项目建设书.docx

1、项目建设书1 项目建设的意义和目的1.1 项目提出的背景乳酸是世界化工、食品、医药行业的重要有机原料，可用于食品、医药、塑料、饲料、农药、日用化工、造纸及电子工业等领域，据预测，未来的发酵有机酸消费市场中乳酸的需求量将超过现在的柠檬酸而跃居第一位。可见其用途广泛，市场发展空间大，产品附加值高。聚乳酸的原料属可再生物质,如玉米等,原料来源广泛,价格低廉,绿色环保。而且材料在废弃后能自然降解，最终生成二氧化碳和水，对环境不产生污染。此外，乳酸菌及其制品对人体应用的效用广泛，主要有：提高食品的贮藏性能，延长贮藏时间，抑制了有害物质的产生，防止便秘，提高了钙、磷、铁的利用率。有助于儿童脑及神经系统的发

2、育，提高机体的免疫力，增强抗病能力等等。L-乳酸是以玉米等粮食作物为原料, 安徽省作为中国重要的粮食产区，地处我国华东地区,在长江中下游平原和淮河地区腹地，生产玉米等粮食的资源优势十分明显，作为南方地区玉米等粮食作物不作为日常食量,余量很大,提供丰富的原材料。1.2 项目建设的意义聚乳酸在中国应用的意义不仅仅体现在环保方面，对于循环经济、节约型社会的建设也将有积极的作用。化工塑料的原料提取自不可再生的化石型资源-石油，而石油正在成为一种稀缺的消耗性资源。提取自植物的聚乳酸显然有着取之不尽的原料供应量，而分解后的聚乳酸又将被植物吸收，形成一个物质的循环利用。所以聚乳酸有“在地球环境下容易被生物降

3、解的”塑料之称。 而且相对于化工塑料，聚乳酸不会产生更多的二氧化碳。因为聚乳酸的原料-玉米在生长过程中通过植物的光合作用，又会消耗二氧化碳。此外，聚乳酸的产业化将大大提高农作物的附加值。以玉米为例，中国每年库存达3000多万吨，且大部分被当作了饲料，如果用于生产聚乳酸，形成“玉米乳酸聚乳酸共聚共混物各种应用制品”的产业链，可大大提高玉米的价格，提高农民收益。根据我国可持续发展战略，以再生资源为原料，采用生物技术生产生物降解的聚乳酸的市场潜力巨大。将粮食产品深加工，生产高附加值的产品是实现跨越式经济发展的重大举措。我国是世界产粮大国，玉米产量排在美国之后居世界第二位。以玉米为原料，引进国外先进技

4、术，建设大型聚乳酸装置有很大的发展空间。2 产品需求初步预测低碳环保行动的推广，促进了生物降解塑料的应用，带动了生物降解塑料产业的兴起。合占2009年全球生物降解塑料消费90%的三类塑料淀粉基塑料、聚乳酸（ ）和聚羟基烷酸脂（ ），产能增长迅速，由2007年的30.6万吨增长到2009年的69.5万吨，年复合增长率为50.7%。然而，2009年全球生物降解塑料占所有塑料需求的比例还不到1%，与生物降解塑料代替传统塑料的大趋势相比，生物降解塑料行业的市场空间非常大。顺应国际形势，中国生物降解塑料产业发展也很快。2007年生物降解塑料产能为8万吨；2009年产能猛增到15万吨，几乎是2007年的两

5、倍。但是，2009年中国国内的生物塑料消费量还不到0.8万吨，95%以上的生物塑料原料和制品出口到欧美等发达国家，这主要是由于欧美等发达国家的环保意识强，且国民富裕，较易接受高价格的生物降解塑料。全球产能在2013年产能将增长到708kt/a，比2009年产能增长了212.6%。根据日本生物降解塑料研究会的资料，2002年日本生物降解塑料生产量约1万吨，2003年约2万吨，2005年约4万吨，到2010年预计达到1020万吨左右。根据欧洲生物塑料协会资料，2001年的数字显示，欧盟可生物降解产品的消费量为2.53万吨，而传统聚合物的用量高达3500万吨。欧洲生物塑料协会预计2010年传统聚合物

6、的用量将达到5500万吨，而生物降解塑料的用量届时会达到50100万吨。可生物降解材料最终可能会占据10%的市场份额。在生物降解材料中原料采用可再生资源的比例将占到90%以上。按照中国塑协降解塑料专业委员会的统计，我国2003年生物降解材料的用量约15000吨，其中不添加淀粉的生物降解聚合物约1000吨。2005年从事生物降解塑料的企业约30家，生产能力6万吨/年，实际生产约3万吨，国内市场需求约5万吨，国外进口1万吨，出口2万吨。预计2010年产能将达到50万吨左右。3产品方案和拟建规模 3.1产品方案通过发酵法生产乳酸，然后用丙交酯开环聚合的方法合成聚乳酸。然后注射挤出成型，制成成品。3.

7、2 拟建规模年产5万吨L乳酸及聚乳酸。4 工艺技术方案4.1 L-乳酸的发酵生产乳酸的生产主要有生物发酵法和化学合成法。化学合成法因其原料具有毒性,且只能生产D,L混合型乳酸,所以其应用受到了限制。生物发酵法发酵生产乳酸则具有底物成本低,生产温度温和,能耗低且可以用于生产高光学纯度单一构型的乳酸等优点。近年来,每年大约有90%的L-乳酸是通过生物发酵法获得的。乳酸发酵的模式主要有分批发酵、补料分批发酵、半连续发酵和连续发酵。其中分批发酵、补料分批和半连续发酵有利于获得较高的乳酸终浓度、较高的乳酸得率及较高的底物利用率。而连续发酵则可以在较高稀释率下获得高的乳酸产率。传统乳酸发酵多采用发酵生产和

8、分离纯化相分离的技术。发酵过程中乳酸的产生会导致发酵液pH的降低,尽管添加各种中和剂可以起到维持适当pH的作用,但是发酵液中未解离的乳酸会通过细胞膜的扩散作用进入到细胞内,从而抑制菌体活性,特别是pH变动幅度较大时,短时间内高浓度的未解离乳酸会大量进入细胞体内,抑制菌体生长产酸,甚至会导致菌体的提前衰亡。传统发酵过程中常通过使用CaCO3、Ca(OH)2等调节剂维持pH值,将产生的乳酸转化成乳酸钙的形式。发酵结束再通过碱化,过滤,脱色,硫酸酸化,纳滤,离子交换,浓缩,分子蒸馏等手段提取乳酸纯品。目前的工业化规模生产中多采用上述的生产方法。尽管该工艺具有操作简单,CaCO3等耗材价格低廉,设备成

9、本低等优点,但其不足之处也是显而易见的,如劳动强度大、耗能多、收率低且环境污染严重等。因此,改进乳酸发酵工艺,实现收率高、自动化程度高、生产成本低的发酵与分离纯化有效联合进行的连续生产模式,并推广工业化,是目前研究的主要趋势。Joglekar等综合评价了近年来各种乳酸发酵和分离纯化技术及组合工艺的优势和不足。从成本角度考虑,目前工业化规模中常用的传统乳酸发酵工艺最经济适用。但是如何处理传统工艺中产出的大量石膏却是环保工作的一大难题。因此从清洁生产的角度讲,基于连续发酵和原位乳酸分离技术相结合的新型乳酸发酵工艺更为环保高效(图1)。新型发酵工艺的应用还有待于众多相关研究的技术性突破,包括建立底物

10、利用率高、自动化程度高的连续发酵生产模式和高效经济的乳酸分离纯化工艺。 “乳酸分离纯化费用几乎占了整个乳酸发酵生产成本的50%。近年来,利用萃取法、离子交换吸附法、膜分离法、电渗析法和酯化蒸馏法等新型高效分离方法分离纯化乳酸已经成为研究的热点。萃取法分离纯化乳酸,能够在发酵的同时直接从发酵液中将乳酸萃取出来,从而有效地减缓pH的降低,具有耗能低、选择性好、无细菌污染等优点。然而萃取分离方法中使用的萃取剂,特别是有机溶剂可能会对菌体产生毒性。随着细胞膜上有机溶剂的积累, 细胞的膜结构可能会被破坏,细胞内的蛋白可能会变性,代谢过程中所需的各种酶的活性可能会受到抑制。因此寻找对细胞毒害作用小甚至是无

11、毒的萃取剂是充分发挥萃取法分离纯化乳酸优越性的关键所在。Michiaki等通过对比多种乳酸生产菌株对具有不同疏水系数的多种有机溶剂和离子液的耐受性,发现疏水系数可以间接反映有机溶剂对乳酸生产菌株的毒性。这为考察新型有机溶剂或离子液对菌体的毒性提供了一种新思路。Michiaki等前期研究还发现叔胺和磷酸三丁酯协同萃取乳酸较单一萃取剂的萃取效果更理想。同时还发现随着叔胺烷基链长度的增加,萃取效率也随之提高。其中三正辛胺显示了最高的萃取效率,继续增加烷基链长度,则萃取效率下降。三正辛胺和磷酸三丁酯协同萃取乳酸得到了最优的萃取效率。Kailas等65通过Alamine-336形成两相,辛醇萃取回收乳酸

12、,并经叔胺反萃取乳酸,作用过的叔胺经水溶还原再次用于反萃取,从而形成了闭环的乳酸萃取体系,无需额外添加试剂,为实现工业化生产奠定了基础。离子交换吸附法分离乳酸的优点在于:可以直接用于原位乳酸分离,选择性高,易于自动化。Isam等以沸石膜为吸附剂从发酵液中原位分离获得乳酸,尽管收率只有65%,但该方法简单易行,吸附剂可重复利用,且节省附加分离设备,显示了其应用潜力。然而多数离子交换法分离乳酸存在设备费用高,回收效率低等不足,特别是发酵液中的SO4-2和Cl-等阴离子会与乳酸根竞争树脂上的吸附位点。因此寻找价格低廉且能高效吸附乳酸根的树脂,并通过各种手段提高得率和产率显得极为重要。WangYuTo

13、ng等通过对比IRA-400、PVP和IRA-92 3种离子交换剂用于发酵液中分离乳酸的性能,确定IRA-92具有更理想的分离效果。并以IRA-92为交换树脂首次考察了操作条件对离子交换法分离乳酸的影响。在优化后的操作条件下,进行实验室规模的乳酸分离实验,最终获得的乳酸得率、纯度和产率分别为82.6%、96.2%和1.16gLA/(g-resinday)。膜分离法是一种乳酸发酵和分离有机整合的发酵形式。该方法具有如下优点: (1)不用担心反混现象的发生; (2)避免了菌体与萃取剂的直接接触,具有更好的生物适应性; (3)节省了搅拌; (4)利用纤维筛、超滤滤膜等辅助材料实现菌体的循环利用,同时

14、将乳酸从发酵液中移走,有助于获得高的细胞浓度,更有助于建立自动化程度高的乳酸发酵生产模式。Crilo等在研究中采用了交叉流纤维筛设备实现了菌体的循环利用。Danner等则充分考虑到利用回收的菌体进行发酵容易存在染菌的危险,在嗜热菌发酵乳酸的体系中引入了超滤膜回收利用菌体设备,并取得了良好的效果。利用固定化技术实现菌体的循环利用则有效地避免了纤维筛、超滤滤膜等辅助设备所带来的附加费用。藻酸盐作为固化剂在众多研究中显示了优越的细胞附着性能,特别是经过化学法修饰后的藻酸盐具有更强的稳定性,有效地弥补了多数固化剂因pH降低而影响稳定性的不足,更好地推进了固定化技术对菌体的循环利用。乳酸的分离纯化过程中

15、,过多的分离步骤不仅降低了乳酸得率,附加的设备成本也影响了其规模化应用。电渗析方法在简化乳酸分离步骤提高回收率方面优势显著。Madzingaidzo等成功建立了单电极渗析和双电极渗析组合使用的乳酸分离纯化工艺。整个纯化过程主要有两个工序组成。前期单电极渗析获得最高浓度达150g/L的乳酸钠,回收率90%左右,处理速率300g/m2h,残糖和乙酸含量分别低于2g/L和1.5g/L。后续的双电极渗析在同样的处理速率下,回收率不低于90%,且杂质含量更低。另外,生成1M的乳酸盐耗水量只有0. 070Kg。电渗析方法处理发酵液时,不具备电离特性的葡萄糖仍残留在处理液中,因此尽可能地减少处理液中残留的葡

16、萄糖可以避免不必要的浪费。GaoMin-tian等通过间歇开启电渗析设备的方法,较好地提高了发酵液中葡萄糖的利用率,减少了处理液中葡萄糖的残留。Makoto等则通过在线残糖检测,控制电渗析设备的开启的方法,使发酵液中的葡萄糖维持在较低的水平,减轻了底物的抑制作用提高了乳酸产率。应用电渗析方法分离纯化乳酸还有助于回收利用发酵液中的营养成分,降低发酵成本。Yung-JungWee等通过回收利用电渗析处理废水作为进一步发酵的营养成分,补充100g/L的葡萄糖作为碳源获得了92. 4g/L的乳酸产量,产算速率为0.67g/Lh。此外,通过补充150g/L全玉米粉水解液和5g/L的玉米浆,产率和菌体最大生长速率比单纯补充葡萄糖分别提高了2.5倍和1.8倍。发酵液中其它阴离子的去除,是电渗析方法中的一大难题。高成本的电渗析设备也是阻碍该方法用于大规模生产的主要因素。因此研制低成本的高效电渗析设备是该方法进一步研究的主