发布时间 : 星期日 文章600吨年L-乳酸发酵车间的工艺设计更新完毕开始阅读b4740f20dd36a32d737581c8
常 州 大 学 毕 业 小 设 计
目 录
1. 概述................................................................................................................... 1
1.1 产品概述................................................................................................. 1
1.1.1 乳酸的理化性质.......................................................................... 1 1.1.2 L-乳酸的用途及功能 ................................................................... 1 1.1.3 国内外生产情况.......................................................................... 2 1.2 设计概述................................................................................................. 4
1.2.1 设计依据...................................................................................... 4 1.2.2 设计范围...................................................................................... 4 1.2.3 指导思想...................................................................................... 5
2. 原材料及产品的主要技术规格....................................................................... 5
2.1 菌种的选择............................................................................................. 5 2.2 发酵原料的选择..................................................................................... 5
2.2.1 种子培养基.................................................................................. 5 2.2.2 发酵培养基.................................................................................. 5
3. 生产流程简述................................................................................................... 6 4. 工艺计算........................................................................................................... 6
4.1物料衡算................................................................................................... 7
4.1.1 发酵罐.......................................................................................... 7 4.1.2 种子罐.......................................................................................... 7 4.2 热量衡算................................................................................................. 8
4.2.1 发酵罐.......................................................................................... 8 4.2.2 种子罐.......................................................................................... 9
5. 主要设备的计算............................................................................................. 10
5.1 发酵罐的设计....................................................................................... 10
5.1.1 发酵罐的尺寸设计.................................................................... 10 5.1.2 发酵罐搅拌器轴功率计算........................................................ 11 5.2 种子罐的计算....................................................................................... 12
5.2.1种子罐的尺寸计算...................................................................... 12 5.2.2 种子罐轴功率计算.................................................................... 13 5.3 发酵液的贮罐计算............................................................................... 13 5.4 配料罐的计算....................................................................................... 13
5.4.1 发酵罐配料罐............................................................................ 13 5.4.2 种子罐配料罐............................................................................ 13
6. 其它................................................................................................................. 14 7. 参考文献......................................................................................................... 14 8. 致谢................................................................................................................. 15
I
常 州 大 学 毕 业 小 设 计
600吨/年L-乳酸发酵车间的工艺设计
1. 概述
1.1 产品概述
1.1.1 乳酸的理化性质
乳酸(Lactic Acid)，学名为α-羟基丙酸(α-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[1]，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
[3]
。浓度达到60％以上的乳酸具有很强的吸湿性。一般工业用乳酸含量为50％
-80％，食品及医药工业用L-乳酸的含量为80％-90％。乳酸分子内含有羟基和羧基，可以参与氧化、还原、缩合、酯化等反应[4]，同时乳酸具有自动酯化能力，脱水能聚合成聚L-乳酸。
OHOOHH3CHHH3CHOOHO D(-)-乳酸 L(+)-乳酸 图1 乳酸的结构式
表1 乳酸的理化性质 构型 熔点/℃ L D LD
25-26 25-26 18
比旋光度[α]D20 ﹢3.3° ﹣3.3° 0
解离常数（25℃） 熔化热/（KJ/mol） 1.37×10-4 1.37×10-4 1.37×10-4
16.87 16.87 11.35
1.1.2 L-乳酸的用途及功能
乳酸及其衍生物广泛应用于食品、医药、化工、皮革、纺织等领域[2,8]。
1
常 州 大 学 毕 业 小 设 计
（1）食品行业：主要用于糖果，饮料(如啤酒、葡萄酒及乳酸类饮料)等食品加工业中，作为酸味剂及口味调节剂，被称为安全的食品添加剂。另外还可用于清凉饮料、蔬菜的加工和保藏；
（2）医药行业：在医药方面广泛用作防腐剂、载体剂、助溶剂、药物制剂、pH调节剂等。L-乳酸是一种重要的医药中间体，可用作生产L-乳酸钙、L-乳酸钠、L-乳酸锌、L-乳酸亚铁等药物，还可用作手术室、病房、实验室等场所的消毒剂；
（3）化妆品行业：可用作滋润剂、保湿剂、皮肤更新剂、pH调节剂、去粉刺剂、去齿垢剂；
（4）农药行业：L-乳酸具有很高的生物活性，对农作物和土壤无毒无害，可用作生产新型环保农药，在日、美等发达国家已得到大力的推广；
（5）纺织、皮革、烟草行业：乳酸可用来处理纤维，可使之易着色，增加光泽和触感柔软；可使皮革柔软细腻，从而提高皮革的品质；适量加入L-乳酸，可提高烟草的品质，并保持烟草的湿度；
除上述用途外，L-乳酸最主要的用途是聚合生成聚乳酸，它具有良好的相容性和可生物降解性，已广泛应用于包装业、医药行业和纺织业。
聚乳酸(Polylactic Acid)，简称(PLA)，在人体内降解成L-乳酸；在自然界中，可在微生物作用下，最终变成C02和水，有利于环保。聚乳酸具有与聚苯乙烯相似的光泽度和加工性能，还具有优良的生物相容性和生物分解吸收功能，因此广泛用于生产生物降解塑料、绿色包装材料(例如购物袋、保鲜膜、餐盒、桌布、餐巾)、农用薄膜、抗癌药物、缓释胶囊制剂、手术缝合线等。聚乳酸纤维强度高，延伸度较大，可用分散染料常压染色，制成的织物光泽柔和亮丽，抗皱防缩性能好，有吸湿排汗和抗紫外线功能，是近年来研究开发的纺织服装新材料。
由于人和动物体内只有代谢L-乳酸的酶，因此若过量摄入D-乳酸或DL-乳酸，会导致D-乳酸在血液中积聚，引起疲劳、代谢紊乱甚至酸中毒。因此，世界卫生组织规定人体每天摄入的D-乳酸量不能超过100mg／kg体重，且禁止在3个月以下婴儿食品中添加D-乳酸或DL-乳酸，而对L-乳酸则不加限制。于是近年来L-乳酸的研究与开发引起了人们的广泛兴趣。特别是在当今重视环保的绿色浪潮中，用L-乳酸生产的聚乳酸，具有良好的加工性能和可生物降解性，是理想的生态循环使用的新型高分子材料，用于生产生物降解塑料和纤维制品，具有广阔的市场日前景。
1.1.3 国内外生产情况
（1）发酵法
微生物发酵法生产乳酸，可通过菌种和培养条件的选择而得到具有专一性的
2
常 州 大 学 毕 业 小 设 计
L-乳酸。发酵法生产乳酸除能以葡萄糖、乳糖等单糖为原料外，还能以淀粉、纤维素为原料发酵生产乳酸，因此，微生物发酵法生产乳酸因其原料来源广泛，生产成本低、产品光学纯度高、安全性高等优点。按照发酵微生物的种类可分为细菌发酵和根霉发酵。
（2）化学合成法
化学合成法生产乳酸可通过多种途径进行，其中具有现实意义的是乳腈法
[6]
。该法是乙醛与氢氰酸经碱性催化剂作用生成乳腈，这是一个液相反应，在常
压下进行，粗乳腈通过蒸馏回收纯化并用浓盐酸或硫酸水解为乳酸，还产生相应的氨基酸副产物，粗乳酸用甲醇酯化得乳酸甲酯，精馏后再水解为乳酸。乳酸的其它一些可行的化学合成法还包括醋酸乙酯羰基化法、乙醛羰基化法、糖的碱性催化水解、丙烯乙二醇氧化、乙二醇的硝酸氧化等[8]。
（3）酶法
酶法生成乳酸主要有2-氯丙酸酶法转化和丙酮酸酶法转化两种[9,14]。日本东京大学的本崎等人研究了用酶法生产乳酸，他分别从恶臭假单孢菌(Pseudomonas putida)和假单孢菌113细胞中抽提纯化出L-2-卤代酸脱卤酶(简称为L-酶)和DL-卤代酸脱卤酶(简称为DL-酶)，使之作用于底物DL-2-氯丙酸，就可制得L-乳酸或D-乳酸。Hummel等从D-乳酸脱氢酶活力最高的混乱乳杆菌(Lac-Confusus) DSM20196菌体中得到D-乳酸脱氢酶，以无旋光性的丙酮酸作底物制得D-乳酸。
化学合成法的缺点是产品为外消旋乳酸即DL-乳酸[15]。另外，由于合成法所用的原料是乙醛和剧毒物氢氰酸，尽管美国食品和药物管理局(FDA)已将合成法生产的乳酸列为安全品，但许多人还是对其安全性表示担心，加之其生产成本较高，因而合成法生产乳酸大大受到限制。
酶法生产乳酸虽可以专一性地得到旋光乳酸，但工艺比较复杂，应用到工业上还有待于进一步研究[17]。
微生物发酵法生产乳酸，可通过菌种和培养条件的选择而获得具有立体专一性的D-乳酸或L-乳酸或是两种异构体以一定比例混合的消旋体，以满足生产聚乳酸的需要。另外发酵法生产乳酸除能以葡萄糖、乳糖等单糖为原料外，还能以淀粉、纤维素为原料发酵生产乳酸。因此，微生物发酵法生产乳酸因其原料来源广泛、生产成本低、产品光学纯度高、安全性高等优点而成为生产乳酸的重要方法[18,20]。
我国乳酸工业始建于20世纪40年代，起步发展于20世纪80年代中期至90年代初期，目前，我国正常生产的乳酸生产厂家有20余家，总生产能力约为2万吨，实际产量约为1.5万吨。我国乳酸生产与国外先进水平仍有较大差距，乳酸生产规模较小，发酵罐仅30吨/台-60吨/台，产酸率较低；产品品种仍以
3