乳酸生产的工艺原理

乳酸是一种多用途的精细化学品，可广泛用于食品，制药，制革，纺织·环保和农业中。在食品工业中，乳酸是一种重要的酸味剂和反腐剂。在美国，乳酸在软饮料方面很大程度上取代了柠檬酸·磷酸等，在啤酒制造中所用的磷酸已经全部改用乳酸。在医疗工业中，乳酸可以直接制成药品或制成乳酸盐类，内服可用于肠内消毒，外用可以作为收敛性杀菌剂。利用乳酸亲水性的特点将其和难溶性药物结合，可以增加人体对药物的吸收。乳酸的作用这么大，世界各国都在使用各种方法来合成乳酸。常见的生成方法有以下几种。

1、发酵法

　　发酵法的主要途径是糖在乳酸菌作用下，调节pH值5左右，保持大约50ºC发酵三到五天得粗乳酸。  

　　发酵法分同型发酵和异型发酵。 

2、合成法

　　合成方法制备乳酸有乳腈法、丙稀腈法、丙酸法、丙稀法等，用于工业生产的仅乳腈法(也叫乙醛氢氰酸法)和丙稀腈法。 

　　（1）乳腈法 

　　乳腈法是将乙醛和冷的氢氰酸连续送入反应器生成乳腈（或直接用乳腈作原料），用泵将乳腈打入水解釜，注入硫酸和水，使乳腈水解得到粗乳酸。然后再将粗乳酸送人酯化釜，加入乙醇酯化，经精馏、浓缩、分解得精乳酸。 

　　（2）丙烯腈法 

　　丙烯腈法是将丙烯腈和硫酸送入反应器中水解，再把水解物送人酯化反应器中与甲醇反应；然后把硫酸氢铵分出后，粗酯送入蒸馏塔，塔底获精酯；再将精酯送入第二蒸馏塔，加热分解，塔底得稀乳酸，经真空浓缩得产品。 

　　（3）丙酸法 

　　丙酸法以丙酸为原料，经过氯化、水解得粗乳酸；再经酯化、精馏、水解得产品。反应如下： 

　　CH3CH2COOH Cl2一→CH3CHClCOOH NaOH—→CH3CH(OH)COOH NaCl 

3、酶化法

　　（1）氯丙酸酶法转化 

　　利用纯化了的L-2-卤代酸脱卤酶和DL-2-卤代酸脱卤酶分别作用于底物L-2-氯丙酸和DL-2-氯丙酸，脱卤制得L-乳酸或D-乳酸。L-2-卤代酸脱卤酶催化L-2-氯丙酸，而DL-2-卤代酸脱卤酶既可催化L-2-氯丙酸，又可催化L-2-氯丙酸生成相应的旋光体，催化同时发生构型转化。 

　　（2）丙酮酸酶法转化 

　　从活力最高的乳酸脱氢酶的混乱乳杆菌DSM20196菌体中得到D-乳酸脱氢酶，以无旋光性的丙酮酸为底物可得到D-乳酸。 

目前工业生产乳酸方法主要是发酵法和合成法。发酵法因其工艺简单，原料充足，发展较早而成为比较成熟的乳酸生产方法，约占乳酸生产的70以上，但周期长，只能间歇或半连续化生产，且国内发酵乳酸质量达不到国际标准。化学法可实现乳酸的大规模连续化生产，且合成乳酸也已得到美国食品和药品管理局(FDA)的认可，但原料一般具有毒性，不符合绿色化学要求。酶法工艺复杂，其工业应用还有待于进一步研究。

下面介绍几种乳酸合成机制；

（1）细菌生物合成乳酸机制

   按照细菌在发酵过程中生成产物类型的不同，可以将乳酸发酵分为同型发酵和异型发酵两大类型。同型乳酸发酵是葡萄糖经糖酵解途径降解为丙酮酸，丙酮酸在乳酸脱氢酶的催化下还原为乳酸。

      　葡萄糖一→丙酮酸—→乳酸

   在此发酵过程中，1 mol葡萄糖可以生成2mol乳酸，理论转化率为100%。单由于发酵过程中微生物有其他生理活动存在，实际上转化率不可能达到100%。一般认为转化率在80%以上者，即视为同型乳酸发酵。

异型乳酸发酵除了生成乳酸外，还生成二氧化碳和乙酸，其生物合成途径分为6-磷酸葡萄糖酸途径和双歧途径两种。

葡萄糖-6-磷酸途径是某些乳酸细菌利用HMP途径，分解葡萄糖为木酮糖-5-磷酸，然后经磷酸酮解酶催化裂解反应，生成甘油醛-3-磷酸和乙酰磷酸。乙酰磷酸进步生成乙酸，而甘油醛-3-磷酸经糖酵解途径后半部分转化为乳酸。

  发酵反应为；

          葡萄糖+ 氧气—→乳酸+乙酸+二氧化碳+水

此发酵过程中，1mol葡萄糖可以生成1mol乳酸，1mol二氧化碳和1mol乙酸。乳酸对糖的转化率只有50%。

双气途径是双歧杆菌发酵产生乳酸的一种途径。

其发酵反应式为；

     2mol葡萄糖—→2mol乳酸+3mol乙酸

此发酵过程中，1mol葡萄糖可以生成1mol乳酸和1.5mol乙酸。乳酸对糖的转化率只有50%。

（2）米根霉发酵乳酸机制

米根霉能产生淀粉酶和糖化酶，它能利用糖，也可以利用淀粉或淀粉质原料直接发酵成L-乳酸。米根霉在生成乳酸的同时伴随着产生乙醇，苹果酸，乙酸等代谢产物。若在好气条件下合理添加营养盐和微量金属元素，异型乳酸发酵可转变为同型乳酸发酵，只产生L-乳酸，此时的糖酸转化率接近乳酸细菌的同型乳酸发酵。目前国内外采用的经选育的高产L-乳酸的米根霉。

其反应式为：

        2mol 葡萄糖—→3mol乳酸+1mol乙醇+1mol二氧化碳