廉等优点，适合大面积推广和应用。2、 生物柴油与乳酸联产新工艺中科院西双版纳热带植物园的生物能源组研究人员日前成功研发出一套提出生物柴油与乳酸联产的新工艺。据介绍，该新工艺就是以固体硅酸钠为催化剂，联合催化油脂酯交换反应和副产物甘油水热反应，同时获得生物柴油和乳酸。以植物油为初始原料，经煅烧硅酸钠(Na2SiO3)转酯化催化制备生物柴油，生物柴油得率可达99.6%，催化剂重复利用次数达6次。待催化剂活性下降后，通过离心分离回收直接用于副产物甘油的水热合成反应，乳酸产率可达80.5%。相关研究成果在国际期刊BioresourceTechnology上，并申请专利。展望：目前，我国对乳酸及其衍生物的开发力度在逐年加大，其研发方向为低成本、高收率、高品质和无污染。近年来，随着发酵技术的飞速发展，乳酸新的发酵技术和分离技术不断涌现，如糖清液高浓度发酵技术、低温酸解管式连续反应技术、膜萃取分离乳酸技术、双极膜电渗析等，这些新技术使得乳酸生产的方法研究不断更新极大地推动了乳酸行业的发展⑺，值得注意的是，新型技术虽然效率较高，但往往需要与其它技术相集成才能发挥更好的效果。相信在不久的未来，随着新技术的飞速发展，乳酸及其衍生物一定会成为很多行业的新宠。主要参考文献：许平.开放式全细胞回收循环发酵生产光学纯L-乳酸：中国，2010101480262[P].2011黄光斗，李柯，张智等乳酸的生产方法及应用研究[邛广西轻工业，2006,(5)：250-253[7]刘喆.我国乳酸的生产技术及研发状况[J].河南化工，2010，27(7)：29-31.HujanenM，LinkoYY.EffectoftemperatureandvariousnitrogensourcesonL(+)-lacticacidproductionbyLactobacilluscasei[J].ApplMicrobiolBiotechnol，1996，45：307—313RoukasT，KotzekidouP.Lacticacidproduction