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1. 研究目的与意义
乳酸是目前世界公认的三大有机酸之一，广泛存在于动物、植物和微生物体内，是生物的代谢中间体及代谢产物。
乳酸的分子式为ch3ch(oh)cooh，又名2-羟基丙酸，是一种重要的有机酸，广泛用于食品、医药、皮革、卷烟、化工、印染、化妆品、生物降解性塑料生产等领域。
工业生产乳酸主要采用微生物发酵法，但该法制备乳酸其成熟的发酵液中通常还含有菌体、蛋白质、色素、残糖和无机盐等杂质，所以如何从发酵液中分离纯化乳酸是制约乳酸工业发展的关键问题，利用离子交换法提取制备发酵液中乳酸在前期研究中已经被证实是可行的，有利于实现乳酸的连续发酵，本论文进一步研究离子交换树脂类型，用量，吸附与解吸附条件，洗脱液种类和流速对离子交换法提取制备发酵液中乳酸的影响，以期为实现生物质制备乳酸的连续发酵与分离奠定基础。
2. 国内外研究现状分析
2.1乳酸的结构和性质
乳酸（Lactic acid），是一种天然的有机酸，广泛存在于人体、动物、植物和微生物中[1]，其分子式为 C3H6O3，分子量为90.08。乳酸分子中有一个手性碳原子，因此具有旋光性，其结构式见图 1-1[2]，D-乳酸为左旋，L-乳酸为右旋，DL-乳酸为外消旋。
图 1-1 乳酸分子结构式
Fig. 1-1 Structural formula of lactic acid
通常乳酸为无色或黄色液体，熔点为16.8℃，沸点为122℃(2KPa)，相对密度为1.249。在67~133Pa的真空条件下反复蒸馏,可得到高纯度的乳酸。但由于乳酸为热敏物质,因而需要控制蒸馏温度，以防止乳酸分子自身分解。
乳酸通常是乳酸和乳酰乳酸的混合物，几乎无臭或微带有脂肪酸臭，与水、乙醇、乙醚、丙二醇、甘油、丙酮等互溶，几乎不溶于石油醚、氯仿、二硫化碳和苯。乳酸浓度达60%以上时已有很强的吸湿性。商品级乳酸通常为60%溶液，食品级乳酸含量为80%以上,药典级乳酸含量为85%一90% 。
乳酸分子中含有一个羟基和一个羧基因此它可以参与很多反应，如氧化反应、还原反应、缩合反应和酯化反应等。
2.2乳酸的应用
乳酸是一种重要的多用途有机酸，为三大有机酸之一。尤其是L-乳酸，以其独特的构型优势，展示了广泛的应用前景[13-14]。人和动物体内只有代谢L-乳酸的酶，若过量摄入D-型或DL-型乳酸，可导致人体代谢功能的紊乱[15]，因此在食品和医药工业中，高光学纯度L-乳酸将逐步取代 DL-乳酸。乳酸、乳酸盐及其衍生物广泛应用于食品、医药、农业和化工等方面。在食品工业中，由于乳酸酸性柔和且稳定，有助于改善食品风味，因此常作为酸味剂、防腐剂以及还原剂应用于乳酸饮料、清凉饮料、糕点、咸菜等中。尤其在软饮料生产所使用的酸味剂方面，L-乳酸有取代柠檬酸之势。在啤酒制造方面，乳酸可代替磷酸等无机酸调节PH。在制革工业中，乳酸可使皮革柔软、细密。在卷烟工业中，乳酸可除去烟草中杂质，保持烟草的湿度，提高烟草的质量。在纺织品工业中，乳酸可用来处理纺织纤维，使其易于着色，从而增加光泽。乳酸还具有很强的杀菌作用，其杀菌能力是柠檬酸、酒石酸、琥珀酸的数倍，可以直接用作手术室、病房、实验室、车间等场所的消毒剂。此外，L一乳酸、L一乳酸钠与葡萄糖、氨基酸等
复合配制成输液，可治疗酸中毒及高钾血症。L一乳酸的铁、钠、钙盐等溶解性
好，是补充金属元素的良好药品。
随着乳酸行业的发展，乳酸聚合物成为人们关注的焦点。在乳酸聚合物系列产品中最重要的是聚乳酸(PLA)，聚乳酸是应用最广泛的生物质可降解聚合材料之一。聚乳酸是L-乳酸经过聚合生成的直链或环状聚合物，是一种可降解高分子材料、无毒、无刺激性、强度高、可塑性好、生物相容性优良、能够可塑性加工成型。它易被自然界中的各种微生物和动植物体内的酶分解，最终生成二氧化碳和水,不会造成白色污染。聚乳酸可以制成农用薄膜、纸代用品、纸张塑膜、包装薄膜、食品容器、生活垃圾袋、化妆品的添加成分等，还广泛应用于药物缓释胶囊制剂、生物降解纤维、生物降解材料的生产及生物植片制造等方面，因而被认为是最有前途的可生物降解高分子材料，已引起世界各国浓厚的兴趣。
2.3微生物发酵法生产乳酸
2.3.1乳酸发酵机理
在乳酸生产方法中最普遍的是发酵法，这是因为发酵法可以得到光学纯度的乳酸。发酵法生产的乳酸主要用于食品、医药等工业。国外主要以淀粉、葡萄糖等糖类或牛乳为原料，国内主要以淀粉为原料，经微生物(细菌或霉菌)发酵而制得乳酸[2]。按乳酸菌发酵糖类经由的过程和生成产物的不同，可将细菌乳酸发酵分为同型乳酸发酵(Homoefrmentation)、异型乳酸发酵(Heteroefrmentation)和混合酸型乳酸发酵(Mxiacdiefrmnetatino)，其发酵机理主要包括:同型发酵、异型发酵、双岐发酵[12]。
2.3.2乳酸发酵菌种
目前国外主要以德氏乳杆菌、干酪乳杆菌或保加利亚乳杆菌为主进行L-乳酸的发酵生产，国内则多以米根霉进行L-乳酸发酵生产的研究，二者各有其特点，但都存在发酵产物光学纯度不高的缺点。根霉营养要求简单，只需要无机氮及少量其他无机盐。乳酸细菌属于化能异养型微生物，它们缺少对许多有机化合物的合成能力，必须由外界提供多种营养物质和生长因子，如各种氨基酸、维生素、核酸碱基等，才能很好的生长发育。其中最重要的营养是可溶性蛋白、二肽、氨基酸、磷酸盐、铵盐及维生素物质，因此适合的氮源是蛋白水解物、氨基酸、肽和蛋白胨等。目前人们亦不断对野生菌进行改良，如筛选耐酸性菌株、利用基因工程技术改良或构建乳酸生产菌[9]。
传统的L-乳酸生产菌种为米根霉，但所产L-乳酸光学纯度不高，发酵温度较低，发酵工艺不易操作等不足限制了传统方法生产L-乳酸的发展。嗜热菌用于L-乳酸的发酵生产则弥补了上述不足。凝结芽孢杆菌就是典型的代表。该菌种对营养成分要求不高，可以节约发酵成本；代谢快，可以缩短发酵周期；耐受温度高，可以减少发酵过程中对冷却水的消耗，同时也减少了染菌的可能。表1-2中列出了一些主要用于生产乳酸的微生物。
菌属 | 乳杆菌属 (Lactobaillus) | 链球菌属 (StrePoloccuss) | 乳球菌属 （Lactococcus） | 芽孢杆菌属 （Bacillus） | 双歧杆菌 (Bifidobacterium) |
细胞形态 | 杆状棒状或栅状 | 球形或球杆状 | 球形或卵圆形 | 杆状 | 不规则形 |
排列 | 链状 | 成对或者链状 | 单生、成对或者链状 | 单个 | 单个、链状、V型、栅栏型 |
性状 | 接触酶阴性革 兰氏阳性无芽 孢 | 接触酶阴性革 兰氏阳性无芽 孢 | 接触酶阴性革 兰氏阳性无芽 孢 | 接触酶阳性革兰氏阳性内生芽孢 | 接触酶阴性革 兰氏阳性无芽 孢 |
生长类型 | 兼性或专性厌 氧 | 兼性厌氧 | 兼性厌氧 | 兼性厌氧 | 专性厌氧 |
发酵温度 | 30~60℃ | 30~40℃ | 10~40℃ | 45~60℃ | 37~41℃ |
生长条件 | PH4.0~4.5 | PH4.0~5.0 | 通常4%Nacl溶 液 | PH4.5~7.0 | PH6.5~7.0 |
典型菌种 | 干酪乳杆菌 (L.laei) 嗜热乳杆菌（L.tyermoPhilus) 戊糖乳杆菌（L.pentosus） | 嗜热链球菌 (S.thermoPhilus) 木糖链球菌(S. xylosus) 粪链球菌(S.faecalis) | 乳酸乳球菌 (L.lactis) | 凝结芽抱杆菌 (B.coagulnas) 嗜热脂肪芽抱杆 菌 (B.stearathemoPhilu) | 两歧双歧杆菌 (B.bifidum) |
表1-2 用于L一乳酸生产的微生物[11]
Table1-2 the microbiology of production L-latic acid
注：双歧杆菌属过去归于乳酸菌中，现己单独归类.其原因是其乳酸产率较低，通常不足50%。
2.4乳酸的分离工艺研究
2.4.1乳酸分离研究现状
乳酸发酵液的成分复杂,随原料组成和发酵工艺的不同而有所变化。除乳酸外，发酵液中还包括菌体、残糖、蛋白质、色素、胶体、有机酸、无机盐等多种杂质。总的来说，它们来源于原材料、未消耗的营养盐或发酵的中间副产物。所以从乳酸发酵液中提取乳酸是比较困难的。因此，在乳酸工业生产中，产品的分离与精制是目前的技术难点。近年来,为了提高收率、产品质量和降低能耗，人们系统研究了乳酸的各种提取和精制技术。
2.4.2乳酸分离方法
2.4.2.1传统钙盐法
传统的分离乳酸的工艺是从浓缩的发酵液中沉降得到的钙盐，经结晶、过滤，水解后用硫酸酸化。传统的工艺简单，易于控制，然而在乳酸钙中仍有部分杂质残留其中，很难处理，在洗涤过程中乳酸钙会有所损失，乳酸的收率低。由于乳酸发酵液中的残糖、蛋白质、色素和其他有机酸的残留以及乳酸的亲水性和异易聚合性，使得乳酸分离精制工艺变得十分复杂[12]。而乳酸的分离工艺直接影响到乳酸生产工业的成本和乳酸的品质。
2.4.2.2萃取法
萃取法是提取化工产品的重要方法,是指使用不溶或微溶于水的有机溶剂，通过物理或化学萃取方式从粗乳酸中提取乳酸，然后再反萃取,把乳酸从萃取相中分离出来。近年来,许多新的萃取技术相继应用于乳酸分离工艺中，如双水相萃取、反胶团萃取、液膜分离、膜萃取和超临界萃取等等，这些技术的应用研究十分活跃，主要表现在以下两个方面:
(I)利用无毒或低毒的萃取剂与发酵过程同步进行提取产物。
(2)液膜分离技术的研究。液膜分离是利用与水不互溶的有机溶剂形成的膜
来选择分离水溶液中乳酸的方法，该方法在乳酸的提取过程中不需要对料液进行
预处理,可以直接对发酵液进行分离提取。
2.4.2.3膜分离法
膜分离法是利用膜的选择性，实现料液不同组分的分离、纯化、浓缩的过程。膜分离技术在乳酸分离精制过程中的应用主要包括澄清除杂发酵液和精制乳酸两部分。澄清除杂发酵液主要采用超滤和微滤膜工艺；精制乳酸主要采用纳滤、反渗透或电渗析工艺。目前，国内外一般采用超滤和纳滤联合工艺，去除发酵液中的菌体、蛋白质、残糖和色素等杂质。
2.4.2.4酯化法
乳酸或乳酸钙在催化剂存在的条件下，即使在较低的浓度下也易与低级醇(甲醇、乙醇等)形成酯。这些酯遇到热水蒸汽也易水解，酯化法提取乳酸正是基于上述原理。该工艺的乳酸的收率可高达97% ，而且乳酸成品纯度较高，可达药用级标准。由于甲醇是一种有毒、易燃、易爆的溶剂，因此对设备和操作要求比较严格。此外，酯化水解法与反应精馏水解技术相耦合也能提高乳酸纯度和质量，降低成本。
2.4.2.5电渗析法
80年代和90年代，随着膜技术的快速发展，电渗析法(ED)分离乳酸展现出
良好的发展前景。ED分离乳酸的工作原理是，在直流电场作用下，利用阴离
子和阳离子交换膜的选择透过性能力，使电解质溶液中形成电位差，从而产生
阴离子和阳离子的定向迁移，使乳酸发酵液分离、提取和浓缩。由于传统电渗
析（CED）可以同时实现稀释和浓缩盐溶液的目的，因此可广泛用于废水处理、
天然水淡化、海水浓缩制盐、有机酸发酵液脱盐及医药、食品行业中。传统电渗析可以显著提高乳酸的产率，产品浓度高。然而CED在精制乳酸的过程存在膜污染问题，且在分离过程中，微生物细胞会附着到膜上，导致膜两边的电阻增大，降低了电渗析效率。为了更好的分离乳酸，研究人员提出了一种双极膜电渗析（EDBM）技术，可以实现从有机酸盐到有机酸的转化，而不需要另外加酸，不产生任何酸碱盐废液。Bailly、Lee、Madzingaidzo等人提出并研究了CED-EDBM两步电渗析法分离乳酸的工艺，为避免发酵液中微生物细胞对膜的影响，在电渗析前微滤和纳虑除杂，乳酸盐首先采用CED浓缩，进而用EDBM转化为乳酸。总的来说，电渗析法分离乳酸有着显著的优势，其过程机理，工艺条件，抗污染的高质量的膜是未来研究的关键和方向[13]。
2.4.2.6分子蒸馏法
分子蒸馏技术作为一种高效的分离技术，是依靠不同物质分子运动平均自由程的差别而实现物质分离，在高真空条件下进行的连续分子蒸馏过程，适合分离高沸点、高黏度、易氧化、热敏性及具有生物活性的混合物。许松林等人研究了两步法分子蒸馏分离乳酸，其显著的优点是，蒸馏前乳酸发酵液不需要进行其它脱水及脱色方法处理，就可以得到高纯度的L-乳酸。天津大学董海波[8]研究了利用离心式分子蒸馏技术提纯乳酸，其实验结果证明离心式分子蒸馏可以高效的制备高纯度L-乳酸，其产品纯度高达91%，且发酵液经过滤后无需脱水而直接酸解。但是分子蒸馏技术存在着设备投资大、收率低，工艺设计关键参数不完善等问题，还不能应用于工业规模化生产[7]。
2.4.2.7离子交换法
离子交换(Ion exchange resin, IER)是利用离子交换树脂的可交换离子与溶液中带电的溶质分子进行交换，从而达到分离纯化混合物的目的，其主要依赖电荷间的相互作用，利用带电分子中电荷的微小差异进行分离，其机理和过程等方面均与化学吸附相似。19 世纪首次在油实验中发现了阳离子交换现象。20 世纪，化学家 Gens 研究了利用离子交换技术处理软化水及蔗糖除钙。1935 年，Adams 和 Holmes 合成了酚醛型离子交换树脂。离子交换技术已经由最初仅应用于水处理行业，发展到目前的化工、电子、电力、食品加工、环境科学和医疗药物等行业[13]。
目前，离子交换技术具有分离速度快、交换容量大、选择性高、分离效果好及对环境无污染等显著的优点，已经广泛应用于生物、医药及食品行业中。如糖类的纯化分离、吸附柠碱、分离制备木糖醇、去除金属离子、提取有机酸[12]等。国内外对离子交换技术在乳酸方面的应用做了大量的研究。
离子交换树脂是离子交换法的关键，在对发酵液中乳酸的分离中，由于所要分离的主要是乳酸和残糖的混合溶液(这两者由于分子大小相近，均同时通过超
滤膜而不能得到分离)，因而所选用的树脂必须对乳酸有较高的选择系数，即在对乳酸有较高交换容量和较快交换速度的同时，应尽量不吸附残糖。美国 Purdue 大学的 Lee 及 Tsao 首先将 PVP 树脂用于乳酸发酵和分离过程，取得了良好的效果。Kulprathipanja获得了用阴离子聚吸附剂从发酵液中分离乳酸的专利。Srivastava 等人采用离子交换树脂提取乳酸发酵液。Vaccari 等人采用阴离子树脂 IRA-420 从澄清的发酵液中分离乳酸。Gonzalez等人提出了在离子交换基础上进行两步法乳酸精制的新工艺。Cao 等在pH 值高于和低于 pKa（3.86）的情况下分别研究了阴离子交换树脂 IRA-400从发酵液中分离提取乳酸的情况。在 pH 为 5.0 时，用 50%的甲醇水溶液洗脱，总产率可达 86.21%，在 pH2.0 时，选用水洗脱，总产率可达 92.1%。Tong [23]等用纸浆发酵生产乳酸，采用弱碱性阴离子交换树脂 IRA-92 分离乳酸，经过操作条件优化可使得率达到 82.6%。陈碧娥采用 732 阳离子交换树脂从米根霉发酵液中直接提取 L-乳酸，提取率达 70%以上。周丽亚等对乳酸铵发酵液提取乳酸过程进行了研究，包括活性炭脱色、超滤膜除蛋白、离子交换树脂除盐等工艺，最后乳酸收率达 65.8%。郑辉杰等通过树脂选型，选用弱阴离子树脂 D301G 和 D311 从发酵液中提取乳酸，研究过程中对时间、发酵液浓度、转速、pH 等影响因素加以系统考察。通过单级工艺研究最佳操作条件为：时间 3h、发酵液浓度 86.0g/L、pH3，此时交换容量 237mg/g。何姗等人对固定床吸附法提取发酵液中乳酸的工艺条件优化，得到单级工艺最佳操作条件和穿透曲线，交换容量达 193mg/g[14]。3. 研究的基本内容与计划
研究内容：
1.凝结芽孢杆菌发酵生产乳酸。
2.选取合适的树脂，研究不同的树脂对乳酸的最大吸附量，吸附等温曲线等数据，并建立模型。
4. 研究创新点
4.1预期研究成果
1.得到不同的树脂对乳酸的最大吸附量，吸附等温曲线等数据。
2.测定不同树脂、洗脱液的解吸曲线，找到合适的树脂洗脱液。
