1、毕业设计开题报告课题名称： 1000 吨/年乳酸发酵工段工艺设计 班 级： 学 号： 姓 名： 指导教师： 2012 年 3 月 19 日1一、文献综述21.1 设 计 的 目 的 和 意 义 乳酸（-羟基- 丙酸）广泛存在于人体、动物及微生物代谢之中，也存在于与人民生活密切相关的多种食品中 1。乳酸分子存在两种光学对映体(D乳酸和 L乳酸)，其理化性能十分相近，只是旋光性相反，L乳酸旋光为右旋，而 D乳酸旋光为左旋。医学研究证明，人体只具有代谢 L乳酸的酶（ L乳酸脱氢酶）；而 D乳酸进入人体后，由于不能代谢，使血尿酸度提高，过量的摄入就引起代谢紊乱等不良反应。为此，世界卫生组织规定，成人每
2、天摄入的 D-乳酸量每公斤体重不得超过 100毫克，并禁止在婴儿食品中添加 D乳酸， 对 L乳酸无任何限制。乳酸是一种精细的化学品，可广泛应用于食品行业、医药行业、化妆品行业、农药行业、烟草行业、皮革制作行业、纺织行业、新型环保材料、饮料、医药塑料、饲料、日用化工、造纸及电子工业等领域。在食品、饮料工业上， L乳酸用作酸味剂、强化剂、防腐剂，是绝对安全的添加剂。利用乳酸菌发酵是最早的食品加工和保存方法之一 2。L乳酸衍生物如L乳酸钙、L乳酸锌、L 乳酸亚铁是食品、饮料、保健品的强化剂，L乳酸类乳酸乙酯是多种名酒的主香成分。通常利用这两种乳酸菌混合发酵会提高产酸速度，减弱后酸化程度，促进风味物质
3、产生，产生更多的胞外多糖，所以传统上常采用二者混合发酵制作酸奶 3。在医药工业中，L乳酸及其衍生物（如 L乳酸钠）可与氯化钠、氨基酸等配伍，生产治疗高钾血症或酸中毒的大输液，L乳酸还被用于罗弗沙星等药物的生产4。乳酸酯又是良好的有机溶剂，可用于生产醇酸树脂、油墨和涂料等化产品。 (1) 食品行业：由于人体内只含有分解 L乳酸的酶，故人体只能利用 L乳酸。可作为糖果、饮料等食品中的酸味剂、防腐剂和口味调节剂等，被认为是绝对安全的食品添加剂。(2) 医药行业：乳酸是一种重要的医药中间体，可用作生产红霉素林格氏液输送液、生产补钙用L乳酸钙、肠胃用液L乳酸钠、补镁剂L乳酸镁、补锌剂L 乳酸锌和补铁剂L
4、乳酸亚铁等药物的基础原料，还可用作手术室、病房和实验室等处的杀菌消毒剂，生产外科手术用的缝合线、纤维包扎创伤夹、植入物、骨板和其他医用材料等。近几年又有人提出L乳酸具有防癌、抗癌、治癌和抗衰老作用，值得期待。(3) 化妆品行业：在化妆品中加入适量的L- 乳酸，可用作溶润剂、保湿剂、皮肤更新3剂、pH 调节剂、去粉刺剂、去齿垢剂等。用量虽小，但其配伍性能特别显著。(4) 农药行业：因 L乳酸具有非常高的生物活性，且对农作物和土壤无任何毒害作用，故可作为生产新型环保农药的原料。酸乳的酸度、甜度、香气、色泽、细腻度、粘稠度、滑爽感、货架期后酸化等方面的综合质量对消费者购买产品时的品牌选择有着极大影响
5、 5。在美国、日本以及德国等生物科技比较发达的国家已得到大力的推广。(5) 烟草行业：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。(6) 皮革制作行业：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。(7) 纺织行业：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。(8) 新型环保材料：用来生产可生物降解的聚乳酸塑料、L乳酸甲酯和L乳酸乙酯等新型环保材料。这是近几年在世界范围内都在大力推广的方法。(9) 生产生物降解材料：塑料废弃物已成为威胁全球环境的主要因素之一，为解决塑料废弃物对环境造成的污染问题，许多 国家已开始研究、生产和使用可降
6、解塑料归。经多年研究发现，以乳酸为原料合成的乳酸聚合物具有很好的生物降解性。这种高分子材料不仅具有良好的化学惰性。还好很好的生物相容性。材料中的分子链可经生物或化学作用破坏后，失去物理强度并脆化，经自然界的风化作用变成粉末进入土壤 ，然后在微生物的作用下重新进入生物循环。用乳酸和淀粉生产生物降解塑料，在我国具有极大的市 场发展潜力，目前已成为开发的热点项目。(10) 日化行业： 乳酸可用于配制清洁用品、护肤露或沐浴液乳酸及其钠盐和钙盐可用做化妆品的保湿剂，并对改善皮肤组织结构，消除皱纹、色斑，治疗皮肤粗糙、痤疮等具有明显的效果。目前世界的材料、环保行业的明星是利用乳酸生产的新型聚酯材料聚乳酸(
7、Polylactic Acid)简称（PLA ），聚乳酸，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 6。聚乳酸纤维强度高，延伸度较大，可用4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 7。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
8、，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 8。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 100mgkg 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 9。由于乳酸的用途的日益扩大，生产技术水平的不断提高，可以预言未来的发酵有机酸消费市场中乳酸的需求量将超过现有的柠檬酸，而跃居第一位。对我国
9、乳酸工业的发展和农产品资源的开发利用是有意义的 10。1.2 国 内 外 研 究 进 展乳酸，学名为 2羟基丙酸。分子中有一个不对称碳原子，具有旋光性，因此有L乳酸与 D乳酸两种旋光异构体。工业上生产乳酸的方法有发酵法和化学合成法。目前国内外的 L乳酸主要用发酵法生产；化学合成法则生成外消旋乳酸，即 DL乳酸。由于人体内只有代谢 L乳酸的酶，如果摄入过量 D乳酸，会引起代谢紊乱甚至酸中毒。因此在食品工业中，或制造医药应用的乳酸酯及聚乳酸，则需要 L乳酸为原料 11。目前国外最先进的生产工艺是由玉米等谷类为碳源，采用细菌发酵法生产 L乳酸。微生物发酵法是目前乳酸生产的主要方法 12。而国内大都还
10、采用米根霉发酵法，用淀粉为碳源，用碳酸钙等中和剂控制发酵液的 pH 值，然后用硫酸中和，产生大量硫酸钙沉淀，使工艺繁复，而且带入大量杂质和染菌，使产品纯度下降。乳酸菌产酸的最佳条件 13。米根霉发酵是好氧发酵，能耗高，转化率仅 80。有公司用一种厌氧菌发酵，加氢氧化铵控制发酵液 pH 值，采用膜分离技术与清液单罐细菌连续发酵耦合工艺生产 L乳酸，以玉米为碳源，用湿法工艺制糖液，发酵液经微滤除菌丝体后，用膜澄清，一般电渗析提，再经双极膜电渗析，最后用高真空蒸馏得到纯 L乳酸，光学纯度96，转化率95，提取收率90，工艺简单，投资不高，能耗低，5无废渣废水排放，成本约在每吨 7500 元。 乳酸在
11、乳酸发酵饮料具有多方面的保健作用，以牛奶、豆奶、蔬菜为原料 14，经乳酸发酵的饮料已经进入市场食品工业方面用作酸味剂、防腐剂和食品强化剂等，目前在世界乳酸总消费中，食品工业约占60，其他主要用于医药工业和制造乳酸衍生物。目前世界乳酸年产 15。能力约为20万吨，实际消费量约为15万吨。我国目前年生产能力约34万吨，产品纯度较低，生产成本较高，而预计2005年我国L乳酸的需求将达到2万吨以上。为适应国内外对乳酸的需求量逐年增长的形势，我们必须在产量和质量方面加快发展 16。 近年来，许多国家为解决“白色污染” 问题，开发出由 L乳酸聚合得到的聚乳酸，这种聚合物有良好的生物相容性和可生物降解性，其
12、降解的最终产物是二氧化碳和水，分解的中间产物乳酸对人体无害，因此在美国、日本和欧洲等国引起极为广泛兴趣，并已较大规模投产与投放市场 17。 目前聚乳酸已应用于包装业、医药工业和纺织业。在纺织纤维方面的应用还存在一定限制。应用于较广泛的是医药方面，尤其是 L聚乳酸对人体有高度安全性，并可被组织吸收 18。近年来，已有各种商品投放市场，如手术缝合线、药物控释制剂和骨折内固定材料等。 不同用途，需要有不同性能的聚乳酸。分子量是重要性能之一，如分子量在15104 5 0104 ，用做胶粘剂或缓释药物； 50104 10104，可以制膜；1210422104，适用于纺织纤维；用作骨固定材料，则需要在 5
13、0 万以上。当然还要控制其热性能、分子量分布和纯度，有时必须控制一定比例的 D型与 L型的聚乳酸或共聚物。另外，利用高纯度 L乳酸为原料，得到高光学纯度的丙交酯，经开环聚合可制得用作医药材料的聚乳酸。 目前国际乳酸需求将以年平均 58%的速度持续增长。加之聚乳酸对原料乳酸的需求量急剧增长，对 L乳酸的需求量将不断增加，整体乳酸市场前景看好。 1998-2003 年期间乳酸需求以年 8.6% 的速度增长，其中发酵法乳酸产量将增长较快。有专家预测，如果聚乳酸的发展顺利的话，在未来 2010 年之前世界聚乳酸生物可降解材料将达到至少需要 50100 万吨，这为我国发展 L-乳酸提供了良好的发展空间
14、.。1.3 研究趋势61.3.1 良好的食品营养强化剂随着人类对食品的安全性和高营养比等需求的逐年提高，L乳酸的应用已被深化到食品的深加工方面。将 L乳酸大量地转化成 L乳酸钙、L乳酸亚铁和 L乳酸锌以及 L乳酸钠等物质作为食品营养强化剂、保鲜剂等，国外已部分替代原来常用的苯甲酸钠。硬脂酸乳酸钙和硬脂酸乳酸钠可以与面粉中的各类蛋白结合，使面包酥松、柔软，仅此一项即可消耗世界乳酸产量的 20 %左右。1.3.2 新型材料-L-聚乳酸经研究发现，以L乳酸为单体经化学合成的新型生物可降解高分子材料 L聚乳酸，具有无毒、无刺激性、强度高、可塑性好、易加工成型和生物组织相容性好等特性，且在自然界中能够被
15、微生物在短期内彻底分解为二氧化碳和水，不污染环境 19。目前在美国和东南亚等地已开始运作，L乳酸的生产必将带动巨大的产业链的大力发展，前景将比已有的发酵产业更为看好。1.3.3 理想的绿色环保材料因L-聚乳酸具有良好的生物降解性，在消除“白色污染”方面必将大有市场。L聚乳酸树脂又称玉米塑料，在节省不可再生的石油资源等方面发挥着越来越重要的作用，因而被世界公认为新世纪环保可持续发展的新型生态材料。1.3.4 良好的医用辅料因L-聚乳酸无毒，生物相容性极好，能被人体分解、代谢，无变态反应，因此必将被广泛应用于：(1) 生产缓释胶囊制剂使血液循环中药物浓度相对降低，提高疗效，降低副作用；(2) 生产
16、生物降解纤维，用来制成手术缝合线，可随伤口愈合而被机体分解吸收，不需拆线；(3) 生物植片以修复骨折或其他机体损伤；(4) 生产生物降解塑料，用作食品包装材料等。根据可持续发展的战略思想，以再生资源代替不可再生资源为原料，经过现代生物技术最终由乳酸生产可生物降解的聚乳酸材料已是历史的选择，其生产规模可达数百万吨以上。因此，乳酸的发展前景值得期待。参考文献：1 曹本昌，徐建林. L一乳酸研究综述J.食品与发酵工业，1993,3:56-6182 朱蓓薇，许安邦，孔繁东等.板栗水解液的乳酸发酵工艺J.中国乳品工业，1997,25（3）:13-15,27 3 包维臣，陈霞，邵玉宇等. 保加利亚乳杆菌与
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19、ssociation behaviors between carboxymethyl cellulose and polylactic acid revealed by resonance light scattering spectraJ. Polym. Bull, 2009, 62: 549-5599 Emad A. Jaffar Al-Mulla. Preparation of New Polymer Nanocomposites Based on Poly(lacticacid)/Fatty Nitrogen Compounds Modified Clay by a Solution
20、Casting ProcessJ. Fibers and Polymers , 2011, 12: 444-45010 黄治国,卫春会，殷小茹.红薯酸奶加工工艺研究J.中国酿造，2011,2:175-17811 王学东,马春铃,王瑞明. 根霉L一乳酸发酵条件的优化J. 山东轻工业学院学报,2002,16(3):18-20,3412 钱志良，劳含章，王健等. 工业乳酸发酵的近期进展J. 生物加工过程,2003,1(1):23-2713 肖霄，吴镝. 海带发酵乳酸饮料工艺优化J. 安徽农业科学,2011,31(35):21760-21763,2176714 郑瑞婷，刘长海 ，陈云奇. 猕猴桃汁乳酸
21、发酵工艺研究J.食品研究与开发，2010,31（6）:84-8615 谢主兰, 吴文龙,雷晓凌. 木瓜乳酸发酵饮料的工艺研究J.食品工业科技，2011,2（2）:40-42916 曾炜，陈丰秋，詹晓力. 乳酸的生产技术及其研究进展J. 化工进展,2006,25(7):744-74817 秦伟帅，王玉峰，赵新节等.葡萄酒苹果酸一乳酸发酵工艺控制研究进展J.中外葡萄与葡萄酒，2008,5:64-6718 胡永金，李春高,朱仁俊等. 南瓜汁乳酸发酵饮料工艺的研究J.试验研究，2009,10:66-6319 侯会绒.钦工肉圆乳酸发酵工艺的研究J. 畜牧与饲料科学, 2009，30(9)：49-5110
22、二、设计内容2 生产流程简述本次生产工艺设计以薯干为原料，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。乳酸的生产工艺流程本次生产工艺的基本过程是：在接收糖浆后，根据糖浆组成作适当的处理或配制，配成发酵原料，进行连续杀菌并冷却后，进入发酵罐，加入菌种和净化压缩空气后进行发酵；发酵液经升温、过滤处理后，进入中和罐，用 CaCO3中和处理；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
23、，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，如图。3 工艺计算：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。每升发酵液可以纯化得到 L-乳酸产品 120g。年操作日 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。以生产 1 个周期为计算 L-乳酸需要的辅料及其他物质的依据。已知发酵培养基的成分：葡萄糖 10g，硫酸铵 2g，KH 2PO4 0.6g，MgSO 47H2O 0.1g
24、，FeSO 47H2O 0.3g，CaCO 3 7.0g，水 1000ml（密度为 1050kg/m3）133.1 物料衡算的意义在发酵生产中，物料衡算是根据质量守恒定律来进行的，及凡引入系统或设备的物料质量 m，比等于所得到的产物质量 mp 和物料损失量 md 之和，即 m=mp+md。3.2 物料衡算步骤V=10001000000120300=27.8L装料系数 取 =0.775.06/00V0=27.8/0.7=39.8 m37./0选用两个 20 m3 的发酵罐，另选一个作为备用罐。每个发酵罐的物料计算：发酵液 G=10508.35= 8768kg葡萄糖 G1=8768 kg8602硫
25、酸铵 G2=8768 kg.17KH2PO4 G3=8768 kg5.MgSO47H2O G3=8768 kg86.012FeSO47H2O G3=8768 kgCaCO3 G3=8768 kg7.0水 G 水 =8768 kg= 8.6 L86123103.3热量衡算（1）分析物料流向及变化，写出热量衡算式：Q 入 =Q 出 +Q 损式中 Q 入 输入的热量总和（KJ）Q 出 输出的热量总和(KJ)Q 损 损失的热量总和（KJ）14（2）合理确定计算基准取不同的基准温度，计算出的数据就不同；一般选准一个设计温度，而且每一物料的进出口基准必须一致。通常取0为基准温度进行计算，这样可以简化计算。
26、基准也可是计算任意确定，主要考虑尽量减少计算工作量而选择恰当的基准。（3）收集数据主要收集已知物理量、工艺条件和有关物性的数据等，这些可从专门的手册中查阅或以工厂的实际数据选定。（4）热量计算式Q=cmt式中 c比热容KJ(Kg.）m物质质量（Kg）t温度的变化（）（5）换热器的热负荷计算Q= WhCph(T1-T2)= WcCpc(t2-t1)Cp流体的平均比热容，KJ（Kg. ）；t冷流体的温度，T热流体的温度，3.4 主要设备的计算3.4.1 发酵罐的尺寸设计H/D=1.73，取 H/D=2.032015.4V式中， H/D 为高径比，即罐筒身高与内径之比； V0为公称容积，即筒身容积
27、Vc加上底封头容积 Vb之和。=1233015.2D=1.91m， 圆整 D=2m， H=2D=4m13已知 ，取 d=0.4D=0.8m312Dd已知 ，取 W= D=0.2m80已知 ，取 B=0.9d=0.72m 圆整 B=0.8m.10dB已知 ，取 S=1.5d=1.2m52.S（ 取 25mm）34DhVbbbh式中 为封头的直边高度，m； Vb为底封头容积，m 3。 D 为内径，m； W 为挡板宽度，m； d 为搅拌器直径，m； S 为两搅拌器间距； B 为下搅拌器距底间距； S1为上搅拌器至液面间距。m312.3.025.4bV发酵液的圆柱体积 V 柱 =16.7/21.12=
28、7.23 m 3发酵液的柱体高 h= D.)2(.7假设用两层搅拌器，所以 Sl=2.31.2=1.1m3.4.2 种子罐的尺寸计算H/D=1.73，取 H/D=2.032015.4DHV=0.63D=0.7m, H=2D=1.4m已知 取 d=0.4D=0.28m 圆整 d=0.312d已知 ,取 W= D=0.07m 圆整 W=0.1m80已知 ，取 B=1.0d=0.3m .10dB已知 , 取 S=1.5d=0.45m 圆整 S=0.5m52S（ 取 25mm）3.4DhVbbbhm30542.7.107032发酵液的圆柱体积 V 柱 =0.420.0542=0.37 m 313发酵液
29、的柱体高 h= 圆整 h=1mmDV96.05.3417)2(2柱式中 为封头的直边高度，m； Vb 为底封头容积， m3。D 为内径，m；W 为挡板b宽度，m；d 为搅拌器直径，m；S 为两搅拌器间距；B 为下搅拌器距底间距；S 1 为上搅拌器至液面间距。假设用一层搅拌器，所以 S1=h=1m检验：S 1/d=1/0.3=3.3 不在 12 范围内。假设用两层搅拌器，则 S1=h/2=0.5mS1/d=0.5/0.3=1.7，在 12 范围内。所以采用两层搅拌器。3.4.3 发酵液的贮罐计算V=16.7/2=8.35 m3取 =0.750=8.35/0.75=11.13m375./13三、工作计划序号 阶段及内容 起止日期1 检索相关文献 3 月 1 日3 月 8 日2 确定实验目的，撰写开题报告 3 月 10 日3 月 13 日3 合理安排设计方案， 3 月 23 日3 月 27 日4 对设计方案进行分析，校正 3 月 30 日4 月 3 日5 进行发酵乳酸工艺设计 4 月 6 日5 月 8 日6 确定各方面数据，合理分析 5 月 11 日5 月 22 日7 攥写毕业论文，准备答辩，外文翻译贯穿整个过程5 月 25 日6 月 10 日四、开题报告会提出的主要问题及建议记录人 年 月 日
