生工工程王丽媛8000L乳酸工段工艺设计

毕业设计（论文）手册 课题名称： 8000吨/年L-乳酸工段工艺设计 学 院： 生物工程学院 班 级： 生物工程1020班 学 号： 0909030108 姓 名： 王丽媛 指导教师： 姚秀清 8000吨/年L-乳酸发酵工段工艺设计 王丽媛（辽宁石油化工大学，石油化工学院，生物工程1037）摘 要L-乳酸是一种重要的食用有机酸，需求量仅次于柠檬酸，可用于食品工业、医药工业和制造生物可降解聚合物等多个领域。L-乳酸除了具备普通乳酸的性质外，另外还具有独特的生化价值，被广泛的应用于食品、医药、化工等行业。经过查阅大量的文献资料，首先确定了本设计中的发酵原料、发酵菌种、发酵方法，在此基础上确定了L-乳酸发酵工段工艺流程。本设计以薯干为原料，以米根霉为发酵菌种，采用乳酸传统发酵方法。根据年生产量对发酵过程进行了物料、热量衡算。经过衡算，给出了8000吨/年L-乳酸发酵工段所需要消耗的物料量以及消耗的蒸汽量、冷却水量。依据衡算结果，在选定高径比（H/D=2）条件下，设计了发酵罐、种子罐的主要尺寸和个数，并给出了发酵罐换热器的传热面积，搅拌器的轴功率、通气量等。另外又设计了配料罐体积。最后可根据上述计算得出的数据绘制了工艺流程图、发酵罐三视图及发酵车间发布图。关键词： L-乳酸，发酵，工艺设计 The fermentation process design of L-lactic acid with an annual output of 8000 tonsWang liyuan(Class 1002, School of Bio-engineering, Liaoning Shihua University, Fushun, 113001, Liaoning)AbstractL- lactic acid was an important edible organic acid and the demand was only smaller than the citric acid, which could be used in various fields of food industry, pharmaceutical industry and be manufactured biodegradable polymers. L- lactic acid not only had the nature with ordinary lactic acid, also had unique biochemical value. It was widely used in food, medicine, chemical industry etc.Through access to information, raw materials, strain production and method of fermentation in this design were first identified. Based on this, process flow of L- lactic acid was given. In this design, Sweet potato was selected as raw materials and Rhizopus oryzae was strain. Materials, energy and major equipment structure size were calculated. At the same time, the required amount of material consumption,steam consumption and consumption of cooling water were given for 8000 tons / year an annual output of 8000 tons of L- lactic acid. According to the calculation results, with the selected ratio of height to diameter (H/D=2), the main dimension and number of fermentation tanks and seed tanks were calculated. The heat transfer area of fermentation tank ,stirrer shaft power and ventilation were also given. Finally, based on the calculated data, process flow diagram , three views of the main equipment and were drawn with CAD.Key words：L-lactic acid, Fermentation, Process designV目录摘 要IAbstractII1.文献综述11.1 L-乳酸的理化性质11.1.1 L-乳酸的物理性质11.1.2 L-乳酸的化学性质21.2国内外L-乳酸的应用21.2.1 L-乳酸在食品行业中的应用21.2.2 L-乳酸在医药行业中的应用31.2.3 L-乳酸在轻工、化工行业的应用31.2.4 L-乳酸在农业上的应用41.2.5 L-乳酸在烟草行业的应用41.2.6 L-乳酸在皮革制作行业的应用41.2.7 L-乳酸在纺织行业的应用41.2.8 L-乳酸的聚合物作为可生物降解塑料的应用41.2.9 L-乳酸衍生物的应用51.3国内外的生产和消费状况52.生产工艺的概述72.1菌种概述72.1.1米根霉发酵的特点及目前的研究状况72.1.2乳酸菌菌属72.2 发酵L-乳酸的原料102.2.1发酵L-乳酸时所需的碳源及新型碳源的概括102.2.2新型氮源的概括122.3生产L-乳酸的三种方法132.3.1.发酵法13 2.3.2.合成法 132.3.3.酶化法142.4 1L-乳酸的发酵方法142.4.1传统L-乳酸的发酵方法142.4.2 L-乳酸发酵的新工艺152.5 设计的目地152.6生产流程简述162.6.1 L-乳酸的生产工艺流程图172.7乳酸提取工艺的研究172.7.1钙盐法172.7.2 萃取法182.7.3 吸附法192.7.4 膜法192.8乳酸的精制203.原材料及产品的主要技术规213.1菌种的选择213.2发酵原料的选择213.2.1种子培养基213.2.2发酵培养基213.3设计依据213.4设计范围223.5 工艺技术指标及基础数据224.工艺计算244.1物料衡算244.1.1发酵罐244.2热量衡算264.2.1发酵罐的热量衡算264.2.2种子罐的热量衡算295.主要设备的计算325.1发酵罐的设计325.1.1发酵罐的尺寸设计325.1.2发酵罐搅拌器轴功率计算335.2种子罐的计算345.2.1种子罐的尺寸计算345.2.2种子罐轴功率计算355.3发酵液的贮罐计算355.4配料罐的计算355.4.1发酵罐配料罐355.4.2种子罐配料罐355.1设备选型表格366.小结38参考文献39致谢418000吨/年L-乳酸发酵工段工艺设计1文献综述1.1 L-乳酸的理化性质1.1.1 L-乳酸的物理性质HOOH3CHD(-)-乳酸H L(+)-乳酸HOOHOHH乳酸(LacticAcid)，学名为-羟基丙酸(-Hydroxy-Propanoic-Acid)，分子式为C3H6O3，结构式为CH3CHOHCOOH，相对分子质量90.08，是一种常见的天然有机酸。乳酸分子内含有一个不对称碳原子，具有光学异构现象，有D型和L型两种构型，其中L-乳酸为右旋，D-乳酸为左旋，其结构式见图1。当L-乳酸和D-乳酸等比例混合时，即成为外消旋的DL-乳酸。不同分子构型的乳酸有不同的理化性质，如表1所示2。纯净的无水乳酸是白色结晶体，熔点为16.8，沸点为122(2kPa)，相对密度为1.249。乳酸通常是乳酸和乳酰乳酸的混合物，为无色透明或浅黄色糖浆状的粘稠液，几乎无臭或微带有脂肪酸臭，味酸易与水、乙醇、乙醚、丙二醇、甘油混溶，几乎不溶于氯仿、石油醚、二硫化碳和苯。浓度达到60以上的乳酸具有很强的吸湿性。L-乳酸纯品为无色液体，工业品为无色到浅黄色液体。无气味，具有吸湿性。相对密度1.2060(25/4)。熔点18。沸点122（2kPa)。折射率nD(20)1.4392。能与水、乙醇、甘油混溶，不溶于氯仿、二硫化碳和石油醚。在常压下加热分解，浓缩至50%时，部分变成乳酸酐，因此产品中常含有10%15%的乳酸酐。 HO 图1.1乳酸的结构式 Figure 1.1 Structure of lactic acid 表1.1：乳酸的理化性质Table 1.1： Physical and chemical properties of lactic acid构型熔点/比旋光度D20解离常数（25） 熔化热/（KJ/mol）LD LD25-2625-26183.33.30 1.3710-41.3710-41.3710-4 16.87 16.87 11.351.1.2 L-乳酸的化学性质乳酸分子中既带羟基又带羧基，是自然界中存在的最广泛的一种羟基羧酸，也是最简单的一种羟酸，同时乳酸具有自动酯能力，可以参与氧化、还原、缩合、酯化等反应，从而制备多种乳酸衍生物。1.2国内外L-乳酸的应用乳酸，Lactic Acid，又名-羟基丙酸。乳酸是世界上公认的三大有机酸之一。其分子中有一个不对称的碳原子，所以有两种旋光异构体，即L-乳酸和D-乳酸。乳酸广泛存在于自然界中，如在血液、酸奶、泡菜、奶酪、及啤酒中都有发现。乳酸用途很广，主要用于食品、医药、化工、轻工等行业。1.2.1 L-乳酸在食品行业中的应用由于L-乳酸对人体无毒无副作用，而且易吸收，可直接参与体内代谢,酸性柔和且稳定，有助于食品的风味，作为酸味剂、乳化剂、杀菌剂、保鲜剂,pH调节剂、啤酒、糕点等广泛的应用于食品行业。与柠檬酸、苹果酸等食用酸相比具有很强竟争力。在美国，乳酸用于软饮料方面很大程度取代了柠檬酸、磷酸等；在啤酒制造上，美国禁止使用磷酸调节声，而全部改用乳酸。朱蓓薇等用保加利亚乳酸杆菌与嗜热链球菌混合发酵板栗水解液，证明了用板栗水解液可以生产乳酸发酵饮料，用加工其它板栗产品时剩下的不成型小块、碎块等下脚料为综合利用板栗资源开发出一条新途径。乳酸制品的衍生物的研究也纷多繁杂，比如：海带发酵乳酸饮料，红薯酸奶加工，猕猴桃汁乳酸发酵，南瓜汁乳酸发酵饮料，葡萄酒苹果酸乳酸发酵等纷纷进入研究。乳酸菌发酵肉圆可以制得口感好，更营养，保质期长的食品。乳酸还可以应用于发酵香椿芽，改善传统发酵的高盐分对风味的影响。1.2.2 L-乳酸在医药行业中的应用医药行业的应用L-乳酸可直接配置成药物或制成乳酸盐使用，由于乳酸对人和畜无害，而且有很强的杀菌作用，因而，乳酸可直接用作室内外环境、饮食、手术室、病房、实验室、车间等场所的消毒剂。L-乳酸、L-乳酸钠与葡萄糖、氨基酸等复合配置成输液，可治疗酸中毒及高钾血症L-乳酸亚铁、L-乳酸钙、L-乳酸锌是补充金属元素的良好药品。聚L-乳酸属于无毒的高分子化合物，具有生物相容性,在人体内能被分解成L-乳酸，为人体代谢，不引起变态反应，因此广泛用于生产缓释胶囊制剂，这样可使血液循环中药物浓度相对降低，大大提高疗效，降低副作用。用于治疗癌症药物方面已取得可喜进展。由L-乳酸制成的生物降解纤维可用来制成手术缝合线，它随伤口愈合而被机体分解吸收，不需拆线，这特别适合人体深部组织的缝合，减少病人痛苦和提前康复。另外，还用它作为生物值片，以修复骨折或其他机体损伤，绷带、人造骨骼及药物释放等生物医用材料。L-乳酸作为可生物降解医用材料，人类对医用高分子材料的需求日益增大，特别是用于人体内的高分子材料要求较高，需具有良好的物理化学性能，还要求与人体组织有良好的相溶性，有相当的机械强度及耐久性，可经受各种消毒处理及良好的加工性能，无毒副作用等。聚乳酸材料具备了这样的条件，因此正在开发应用于生物医学领域如手术缝合线、骨科固定、组织修复材料、医用外套、个人卫生用品及药物控制释放体系等。1.2.3 L-乳酸在轻工、化工行业的应用在轻工、化工行业的应用可作为纺织品的助染料剂，在电子、航空和航天及半导体工业中作为精细金属清洁剂。在化妆品和清洁卫生用品方面可作为添加剂。在卷烟工业中，可用乳酸除去烟草中杂质，清除辛辣味，改善口味，提高烟草档次。聚乳酸可以加工成无纺布、纺织纤维等生态纤维材料。1.2.4 L-乳酸在农业上的应用由发酵获得的阻乳酸氨溶液，可直接作为青贮料添加剂，应用于农业饲料。另外L一乳酸还可以作为植物生长活力剂，水产用生菌剂等应用于农、渔业上,具有十分诱人的的开发前景。聚L一乳酸或与其它材料共聚制成的生物降解塑料还可用于生产缓释农药，优点在于延长农药使用时间，对农作物和土壤无毒害作用，提高农药使用效率，国际上正在大力推广应用。1993年，美国阿尔贡国立实验室已将聚乳酸用于制造能在土壤中完全分解的农用薄膜，现正在推广之中。由于德、意、奥、美等国相继制定法规限制非降解塑料的应用，因此制造可分解塑料是人们非常关注的间题。1.2.5 L-乳酸在烟草行业的应用在烟草中加入适量L乳酸可提高烟草的品质，并能很好的保持烟草的湿度。1.2.6 L-乳酸在皮革制作行业的应用把L乳酸作为皮革加工的鞣顺剂，可使皮革柔软细腻，从而提高皮革的品质。1.2.7 L-乳酸在纺织行业的应用通过L-乳酸处理过的纤维织物，易着色，增加光泽和触感柔软、舒适。1.2.8 L-乳酸的聚合物作为可生物降解塑料的应用生物工程材料聚L-乳酸是以L-乳酸为原料合成的高分子材料，无毒，具有良好的生物相溶性，可生物降解吸收，强度高，可塑性加工成型。它易被自然界中的各种微生物或动植物体内的酶分解代替，最终形成二氧化碳和水，不污染环境。因而被认为是最有前途的可生物降解高分子材料。可生物降解塑料为解决塑料废弃物对环境造成污染问题，可生物降解塑料已经在许多国家开始研究与应用。聚乳酸塑料可用作生产农用薄膜、食品包装袋、保鲜膜、餐盒、塑料容器等。此外聚乳酸有望在不久的将来代替PVC、PP等各种不可降解的塑料，以消除“白色污染”所造成的环境危机。产品购物袋、食品容器、吸管、包装膜等可生物降解的包装材料。1.2.9 L-乳酸衍生物的应用表1.2 L-乳酸及其衍生物的应用Table 1.2 Application of L-lactic acid and its derivative名 称 用 途L-乳酸L-乳酸钙L-乳酸亚铁L-乳酸钾L-乳酸钠硬脂酰乳酸钙硬脂酰乳酸钠脂肪酸乳酸酯甘油混合酯脂肪酸甘油乳酰酯L-乳酸酯酸味剂、防腐剂、啤酒PH调节剂、杀菌剂、保鲜剂风味增强剂、固化剂膨松剂、营养补充剂、稳定剂、增稠剂营养补充剂、婴儿配制食品风味增强剂、调味剂、保湿剂、PH控制剂调味剂、保湿剂、乳化剂、防腐剂、防冻剂面团增强剂、蛋制品起泡剂乳化剂、稳定剂、组织柔软剂乳化剂、增塑剂、表面活性剂乳化剂、增塑剂、表面活性剂乳化剂、增塑剂、表面活性剂 溶剂、香料1.3国内外的生产和消费状况 国外的生产状况目前世界上乳酸的主要生产地区为美国、西欧和日本等，近80%的生产厂家采用发酵法进行生产。发酵法的原料，荷兰一般用甜菜糖，美国用玉米淀粉，巴西用蔗糖。世界最大的乳酸生产企业是荷兰的PURAO公司，总公司在荷兰，美国、巴西设有分公司，全部采用发酵法生产。美国有ADM和STERING两家乳酸生产企业。在美国，约有60%的乳酸应用于食品工业，其中有26%乳酸直接用于食品行业，其他的应用于制备乳酸盐和乳酸酯类以及医药行业。美国对乳酸的利用已经处于世界先进水平，聚乳酸已经开始大规模推向市场。西欧的PURAO公司，分别在荷兰和西班牙建设生产装置，均采用发酵法生产，西欧的乳酸的70%用于食品行业。日本乳酸生产企业有日本武藏化学公司和日本大赛化学公司两家。日本乳酸的消费结构为：60%是食品行业，30%用于工业，余下的10%用于医药和化妆品。国内的生产状况我国的乳酸工业始建于20世纪40年代，起步发展于20世纪80年代中期到90年代初期，目前，我国正常生产乳酸的厂家有20余家，总生产能力约为2万t/a。我国乳酸生产和国外先进水平差距很大，乳酸生产规模小，发酵罐仅仅30吨/台到60吨/台，产酸率低；产品仍以DL-乳酸为主，占80%，产品色度质量不高；另外在后提取方面更有较大差距，总体来说，成本很高。我国乳酸的最大应用领域是香料和香精行业，其用量占乳酸总消费量的40%，主要用于生产乳酸乙酯应用于调制各类酒。目前全国约有25%的啤酒生产厂在使用乳酸。 2.生产工艺的概述2.1菌种概述2.1.1米根霉发酵的特点及目前的研究状况米根霉能生成淀粉酶和糖化酶，他能直接利用糖，也可以利用淀粉或淀粉质原料直接生成L-乳酸， 根霉所产的乳酸光学纯度好，但是产酸量低，需氧，耗能高。米根霉发酵产生乳酸，但同时伴随乙酸、富马酸、琥珀酸、苹果酸、乙酸等其他产物的产生，它们之间的比例随着菌种和工艺不同而异。1996年Longacre等通过分析米根霉葡萄糖代谢流分析，将乳酸的产率提高到75%86%。Zhou 等采用米根霉ATCC52311优化发酵葡萄糖生产L-乳酸工艺研究，使乳酸生产率达88%但是米根霉发酵时间长，需氧耗能高，副产物多，包括乙酸、富马酸、苹果酸、苹酰乙酸对L- 乳酸纯化提取带来难度。通过基因工程技术改变米根霉代谢流，修饰、扩展和构建代谢途径，改变内代谢通量的分配，使米根霉在一定条件下生成更多的乳酸。白冬梅等通过代谢通量分析优化米根霉R1021发酵生产D(+)-乳酸过程,最大理论L-乳酸产率达98.2。另外，可以利用 DNA重组技术构建工程菌，Hakki等利用乳酸链球菌，L-乳酸脱氡酶基因ldhL的DNA 序列设计引物，采用RT-PCR扩增米根霉ldhL片段，构建米根霉菌基因工程菌。根霉有乙醇发酵的酶，以至霉菌在短期缺氧状态下可以生长。在氧气限制条件下，一个仅表达5野生型乙醇脱氢酶活力的突变子被分离。2.1.2乳酸菌菌属乳酸细菌不能直接发酵淀粉，必须经过糖化过程，转变为糖质原料才能发酵。乳酸细菌属于化能异性微生物除了碳源作为主要原料外，乳酸细菌的生长和发酵还需要复杂的外来营养，必须提供各类氨基酸、维生素、核酸等因子。发酵原理如下图2-1所示。乳酸菌产酸量高，厌氧，好能低，但是产物含有部分D-乳酸。乳酸链球菌(Lactococcus)的优势是只产生L-乳酸。Jeonga等分离筛选到一株乳酸链球菌，控制pH6.0条件下，32发酵，葡萄糖浓度为 60g/L，乳酸对葡萄糖的转化率为90.2%。而对乳酸链球菌ldhL基因的Lac操纵子的拷贝数增加的结果仅仅导致乳酸产量的些微增加。乳杆菌以其产酸量高、产酸快的优势，成为广大研究者关注的热点。乙酰CoA乙酸TCA环 葡萄糖丙酮酸乳酸乙酰苹果酸草酰乙酸乙醇琥珀酸丙 酸丙酮酸脱氢酶丙酮酸羧化酶乳酸脱氢酶丙酮酸脱氢酶复合体 乙酰CoA合成酶EMP 图2-1 乳酸菌发酵代谢途径Figure 2-1 lactic acid fermentation metabolic pathway乳杆菌包括同型乳酸发酵和异型乳酸发酵两种类型，异型乳酸发酵乳杆菌产生L-乳酸光学纯度高，但是产量低，同时伴随大量副产物产生(如乙酸、乙醇、丁酸等)。同型乳酸发酵乳杆菌产量高，但是同时产生两种同分异构体构型，从外消旋乳酸混合物中分离纯化L-乳酸成本太高，可能只能依靠昂贵的色谱技术。最理想的是筛选只产L-乳酸的菌株或者以遗传技术改良菌株。因此，近年来，研究人员在通过基因工程和代谢工程改良乳杆菌提高L-乳酸产量和光学纯度方面做了大量研究。Ferain等采用增加基因拷贝数使编码L-乳酸脱氢酶基因在植物乳杆菌 L.plantanum中过量表达，L-乳酸脱氢酶活性提高了13倍。但是，对L-乳酸或总乳酸产量几乎无影响。以德氏乳杆菌为出发菌株，采用类似青霉素浓缩营养缺陷型的经典育种方法改变培养条件使D-乳酸脱氢酶灭活，获得D-乳酸脱氢酶缺陷型ATCC55163，产100L-乳酸以乳清渗透液为原料发酵20h，乳酸浓度达77.8g/L，产率1.11g/Lh。Lapierre采用基因缺失方法使ldhD基因中8-bp缺失，获得一株L.johusonii ldhD基因灭活突变株，突变子完全失去D-乳酸脱氢酶活性，L-乳酸脱氢酶活性保留下来，L- 乳酸产量也有些微增加。Nikkila等采用L.helveticusldhD用根霉生产L-乳酸与乳酸菌相比，根霉对糖转化率低,其理论值为75%，而使用乳酸菌时，糖的转化率理论值可达100%，在实际生产中都能在90%以上。(L-乳酸脱氢酶)基因灭活策略，通过基因替换的方法，构建两株稳定ldhD基因灭活乳杆菌(lact-helveticus)。其中一株通过启动子区域内部缺失阻止 ldhD 基因转录构建，另一株用ldhL基因代替ldhD基因构建，两株构建菌株L-乳酸脱氢酶活性分别提高了53%和93%且只生产L-乳酸,L-乳酸产量增加一倍，与野生型总产酸量相等。Niju等人采用NTG诱L.rhamnosusMTCC1408菌株，分离到一株只生产L-乳酸的adh突变株，且乳酸产量增加了6.6%在研究如何提高L-乳酸产量和光学纯度的同时，对乳杆菌适于发酵生产工艺方面也做了大量研究。2002年,Zhang等采用基因组(genome-shuffling)方法获得一株耐受低pH的突变菌株，此菌株可在pH3.8条件下发酵，在此条件下，乳酸以游离形式在可以直接用有机溶剂将乳酸从发酵液中萃取出来，从而降低了产品的纯化成本。2007年，Wang等采用基因组改组技术对干酪乳杆菌进行提高耐酸性和L-乳酸生产速率的研究,获得一株能够在pH3.6条件下生长的突变株,在pH3.8条件下，L-乳酸产量提高了3.1倍；在CaCO3中和pH条件下，L-乳酸的生产速率达到5.77g/Lh，比原始菌株提高了26.5% 1.5%。 2.2 发酵L-乳酸的原料2.2.1发酵L-乳酸时所需的碳源及新型碳源的概括一般用于发酵生产-乳酸的碳源葡萄糖、蔗糖、乳糖、麦芽糖、甘露糖、木糖和半乳糖均可以作为碳源发酵生产-乳酸。利用那些高纯度糖发酵生产乳酸可以获得高纯度产物，而且有利于节省后提取成本。然而，-乳酸的市场流通价格低廉，以高纯度糖发酵生产-乳酸显然是不经济的。这些原料激励了现代技术如超滤、电渗析的发展。目前研究比较集中的新型碳源主要有:淀粉质原料、糖蜜、乳清、纤维质原料及多种回收利用资源、工农业副产物和生活垃圾等资源。(1)酒糟就是一种常见的纤维质材料，且来源丰富,仅巴西每年就有190万吨酒糟产生于酿造业。酒糟经化学法和酶法综合处理后，获得了富含葡萄糖的水解液，并作为碳源成功地应用于乳酸生产中。(2)葡萄糖和酶法综合处理后，获得了富含葡萄糖的水解液，采用同步糖化发酵工艺直接利用纸浆废水，先将纸浆废水酶解处理，再作为碳源用于-乳酸的发酵生产，其优越性在于：低木质素含量和细微的颗粒形式有利于酶制剂的高效降解；高蛋白含量可以节省添加的氮源；来源广，成本低；对其进行回收利用有利于保护环境，特别是保护水源。(3)羊草（黍黄灯笼）青贮饲料也可以用于发酵乳酸。 (4)苹果渣也被看作是乳酸发酵生产的潜在碳源。2003年,西班牙的苹果酒制造工业产出了超过2万吨苹果渣，每年全世界产生的苹果渣有几百万吨。Beatriz等通过研究发现，每100kg干苹果渣经过处理，并经LactobcillusrhamnosusCECT-288发酵可生成46.5Kg乳酸，同时还可以产出13.4Kg寡聚糖和8.2Kg微生物体。(5)米糠作为一种农业废弃物，广泛存在于世界各地，日本农林渔业部宣称：仅2002年，日本的米糠产出量就高达90万吨。Min-TianTao等通过采用酸解处理米糠的方式取代以往的酶解处理方式不仅降低了原材料处理成本而且显著提高了产酸速率。(6)大豆是一种在中国各地区广泛种植的农作物，大豆叶茎作为大豆种植的主要副产物产量巨大。2000年中国大豆叶茎的产出量为2500万吨。Xu等报道了利用大豆叶茎酶解物作为碳源发酵生产乳酸的研究。利用两株-乳酸产生菌株混合培养的方式，将乳酸转化率提高到71%。(7)上世纪大量植物藤被焚烧,不仅生成了大量温室气体破坏了环境，而且对资源是一种严重的浪费。地球陆地表面藤本植物生长丰富，仅西班牙的加西亚省每年就可产出约6.5万吨的植物藤。充分利用这些资源具有深远的环保意义。Bustos等成功利用植物藤酸解液实现了L-乳酸的连续发酵生产。(8)来源于食品工业和厨房垃圾的有机废料也含有丰富的碳源，且年产出量惊人。以日本为例：仅2000年，这类有机废料的年产量高达1940万吨。因此开发利用这类资源用于产品的生产意义重大。(9)源丰富的农业废弃物木薯渣，经液化糖化处理后作为碳源也表现出优良的乳酸生产潜力。(10)Rojan等以甘蔗渣为支撑物，酶法处理后的木薯渣为碳源：采用固态发酵法，经LactobacillusdelbrueckiiNCIM2025发酵生产乳酸。发酵参数优化后的数据显示，99%的总糖被转化成乳酸。这一成果为开发利用廉价的农业废弃物发酵生产-乳酸提供了一个环境友好型的实施方法。(11)糖蜜是制糖业的主要副产物，因其富含蔗糖，可以被多种-乳酸生产菌株直接代谢发酵产生乳酸。Sule通过考察米根霉以甜菜糖蜜为碳源发酵产乳酸的情况发现，甜菜糖蜜不经处理可直接用于L-乳酸发酵，不需要额外添加其他营养成分。而经巴氏消毒处理过的甜菜糖蜜，产酸能力并不理想。若处理后的甜菜糖蜜添加10/的酵母膏，仍然可以达到较理想的产酸水平，乳酸终浓度比不添加酵母膏时可以高出约23%。(12)乳清是乳制品加工行业的主要副产物。由于乳制品加工行业的兴旺，每年都产生大量的乳清，如美国2005年乳清产量就高达3500亿加仑(约13亿立方米)。这些乳清或被当作垃圾处理掉，或被用作肥料和动物饲料。乳清中含有4.5%5%的乳糖，0.6%0.8%的可溶性蛋白，0.4%0.5%(/)的脂类物质，以及多种矿物质盐。因此利用可代谢乳糖的菌种发酵乳清生产乳酸具有广阔的应用前景。Abolghasem等研究证实Bifidobacterium，LongumNCFB2259可以以乳清为碳源发酵生产乳酸。ANTTI等进一步探索了利用乳清发酵生产乳酸的工艺。通过添加具有蛋白水解性能的微生物(如BacillusmegateriumCCM2037)对乳清进行预处理，可以丰富乳清中的氨基酸含量降低蛋白含量，从而有利于乳酸生产菌株对乳清的利用，同时也可以减少含蛋白丰富的氮源的添加降低成本。2.2.2新型氮源的概括根霉属-乳酸生产菌株，因其自身具有较完善的维生素和蛋白质的合成能力，外加氮源的要求不高，多数根霉属-乳酸发酵生产中添加一定量的无机氮源即可满足菌体生长的需要。然而乳酸细菌则对氮源的要求比较苛刻。大部分乳酸细菌需要补充维生素和蛋白等外加营养物质。各种氮源中,酵母膏表现出了最有效的营养补充功能，但昂贵的价格限制了它在工业生产中的应用。另外酵母膏和蛋白胨等氮源的添加也促进了发酵过程中多种杂酸的生成，增加了后提取工艺的成本。KiBeom Lee研究不同配比的玉米浆与酵母膏作为氮源对乳酸发酵的影响，结果显示玉米浆替代部分酵母膏作为氮源可以达到同样的产酸水平，且氮源成本有所降低。(1)鱼类废弃物水解液和回收的菌体起到了与玉米浆类似的作用，而且用这两种氮源替代酵母膏都有助于提高发酵液的洁净度。(2)Altaf等首度报道了利用红豆粉和酵母菌体作为氮源进行乳酸的发酵生产。Aicha等通过(NH4)2SO4、胰化大豆、尿素、蛋白胨及干酪素水解液5种廉价氮源与维生素组合的方式实现了在未明显降低产量的条件下替代酵母膏，从而降低了氮源的费用。2.3生产L-乳酸的三种方法2.3.1.发酵法 发酵法的主要途径是糖在乳酸菌作用下，调节pH值5左右，保持大约50或60dm；发酵三到五天得粗乳酸。发酵法的原料一般是玉米、大米、甘薯等淀粉质原料，以苜蓿、纤维素等作原料，乳酸发酵阶段能够产酸的乳酸菌很多，但产酸质量较高的却不多，主要是根霉菌和乳酸杆菌等菌系。不同菌系其发酵途径不同，可分同型发酵和异型发酵，实际由于存在微生物其它生理活动，可能不是单纯某一种发酵途径。发酵法分同型发酵和异型发酵。CH3CH(OH)COOC2H5+H2OCH3CH(OH)CNNNCH3CH(OH)CNNNH2SO4 H2OH2OHCNC2H5OHCH3CH(OH)COOC2H5+H2OH2O 2.3.2.合成法 (1) 乳腈法：乳腈法是将乙醛和冷的氢氰酸连续送入反应器生成乳腈（或直接用乳腈作原料），用泵将乳腈打入水解釜，注入硫酸和水，使乳腈水解得到粗乳酸。然后再将粗乳酸送人酯化釜，加入乙醇酯化，经精馏、浓缩、分解得精乳酸。美国斯特林化学公司及日本的武藏野化学公司均采用此法合成乳酸。 具体的公式如下图2-2所示：CH3CH(OH)CNNN 图2.2：乳腈法生产L-乳酸的流程图Figure 2.2: Flow chart of Milk produced L-lactic acid nitrile 乳腈法只能生产外消旋体乳酸，且其原料氢氰酸的剧毒性大大的限制了生产和发展。(2)丙烯腈法 ：丙烯腈法是将丙烯腈和硫酸送入反应器中水解，再把水解物送人酯化反应器中与甲醇反应；然后把硫酸氢铵分出后，粗酯送入蒸馏塔，塔底获精酯；再将精酯送入第二蒸馏塔，加热分解，塔底得稀乳酸，经真空浓缩得产品。(3)丙酸法：丙酸法以丙酸为原料，经过氯化、水解得粗乳酸；再经酯化、精馏、水解得产品。该法原料价格较贵，仅日本大赛路公司等少数厂家采用。反应如下图2-3所示： Cl2CH3CH2COOCl2HCH3CHClCOOHH2OCH3CH(OH)COOH图2.3：丙酸水解法生产L-乳酸流程图Figure 2.3: Flow chart of Acid hydrolyzed L-lactic acid produced2.3.3.酶化法 氯丙酸酶法转化：利用纯化了的L-2-卤代酸脱卤酶和DL-2-卤代酸脱卤酶分别作用于底物L-2-氯丙酸和DL-2-氯丙酸，脱卤制得L-乳酸或D-乳酸。L-2-卤代酸脱卤酶催化L-2-氯丙酸，而DL-2-卤代酸脱卤酶既可催化L-2-氯丙酸，又可催化L-2-氯丙酸生成相应的旋光体，催化同时发生构型转化。丙酮酸酶法转化：从活力最高的乳酸脱氢酶的混乱乳杆菌DSM20196菌体中得到D-乳酸脱氢酶，以无旋光性的丙酮酸为底物可得到D-乳酸。2.4 1L-乳酸的发酵方法2.4.1传统L-乳酸的发酵方法传统乳酸发酵工艺即分批发酵和补料分批发酵，仍占有重要地位。以代谢产物为目的的分批发酵，几乎都受最终产物的抑制，传统分批发酵的方法是添加CaCO3、NaOH、NH4OH 来中和发酵产生的乳酸，维持培养基的最适pH从而使微生物充分利用营养物质，将葡萄糖最大程度的转化为乳酸。发酵设备要求简单，自动化程度低，劳动强度大，后处理难度大，收率低，环境污染严重。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。2.4.2 L-乳酸发酵的新工艺乳酸发酵过程中由于不断生成产物(乳酸)而使发酵液的酸度逐渐上升，导致对菌体生长和乳酸的形成产生抑制作用，为此不得不加入碳酸钙等中和剂进行中和，这不仅增加分离提取的困难，而且影响产品质量，并且造成了严重的污染。为了提高乳酸产率，改进分离过程，近年来围绕乳酸生产的各个单元过程展开了许多研究，下面介绍几种的乳酸发酵新工艺有连续发酵，细胞固定化发酵，细胞循环发酵。连续发酵利用维持一定基质浓度的恒化器和保持一定细胞浓度的恒浊器可以进行乳酸的连续发酵。此方法进行乳酸发酵具有发酵速度快，得率高以及既能用于连续发酵又能用于间歇发酵等优点。固定化方法简单易行所制得的细胞稳定性强，容易扩大生产。细胞循环发酵，是利用一定装置让成熟的发酵液流向后处理单元的同时，使菌体返回生物反应器内继续使用，并适时排除衰老的细胞，也称原位分离(IPSR)技术。2.5 设计的目地发酵工程是用来解决按发酵工艺进行工业化生产的工程学问题的学科。发酵工程从工程学的角度把实现发酵工艺的发酵工业过程分为菌种、发酵和提炼（包括废水处理）等三个阶段，这三个阶段都有各自的工程学问题，一般分别把它们称为发酵工程的上游、中游和下游工程。发酵工程的三个阶段均分别有它们各自的工艺原理和设备及过程控制原理，它们一起构成发酵工程原理。千百年，特别是最近几十年的发酵工业生产的实践证明：微生物是发酵工程的灵魂。近年来，对于发酵工程的生物学属性的认识愈益明朗化，发酵工程正在走近科学。从生物科学的角度重新审视发酵工程，发现发酵工程最基本的原理是其生物学原理，而前述的发酵工程原理均必须建立在发酵工程的生物学原理的基础上。因此，发酵工程的生物学原理是发酵工程最基本的原理，并且可以把它简称为“发酵原理”。无论研究者采用何种方法制取L-乳酸，目的都是为了提高L-乳酸的收率，提高产品质量，降低成本，减少或L-乳酸生产中对环境造成的污染。设计任务:8000吨/年L-乳酸发酵工段工艺设计。2.6生产流程简述本次生产工艺设计以薯干粉为原料，用薯干粉作为原料，先将薯干粉在糖化罐中调浆，其比例为1：0.05：10，其总糖浓度为78g/dL。加入液型淀粉酶100u/L，升温至8090，搅匀，液化至常规碘法实验到合格。再升温到100灭菌、灭酶20min。将液化醪冷却至5052，打入发酵罐中。用乳酸调pH至5.05.5，按淀粉计加入糖化酶100u/g。同时接入乳酸菌种子培养物10%，通入净化压缩空气后搅拌均匀进行。在5052温度下发酵。在发酵过程中必须分批加入CaCO3以中和生产成的乳酸，以维持发酵醪pH在5.5以上。当残糖降至0.1g/dL以下时，表明发酵已完成。发酵时间约70h。再经过过滤洗涤，得到L-乳酸钙固体，送入酸解罐，再添加H2SO4酸解，并加入活性炭进行脱色；然后，通过带式过滤机过滤、酸解过滤，除去CaSO4及废炭；酸解过滤液经离子交换处理后，进行蒸发、浓缩，再进行结晶；结晶后，用离心机进行固液分离，对得到的湿L-乳酸晶体进行干燥与筛选，最后得到成品L-乳酸。生产流程简述：薯干为原料，采用直接粉碎、调浆、液化，进行好气液体深层发酵，钙盐法提取，最后结晶、干燥得到L-乳酸。 2.6.1 L-乳酸的生产工艺流程图：空气菌种 配料 酸解 过滤 中和 过滤 发酵 灭菌 种子 净化消泡剂酸液钙盐废渣处理废渣处理活性炭离子交换处理 蒸 发 结 晶 分 离 干 燥 筛 选成品纯水湿L-乳酸次品回收图2.4：L-乳酸的生产工艺流程图Figure 2.4: flow chart of L-lactic acid production2.7乳酸提取工艺的研究乳酸发酵液中成分复杂，并且因原料和发酵工艺不同，除含乳酸外，发酵液中还包括菌体、残糖、蛋白质、色素、胶体、有机杂酸、无机盐等多种杂质。从乳酸发酵液中提取乳酸的方法主要有以下几种：钙盐法、萃取法、吸附法、膜法等。2.7.1钙盐法我国目前大多数厂家的提取工艺都是钙盐结晶-酸解工艺，如图2-5所示：结 晶离心结晶发酵液发酵液发酵液滤 液浓 缩 复 溶 滤 液硫酸钙碱液酸解脱色 过 滤 浓 缩离子交换 浓 缩 脱 色 过 滤 成 晶 图2.5:钙离子提取工艺流程图Figure 2.5 Flow chart of conventional calcium salt recovery process成熟的发酵液经过升温和碱化处理后，除去菌体、蛋白质等胶体杂质。得到的乳酸钙料液经适当浓缩，在一定条件下结晶。在经过离心机处理去除母液，并洗去残留的母液和一些蛋白质、糖类、色素，得到白色晶体。加热溶解晶体。用硫酸进行酸解，加入适当的活性炭进行脱色，分离除去CaSO4及活性炭滤渣，得到粗乳酸溶液，再用阴阳离子交换树脂处理浓缩后的粗乳酸滤液，出去Cl- 、SO4、Fe3+和Ca2+等阴阳离子，经过离子交换处理后的乳酸溶液浓缩80%以上，即成为乳酸产品。该工艺具有易于控制，工艺成熟的特点。缺点是，单元操作多，劳动强度大，环境污染严重，产品收率教低，国内一般厂家的乳酸收率在40%50%之间。2.7.2 萃取法萃取法是指使用不容或微溶于水的有机溶剂，通过物理或化学萃取方式从粗乳酸中提取乳酸，然后再反萃，把乳酸从萃取相中分离出来。近年来，许多新的萃取技术相继出现，如双水相萃取、反胶体萃取，液膜分离和超临界萃取等等。萃取法省去了钙盐中和、酸解等步骤，大大省略了化工原料，特别是不用石灰或石灰石和盐酸，所以不会产生CaSO4废渣，有利于环境保护；连续生产，简化了操作过程，改善了劳动条件，且萃取过程简单，提取液浓度高，蒸发结晶所用设备少。应用萃取方法的关键在于寻找高效、无毒、水溶性小、经济可行的萃取剂，以及怎么萃取。2.7.3 吸附法吸附法常常作为分离和纯化产品的手段，可用来提取发酵液中的乳酸，吸附法主要有离子交换树脂吸附和高分子树脂吸附。(1)离子交换法离子交换法选择性高，交换容量大，操作简单，易于自动控制。它完全杜绝了CaSO4的产生，产品收率可达85%99%，但离子交换树脂需要频繁再生，会产生大量的废液，另外，离子交换树脂的交换能力随着时间的延续会逐渐的减弱，工作稳定性差，还要用到大量的离子交换树脂，会产生大量的固体废弃物。(2)离子交换吸附高分子吸附剂是一种具有大孔结构和极大表面积的不溶性扽坚硬球状聚合物，对有机物分子有巨大的吸附能力。但目前，有关该法的研究仅限于基础理论研究阶段。2.7.4 膜法膜技术是一门新兴的跨学科技术，没有传统技术的缺点。乳酸提取工艺中使用不同类型的膜：渗析（依靠扩散排阻）、电渗析（依靠离子排阻）、微滤和超滤（依靠分子排阻）等。电渗析是一种高效的膜分离技术，分离效率高，能耗低，便与工业化生产和自动控制。它的原理是在直流电下，利用产生的电位差使阴阳离子迁徙，达到乳酸溶液的分离、提取和浓缩的目的。电渗法的优点，不需要添加中和剂可控制发酵液的pH值；减轻产物抑制；浓缩产物；简化提取工艺。缺点是，微生物细胞会逐渐附着在阴离子膜上，导致膜的电阻增大，电渗析效率下降。超滤和微滤等在乳酸的提取中用的越来越广泛，可以作为预处理的手段，截留发酵液中未发酵的原料颗粒、残糖、蛋白质等大分子有机物减轻后续工作的难度。2.8乳酸的精制提纯乳酸最基本的、最原始的方法是普通的蒸馏法，生产厂家也常采用酯化法。为提取更高质量的乳酸，应用于食品和医药行业，采用的方法是分子蒸馏法。3.原材料及产品的主要技术规格3.1菌种的选择米根霉(Rhizopusoryzae)3038，购自中国工业微生物菌种保藏中心(CICC)。3.2发酵原料的选择3.2.1.种子培养基表3.1种子培养基一览表 Table 3.1 List of seed medium物质质量葡萄糖硫酸铵KH2PO4MgSO47H2OFeSO47H2OCaCO30.2g0.06g0.01g0.02g1.0g(碳酸钙分开灭菌)3.2.2发酵培养基表3.2发酵培养基成分一览表Table 3.2 List of fermentation medium components物质质量葡萄糖硫酸铵KH2PO4MgSO47H2OFeSO47H2OCaCO310g2g0.6g0.1g0.3g7.0g(碳酸钙分开灭菌)3.3设计依据（1）依据与工厂设计和生产工艺相关的各种资料，如化工工艺设计手册。（2）GB/T 50103-2001总图制图标准。（3）GB50187-93工业企业总平面设计规范。（4）化工原理。（5）生物工艺原理。（6）生物工程设备。3.4设计范围(1) 针对产品的要求进行工艺流程的设计；(2)主要设备的计算和选型；(3)带控制点的工艺流程图；(4)主要设备图。3.5 工艺技术指标及基础数据(1)生产规模：8000吨/年L-乳酸发酵；(2)生产方法：以葡萄糖为碳源、硫酸铵为氮源，加少量磷酸二氢钾、硫酸镁、硫酸锌等无机盐配合的培养基，进行根霉通气发酵，利用钙盐干法提取。(3)生产天数：设发酵工段其他操作（包括灭菌，洗罐等）为一天，一周期定为4天，一年300天；共需生产300/4=75个周期。水蒸气138，冷却水进出口温度根据实际情况确定。(4)乳酸质量标准：工业生产标准，食用乳酸标准，分别如表4-1和4-2所示。(5)生产条件：已知发酵培养接种量为5%，发酵时间为14h，发酵罐的搅拌转速为180rpm，通气量为0.8VVM，发酵液密度为1050kg/m3，粘度为0.1Pas。(6)生产原料：干木薯粉成分，含淀粉量 70%；水分13%。生产8000吨/年L-乳酸所需实际淀粉消耗量（淀粉糖转化率98.5%，糖酸转化率95%，提取阶段分离收率95%，精制阶段收率98%，倒罐率1%,则其得率为(1%=99%)。(7)提取的标准：每升发酵液可以纯化得到L-乳酸产品120g。表3.1 工业乳酸质量标准表 Table 3.1 table of industrial lactic quality standard指标44%（C）深色44%（C）浅色50%（M）80%（C）88%（M）游离酸，%缩水物，%总酸，%挥发酸（以乙酸计）灰分，%铁，ppm密度，g/cm344.03.044.00.50.91008001.134 41.03.044.00.50.75101.1443.050.0-0.02574.01.121.13 68.511.580.00.50.75101.202 -20.088.0 -0.0