600吨年L-乳酸发酵车间的工艺设计(18页).doc
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1、-600吨年L-乳酸发酵车间的工艺设计-第 15 页目 录1. 概述11.1 产品概述11.1.1 乳酸的理化性质11.1.2 L-乳酸的用途及功能11.1.3 国内外生产情况21.2 设计概述41.2.1 设计依据41.2.2 设计范围41.2.3 指导思想52. 原材料及产品的主要技术规格52.1 菌种的选择52.2 发酵原料的选择52.2.1 种子培养基52.2.2 发酵培养基53. 生产流程简述64. 工艺计算64.1物料衡算74.1.1 发酵罐74.1.2 种子罐74.2 热量衡算84.2.1 发酵罐84.2.2 种子罐95. 主要设备的计算105.1 发酵罐的设计105.1.1 发
2、酵罐的尺寸设计105.1.2 发酵罐搅拌器轴功率计算115.2 种子罐的计算125.2.1种子罐的尺寸计算125.2.2 种子罐轴功率计算135.3 发酵液的贮罐计算135.4 配料罐的计算135.4.1 发酵罐配料罐135.4.2 种子罐配料罐136. 其它147. 参考文献148. 致谢15600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-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
3、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8
4、0-90。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。 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/比旋光度D20解离常数(25)熔化热/(KJ/mol)L25-263.31.3710-416.87D25-263.31.3710-416.87LD1801.3710-411.351.1.2 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)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
5、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
6、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
7、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
8、,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
9、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) DSM
10、20196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
11、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DL-乳酸为主,占80,产品色度质量不高21:另外在后提取方面更有较大差距,总体上生产成本较商。某些规划中要上的L-乳酸项目基本徘徊在年
12、产30005000吨的规模,规模效应远不如国外。我国乳酸的最大消费领域是香料和香精行业,其用量约占乳酸总消费量的40,主要用于生产乳酸乙酯用于调制各种酒类22。在啤酒工业中,调节麦芽汁pH,目前全国约有25的啤酒生产厂在使用乳酸,年消费量约为3000t。我国的L-乳酸只占乳酸产量的2-5,且每年需要进口数万吨优质的L-乳酸,据专家预测,PLA在未来10年中,可达10亿磅年的市场规模,可见其对L-乳酸消费增长和市场成长将具有极大推动作用。正因为L-乳酸有着广泛的用途和良好的市场前景,所以自L-乳酸问世以来,就在国际市场上颇受追捧,需求增长迅速,其市场价格为维持在2万吨左右。作为一种重要的食用有机
13、酸,L-乳酸的需求量仅次于柠檬酸,其市场需求正以每年超过10的速度在增长。目前,国内市场需求量在5万吨以上,国际市场需求量约在30万吨,而我国虽然是有机酸出口的大国,但高品质的L-乳酸的生产和供应却很少,目前我国L-乳酸的年产量不足3万吨,可见该产品的市场发展前景广阔,颇具开发潜力22,23。我国生产的乳酸产品除满足国内需求外,每年都有一定量的出口,出口国家和地区主要是日本、韩国以及其它一些东南亚国家和地区。1.2 设计概述本设计是关于600吨/年L-乳酸发酵车间的工艺设计,包括确定工艺流程和工艺参数,物料衡算和能量衡算,确定各种设备的体积、数目和规格等参数,带控制点的工艺流程图、主要设备图,
14、撰写设计说明书。1.2.1 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 501032001 总图制图标准。(3)GB5018793 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。1.2.2 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。1.2.3 指导思想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
15、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”。2. 原材料及产品的主要技术规格2.1 菌种的选择米根霉(Rhizopus oryza
16、e)3038,购自中国工业微生物菌种保藏中心(CICC)。2.2 发酵原料的选择2.2.1 种子培养基葡萄糖 5g硫酸铵 0.2gKH2PO4 0.06gMgSO47H2O 0.01gFeSO47H2O 0.02gCaCO3 1.0g (碳酸钙分开灭菌)。2.2.2 发酵培养基葡萄糖 10g硫酸铵 2gKH2PO4 0.6gMgSO47H2O 0.1gFeSO47H2O 0.3gCaCO3 7.0g (碳酸钙分开灭菌)。3. 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。 图2 L-乳酸的生产工艺流程本次生产工
17、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,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2。4. 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180
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