年产1000吨乳酸的生产工艺设计毕业设计论文.docx

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年产1000吨乳酸的生产工艺设计毕业设计论文

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

摘要

乳酸是应用最为广泛的三大有机酸之一，本设计采用同步糖化发酵法来生产乳酸，同步发酵技术克服了传统发酵产物抑制作用，节约生产成本，提高生产效率。

该设计的生产方案为：

以大米为主生产原料，麸皮为辅助原料，以德氏乳杆菌为菌种，添加碳酸钙作为乳酸发酵的中和剂和稳定剂，经过发酵得到的发酵液。

发酵液经过预处理和一系列分离反应，从而得到粗乳酸，在经过离子交换法处理得到纯度为80%的纯乳酸。

关键词：

乳酸生产工艺，微生物发酵，同步糖化发酵法

Abstract

Lacticacidisoneofthethreeorganicacidswhichwidelyusedintheworld,thisdesignusessimultaneoussaccharificationandfermentationtoproducelacticacid.Simultaneoussaccharificationandfermentationovercomestheinhibitoryeffectoftraditionalfermentationproduct,savingproductioncost,improvingproductionefficiency.ThedesignusedtheGermanLactobacillusforstrainsandriceasthemainrawmaterials,wheatbranauxiliaryrawmaterials,addingCaCO3asneutralizingagentandstabilizeroflacticacidfermentation,afterfermentation,thefermentationliquidwaspretreated,thenaseriesofseparationandreactionwereused,finally,ionexchangetreatmentwasadopted,weobtainedlacticacidwithapurityof80%.

Keywords:

productionoflacticacid,fermentationtechnology,synchronousfermentationtechnology

附录一：

英文文献

附录二：

英文文献翻译

附录三：

设备流程图

附录四：

主设备图

1绪论

1.1乳酸的性质和应用

1.1.1乳酸的性质

乳酸英文名称lacticacid，学名2-羟基丙酸，分子式为C3H6O3，相对分子质量为90。

呈强酸性，并具有吸湿性、旋光性，可与水、乙醇、乙醚、丙酮混溶。

葡萄糖可以在人体中分解产生水、二氧化碳和丙酮酸，同时产生少量ATP，随后丙酮酸和氢结合可以生成乳酸。

当人体运动过于剧烈或着持久时，葡萄糖将会因缺氧而在身体内大量分解为乳酸，造成体内乳酸累积，使体液呈酸性，削弱细胞的正常功能。

1.1.2乳酸的应用

乳酸在工业、食品、医药等多方面有很多用途[2]。

乳酸被广泛用作防腐剂、酸味剂和还原剂。

在罐头、酱类和饮料等的生产中，乳酸可以替代苯甲酸、山梨甲酸等对人体有毒副作用的防腐剂，剂，同时又可作为这些食品柔和的酸味剂；在啤酒生产过程中，利用乳酸调节pH值，不仅能促进原料糖化，而且还可以抑制杂菌的生长；乳酸乙酯是调配新香型白酒的不可缺少的香料；添加0.3％~0.5％的硬酯酰乳酸钙就可以使面包的体积增加30％～40％，同时还能防止面包老化。

乳酸在医疗方面有很多重要的应用，可以作消毒剂和载体剂。

乳酸钠制成的溶液可以治疗酸中毒、高钾血症等疾病，该溶液还可解除由糖尿病或胃炎引起的中毒。

乳酸酯类物质可以用做溶解药物的溶剂，增加人体对药的吸收量，降低毒副作用，该物质还能制成片剂的润滑剂。

由聚乳酸制成在临床上有广泛应用的有缓释胶囊制剂、可生物降解手术缝合线、生物植入片等。

在化学工业中，乳酸是生物可降解塑料聚乳酸的主要原料，聚乳酸因其具有良好的机械性能和透气性等优点广泛被应用的同时。

聚乳酸还是代替聚氯乙烯（PVC）和聚丙烯（PP）消除由“白色污染”所造成的环境危机的物质。

乳酸还可以用于皮革制造行业，使皮革柔软细腻，能使纺织纤维有光泽。

乳酸和乳酸钠对改善皮肤结构有很好的效果，同时乳酸酯具有溶解性好、无毒、增塑性、容易回收等优点。

乳酸还可用做合成树脂涂料、胶黏剂、香料、和石油管道的清洗剂。

1.1.3乳酸的质量检测

乳酸的监测除检查外观外，还需检查乳酸的含量、重金属的含量、Fe2+和Ca2+含量等指标。

明恒磊等对传统的EDTA检测方法做了改进，克服了传统方法变色欠佳的缺点，他们在指示剂中添加茜素溶液做为衬色剂，提高显色的对比度[13]。

1.2全球市场状况及生产状况

1.2.1全球市场状况

全球乳酸的应用主要在工业科技、食品饮料、医药与个人护理等几大方面，乳酸主要分布在欧洲、亚洲和北美洲等三大区域，截止2007年，世界乳酸需求呈快速增长的趋势，供需缺口在扩大，2008~2010年之间，乳酸行业迎来新的发展机遇，世界各国致力于开发利用生物制品，将谷物等原料加工成乳酸，再进一步制成其衍生物和聚乳酸。

2008年和2013年乳酸的全球消费情况如下表所示：

表1：

2008年和2013年乳酸消费情况

2008

2013

消费量（千吨）

比例/%

消费量（千吨）

比例/%

工业应用

160.8

46.0

260.4

52.7

食品饮料

139.8

40.0

168.6

34.1

医药及个人护理

48.8

14.0

65.1

13.2

总计

349.4

100

494.1

100

乳酸主要应用与工业生产方面，而且其发展呈增长趋势，2008年工业生产方面的消费量占整体消费的46%，到2013年时已达到52.7%，全球来说，美国、西欧和亚洲将在未来几年内有很大的增长势头。

1.2.2全球乳酸的生产状况

（1）国外乳酸的生产状况

美国的乳酸生产量和消费量都是呈逐年增长的趋势，其主要应用是在工业应用方面（包括聚乳酸的生产），该项消费量占总消费量的67%，食品饮料方面市场需求也呈逐年增加的趋势，总之美国的乳酸消费量以6~8%的速度增长，美国90%的乳酸进口量都是从泰国和西班牙进口的，乳酸盐主要从中国和荷兰进口。

2008年西欧的乳酸生产量降低，其主要原因是当时乳酸生产成本太高，使得PURAC停止其在西欧的乳酸生产，同时大部分厂家也因成本太高而停止生产，2005-2008年消费量的年均增长率为7.7%，2008~2013年年均消费增长量为9.1%。

西欧乳酸的消费主要是公业应用，尤其是PLA生产的应用[19]。

（2）国内乳酸的生产状况

杨晓宇[18]研究了我国2005年到2009年乳酸的市场状况，其中我国2009年乳酸的总产量是160千吨，主要使用的生产方法是发酵法。

在这五年内，我国乳酸市场的进出口情况发生了很大的变化，进口数量逐年增加，进口价格也有上下波动，但其变化不大。

出口数量和价格总体呈上升趋势。

我国乳酸的消费量以每年6%的增长率增加。

1.3乳酸的生产方法

1.3.1化学合成法

化学合成法生产乳酸的方法主要有乳腈法、丙酸法和丙烯腈法。

丙酸法主要是由丙酸和Cl2进行反应，生成2-Cl丙酸，再与NaOH反应生成乳酸。

丙烯腈法是指先将丙烯腈和硫酸反应，再将反应产物和甲醇反应，从而得到乳酸，再将其经过分离和精馏得到纯乳酸的过程。

乳腈法是乙醛和HCN反应产物与水和硫酸得到产物，再与乙醇反应生成酯，在水解得到乳酸的生产过程。

化学合成法的主要不足是其生产原料具有毒性，且不能生产单旋光性的乳酸。

通过该法生产的乳酸主要应用于食品行业方面，因此必须除去其中有毒的化学物质。

1.3.2酶法合成

酶法合成主要有本崎等[9]人研究的1,2-氯丙酸酶法和Hummd等人研究的丙酮酸酶法转化法，但这两个方法都有个缺点，就是生产工艺复杂，不适用与工业化生产，现今主要应用与实验室研究。

1.3.3发酵法生产乳酸

目前，工业化生产乳酸一般均采用糖类物质发酵法，发酵法生产乳酸首先要将淀粉类物质经过糖化、糊化之后酶解再进行发酵，同时加入碳酸钙进行中和，发酵完后经过过滤处理得到乳酸钙溶液，再接着将其通过75%的浓硫酸分解得到乳酸和硫酸钙沉淀，再经过过滤就可得到粗乳酸溶液，最后采用吸附脱色和离子交换法去除溶液中的杂质离子而得到纯乳酸。

发酵法生产乳酸的主要特点是设计工艺简单、生产条件温和和产品光学纯度高[7]。

1.4乳酸发酵过程的介绍

乳酸发酵微生物的过程主要分为菌种的选育、发酵和后期提取。

菌种对发酵营养条件、生长周期、产量等起着决定性因素，发酵方法是指对优良菌种提供良好的生存环境和营养需求，保证菌种的正常生长。

后期提取是指利用发酵液的性质从其中提取出有用物质的过程。

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，1mol葡萄糖可以生成2mo1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