乳酸作為聚乳酸合成單體和一種重要的有機酸,其市場需求不斷擴大,用途愈加廣泛,可應用于食品、醫藥、醫用高分子材料、化工工業等領域。
目前工業上多采用微生物發酵法生產乳酸,以淀粉(如玉米粉、大米粉、紅薯粉等)、葡萄糖等糖類為原料,接種微生物(如米根霉、乳酸菌類等),通過發酵生成含乳酸或乳酸鹽的發酵液,再經分離提取得到乳酸產品。
發酵過程中,乳酸的生成會使發酵體系PH值降低,從而抑制菌體的正常生長和產酸,需要通過添加酸中和劑如碳酸鹽或氫氧化物(如CaC03、Na0H、氨水等)來控制發酵體系的pH值,使發酵過程得以順利進行。
乳酸發酵液是一種成分非常復雜的混合物,除含有乳酸外,還有大量的菌體及碎片、蛋白質、殘糖、色素、無機鹽、發酵副產物以及未轉化的淀粉等雜質,而它們多來源于原料、未消耗完全的培養基及發酵的中間副產物。這些雜質的存在為乳酸后續的分離、精制帶來了很大的困難,而在實際的生產中,乳酸的提取成本也占到了總生產成本的50%-60%。
因此乳酸的分離提取就變得尤為重要,它是制約乳酸生產過程中的技術瓶頸和難點所在。尤其是蛋白、糖類、無機鹽在乳酸提純過程中難以被脫除,它們的存在會使得后續的精制過程(如分子蒸餾)難以進行,所得乳酸產品收率低,產品品質也不高。
從發酵液中提取乳酸的主要方法有鈣鹽法、萃取法、吸附法、酯化法及膜分離法等,考慮到生產成本、環境污染及生產穩定性等問題,目前工業化生產大多采用鈣鹽法,即乳酸鈣結晶-酸解工藝。該工藝流程為:首先對發酵液中的乳酸鈣進行濃縮結晶,接著加入硫酸進行酸化、加入活性炭脫色后,將含有乳酸的脫色液進行超濾處理,除去其中的部分糖類和大分子化合物等,再經陰、陽離子交換樹脂脫除其中的雜質離子,濃縮,最后經分子蒸餾即可得到精制后的成品乳酸。該工藝相對成熟、設備簡單,存在的主要問題有離子交換過程消耗大量的酸堿,并產生大量的廢水,且整個工藝乳酸損失量大、收率低,所得產品純度低,達不到聚合級質量指標要求。
為了解決以上乳酸分離提取過程中乳酸損失量大、收率低、純度低、污染嚴重、能耗大、工藝繁瑣以及不能連續化生產等問題,鄭州天一萃取采用新型離子溶劑將粗乳酸溶液中的乳酸通過耦合吸附提取,使乳酸與水和其它雜質進行了有效分離,再利用溶劑的熱敏效應將乳酸與溶劑分離。該工藝技術特點如下:
(1)效率高:耦合吸附分離后原液中乳酸殘存濃度較低;
(2)選擇性強:只吸附乳酸及其極性相同物質,不吸附其它物質;
(3)生產成本低:由于耦合吸附分離在常壓下進行,不需要消耗其它原材料;
(4)分離質量高:產品質量指標達到和部分超過國際同類產品水平;
(5)生產工藝流程簡化;
(6)勞動條件和生產環境明顯改善。
采用天一萃取溶劑萃取法提純乳酸,最終得到的產品收錄高、產品品質好,熱穩定性好,各項指標均合格且優于國標要求。