发酵法乳酸精制研究进展

发酵法乳酸精制研究进展

自1780年瑞典画家发现水杨酸（即2-羟基丙烯酸）以来，硫酸及其衍生物在食品、药物和化工等领域得到了广泛应用。尤其是进入21世纪，随着石油资源的日益枯竭，乳酸作为一种生物质资源越来越受到人们的重视。特别是，聚乳酸不仅性能与传统的塑料、橡胶等相当，且是一种环境友好材料，因而被认为是最有前途的可生物降解的高分子材料。目前，我国仅塑料和化纤产量已经达到3200万吨/年以上，如果采用聚乳酸材料替代，其市场前景将不可估量。CargillDow公司的聚乳酸产量已经达到14万吨/年。聚乳酸的规模化发展必将对乳酸工业带来极大的推动作用，乳酸产品的工业化将迎来新一轮的快速发展。工业上生产乳酸主要采用微生物发酵法，成熟的发酵液中通常还含有菌体、蛋白质、色素、残糖和无机盐等杂质。如何将乳酸从发酵体系中提取出来是制约乳酸工业发展的重要因素，也是研究者关注的热点。近十年来，随着材料和分离技术的飞速发展，新的分离方法不断涌现，如膜萃取、分子蒸馏和双极膜电渗析等，这些新技术使得乳酸精制方法研究不断更新，极大地推动了乳酸精制方法的发展。本文作者就近十余年来乳酸精制技术的主要进展和新的发展趋势进行简要归纳。1发酵法：酸化乳液和酸乙酸钠的性质1.1乳酸生产工艺目前，工业乳酸的生产一般均采用糖类物质发酵法，即采用发酵→钙盐中和→酸解→乳酸的工艺（如图1所示）。首先淀粉类物质经过糖化、发酵，同时加入碳酸钙进行中和，发酵完毕后采用板框过滤得到较为澄清的乳酸钙溶液，接着采用浓硫酸分解乳酸钙得到乳酸和硫酸钙沉淀，再次进行过滤得到粗乳酸溶液，最后采用活性炭吸附脱色和离子交换去除体系中的杂质离子而得到乳酸。该工艺设备较简单，技术难度较低，是时下主要的乳酸生产工艺。但是，该法存在一定的环境问题，例如固体废渣和二氧化碳的排放问题等，而且后提取采用的吸附和离子交换技术制得的乳酸产品质量不高，一般用做饲料级和食用级。1.2乳酸钙发酵液为了消除产物乳酸对发酵过程的抑制作用，发酵过程中通常添加中和用的无机盐类物质，例如常用的碳酸钙，因此，发酵液中乳酸通常是以其盐类的形式存在。常温下，乳酸钙是难以溶于水中的，发酵温度（45～50℃）下乳酸钙溶解度较大，但是，浓度为10%～20%乳酸钙发酵液体系黏度很大，为10～20mPa·s。而且体系中的菌体、残糖、蛋白、色素和少量泥沙等杂质进一步增大了乳酸发酵液的复杂性，仅仅依靠常规的板框过滤技术难以达到对乳酸发酵液精制提纯的目的。因此，围绕乳酸发酵液的提纯精制，研究者们开展了大量的研究工作。2膜法分离分离方法发酵法生产乳酸的工艺决定了乳酸产品的分离、精制等费用占成本的很大比例。近年来，研究者们尝试了多种分离方法，主要包括结晶法、萃取法、酯化水解法、分子蒸馏法、吸附法和膜分离法等。现对这些乳酸精制的方法进行简要介绍。2.1硫酸系乳酸发酵工艺结晶法是一种传统的方法，采用降温使乳酸盐结晶从发酵液中分离出来。其中，钙盐法是国内厂家采用最多的方法。在发酵液中加入碳酸钙与乳酸反应，调节体系pH值，发酵结束后浓缩降温得到乳酸钙晶体，再与硫酸反应制备乳酸，产品质量较高，但收率低（50%以下）、物耗高和废水量大，限制了其大规模应用。由于乳酸钙结晶颗粒细小，结晶困难，因此有采用锌盐结晶的方法，在粗乳酸钙溶液中加入硫酸锌，趁热滤去石膏后冷却结晶，分离出晶体溶解后，通入H2S置换出乳酸，生成ZnS沉淀加硫酸再生成硫酸锌和H2S，两者均回用，该方法使得乳酸的收率可以提高到60%左右。2.2乳酸萃取过程膜萃取工艺研究萃取法是采用适当的溶剂加入发酵体系将乳酸萃取到萃取相进行分离提纯的一种方法。为提高萃取过程的效率，研究者们采用一些新技术进行了过程强化考察，主要包括发酵与萃取耦合技术、膜萃取和液膜法等。发酵与萃取耦合的原位分离技术是研究者们兴趣所在，在发酵的同时采用萃取剂将乳酸从体系中提取出来，不仅简化了原有发酵工艺，而且消除了产物抑制，提高了发酵转化率。采用弱碱性（如脂肪胺类）物质作为萃取剂的萃取过程研究者将其称为反应萃取法，由于其与乳酸能发生化学反应，因而能大幅提高其萃取性能。Wasewar等建立了发酵与萃取反应耦合过程的工艺流程，考察了酶法葡萄糖转化为乳酸的强化效果，该过程是一种新型的研究思路。为了减轻萃取时乳化效应的影响，研究者开发出新型的膜萃取技术，采用微孔膜将萃取剂和被萃取的体系隔开，溶剂交换通过膜的微孔进行。Tong等报道了采用氯化三正辛基甲铵（TOMAC）和油醇对发酵液中的乳酸进行萃取并采用氯化钠水溶液将乳酸从萃取液中反萃取出来，并借助中空纤维微孔膜（孔径为500nm）将萃取液和原料隔开，避免了有机相溶液之间的乳化，有效提高了萃取效率。Juang等对此类微孔膜萃取的过程进行了传质机理研究，并以乳酸和柠檬酸的膜萃取过程为例进行验证，结果表明，萃取的结果受到膜内扩散外界面相互作用也是影响膜萃取效率的重要因素。液膜法从本质上来讲也属于一种萃取过程，Jiang等考察了液膜法分离乳酸过程并进行了理论描述。由于液膜乳化液滴在萃取传质交换过程中有一定溶胀，稳定性较差，因此，支撑液膜法分离乳酸过程得到关注。Yang等考察了支撑液膜对乳酸的分离性能和通量的影响，通过改进商业载体，分离因子达到2.3ㄢ由于乳酸及其衍生物在萃取剂中的分配系数低，且一般萃取剂大多具有一定的毒性，使得萃取法精制乳酸技术与工业化间仍有一定距离，相关技术仍在不断研究之中。2.3乳酸酯化反应酯化水解法是获得精品级乳酸的有效方法之一。早在1946年就有文献报道，采用甲醇与发酵液反应，蒸馏出乳酸甲酯后进行水解制备得到纯度很高的乳酸。但由于酯化反应化学平衡的限制，产率不高。近年来，随着高效催化剂和工艺的开发，这种传统的乳酸精制技术在催化精馏新技术的推动下得到了新的发展。张猛等设计了乳酸提纯用的反应精馏工艺，并建立了非平衡级稳态模型，表明连续化的反应精馏工艺突破了反应平衡的限制，能大幅提高反应的转化率，其采用的催化剂也是离子交换树脂。由于酯化反应的特性，从体系中及时脱除产物水是提高反应转化率的重要手段。Tanaka等报道了采用T形沸石膜蒸汽渗透过程强化的乳酸乙酯化反应，在反应的同时采用沸石膜将体系中的水及时转移到体系外，使得酯化反应转化率远远高于平衡转化率，接近100%。Benedict等将渗透汽化技术用于乳酸和琥珀酸与乙醇的酯化反应过程中，利用渗透汽化膜将反应产物水及时从体系中脱除，打破了反应平衡，同时提高了两种酸的反应转化率。Sun等采用铵盐中和发酵法，过程中采用丁醇与乳酸铵酯化，精馏出乳酸丁酯再水解制备得到纯度极高的乳酸产品，过程总收率达85.6%。催化反应和渗透汽化等过程集成技术的快速发展使得传统的乳酸酯化水解法得到了新的发展机遇，虽然过程能耗较高，但这也为乳酸精制方法提供了一种重要选择。2.4发酵液中乳酸的制备分子蒸馏是一种真空蒸馏技术，也称短程蒸馏，是在高真空度（系统绝压约0.1Pa）条件下进行的非平衡连续蒸馏过程，特别适合于分离低挥发度、高分子量、高沸点、高黏度、热敏性和具有生物活性的物料。王甲卫等采用分子蒸馏对发酵液中的乳酸进行精制实验，得到了纯度为96%的乳酸产品。郑弢等采用两次分子蒸馏方法处理40%左右的发酵液粗乳酸，产品纯度达到95%。采用分子蒸馏技术分离乳酸工艺简单、步骤少，但一次性投资比较大，且必须是对乳酸产品进行深加工，而不能直接从发酵液乳酸盐获得。在一定程度上，该方法是从粗乳酸制备高品质乳酸的一种有效工艺。2.5发酵液中乳酸的制备由于吸附材料对特定分子具有较好选择性吸附功能，因此吸附法也可用来从发酵液体系中分离乳酸。通常采用离子交换树脂将乳酸从体系中分离出来。Cao等用阴离子交换树脂（AmberliteIRA-400）对发酵液体系中的L-乳酸进行分离提取，考察了吸附等温线和穿透曲线，吸附容量为197mg/g湿树脂，采用水洗脱，总收率可达92%。Tong等采用弱碱性阴离子交换树脂AmberliteIRA-92在发酵液体系中进行了吸附乳酸的实验研究，结果表明乳酸的收率可达82.6%，纯度为96.2%。Aljundi等则考察了采用沸石分子筛对发酵液中乳酸的吸附行为，吸附能力为37g/kg，总收率为65%，性能比高分子基树脂类材料差，但其再生方式简单，采用蒸汽通过由分子筛填充的固定床即可，工艺过程简单，而且化学试剂消耗降低。吸附法取决于材料吸附容量的限制，而且乳酸从吸附材料上洗脱需要采用化学试剂等方法，进一步提纯存在一定困难，一般难以大规模工业化应用，相关技术的发展有待进一步研究。2.6速发展促进剂技术膜分离是典型的以材料为基础的新型化工分离过程之一，材料学科的高速发展促使膜技术在各个领域中得到了广泛应用。膜分离技术在乳酸精制过程中的应用主要包括两大部分：发酵液的澄清除杂和乳酸精制，前者主要采用超滤和微滤膜过程，后者则采用纳滤、反渗透或电渗析过程。2.6.1以陶瓷膜为原料的乳酸发酵技术微滤膜的孔径较大主要是达到除杂除菌的目的。Moueddeb等首先采用这个思想建立了一个巧妙的膜生物反应器用于乳酸制备，其方法是在两个同轴管式陶瓷膜形成的封闭空间内固定菌体和营养，发酵底物从管内径向外透过封闭空间到达外管外，使得发酵产生的乳酸不断流经含有菌体的封闭空间，有效地解决了乳酸对菌体的抑制效应。Persson等在乳酸发酵过程中采用陶瓷膜对发酵液进行微滤，将乳酸菌体从发酵液中分离出来，为乳酸菌体的重复利用提供了可选方法。Carrhe等对该过程进行了深入分析，探索了影响过滤通量的主要因素，结果表明过滤过程中的吸附和浓差极化对通量的衰减起主要作用。2.6.2膜法水处理技术在乳酸生产中的应用纳滤膜能有效截留分子量150Da以上的有机物，反渗透膜则几乎只能透过水，利用这一特性将其与乳酸发酵过程相结合可实现新型的膜生物反应器。Jeantet等采用纳滤膜和连续釜式反应器相耦合的方法实现了乳酸的半连续生产，过程中乳酸透过纳滤膜、乳糖和二价离子等在反应体系中得到循环，结果乳酸产品色度大大降低，99%以上的纳滤膜污染可以轻易除去。纳滤和反渗透过程能够在一定程度上提高乳酸产品的质量，可以满足食品乳酸生产要求，但是对于更高级别（聚合级等）则达不到要求。最近有文献报道采用纳滤作为电渗析过程的预处理技术，去除体系中的二价离子和部分色素，为电渗析过程提供了基本保障。Polom等考察了动态形成的纳滤膜对乳酸的截留特性，对体系中的有机物进行了有效截留。这些研究表明要制备高品质的乳酸产品，纳滤和反渗透技术在一定程度上将作为后续工序的预处理技术。2.6.3酸盐结晶饮料普通电渗析法是利用选择性的离子交换膜在电场作用下使离子发展定向运动，从而达到离子的浓缩。Danner等结合了超滤和普通电渗析过程从乳酸发酵液提取出乳酸钠；Choi等仅采用阳离子交换膜结合硫酸酸化的方法处理乳酸钠溶液，电渗析去除了反应生成的硫酸钠而得到乳酸，由于存在扩散产品中仍然存在部分钠离子，约5%左右。双极膜电渗析是新型的技术，与普通电渗析的区别在于双极膜层能使水发生解离，在发酵液有机酸盐的资源化处理方面有了初步应用，因此在从乳酸盐制备乳酸时具有独特的优势。普通电渗析可获得较纯净的乳酸盐溶液，而双极膜则可以分解乳酸盐制备乳酸和碱。Lee等采用普通电渗析和双极膜电渗析串联流程制备乳酸，进料乳酸钠溶液浓度为100g/L，能耗为0.78～0.97kW·h/kg乳酸。Madzingaidzo等采用的进料乳酸钠溶液浓度为125g/L，电渗析通量达到300g/(m2·h)，乳酸产品浓度为16%，残余葡萄糖含量低于1g/L，电渗析单元能耗在0.6～1.0kW·h/kg乳酸。Habova等考察了进料乳酸钠溶液浓度为175g/L，其结果能耗为1.5kW·h/kg乳酸，乳酸钠的转化率达到98%。在此基础上，Li等研究了采用电渗析技术的乳酸连续发酵膜生物反应器，该反应器包含了普通电渗析和双极膜电渗析器，实现了乳酸在线移除。电渗析制备乳酸的最大优点是过程简单、物耗降低、三废排放少和乳酸产品质量高。可见，随着材料技术的发展，新型的双极膜电渗析技术得到了长足的发展，采用电渗析集成技术从乳酸钠制备乳酸的工艺是目前乳酸精制和制备的热点之一，并已经初步具备工业化的条件。3膜分离与发酵技术针对发酵法乳酸生产方法，采用各种新技术对乳酸制备整个流程的强化为各国研究者大力关注。纵观近十余年的文献，研究者们已经开始尝试各种新技术（包括新型功能分离材料和技术，如双极膜电渗析、分子蒸馏等）来进行乳酸的制备，重点是从发酵液中直接提取乳酸过程的研究。其中，高效率、低能耗、污染少的膜分离技术（支撑液膜、膜萃取、微滤、超滤、纳滤、反渗透、电渗析等）与发酵过程的耦合则更受关注，尤其是双极膜电渗析技术更是近期研究热点