細(xì)胞發(fā)酵獲得乳酸

細(xì)胞發(fā)酵獲得乳酸隨著世界人口的急劇增長(zhǎng)，人類對(duì)化石能源進(jìn)行掠奪性開發(fā)，由此引發(fā)的環(huán)境污染問題也日趨嚴(yán)重。因此，利用生物技術(shù)生產(chǎn)新型材料越來越受到人們的關(guān)注，細(xì)胞發(fā)酵以其特有的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、釀造、食品及化工等方面。乳酸是公認(rèn)的三大有機(jī)酸之一，是一種用途廣泛的三碳化合物，具有悠久的應(yīng)用歷史。它有兩種旋光異構(gòu)體，其中L-乳酸可用作酸味劑、芳香劑、防腐劑、植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑等，在食品、制藥、釀造、制革、紡織和農(nóng)業(yè)中具有廣泛用途。雖然乳酸的應(yīng)用歷史悠久，但在21世紀(jì)之前，占總需求85%左右的乳酸都應(yīng)用在食品及食品相關(guān)領(lǐng)域，只有15%應(yīng)用在非食品工業(yè)中。乳酸最重要的工業(yè)應(yīng)用，是用于生產(chǎn)可降解聚合物一一聚乳酸。聚乳酸具有生物相容性、生物可降解性及優(yōu)良的機(jī)械性能和物理性能，因而被產(chǎn)業(yè)界認(rèn)為是新世紀(jì)最有發(fā)展前途的新型包裝材料，將有望逐步替代聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等材料，應(yīng)用前景十分廣闊［1］。此外，L-乳酸與其它含氧功能單體，如乳酸的D-異構(gòu)體、乙交酯、己酸內(nèi)酯或聚醚多元醇進(jìn)行共聚合反應(yīng)，還可使產(chǎn)品獲得更廣泛的特性。因此，用最優(yōu)的方法實(shí)現(xiàn)乳酸的工業(yè)化生產(chǎn)對(duì)我國(guó)的工業(yè)發(fā)展有重要意義。目前乳酸的生產(chǎn)方法主要有：1、 發(fā)酵法發(fā)酵法的主要途徑是糖在乳酸菌作用下，調(diào)節(jié)pH值5左右，保持大約50°C發(fā)酵三到五天得粗乳酸。發(fā)酵法的原料一般是玉米、大米、甘薯等淀粉質(zhì)原料(也有以苜蓿、纖維素等作原料，近年有研究提出廚房垃圾及魚體廢料循環(huán)利用生產(chǎn)乳酸的)。乳酸發(fā)酵階段能夠產(chǎn)酸的乳酸菌很多，但產(chǎn)酸質(zhì)量較高的卻不多，主要是根霉菌和乳酸桿菌等菌系。不同菌系其發(fā)酵途徑不同，可分同型發(fā)酵和異型發(fā)酵⑵，實(shí)際由于存在微生物其它生理活動(dòng)，可能不是單純某一種發(fā)酵途徑。具體反應(yīng)機(jī)理如下：同型發(fā)酵：微生物通過EMP代謝途徑發(fā)酵，乳酸是代謝的唯一產(chǎn)物，lmol葡萄糖轉(zhuǎn)化生成2mol乳酸，理論轉(zhuǎn)換率為100%，實(shí)際上轉(zhuǎn)化率在80%以上者即視為同型發(fā)酵。總反應(yīng)式為：C6H12O6+2ADP+2Pif2CH3CH(OH)COOH+2ATP異型發(fā)酵：微生物經(jīng)由Bifidus途徑和PK途徑生成等物質(zhì)的量的乳酸、CO2和乙醇。葡萄糖的理論轉(zhuǎn)化率只有50%，總反應(yīng)式為：C6H12O6+ADP+PifCH3CH(OH)COOH+CH3CH2OH+CO2+ATP2、 合成法主要有乳腈法、丙稀腈法、丙酸法、丙稀法等，用于工業(yè)生產(chǎn)的僅乳腈法(也叫乙醛氫氤酸法)和丙稀腈法。3、 酶化法主要有氯丙酸酶法轉(zhuǎn)化和丙酮酸酶法轉(zhuǎn)化。化學(xué)合成法的產(chǎn)品是外消旋乳酸即DL-乳酸，且由于所用的原料是乙醛和劇毒物質(zhì)氫氤酸等，因而合成法生產(chǎn)乳酸大大受到限制，此外其生產(chǎn)成本也較高。酶法生產(chǎn)乳酸雖然可以得到專一性旋光乳酸，但工藝比較復(fù)雜，應(yīng)用到工業(yè)上還有待于進(jìn)一步研究⑷。微生物發(fā)酵法生產(chǎn)乳酸，可通過菌種選育和培養(yǎng)條件的選擇而得到具有專一性的L-乳酸，D-乳酸或DL-乳酸，完全可以滿足聚乳酸的生產(chǎn)需求。另外發(fā)酵法生產(chǎn)乳酸除能以葡萄糖、乳糖等單糖為原料外，還能以淀粉、纖維素為原料發(fā)酵生產(chǎn)乳酸，利用這些可再生資源不會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染。因此，微生物發(fā)酵法生產(chǎn)乳酸因其原料來源廣泛，生產(chǎn)成本也較低，產(chǎn)品光學(xué)純度高和安全可靠性好等優(yōu)點(diǎn)而成為國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)乳酸的重要方法⑸。因此本文主要對(duì)發(fā)酵法做簡(jiǎn)單介紹：以玉米、小麥、紅薯等淀粉為原料，將淀粉轉(zhuǎn)化為糖后接入菌種進(jìn)行發(fā)酵。發(fā)酵法生產(chǎn)L-乳酸主要有兩種微生物，霉菌和細(xì)菌。用根霉進(jìn)行乳酸發(fā)酵，提取困難，糖轉(zhuǎn)化率低，理論值僅為75%，而乳酸菌對(duì)糖轉(zhuǎn)化率理論值達(dá)到100%，實(shí)際生產(chǎn)中也在90%以上，另外根霉在發(fā)酵過程中需要通氣攪拌，動(dòng)力消耗比較大，費(fèi)用高3］。細(xì)菌發(fā)酵乳酸通常為微需氧，可減少通氣的能量消耗，降低成本。因此目前利用乳酸菌發(fā)酵生產(chǎn)L-乳酸是研究的熱點(diǎn)。菌種的選擇：用于乳酸生產(chǎn)的菌屬主要有乳桿菌屬(Lactobacillus)，芽孢桿菌屬(Bacillus)、鏈球菌屬(Streptococcus)。國(guó)內(nèi)外乳酸生產(chǎn)菌種主要是德氏乳桿菌，德氏乳桿菌生產(chǎn)的乳酸主要為DL-型，在一定的溫度、pH值下進(jìn)行厭氧批式發(fā)酵。乳酸菌是一類能發(fā)酵糖、主要生成乳酸的細(xì)菌的總稱.適用于工業(yè)生產(chǎn)L-乳酸的菌種，一般有如下要求：一是同型發(fā)酵類型；二是營(yíng)養(yǎng)要求簡(jiǎn)單，成本低；三是產(chǎn)酸迅速，生產(chǎn)周期短；四是能耐高溫(減少冷卻水用量及染菌機(jī)會(huì))；五是L-乳酸產(chǎn)量高.雖然說以米根霉發(fā)酵生產(chǎn)L-乳酸產(chǎn)酸率要高于乳酸菌，而且米根霉的營(yíng)養(yǎng)要求低于乳酸菌，但是根霉糖代謝主要有以下幾種反應(yīng)［6］：(1)正常呼吸C6H12O6f6CO2+6H2O同化作用：干菌體量的95%來自碳水化合物富馬酸發(fā)酵CHO+3O—CHO+2CO+4HO6126 2 444 2 2酒精發(fā)酵C6H12O6—2CO2+2C2HQH乳酸發(fā)酵C6H12O6—2CHO由此可知，米根霉存在著富馬酸發(fā)酵和酒精發(fā)酵，因此利用米根霉進(jìn)行L一乳酸發(fā)酵必須抑制(1)(3)(4)反應(yīng)，才能提高乳酸產(chǎn)率；但副產(chǎn)物不可避免，這會(huì)給提取帶來很大困難.根霉對(duì)糖轉(zhuǎn)化率理論值為75%，與細(xì)菌乳酸發(fā)酵理論轉(zhuǎn)化率100%(實(shí)際生產(chǎn)中也可達(dá)到90%以上)相差的比較多.根霉發(fā)酵生產(chǎn)乳酸需要通氣攪拌，動(dòng)力消耗比較大，通風(fēng)攪拌費(fèi)用比較高，大約占總費(fèi)用的1/3。細(xì)菌發(fā)酵乳酸可以在兼性條件下，靜置發(fā)酵可減少通氣的能量消耗，降低成本.在發(fā)酵工藝方面，根霉發(fā)酵生產(chǎn)乳酸主要采用的工藝是氣升式反應(yīng)器和固定化方法，而細(xì)菌乳酸發(fā)酵可以和產(chǎn)物提取相耦合，采用原位分離技術(shù)在發(fā)酵過程中進(jìn)行產(chǎn)物提取，減少了工藝流程。如果用離子交換樹脂的方法還可以減少工業(yè)廢料石膏的產(chǎn)生，符合清潔生產(chǎn)的要求.一些典型的傳統(tǒng)的乳酸發(fā)酵工藝：1、分批發(fā)酵工藝分批發(fā)酵也稱間歇發(fā)酵，是目前、或者說也會(huì)是在相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)發(fā)酵生產(chǎn)乳酸的主要工藝。國(guó)內(nèi)大多數(shù)乳酸生產(chǎn)廠均采用德氏乳桿菌等生產(chǎn)DL-乳酸，其優(yōu)點(diǎn)是可大大降低能耗，使成本降低。2、 補(bǔ)料分批發(fā)酵工藝補(bǔ)料分批發(fā)酵是一種介于分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵之間的特殊培養(yǎng)模式，它是在微生物的分批培養(yǎng)過程中向生物反應(yīng)器中間歇或連續(xù)補(bǔ)加一種或多種限制性底物直到培養(yǎng)結(jié)束后才排出培養(yǎng)液的一種操作方式。3、 同時(shí)糖化發(fā)酵工藝同時(shí)糖化發(fā)酵工藝(SimultaneousSaccharificationandFermentation，SSF)主要是針對(duì)一些非糖類原料，將糖化過程和發(fā)酵過程耦合同時(shí)進(jìn)行的生產(chǎn)工藝。發(fā)酵工藝中將相關(guān)糖化酶和發(fā)酵菌種同時(shí)混合發(fā)酵，工藝過程中控制糖化和發(fā)酵的速率以避免抑制作用是工藝開發(fā)的一個(gè)重要因素。4、 萃取發(fā)酵法生產(chǎn)工藝萃取發(fā)酵是利用有機(jī)溶劑在線連續(xù)移去發(fā)酵產(chǎn)物，即先用萃取劑萃取溶液中的乳酸，然后對(duì)負(fù)載乳酸的有機(jī)相進(jìn)行反萃取，以達(dá)到降低終產(chǎn)物的抑制作用。其發(fā)酵過程能耗低、選擇性好且無細(xì)菌污染，已有的萃取發(fā)酵研究使用的萃取劑主要為胺類。目前國(guó)內(nèi)外研究的新技術(shù)或方法：1、 開放式全細(xì)胞回收循環(huán)發(fā)酵生產(chǎn)光學(xué)純L-乳酸該方法是以凝結(jié)芽孢桿菌(Bacilluscoagulans)為菌種進(jìn)行開放式發(fā)酵，發(fā)酵結(jié)束后對(duì)培養(yǎng)液進(jìn)行離心，去除菌體的培養(yǎng)液即為含有高光學(xué)純度L-乳酸發(fā)酵液，離心后所得菌體再作為種子培養(yǎng)物接入下一批次發(fā)酵培養(yǎng)基中，以與上次發(fā)酵完全相同的發(fā)酵條件進(jìn)行發(fā)酵培養(yǎng)，如此循環(huán)，得到光學(xué)純L-乳酸。本發(fā)明光學(xué)純L-乳酸的生產(chǎn)方法明顯優(yōu)于現(xiàn)有的光學(xué)純L-乳酸生產(chǎn)方法，具有純度高、低污染、生產(chǎn)效率高、對(duì)儀器設(shè)備要求低和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，適合大面積推廣和應(yīng)用。2、 生物柴油與乳酸聯(lián)產(chǎn)新工藝中科院西雙版納熱帶植物園的生物能源組研究人員日前成功研發(fā)出一套提出生物柴油與乳酸聯(lián)產(chǎn)的新工藝。據(jù)介紹，該新工藝就是以固體硅酸鈉為催化劑，聯(lián)合催化油脂酯交換反應(yīng)和副產(chǎn)物甘油水熱反應(yīng)，同時(shí)獲得生物柴油和乳酸。以植物油為初始原料，經(jīng)煅燒硅酸鈉(Na2SiO3)轉(zhuǎn)酯化催化制備生物柴油，生物柴油得率可達(dá)99.6%，催化劑重復(fù)利用次數(shù)達(dá)6次。待催化劑活性下降后，通過離心分離回收直接用于副產(chǎn)物甘油的水熱合成反應(yīng)，乳酸產(chǎn)率可達(dá)80.5%。相關(guān)研究成果在國(guó)際期刊BioresourceTechnology上，并申請(qǐng)專利。展望：目前，我國(guó)對(duì)乳酸及其衍生物的開發(fā)力度在逐年加大，其研發(fā)方向?yàn)榈统杀尽⒏呤章?、高品質(zhì)和無污染。近年來，隨著發(fā)酵技術(shù)的飛速發(fā)展，乳酸新的發(fā)酵技術(shù)和分離技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如糖清液高濃度發(fā)酵技術(shù)、低溫酸解管式連續(xù)反應(yīng)技術(shù)、膜萃取分離乳酸技術(shù)、雙極膜電滲析等，這些新技術(shù)使得乳酸生產(chǎn)的方法研究不斷更新極大地推動(dòng)了乳酸行業(yè)的發(fā)展⑺，值得注意的是，新型技術(shù)雖然效率較高，但往往需要與其它技術(shù)相集成才能發(fā)揮更好的效果。相信在不久的未來，隨著新技術(shù)的飛速發(fā)展，乳酸及其衍生物一定會(huì)成為很多行業(yè)的新寵。主要參考文獻(xiàn)：許平.開放式全細(xì)胞回收循環(huán)發(fā)酵生產(chǎn)光學(xué)純L-乳酸：中國(guó)，2010101480262[P].2011黃光斗，李柯，張智等乳酸的生產(chǎn)方法及應(yīng)用研究[邛廣西輕工業(yè)，2006,(5)：250-253[7]劉喆.我國(guó)乳酸的生產(chǎn)技術(shù)及研發(fā)狀況[J].河南化工，2010，27(7)：29-31.HujanenM，LinkoYY.EffectoftemperatureandvariousnitrogensourcesonL(+)-lacticacidproductionbyLactobacilluscasei[J].ApplMicrobiolBiotechnol，1996，45：307—313RoukasT，KotzekidouP.Lacticacidproduction