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物质的过程。
1.4.1 菌种
发酵乳酸的微生物主要有细菌类和霉菌类两大类，细菌类主要有乳杆菌、链球菌和芽孢杆菌，霉菌主要是根霉菌。发酵法一般使用的微生物都具有同型发酵、营养要求简单、产酸迅速、产酸量高、耐高温和耐高浓度产物的抑制作用等特点[11]。一般野生菌都不满足该要求，只有通过诱变等方法选育出适合发酵的菌种。
菌种的传统诱变方法主要有化学诱变、物理诱变等方法，传统诱变方法存在着工作量大和不确定性因素多的缺点。目前研究新型育种方法有诱变育种、基因工程与代谢工程育种、基因组改组和染色体融合技术育种，各种方法各有利弊，可根据目的不同选择适宜的诱变方法，获得目的菌株[12]。现今工业上的菌种主要有细菌发酵和根霉菌发酵。 （1）细菌发酵
细菌发酵生产乳酸的主要机理是同型发酵，该法主要是将丙酮酸转化为乳酸。利用同型乳酸发酵葡萄糖生产乳酸得率超过85%[6]，此发酵过程中，1 mol葡萄糖可以生成2 mo1乳酸。
细菌发酵的发酵产物纯度高，副产物少，能耗少，发酵无需空气，搅拌动力低，成本较低，理论转化率100%，实际转化率大于90%，后期提取与生产过程的调控比较简单还无污染。该法的主要缺点是生产成本高，后期难以分离和纯化 [8]。 （2）根霉菌发酵
根霉属中米根霉生产乳酸的能力最强。菌丝匍匐爬行，无色，在37-40℃下能生长。根霉发酵的机理是好氧异型发酵，通过糖酵解途径发酵生产，再生成乳酸的同时还生成唬拍酸、苹果酸和乙酸等其他代谢产物，导致乳酸光学纯度降低了，其理论转化率为75%。 米根霉营养要求低，可以直接利用淀粉质等生物质原料生产L-乳酸，其培养基比较简单，只需添加少量的无机氮源，菌丝体大而且易于分离，生产的L-乳酸纯度高且易于精制，有利于工业化生产高纯度的L-乳酸，理论转化率75%，实际转化率65%左右，发酵过程中需要通气搅拌导致能源消耗大，导致其生产成本增加，原料利用率降，后期很难除去发酵产生的杂酸，容易污染且工艺控制困难。
1.4.2 乳酸的发酵方法
乳酸发酵方法主要有半连续发酵法、连续发酵法、同步糖化发酵法、固定化发酵法和原位分离法发酵。
目前乳酸的发酵原料多为淀粉质，其发酵工艺包括多个步骤，首先高温条件下对底
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物进行糊化和液化，然后用淀粉酶等将其糖化，转化成葡萄糖等可发酵糖，再进一步经微生物发酵生成乳酸。淀粉糖化时间一般较长，温度较高，能耗高，因此以淀粉质为原料，经糖化和发酵两步工艺的经济性较差，有待于进一步的改进。
同步糖化发酵中的糖化过程和发酵过程是在同一个反应器器中进行的，即将酶与菌种同时加入到反应罐，使酶催化水解反应和微生物发酵过程耦合的生产工艺。糖化过程中产生的葡萄糖立即就发酵生成乳酸，该法克服了高浓度葡萄糖对反应的抑制作用和糖化酶对反应的产物抑制作用。同时加快了整个工艺周期，缩短生产时间，节约设备投资。在较低温度下进行同步糖化发酵仍然有较高的利用率，该发酵法是高低物浓度在低反应体积下进行低生产成本的最佳方式。
同步糖化发酵法生产乳酸的量受多种外界因素的影响，其中主要的影响因素就是原料、水解酶、菌种和温度等，理论上以淀粉类材料为发酵的主要原料，该法可以避免由于葡萄糖浓度过高而引起的底物抑制作用，该法的转化率可达到98%，发酵周期为47小时。该方法中糖化酶的最适反应温度应该较高，且在一定范围内，仍保持有酶活性，可以通过提高温度来增加酶活性，同时加快反应速度和提高产品质量。
淀粉糖化酶能在常温条件下将淀粉分子的a-1，4和a-1，6糖苷键切开，而使淀粉转化为葡萄糖。糖化酶能随作用的温度升高活力增大，超过55℃又随温度升高而活力急剧下降，本品是最适作用温度是50-55℃，最适作用PH舒值在4.0-4.5左右 。
糖化酶的特点主要是糖化酶对设备没有腐蚀性，使用安全，工艺简单、性能稳定、有利于各厂的稳定生产；使用糖化酶对淀粉水解比较安全，可提高出酒率，麸曲法能减少杂菌感染，节约粮食可降低劳动强度，改善劳动条件；使用糖化酶有利于生产机械化，有利于实现文明生产。
1.4.3 乳酸发酵提取分离方法
分离方法主要有分子蒸馏提纯、酯化水解法、膜分离法、结晶法、双极膜电渗析法等几种。
分子蒸馏技术是指极高真空的条件下依据分子运动均匀自由程的距离差分离的液－液分离技术。分子蒸馏技术的蒸发器部件主要分为降膜式、离心式和刮模式等三大类，其主要分离原理是根据蒸发器与冷凝器之间的距离为10-2 ~0.2m，该距离值小于分子间平均自由程来分离。该技术可以达到清除小分子杂质和提纯的目的。
酯化水解法是指通过甲醇与发酵液反应后，蒸馏出的乳酸甲酯后再水解得到高纯度的乳酸，从而获得精品级乳酸的有效方法。由于化学反应平衡的限制，其产率不高。近
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年来，高效催化剂和工艺的使用使这种传统的乳酸精制技术得到了新的发展。
张猛等人对乳酸提纯的反应精馏工艺建立了非平衡级稳态模型。但由于酯化反应的特性，所以提高反应转化率的主要手段是及时从体系中脱除产物和水。Tanaka等采用T沸石膜将体系中的水及时移除体系，使得酯化反应的转化率高于平衡转化率，接近与100％。Sun等采用铵盐中和发酵法，采用丁醇与乳酸铵酯化，然后精馏出乳酸丁酯再水解制备得到纯度极高的乳酸产品，总收率达85.6％。催化反应和渗透汽化等集成技术的使得传统的乳酸酯化水解法得到了新的发展，虽然过程能耗较高，但也为乳酸精制方法提供了一种新的精制方法。
膜分离是一种新型的化工分离方法，现今膜分离技术已经在各个领域中得到了广泛应用。乳酸精制过程则主要采用纳滤、反渗透或电渗析的方法。微滤和超滤的孔径能达到除杂菌的目的，可以将乳酸菌体从发酵液中分离出来进行重复使用，过滤过程中吸附和浓差对通量的衰减起主要的作用。纳滤和反渗析能一定程度上提高乳酸质量，达到食品乳酸的要求。双极膜电渗析发酵法实现了发酵过程中乳酸的在线移除。此法制备乳酸的最大优点是过程简单、物耗降低、三废排放少和乳酸产品质量高。
结晶法是一种传统的分离方法，采用降温处理使乳酸盐在发酵液中结晶从而分离出来。钙盐法是目前国内工厂中采用最多的方法。在发酵液中加入碳酸钙与乳酸反应，调节反应体系的pH值，发酵结束后浓缩降温结晶从而得到乳酸钙晶体，乳酸钙再与硫酸反应制备乳酸，运用此法生产产品质量较高，但其收率低（50％以下）、物耗高和废水量大等缺点，限制了其大规模应用。因此可以采用锌盐结晶的方法来提取乳酸，在粗乳酸钙的溶液中加入硫酸锌溶液反应，在发酵液还未变冷时滤去石膏再冷却结晶，然后将分离出来的晶体溶解后，再通入硫化氢制备出乳酸，反应生成的硫化锌沉淀再与硫酸反应生成硫酸锌和硫化氢，两者均可回收再利用，用此方法可以使乳酸的收率提高到60％左右[14]。
1.5 我国发酵法生产乳酸的现状
现今我国乳酸生产主要采用的方法是利用微生物发酵法 [3]，微生物发酵法是国家重点支持的高新技术，该技术符合我国产业政策和高新技术产业化生产的方向。
当今主要有三大因素刺激我国乳酸工业的工业化发展，第一个因素是我国大量的白色塑料污染垃圾，用乳酸生产的聚乳酸替代聚氯乙烯，聚乳酸在自然条件下可以降解，其具有良好的可塑性和生物相容性,经过特殊处理的聚乳酸克服了耐热性差和抗冲击强度低的缺点,使聚乳酸具有优良的机械性能和物理性能。第二个主要因素是乳酸可以解决
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温室效应问题，二氧化碳和水反应生成乳酸，乳酸又可通过降解成二氧化碳，所以其在降低温室气体方面有很大的作用。最后一个因素就是乳酸在生物燃料方面有很大的作用，是当前解决减少化石燃料消耗的重要方法之一。
1.6 我国发酵乳酸过程中存在的问题的解决方案
我国发酵采用传统的发酵技术，其发酵受底物和产物的抑制作用，生产规模小、L-乳酸产品拓展和聚乳酸研究滞后，还有糖化和发酵两步工艺的经济效益低，有待于进步，制约着L-乳酸工厂化规模化的发展。
同步糖化发酵是将酶催化水解碳水化合物底物和细菌发酵结合的生产模式，具有操作简单，无需单独糖化，即克服了糖化酶的产物抑制作用，还可避免因初始糖浓度过高而引起的底物抑制作用，还可以减少生产周期，节约其生产成本和提高乳酸生产效率的作用。
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2 工艺设计及控制
同步糖化发酵技术是将糊化液直接通入发酵罐中，并向其中添加糖化酶使淀粉糖化生成葡萄糖，糖化酶的酶活力随温度升高而增大，最适温度为55℃，最适pH为4.0-4.5。该技术克服传统发酵中糖化酶的产物抑制作用和因初始糖浓度过高而引起的底物抑制作用，节约生产成本且提高乳酸生产效率的作用。
2.1 同步糖化法生产乳酸的工艺流程
图1：同步糖化法生产乳酸的工艺流程
原料 配料 粉碎 斜面培养 糊化 水 扩大培养 过滤 滤渣 空气 净化 灭菌处理 发酵罐 糖化酶 预热 乳酸成品 压料 浓缩 板框过滤 离子交换处理 酸液 酸解 活性炭
酸解液 板框过滤
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