全 文 ：Jan．2008
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生物加工过程
ChineseJournalofBioprocessEngineering
第6卷第1期
2008年1月
从发酵液中萃取三一乳酸的工艺
王甲卫，李 政，谭天伟
(北京化工大学 生命科学与技术学院生物加工过程重点实验室，北京100029)
摘要：以厶乳酸发酵液为对象，以正丁醇为萃取剂，在pH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一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。
关键词：正丁醇；分配系数；萃取；L．乳酸
中图分类号：Q815；TQ921+．3文献标识码：A 文章编号：1672—3678(2008】00-0056一04
ExtractionofL-lacticacidfromfermentationbrothby乃-butanol
WANGJia—wei，LIZheng，TANTian—wei
(BeijingBioprocessK yLaboratory，CollegeofLifeScienceandTechnology，BeijingUniversity
ofChemicalTechnology，Beijing100029，China)
Abstract：TheextractionofL—lacticacidfromfermentationbrothby -butanolwasinvestigated．Theex—
pefimentalresu tsshowedthextractionratewas75．7％underthoptimizedcon itionsofthen—butanol
tolacticacidmolarratioatl：1，temperatureat25℃，andthreetimesofextraction．Theextractedmix-
turecouldbeuseddirectlytoproducen·butyllactatendavoidingredundantseparationofL-laticacid．
Keywords：儿一butanol；distributioncoeff cient；extraction：工一lacticacid
乳酸是一种无色或略带黄色的糖浆状液体。
他是世界上公认的三大有机酸之一，被广泛应用
于食品，酿造、医药、皮革、卷烟、化工和印染等工
业中。人们还发现乳酸的聚合物作为一种可生物
降解的新一代高分子材料具有生物降解性[1]，其
应用可扩展到医药、塑料等领域。应用价值日益
为人们所重视。乳酸的生产分为合成法和发酵法
两大类。乳酸主要以发酵法获得，其优势在于原
料的利用及转化率较高，但其分离难度大，操作条
件要求苛刻。
已经报道过应用TOPO(三正辛基氧化膦)、TBP
(磷酸三丁酯)、高分子量的烷基化胺和季铵盐心。4】
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。应用正丁醇作为萃取剂将乳酸从
发酵液中进行萃取，使之形成正丁醇与乳酸的络合
物，可将此络合物作为生成乳酸丁酯的底物进行反
应，而不需要得到高纯乳酸，从而避开得到高纯乳
酸的高操作要求。乳酸丁酯是一种性能优良、用途
广泛的溶剂，可作为硝酸纤维素及多种纤维素醚和
碱性颜料的特殊溶剂，用于制造醇酸树脂、硝基漆、
油墨、粘结剂、蜡纸等。同时也是一种性能优良的
收稿日期：2007-03—16
基金项目：国家自然科学基金资助项目(20636010，50373003)
作者简介：王甲卫(1981一)男，山东泰安人，硕士研究生，研究方向：生物分离。
联系人：谭天伟，教授．博士生导师，E．mail：tantw@mall．buct．edu．cn．
万方数据
2008年1月 王甲卫等：从发酵液中萃取￡-乳酸的工艺 ·57·
食用合成香料，可用于一些软饮料、冰淇淋等食
品中‘5l。
本实验采用正丁醇为萃取剂，所得的萃取混合
物不再进行反萃，而直接将其作为反应底物来生成
乳酸丁酯，充分提高了原料的利用率。
l实验材料及方法
1．1材料
￡哥L酸发酵液(本实验室自制)，正丁酹，浓硫
酸(分析纯)，SBA-40C型生化传感分析仪(山东省
科学院)，pH计。
1．2实验方法
1．2．1乳酸含量的测定
采用SBA-40C型生化传感分析仪。
1．2．2乳酸萃取的方法
取一定浓度的乳酸发酵液，加入适量的正丁
醇，充分搅拌后，移置分液漏斗，几分钟后，即可完
全分层，界面清晰可见，分相后，应用1．2．1的测定
方法分别测定有机相和水相中乳酸的含量。
2实验结果与讨论
实验中，正丁醇与水充分混合分层后，两者的
质量比为，即在以下的实验中，假设正丁醇与水为
互不相溶。实验为多级错流萃取实验。乳酸的分
配系数由公式(1)定义，如下：
n一塾酸在查塑担主的垩堑亟量邃廑(碰垦．羔r1、
“一乳酸在水相中的平衡质量浓度(g／L)
¨7
2．1 乳酸质量分数对分配系数的影响
发酵液中乳酸含量的不同，从而使其推动力也
不相同，导致不同的分配系数。由图1可看出，随着
发酵液中乳酸浓度的升高，乳酸在有机相中的分配
系数也越来越高，并且乳酸与正丁醇的摩尔比不同
时，其分配系数趋于平缓时乳酸质量分数是不同
的。在酯化反应过程中，正丁醇不应太过量，所以
在以下实验中选择乃(乳酸)：n(正丁醇)为1：l时作
为其萃取条件，当乳酸质量分数达到30％时，其曲
线已渐平缓，说明此时在乳酸已经在有机相中达饱
和，即使提高发酵液中乳酸的浓度，其分配系数提
高不明显。
2．2温度对分配系数的影响
温度升高，其推动力也会相应增大，其分配系
图1 乳酸质量分数对分配系数的影响
Fig．1Effectof helactica idconcentration
ondistributioncoefficient
数也会提高，实验时，乳酸的质量分数为30％，乳酸
与正丁醇的比值为l：l。从图2可看出，在水哥L酸一
正丁醇体系中，温度升高，乳酸分配系数有所增大，
但其分配系数升高缓慢。温度升高，操作能耗增
加，所以选择温度在室温下进行。
图2温度对分配系数的影响
Fig．2Effectof hetemperatureondistributioncoefficient
2．3 pH值对分配系数的影响
乳酸的解离常数为3．86，但从发酵液中将乳酸
再生，适宜的pH应小于3．86，通过做不同pH下的
分配系数，可以看出随着pH的降低，其分配系数增
大。另外，在发酵液的pH在3．86左右时，发酵液
中仍然含有少量的盐未能沉淀，而将发酵液一直酸
化到2时，发酵液中再次沉淀出沉淀物。以pH在
3．86左右时的发酵液进行萃取，会有少量的盐因为
水的溶解从而进入到有机相中，会对后面的酯化过
程产生一定影响，在pH=2时进行萃取，能进入到
有机相中的盐类相对减少很多，所以综合考虑，选
定在pH=2时为较好的操作条件。
万方数据
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图3不同pH对分配系数的影响
Hg．3Effectof hepHOildistributioncoefficient
2．4搅拌时间对分配系数的影响
搅拌过程中使用磁力搅拌进行有机相与水相
的混合，能否充分混合，是决定分配系数的一个重
要参数，使用漩涡振荡器和磁力搅拌器进行对比，
前者在混合过程中水相和有机相始终分层，不能达
到很好的混合效果，后者则可以将水相和有机相进
行充分混合。图4给出了以磁力搅拌器进行混合后
的分配系数图。由图4可看出，随着搅拌时间的增
长，其分配系数几乎不变，可推断在一分钟之内已
能将水相和有机相充分混合。
图4搅拌时间对分配系数的影响
Hg．4Effectof hestirtimeondistributioncoefficient
2．5萃取3次后的萃取率
因为乳酸在有酸中的分配系数并不是很高，所
以要达到较高的萃取率，需要多次萃取。图5给出
了萃取3次后总的萃取率。
2．6萃取相中乳酸纯度的分析
虽然发酵过程中的代谢产物比较复杂。但以本
实验室的菌种发酵代谢途径中，主要是以产乳酸为
主，同时不可避免的代谢少量其他副产物。预处理
l：l l：1．2 1：l-4
n吼醐：，l(正丁醐
图5萃取3次后总的萃取率
Hg．5Totalextractionrateaftert eetimesxtraction
．一 j L
O 5．O 7．5
dmin
图6乳酸标准品液相谱图
Fig．6LacticacidstandardHPLCspectrum
—、、，、一
0 25 50 75 100
drain
图7乳酸发酵液液相谱图
Hg．7FermentationbrothHPLCspectrum
后的发酵液中依然含有少量的副产物。经紫外扫
描确定，在波长210nm时，有较大吸收。用c．18
(5p，250mmx4．6lnrll)色谱柱以5mmol的硫酸为
流动相，波长210nm，流速0．8mL／mim的条件进行
液相色谱的分析，乳酸标准品为阿法埃莎公司的纯
跖
∞
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：8
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％，僻餐糌
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2008年1月 王甲卫等：从发酵液中萃取￡-乳酸的工艺 · 59·
度为98％的晶体乳酸。
液相色谱图30min之内只有乳酸表现出响应，
其他少量杂质未能出峰，为此，做质谱图以进行再
次验证。质谱条件：离子源ESI一，锥孔电压为30V，
流动相配比为y(乙腈)：V(水)=80：20，用甲醇稀
释样品。
荷质比为88．5的物质为乳酸。图8中，质谱图
中荷质比大于200以后没有物质峰出现，而在图9
中荷质比为306．9处出现物质峰，可以认为发酵液
中不存在这种物质。另外，荷质比为96．5的物质没
有出现在图9中，说明这种物质没有进人到有机相
中，而荷质比为105．6的物质均有出现。从乳酸代
谢途径可能的产生物质(乙醇、乙酸、丙酮酸、柠檬
酸等)来看，没有一种物质能与其对应，推测可能是
代谢途径以外的副产物。发酵过程中主要以产乳
酸为主，不可避免的会产生其他副产物，但以有机
物萃取时，可以避免部分杂质进入有机相，减少对
后续工序的影响。
一
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图8乳酸发酵液质谱图
Fig．8Fermentationbrothn脚8spectrometryspectrum
50 100150200250300350400450500550600
毗
图9萃取有机相质谱图
Fig．9Organicphaserlla88spectrometryspectrum
3结论
经过3次萃取后，以正丁醇为萃取剂萃取乳酸
的萃取率可达到75．7％，不需要将乳酸进行反萃，
将得到的产品作为底物进行酯化提高了乳酸的利
用率。由实验确定的最佳操作条件为温度在25℃
下，pH为2，乳酸在发酵液中的质量分数达到30％
时，进行萃取，经过3次萃取后，萃取率为75．7％。
参考文献：
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