乳酸发酵工艺ppt课件.ppt

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1、乳酸发酵工艺3.1 概述概述3.1.1乳酸发酵简史乳酸发酵简史3.1.2 乳酸的性质乳酸的性质3.1 概述概述 3.1.1乳酸发酵简史乳酸发酵简史 （1）国外发展过程：国外发展过程：1780年年 席勒（席勒（Scheele）,从酸乳中提炼制得乳酸。从酸乳中提炼制得乳酸。1857年年 巴斯德（巴斯德（Pasteur）,发现使牛乳变酸的乳酸菌。发现使牛乳变酸的乳酸菌。1878年年 李斯特，成功地分离出乳酸细菌，命名为乳杆菌，即今天李斯特，成功地分离出乳酸细菌，命名为乳杆菌，即今天的乳链球菌。为纯种培养乳的乳链球菌。为纯种培养乳 酸菌、进行工业化生产奠定基础。酸菌、进行工业化生产奠定基础。1881年

2、年 Charles E.Avery公司，公司，采用纯种发酵工业化生产乳酸。采用纯种发酵工业化生产乳酸。1894年年 EijKman，发现鲁氏毛霉产少量乳酸。发现鲁氏毛霉产少量乳酸。1911年年 斋藤，斋藤，采用华根霉生产采用华根霉生产D乳酸。乳酸。19171918年年 赤木，赤木，采用德氏乳杆菌以甘薯淀粉采用德氏乳杆菌以甘薯淀粉为原料进行工业化生产乳酸。为原料进行工业化生产乳酸。1936年年 Ward，分离获得优良分离获得优良L乳酸产生菌米根乳酸产生菌米根霉，并进行表面培养生产霉，并进行表面培养生产L乳酸，对糖的转化率为乳酸，对糖的转化率为4050，后又提高到，后又提高到6267。1938年年

3、 Ward，采用米根霉在旋转发酵罐中通风，液采用米根霉在旋转发酵罐中通风，液体培养，生产体培养，生产L乳酸，转化率达乳酸，转化率达7075。1950年年 Bernhauer，采用米根霉以葡萄糖为碳源，采用米根霉以葡萄糖为碳源，L乳酸转化率达乳酸转化率达80，淀粉为碳源转化率为，淀粉为碳源转化率为45 48。1982年年 Stenroon等，等，采用海藻酸钙固定化德氏乳采用海藻酸钙固定化德氏乳杆菌，最大转化率达杆菌，最大转化率达97（90以上为以上为D乳酸）。乳酸）。1989年年 Hang等，等，采用米根霉采用米根霉NRRL395以玉以玉米为原料直接发酵生产米为原料直接发酵生产L乳酸乳酸354

4、g/1000 g玉米。玉米。1989年年 Hang等，等，采用海藻酸钙固定化米采用海藻酸钙固定化米根霉孢子生产根霉孢子生产L乳酸，最高产酸乳酸，最高产酸62 g/L，糖，糖转化率达转化率达72。1990年年 KirKovits 等等 采用凝结芽孢杆菌采用凝结芽孢杆菌DSM5169菌株在含糖菌株在含糖190 g/L，酵母膏，酵母膏3 g/L培培养基中，养基中，52 培养培养39小时，生成小时，生成140 g/L L乳酸，其中乳酸，其中L乳酸纯度达乳酸纯度达99.8。（2）国内发展过程国内发展过程：1944年 重庆振元化学药品厂，采用德氏乳杆菌发酵生产乳酸钙。19851992年 无锡第二制药厂、河

5、北秦皇岛乳酸厂、沈阳乳酸厂、银川乳酸钙厂等采用“双酶法处原料，大型发酵罐生产乳酸及乳酸钙。1991年 蒋明株等，采用米根霉发酵L乳酸小试。1991年 刘祖同等，固定化米根霉EL56发酵生产L乳酸。1992年 曹本昌等，分离筛选干酪乳杆菌鼠李糖亚种菌株进行L乳酸发酵。1997年 金其荣等分离选育出产L-乳酸占总酸99.6%米根霉突变株，适用于糖、玉米粉等多种原料。2000年 安徽丰原生化公司引进国外的“工程细菌”进行年产5000吨的L-乳酸发酵生产，产酸达180g/L。（3）乳酸工业的发展）乳酸工业的发展1982年世界乳酸产量年世界乳酸产量2.4 2.8万吨，万吨，1989年增至年增至3.0万吨

6、万吨，其中其中50 60为发酵法生产的，主要是为发酵法生产的，主要是DL型乳酸和乳酸钙。型乳酸和乳酸钙。荷兰、巴西、西班牙、美国、日本都相继扩建和新建了具有荷兰、巴西、西班牙、美国、日本都相继扩建和新建了具有相当规模的相当规模的L-乳酸厂，其中尤以美国为甚，乳酸厂，其中尤以美国为甚，Dow chemical co.和和Cargill两公司已联合完成年产两公司已联合完成年产7000吨聚乳酸的中试吨聚乳酸的中试,并并于于2002年初宣布将投资年初宣布将投资3亿美元建世界上最大的第一套年产亿美元建世界上最大的第一套年产14万吨聚乳酸生产线。万吨聚乳酸生产线。目前世界乳酸产量达目前世界乳酸产量达20万

7、吨每年，其中荷兰万吨每年，其中荷兰purac公司公司10万万吨每年，美国吨每年，美国ADM公司公司6.5万吨每年。根据日本有关专家估万吨每年。根据日本有关专家估计，若干年内世界计，若干年内世界L-乳酸的消费量将达到乳酸的消费量将达到300万吨。万吨。1944年重庆振元化学药品厂，曾以德氏乳杆菌发酵生产乳酸钙，目前我国有十几家生产厂，年生产能力约1314万吨。生产规模最大的是河南郸城金丹乳酸公司，年产8万吨。最近安徽丰原集团公司从比利时引进菌种可达180g/L，新建了年产2万吨的生产线。themegalleryCompany LogoL-乳酸的用途医药医药食品食品农药农药化妆品化妆品化工化工材料

8、材料乳酸糖果、饮料、糖果、饮料、果汁、葡萄酒、果汁、葡萄酒、乳酸钠静脉注射液乳酸钠静脉注射液和肾透析溶液和肾透析溶液饲料添加剂饲料添加剂防腐剂防腐剂保湿及美白保湿及美白乳酸酯乳酸酯树脂溶剂树脂溶剂聚乳酸聚乳酸2.乳酸的用途 乳酸及其衍生物在食品、饮料、医药、工业和聚合物等不同的市场内有广泛乳酸及其衍生物在食品、饮料、医药、工业和聚合物等不同的市场内有广泛的应用。的应用。1.乳酸可加到糖果、饮料、果汁、葡萄酒、和奶制品如酸奶作为增香剂、酸味乳酸可加到糖果、饮料、果汁、葡萄酒、和奶制品如酸奶作为增香剂、酸味剂或者防腐剂，在啤酒生产过程中作调酸剂代替磷酸。剂或者防腐剂，在啤酒生产过程中作调酸剂代替磷

9、酸。2.硬脂酰乳酸盐可作为面包的改良剂。硬脂酰乳酸盐可作为面包的改良剂。3.乳酸钠可用于静脉注射液和肾透析溶液。乳酸钠、乳酸、和其他有机酸的混乳酸钠可用于静脉注射液和肾透析溶液。乳酸钠、乳酸、和其他有机酸的混合物用于化妆品中有助保湿及美白。合物用于化妆品中有助保湿及美白。4.乳酸钙可为乳品饮料添加钙质以及制成药用钙片。乳酸钙可为乳品饮料添加钙质以及制成药用钙片。5.其它乳酸盐如铝、铜、铁、锰、镁和锌等可添加到运动性饮料和保健品中来其它乳酸盐如铝、铜、铁、锰、镁和锌等可添加到运动性饮料和保健品中来补充矿物质。补充矿物质。6.乳酸酯（甲基，乙基、异丙基、丁基、乳酸酯（甲基，乙基、异丙基、丁基、2-

10、乙基己基乳酸盐）可用于化学和电乙基己基乳酸盐）可用于化学和电子工业，及作树脂溶剂用于液晶显示器、可读写磁盘、集成电路和集成电路子工业，及作树脂溶剂用于液晶显示器、可读写磁盘、集成电路和集成电路板的生产过程中。乳酸及其盐也可用于化学法电镀、皮革加工、纺织染色等。板的生产过程中。乳酸及其盐也可用于化学法电镀、皮革加工、纺织染色等。图-2.1 与乳酸发酵有关的优化环境和L-聚乳酸的环境循环聚乳酸的合成 乳酸聚合成聚乳酸的技术，在实验室规模已行之有年，并不稀奇。乳酸聚合成聚乳酸的技术，在实验室规模已行之有年，并不稀奇。简单可分为以乳酸直接缩聚的一步法，及先将乳酸脱水成丙交酯、再开简单可分为以乳酸直接缩

11、聚的一步法，及先将乳酸脱水成丙交酯、再开环聚合的二步法环聚合的二步法(Galotta,2002;Gruber,2004;Henton et al,2005;Mehta,2005)。一步法须一面缩聚、一面脱水，以免乳酸缩聚时产生的。一步法须一面缩聚、一面脱水，以免乳酸缩聚时产生的水分又将聚乳酸降解。但是要将水分从熔融的黏稠聚乳酸中吸出，十分水分又将聚乳酸降解。但是要将水分从熔融的黏稠聚乳酸中吸出，十分困难，目前只有同济大学及三井化学使用一步法聚合困难，目前只有同济大学及三井化学使用一步法聚合(Ajioka et al,1995;Sakashita,2004)，其他公司均使用二步法（图，其他公司均

12、使用二步法（图-2.1）。一步法须）。一步法须较高纯度的乳酸为原料。较高纯度的乳酸为原料。图-2.2 乳酸聚合技术：以乳酸直接缩聚的一步法，及经丙交酯再开环聚合的二步法对比参数对比参数聚乙烯聚乙烯聚乳酸聚乳酸聚氯乙烯聚氯乙烯拉伸强度（拉伸强度（psipsi）延伸性（延伸性（%）固定系数固定系数冲击强度冲击强度硬度硬度比重比重20/420/4抗摩擦抗摩擦DTADTA压缩模塑压缩模塑模塑容易程度模塑容易程度抗气候性抗气候性抗润滑油性抗润滑油性耐溶剂耐溶剂/非溶剂非溶剂耐无机酸耐无机酸耐腐蚀耐腐蚀3000300050005000相当于相当于250250500005000080000800000.30

13、.31 150501.651.651.721.72很好很好-105105175175很好很好好好很好很好耐多数耐多数好好好好320032006 65005008400084000不断裂不断裂87871.261.26很好很好133133125125150150很好很好时好时坏时好时坏很好很好苯，苯，CHCLCHCL3 3/庚烷庚烷醇，醚醇，醚好好不耐不耐150015003500350020020045045050000500001000001000000.40.47 7202076761.161.161.351.35很好很好无无140140175175好好好好很好很好苯，苯，CHCLCHCL3

14、3/庚烷庚烷醇，醚醇，醚-聚乳酸和传统热塑塑料的功能性比较聚乳酸和传统热塑塑料的功能性比较乳酸用途网络图示乳酸工业规模及市场分析乳酸工业规模及市场分析乳酸生产技术研究进展乳酸生产技术研究进展乳酸产业的发展趋势乳酸产业的发展趋势（3）乳酸工业的发展）乳酸工业的发展乳酸工业规模及市场分析全球主要的乳酸生产商和产能普拉克泰国新建的十万吨厂，可扩建到二十万吨设计产能 2007 年全球乳酸市场年全球乳酸市场(不含聚乳酸部分不含聚乳酸部分)约约 26万吨万吨(乳酸溶液和衍生物换算成乳酸溶液和衍生物换算成 100%纯乳酸纯乳酸)。图4-3 各大公司市场占有比例图4-4 全球乳酸市场简介2007年中国国内乳酸

15、行业及市场现况中国中国 20062006及及2007:2007:出口约出口约3 3万吨万吨/年年 (约约1 US$/kg)1 US$/kg)乳酸溶液乳酸溶液及衍生物及衍生物 (未换算成未换算成100%100%乳酸乳酸),),进口约进口约4 4千吨千吨/年。年。20072007国内国内(乳酸发酵乳酸发酵)产能产能:7-8:7-8万吨万吨.国内实际市场销量国内实际市场销量:4-5:4-5万吨。万吨。新建工厂新建工厂:南通道森南通道森1 1万吨万吨(2007(2007年初年初),),葫芦岛胜农利葫芦岛胜农利(凯能凯能)2)2万吨万吨(2007),(2007),宁夏昊凯宁夏昊凯(凯能凯能)3)3万吨万

16、吨(08(08年底年底),),及及重庆博飞重庆博飞1 1万吨万吨(08(08年底年底)。20072007年年闲置乳酸发酵产能闲置乳酸发酵产能:10-15:10-15万吨万吨20092009年会有年会有5-105-10万吨万吨的工厂在河南，湖北，与江西建成。的工厂在河南，湖北，与江西建成。国内乳酸供求情况 国内乳酸市场占有率中国乳酸生产厂所公布的乳酸发酵产能河南金丹河南金丹:产能约产能约6-86-8万吨万吨 D/LD/L乳酸乳酸 (开发开发L L乳酸中乳酸中)安徽丰原格拉特安徽丰原格拉特:产能约产能约3 3万吨万吨L L乳酸乳酸,扩产至扩产至3.53.5万吨万吨 宁夏昊凯宁夏昊凯(及凯能及凯能)

17、:):约约3 3万吨万吨L L乳酸乳酸 (2008(2008年底年底)葫芦岛葫芦岛胜农利胜农利(凯能凯能):):约约2 2万吨万吨L L乳酸乳酸 (2007)(2007)江苏森达江苏森达(原华德原华德):):约约1 1万吨万吨D/LD/L乳酸乳酸 (2006)(2006)重庆博飞重庆博飞:约约1 1万吨万吨L L乳酸乳酸 (2008(2008年底年底)江苏道森江苏道森:约约1 1万吨万吨L L乳酸乳酸(停产停产?)(2007)?)(2007)江西武藏野江西武藏野:约约3-3-千吨千吨 (正加正加D D乳酸或新线乳酸或新线?再建再建2 2万吨万吨?)?)湖南安化湖南安化:约约3 3千吨千吨L L

18、乳酸乳酸山西乐达山西乐达:约约3 3千吨千吨L L乳酸乳酸河北新化河北新化:约约3 3千吨千吨L L乳酸乳酸五粮液五粮液:约约3 3千吨千吨其他其他:肇东兴东肇东兴东,广东高宝广东高宝,江苏昌华江苏昌华,河南永煤，河南永煤，三江固德三江固德(原广水原广水)乳酸衍生物厂正筹建乳酸发酵厂乳酸衍生物厂正筹建乳酸发酵厂中国现有中国现有近近20万吨产能万吨产能,却只有却只有4-5万吨国内市场万吨国内市场,含出口共含出口共7-8万吨市场万吨市场!乳酸生产技术研究进展乳酸生产技术研究进展菌菌 种种光学光学纯纯度度（%）葡萄酒酵母OC-2T T165R嗜氨乳杆菌 ATCC 49845德氏乳杆菌亚种.保加利亚亚

19、种 ATCC11842德氏乳杆菌亚种.德氏乳杆菌 ATCC9649Rhamnosus 乳杆菌 ATCC10863Lactobacillus salivarius.subsp.salivarius ATCC11742Streptococcus bovis 14899.993.09195.094.095.095.086.090.095.6表-5.3 不同乳酸菌所产L-乳酸的光学纯度 原原 料料 菌株菌株 产产量（量（g/L）生生产产速率速率(g/L.h)糖蜜 L.delbrueckii NCIMB 8130 90.0 3.E.faecalis RKY1 95.7 4.0黑麦 L.paracasei

20、 No.8 84.5 2.4高粱 L.paracasei No.8 106.0 3.5小麦 Lactococcus lactis ssp.lactis ATCC19435 106.0 1.0 E.faecalis RKY1 102.0 4.8玉米 E.faecalis RKY1 63.5 0.5 L.amylovorus ATCC33620 10.1 0.8木薯 L.amylovorus ATCC33620 4.8 0.2土豆 L.amylovorus ATCC33620 4.2 0.1大米 Lactobacillus sp.RKY2 129.0 2.9 大麦 L.casei NRRL.B-4

21、41 162.0 3.4纤维素 L.coryniformis ssp.torquens ATCC25600 24.0 0.5玉米穗轴 Rhizopus sp.MK-96-1196 24.0 0.3废纸 L.coryniformis ssp.torquens ATCC25600 23.1 0.5 Rhizopus sp.NRRL395 49.1 0.7木材 L.delbrueckii NRRL B-445 108.0 0.9 E.faecalis RKY1 93.0 1.7乳清 L.helveticus R211 66.0 1.4 L.casei NRRL.B-441 46.0 4.0表-5.4

22、 乳酸生产原料的开发菌菌 株株 发发酵方式酵方式 产产量量 生生产产强强度度 （g/L）(g/L.h）L.casei SU No22 补料分批,固定化 47.0 2.0E.feacalisRKY1 分批培养 95.7 4.0 重复的批次 膜细胞循环 93.2 6.4L.rhamnosusATCC10863 分批 120.0 2.1 连续,膜细胞循环 92.0 57.0L.casei ssp.rhamnosus ATCC11443 连续,固定化,细胞循环 22.4 9.0L.delbrueckii NRRL B445 补料分批,原位溶剂萃取去除 23.1 0.2Lactococcus lacti

23、s JCM 7638 分批培养,电渗析原位去除 39.0 0.9L.rhamnosus IFO 3863 分批培养，98.0 1.9 分批培养,电渗析原位去除 20.0 8.2L.helveticus CNRZ 303 连续,膜细胞循环 55 7.1L.delbrueckii CECT 286 连续,离子交换树脂原位去除 26.1 10.4 表-5.5 乳酸发酵新工艺研究进展 目前国内都转向采用细菌厌氧发酵法生产目前国内都转向采用细菌厌氧发酵法生产L-乳酸，进乳酸，进而生产而生产L-聚合乳酸许多单位环绕聚合乳酸许多单位环绕L-乳酸发酵生产中的关键乳酸发酵生产中的关键问题即降低生产成本和提高产品

24、质量问题即降低生产成本和提高产品质量,开展：开展：1.菌种的选育或分子生物学及代谢工程改造菌种的选育或分子生物学及代谢工程改造 2.原料的选择与优化原料的选择与优化 3.发酵培养基及发酵条件的优化发酵培养基及发酵条件的优化 4.发酵过程中原位分离发酵过程中原位分离L-乳酸的新工艺乳酸的新工艺 5.精制乳酸新技术等研究精制乳酸新技术等研究,如天津大学如天津大学,广水乳酸厂等采用广水乳酸厂等采用分子蒸馏由分子蒸馏由 粗制乳酸粗制乳酸(在操作系统压力为在操作系统压力为0.1Pa,蒸馏温蒸馏温度为度为5575,适宜的蒸馏温度应低于适宜的蒸馏温度应低于75)产品纯度可大产品纯度可大于于95%本研究室采用

25、清液的细菌本研究室采用清液的细菌L-乳酸发酵乳酸发酵,研发了一种复研发了一种复合营养液合营养液,每吨乳酸成本只比混液发酵增加每吨乳酸成本只比混液发酵增加150元左右元左右,且发且发酵液色泽比较浅酵液色泽比较浅,有利于分离提纯。有利于分离提纯。6.乳酸产业的发展趋势乳酸产业的发展趋势 L-乳酸的生产成本由每磅乳酸的生产成本由每磅1美元降至每磅美元降至每磅0.5美元。最近美元。最近Chemical Marketing Reporter 上公上公布的热稳定性的乳酸价格为每磅布的热稳定性的乳酸价格为每磅0.7美元美元(合合1.2万万元元/吨吨)要使聚乳酸被市场接受要使聚乳酸被市场接受,大量用于包装材料

26、大量用于包装材料和一次性用品和一次性用品,估计聚乳酸的价格降到估计聚乳酸的价格降到2万万/吨以下吨以下,发酵乳酸的价格要低于发酵乳酸的价格要低于1万万/吨。吨。乳酸对三碳化合物及其它生化品的优势葡萄糖葡萄糖 丙酮酸 乳酸 柠檬酸苹果酸草酰乙酸 异柠檬酸 琥珀酸富马酸酮戊二酸琥珀酰辅酶ATCA循环 100%100%理论产率理论产率理论产率理论产率 66.7%66.7%理论产率理论产率理论产率理论产率(脱羧脱羧脱羧脱羧)丙交酯PLA 80%80%理论产率理论产率理论产率理论产率(脱水脱水脱水脱水)丙烯酸乙醛 乙醇 聚乙烯 H2O31%31%理论产率理论产率理论产率理论产率CO2乙酰辅酶A 其它三碳

27、原料丙酸或其它PBSCH2=CH-COOHCH3-CH2-COOH orHO-CH2-CH2-COOH3 3碳通常优于碳通常优于碳通常优于碳通常优于2 2碳和碳和碳和碳和4 4碳碳碳碳 !乳酸是最易生产的乳酸是最易生产的乳酸是最易生产的乳酸是最易生产的3 3碳物碳物碳物碳物!乳酸菌乳酸菌酵母酵母好氧菌乙烯 新聚合物?新聚合物?(淀粉和纤维素淀粉和纤维素)与其他生物基或者生物降解塑料相比，聚乳酸是目前最重要与其他生物基或者生物降解塑料相比，聚乳酸是目前最重要的环保塑料，其领先地位可以由目前聚乳酸工业规模、在建和已的环保塑料，其领先地位可以由目前聚乳酸工业规模、在建和已公布项目的数量、市场的聚乳酸

28、产品、加工企业数量、及聚乳酸公布项目的数量、市场的聚乳酸产品、加工企业数量、及聚乳酸相关专利及文章的数量来证明。相关专利及文章的数量来证明。聚乳酸成为首要还保塑料的主要原因，可能是其较低的制造聚乳酸成为首要还保塑料的主要原因，可能是其较低的制造成本和市场价格。许多其他生物降解塑料诸如成本和市场价格。许多其他生物降解塑料诸如Ecoflex、PHBV和和PBS销售价格大概在销售价格大概在4-6美元美元/kg，而在，而在2008年原油价格超过年原油价格超过80-100美元美元/桶时，聚乳酸的到岸价约桶时，聚乳酸的到岸价约2美元美元/kg，已近于传统塑料的价格，已近于传统塑料的价格，使得聚乳酸产品能与

29、使得聚乳酸产品能与PET及及PS、甚至一些、甚至一些PE或或PP产品竞争。产品竞争。二、乳酸的性质二、乳酸的性质乳酸的物理性质乳酸的物理性质（1）乳酸：）乳酸：乳酸，乳酸，lactic acid，学名为，学名为-羟基丙酸（羟基丙酸（-hydrxy-propionic acid），），分子式为：分子式为：C3H6O3(C2H5O.COOH)有一个不对称碳原子，因此具有旋光性。有一个不对称碳原子，因此具有旋光性。L乳酸为左旋性，乳酸为左旋性，D乳酸为右旋性，乳酸为右旋性，DL乳酸为消旋性。乳酸分子量为乳酸为消旋性。乳酸分子量为90.08，比重在，比重在25时约为时约为1.206，结构式表示如下：，

30、结构式表示如下：构型构型熔点熔点（）比旋光度比旋光度 D20 D20沸点沸点（）解离常数解离常数(25)(25)熔化热熔化热(kJ/(kJ/摩尔摩尔)L L25262526+3.3+3.31221221.37 101.37 10-4-416.8716.87D D25262526-3.3-3.31221221.37 101.37 10-4-416.8716.87DLDL18180 0122.0122.0(1866.75Pa)(1866.75Pa)1.37 101.37 10-4-411.3511.35 乳酸异构体的理化性质乳酸异构体的理化性质乳酸溶解性乳酸溶解性乳酸完全溶于水、酒精、乙醚乳酸完全

31、溶于水、酒精、乙醚很不容易结晶析出。很不容易结晶析出。乳酸浓度达乳酸浓度达60以上，已有很高的吸湿性。以上，已有很高的吸湿性。商品乳酸通常为商品乳酸通常为60溶液，溶液，药典级乳酸含量为药典级乳酸含量为85.090.0，食品级含量为食品级含量为80以上。以上。乳酸溶液性质乳酸溶液性质乳酸通常是乳酸通常是乳酸和乳酰乳酸乳酸和乳酰乳酸的混合物，为无色透明或浅的混合物，为无色透明或浅黄色糖浆状粘性液，黄色糖浆状粘性液，几乎无臭或略带脂肪酸臭，味酸，几乎无臭或略带脂肪酸臭，味酸，与水、乙醇、乙醚、丙二醇、甘油、丙酮混溶，与水、乙醇、乙醚、丙二醇、甘油、丙酮混溶，几乎不溶于氯仿、石油醚、二硫化碳和苯。几

32、乎不溶于氯仿、石油醚、二硫化碳和苯。在在67133Pa（0.51mmHg）的真空条件下反复分）的真空条件下反复分馏，可得到高纯度的乳酸，进而获得单斜晶体的结晶乳馏，可得到高纯度的乳酸，进而获得单斜晶体的结晶乳酸。酸。乳酸分子自动酯化能力。乳酸分子自动酯化能力。乳酸越浓，这种趋势就乳酸越浓，这种趋势就越强。越强。表示乳酸浓度时，往往表示乳酸浓度时，往往用游离酸和总酸（包括用游离酸和总酸（包括水解后方能滴定的聚合水解后方能滴定的聚合形式的总酸度）来表示。形式的总酸度）来表示。右图代表这种情况的曲右图代表这种情况的曲线。线。例如，总酸为例如，总酸为85，则表示由游离酸，则表示由游离酸61，聚合体，聚

33、合体21，水水18组成。充分脱水而完全由聚合体构成的浓乳酸，水解组成。充分脱水而完全由聚合体构成的浓乳酸，水解后的总酸浓度为后的总酸浓度为125左右。左右。一般浓乳酸溶液中一般浓乳酸溶液中20或更多的乳酸自动酯化。或更多的乳酸自动酯化。分子间生成直链形式的乳酰乳酸的聚合体，又分子间生成直链形式的乳酰乳酸的聚合体，又称聚乳酸。其反应可表示为：称聚乳酸。其反应可表示为：若加热脱水，乳酰乳酸可通过自身酯化为环状的内交酯，若加热脱水，乳酰乳酸可通过自身酯化为环状的内交酯，形成树脂状高分子的聚乳酸，其结构如下：形成树脂状高分子的聚乳酸，其结构如下：三、乳酸发酵微生物和发酵机制三、乳酸发酵微生物和发酵机制

34、乳酸发酵生产菌种乳酸发酵生产菌种乳酸生产菌乳酸生产菌 自然界中可产乳酸的微生物很多，因为分解糖类产生乳酸对于生物来说是一种获得能量的最原始手段之一。但是产酸能力强、具有工业应用价值的只有霉菌中的根霉属（Rhizopus）和细菌中的乳酸菌类。（一）乳酸细菌 工业上应用的乳酸细菌包括杆状菌和球状菌，都是革兰氏阳性菌，不运动，无芽孢，常排列成长短不同的链，厌氧或微好氧，表面生长弱或无。发酵糖类产生乳酸。凡主产物是乳酸(对糖转化率达80%以上者)的菌称同型乳酸发酵菌，否则为异型乳酸发酵菌，过氧化氢酶阴性。乳酸消旋酶阳性者产DL-乳酸，阴性者产D-或L-乳酸。德氏乳杆菌(Lactobacillus de

35、lbrueckii)是国内外乳酸生产中常用的乳酸菌。工业上除生产发酵食品如干酪、香肠、腌泡菜等需要一些异型发酵菌外，单纯生产乳酸都采用同型乳酸发酵菌。杆状，革兰氏染色阳性现国内外积极开发现国内外积极开发嗜热脂肪芽孢杆菌、鼠李糖乳杆菌嗜热脂肪芽孢杆菌、鼠李糖乳杆菌(L.rhamnosus)等乳酸细等乳酸细菌的菌的L-乳酸发酵研究，其优点是发酵温度高，无需提供无菌乳酸发酵研究，其优点是发酵温度高，无需提供无菌空气和机械搅拌。空气和机械搅拌。江苏省微生物研究所曹本昌等筛选获得一株干酪乳杆菌鼠李江苏省微生物研究所曹本昌等筛选获得一株干酪乳杆菌鼠李糖亚种糖亚种(L.casei subsp.Rhamnos

36、us)此菌在此菌在50厌气发酵，厌气发酵，产酸率达产酸率达90g/L。梁大芳等筛选分离获得鼠李糖乳杆菌梁大芳等筛选分离获得鼠李糖乳杆菌IFFI-422，此菌在，此菌在40下发酵下发酵48小时，产小时，产L-乳酸达乳酸达88g/L，转化率和生产强度分别，转化率和生产强度分别为为95.6%和和1.83 g/L.h。近年来，上海工业微生物所、中国食品发酵研究所、天津科近年来，上海工业微生物所、中国食品发酵研究所、天津科技大学和北京化工大学等都分离选育出不同性能的技大学和北京化工大学等都分离选育出不同性能的L-乳酸产乳酸产生细菌，在优化的发酵条件下，产酸达生细菌，在优化的发酵条件下，产酸达12%16%

37、和转化达和转化达率率95%以上。西欧、比利时采用基因工程技术，构建工程细以上。西欧、比利时采用基因工程技术，构建工程细菌可产菌可产L-乳酸乳酸180g/L。国外比较有代表性的乳酸生产菌株及其生产情况见表国外比较有代表性的乳酸生产菌株及其生产情况见表 菌株 L-乳酸（g/L）生产速率（g/L/h）文献 L.casei LA-04-1 180 2.1Ding and Tan,2006 L.lactis BME5-18M 210 2.2Bai et al,2003 L.delbrueckii NCIM2356 189 1.9Anuradha et al,1999 E.faecalis RKY1（肠球

38、菌）（肠球菌）144 5.1YUN et al,2003 Bacillus sp.17C5 55 0.3Patel et al,2004 E.coliALS974 138 6.3 Zhu et al,2007 S.cerevisiae OC-2T T165R 122 2.5Saitoh et al,2005（二）米根霉(Rhizopus oryzae)菌落疏松或稠密，最初为白菌落疏松或稠密，最初为白色，后变为灰褐色至黑褐色，后变为灰褐色至黑褐色，匍匐枝爬行，无色，色，匍匐枝爬行，无色，假根发生，指状或根状分假根发生，指状或根状分枝、褐色。枝、褐色。孢囊梗直立或稍弯曲，孢囊梗直立或稍弯曲，24根

39、群生，与假根对生，有根群生，与假根对生，有时膨大或分枝。囊托楔型，时膨大或分枝。囊托楔型，菌丝形成厚垣孢子，接合菌丝形成厚垣孢子，接合孢子未见。孢子未见。最适发育温度最适发育温度37，41亦能生长。亦能生长。有淀粉糖化能力，发酵生有淀粉糖化能力，发酵生产乳酸最适温度为产乳酸最适温度为30。可利用无机氮，如尿素、可利用无机氮，如尿素、硝酸铵、硫酸铵等。硝酸铵、硫酸铵等。国内的研究现状与进展国内的研究现状与进展目前发酵生产乳酸的方法有根霉好氧发酵和细菌厌氧发酵两种方法 -根霉好氧发酵法已经工业化生产 -细菌厌氧发酵法是在近年发展起来的,具有 1.成本低 2.较少产生CO2废气,环保等优点但只有少数

40、单位,引进国外的乳酸细菌进行L-乳酸的工业化生产外,大多数厂仍采用细菌厌氧生产DL-乳酸。我国很多研究机构,大学都在从事L-乳酸发酵的研究,但大多数都处于中,小试研究阶段 研究研究单单位位原料与菌种原料与菌种 规规模模 发发酵水平酵水平纯纯度度天津大学南开大学北京农学院华南师范大学南京大学上海工微所天津工微所山西微生物所河北科学院生物所江苏微生物所玉米粉 根霉根霉玉米 根霉玉米 根霉电渗析法提取乳酸糖 米根霉糖 米根霉糖 米根霉R-47米根霉米根霉JSMI-R73小试小试摇瓶 50L罐 60M3罐 3M3 中试 摇瓶 小试 小试 71.65g/L90g/L93.88g/L110g/L得率80%

41、140g/L94.10g/L118.4g/L74.8g/L105g/L90%符合BP80标准97.9%98%99%国内从事国内从事L-乳酸发酵研究的单位和水平情况乳酸发酵研究的单位和水平情况-1国内从事L-乳酸发酵研究的单位和水平情况-2研究研究单单位位原料与菌种原料与菌种 规规模模 发发酵水平酵水平纯纯度度北京食品发酵研究所北京食品发酵研究所北京化工大学上海工微所天津科技大学天津科技大学天津科技大学安徽丰源生化米根霉细菌细菌细菌细菌(TL-1)细菌(TL-2)细菌（TL-3)细菌(比利时)小试小试小试中试小试摇瓶摇瓶工业化生产140g/L140g/L 120g/L 91.5g/L120g/L

42、120140g/L140160g/L160180g/L95%96.5%98%98%99%（三）细菌乳酸发酵机制（三）细菌乳酸发酵机制1同型乳酸发酵：同型乳酸发酵是葡萄糖经EMP途经降解为丙酮酸，丙酮酸在乳酸脱氢酶的催化下还原为乳酸。此发酵过程中，1mol葡萄糖可以生成2mol乳酸，理论转化率为100%。但由于发酵过程中微生物有其他生理活动存在，实际转化率不可能达100%，一般认为转化率在80%以上者，即视为同型乳酸发酵。工业上采用德氏乳酸杆菌转化率达96%。葡萄糖葡萄糖2Pi2ADP2H 2乳酸乳酸2ATP2H2O2异型乳酸发酵异型乳酸发酵 异型乳酸发酵是某些乳酸细菌利用异型乳酸发酵是某些乳酸

43、细菌利用HMP途径，分解葡萄途径，分解葡萄糖为糖为5-磷酸核酮糖，再经差向异构酶作用变成磷酸核酮糖，再经差向异构酶作用变成5-磷酸木酮糖，磷酸木酮糖，然后经磷酸酮糖裂解酶催化裂解反应，生成然后经磷酸酮糖裂解酶催化裂解反应，生成3-磷酸甘油醛和磷酸甘油醛和乙酰磷酸。乙酰磷酸。磷酸酮糖裂解酶是异型乳酸发酵的关键酶。磷酸酮糖裂解酶是异型乳酸发酵的关键酶。乙酰磷酸进一步还原为乙醇，同时放出磷酸。乙酰磷酸进一步还原为乙醇，同时放出磷酸。而而3-磷酸甘油醛经磷酸甘油醛经EMP途径，后半部分转化为乳酸，同时产途径，后半部分转化为乳酸，同时产生两分子生两分子ATP。扣除发酵时激活葡萄糖消耗一分子扣除发酵时激活

44、葡萄糖消耗一分子ATP，净得一分子，净得一分子ATP。因此由葡萄糖进行异型乳酸发酵，其产能水平比同型乳酸发因此由葡萄糖进行异型乳酸发酵，其产能水平比同型乳酸发酵低一半。异型乳酸发酵产物除乳酸外还有乙醇、酵低一半。异型乳酸发酵产物除乳酸外还有乙醇、CO2和和ATP。此过程此过程1mol己糖生成己糖生成1mol乙酸、乙酸、1mol CO2和和1mol乳乳酸。乳酸对糖的转化率只有酸。乳酸对糖的转化率只有50%。3双歧(bifidus)发酵途径 双歧发酵是两歧双歧杆菌(Bifidobacteriun bifidum)发酵葡萄糖产生乳酸的一条途径。此途径中有两种酮糖酶参与反应，即6-磷酸果糖磷酸酮糖酶和

45、5-磷酸木酮糖磷酸酮糖裂解酶，分别催化6-磷酸果糖和5-磷酸木酮糖的裂解反应，产生乙酰磷酸、4-磷酸赤鲜糖和3-磷酸甘油醛、乙酰磷酸。此发酵过程中，此发酵过程中，2mol的葡萄糖可生成的葡萄糖可生成2mol乳酸和乳酸和3mol的乙酸，乳酸的转化率理论上只有的乙酸，乳酸的转化率理论上只有50%。丙酮酸脱羧酶丙酮酸脱羧酶 丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶 乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶 丙酮酸脱氢酶复合体丙酮酸脱氢酶复合体 乙酰乙酰CoA 合成酶合成酶（四）米根霉乳酸发酵机制（四）米根霉乳酸发酵机制 米根霉能产生淀粉酶和糖化酶，它能利用糖或淀粉或淀粉质原料直接发酵生成L-乳酸。米根霉能将大部分糖转化为乳酸，但同时伴

46、随着产生乙醇、富马酸、琥珀酸、苹果酸、乙酸等其他产物。它们之间的比例随着菌种和工艺的不同而异。福井认为，根霉的糖代谢主要有以下几种反应：由于严格限制供给锰离子，从而解除了乳酸和ATP对PFK酶的反馈抑制，使EMP途径的代谢流增大。1正常呼吸：正常呼吸：C6H12O66O2 CO2H2O；2。同化作用（生成菌体）：干菌体量的。同化作用（生成菌体）：干菌体量的95%来自碳水化合来自碳水化合物。物。3富马酸发酵：富马酸发酵：C6H12O6 3O2 C4H4O42 CO2 4H2O 4酒精发酵：酒精发酵：C6H12O6 2C2H5OH2 CO2；5.L-乳酸发酵：乳酸发酵：C6H12O6 2 C3H6

47、O3若抑制若抑制1、3、4反应，乳酸产率就可以提高。目前国内外采反应，乳酸产率就可以提高。目前国内外采用的经选育的高产用的经选育的高产L-乳酸的米根霉，其发酵机制如下总反应乳酸的米根霉，其发酵机制如下总反应式为：式为：2 C6H12O6 3 C3H6O3 C2H5OH CO2根据根据WaKsmann和和Foster试验，米根霉在好气或厌气发酵试验，米根霉在好气或厌气发酵条件下由葡萄糖生成条件下由葡萄糖生成L-乳酸和乙醇。若在好气条件，合理添乳酸和乙醇。若在好气条件，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，只产生发酵，只产生L-乳酸。此时糖酸转化率接近乳酸细菌的同型乳酸。此时糖酸转化率接近乳酸细菌的同型乳酸发酵。乳酸发酵。