L-乳酸的提煉工藝簡(jiǎn)述

金陳斌，甘恬，金曉，許峰，陳翰馳，陸躍樂(lè)，陳小龍*

(1.浙江新銀象生物工程有限公司，浙江 天臺(tái) 317200； 2.浙江工業(yè)大學(xué) 發(fā)酵工程研究所，浙江 杭州 310014)

L-乳酸作為一種常見(jiàn)的工業(yè)產(chǎn)品，已廣泛應(yīng)用于人們的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中。乳酸于1780年由瑞典科學(xué)家在變質(zhì)的牛奶中發(fā)現(xiàn)[1]。從結(jié)構(gòu)上來(lái)講，乳酸存在L-乳酸和D-乳酸2種對(duì)映異構(gòu)體。由生物體內(nèi)直接產(chǎn)生的乳酸都為L(zhǎng)-乳酸，它由微生物或動(dòng)物細(xì)胞通過(guò)無(wú)氧呼吸(糖酵解)生成[2]。由于人體內(nèi)只含有L-乳酸脫氫酶，因此，只能代謝L-乳酸，一旦過(guò)量攝入D-乳酸，會(huì)導(dǎo)致人體代謝紊亂，尿液酸度過(guò)高。世界衛(wèi)生組織聲明，人體每日的D-乳酸攝入量應(yīng)在100 mg·kg-1以下，且出生3個(gè)月以?xún)?nèi)的嬰兒食品中不應(yīng)含有D-乳酸[3]。

目前，在世界L-乳酸總消費(fèi)中，食品工業(yè)約占60%[3]。比如常見(jiàn)的發(fā)酵類(lèi)食品——酸奶、泡菜中就富含L-乳酸，該類(lèi)食品還含有豐富的L-乳酸菌，能夠起到維持人體胃腸道健康、調(diào)節(jié)生理機(jī)能的作用[4]。L-乳酸本身還可用作調(diào)味劑和防腐劑。

此外，L-乳酸在醫(yī)藥行業(yè)和化妝品行業(yè)中也具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。L-乳酸具有很強(qiáng)的殺菌作用，其殺菌能力是檸檬酸、酒石酸和琥珀酸的好幾倍；L-乳酸鹽，如L-乳酸鈣、L-乳酸鐵、L-乳酸鈉都易于被人體吸收，是補(bǔ)充礦物元素的良好藥品；聚L-乳酸可被用作可降解手術(shù)縫合線、注射用膠囊等。同時(shí)，L-乳酸還具有很強(qiáng)的保濕抗皺作用，可用于護(hù)膚品行業(yè)[5]。

L-乳酸還是化工行業(yè)最重要的平臺(tái)化合物之一，可以代替輕質(zhì)油氣通過(guò)脫羧、脫水、還原等過(guò)程得到乙醛、丙烯酸、丙酸等化學(xué)品[6]。聚L-乳酸具有良好的初期機(jī)械性能，可生物降解，熔點(diǎn)約170 ℃，是一種很好的聚乙烯、聚氯乙烯等塑料材料的替代品，是人類(lèi)在保護(hù)環(huán)境、消除白色污染道路上的重要發(fā)展方向[7]。

1 L-乳酸的發(fā)酵生產(chǎn)工藝

L-乳酸的工業(yè)生產(chǎn)主要分為化學(xué)法和生物法2種。其中，生物法通過(guò)微生物(細(xì)菌或霉菌)細(xì)胞在無(wú)氧環(huán)境下消耗可酵解糖得到L-乳酸，所得產(chǎn)品主要為L(zhǎng)-乳酸和少量D-L-乳酸[8]。生物法所得的L-乳酸產(chǎn)品一般純度較高，可用于食品藥品領(lǐng)域。截至2015年，全球的L-乳酸消耗量為47.67萬(wàn)t，其中食品與醫(yī)藥領(lǐng)域消耗L-乳酸共25.14萬(wàn)t，占總消耗量的52.7%；聚L-乳酸的消耗量約占總消耗量的37.5%。聚L-乳酸的生產(chǎn)同樣需要高純度(96%～99%)的L-乳酸，因此，生物法也是聚L-乳酸原料的主要來(lái)源。從數(shù)據(jù)上來(lái)看，目前市場(chǎng)上所消耗的L-乳酸都主要由生物法生產(chǎn)而來(lái)[9]。目前，已發(fā)現(xiàn)的L-乳酸菌有200余種。在真菌中，根霉菌也可通過(guò)自身代謝生產(chǎn)L-乳酸。相較于L-乳酸菌，根霉菌具有對(duì)底物的要求低、耐酸性強(qiáng)、體積大、易于分離、產(chǎn)物中L-乳酸純度高等優(yōu)勢(shì)，是我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)L-乳酸的主要菌種[8,10]。

2 L-乳酸的分離純化

L-乳酸的傳統(tǒng)分離方法主要包括鈣鹽法、酯化蒸餾法。一些新型的L-乳酸分離工藝，如萃取法、膜分離法、離子交換法、分子精餾法等近年來(lái)也屢見(jiàn)報(bào)道。

2.1 鈣鹽法

目前，國(guó)內(nèi)大部分L-乳酸的生產(chǎn)廠家都采用的是鈣鹽法。首先，對(duì)L-乳酸發(fā)酵液進(jìn)行加熱升溫處理，然后加入生石灰(或氫氧化鈣)和凝聚劑，以除去發(fā)酵液中的菌體、蛋白質(zhì)等膠體物質(zhì)，隨后對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行濃縮，降溫結(jié)晶得到L-乳酸鈣。將得到的L-乳酸鈣分離再溶解后，經(jīng)過(guò)活性炭脫色，然后通過(guò)離子交換樹(shù)脂得到L-乳酸溶液。將所得溶液再濃縮后結(jié)晶得到成品L-乳酸[11]。

鈣鹽法總體可分為預(yù)處理、結(jié)晶、洗滌、酸化、再結(jié)晶5步。該方法工藝簡(jiǎn)單且成熟，其中，鈣離子對(duì)L-乳酸發(fā)酵具有促進(jìn)作用。然而，該方法對(duì)活性炭的需求量較大，且在L-乳酸鈣結(jié)晶時(shí)為防止溶液固結(jié)，L-乳酸鈣濃度不宜過(guò)高，結(jié)晶率僅有40%～45%，對(duì)糖類(lèi)物質(zhì)的分離程度也不高。對(duì)此，有報(bào)道提出可聯(lián)合活性炭與大孔吸附樹(shù)脂對(duì)L-乳酸鈣溶液進(jìn)行脫糖脫色，并通過(guò)2次降溫的方式(先由30 ℃降至15 ℃，再由15 ℃降至4 ℃)結(jié)晶L-乳酸鈣。該方法可將結(jié)晶率提升至80%，且L-乳酸的純度達(dá)到97.2%[12]。

2.2 酯化蒸餾法

L-乳酸在常壓下的沸點(diǎn)為190 ℃，屬熱敏性物質(zhì)，當(dāng)加熱到140 ℃以上時(shí)，L-乳酸會(huì)發(fā)生分解和聚合反應(yīng)，在沸點(diǎn)溫度下，L-乳酸會(huì)完全分解；因此，要使L-乳酸無(wú)明顯的分解，蒸餾溫度不得超過(guò)130 ℃，這就需要把蒸餾的壓力降得很低，使沸點(diǎn)低于分解溫度。普通的減壓蒸餾處理L-乳酸工藝?yán)碚摮墒?，在低壓下反?fù)分餾可以得到結(jié)晶L-乳酸。但是，該工藝對(duì)設(shè)備要求較高，普通的減壓蒸餾系統(tǒng)難以達(dá)到較高的真空度，且在蒸餾過(guò)程中L-乳酸容易分解；因此，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，通常不對(duì)L-乳酸進(jìn)行直接蒸餾提純。

L-乳酸或L-乳酸鈣在有催化劑存在的條件下，易與低級(jí)醇(甲醇、乙醇等)形成酯，這些酯的沸點(diǎn)遠(yuǎn)低于L-乳酸，因此，很容易通過(guò)減壓蒸餾分離。分離得到的L-乳酸酯進(jìn)一步與水蒸氣反應(yīng)得到L-乳酸，反應(yīng)過(guò)程如下[13]。

酯化反應(yīng)：CH3CH(OH)COOH+ RCH2OH→CH3CH(OH)COOCH2R + H2O；

水解反應(yīng)：CH3CH(OH)COOCH2R + H2O→CH3CH(OH)COOH+ RCH2OH；

式中R=H或CH3。

鈣鹽法存在L-乳酸產(chǎn)品純度不高的問(wèn)題，而通過(guò)酯化蒸餾法可以有效地分離L-乳酸和糖類(lèi)物質(zhì)，提升L-乳酸產(chǎn)品的純度。因此，工業(yè)上往往將鈣鹽法所得的L-乳酸產(chǎn)品通過(guò)酯化蒸餾做進(jìn)一步的提純。該工藝的L-乳酸收得率可達(dá)97%，而且得到的成品L-乳酸純度較高，可達(dá)藥用級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)外現(xiàn)已普遍采用此工藝。但由于甲醇是一種有毒、易燃、易爆的溶劑，且過(guò)程受酯化反應(yīng)平衡制約，在我國(guó)目前僅有在江西所建工廠采用該方法來(lái)提純L-乳酸。

Rathod等[14]在反應(yīng)器中加入聚乙烯醇-聚醚礬親水膜，循環(huán)脫水后，酯化率由51%提升到了86%。通過(guò)酯化蒸發(fā)耦聯(lián)的方法同樣可以打破酯化反應(yīng)平衡，提升L-乳酸的轉(zhuǎn)化率[15]。

2.3 萃取法

L-乳酸的萃取分離自2000年來(lái)也屢見(jiàn)報(bào)道。該方法通?？膳cL-乳酸發(fā)酵過(guò)程相結(jié)合，通過(guò)在L-乳酸的生產(chǎn)過(guò)程中移走產(chǎn)物，達(dá)到防止產(chǎn)物抑制、簡(jiǎn)化后續(xù)分離過(guò)程的目的。為了不影響L-乳酸的發(fā)酵過(guò)程，該方法所采用的萃取劑必須極難溶于水，且對(duì)L-乳酸有很好的溶解性和選擇萃取性。通過(guò)調(diào)整萃取劑的配方也可對(duì)萃取速率進(jìn)行優(yōu)化，使其與L-乳酸的生產(chǎn)速率相匹配。研究中一般采用含氨化學(xué)品作為反應(yīng)劑，如烷基胺、間羥胺等，通過(guò)與L-乳酸的結(jié)合可提高其在有機(jī)溶劑中的溶解度，實(shí)現(xiàn)萃取的目的。Yankov等[16]研究將不同比例的三正辛胺、正癸醇和十二烷混合作為萃取劑，發(fā)現(xiàn)萃取效果與初始L-乳酸濃度和pH值有關(guān)。Hossain等[17]使用三正辛胺與十六烷基三甲基氯化銨(Aliquat 336)作為反應(yīng)劑，以磷酸三丁酯作為溶劑，根據(jù)萃取速率對(duì)萃取劑配方進(jìn)行了優(yōu)化。報(bào)道中提到，磷酸三丁酯作為溶劑會(huì)一定程度地溶解到發(fā)酵液中，影響發(fā)酵效率，而且磷酸三丁酯價(jià)格昂貴，具有毒性；故此方法并不適于工業(yè)化分離L-乳酸。該報(bào)道還同時(shí)提到采用葵花油代替磷酸三丁酯作為溶劑，這樣既降低了溶劑的成本和毒性，又達(dá)到了較理想的分離效果。Matsumoto等[18]研究了12種烷基胺與磷酸三丁酯混合萃取L-乳酸的過(guò)程，并對(duì)它們的萃取能力進(jìn)行排序，發(fā)現(xiàn)三正辛胺具有最強(qiáng)的萃取能力。

通過(guò)萃取法分離L-乳酸能耗較低，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)酵與分離的同步進(jìn)行，降低L-乳酸對(duì)微生物的抑制作用。然而，目前研究報(bào)道中的萃取劑通常成本較高，且具有毒性，故此方法仍處于研究階段。

2.4 電滲析法

電滲析法是指在電場(chǎng)作用下，溶液中的離子發(fā)生定向遷移，并通過(guò)半透膜的選擇性實(shí)現(xiàn)物質(zhì)分離和提純的方法。圖1展示了通過(guò)電滲析法分離提純L-乳酸鈉的過(guò)程。陽(yáng)離子、陰離子交換膜在滲析池中交替排列，鈉離子透過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入濃縮池并被陰離子交換膜阻隔，L-乳酸根離子透過(guò)陰離子交換膜進(jìn)入濃縮池并被陽(yáng)離子交換膜阻隔，從而實(shí)現(xiàn)L-乳酸鈉溶液的濃縮提純。濃縮后的L-乳酸鈉可進(jìn)一步導(dǎo)入雙極電滲析池中，在水的電離作用下實(shí)現(xiàn)L-乳酸和氫氧化鈉的合成。研究人員于1997—1998年相繼報(bào)道了使用滲析法和電滲析法對(duì)L-乳酸溶液進(jìn)行純化。其中，采用Neospeta AFN-7與Selemion DSV 2種離子交換滲透膜，根據(jù)L-乳酸與L-乳酸鹽電離能力的差異實(shí)現(xiàn)了二者的分離，分離系數(shù)分別為20和30[19]；電滲析法則通過(guò)陰陽(yáng)離子的定向遷移提高了分離的選擇性和分離效率[20]。Madzingaidzo等[21]考查了串聯(lián)單極雙極膜電滲析由L-乳酸鈉鹽分離獲得L-乳酸的過(guò)程，在單極電滲析后，溶液中的葡萄糖濃度由10 g·L-1降至2 g·L-1，并在雙極電滲析后進(jìn)一步降至1 g·L-1，過(guò)程中乙酸雜質(zhì)的濃度由0.5 g·L-1上升至1 g·L-1。Kim等[22]采用雙極膜電滲析，通過(guò)增加滲析單元的方式提高了電滲析效率，在一步電滲析后，L-乳酸和氫氧化鈉的得率達(dá)到了96%和93%。Choi[23]采用單滲析膜(陽(yáng)離子交換膜)，使用L-乳酸鈉與硫酸同時(shí)進(jìn)料的方式實(shí)現(xiàn)了離子交換與電滲析的同步進(jìn)行，過(guò)程中不損耗L-乳酸。電滲析法可以有效地分離L-乳酸與糖類(lèi)物質(zhì)，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)L-乳酸與其他有機(jī)酸的分離，且膜污染和通量衰減同樣成為該技術(shù)在L-乳酸提取中應(yīng)用的限制因素。

圖1 單極電滲析與雙極電滲析分離L-乳酸鈉溶液獲得L-乳酸的過(guò)程機(jī)理

2.5 離子交換法

采用陰離子交換樹(shù)脂可以實(shí)現(xiàn)發(fā)酵液中L-乳酸與糖類(lèi)、金屬離子的分離。Pleissner等[24]測(cè)試了FPA-53和CR-5 550兩款陰離子交換樹(shù)脂對(duì)發(fā)酵液中L-乳酸的分離效果，對(duì)96.1 g·L-1的L-乳酸發(fā)酵液吸附后使用12.5 mmol·L-1的硫酸溶液洗脫，L-乳酸的分離率達(dá)到90%以上。Tong等[25]測(cè)試了流速、pH、柱體積等對(duì)IR-92陰離子交換樹(shù)脂分離L-乳酸過(guò)程的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在低流速下洗脫液中L-乳酸的得率更高，且純度更高，洗脫更集中。pH的升高有助于L-乳酸與陰離子交換樹(shù)脂的結(jié)合，然而過(guò)高的pH(pH>6)會(huì)導(dǎo)致L-乳酸得率下降，原因是發(fā)酵液中的氨基酸與L-乳酸形成了競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合。離子交換柱的放大對(duì)L-乳酸的得率沒(méi)有明顯影響。

L-乳酸在發(fā)酵液中的積累會(huì)影響菌體活性，抑制L-乳酸發(fā)酵。為了解決這一問(wèn)題，可在發(fā)酵過(guò)程中加入陰離子交換樹(shù)脂，實(shí)現(xiàn)發(fā)酵與分離的同步進(jìn)行，降低產(chǎn)物在發(fā)酵液中的濃度。Srivastava等[26]在2 L發(fā)酵罐中加入IRA-400陰離子交換樹(shù)脂實(shí)現(xiàn)分離發(fā)酵，加入樹(shù)脂對(duì)微生物生長(zhǎng)并沒(méi)有明顯的影響，僅有少量微生物被吸附在樹(shù)脂表面，對(duì)比普通發(fā)酵過(guò)程，L-乳酸每小時(shí)的產(chǎn)率由0.313 g·L-1提升到了1.665 g·L-1，單位蔗糖的L-乳酸產(chǎn)率也由0.828 g·g-1上升到了0.929 g·g-1。Wang等[27]報(bào)道，向L-乳酸反應(yīng)器中加入陰離子交換樹(shù)脂后，發(fā)酵時(shí)間縮短了24 h，L-乳酸的產(chǎn)率提高了0.154 g·L-1·h-1。離子交換法在L-乳酸再生的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生酸性廢液，且需要定期更換離子交換樹(shù)脂，增加了分離成本。因此，有關(guān)樹(shù)脂吸附L-乳酸的研究報(bào)道也僅局限于基礎(chǔ)理論階段。

2.6 分子精餾法

分子精餾法于20世紀(jì)90年代被提出并得到研究。它指的是物質(zhì)在加熱層通過(guò)加熱揮發(fā)，以氣態(tài)形式傳遞至冷凝層經(jīng)液化實(shí)現(xiàn)分離。分子精餾過(guò)程中由于加熱層與冷凝層的距離短于蒸汽分子的平均自由程，因此，分子精餾過(guò)程不存在揮發(fā)物質(zhì)凝聚重新回到加熱層的情況，精餾過(guò)程也不受氣液平衡的限制[28]。

分子精餾過(guò)程加熱溫度低，不需要達(dá)到物質(zhì)沸點(diǎn)，十分適合于熱敏感性物質(zhì)的分離和提純?，F(xiàn)有的分子精餾法分離L-乳酸的報(bào)道中，精餾溫度通常在55～95 ℃，純化后的L-乳酸純度往往高于90%[29-30]，說(shuō)明分子精餾法可以很大程度地提升L-乳酸的純度。Yu等[31]報(bào)道了在中高溫(367.1 K)、低壓(24.5 Pa)條件下，通過(guò)分子精餾法從發(fā)酵液中分離L-乳酸的過(guò)程，一次蒸餾后得到的L-乳酸的純度為92.39%，反復(fù)精餾后純度達(dá)到了95.6%，但L-乳酸的得率為74.09%，較其他分離方法沒(méi)有明顯優(yōu)勢(shì)。

3 小結(jié)

L-乳酸作為一種重要的工業(yè)產(chǎn)品和平臺(tái)化學(xué)品，在食品、藥品、材料等領(lǐng)域都有廣泛的用途。由L-乳酸合成的可降解塑料更是在保護(hù)環(huán)境、解決白色污染問(wèn)題上具有重要意義。本文總結(jié)了6種L-乳酸的分離提純方法——鈣鹽法、酯化蒸餾法、萃取法、電滲析法、離子交換法、分子精餾法，可供相關(guān)研究人員參考。