乳酸提取和精制技术研究进展

王浩 崔耀军 顾永华

摘 要：本文介绍了当前乳酸提取和精制技术进展现状，对结晶分离技术、萃取技术、酯化水解技术、分子蒸馏技术、色谱分离技术、膜分离技术、电渗析分离技术等主要提取和精制技术在乳酸规模化生产应用中的优缺点进行了讨论，并对乳酸提取精制技术的前景进行了展望。

关键词：乳酸 提取 精制

乳酸又称为2-羟基丙酸，主要是以淀粉生物质为原料经微生物发酵或采用化学合成法制取，广泛应用于食品、医药、化工、新材料、饲料等诸多重要产业领域。提高乳酸、聚乳酸等产品的生产技术水平是我国“十二五”科学和技术发展规划重点支持的领域。

以乳酸为原料制备聚乳酸、丙酮酸（PA）等乳酸下游产品，乳酸产品质量和价格对下游产品收率和成本有着决定性影响，这是当前聚乳酸及其它乳酸下游产品未能广泛推广的一个主要因素。现有乳酸生产技术多为发酵法生产，乳酸发酵料液蒸发-酸解-脱色-离交-浓缩-成品这一提取工艺一直在乳酸提取技术中占据主流地位，为提高乳酸产品质量，满足使用需求，目前我国主要采用分子蒸馏、膜过滤等方法对乳酸成品进行再加工，国外先进乳酸制造企业采用色谱分离法取代乳酸酸解后的脱色和离交工艺。现就近年来乳酸最新提取和精制技术的主要进展和新的发展趋势进行简要分析。

1 结晶分离技术

以前我们所提的乳酸结晶分离技术是指乳酸钙结晶-酸解工艺。本文所提的乳酸结晶分离技术是最近正在研究的乳酸成品结晶分离技术。该技术是乳酸成品在一定的温度、浓度等条件下实现结晶，其晶体乳酸经过分离、融化制得高纯度产品，分离的母液进行循环结晶。L-乳酸（当前市场上主要乳酸产品，光学纯度98%以上，化学纯度95%以上）经过结晶分离制得的产品经检测，光学纯度（L-乳酸占总乳酸的含量）≥99.5%，化学纯度（L-乳酸占总酸的含量）≥97%，色度<25APHA。由于L-乳酸的光学纯度主要受发酵菌种决定，精制提取技术很难对其提升，而结晶分离技术可以对L-乳酸光学纯度进一步提升。因此，该技术相比较其它同类产品工业化技术，在产品光学纯度方面可达到世界领先。该技术的乳酸收率约为60%，尽管结晶分离出的母液可以循环再制成普通乳酸，但成本仍是该技术面临的主要难题。在高端乳酸产品工业化生产技术方面，结晶分离技术将是研究的热点。

2 萃取技术

萃取技术是依据相似相溶的原理，采用适当的溶剂加入发酵体系将乳酸萃取到萃箱进行分离提纯的一种方法。发酵与萃取耦合的原位分离技术是目前报道最先进的发酵提取技术，在发酵的同时通过添加萃取剂将乳酸从发酵体系中萃取出来，在简化了发酵过程的同时消除了产物抑制，提高了发酵转化率[1]。但一般萃取剂大多具有一定的毒性，影响发酵菌种的活性，且生产过程不易控制，该技术目前仅停留在实验室阶段。从乳酸发酵结束后的发酵液中萃取乳酸是现在研究最热的提取技术之一，萃取剂采用正丁醇、三正辛基氧化膦、磷酸三丁酯以及胺类物质等均已有报道，但存在收率低、萃取剂残留等问题，特别是这些报道的反萃取过程不能直接得到乳酸，只能得到乳酸盐或者乳酸衍生物类，致使该技术难以工业化应用。目前有研究采用复合萃取剂提取乳酸酸解料液中的乳酸，反萃取通过热水可以直接提取出乳酸，该技术若能成功实施工业化，将是我国乳酸提取技术的一大进步。尽管萃取技术提取的乳酸成品质量与分子蒸馏、色谱分离以及结晶分离等技术有着些微差距，但它以乳酸酸解料进行，具有无可比拟的成本优势。应用萃取技术的关键是寻找无毒、高效、可实现温差反萃、经济可行的萃取剂，以及高效的从有机相中直接分离出乳酸。

3 酯化水解法

酯化水解法在1946年就有文献[2]报道，乳酸或乳酸钙在催化剂的作用下，与低级醇反应生成酯，蒸馏出乳酸酯进行水解制得高纯度的乳酸。但受反应平衡限制，收率低，难以实现工业化应用。目前有研究在对酯化水解法进行改进，原料采用无毒廉价的乙醇，环己烷作带水剂，在安全环保方面实现了突破。催化反应和渗透汽化等过程集成技术[3]的出现，也为乳酸酯化水解法提供了一项选择，只要解决了收率和成本问题，乳酸酯化水解法可实现规模化推广。

4 分子蒸馏技术

分子蒸馏是一项较新的尚未广泛应用于产业化生产的分离技术，能解决大量常规蒸馏技术所不能解决的题目。分子蒸馏是一种特殊的液-液分离技术，能在极高真空下操纵，依据分子运动均匀自由程的差别，实现的非平衡连续蒸馏过程，能使液体在远低于其常压沸点的温度下将其分离，特别适用于高沸点、热敏性及易氧化物系的分离。目前河南金丹乳酸科技股份有限公司已经成功实现分子蒸馏工业化生产乳酸，其设备的极限真空度达到绝压10pa（负载时的真空度），整体设备达到小于0.1mbar L/s的泄漏率（相当于整套装置每小时吸入只有4.2g的空气）。分子蒸馏技术分离乳酸工艺简单、步骤少、产品纯度高，但一次性投资比较大。

5 色谱分离技术

色谱分离技术又称层析分离技术或色层分离技术，是一种分离复杂混合物中各个组分的有效方法。目前已经得到应用的是通过阀切换技术改变模拟移动床的固定相逆向移动，在L-乳酸提取上具有分离效率高、选择性好等优点。但存在当被分离物极性相差较小时分离效果不好，即L-乳酸和其它杂酸不易分离，洗脱时使用溶剂较多，树脂消耗高等问题，在国内该技术多用在实验室或小批量生产上。目前荷兰purac公司采用该技术已实现工业化提取乳酸。

6 膜分离技术

膜分离[4]是以选择性透过膜为分离介质，在膜两侧一定推动力的作用下，使原料中的某组分选择性地透过膜，从而使混合物得以分离，以达到提纯、浓缩等目的的分离过程。膜分离法能够在一定程度上提高L-乳酸产品的质量，具有能耗低、节约资源、易自控和维修、易于放大等优点[5]。国内多数乳酸生产企业采用此方法制备优质级乳酸产品。但膜成本高、膜通量衰减和膜污染的问题是限制该技术推广的主要因素。

7 结束语

随着食品、医药、化工、新材料等行业对乳酸产品的品质要求越来越高，尤其是聚乳酸材料的应用和发展，对其单体原料乳酸的品质提出了更高的要求，乳酸行业迫切需要对产品的提取和精制技术进行更新换代。寻求更为经济、有效的乳酸提取和精制方法，提高产品的质量，降低生产成本，适应大规模生产需要，已成为我国乳酸行业中迫切需要解决的问题。尽管目前很多新技术还处于研发阶段，需要不断的完善和改进，但随着研究的不断深入和提高，高质量、高收率、低物耗、低能耗、无污染的乳酸提取和精制技术必将得到广泛应用。

参考文献

[1] 秦炜，戴猷元.有机酸萃取发酵过程的研究进展[J].现代化工，2000，20（4）：14-17.

[2] Filachione E M，Fisher C H. Purification of lactic acid：production of methyl lactate from aqueous solutions of crude acid [J].Ind.Eng.Chem.，1946，38（2）：228—232.

[3] 李雪辉，王乐夫，孙琳.渗透汽化一酯化反应耦联膜过程动力学模型 [J] .化工学报.2000，51（2）：210-214.

[4] 刘家祺编著.分离过程与模拟[M].北京：清华大学出版社，2007，（4）：263-265.

[5] Radecki P P，Crittenden J C，Shonnard D R，et a1.Emerging separation and Separative reaction technologies for process waste reduction[M].New York：American Institute of Chemical Engineers，1999，111-118.