Page 84 - 《精细化工》2021年第12期

·2446· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 38 卷

未来需要开发根据底物类型匹配特定微生物菌株并 转化体系、更廉价环保的分离纯化技术、更易放大
选择最适合工艺的一体化微生物发酵系统，以最大 和操作的工艺设备是研究人员不断追求的目标。未
限度地满足高效、经济和适用性等需求。 来，乳酸的需求可能会驱动这两种方法的进一步结
化学催化法的优势通常是高反应速率和较高的 合和优化，创造同时具备两种方法优势的新途径。
产物积累。更重要的是，当使用木质纤维素为原料 这需要深入了解乳酸生成的机制，以便能够实现在
时，化学催化法避免了昂贵的预处理过程，从而显 单一手性乳酸合成中，将微生物发酵分泌的关键生
著降低了乳酸的生产成本。但常规化学催化过程大 物酶功能组分引入化学催化体系，使其兼具微生物
[4]
多是在水热条件下进行，乳酸的分解十分常见，这 发酵高立体选择性和化学催化高反应活性的优势 ，
导致其选择性通常不高。在使用强碱催化时，高温 尽管目前看起来非常困难，但这是一个非常有潜力
下碱对设备的腐蚀性强，且产物与碱性催化剂直接 的发展方向。
反应将导致后续分离成本的增加。目前已有一些碱
在温和条件下催化的研究取得了一定的进展，但也 4 结束语与展望
存在碱大量持续消耗的问题。另外，一些金属离子
乳酸是重要的精细化学品，在国民经济生产中
也能对木质纤维素生产乳酸有良好的催化效果，但
具有举足轻重的地位。随着全球范围内禁塑、限塑
这些金属离子通常价格昂贵、具有毒性且难以回收，
的强力推行，PLA 的需求量呈现出爆发式增长，其
不利于推广和应用。不仅如此，以上这些均相催化
生产压力急剧加大。以石化原料生产乳酸的化学合
体系不可忽视的共同缺点在于产品的纯化和催化剂
成法与绿色可持续发展的理念相悖；而在全球粮食
的分离困难问题，不仅增加了成本而且产生大量不
短缺问题愈发严峻的情况下，若仅以淀粉为原料发
可回收的废液。非均相催化体系则能够很好地解决
酵生产乳酸需要消耗大量可食用资源，也存在不可
这类问题，但相比之下，非均相催化剂的乳酸产率
持续的问题。因此，利用非粮生物质为原料生产乳
通常较低，催化剂的制备过程复杂、成本高，而且
酸的潜力和重要性显而易见。
多次回收后结构不稳定，催化性能下降。所以开发
生物发酵法和化学催化法是当前生物质转化制
廉价高效且易于制备的非均相催化剂对于乳酸的生
乳酸的主要方法。发酵法条件温和、所得乳酸光学
产将是极大的突破。
纯度高，但对原料要求较高、耗时长、生产成本高。
化学催化中最常见的反应环境是水溶液，其优
化学催化法原料利用率高、耗时短、所得产物浓度
势是水既可以作为廉价的反应溶剂同时高温下也可
高，但乳酸光学纯度差、存在腐蚀及产物与催化剂
以作为催化剂，但一些非均相催化剂在水中可能会
分离难等问题。为满足全球市场对乳酸的强劲需求，
发生不可逆的变性，导致活性丧失。另一方面，由
作者认为需从以下几个方面进一步发展农业生物质
于乳酸烷基酯的稳定性较好，若使用醇为溶剂，产
制乳酸：（1）采用遗传育种及基因改良等手段培育
率可提升，但醇类物质的回收则将是新的难题。在
产物方面，化学催化法得到的乳酸是外消旋混合物， 优质生物质原料，当前这类方法广泛应用于提升作
而乳酸的光学纯度直接影响到其价格和应用性，因 物籽粒产量及品质，较少应用于改良秸秆结构及成
此，外消旋产物的分离是化学催化中极具挑战的问 分，原料是影响生物质转化制乳酸的关键因素，培
题 [93] 。目前来看，关于通过化学催化途径利用木质 育秸秆中木质素含量少、纤维素结晶度低、可溶性
纤维素生物质生产乳酸的研究仍然停留在探索阶 糖含量高的作物品种有利于克服生物质预处理难度
段，在继续寻找或合成性能优良的催化剂和开发更 大、原料转化率低等问题，可以显著降低乳酸生产
经济的分离及回收工艺的同时,还需要设计更完备 成本，该策略存在前期投入高、周期长等问题，然
的反应流程和逐步建立成熟的工艺体系，以便实现 而一旦取得突破，将会极大地促进生物质炼制产业
将化学催化法的优势更好地应用到乳酸的工业生产 的发展；（2）进一步研发温和、高效生物质转化制
上。 乳酸技术，如设计基于酶催化的化学仿生催化体系，
除了本文介绍的两种方法，近年一系列衍生方 降低反应温度及腐蚀性、提高乳酸光学纯度及品质、
法，如机械化学法、生物-化学联合催化法、电催化 收窄中国乳酸进出口价格差；（3）研发乳酸分离、
法和光催化法被开发出来。虽然这些方法在一定程 提纯及一锅法转化制下游高值产品技术，丙交酯是
度上能提高原料的转化率或乳酸的选择性，但存在 制备 PLA 的关键中间体，当前主要依赖从国外进口，
能耗高、过程复杂及工业化放大困难等问题，短期 生产成本高，是制约国内 PLA 产业发展的瓶颈，研
内难以实现规模化应用。微生物发酵和化学催化这 究生物质一锅法转化制丙交酯及其他低聚乳酸技
两种工艺的系统优化都在不断进行，开发更高效的 术，不仅有望解决乳酸分离提纯难的问题，而且能