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1.1乳酸简介及D-乳酸的应用
乳酸的学名为α-羟基丙酸，分子式为C2H5OCOOH,是一种天然存在的有机酸,广泛存在于人体、动物、植物和微生物中[1]。乳酸是自然界最小的手性分子,分子中羧基A位碳原子为不对称碳原子,具有L( )和D(-)两种构型。L-乳酸为右旋型,D-乳酸为左旋型,L-乳酸和D-乳酸等比例混合即为消旋的DL-型。D-乳酸和L-乳酸除旋光性外,它们的其它理化性质相同[2],但DL-型的物理性质与它们有所差别,表现在其熔点和熔化热比单一D或L构型的低[2]。
D-乳酸具有一元羧酸的典型化学性质，水溶液呈弱酸性，浓度达到50%以上时会部分形成乳酸酐，与一些醇类物质反应生成醇酸树脂，在加热条件能够进行分子间酯化反应,形成乳酰乳酸(C6H10O5)，稀释并加热可再水解成D-乳酸。在脱水剂氧化锌作用下，两分子D-乳酸脱去两分子水，自聚形成环状二聚体D-丙交酯(C6H8O4,DLA)[2]。充分脱水则可形成聚合D-乳酸。由于乳酸越浓自身酯化趋势越强，因此乳酸通常是乳酸和丙交酯的混合物。
聚乳酸是理想的绿色高分子材料。由聚乳酸制成的产品具有很好的生物相容性，其光泽度、透明性、手感和耐热性俱佳，且有一定的耐菌性、阻燃性和抗紫外性，用途十分广泛。可代替硅橡胶、硅油等传统的医用高分子材料制作骨内固定物、细胞培养和医用手术缝合线等医用材料[3];可代聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯等材料生产新型环保包装材料[4];还可用于纺织行业制成手感好、滑爽性强并富有光泽的内衣[5]。聚乳酸包括聚丹乳酸、聚L-乳酸和聚DL一乳酸,3种聚合物的立体化学组成不同，性能也有所不同。由于聚乳酸高分子结构中异构体的含量可调[6]因此可以用3种聚乳酸的不同比例来调整材料的强度和降解周期等性能,以适应不同的需求[7]。
光学纯度D-乳酸(97%以上)作为一个手性中心是多种手性物质的前体,是重要的手性中间体与有机合成原料,广泛应用于制药、高效低毒农药及除草剂、化妆品等领域的手性合成[8]。例如,日本タイセル化学工业公司利用D-乳酸制造优良除草剂骠马(PumaSuper)[9]。德国Hoeehst公司也开发了以D-乳酸为原料的新型高效除草剂威霸(WhipSuper)[9]。德国BASF公司以D-乳酸异丙酯为原料生产除草剂Duplosan,并已大规模投放市场[8]。此外,钙拮抗剂降压药、皮考啉酸衍生物以及二甲四氯丙酸、氟系除草剂等也以高光学纯度D-乳酸作为原料[8]。
随着研究的深人,公乳酸用途不断扩宽,市场需求量也将随之不断增加,所以寻找工艺简单、成本较低、产率较高的公乳酸制备方法将产生巨大的社会效应和经济效益。
1.2D-乳酸发酵的流加补料
补料分批发酵又称流加发酵是指在微生物分批发酵过程中，以某种方式向发酵系统中补加一定物料，但并不连续地向外放出发酵液的发酵技术，是介于分批发酵和连续发酵之间的一种发酵技术。
在20世纪初人们就知道在酵母培养基中，假如麦芽汁太多，会使生长过旺，造成供氧不足，供氧不足会产生厌氧发酵生成乙醇，减少菌体的产量。因此，采用降低麦汁初始浓度，让微生物生长在营养不太丰富的培养基中，在发酵过程中再补加营养，用这一方法可大大提高酵母的产量，阻止乙醇的产生。有时，采用流加发酵（补料分批发酵）虽然降低了菌体的生长速率，但细胞得率提高了。
流加发酵（补料分批发酵）与分批发酵相比，特点在于使发酵系统中维持很低的基质浓度。低基质浓度的优点：①可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当的菌体浓度，使不致于加剧供氧矛盾。②避免在培养基中积累有毒代谢物，即代谢阻遏。与连续发酵相比，流加发酵不需要严格的无菌条件，也不会产生菌种老化和变异等问题，因此，其应用范围较广。③菌种的变异及杂菌污染问题易控制。④便于自动化控制。
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