發(fā)酵液中乳酸的分離提取研究進展

孫啟梅，喬凱，王領(lǐng)民，高大成，王崇輝

（中國石油化工股份有限公司撫順石油化工研究院，遼寧 撫順 113001）

綜述與專論

發(fā)酵液中乳酸的分離提取研究進展

孫啟梅，喬凱，王領(lǐng)民，高大成，王崇輝

（中國石油化工股份有限公司撫順石油化工研究院，遼寧 撫順 113001）

乳酸是合成聚乳酸的原料，生物法制備乳酸是目前工業(yè)上生產(chǎn)乳酸的主要方法。但乳酸發(fā)酵液成分復雜，后續(xù)的分離提純過程成了制約乳酸生產(chǎn)的技術(shù)瓶頸和難點，也決定著乳酸的品質(zhì)與收率。本文對乳酸發(fā)酵液的主要的分離提取工藝進行了介紹，包括結(jié)晶分離技術(shù)、酯化水解法、萃取法、分子蒸餾法、膜分離法、吸附法及與發(fā)酵耦合的原位分離技術(shù)。并提出單一的分離技術(shù)很難有效提取乳酸，需將多種技術(shù)集成、改良提純工藝路線。其中，將各種新型高效的集成技術(shù)與發(fā)酵過程的有機結(jié)合，實現(xiàn)連續(xù)或半連續(xù)的發(fā)酵過程，可提高乳酸產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，有望形成高效率、高品質(zhì)、低污染、低能耗、可工業(yè)化的乳酸提純工藝路線。

乳酸；分離/提??；發(fā)酵液

自1881年FERMI通過發(fā)酵法得到乳酸以來，經(jīng)微生物發(fā)酵或采用化學法合成的乳酸，逐漸應用于食品、醫(yī)藥、化工、日化及新材料（聚乳酸）等領(lǐng)域［1］。其中，聚乳酸（PLA）因其生物可降解性、生物相容性和可再生性等特點，在各個行業(yè)中得到了廣泛的應用［2］。為制得性能好、分子量高的聚乳酸，需要其原料乳酸的品質(zhì)高，即要求化學純度和光學純度都高，而生物法相比化學法更能得到光學純度較高的L-乳酸或D-乳酸［3］，因此目前工業(yè)上多采用生物法生產(chǎn)乳酸。

微生物發(fā)酵法，是以淀粉、葡萄糖等為原料，接種米根霉或乳酸菌類，通過發(fā)酵生成含乳酸或乳酸鹽的發(fā)酵液，再經(jīng)分離得到乳酸。而乳酸發(fā)酵液是一種成分非常復雜的體系，除含乳酸外，還有大量的菌體、蛋白質(zhì)、殘?zhí)?、色素、無機鹽、副產(chǎn)有機酸及未轉(zhuǎn)化的淀粉等，這些雜質(zhì)的存在為乳酸后續(xù)的分離精制帶來了很大的困難。而在實際的生產(chǎn)中，乳酸的提取成本也占到了總生產(chǎn)成本的50%～60%［4］，是制約乳酸生產(chǎn)的技術(shù)瓶頸和難點所在，也決定著乳酸的品質(zhì)與收率。目前從發(fā)酵液中分離提取乳酸的主要方法有結(jié)晶分離技術(shù)、酯化水解法、萃取法、分子蒸餾法、膜分離法、吸附法及與發(fā)酵耦合的原位分離技術(shù)。

1　結(jié)晶分離技術(shù)

1.1 乳酸鈣結(jié)晶-酸解工藝

乳酸鈣結(jié)晶-酸解工藝是目前工業(yè)上普遍采用的乳酸分離提取工藝。發(fā)酵液經(jīng)堿化處理-過濾-濃縮-降溫-結(jié)晶得到乳酸鈣溶液，經(jīng)酸解-初步濃縮-脫色-超濾-離子交換-濃縮蒸發(fā)得到乳酸產(chǎn)品。該過程工藝成熟、易于控制，但乳酸鈣結(jié)晶時濃度不宜過高，否則會使冷卻后的液體全部固結(jié)，這就限制了采用提高濃縮比來提高結(jié)晶收率的辦法。同時整個過程流程長、勞動強度大、硫酸和活性炭用量大、乳酸損失量大、產(chǎn)品收率低。姜紹通等［5］對傳統(tǒng)的鈣鹽法工藝進行了改進，采用大孔吸附樹脂進行脫色，降低了乳酸的損失；采用兩次降溫法，一次結(jié)晶工藝提取乳酸鈣，結(jié)晶率可達80%，產(chǎn)品提取率和純度均有所提升。

1.2 成品乳酸的結(jié)晶分離

成品乳酸的結(jié)晶分離是對乳酸的進一步精制，在一定的溫度和濃度下乳酸結(jié)晶，再經(jīng)分離、融化制得高純度產(chǎn)品，分離母液循環(huán)結(jié)晶。光學純度98%、化學純度95%以上的L-乳酸產(chǎn)品經(jīng)結(jié)晶分離后，所得產(chǎn)品光學純度大于 99.5%、化學純度大于97%［6］。該法能夠較好地提升產(chǎn)品的光學純度，但收率低。在制備高品質(zhì)乳酸方面該技術(shù)仍是研究的熱點。

2　酯化水解法

酯化水解法是將乳酸與醇類物質(zhì)在催化劑作用下反應，生成乳酸酯，然后乳酸酯經(jīng)蒸餾提純、水解得到精制乳酸。JOGLEKAR等［4］對酯化-水解制備純?nèi)樗岬姆椒ㄟM行了研究，乳酸與甲醇酯化后，蒸餾得到乳酸甲酯，然后水解蒸餾，脫除甲醇，得純?nèi)樗崛芤?。劉模?］采用酯化水解精制乳酸，研究了乳酸與甲醇的酯化及酯的水解過程中反應條件對轉(zhuǎn)化率的影響；并采用Aspen Plus軟件，對乳酸甲酯反應精餾水解塔進行了設(shè)計、動態(tài)模擬和控制。雖然該法可以生產(chǎn)高純度乳酸，并能將其與其他有機酸分離，但是由于反應動力學的限制，提純?nèi)樗岬氖章瘦^低。

將反應蒸餾、催化反應、滲透汽化等技術(shù)與酯化-水解法相結(jié)合，強化傳質(zhì)過程，移走反應產(chǎn)物，在得到純?nèi)樗岬耐瑫r，可提高收率。采用滲透蒸發(fā)反應器可以強化乳酸與醇之間的酯化反應［8］。PANWANA等［9］采用滲透蒸發(fā)協(xié)助酯化反應的方法提純發(fā)酵液中的乳酸，將發(fā)酵液經(jīng)電滲析預處理后，與乙醇反應，以沸石分子篩膜為滲透蒸發(fā)膜，不斷脫除反應生成的水，打破了酯化反應的平衡，使大部分的乳酸轉(zhuǎn)化為乳酸乙酯，然后經(jīng)蒸餾、水解，得到高純度的L-乳酸，其回收率可達95%以上。李雪輝等［10］對滲透汽化-酯化反應耦聯(lián)過程的動力學模型進行了分析，系統(tǒng)考察了復合膜反應器中可能影響酯化反應化學平衡移動的因素，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果能很好吻合。CHOI等［11］采用一塔反應精餾與酯化反應耦合精制乳酸的工藝，乳酸回收率超過95%，乳酸純度大于99%。MA等［12］以發(fā)酵液中的乳酸與甲醇的酯化反應、催化蒸餾水解精制乳酸為主工藝路線，以強酸陽離子交換樹脂為催化劑，對甲醇與乳酸酯化反應的動力學模型進行了研究，采用L-H模型和非理想溶液進行矯正，最終模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)相吻合。

酯化法不需要在高溫條件下進行，乳酸不會發(fā)生分解，產(chǎn)品的穩(wěn)定性相對較好，但存在著乳酸收率較低的問題。只要選用合適的酯化用醇和帶水劑，或?qū)Ⅴセ夥ㄅc催化反應或滲透汽化等過程集成技術(shù)相結(jié)合，會使得產(chǎn)品的收率和品質(zhì)得到提高，具有較大的發(fā)展前景。

3　萃取法

萃取法是提取化工產(chǎn)品的主要方法之一，它是利用萃取劑與提取組分相似相溶的原理，將組分從原料液中提取出來，再經(jīng)反萃取過程得到最終產(chǎn)品。乳酸具有較強的親水性，常規(guī)有機溶劑對乳酸的萃取效率很低，故需復合溶劑或與其他技術(shù)集成來提取乳酸。在乳酸提取過程中常用的萃取方法有溶劑反應萃取、鹽析萃取、雙水相萃取及發(fā)酵與萃取耦合、膜萃取技術(shù)等。

3.1 溶劑反應萃取技術(shù)

目前，已報道的用于乳酸萃取的萃取劑有正丁醇［13-14］、三烷基氧化磷［15］、磷酸丁酯以及胺類物質(zhì)［16-17］，特別是長鏈叔胺，如三辛胺（TOA）。

CHEN等［13］用正丁醇做萃取劑提純?nèi)樗?，然后?jīng)蒸餾過程將乳酸從萃取劑中分離出來，乳酸的單程收率可達61.73%，與未經(jīng)萃取的工藝相比，收率提高20.43%，且產(chǎn)品純度較高，分子蒸餾過程也不需要過高的真空度和溫度。王家衛(wèi)等［14］以正丁醇為萃取劑，在30%的乳酸發(fā)酵液中，經(jīng)3次萃取，萃取率可達75.7%，萃取完成后，不需將乳酸進行反萃，而是直接將正丁醇-乳酸的混合體系作為底物進行酯化反應，避開提取純?nèi)樗岬母卟僮饕?。盧英華等［15］采用有機溶劑萃取乳酸，通過對萃取劑和稀釋劑的篩選，確定了萃取相組成為50%、三烷基氧化膦/50%磺化煤油的萃取體系，并對影響萃取過程的各個因素進行了詳細的研究。FRIELING等［16］以仲胺、叔胺、氧化磷為載體，乙酸丁酯或煤油為溶劑對發(fā)酵液中的乳酸進行分離提取，發(fā)現(xiàn)與氧化磷相比，胺類做載體時，其萃取效果更好；并發(fā)現(xiàn)非極性的煤油做溶劑時，其萃取效果的模擬計算與實驗數(shù)據(jù)的吻合度較高。KRZYZANIAK等［17-18］將比TOA中的叔胺官能團具有更高酸親和力的功能化硅化合物的官能團合并到萃取劑中，即以4-二月桂氨基吡啶為萃取劑，萃取效果好，25℃下，與TOA的分配系數(shù)比為27∶11，乳酸單程收率可達80%，并對其在不同溫度下的平衡數(shù)據(jù)進行了研究。

溶劑反應萃取技術(shù)簡單易行，成本優(yōu)勢較為明顯，經(jīng)濟可行性高，具有較好的應用前景。但是仍存在著收率較低、萃取劑殘留等問題；得到的乳酸產(chǎn)品質(zhì)量不高，仍需其他后提取工藝進一步提純；且萃取劑價格較高，回收較繁瑣。

3.2 鹽析萃取和雙水相萃取

鹽析萃取是利用物質(zhì)在有機溶劑與鹽構(gòu)成的互不相溶的兩相中溶解度不同而實現(xiàn)分離的方法。修志龍等［19］向有機酸發(fā)酵液中加入可溶性無機鹽或有機鹽和萃取劑，形成兩相，上相為富含有機酸的溶劑相，下相為富含其他成分的鹽相，達到分離有機酸的目的。魏搏超等［20］利用鹽析萃取法分離發(fā)酵液中的乳酸，通過系統(tǒng)考察乳酸在不同鹽析萃取體系中的分配規(guī)律，發(fā)現(xiàn)K2HPO4-甲醇或乙醇體系適合分離發(fā)酵液中的乳酸，且在兩個體系中乳酸的回收率分別為86.0%和90.6%，殘?zhí)恰⒕w和蛋白的脫除率分別達到了67.3%、100%和85.9%。

雙水相萃取技術(shù)是利用乳酸發(fā)酵液中的乳酸及其他雜質(zhì)組分在兩相間的選擇性分配達到提取乳酸的目的。任慧等［21］采用聚乙二醇（PEG）-磷酸鹽雙水相體系分離提取乳酸鈣，考察了 PEG相對分子質(zhì)量、PEG含量等因素對乳酸鈣分配系數(shù)及提取率的影響，得到了較好的萃取條件；用雙水相萃取方法提取乳酸鈣能有效去除乳酸鈣中的蛋白質(zhì)、葡萄糖、有機酸等，可大大提高產(chǎn)品品質(zhì)。

但是兩種提取方法中乳酸的收率都不高，且萃取劑和鹽的循環(huán)利用比較困難，工業(yè)化應用還存在一些關(guān)鍵性的問題有待解決。

3.3 與發(fā)酵耦合

萃取與發(fā)酵耦合的原位分離技術(shù)是目前各國研究者的熱點，在發(fā)酵的過程中加入萃取劑，將乳酸從發(fā)酵體系提取出來，減少了產(chǎn)物抑制對發(fā)酵的影響，提高了發(fā)酵收率和分離效率。

陳敏等［22］在油醇中加入三辛胺組成復合溶劑，用于乳酸發(fā)酵的原位分離，效果較好，它能將乳酸從水相中萃取出來，同時對乳酸菌的毒性又較小。DISSING等［23］利用雙水相提取法進行乳酸發(fā)酵，將PEG和輕基醚纖維素（HEC）加入發(fā)酵液中，使乳酸和菌體分別進入兩相中，實現(xiàn)兩者的分離，且HEC對菌體無毒害作用，與間歇發(fā)酵相比，乳酸產(chǎn)量提高15%。柴紅等［24］采用乳酸液膜萃取法和有機溶劑萃取法與發(fā)酵耦合提取乳酸，比較了兩種方法的傳質(zhì)機理，發(fā)現(xiàn)在各自的最佳操作條件下，提取相同的乳酸，有機溶劑萃取有機相的消耗量是乳化液膜法的3～4倍，乳化液膜法萃取率高，且能得到濃縮的乳酸。WASEWAR等［25］建立了發(fā)酵與萃取反應耦合過程的數(shù)學模型，考察了以Alamine-336為萃取劑、辛醇為稀釋劑的情況下，影響發(fā)酵產(chǎn)率的各種因素，并發(fā)現(xiàn)在有萃取過程存在的情況下，半間歇操作的產(chǎn)率幾乎是間歇操作的5倍，且該過程不消耗額外的溶劑，與傳統(tǒng)工藝相比也不會產(chǎn)生大量的廢棄物。

萃取與發(fā)酵耦合法具有生產(chǎn)成本低、簡單易行的特點，但多數(shù)萃取劑都有一定的毒性，乳酸在各相中的分配系數(shù)偏低，生產(chǎn)不易控制，使得該方法的工業(yè)化存在一定的難度，還需進一步的研究。

4　分子蒸餾

分子蒸餾，也稱短程蒸餾，是在高真空條件下進行的非平衡連續(xù)蒸餾過程，常用于分離低揮發(fā)度、高沸點、高黏度、熱敏性及具有生物活性的物料［26］。由于乳酸沸點較高，高溫易分解，故一般采用高真空操作蒸餾得到乳酸。

孫波等［27］采用離心式分子蒸餾設(shè)備提取乳酸，研究了蒸發(fā)面溫度、蒸發(fā)面轉(zhuǎn)速、冷熱面間距及溫差對L-乳酸純度和收率的影響，確定了最適宜的工藝條件，所得產(chǎn)品純度達到了 95%，收率達到了70%。王甲衛(wèi)等［28］用分子蒸餾法對發(fā)酵液中的乳酸進行分離提純，最終所得產(chǎn)品純度達96%，質(zhì)量符合國標要求。ANDREA等［29］對混合短程蒸發(fā)提取乳酸的工藝進行了評估，考察了進料流速、攪拌、冷凝器和蒸發(fā)器的溫度對于乳酸純度和收率的影響，通過一步提純，餾出物中乳酸的純度可達89.71%。

高真空蒸餾是在分子蒸餾的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，可將乳酸中的殘?zhí)峭耆摮?。南京綠天源公司將乳酸原料在 1.3～2kPa真空條件下脫水，然后將真空度降至200Pa以下，采用刮膜方式進行蒸發(fā)，可將殘?zhí)侨糠蛛x，得到高質(zhì)量的耐熱乳酸［30］。

分子蒸餾技術(shù)提取乳酸具有一定的有效性，且工藝簡單，得到產(chǎn)品純度較高，但產(chǎn)品單程收率低，設(shè)備投資較高，且只能對乳酸產(chǎn)品進行深加工，不能直接從發(fā)酵液獲得乳酸。

5　吸附法

吸附法是利用固體吸附的原理，選用對乳酸分子有特定選擇吸附功能的吸附劑，從發(fā)酵液中提取乳酸，是溶質(zhì)從液相轉(zhuǎn)移至固相的過程。

5.1 常規(guī)吸附法

常規(guī)吸附法是通過向發(fā)酵液中添加吸附劑或?qū)l(fā)酵液通過陰離子或陽離子交換樹脂將其中的乳酸提取出來，然后解吸。常用的有交聯(lián)型聚乙烯基吡啶樹脂（PVP）、微孔超高交聯(lián)樹脂、叔胺類樹脂、離子交換樹脂等。

胡友慧等［31］對樹脂對乳酸的吸附性能及解吸劑的選擇進行了探討，發(fā)現(xiàn)D-301樹脂的吸附容量小于PVP，但D-301吸附的乳酸比PVP的容易洗脫，且D-301樹脂中甲醇的解吸性能明顯大于熱水。吳建等［32］采用微孔超高交聯(lián)樹脂HD-01對發(fā)酵液中的D-乳酸進行了吸附實驗，發(fā)現(xiàn)分子形式的D-乳酸有利于吸附，D-乳酸的最佳吸附pH為2.1；并采用Frenundlich等溫模型對吸附等溫線進行擬合。TONG等［33］使用一種弱堿性陰離子交換樹脂Amberlite IRA-92，發(fā)現(xiàn)當pH在5～6、低流速、低樣品負載量時更有利于吸附分離的進行，乳酸產(chǎn)品的收率、純度和產(chǎn)量均較高；在最優(yōu)試驗條件下，乳酸的收率可達82.6%，純度96.2%，產(chǎn)量1.16g乳酸/g樹脂。

常規(guī)吸附法具有設(shè)計操作簡單、吸附容量大、選擇性高、易再生、成本低等優(yōu)點，且避免了有機溶劑的使用，但吸附劑的吸附容量與材料的吸附性能有關(guān)，且脫附過程大多需化學試劑，所得產(chǎn)品進一步提純困難，工業(yè)化應用還存在一定的困難。

5.2 色譜分離技術(shù)

色譜分離技術(shù)又稱層析分離技術(shù)，可用于分離復雜混合物中的各組分，在制藥行業(yè)、生物技術(shù)及精細化學品上有較好的應用。

WU等［34］將極性大孔吸附樹脂AX-1裝填到固定床色譜柱中，用于發(fā)酵液中乳酸的提取，發(fā)現(xiàn)其吸附過程滿足 Langmuir吸附等溫線和擬一級動力學，為放熱反應；80℃的熱水進行洗脫，可將吸附在色譜柱上的D-乳酸完全脫除，整個過程未使用溶劑，且樹脂吸附容量大，選擇性高。安徽中糧生化格拉特公司采用順序式模擬移動色譜技術(shù)從乳酸發(fā)酵酸解液中純化乳酸，經(jīng)多級分離后，提濃段乳酸的收率可達95%～98%，產(chǎn)品純度大于99%［35］。

色譜分離技術(shù)具有分離效率高、選擇性高等優(yōu)點，但當發(fā)酵液中含有與乳酸極性相近的有機酸時，分離效果就不好，且洗脫過程溶劑耗量較大。目前，該方法在國內(nèi)還停留在實驗室研究階段，還需探索各方面性能較好、穩(wěn)定性高、成本較低的樹脂及其吸附、脫附性能，以便實現(xiàn)其工業(yè)化應用。

5.3 與發(fā)酵耦合

將吸附與發(fā)酵過程耦合，簡化提取流程，減少產(chǎn)物抑制對菌體發(fā)酵的影響，進一步提高乳酸產(chǎn)率。

SRIVASTAVA等［36］用離子交換樹脂在發(fā)酵的同時提取乳酸，消除產(chǎn)物抑制，把離子交換樹脂Amberlite IRA-400用于乳酸發(fā)酵和乳酸分離過程，其轉(zhuǎn)化率為92%，產(chǎn)酸速率為1.67g/（L·h）；但多次提取影響了乳酸的發(fā)酵速度，延長了發(fā)酵周期。GARRETT 等［37］采用弱堿性樹脂 AmberliteTMIRA-67提取發(fā)酵液中的乳酸，發(fā)酵萃取過程中，保持發(fā)酵液中乳酸含量小于 20g/L，以提高發(fā)酵的產(chǎn)率，其產(chǎn)率是可控的分批補料發(fā)酵系統(tǒng)的1.3倍，并發(fā)現(xiàn)樹脂的等溫吸附與Langmuir模型相吻合，其單層吸附量為203.8mg乳酸/g樹脂，經(jīng)過108天的發(fā)酵實驗后，該樹脂仍具有較好的穩(wěn)定性。

通過吸附樹脂，不斷的從發(fā)酵液中移走乳酸，既可減少產(chǎn)物抑制作用，又可防止pH降低，減少了 pH調(diào)節(jié)劑的用量及副產(chǎn)物鹽的形成。但樹脂除了對乳酸的吸附外，對葡萄糖也有一定的吸附量，這就對樹脂的強選擇性有較高的要求。從工業(yè)化的角度來說，將離子交換樹脂法與發(fā)酵耦合具有較好的應用空間。

6　膜分離

膜分離是利用膜的選擇透過性，在膜兩側(cè)一定推動力的作用下，實現(xiàn)發(fā)酵液中不同組分的分離，達到提純、濃縮乳酸的目的。常用的膜分離方法有微濾、超濾、納濾及電滲析等。

6.1 超濾

超濾主要用于脫除發(fā)酵液中相對分子質(zhì)量大于1000或粒徑大于10nm的顆粒，如菌體、蛋白等。胡海江等［38］采用超濾膜脫除發(fā)酵液中的蛋白，比較了兩種PS膜的膜通量衰減系數(shù)和蛋白脫除效率，發(fā)現(xiàn) UEOS503脫蛋白的效果更好，并考察了膜壓差、溫度、pH和物料濃度對超濾效果的影響；在適宜條件下，通過 UEOS503膜蛋白質(zhì)的去除率為92.85%。孫洪貴等［39］考察了6種超濾膜的分離性能，發(fā)現(xiàn)Suntar-5U3和Suntar-6U2兩種膜對菌體、蛋白等雜質(zhì)的截留率分別為96.7%和97.8%，并對各操作參數(shù)對膜性能的影響及膜的持續(xù)運行情況進行了考察。

超濾是一種有效的從發(fā)酵液中脫除菌體及大分子蛋白的方法，在工業(yè)化生產(chǎn)中得到了較好的應用。

6.2 納濾

納濾主要是用于脫除乳酸發(fā)酵液中相對分子質(zhì)量大于200的物質(zhì)，如大部分的糖類、部分色素和二價離子等。ANTOINE等［40］將納濾作為雙極電滲析精制乳酸的第一個步驟，用DK納濾膜可以脫除乳酸發(fā)酵液中的64%±7%和72%±7%的鎂離子和鈣離子，并能脫除近40%的硫酸鹽和磷酸鹽，幾乎全部的色素脫除，回收率也較高，故納濾亦可作為精制過程的最后一步。也可將其與膜集成混合生物反應器系統(tǒng)相結(jié)合［41］。

納濾可有效脫除小分子有機物及部分鹽類，但是膜成本較高，易污染，隨著膜使用時間的增加，膜通量衰減。

6.3 電滲析

電滲析是利用離子交換膜和直流電場的作用實現(xiàn)發(fā)酵液中陰、陽離子的定向移動，從而達到分離電解質(zhì)與非電解質(zhì)、濃縮乳酸鹽的目的。NAREBSKA等［42］采用一種結(jié)構(gòu)單元為負極、陽膜、陰膜、陽膜和正極的電滲析器來提取乳酸鈉，發(fā)現(xiàn)在酸室中填充陽離子交換樹脂可極大地提高裝置的極限電流密度，此時電流效率為92%。李學梅等［43］采用電滲析法分離發(fā)酵液中的乳酸，驗證了通過電滲析法分離濃縮低濃度（＜1%）乳酸的可行性，并考察了各個操作條件對乳酸電滲析速率的影響，為該工藝的進行提供了參考。

雙極膜電滲析技術(shù)是電滲析技術(shù)的進一步發(fā)展，由陰、陽離子交換層復合而成，能夠?qū)⑺婋x出 H+和 OH-，從而達到將乳酸鹽變成高純度乳酸，并回收氫氧化鈉用于發(fā)酵過程pH調(diào)節(jié)的目的。MADZINGAIDZO等［44］先利用單極電滲析處理含乳酸鈉的發(fā)酵液，得到乳酸鈉濃縮液，其中乳酸鹽濃度 15%，葡萄糖含量低于 2g/L，乙酸鹽濃度1.5g/L，然后再經(jīng)雙極膜電滲析處理后，得到 16%乳酸，其中葡萄糖含量低于 1g/L，色素和無機鹽完全脫除。林晗等［45］采用雙極膜電滲析法提取乳酸，并對其離子遷移規(guī)律進行了研究，確定了分離適宜的操作條件，回收率可達 85.37%，電滲析前后乳酸的濃度增加1.6倍，乙酸等雜酸的濃度較低；進行了酸根離子的動力學研究，發(fā)現(xiàn)乳酸根的遷移速度最快。電滲析法可以有效的脫除色素、無機鹽等，但是對各種雜酸的脫除率不高，還需通過離子交換樹脂進一步提純?nèi)樗帷?/p>

電滲法能夠得到純度較高的產(chǎn)品，回收率較高，不會對料液產(chǎn)生二次污染，也不會產(chǎn)生任何酸堿廢液，缺點就是能耗高，但該技術(shù)仍具有較好的發(fā)展前景和工業(yè)化應用的空間。

6.4 與發(fā)酵耦合

將膜分離與發(fā)酵耦合，可在發(fā)酵過程中保持較高的細胞濃度，并保證細胞的循環(huán)使用，乳酸可從發(fā)酵罐中連續(xù)的移走，提高產(chǎn)率。

SIKDER等［41］利用膜集成混合反應器進行發(fā)酵，通過微濾膜進行細胞的分離和循環(huán)使用，發(fā)酵液通過錯流的納濾膜進行過濾，糖的截留率為94%；該膜組件與雙極膜電滲析集成可取代乳酸提純的后續(xù)多個步驟，得到單品級乳酸。WANG等［46］將微濾與發(fā)酵耦合，保持了發(fā)酵體系中菌種的高密度，通過填充床吸附發(fā)酵液中的乳酸，該體系中乳酸濃度可達 183.4g/L，相比單一發(fā)酵過程其濃度提升了26.1%。BOONTAWAN等［47］用數(shù)學模擬方法對產(chǎn)物抑制作用進行說明，發(fā)酵過程乳酸鹽的臨界最高濃度為 80g/L，將電滲析與發(fā)酵耦合后，最高的乳酸鹽濃度可達185g/L，該系統(tǒng)經(jīng)過250h操作仍能穩(wěn)定運行。GAO等［48］采用連續(xù)電滲析發(fā)酵法（EDF）提取乳酸，175g/L的葡萄糖濃度為原料最適濃度，連續(xù)電滲析發(fā)酵持續(xù)運行350h，其中穩(wěn)定運行的時間大于200h，乳酸最大的產(chǎn)率為8.18g/（L·h），收率為68.8%；與傳統(tǒng)的EDF及間歇操作的EDF相比，乳酸的產(chǎn)量分別是它們的19.5倍和9.7倍，這主要由于連續(xù)操作的發(fā)酵時間長、產(chǎn)率高。WANG等［49］將發(fā)酵與雙極膜電滲析耦合，采用連續(xù)過程生產(chǎn)提純?nèi)樗幔l(fā)酵液中乳酸鹽的回收率可達69.5%，與間歇操作相比，減少了工作量，提高了效率。

將膜分離與發(fā)酵耦合，可實現(xiàn)過程的連續(xù)操作，實現(xiàn)菌體的循環(huán)使用，尤其是電滲析與發(fā)酵耦合，不用中和劑即可控制體系的pH；但乳酸的電化學性能較差，電滲析速率慢；當乳酸濃度較高時，容易造成對膜的吸附，限制了該技術(shù)的使用。

7　結(jié)　語

隨著乳酸應用領(lǐng)域的不斷擴增，尤其是生物降解材料（聚乳酸）方面，市場對于乳酸的需求量日益增加，同時對乳酸的品質(zhì)也提出了更高的要求。這就需要對傳統(tǒng)發(fā)酵法生產(chǎn)乳酸工藝進行不斷的改進，以提高其生產(chǎn)效率，保證發(fā)酵、提純生產(chǎn)工段持續(xù)穩(wěn)定的運行。

發(fā)酵液中乳酸的分離提純占到了整個乳酸生產(chǎn)費用的大半部分，是生物法生產(chǎn)乳酸的關(guān)鍵，不斷開發(fā)新的乳酸提純方法仍是各國科研工作者研究的重點。尋求高效率、低污染、低能耗、可工業(yè)化的乳酸提純工藝路線，提高產(chǎn)品收率和品質(zhì)（化學、光學純度），降低生產(chǎn)成本（原料成本，發(fā)酵、分離成本等），實現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)，是當前乳酸及相關(guān)行業(yè)的迫切需求。盡管上文介紹的各項分離技術(shù)都有其自身的優(yōu)點，如分離效率高、產(chǎn)品品質(zhì)好、能耗低、環(huán)境污染少等，但單一技術(shù)很難有效的完成乳酸的分離，將多種技術(shù)集成、改良提純工藝路線，往往會有更好的效果。其中，將各種新型高效的集成技術(shù)與發(fā)酵過程的有機結(jié)合，實現(xiàn)連續(xù)或半連續(xù)的發(fā)酵過程，可在提高乳酸產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量的同時，降低副產(chǎn)物的生成和環(huán)境污染。

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Advances in separation and purification of lactic acid from fermentation broths

SUN Qimei，QIAO Kai，WANG Lingmin，GAO Dacheng，WANG Chonghui
（Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals，SINOPEC，F(xiàn)ushun 113001，Liaoning，China）

Lactic acid is the raw material for synthesis of poly-（lactic acid）.Biological processes are the main industrial method for lactic acid production.Due to the complex composition of fermentation broth，separation and purification of lactic acid from fermentation broth become the key technologies for biosynthesis.They also determine the quality and yield of lactic acid.In this paper，separation methods of lactic acid from fermentation broth are discussed，including crystallization，esterification，extraction，molecular distillation，membrane separation，adsorption and in situ product removal technology combining fermentation with the above separation methods.However，a single technology cannot efficiently extract lactic acid.It has to combine multiple technologies and improve the process route.One of the methods is to combine efficient integration technologies with the fermentation process，realizing continuous or semi-continuous production.This can improve the productivity and quality of lactic acid，and also form a set of purification processes that are efficient，high-quality，low-pollution，low energy-consuming and also feasible for industrial production.

lactic acid；separation /purification；fermentation broth

TQ 923

A

1000-6613（2016）09-2656-07

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.09.004

2016-01-23；修改稿日期：2016-01-29。

及聯(lián)系人：孫啟梅（1987—），女，碩士，助理工程師，從事生物化工研究。E-mail sunqimei.fshy@sinopec.com。