整理版600吨年l乳酸发酵车间的工艺设计.docx
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整理版600吨年l乳酸发酵车间的工艺设计
1.概述I
I」产品概述I
1.1.1乳酸的理化性质I
1.1.2L•乳酸的用途及功能I
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」菌种的选择5
2.2发酵原料的选择5
221种子培养基5
2.2.2发酵培养基5
3.生产流程简述6
4.T•艺计算6
4」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」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
521种子罐的尺寸计算12
5.2.2种子雉轴功率计算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
&致谢15
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(LacticAcid),学名为a-释基内酸(a-Hydroxy-Propanoic-Acid),分子式为C3H6O3,结构式为CH.QHOHCOOH,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,具有光学界构现象,有D型和L型两种构型⑴,其中L・乳酸为右旋,D・乳酸为左旋,其结构式见图Io半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所示纯净的无水乳酸是H色结晶体,熔点为I6.8C,沸点为I22°C(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、乙瞇、丙二醇、甘油混溶,几乎不溶于氯仿、石油陋、二硫化碳和苯叫浓度达到60%以上的乳酸具有很強的吸湿性。
一般丁业用乳酸含量为5()%-80%,食品及医药匸业用L•乳酸的含笊为80%・90%。
乳酸分了内含有疑棊和按基,可以参与氧化、还原、缩合、酯化等反应叫同时乳酸具有自动酯化能力,脱水能聚合成聚L・乳酸。
图1乳酸的结构式
表1乳酸的理化性质
构型熔点/°c
比旋光度[叫『°
解离常数(25°C)
熔化热/(KJ/mol)
L
25-26
+3.3°
I.37X10-4
16.87
D
25-26
・3.3°
I.37X104
16.87
LD
18
0
1.37X10*4
11.35
1.1.2L-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、纺织等领域忆叫
(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II味调节剂,被称为安全的食品添加剂。
另外还可川于清凉饮料、蔬菜的加工和保藏;
(2)医新行业:
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。
乳酸是一种重要的医药中间体,可川作生产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)化妆晶行业:
町川作滋润剂、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蜉L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:
乳酸可用來处理纤维,可使之易着色,增加光泽和触感柔软;可使皮革柔软细腻,从而提高皮革的晶质;适量加入乳酸,可提高烟草的品质,并保持烟草的湿度;
除上述用途外,L■乳酸最主要的川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(PolylacticAcid),简称(PLA),在人体内降解成L・乳酸;在白然界屮,町在微生物作川下,最终变成C02和水,有利于坏保。
聚乳酸具有与聚苯乙烯相似的光泽度和加丁性能,还具冇优良的牛•物相容性和生物分解吸收功能,伏I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)、农用薄膛、抗癌勿物、缓释胶囊制剂、手术缝合线等"聚乳酸纤维强度高,延伸度较人,可川分散染料常压染色,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,因此若过屋摄入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SoW此,1H:
界卫生纽织规定人体毎天摄入的D-乳酸量不能超过lOOmg/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。
特别是在沖今重视环保的绿色浪潮中,用L■乳酸生产的聚乳酸,具有良好的加匸性能和可生物降解性,是理想的生态循环使用的新烈高分子材料,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。
1.13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。
发酵法牛产乳酸除能以匍萄糖、乳糖等单糖为原料外,还能以淀粉、纤维索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,牛产成本低、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膳法⑹。
该法是乙醛与氢亂酸经碱性催化剂作用生成乳睛,这是一个液相反应,在常圧下进行,粗乳帰通过蒸镭【叫收纯化并川浓盐酸或硫酸水解为乳酸,还产生和应的氨基酸副产物,粗乳酸用甲醇酯化得乳酸甲酯,稱镭后再水解为乳酸。
乳酸的其它一些对行的化学合成法还包括醋酸乙酯拨城化法、乙醛按卑化法、糖的碱性催化水解、丙烯乙二醇氧化、乙二醇的硝酸氧化等叫
(3)酶法
酶法牛成乳酸主要有2■氯丙酸幽法转化和丙涮酸晦法转化两种l9J41oH本东京大学的木崎等人研究了用酶法生产乳酸,他分别从恶臭假单他菌(PseudomonaspiHick)和假单他菌113细胞屮抽提纯化出L2卤代酸脱卤酶(简称为L・勵和DL-卤代酸脱卤酶(简称为DL-FS),使Z作用丁•底物DL-2-氯丙酸,就可制得L■乳酸或D-乳酸。
Hummel等从D-乳酸脱氢酶活力故高的混乱乳杆菌(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胡为外消旋乳酸即DL・乳酸何。
另外,由于合成法所用的廉料是乙醛和剧毒物氧氛酸,尽管美国食品和药物管理局(FDA)已将合成法牛产的乳酸列为安全品,但许多人还是对其安全性表示扌H心,加之其牛产成木较高,I大I而合成法生产乳酸大大受到限制。
悔法生产乳酸虽町以专一性地得到旋光乳酸,但丁艺比较复杂,应用到丁业上还有待于进一步研究"J
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■乳酸或是两种斤构体以一定比例混合的消旋体,以满足牛产聚乳酸的需要。
另外发酵法生产乳酸除能以葡萄糖、乳糖等单糖为丿京料外,还能以淀粉、纤维索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、女全性高等优点而成为生产乳酸的重要方法呻忙
我国乳酸工业始建于2()世纪40年代,起步发展于2()世纪8()年代中期至90年代初期,冃前,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力吨,实际产量约为1.5力吨。
我国乳酸生产与国外先进水平仍有较人差距,乳酸生产规模较小,发酵罐仅30吨治・60吨/台,产酸率较低;产品品种仍以DL-乳酸为主,占80%,产品色度质吊•不高⑵I:
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・乳酸项冃基木徘徊在年产3000〜5000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,其用暈约占乳酸总消费量的40%,主要川于生产乳酸乙酯川于调制各种酒类创。
在啤酒工业中,调节麦芽汁pH,冃前全国约有25%的啤酒生产厂在使用乳酸,年消费量约为300(”。
我国的L■乳酸只占乳酸产屋的2・5%,且每年需要进口数力•吨优质的L・乳酸,据专家预测,PLA在未来10年屮,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力吨左右。
作为一种重耍的食用有机酸,L・乳酸的需求量仅次于柠檬酸,其市场需求正以毎年超过10%的速度在增长。
冃前,国内市场需求量在5力吨以上,国际山场需求量约在30力吨,而我国虽然是有机酸出口的大国,但高品质的L■乳酸的牛产和供应却很少,冃前我国L■乳酸的年产量不足3力吨,可见该产晶的市场发展前景广阔,颇具开发潜力122231。
我国生产的乳酸产品除满足国内需求外,毎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
水设计是关于600吨/年L-乳酸发酵车间的「•艺设计,包括确定工艺流程和T.艺参数,物料衡算和能星衡算,确定备种设备的体积、数「I和规格等参数,带控制点的工艺流程图、主要设备图,撰写设计说明书。
1.2.1设计依据
(1)依据与匸厂设计和生产丁艺和关的种资料,如《化丁•丁•艺设计手册》。
(2)GB/T50103—2001《总图制图标准》。
(3)GB50187—93《工业企业总平而设计规范》。
(4)《化丁原理》。
(5)《生物工艺原理》。
(6)《生物匸程设备》。
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)带控制点的丁艺流程图;
(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丁艺进行丁业化生产的匸程学问题的学科。
发酵丁程从「•程学的角度把实现发酵丁艺的发酵丁业过程分为菌种、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丁程学问题,一般分别把它们称为发酵丁程的上游、中游和下游T•程。
发酵T•程的三个阶段均分别有它们以自的丁艺原理和设备及过程控制原理,它们一•起构成发酵丁程原理。
千衍年,特别是址近儿I•年的发酵工业生产的实践证明:
微生物是发酵T程的灵魂。
近年米,对于发酵I•程的生物学屈性的认识愈益明朗化,发酵「•程止在走近科学。
从生物科学的侑度重新审视发酵「•程,发现发酵「•程最基本的原理是其生物学原理,而前述的发酵匸程原理均必须建立在发酵「•程的牛物学原理的基础上。
因此,发酵丁程的工物学廉理是发酵工程垠基木的凍理,并口可以把它简称为“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(Rhizopusoryzae)3()38,购门中国丁业微住物菌种保藏中心(CICC)。
2.2发酵原料的选择
2.2.1种子培养基
MgSO4・7H2O
FeSO4・7H2O
CaCO3
O.lg
0.3g
7.0g(碳酸钙分开灭菌)。
3・生产流程简述
木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
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- 整理 600 吨年 乳酸 发酵 车间 工艺 设计