乳酸的应用及生产工艺概述

乳酸的应用

乳酸作为一种常见的工业产品, 已广泛应用于人们的日常生活和工业生产中。首先食品还含丰富的L-乳酸菌, 能够起到维持人体胃肠道健康、调节生理机能的作用。L-乳酸本身还可用作调味剂和防腐剂。

L-乳酸在医药行业和化妆品行业中也具有广泛的应用价值。L-乳酸具有很强的杀菌作用, 其杀菌能力是柠檬酸、酒石酸和琥珀酸的好几倍; 

L-乳酸盐, 如L-乳酸钙、L-乳酸铁、L-乳酸钠都易于被人体吸收, 是补充矿物元素的良好药品;

 聚L-乳酸可被用作可降解手术缝合线、注射用胶囊等。

同时, L-乳酸还具有很强的保湿抗皱作用, 可用于护肤品行业。

乳酸还是化工行业最重要的平台化合物之一, 可以代替轻质油气通过脱羧、脱水、还原等过程得到乙醛、丙烯酸、丙酸等化学品。

聚L-乳酸具有良好的初期机械性能, 可生物降解, 熔点约170 ℃, 是一种很好的聚乙烯、聚氯乙烯等塑料材料的替代品, 是人类在保护环境、消除白色污染道路上的重要发展方向。

目前乳酸的生产工艺：

由于当前对使用传统石化工艺的成本和环境影响的担忧，人们对发现新的环境友好型化学品来源越来越感兴趣。于是对于乳酸提取工艺的研究也逐渐被重视， 研究证明一种基于生物质的技术，通过发酵生产乳酸的生物技术工艺，该工艺应该具有多种优势：底物成本低、生产温度低和能耗低。

但从发酵液中分离和纯化乳酸的有效方法也非常重要，因为这些步骤可能高达总成本的 50% , 并且仍然难以以高成本回收。因为与水的高亲和力、高温分解及复杂且能源密集的回收技术。目前从发酵液中回收乳酸的方法有相当多，如钙盐法、酯化蒸馏法、溶剂萃取法、膜电渗析法、分子精馏法等，都有科研人员对此进行了研究。

钙盐法总体可分为预处理、结晶、洗涤、酸化、再结晶5步。该方法工艺简单且成熟, 其中, 钙离子对L-乳酸发酵具有促进作用。然而, 该方法对活性炭的需求量较大,  对糖类物质的分离程度也不高。 有报道提出可联合活性炭与大孔吸附树脂对L-乳酸钙溶液进行脱糖脱色, 并通过2次降温的方式结晶L-乳酸钙。该方法可将结晶率提升至80%, 且L-乳酸的纯度达到97.2%。

乳酸或L-乳酸钙在有催化剂存在的条件下, 易与低级醇(甲醇、乙醇等)形成酯, 这些酯的沸点远低于L-乳酸, 因此, 很容易通过减压蒸馏分离。钙盐法存在L-乳酸产品纯度不高的问题, 而通过酯化蒸馏法可以有效地分离L-乳酸和糖类物质, 提升产品的纯度。因此, 工业上往往将钙盐法所得的L-乳酸产品通过酯化蒸馏做进一步的提纯。该工艺得率可达97%, 而且成品纯度较高, 可达药用级标准。国外现已普遍采用此工艺。但由于甲醇是一种有毒、易燃、易爆的溶剂, 且过程受酯化反应平衡制约。

通过萃取法分离L-乳酸能耗较低, 可以实现发酵与分离的同步进行, 降低L-乳酸对微生物的抑制作用。然而, 目前研究报道中的萃取剂通常成本较高, 且具有毒性, 故此方法仍处于研究阶段。

采用单渗析膜(阳离子交换膜), 使用L-乳酸钠与硫酸同时进料的方式实现了离子交换与电渗析的同步进行, 过程中不损耗L-乳酸。电渗析法可以有效地分离L-乳酸与糖类物质, 但无法实现L-乳酸与其他有机酸的分离, 且膜污染和通量衰减同样成为该技术在L-乳酸提取中应用的限制因素。

分子精馏法于20世纪90年代被提出并得到研究。它指的是物质在加热层通过加热挥发, 以气态形式传递至冷凝层经液化实现分离。分子精馏过程中由于加热层与冷凝层的距离短于蒸汽分子的平均自由程, 因此, 分子精馏过程不存在挥发物质凝聚重新回到加热层的情况, 精馏过程也不受气液平衡的限制。

分子精馏过程加热温度低, 不需要达到物质沸点, 十分适合于热敏感性物质的分离和提纯。现有的分子精馏法分离L-乳酸的研究中，已有研究证明在高真空低温度的条件下，从合成乳酸中提纯乳酸的工艺可行性，但对于发酵原液，由于发酵液是一种比合成混合物更复杂的混合物，并且存在残留糖和其他有机酸，因此原料的制备和分析以及分离过程的性能都需要重新研究摸索。

此种提取工艺方法，为了保持高真空，需要同时使用机械力泵和扩散泵，这与节能有直接冲突。下游的每一个额外步骤都意味着总运营成本的增加。所以选择分子蒸馏提纯乳酸的工艺，还有待进一步摸索与验证中，是目前比较热门的一个研究方向。