年产3000吨乳酸的生产车间工艺设计说明书Word下载.docx
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年产3000吨乳酸的生产车间工艺设计说明书Word下载.docx
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1绪论
乳酸又名又名丙醇酸,它是世界上应用广泛的三大有机酸之一,它广泛应用于食品、医药等轻化工领域,特别是在环保领域更有广泛的应用前景。
目前工业化生产中,我国生产乳酸的主要采取的方法是微生物发酵法,同时开展了以米根霉深层发酵产L-乳酸的研究工作,在生产、转化率、发酵周期等方面达到了国际水平,并建成了千吨以上规模的L-乳酸生产数十家。
但目前乳酸的普及应用人有较大的瓶颈,尤其是在乳酸提取精制方面,乳酸的提取精制占到了乳酸生产
成本的一半以上,因此,以最低成本提取最优质的乳酸新技术是目前亟待解决的问题,近年来,很多国家在乳酸提取新技术研究方面也有一定进展,主要有:
乳酸锌提取技术,溶剂萃取法提取技术,离子交换法提取技术,电渗析发提取技术等。
在进行乳酸工厂提取车间设计时根据工厂的实际生产工艺和产能采取最优的提取工艺,选取相应的生产设备,合理布局设计,使生产操作可靠性、方便性达到生产要求,降低成本,最终使生产效益最大化。
1.1乳酸的概况
1.1.1乳酸的性质和用途
乳酸(LacticAcid)学名为2-羟基丙酸,其分子式为:
C2H5OCOOH;
分子中有一个不对称碳原子,因此具有旋光性。
常见的乳酸主要有L-乳酸(右旋性)、D-乳酸(左旋性)和它们的混合物外消旋DL—乳酸,乳酸纯品为无色液体,工业品为无色至浅黄色液体,无气味,具有吸湿性;
乳酸相对分子质量为90.08,相对密度1.2060(25/4)℃,熔点18℃,沸点122℃(2KPa),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[1]。
由于乳酸分子内有羟基和羧基,所以有自动酯化能力;
乳酸浓度越高,这种趋势就越强,一般浓乳酸溶液中20%或更多的乳酸自动酯化生成支链形式的乳酰乳酸的聚合体,又称聚乳酸。
乳酸,乳酸盐及其衍生物,广泛应用于食品、医药、饲料、化工等领域。
在食品工业中,乳酸主要用作酸味剂、防腐剂和还原剂。
可用于饮料、糖果、糕点的生产,也可用于鱼。
肉、蔬菜的加工和保藏。
例如:
乳酸盐硬酯酰乳脂酸钙(CSL)大量用于面包加工,可使面包质地松软、细腻、而且可延长其保存期。
在医药方面,由于乳酸,特别是L-乳酸,具有很强的杀菌作用且对人体无害,因此,乳酸可以直接用作手术室、病房、实验室、车间场所的消毒剂。
另外,L-乳酸还可以与许多化学物质(葡萄糖、氨基酸等)配置成药品。
此外,乳酸可以添加于烟草中,能保持烟草的湿度,提高其品质,用于制革工业中的脱石灰,使皮革变得细腻,用于反刍动物的饲料添加剂。
而聚L-乳酸则以其可降解性和生物相容性广泛应用与许多产品的生产,如:
缓释剂胶囊制剂,可使血液中药物浓度相对降低,提高疗效,降低副作用。
制成生物降解纤维,可用来制成可自动被人体吸收的手术缝合线,制成生物植片,已修复骨折或其他机体损伤。
在环保产品方面,特别是在当今全球面临环境污染问题的今天,作为可降解日常生活用品工业原料的聚乳酸更是有广泛的应用前景。
如,日常用的塑料袋,由于其很难降解,一直是困扰世界环境污染的一大难题,但由于人类已适应使用,所以一直无法有效控制媈白色污染媉但如果我们能以低成本生产聚乳酸,则可以将其推入市场,而从技术上解决环境污染问题。
此外,乳酸衍生物也广泛应用与工业上产中[2~5]。
表1-1工业上可利用的乳酸盐及其衍生物的用途
乳酸盐及其衍生物
用途
乳酸铁
乳酸钠
乳酸乙酯
治疗贫血
增塑剂、吸湿剂
溶剂、润滑剂
1.1.2乳酸的质量检验与储存
乳酸可根据其需求和用途不同分为:
工业级、食品添加剂级和药典级三种,其中药典级和食品添加剂标准相同,即必须是淀粉或糖质原料用微生物发酵制成,外观为无色或黄色、澄清、粘性液体。
检验乳酸质量时,还除对其外观进行观察外,还需检验以下指标:
1乳酸含量、22含量、3Cl-含量、4重金属(以Pb计)含量、5Fe2+含量、6Ca2+含量、7砷含量、8灼烧含量、9易碳化物。
此外,在乳酸制成乳酸钙时,乳酸钙还需符合药品卫生标准的规定,即每克乳酸钙含细菌数不得超过1000个,霉菌数不得超过100个,不含大肠杆菌。
乳酸生产中主要的分析项目有:
原料(大米、玉米粉、薯干粉)中的淀粉、蛋白质、水分含量,糖化酶的酶活力,发酵工序中的总糖含量、残糖含量、乳酸钙含量、细菌生长及杂菌污染情况,乳酸提取工序中的酸解终点测定、乳酸含量、铁离子、氯离子,以及上述的乳酸及乳酸钙成品分析。
一般乳酸制品特别是活性乳酸菌饮料必须在冷藏的条件下运输、销售和储存,否则在很短的时间内,里面的活性菌就会大量死亡,从而失去其本生价值,甚至可能因变质而产生危害,因此乳酸的储存非常重要!
在储存和运输过程应严格按照食品安全法的要求处理。
1.2乳酸的生产技术
1.2.1发酵法
传统的乳酸发酵法即为发酵—钙盐法,此方法是目前我国乳酸生产所主要采取的方法。
一般采用乳酸细菌或米根霉进行发酵。
采用乳酸菌进行发酵时,发酵原料可选择如玉米、马铃薯等淀粉物质;
废纸等纤维素物质以及糖类物质等各种易得生物质作亦可作为发酵原料,除这些主要原料外,乳酸菌的生长和发酵还需要复杂的外来营养物。
必须提供各种氨基酸、维生素、核酸等营养因子,出于经济的考虑,工业上一般使用含上述所需营养成分的天然廉价辅助原料,如麦根、麸皮、米糠、玉米浆等。
由于乳酸菌不能直接发酵淀粉质原料,所以原料必须经过糖化过程,转变为糖质原料才能用于发酵。
乳酸菌发酵机理主要有:
同性乳酸发酵、异型乳酸发酵和双岐发酵途径三种。
产乳酸细菌有很多,其中德式乳杆菌是国内外乳酸生产中常用的乳酸菌。
与乳酸菌相比,米根霉对糖的转化率较低,但其营养要求简单,只需无机氮及少量无机盐即可,米根霉能产生淀粉酶和糖化酶,它既能利用糖也可以直接利用淀粉或淀粉质原料直接发酵生成L-乳酸。
且米根霉菌丝较大,易分离,且生产的L-乳酸的纯度较高。
1.2.2化学合成法
利用化学合成法生产乳酸的方法很多,工业上使用的方法有三种:
乙醛氢氰酸法;
丙酸氯化水解法;
丙烯氧化法,其中实现规模化生产的是乳腈法。
乳腈可以由丙烯腈生产的副产物而来,亦可由乙醛与氢氰酸反应得到,乳腈水解即可得到乳酸,并可通过酯化法精制。
CH3CHO+HCN→CH3CH(0H)CN
(1)
CH3CH(OH)CN+2H2O+H2SO4→CH3CH(OH)COOH
(2)
CH3CH(OH)COOH+C2H5OH→CH3CH(OH)COOC2H5+H2O(3)
CH3CH(OH)COOC2H5+H2O→CH3CH(OH)COOH+C2H5OH(4)
乙醛、氢氰酸和循环水与少量的苛性钠一起注入搅拌式反应器。
反应是在大气压力下进行,通过水的蒸发驱散反应热。
将反应温度降至15℃以下,可促进腈生成。
在间歇式工艺中,停留时间为20~40min,转化率可达90%~95%。
对于当量加成HCN和乙醛.可获得96%以上的总收率。
但由于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限制了生产和发展。
丙酸氯化水解法是以丙酸为原料,经氯化生成一氯丙酸,用氢氧化钠将氯取代即得粗乳酸,将粗乳酸酯化、精馏,再通过水解,即得精乳酸。
而丙烯氧化法是在15~20℃将丙烯与液体N204反应,得到1-硝基-2-羟基丙烷,然后用盐酸或硫酸水解。
通过生物质化学降解的方法也可以得到乳酸。
因为糖类在酸和碱催化条件下可以发生降解,研究表明将纤维素和氢氧化钙等无机碱或铵类有机碱共混于水中,在250℃、5~25MPa的条件下可使纤维素迅速降解为乳酸。
在300℃、25MPa的亚临界水环境中以蔗糖为原料加入少量如Co、Cu等金属离子后,乳酸收率可达到42%。
生物质化学降解的研究是生物质资源利用的重要途径,而乳酸作为降解的产物之一具有很大的研究前景。
生物质化学降解过程的复杂性是其发展主要障碍之一,详细的降解机理探索和合适的催化剂选择是生物质降解方法未来的重要研究方向。
除以上方法外,还曾有乙酸乙烯酯羰基化法、乙醛一氧化碳合成法等化学合成技术出现,除乙醛氢氰酸法外,其他的化学合成技术或因成本问题,或仅仅在理论探索,并未实现实际的规模化生产。
1.2.3乳酸生产新技术
由于化学合成法的种种缺点,所以现在在乳酸合成新工艺的研究上还是以发酵法研究的比较多,基于传统发酵生产过程存在菌种的发酵条件严格、效率低、成本高、分离难、工艺步骤多等缺点,人们在筛选更优的菌种和改进乳酸发酵工艺方面做了相当的工作;
同时,针对传统工艺所存在的一些主要问题,近年出现了许多发酵新工艺,主要有:
固定化微生物法、电渗析连续发酵法、萃取发酵法、膜法发酵法、吸附发酵法、同时糖化发酵工艺[6~9]。
表1-2发酵法生产乳酸新技术优缺点比较
发酵方法
优点
缺点
固定化法
减少细菌流失,利于稳定和连续化生产
固定化载体稳定性要求高,传递阻力和接触面积问题对菌种的生产能力有影响
电渗析发酵
不需要中和沉淀,简化后工艺:
缩短了发酵周期:
易于实现连续化生产
较高的电力等能量消耗;
副产大量盐类:
膜污染影响生产效率和成本
膜法发酵(超滤、反渗
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