年产1000吨乳酸的生产工艺设计.docx

1、年产1000吨乳酸的生产工艺设计交通大学毕业设计论文任务书课题年产1000吨乳酸的生产工艺设计专业班级1001班课题简介乳酸在食品、医药、化工等方面广泛应用，且因聚乳酸的大量应用导致乳酸的国际市场需求日益增大，但原有生产方法存在很多不足，故本设计在原有的生产工艺上加以改良，以德氏乳杆菌为菌种，以玉米为主原料，利用同步糖化发酵法，最终获得纯乳酸。设计任务设计要求：年产1000吨纯度为80%的纯乳酸设计任务：1.查阅文献，提出选题的初步设想 3确认生产工艺流程5物料衡算和能量衡算今经济评估7翻译一篇相关文献图纸要求：1.绘制乳酸的工艺流程图1#图纸 2.绘制主设备图1#图纸设计要求1.通过查阅文献

2、及综述，掌握乳酸的国内外生产的研究进展指导教师签字系主任签字主管院长 签章 兰州交通大学毕业设计论文开题报告表课题名称年产1000吨乳酸的生产工艺设计课题来源结合实际，导师制定课题类型BX导 师学生学 号专 业生物工程资料准备：收集有关乳酸的性质及工厂生产方法的国内外研究文献，同时深入了解影响乳酸工厂 生产的影响因素，为乳酸设计生产方案的制定及论文写作奠定了基础。设计目的：通过分析各乳酸生产方法工艺的利弊，确定最优乳酸生产工艺。设计要求：1.通过查阅文献及综述，掌握乳酸的国内外生产的研究进展设计思路：1.研究乳酸生产的相关背景知识和现状，并了解乳酸生产的最新研究进展。2.针对乳酸生产中存在的问

3、题，提出该设计研究的必要性。3.分析各种乳酸生产方法的优缺点，确认乳酸生产方案； 4.设计基本工艺流程图； 5.运用所学知识分析，论证本设计的可行性；预期成果：1.通过设计了解乳酸的生产技术。 2.分析不同生产乳酸的方法、确定最优乳酸生产方案。 3.设计出生产效益高、生产周期短的生产工艺任务完成阶段及时间安排：1.2014.3.102.2014.3.243.3013.4.74.2014.4.215.2014.5.56.2014.5.197.设计经济效益估算评析。 2周 (3014.5.20_2014.5.26)8.2014.6.2)9.2014.6.4完成任务所具备的条件及因素：利用图书馆的资

4、料、文献，查阅的各种期刊和网络资源，不断提出问题，同指导老师探讨，并融合所学的相关知识。 指导 教师 意见 签名： 年 月 日 兰州交通大学毕业设计论文学生自查表中期教学检查用学生专业生物工程班级指导教师姓 名职称讲师课题名称乳酸生产工艺设计个人精力实际投入日平均工作时间8小时周平均工作时间40小时迄今缺席天数无出勤率%100%指导教师每周指导次数5次每周指导时间h10小时备注2小时/天毕业设计论文工作进度完成内容及比重已完成主要内容%待完成主要内容%（1）设计整体规划。（2）查阅有关乳酸的相关文献及书籍并概括出乳酸的各种生产工艺。（3）翻译了一篇与乳酸相关的外文文献。（4）分析各种乳酸提取方

5、法的比较。（5）确定乳酸的生产工艺流程方案。（6）设计生产工艺流程。7初步完成设计说明书的撰写。70（1）设备选型及物料衡算和能量衡算。（2）经济效益分析。（3）主设备图和流程图的绘制。30存在问题（1）由于缺乏实践以及初次接触工艺的生产线设计，所以生产线的设计还需进一步完善。（2）由于本设计缺乏实验生产数据，故其实际生产的可行性还有待实践验证。 指导教师签字： 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，

6、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别离反应，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 Lactic acid is one of the three organic acids which widely used in the world, this design uses simultaneous saccharification and fermentation to produce lactic acid. Simultaneous sacchar

7、ification and fermentation overcomes the inhibitory effect of traditional fermentation product, saving production cost, improving production efficiency. The design used the German Lactobacillus for strains and rice as the main raw materials, wheat bran auxiliary raw materials, adding CaCO3 as neutra

8、lizing agent and stabilizer of lactic acid fermentation, after fermentation, the fermentation liquid was pretreated, then a series of separation and reaction were used , finally, ion exchange treatment was adopted, we obtained lactic acid with a purity of 80%.Keywords: production of lactic acid, fer

9、mentation technology, synchronous fermentation technology 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lactic acid，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

10、，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、酸味剂和复原剂。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0.30.5的硬酯酰乳酸钙就可以使面包的体积增加3040，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

11、。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

12、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检测方法做了改良，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，提高显色的比照度 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，20082010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

13、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/%工业应用食品饮料医药及个人护理总计100100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年时已到达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

14、增加的趋势，总之美国的乳酸消费量以68%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%，20082013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

15、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，再将其经过别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

16、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

17、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

18、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

19、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，后期难以别离和纯化 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，菌丝体大而且易于别离，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7

20、5%，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别离法发酵。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，有待于进一步的改良。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

21、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正确方式。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，该法可以防止由于葡萄糖浓度过高而引起的底物抑制作用，该法的转化率可到达98%，发酵周期为47小时。该方法

22、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

23、生产。1.4.3 乳酸发酵提取别离方法别离方法主要有分子蒸馏提纯、酯化水解法、膜别离法、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别离的液液别离技术。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，其主要别离原理是根据蒸发器与冷凝器之间的距离为10-2，该距离值小于分子间平均自由程来别离。该技术可以到达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

24、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。膜别离是一种新型的化工别离方法，现今膜别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

25、纳滤、反渗透或电渗析的方法。微滤和超滤的孔径能到达除杂菌的目的，可以将乳酸菌体从发酵液中别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，到达食品乳酸的要求。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别离方法，采用降温处理使乳酸盐在发酵液中结晶从而别离出来。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，

26、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，然后将别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

27、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

28、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，还可防止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。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。 同步糖化法生产乳酸的工

29、艺流程图1：同步糖化法生产乳酸的工艺流程 该工艺的生产过程主要为：大米和麸皮经粉碎糊化处理后，与水以4:1:5的比例混合配成发酵原料，经过灭菌后通入发酵罐，再加入菌种、净化空气和淀粉糖化酶进行发酵。发酵液经过升温和过滤处理，再将其通入中和罐，以CaCO3做中和剂处理；再经过过滤洗涤，得到乳酸钙固体，送入酸解罐酸解。酸解罐中添加浓H2SO4进行酸解，并加入活性炭进行脱色；然后通过板框压滤机过滤和沉降过滤，除去CaSO4及杂质。酸解后的过滤液经离子交换处理，再进行蒸发、浓缩和结晶；结晶完成后，用离心机进行固液别离，最后通过干燥和筛选得到成品乳酸。2.2 乳酸发酵条件及控制2.2.1 原料该工艺生产

30、的主要原料为大米，辅助原料为麸皮，大米与麸皮和水的比例为4：1：5。2.2.2 发酵的菌种该生产工艺选择的菌种是德氏乳酸杆菌。德氏乳杆菌在分类学上是属于真细菌目、乳杆菌科、乳杆菌属。其大小是微米，是革兰氏阳性菌。该菌种可以利用麦芽糖、葡萄糖、半乳糖和糊精等碳源来发酵生产乳酸，德氏乳杆菌的最适生长温度是45，但该菌在50时仍具有生物活性，能耐受55高温。1菌种的扩大培养乳酸发酵一般为纯种培养，接种量为10%，所以必须进行菌种的扩大培养，其生产方法是将试管原种先接种到10ml试管培养一段时间后转接到200ml的三角瓶 中，再转接到1L三角瓶后转接到1000L种子罐再转接到60m3发酵罐。该菌种为兼性好氧菌，应采用斜面冻结保存菌种，使用时进行活化处理，将原种转接到10ml试管，在45下培养24小时，适当转接多次，再接种到发酵罐中。2接种物成熟标志发酵液中乳酸菌种细胞密度为7101081010个/ml，大小为78um0.50.8um，镜检时无大的异染颗粒，无与菌种有明显差异的杂菌。2.2.3 发酵工艺控制及注意事项1糊化锅先2的蒸汽，使得糊化锅的表压到达100Pa，保持表压100Pa不变30分钟后，然后再结束糊化反应，此项过程结束的标准是无夹生大米且充分膨胀。糊化过程结束时，先降低压力释放出多余的蒸汽，然后向夹套中通入冷却水使糊化液的