钙盐提取液的提取方法研究进展

钙盐提取液的提取方法研究进展

硫酸（lac-acid）的学名是氨基丙烯酸，从旋光性可分为l-草甸酸、d-草甸酸和l-草甸酸。乳酸是一种重要的有机酸,乳酸及其衍生物广泛应用于食品、医药、饲料和化工等领域,由于人体只能代谢L-乳酸的酶,D-乳酸不能被人体吸收,世界卫生组织提倡使用L-乳酸作为食品添加剂和内服药品,取代目前普遍使用的DL-乳酸。用L-乳酸生产的聚乳酸(PLA),可替代PVC、PP等石油原料生产的化工品作包装材料等,具有聚苯乙烯相似的光泽度和加工性能,另外由于PLA具有良好的生物相容性,可广泛应用于医用材料,如药物缓释材料、组织工作材料、手术缝合线、骨折固定等,被认为是最具发展前景的生物可降解材料。因此具有广阔的发展前景,但降低L-乳酸的生产成本,生产高质量低成本的L-乳酸则是其中的关键。微生物发酵是目前L-乳酸生产的主要方法,由于乳酸发酵过程中产生的乳酸使得发酵液pH值降低,阻碍了发酵过程的进行,因此往往会加入碱(石灰)或氨水中和沉淀,然后经硫酸酸化制得乳酸。这一生产工艺包括酸解、沉淀、过滤等过程,需要消耗大量酸碱,劳动强度大,形成大量废液、废渣污染环境,制约乳酸行业的可持续发展,因此如何提高乳酸的生产效率和减轻对环保的压力成为具有重要意义。本文重点介绍几种L-乳酸新型提取精制方法,包括色谱分离技术、双极膜电渗析技术、纳滤膜和分子蒸馏技术、萃取技术。1葡萄糖和乳酸的分离和利用最佳条件是受色谱技术在柠檬酸已经得到工业化应用,乳酸上鲜见报道,实际上色谱分离技术在乳酸生产中的应用也比较广泛。徐佳妮等［1］通过模拟发酵液中乳酸和葡糖糖的比例,考察固定相、流动相浓度、温度、流速等因素对乳酸和葡萄糖分离的影响做了研究,发现葡萄糖和乳酸的分离度随着固定相上羧酸基含量增加,先上升后下降,当羧酸基含量小于30%时,实现完全分离;随着孔容的增加,葡萄糖和乳酸与固定相的吸附作用增加,有利于两者的分离,固定相的孔容在0.8~1.0之间,葡萄糖和乳酸的分离最佳。以盐酸溶液为流动相对葡萄糖和乳酸的分离优于以水为流动相,但是盐酸五人比较严重且对系统有很大腐蚀性;温度对葡萄糖和乳酸的分离影响很小,50°的温度差距对分离偏差只影响3%;流速对葡萄糖和乳酸的分离影响很大,当流速在0.1mL/min和0.2mL/min时葡萄糖和乳酸的分离效果最好。本公司采用顺序式模拟移动色谱技术从乳酸发酵酸解液中纯化乳酸的生产工艺。采用阴阳树脂离子交换法,通过阴离子树脂自身碱型与盐型的转换过程,采用模拟移动树脂的多级离子交换分离装置从乳酸发酵酸解液中一步分离浓缩得到乳酸。多级分离提浓段乳酸的收率可达95%~98%,L-乳酸的纯度>99%。乳酸收集液的浓度为20%以上,可直接进行浓缩生产高浓度乳酸产品。2双极膜电渗析分离发酵液双极膜电渗析技术［2］是在离子交换基础上发展起来的一种高效膜分离技术,其基本依据是离子在电场作用下的定向运动和离子交换膜的选择透过性,以及双极膜特有的水解产生H+、OH－的能力.在此法中同时还有配套使用的阴膜和阳膜.阳膜通常含有带负电的活性基团,能透过阳离子,阴离子则受到阻挡;而阴膜通常含有带正电的活性基团,能透过阴离子,但排斥和阻挡阳离子.这就是离子交换膜的选择透过性.双极膜因其由阴阳膜缔合而成,所以兼具阴阳膜的特性;同时产生了新的特性:在电场作用下能解离水,产生H+和OH－。徐芝勇等［2］正在从事这方面的研究,但由于双极膜价格贵,设备一次性投入很大,因而在大规模生产上还不是很普及.所以若能在双极膜本身的生产方面有所突破,那么双极膜电渗析技术在有机酸生产中的应用前景将会非常乐观。从1995年后,在美国、意大利、日本、法国和德国等都纷纷建立了双极膜电渗析法生产有机酸或氨基酸的工厂［3］欧洲EURODIA技术公司10年前在中国推广,由于上游发酵技术不成熟且电渗析法能耗较大,5000t乳酸厂工业化生产不正常。目前国内大多还只停留在实验研究阶段。Nispen4在1989年,发明了一种用双极膜从发酵液中提取和纯化乳酸的方法.Hábová等进一步改进,采用两步法从发酵液中分离乳酸,并对影响结果的条件进行了大量的研究,最佳结果是:第一步用普通电渗析(ED)浓缩乳酸盐达到175g/L,第二步再用双极膜电渗析转化乳酸,使含量达到151g/L。LiHong等［10］直接制作了一个双极膜电渗析生物反应器,整合在发酵设备中,实时提取生成的乳酸.生物反应器还备有自动pH传感器,在不另加碱的情况下,就能自动调节好pH.另外还发现通过这样的生物反应器及时地分离乳酸,降低了发酵的产物抑制,提高了乳酸的产出率。李娟等［5］对双极膜电渗析分离发酵液中L-乳酸进行了研究,采用三室型双极膜电渗析装置将发酵液中的L-乳酸钠转化为L-乳酸。采用去除菌丝体后的L-乳酸发酵液为分离体系,在最优操作条件下(流速40L/h,电压15V)对2L的100.25g/L乳酸钠发酵液进行分批重复电渗析处理。结果表明:整个过程的转化率为81.22%,损失率为1.5%,能耗为0.81kW·h/kg,电流效率为91.8%,得到的L-乳酸质量浓度可达144.31g/L.电渗析残液补糖后可回到发酵罐中用于发酵生产L-乳酸。何巧力等［6］在对双极膜分离发酵液乳酸做了研究,采用双极膜和阴离子交换树脂交替排列组成的二隔室(淡化室和浓缩室)电渗析器进行乳酸分离,在直流电场的作用下,淡化室乳酸根离子通过阴膜到达浓缩室并受到双极膜的阻碍停留在浓缩室,从而达到乳酸分离的目的。在操作电压14V,进料浓度0.3mol/L,进料浓度比为3时,乳酸回收效果最好、电流效率最高。采用双极膜电渗析技术可以浓缩发酵液中的有机酸,可以除去发酵液中的无机盐离子.对于发酵产物为有机酸盐的,还可以实现从有机酸盐到有机酸的转化,而不需要另外加酸,也不产生任何酸碱盐废液.因此能够减少环境污染,降低化工原料和能源消耗,具有显著的工业应用价值和环境效益.同时因其产品回收率高、纯度高,而由此导致的产品质量提高所带来的经济效益值得研究推广。3乳酸的l-乳酸分离分子蒸馏［7］(moleculardistillation)也称为短程蒸馏,是在高真空度条件下进行的非平衡连续蒸馏过程,适合于分离低挥发度、高相对分子质量、高沸点、高粘度、热敏性和具有生物活性的物料。目前在医药食品、精细化工等行业应用比较广泛,其在乳酸生产过程中的应用目前也很普及。郑弢等［7］研究了用分子蒸馏方法对L-乳酸进行精制的工艺。粗乳酸不需要进行其他脱水及脱色方法处理,只需通过2次分子蒸馏,即可得到高纯度的L-乳酸。考察了操作过程中蒸馏温度、进料速率、刮膜器转速等对L-乳酸收率及纯度的影响。王甲卫等［8］用分子蒸馏法分离发酵液中的乳酸,以预处理后乳酸发酵液为对象,用分子蒸馏法来进行乳酸的分离提纯,在pH值为2、温度为80℃、进料速率为150~180mL/h、真空度在20~80Pa下得到了纯度为96%、耐热15min的乳酸,同时分析了乳酸的其它几项指标并做了乳酸产品及标准品的质谱图对比.分析的指标中,完全达到GB2023-80对乳酸的质量规定,并且乳酸产品与标准品的质谱图吻合很好。孙波等［9］以发酵液中的乳酸为原料,采用离心式分子蒸馏设备进行精制。研究了离心式分子蒸馏设备的蒸发面温度、蒸发面转速、冷热面间距、冷热面温差对L-乳酸纯度和收率的影响,试验结果表明利用离心式分子蒸馏设备精制发酵L-乳酸的最适工艺条件为:压力0.1Pa,进料温度50~70℃,蒸发面温度60~75℃,蒸发面转速700~900r/min,冷热面间距20~30mm,冷热面温差40~45℃,在此条件下操作L-乳酸的纯度由80%提高到95%,收率为70%。用分子蒸馏技术分离L-乳酸,工艺简单,步骤少,但一次性投资比较大。分子蒸馏技术是分离高品质L-乳酸的一种有效工艺。AntoineBouchouxetc［10］研究了在乳酸生产纳滤膜DK的使用和性能,同时对乳酸的回收率和纯化效率进行了报告。纳滤可有效地去除钙、镁离子从发酵液中的乳酸钠在电渗析浓度和转换。在最大的膜压差下拦截了最大的杂质和回收了乳酸。Mg2+和Ca2+的拦截分别为64±7%和72±7%,分别和乳酸的回收率达到25±2mol。硫酸和磷酸根离子也部分被除去(40%拦截)。不利的是氯离子通过膜保留了下来,因此更多的集中在渗透层。纳滤也几乎脱去了发酵液的全部色度。另一方面,硫酸盐和磷酸盐的拦截率分别达到了47±5和51±5%。在此状态下的回收率很高,达到48±2mol。结果表明,纳滤可以作为生产工艺中最后的纯化步骤。PolomE,SzaniawskaD［11］研究对低浓度乳酸中杂质拦截的最佳条件范围。如交叉流速度的操作参数的影响,pH值对溶液穿过膜的压力差和乳酸浓度的进料溶液对乳酸排斥反应等。随着料液中乳酸含量的增加,低排斥通过降低流速和穿过膜的压力差及固定PH值仍可保持高的截留率。实验数据表明,在适当的操作参数下,纳滤膜可以作为分离介质实现去除乳酸中的杂质。本公司采用纳滤膜和分子蒸馏技术相结合的方法生产L-乳酸。此技术的要点为:1.选择合适孔径的膜去除发酵残留的糖及大分子杂质,对于膜孔径的选择主要依据乳酸发酵的主要残留物,正常情况下发酵残留为多糖类、蛋白质、二价和多价盐等大分子杂质,所以我们先采取纳滤膜进行预过滤;2.利用分子蒸馏去除发酵产生的小分子有机酸等杂质,达到纯化乳酸的目的。经过纳滤膜后,乳酸中只有少量的小分子杂质残留,利用分子蒸馏可有效去除此类杂质,L-乳酸纯度达到99%,收率90%左右。4乳酸的反萃和分离萃取技术在乳酸生产中的应用,已经报道过应用TOPO(三正辛基氧化膦)、TBP(磷酸三丁酯)、高相对分子质量的烷基化胺和季铵盐,作为萃取剂来萃取有机酸,在他们的研究中,亲水性的有机酸如乳酸在以上所提到的萃取剂中的萃取率都比较低。王甲卫等［12］以L-乳酸发酵液为对象,以正丁醇为萃取剂,在pH值为2、温度为25℃、n(乳酸)∶n(正丁醇)=1∶1、乳酸在发酵液中的质量分数为30%时,经3次萃取后,最终的萃取率可达到75.7%。萃取完成后,不需要将乳酸进行反萃,可将所得到的正丁醇与乳酸的混合体系作为底物进行酯化反应,生成乳酸丁酯,从而避开提取纯乳酸的高操作要求。陈敏［13］采用非常规介质培养微生物细胞,溶剂选择至关重要,根据相容性原则,油醇的相容性较好,但对乳酸的萃取能力却比较小,如果直接加入培养基中最终并不能提高产酸率。三辛胺的萃取能力较好,但在饱和状态中对乳酸菌生长的毒性较大。研究结果表明,在油醇中加入三辛胺组成复合溶剂用于乳酸发酵效果较好,它能将乳酸从水相中萃取出,同时对乳酸菌的毒性又较小。魏搏超等［14］研究了一种利用盐析萃取法分离发酵液中乳酸的新方法.通过系统考察乳酸在不同盐析萃取体系中的分配规律,发现K2HPO4－甲醇和K2HPO4－乙醇体系适合分离发酵液中的乳酸.发酵液中乳酸浓度为167g/L时,采用25%(质量分数)K2HPO4－26%甲醇盐析萃取体系,乳酸的分配系数和回收率分别为4.01%和86.0%;采用14%K2HPO4－30%乙醇盐析萃取体系,乳酸的分配系数和回收率分别为3.23%和90.6%.此时上相中残余葡萄糖、菌体和可溶性蛋白的去除率分别达67.3%,100%和85.9%。ChoudhuryB［15］,比较了TOA和Aliqua