第二代乳酸分离纯化技术研讨

为了开发基于生物基化学品可持续生产的新型生物炼制方法，利用不与人争粮、不改变土地用途的可再生资源作为原料发酵生产乳酸至关重要。木质纤维素是世界上最丰富的碳水化合物来源，也是目前二代乳酸生产的最主要原料。常见原料有：农业食物废渣、来自生物乙醇和啤酒生产的废料、城市有机固体废渣、玉米秸秆、食物废渣、麦麸、咖啡浆等。具体原料及它们的滴定度、产量和生产率如表1所示。

表1 二代乳酸生产相关文献报道

众多研究表明：二代乳酸生产是一种可行方案。为此，开发有效的下游分离方法以降低成本和环境影响，从而形成合适且有竞争力的二代乳酸生产全产业链是非常必要的。

由于发酵原料和工艺的变化，与一代乳酸相比，二代乳酸生产体系是一种更为复杂的混合物，因此对分离工艺有了更为严格的要求。

沉淀法是传统乳酸发酵工厂应用最多的分离方法，其主要步骤是向发酵液中加入氢氧化钙沉淀剂使乳酸转化为乳酸钙沉淀，通过过滤回收沉淀的乳酸钙，再用硫酸释放乳酸，生成大量的CaSO4固体（如图1），最后再用活性炭、蒸发、结晶等工艺对稀释后的乳酸进行依次纯化。这种纯化的优点是操作简便，工艺简单，产率高，不受发酵液成分影响等，但也有一些致命的缺点：

1）试剂成本高；

2）需要冗长的过滤步骤；

3）产生大量的CaSO4污泥固体废料，污染环境；

4）产生废物和使用H2SO4等。

沉淀法每处理一吨乳酸，就产生大约一吨低价值的硫酸钙，这种沉淀过程占总乳酸生产成本的约50%。副产物富集带来的一系列环境污染问题，在可持续发展盛行的今天，沉淀分离法正在被逐渐淘汰或取代。

图1 沉淀法化学反应

溶剂萃取是一个低能耗的过程，也可以与发酵相耦合，实现产物的原位去除；反应萃取也是溶剂萃取的一种，乳酸可与萃取剂形成络合物，该络合物对有机溶剂（稀释剂）具有更好的亲和力。萃取剂的选择至关重要，最常用的化合物是胺（伯胺、仲胺或叔胺）、铵盐、鏻盐和咪唑盐等。

胺基萃取剂被广泛应用于羧酸类如乳酸、琥珀酸和乙酸的分离中。乳酸和胺之间的络合物通过离子对和氢键形成，通过反萃取来获得游离酸并再生胺。其基本反应分为如下三部分（如图2）：

图2 胺基萃取反应方程

(a)酸的解离方程式；

(b)胺的质子转移方程式；

(c)胺-酸络合物的形成方程式。

对于同一类萃取剂，不同官能团或分子结构也会对萃取效果产生不同影响，如仲胺表现出比叔胺更高的可萃取性，但是由于它们易形成酰胺，叔胺主要用于反应萃取系统；同样地，具有官能团的稀释剂如醇、酮、氯代烃、卤代芳族溶剂，由于其极性亦增加了胺的可萃取性。

溶剂萃取法具有如下优点：

1）操作简单，易于放大；

2）可以将发酵和分离进行耦合，节省生产时间和成本（如图3）；

溶剂萃取法具有如下缺点：

1）以胺类化合物为代表的萃取剂或稀释剂对发酵微生物具有潜在毒性；

2）当发酵液内底物较为复杂时，容易存在协同/拮抗萃取作用，部分副产物易同乳酸一起被提取；   

3）增加介质中的盐浓度将导致酸提取效率降低（阴离子与羧基竞争质子）。

图3 萃取发酵流程示意图

总之，尽管溶剂萃取法回收乳酸已被广泛研究，但大多数研究是围绕乳酸溶液或由商品葡萄糖或蔗糖为底物生产乳酸发酵液进行的，迄今为止，关于二代乳酸发酵分离和纯化的溶剂萃取研究报道少之又少。

乳酸在发酵过程中的不断积累会发生产物抑制作用，而使用对乳酸具有特定选择性的固体吸附剂在吸附乳酸的同时解除产物抑制、提高生产率，是回收乳酸的另一个有趣的选择。

吸附剂选择须遵从如下原则：

1）需对乳酸具有高选择性；

2）对乳酸具有高吸附能力；

3）可重复使用；

4）具有生物相容性。

常见的固体吸附剂有硅质岩（多孔二氧化硅）、活性炭、与咪唑键合的二氧化硅等，虽有一定吸附效果，但仍然没有关于二代乳酸分离的报道，原因可能是乳酸和其他化合物的竞争吸附，故还需进一步研究。

离子交换色谱被认为是一种环境友好且经济的乳酸分离方法。与上述方法相比，色谱法具有高选择性、低能耗以及化学品消耗少等优点。树脂的结构、聚合物骨架和官能团的不同性质导致了吸附效果的不同，其吸附原理主要基于两种同时发生的不同现象：吸附和离子交换。当发酵液的pH较低时，树脂主要吸附未解离形式的乳酸。鉴于大多数发酵是在pH 5-7 下进行的，乳酸根离子是发酵液中存在的主要形式，因此在通过树脂洗脱之前需要酸化。使用羟基形式的强碱树脂，由于其对乳酸的强亲和力，可以在很宽的酸碱度范围内操作。

常见的乳酸离子交换树脂有：弱碱性阴离子交换树脂Amberlite IRA-67，其吸附乳酸的原理为中和反应（如图4）形成酸-胺络合物，乳酸的回收率高达99%，采用Amberlite IRA-92时乳酸的回收率可达82.6%。

图4 吸附方程

离子交换色谱也可与过滤、电渗析等其他工艺相结合，最后进行真空蒸馏等。这种多工艺结合的方法可以大幅提高分离效率，但同时也会增加目标产物的生产成本。

膜分离通常包括微滤、超滤、纳滤、渗透蒸发、反渗透和电渗析，由于其具有环境友好且易于放大的优势，因此是一种常用的乳酸分离方法。其分离原理是利用目标产物——乳酸与发酵液中其他物质之间分子量/分子大小的显著差异，采用过滤技术将其有效分离，从而获得较高的乳酸产率和纯度。

膜分离法的优点是环境友好、易于放大、可以回收剩余营养物质、可以有效去除未转化的糖、蛋白质和矿物质；其缺点为通常需要与其他方法相结合、乳酸会有残留、膜成本较高等。多数文献报道也都是将膜过滤当做发酵液的预处理步骤，还需和其他分离方法相结合。

作为初级分离步骤，过滤法通常与其他方法结合以获得高纯度乳酸。过滤法与膜分离法有很多重合的地方，如超滤主要用于去除微生物细胞和蛋白质；纳滤的目的是截留残糖、浓缩乳酸流。有报道显示，低通量纳滤膜对于分离乳酸具有较高效率，最高可分离出93.3%的乳酸，其膜选择性为82.5%。除了高糖截留率之外，过滤法还可从富含乳酸的工业液体中分离镁、钙阳离子以及硫酸根、磷酸根等阴离子，并对发酵液进行脱色。

同样地，以膜过滤为代表的过滤法在发酵-分离耦合中也起到重要作用：有学者利用动态膜(DM)分离耦合以食物废料为底物的二代乳酸发酵，该系统提高了乳酸杆菌菌株的酶活性，从而提高了乳酸产量。经过合理清洗，该动态膜可以有效再生并长期运行。

电渗析是一种现代膜技术，在有机酸分离和纯化领域被愈发重视。不同种类的电渗析具有不同的功能，在本篇综述中，主要描述的是两个在乳酸分离领域获得了突出的地位的电渗析方法：即单极/常规电渗析和双极电渗析过程。

单极电渗析装置由两个隔室和两个阴/阳离子交换膜的重复单元组成(如图5)，一般用于有机酸溶液的浓缩或脱盐。电渗析具有即使在有机酸混合物中也能产生良好分离作用的效果，原因是存在反离子竞争。影响电渗析分离效果的主要因素为摩尔浓度、电离程度、分子大小和离子迁移率等。

图5 单级电渗析示意图

双极电渗析（EDBM）与单级电渗析的不同之处在于在渗析室中同时会进行水的分离，具有明显的经济利益、对环境污染低的优点，近年来被广泛采用。通过使用EDBM，所需的氢离子可通过水电解提供，消除了添加无机酸的需要，同时可以回收在大多数乳酸发酵中调节pH值所必需的碱（如图6）。

图6 双极电渗析示意图

有学者研究了使用单/双极电渗析来分离和纯化由咖啡粘液生产的二代乳酸：将发酵液进行过膜预处理后，以间歇模式进行两种电渗析处理，再进行离子交换色谱+真空蒸馏浓缩，所得乳酸的总光学纯度为99.8%。该方法的缺点是从发酵液中乳酸的回收率仅为38.2%，同时作者也设计了二代乳酸的完整下游工艺方案，如图7所示。

图7 二代乳酸下游分离工艺路线图

当前化学工业中强化过程的趋势是整合反应和分离操作，以实现可靠、节能、环境友好且有利可图的工艺。反应分离就是将反应过程和分离工艺相结合，从而大幅缩短生产时间，降低生产成本，提高生产效率。如反应精馏技术。它是传统沉淀方法的替代方法，可用于二代乳酸的纯化。通过一系列反应蒸馏塔从发酵液中分离和纯化二代乳酸，其反应包括乙醇酯化、水解等。

酯化反应是反应精馏最常见的反应之一，有报道称，在酯化塔中，将乳酸和乙醇转化为乳酸乙酯，通过蒸馏（沸点152 ^oC）将其分离，再通过水解乳酸乙酯来回收乳酸（纯度＞99.5% w/w）。

但由于二代乳酸发酵将产生更复杂的混合物，部分化合物在酯化和水解反应中与会与乳酸产生竞争，故反应精馏易受原料组成的影响。因此需要对反应精馏从发酵中回收二代乳酸进行更多的实验研究，开发一种完全有效且经济上有吸引力的工业应用方法。

盐析萃取基于化学物质在两相中分配系数不同的原理，通常由H₂O、有机溶剂（萃取剂）和盐（盐析试剂）组成。盐析萃取可用作分离和纯化生物基化学品，具有成本低、粘度低、易回收、相分离时间短、易于放大和可连续操作等优点。对于乳酸分离，常见的盐析萃取体系有：乙醇/K₂HPO₄、甲醇/K₂HPO₄、乙醇/(NH₄)₂SO₄、2-丙醇/K₂HPO₄、1,4-二氧己环/Na₂SO₄等，最高回收率可达90.6%。

类比于盐析萃取乳酸取得的相应分离效果，有学者提出了糖析萃取分离方法，研究者认为异丙醇/葡萄糖体系萃取效率最高，分配系数为1.39，回收率为84.3%。同时，该团队（指本团队，译者注）也研究了一元醇和K₂HPO₄体系盐析萃取过程中不同因素对羧酸溶液分离分配系数的影响，作者认为羧酸和溶剂的疏水性是分配系数的主要影响因素。目前文献报告中乳酸的萃取效率一般可达80-90%，但是大多数研究均采用发酵模拟液，真实发酵液的盐析萃取效率往往低于发酵模拟液，这一点是盐析萃取需要改进的地方。

短程蒸发/分子蒸馏是在低温和极低压力下进行蒸发的特殊情况。短程蒸发的另一个重要特征是减少了材料温度变化的时间，使热分解的风险最小化，这些特性展现了该方法在乳酸纯化中的巨大潜力。

一些研究报道，仅通过改变操作条件，乳酸纯度就可达到90-96%。由于停留时间和蒸馏温度较低，短程蒸发具有成为乳酸下游优质分离方法候选工艺的潜力。然而，大多数文献报道使用乳酸溶液作为原料，只有一项研究集中于从发酵液中分离二代乳酸：作者以水解甘蔗渣的半纤维素为原料产生的乳酸发酵液为原料，发现所有研究的参数都会影响乳酸的分离和浓缩效果。作者认为，从半纤维素糖中分离乳酸比从六碳糖中分离乳酸更加困难，这表明发酵过程中不同底物对后续目标产物分离过程效率也会产生很大影响。

使用第二代原料的可持续乳酸生产是一个被广泛研究的课题，且产生了良好的效果。在全球范围内，无论是乳酸市场还是其进一步的聚乳酸市场都体现出蓬勃的上升趋势。虽然该领域已经达成了许多成就，如预处理和发酵技术的改进、新菌株的使用、基因工程菌以及各种底物的创新使用。然而，在下游工艺过程里，二代乳酸分离工艺仍处于发展中阶段。表2总结了每种下游方法的主要优缺点。

表2 二代乳酸各类分离方法的优缺点概述

本文主要介绍二代乳酸下游分离的相关文献，通过调查发现：与一代乳酸下游工艺的现阶段报道相比，二代乳酸下游工艺的研究很少且相当初步。一般来说，产物回收过程包括一系列步骤，每一步都有多种选择，而大多数关于乳酸分离的报道只涉及一个或两个单独步骤，并没有明确说明所研究的步骤在整体中的作用。膜技术是研究最多的分离过程，因为它在实际生产过程中更容易放大。从这个意义上来说，选择二代乳酸创新且高效的下游分离方法仍具有巨大挑战。