年产1000吨乳酸的生产工艺设计资料(可编辑修改word版).pdf

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1、 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 姓名 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进，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2.乳酸生产工艺的综述 3 确认生产工艺流程 4.工艺计算和设备选型 5 物料衡算和能量衡算今经济评估 6.用 CAD 画主设备图和工艺流程图 7 翻译

2、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.通过查阅文献及综述，掌握乳酸的国内外生产的研究进展 2.确定乳酸生产的设计方案和工艺流程 3.进行工艺计算和经济评估 4.训练实事求是和严谨的科学作风 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 学生姓名 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

3、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 2.确定乳酸生产的设计方案和工艺流程 3.进行工艺计算和经济评估 4.训练实事求是和严谨的科学作风 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；6.用 CAD 画出工艺的设备图和工艺流程图 预期成果：1.通过设计了解乳酸的生产技术。2.分析

4、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.收集有关乳酸生产技术的资料 2 周（2014.2.252014.3.10）2.完成论文开题报告和设计论文大纲。2 周（2014.3.112014.3.24）3.设计出乳酸生产工艺流程。2 周（2013.3.253013.4.7）4.物料衡算和能量衡算。2 周（2014.4.82014.4.21）5.设备选型。2 周（2014.4.222014.5.5）6.CAD 设计绘图。2 周（2014.5.62014.5.19）7.设计经济效益估算评析。2 周(3014.5.20_2014.5

5、.26)8.完稿，论文排版，核对矫正，检查。1 周(2014.5.272014.6.2)9.定稿，打印，装订。2 天（2014.6.32014.6.4）完成任务所具备的条件及因素：利用图书馆的资料、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）指导教师签字：年 月 日 学生姓名 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

6、周指导次数 5 次 每周指导时间（h）10 小时 备注 2 小时/天 已完成主要内容%待完成主要内容%毕业设计 （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 （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。（论文）工作进度 的各种生产工艺。（3）翻译了一篇与乳酸相关的外文文献。（完成）内容及比 重（4）分析各种乳酸提取方法的比较。（5）确定乳酸的生产工艺流 程方案。70 30 （6）设计生产工艺流程。（7）初步完成设计说明书的撰写。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

7、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。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 Lactic acid is one of the three organic acids

8、which widely used in the world,this design uses simultaneous saccharification and fermentation to produce lactic acid.Simultaneous saccharification and fermentation overcomes the inhibitory effect of traditional fermentation product,saving production cost,improving production efficiency.The design u

9、sed the German Lactobacillus for strains and rice as the main raw materials,wheat bran auxiliary raw materials,adding CaCO3 as neutralizing agent and stabilizer of lactic acid fermentation,after fermentation,the fermentation liquid was pretreated,then a series of separation and reaction were used,fi

10、nally,ion exchange treatment was adopted,we obtained lactic acid with a purity of 80%.Keywords:production of lactic acid,fermentation technology,synchronous fermentation technology 目 录 1 绪论.1 1.1 乳酸的性质和应用.1 1.1.1 乳酸的性质.1 1.1.2 乳酸的应用.1 1.1.3 乳酸的质量检测.1 1.2 全球市场状况及生产状况.2 1.2.1 全球市场状况.2 1.2.2 全球乳酸的生产状况.

11、2 1.3 乳酸的生产方法.3 1.3.1 化学合成法.3 1.3.2 酶法合成.3 1.3.3 发酵法生产乳酸.3 1.4 乳酸发酵过程的介绍.3 1.4.1 菌种.4 1.4.2 乳酸的发酵方法.4 1.4.3 乳酸发酵提取分离方法.5 1.5 我国发酵法生产乳酸的现状.6 1.6 我国发酵乳酸过程中存在的问题的解决方案.7 2 工艺设计及控制.8 2.1 同步糖化法生产乳酸的工艺流程.8 2.2 乳酸发酵条件及控制.9 2.2.1 原料.9 2.2.2 发酵的菌种.9 2.2.3 发酵工艺控制及注意事项.9 2.3 提取工艺及其控制.11 2.3.1 提取工艺流程.11 2.3.2 提取

12、工艺条件.11 2.3.3 提取工艺的控制.11 3 工艺计算及设备选型.14 3.1 设计工艺的条件和要求.14 3.2 设备计算及选型.14 3.2.1 发酵罐的选型.14 3.2.2 调浆罐的选型.15 3.2.3 种子罐的选型.15 3.2.4 预热罐的计算.15 3.2.5 压料罐计算.16 3.2.6 第一次压滤.16 3.2.7 第二次板框压滤.16 3.2.8 双效塔.16 3.2.9 酸解锅.17 3.2.10 第三次板框压滤.17 3.3 生产过程的物料衡算.17 3.3.1 发酵过程的物料平衡计算.17 3.3.2 提取过程的物料衡算.18 3.4 生产过程的能量衡算.1

13、9 3.4.1 发酵过程的能量计算.19 3.4.2 提取过程的能量衡算.20 4 效益评估.21 4.1 员工工资.21 4.2 概算过程.21 4.2.1 建筑工程费.21 4.2.2 设备购买费用.22 4.2.3 生产成本总估算.23 4.2.4 经济分析.23 5 工业三废的处理.25 5.1 有机废水的处理.25 5.2 废气的处理.25 5.3 废渣的处理.25 6 工厂生产的安全措施.27 结 论.28 致 谢.29 参考文献.30 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

14、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，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

15、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。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

16、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

17、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，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

18、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

19、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

20、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

21、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，

22、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

23、、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

24、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

25、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

26、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

27、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

28、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

29、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，

30、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

31、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

32、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

33、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。原料 配料 粉碎 斜面培养 空气 糊化 水 扩大培养 净化 过滤 滤渣 灭菌处 发酵罐 糖化酶 理 预热 乳酸成品 压料 浓缩 板框过滤 离子交换处理

34、 酸液 酸解 酸解液 活性炭 板框过滤 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 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，

35、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，用离心机进行固液分离，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 2.09.0

36、0.50.8 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

37、。（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（78）um（0.50.8）um，镜检时无大的异染颗粒，无与菌种有明显差别的杂菌。2.2.3 发酵工艺控制及注意事项（1）糊化锅 先将原料混合均匀后再将其通入糊化锅，并通入 1.5Kg/cm2 的蒸汽，使得糊化锅的表压达到 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温度降低到 60以下，再将糊化液和夹套的冷却水都通入发酵罐。（2）种子罐 种子培养基的组成成分

38、与发酵培养基的组成成分基本相同，每升培养基中葡萄糖量为 150 g，磷酸氰胺量为 2.5g，碳酸钙量为 100 g。接入菌种量为料液的 0.01 倍，投入培养基后开始搅拌，在 50下培养 24 小时。调节酸碱度为 4.0 左右，产酸为 0.60.7，如果镜检合格菌丝体生长良好，接入蒸 煮罐内进行扩大培养。（3）发酵罐 发酵配料：发酵罐中通入糊化锅夹套中的冷却水，节约生产成本，水温为 50 左右，加入原料然后定容，培养基浓度为 100 g/L，然后通入无菌空气，即能使料液混合均匀，还能增加溶氧量，加乳酸调节酸碱度为 4.8-5.0 时，每克大米添加 120 活力单位的活化酶，其接种量为 10%。

39、发酵控制：德氏乳杆菌的特点是在 4550时进行繁殖，是一种耐高温的乳酸菌，但不耐高酸，因此发酵过程保证酸碱值大于等于 4，现今乳酸发酵所用的中和剂是碳酸钙。该工艺采用分批添加碳酸钙来控制酸碱度，在发酵后 6 小时开始添加（酸碱度不得小于 5.0），每 8 小时添加一次，添加次数为 6 次，碳酸钙添加总量为大米总量的 3/4。泡沫的控制：如果在工业生产中泡沫控制不当，使发酵液中产生大量泡沫时将会对该生产过程造成的巨大危害，比如使得发酵罐装填系数减小，引起原材料的浪费以及产物的损失等。我们可以通过改变发酵液成分配比以及发酵工艺的操作条件的控制来减少泡沫的产生。或者采用化学方法即添加化学消泡剂的方法

40、削弱泡沫的产生，我们还可以通过利用物理的方法使液膜某些部分的局部受力改变，从而使得泡沫破裂。物理法消泡主要采用的生物机械消泡器的结构形式主要有栅式、旋转圆盘式、涡轮式和旋风分离式等几种。发酵后期管理：残糖浓度降低到 1 g/L 时，并且发酵醪有特别黏性时，结束发酵，此时德式乳酸菌活动减弱，丙酸等杂菌开始生长，向发酵液中加入石灰石调节酸碱度，使发酵液的 pH=10 左右，并向其中通入空气使其混合均匀，待石灰完全溶解时停止通空气，然后将其静置、澄清后进入后期提取上清液和沉淀物。2.3 提取工艺及其控制 2.3.1 提取工艺流程 发酵液 预热罐 压料罐 第一次板框过滤 沉降罐 第二次板框过滤 浓缩

41、酸解 第三次板框过滤 浓缩 脱色 离子交换 脱色 浓缩 乳酸制品 2.3.2 提取工艺条件（1）预热沉淀流程 预热罐和沉降罐中的装液系数为 0.8，所以其中的溶液总量均不能超过其总容积的 80%，预热罐中液体的 pH 值保持为 10.0，在其中煮沸 5min，沉降罐中调节其酸碱度不得使其 pH 低于 12，该罐中温度可达到 85-90，MgCl2 加量小于 2%。（2）第一次板框过滤 压料罐的的装液系数为 0.8，所以其进料量不得超过其总体积的 80%，压料罐中的压力要小于等于 40atm，滤渣中含钙量不能超过 2%。（3）双效蒸发工艺 双效蒸发器内的蒸汽压不能超过 0.4atm，其双效塔中的

42、真空度必须低于 0.8atm，向该罐中投料的浓度必须大于 20%。（4）浓缩工艺 浓缩罐中的蒸汽压力必须小于 0.4atm，罐中的真空度要控制在 0.4-0.6atm 之间。该压力下，使温度达到 70的条件时就能蒸发浓缩乳酸，脱色罐的装填系数为 0.72，其进料量不能超过其总体积的 72%，该罐中的工作时间不能小于 24 小时，脱色活性炭的添加量小于等于 1%。2.3.3 提取工艺的控制（1）预热 将发酵结束的发酵液用泵泵入预热罐内进行加热，使发酵醪的温度由 50升高到80左右，并进行适当的搅拌，通过添加碱来调节发酵醪的 pH 值到 10，整个过程要防止析出无水乳酸钙晶体和固体化整个发酵醪，为

43、后续的操作带来不必要的麻烦。（2）压料罐 压料罐中的温度为 140，其中的压力 0.3MPa，总容积为 2.78m3，以空气做为介质。压缩机将预热液从压料罐压入板框压滤机，使板框压滤机进行第一次板框过滤。（3）第一次板框过滤：先给压缩机中通入 75左右的的热蒸汽，预防发酵醪的热料遇冷之后析出碳酸钙晶体，并用板框压紧铺好的滤布，使得热料液自流形成一层过滤层后再慢慢向其中加入物料，进行过滤，当滤液的析出量逐渐减少时，停止向其中通物料。并通入热水冲洗滤渣，同时将滤液冲送到沉降罐中澄清。（4）沉降 沉降罐中的酸碱度必须调节在 pH=12 以上，并将发酵液加热到 90，并加入 2%的 MgCl2，使菌体

44、及其他悬浮物在沉降罐中沉淀下来。（5）第二次板框过滤 第二次板框过滤的主要过滤物质为蛋白质、氨基酸等杂质，可以很大程度上降低杂质含量。其操作方法与第一次板框过滤相同，但在操作前必须要注意板框与滤布之间是否有破损，防止漏液。（6）双效蒸发 在经过双效蒸发塔处理后，可以使得乳酸钙的浓度可达到 26%。双效塔处理操作前要必须用注意检查各阀门是否关闭。（7）酸解 先将乳酸钙的晶体添加到酸解罐中，再向其中加入石膏洗涤水，然后再直接通蒸汽使乳酸钙晶体溶解，并使得乳酸钙的浓度达到 180g/kg 左右，然后再向酸解罐内加入浓硫酸酸解。该过程需要注意的是要控制温度不得高于 70，防止发酵液的碳化和温度对色度比

45、色度的影响。酸解时用 0.1%的甲基紫溶液进行检验乳酸钙，当溶液呈现橘黄色时表示酸解反应完成，酸解反应结束后料液即进入第三次板框过滤。（8）浓缩 工艺条件：常压下乳酸的在 190的温度下乳酸会完全分解，所以不能被蒸馏出来。通过降低压力来使沸点降低，使其低于常压下乳酸的分解点，则会使乳酸蒸馏出来。该工艺中浓缩采用的是真空浓缩循环加热的方法，该方法浓缩的主要特点是能在较低真空度下利用水的沸点比较低的原理将水蒸发掉，完成浓缩的目的。操作过程中，其真空度要控制在 0.4-0.6atm 之间，物料温度必须达到 70左右，蒸汽压必也要控制不能超过0.4atm。工艺操作：操作前需要注意的是首先要检查阀门是否

46、关闭好，必须要保证操作的正常进行。然后再打开真空系统，使蒸汽发生器保持工作一段时间后使其真空度达到一定的值，到达特定值后再向其中添加物料。加热时要保持真空度在一定的范围之内。后期的检查指标主要是浓缩液的密度，当其密度到达 1.18kg/cm3 时表示浓缩反应结束，结束浓缩时要先停止加热，再关闭真空系统。产品纯度：乳酸钙溶液酸解后经过初步净化，再通过过滤除去石膏渣，使其乳酸的浓度达到约 110g/kg 左右。第一次浓缩在较低的真空度下可得到 35%的乳酸，第二次浓缩是在在80kPa 的蒸发器下浓缩后得到工业级乳酸。色度浓缩指的是因为酸度提高后，杂质中的有色物质的反应，使的其色度增加，因此需要用活

47、性炭脱色。（9）乳酸纯化 离子交换法是指通过带电的溶质分子与离子交换介质中的离子相互交换，使带电粒子附着在离子交换柱上，从而达到分离纯化的目的。该法的主要特点是其操作分辨率 高，操作容易且工作容量大。该法的目的即能除去乳酸钙中的钙离子还能使乳酸达到工业级乳酸的标准。操作方法：先向交换柱内添加 732 型的阳离子，再将料液通入添加有 732 阳离子的离子交换树脂的交换柱内，然后再使料液流经 701 型的阴离子交换柱。离子交换时要经常检测流出液中的是否含有 Ca2+和 Fe3+。离子交换树脂的再生 离子交换树脂是可回收再利用的，离子交换树脂的再生主要指的是处理已经经过使用的树脂，使其重新具有使用性

48、能。再生过程主要是去除离子交换树脂中的杂质，具体方法是用大量水清洗之后，用酸和碱处理除去与功能基团结合的杂质，使离子交换树脂回复静电吸附能力。3 工艺计算及设备选型 工艺计算的主要内容是物料衡算和能量衡算，物料衡算主要有原料（大米和麸皮）消耗的计算，还有液化酶、糖化酶、碳酸钙、浓硫酸和活性炭等含量使用的计算。能量计算主要是蒸汽用量的计算和冷却水用量的计算。3.1 设计工艺的条件和要求（1）规模：年产乳酸总量为 1000 吨，其乳酸的纯度要求是 80%（2）原料：大米含量为 10%；（3）淀粉：淀粉在大米中的含量为 70%；（4）淀粉与葡萄糖的理论转化率：111%；（5）总发酵周期：72 小时；

49、（6）发酵的转化率：90%；（7）年生产天数：300 天计算；（8）糊化的温度：90计算；（9）提取过程总收率：75%；第一次过滤收率为 0.9；第二次为 0.92；浓缩的效率为 0.9；（10）精制过程总收率：80%；酸解总收率 0.92；离子交换效率为 0.9；浓缩率 0.96；3.2 设备计算及选型 3.2.1 发酵罐的选型 发酵罐的体积 单个发酵罐的体积为 60m3，（其装液系数为 0.65）。发酵罐的数目 单个发酵罐单批次生产 100%的乳酸的生产量 M 单管单批量=V 发装液系数糖浓度转化率总收率（10.0001%）密度=600.6510%70%111%93%75%0.8（10.0

50、001%）1.2=2.028 吨 年产 100%乳酸的量 纯乳酸量为 10000.8=800 吨发酵罐所需的罐数 N 发酵罐数=年产纯乳酸量（年总工作日单罐单批生产量2472）=800（3002.0282472）=4 个 取体积为 60m3 的发酵罐 4 个。3.2.2 调浆罐的选型 调浆罐的容积 单个调浆罐的体积是 60m3，（其装液系数 0.75）。调浆罐的数目 N=4V 发酵罐容积发酵罐的装液系数（调降灌装液系数V 调浆罐）=4600.65（0.7560）=3.47 个 取 6 0m3 的调浆罐 4 个。3.2.3 种子罐的选型（1）单批种子液中的用量（发酵时间 72 小时，接种量是 0