L-乳酸的提煉工藝簡述

金陳斌，甘恬，金曉，許峰，陳翰馳，陸躍樂，陳小龍*

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

L-乳酸作為一種常見的工業產品，已廣泛應用于人們的日常生活和工業生產中。乳酸于1780年由瑞典科學家在變質的牛奶中發現[1]。從結構上來講，乳酸存在L-乳酸和D-乳酸2種對映異構體。由生物體內直接產生的乳酸都為L-乳酸，它由微生物或動物細胞通過無氧呼吸(糖酵解)生成[2]。由于人體內只含有L-乳酸脫氫酶，因此，只能代謝L-乳酸，一旦過量攝入D-乳酸，會導致人體代謝紊亂，尿液酸度過高。世界衛生組織聲明，人體每日的D-乳酸攝入量應在100 mg·kg-1以下，且出生3個月以內的嬰兒食品中不應含有D-乳酸[3]。

目前，在世界L-乳酸總消費中，食品工業約占60%[3]。比如常見的發酵類食品——酸奶、泡菜中就富含L-乳酸，該類食品還含有豐富的L-乳酸菌，能夠起到維持人體胃腸道健康、調節生理機能的作用[4]。L-乳酸本身還可用作調味劑和防腐劑。

此外，L-乳酸在醫藥行業和化妝品行業中也具有廣泛的應用價值。L-乳酸具有很強的殺菌作用，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，是補充礦物元素的良好藥品；聚L-乳酸可被用作可降解手術縫合線、注射用膠囊等。同時，L-乳酸還具有很強的保濕抗皺作用，可用于護膚品行業[5]。

L-乳酸還是化工行業最重要的平臺化合物之一，可以代替輕質油氣通過脫羧、脫水、還原等過程得到乙醛、丙烯酸、丙酸等化學品[6]。聚L-乳酸具有良好的初期機械性能，可生物降解，熔點約170 ℃，是一種很好的聚乙烯、聚氯乙烯等塑料材料的替代品，是人類在保護環境、消除白色污染道路上的重要發展方向[7]。

1 L-乳酸的發酵生產工藝

L-乳酸的工業生產主要分為化學法和生物法2種。其中，生物法通過微生物(細菌或霉菌)細胞在無氧環境下消耗可酵解糖得到L-乳酸，所得產品主要為L-乳酸和少量D-L-乳酸[8]。生物法所得的L-乳酸產品一般純度較高，可用于食品藥品領域。截至2015年，全球的L-乳酸消耗量為47.67萬t，其中食品與醫藥領域消耗L-乳酸共25.14萬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-乳酸原料的主要來源。從數據上來看，目前市場上所消耗的L-乳酸都主要由生物法生產而來[9]。目前，已發現的L-乳酸菌有200余種。在真菌中，根霉菌也可通過自身代謝生產L-乳酸。相較于L-乳酸菌，根霉菌具有對底物的要求低、耐酸性強、體積大、易于分離、產物中L-乳酸純度高等優勢，是我國工業生產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也屢見報道。

2.1 鈣鹽法

目前，國內大部分L-乳酸的生產廠家都采用的是鈣鹽法。首先，對L-乳酸發酵液進行加熱升溫處理，然后加入生石灰(或氫氧化鈣)和凝聚劑，以除去發酵液中的菌體、蛋白質等膠體物質，隨后對發酵液進行濃縮，降溫結晶得到L-乳酸鈣。將得到的L-乳酸鈣分離再溶解后，經過活性炭脫色，然后通過離子交換樹脂得到L-乳酸溶液。將所得溶液再濃縮后結晶得到成品L-乳酸[11]。

鈣鹽法總體可分為預處理、結晶、洗滌、酸化、再結晶5步。該方法工藝簡單且成熟，其中，鈣離子對L-乳酸發酵具有促進作用。然而，該方法對活性炭的需求量較大，且在L-乳酸鈣結晶時為防止溶液固結，L-乳酸鈣濃度不宜過高，結晶率僅有40%～45%，對糖類物質的分離程度也不高。對此，有報道提出可聯合活性炭與大孔吸附樹脂對L-乳酸鈣溶液進行脫糖脫色，并通過2次降溫的方式(先由30 ℃降至15 ℃，再由15 ℃降至4 ℃)結晶L-乳酸鈣。該方法可將結晶率提升至80%，且L-乳酸的純度達到97.2%[12]。

2.2 酯化蒸餾法

L-乳酸在常壓下的沸點為190 ℃，屬熱敏性物質，當加熱到140 ℃以上時，L-乳酸會發生分解和聚合反應，在沸點溫度下，L-乳酸會完全分解；因此，要使L-乳酸無明顯的分解，蒸餾溫度不得超過130 ℃，這就需要把蒸餾的壓力降得很低，使沸點低于分解溫度。普通的減壓蒸餾處理L-乳酸工藝理論成熟，在低壓下反復分餾可以得到結晶L-乳酸。但是，該工藝對設備要求較高，普通的減壓蒸餾系統難以達到較高的真空度，且在蒸餾過程中L-乳酸容易分解；因此，在工業生產過程中，通常不對L-乳酸進行直接蒸餾提純。

L-乳酸或L-乳酸鈣在有催化劑存在的條件下，易與低級醇(甲醇、乙醇等)形成酯，這些酯的沸點遠低于L-乳酸，因此，很容易通過減壓蒸餾分離。分離得到的L-乳酸酯進一步與水蒸氣反應得到L-乳酸，反應過程如下[13]。

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

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

式中R=H或CH3。

鈣鹽法存在L-乳酸產品純度不高的問題，而通過酯化蒸餾法可以有效地分離L-乳酸和糖類物質，提升L-乳酸產品的純度。因此，工業上往往將鈣鹽法所得的L-乳酸產品通過酯化蒸餾做進一步的提純。該工藝的L-乳酸收得率可達97%，而且得到的成品L-乳酸純度較高，可達藥用級標準。國外現已普遍采用此工藝。但由于甲醇是一種有毒、易燃、易爆的溶劑，且過程受酯化反應平衡制約，在我國目前僅有在江西所建工廠采用該方法來提純L-乳酸。

Rathod等[14]在反應器中加入聚乙烯醇-聚醚礬親水膜，循環脫水后，酯化率由51%提升到了86%。通過酯化蒸發耦聯的方法同樣可以打破酯化反應平衡，提升L-乳酸的轉化率[15]。

2.3 萃取法

L-乳酸的萃取分離自2000年來也屢見報道。該方法通常可與L-乳酸發酵過程相結合，通過在L-乳酸的生產過程中移走產物，達到防止產物抑制、簡化后續分離過程的目的。為了不影響L-乳酸的發酵過程，該方法所采用的萃取劑必須極難溶于水，且對L-乳酸有很好的溶解性和選擇萃取性。通過調整萃取劑的配方也可對萃取速率進行優化，使其與L-乳酸的生產速率相匹配。研究中一般采用含氨化學品作為反應劑，如烷基胺、間羥胺等，通過與L-乳酸的結合可提高其在有機溶劑中的溶解度，實現萃取的目的。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，發現萃取效果與初始L-乳酸濃度和pH值有關。Hossain等[17]使用三正辛胺與十六烷基三甲基氯化銨(Aliquat 336)作為反應劑，以磷酸三丁酯作為溶劑，根據萃取速率對萃取劑配方進行了優化。報道中提到，磷酸三丁酯作為溶劑會一定程度地溶解到發酵液中，影響發酵效率，而且磷酸三丁酯價格昂貴，具有毒性；故此方法并不適于工業化分離L-乳酸。該報道還同時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-乳酸的過程，并對它們的萃取能力進行排序，發現三正辛胺具有最強的萃取能力。

通過萃取法分離L-乳酸能耗較低，可以實現發酵與分離的同步進行，降低L-乳酸對微生物的抑制作用。然而，目前研究報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作用下，溶液中的離子發生定向遷移，并通過半透膜的選擇性實現物質分離和提純的方法。圖1展示了通過電滲析法分離提純L-乳酸鈉的過程。陽離子、陰離子交換膜在滲析池中交替排列，鈉離子透過陽離子交換膜進入濃縮池并被陰離子交換膜阻隔，L-乳酸根離子透過陰離子交換膜進入濃縮池并被陽離子交換膜阻隔，從而實現L-乳酸鈉溶液的濃縮提純。濃縮后的L-乳酸鈉可進一步導入雙極電滲析池中，在水的電離作用下實現L-乳酸和氫氧化鈉的合成。研究人員于1997—1998年相繼報道了使用滲析法和電滲析法對L-乳酸溶液進行純化。其中，采用Neospeta AFN-7與Selemion DSV 2種離子交換滲透膜，根據L-乳酸與L-乳酸鹽電離能力的差異實現了二者的分離，分離系數分別為20和30[19]；電滲析法則通過陰陽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]考查了串聯單極雙極膜電滲析由L-乳酸鈉鹽分離獲得L-乳酸的過程，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一步降至1 g·L-1，過程中乙酸雜質的濃度由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到了96%和93%。Choi[23]采用單滲析膜(陽離子交換膜)，使用L-乳酸鈉與硫酸同時進料的方式實現了離子交換與電滲析的同步進行，過程中不損耗L-乳酸。電滲析法可以有效地分離L-乳酸與糖類物質，但無法實現L-乳酸與其他有機酸的分離，且膜污染和通量衰減同樣成為該技術在L-乳酸提取中應用的限制因素。

圖1 單極電滲析與雙極電滲析分離L-乳酸鈉溶液獲得L-乳酸的過程機理

2.5 離子交換法

采用陰離子交換樹脂可以實現發酵液中L-乳酸與糖類、金屬離子的分離。Pleissner等[24]測試了FPA-53和CR-5 550兩款陰離子交換樹脂對發酵液中L-乳酸的分離效果，對96.1 g·L-1的L-乳酸發酵液吸附后使用12.5 mmol·L-1的硫酸溶液洗脫，L-乳酸的分離率達到90%以上。Tong等[25]測試了流速、pH、柱體積等對IR-92陰離子交換樹脂分離L-乳酸過程的影響。研究發現，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脂的結合，然而過高的pH(pH>6)會導致L-乳酸得率下降，原因是發酵液中的氨基酸與L-乳酸形成了競爭性結合。離子交換柱的放大對L-乳酸的得率沒有明顯影響。

L-乳酸在發酵液中的積累會影響菌體活性，抑制L-乳酸發酵。為了解決這一問題，可在發酵過程中加入陰離子交換樹脂，實現發酵與分離的同步進行，降低產物在發酵液中的濃度。Srivastava等[26]在2 L發酵罐中加入IRA-400陰離子交換樹脂實現分離發酵，加入樹脂對微生物生長并沒有明顯的影響，僅有少量微生物被吸附在樹脂表面，對比普通發酵過程，L-乳酸每小時的產率由0.313 g·L-1提升到了1.665 g·L-1，單位蔗糖的L-乳酸產率也由0.828 g·g-1上升到了0.929 g·g-1。Wang等[27]報道，向L-乳酸反應器中加入陰離子交換樹脂后，發酵時間縮短了24 h，L-乳酸的產率提高了0.154 g·L-1·h-1。離子交換法在L-乳酸再生的過程中會產生酸性廢液，且需要定期更換離子交換樹脂，增加了分離成本。因此，有關樹脂吸附L-乳酸的研究報道也僅局限于基礎理論階段。

2.6 分子精餾法

分子精餾法于20世紀90年代被提出并得到研究。它指的是物質在加熱層通過加熱揮發，以氣態形式傳遞至冷凝層經液化實現分離。分子精餾過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，分子精餾過程不存在揮發物質凝聚重新回到加熱層的情況，精餾過程也不受氣液平衡的限制[28]。

分子精餾過程加熱溫度低，不需要達到物質沸點，十分適合于熱敏感性物質的分離和提純。現有的分子精餾法分離L-乳酸的報道中，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]報道了在中高溫(367.1 K)、低壓(24.5 Pa)條件下，通過分子精餾法從發酵液中分離L-乳酸的過程，一次蒸餾后得到的L-乳酸的純度為92.39%，反復精餾后純度達到了95.6%，但L-乳酸的得率為74.09%，較其他分離方法沒有明顯優勢。

3 小結

L-乳酸作為一種重要的工業產品和平臺化學品，在食品、藥品、材料等領域都有廣泛的用途。由L-乳酸合成的可降解塑料更是在保護環境、解決白色污染問題上具有重要意義。本文總結了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，可供相關研究人員參考。