乳酸的應用及生產工藝概述

乳酸的應用

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。首先食品還含豐富的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。L-乳酸本身還可用作調味劑和防腐劑。

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。

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。

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。

目前乳酸的生產工藝：

由于當前對使用傳統石化工藝的成本和環境影響的擔憂，人們對發現新的環境友好型化學品來源越來越感興趣。于是對于乳酸提取工藝的研究也逐漸被重視， 研究證明一種基于生物質的技術，通過發酵生產乳酸的生物技術工藝，該工藝應該具有多種優勢：底物成本低、生產溫度低和能耗低。

但從發酵液中分離和純化乳酸的有效方法也非常重要，因為這些步驟可能高達總成本的 50% , 并且仍然難以以高成本回收。因為與水的高親和力、高溫分解及復雜且能源密集的回收技術。目前從發酵液中回收乳酸的方法有相當多，如鈣鹽法、酯化蒸餾法、溶劑萃取法、膜電滲析法、分子精餾法等，都有科研人員對此進行了研究。

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,  對糖類物質的分離程度也不高。 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%。

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。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。該工藝得率可達97%, 而且成品純度較高, 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。

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。

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。

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。

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?，F有的分子精餾法分離L-乳酸的研究中，已有研究證明在高真空低溫度的條件下，從合成乳酸中提純乳酸的工藝可行性，但對于發酵原液，由于發酵液是一種比合成混合物更復雜的混合物，并且存在殘留糖和其他有機酸，因此原料的制備和分析以及分離過程的性能都需要重新研究摸索。

此種提取工藝方法，為了保持高真空，需要同時使用機械力泵和擴散泵，這與節能有直接沖突。下游的每一個額外步驟都意味著總運營成本的增加。所以選擇分子蒸餾提純乳酸的工藝，還有待進一步摸索與驗證中，是目前比較熱門的一個研究方向。