年产3000吨乳酸的生产车间工艺设计_毕业设计说明书(编辑修改稿)

年产3000吨乳酸的生产车间工艺设计_毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

，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。 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) 中北大学 2020届毕业设计说明书 第 4 页 共 36 页 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～ 40 min，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℃ 、 5～25 MPa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。 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 12 发酵法生产乳酸新技术优缺点比较 发酵方法 优点 缺点 中北大学 2020 届毕业设计说明书 第 5 页 共 36 页 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、反渗透等 ) 可连续性的移出产物减小抑制：维持高细胞浓度利于发酵 膜清洗和杀菌较为困难 液膜萃取 (乳状液膜、支撑 液膜、中空纤维液膜 ) 可实现固定化；大比表面积及高选择性 表面活性剂乳状液膜操作复杂，渗透溶胀影响大：支撑液膜稳定性不足：中空纤维液膜对料液要求较高，易于形成乳浊液 萃取发酵 能耗低、选择性高、分离效率高：工业化技术成熟 萃取剂与发酵菌对环境的 pH值要求不同：萃取剂的毒性 吸附发酸 (离子交换、 活性炭等 ) 分离效果好，工艺技术研究较多 易受污染需再生过程：交换效率易受进料条件影响；交换废液需处理 同时糖化发酵 (SSF) 糖化发酵过程同时进行，减少工艺步骤，利于降低成本 需要寻找合适的糖化酶和发酵菌种；工艺控制要求高 发酵法的各种技术各具特点，近年来，不少研究者尝试多种技术耦合以实现取长补短也取得了一些有益的进展。 可以预见，多种技术的耦合、简化生产过程将是发酵法乳酸生产技术研究的重要方向。 乳酸的提取和精制技术 乳酸的提取精制是将粗产品制取成品乳酸的重要步骤，在传统乳酸发酵法生产工艺中 ，提取精制过程耗费的费用为整个乳酸生产成本的一半以上。 传统乳酸生产采用钙盐法提取乳酸，一般通过在发酵过程中加入钙中和剂生成含乳酸钙的发酵液，经过反复结晶、洗晶后加入硫酸酸解提取乳酸，并通过反复的吸附脱色等步骤精制得到产品。 乳酸提取的新工艺技术有：乳酸锌结晶工艺，采用此工艺，粗制品收率可由 70%提高到 80%中北大学 2020届毕业设计说明书 第 6 页 共 36 页 以上，总体收率由 40%~50%提高到 60%~65%，溶剂萃取法提取乳酸，它具有操作简便，对设备腐蚀性小，可连续自动化操作等优点，离子交换法提取乳酸，该工艺简单，乳酸回收率高，产品质量高，电渗析法提取乳酸等 [10~11]。 中北大学 2020 届毕业设计说明书 第 7 页 共 36 页 2 生产工艺 乳酸生产 工艺流程 主要包括 ： 发酵工艺和提取精致工艺。 发酵工艺 发酵工艺流程及特点 工艺流程： 原料（大米和麸皮） →调浆 →蒸煮糊化 →定溶 →糖化发酵（同时进行） 特点： 采用大米为原料，将糖化酶与乳酸菌同时接入糊化醪中，糖化与发酵是同时进行的，其优点是不需要提取淀粉或者先行加糖，减少设备投资。 由于乳酸发酵温度（ 50℃ ）接近糖化酶最适合作用温度（ 5560℃ ），适合二者同时进行。 根据工 业经验该工艺杂菌污染极少，这是因为乳酸有一定的杀菌功能，即使发酵容器敞开，也不必担心杂菌污染。 发酵工艺条件 原料： 以大米为主要原料（大米粒径 ），麸皮为辅助原料；大米：麸皮 =4： 1；加水比例为 1： 4，按淀粉计加入 5～ 10u/g耐高温淀粉酶。 菌种：采用德氏乳杆菌（ Lactobacillus delbrueckii）为菌种。 （ 1）分类：属真菌目，乳杆菌科，乳杆菌属，细胞呈杆状，大小 ～。 单个或短链，革兰氏阳性， 不运动。 能利用麦芽糖，蔗糖，葡萄糖，果糖，半乳糖、糊精等，发酵产生 D乳酸，少数菌种产生 DL乳酸，在不加中和剂的情况下，最高生成乳酸浓度可达 16g/L，最适合生长温度为 45℃ ，在 50℃ 时仍能旺盛生长、产酸，最高能耐 55℃。 在琼脂平板培养基上菌落扁平，呈锯齿形；明胶平板培养基上菌落呈灰色，环状；在琼脂斜面培养基上呈半透明、灰色条纹。 （ 2）菌种的扩大培养：乳酸发酵生产必须采用纯种培养，并且接种量相当大，一般为 5%～ 10%，因此生产中需要采用菌种的扩大培养操作，其步骤如下： 试管原种 →10mL 试管 →200mL 三角瓶 →13L 三角瓶 →200300L 种子罐 →20203000L种子罐。 因德氏乳杆菌为厌氧或者兼性好氧菌，应采用斜面冻结保存或冷冻干燥保存，中北大学 2020届毕业设计说明书 第 8 页 共 36 页 使用时先进行活化，将保存的原种转接到 10ml 5176。 Bx麦芽汁的试管中，然后在 45176。 C下培养 24h，可适当转接多次，再经过一级种子活化，二级种子活化，最后即可使用。 （ 3）德式乳杆菌接种物成熟指标：醪液中积累乳酸 ，细胞密度 71010～ 81010个 /mL，细胞大小为（ 7～ 8） um（ ～ ） um，镜检可见到 2～ 4个细胞排列成链，细 胞原生质均匀，无大异染颗粒。 不得检出形状和大小与德式乳杆菌有明显差别的杂菌。 （ 4）种子罐培养：接种量： 10%；含酶 ；酸度 ；周期 3040小时。 种子培养基与发酵培养基皆不必灭菌，接入到三角瓶中培养，开动搅拌，在 50℃ 左右培养3040小时。 （ 5）大罐发酵条件： a淀粉酶用量： 100单位 /天，敞口发酵；周期：约为 70小时；发酵结束指标：乳酸钙含量： %左右； ，残糖低于 [12,13]。 发酵工艺操作要点及注意事项 原料处理 大米需要粉碎（粒径 ）。 调浆池 将大米：麸皮 =4： 1进行投料，开动搅拌，加水比为 1： 4。 调浆池中搅拌均匀后进入糊化锅，通蒸汽，蒸汽压为 100Pa（表压），约 2030min即糊化醪要求；糊化结束后，降下锅的压力，放出多余的蒸汽，夹套中通冷却水，使糊化醪降至 60℃ 以下，放到发酵罐中。 （ 1） 配料：种子培养基与发酵培养基相同，皆不必灭菌，接种量 10%，将种子 培养基投入种子罐中，开动搅拌，在 50℃ 左右培养 24小时。 （ 2） 放罐：调 ，产酸 ，镜检合格，菌丝生长良好，接入蒸煮罐内，进入扩大培养，因发酵罐体积过大，浓度不易控制。 发酵罐 （ 1）配料：发酵罐中先放一定量的冷水，可利用糊化罐进冷却水，水温 5055℃ ，放入原料，加水定容，发酵培养基浓度约 100g/L，往罐中通入压缩空气，使料液翻匀，加乳酸调至 ，温度 5052℃ 时加糖化酶，每克大米 120单位，接种量 10%翻匀，进行发酵。 中北大学 2020 届毕业设计说明书 第 9 页 共 36 页 （ 2）发酵控制：乳酸菌不能耐高酸度，发酵过程中 pH≥4，发酵开始后约 6小时，开始加 CaCO3进行中和。 CaCO3天家总量为大米总量的 3/4，考虑发酵罐填充系数等因数， CaCO3分批添加，每次加入总量的 1/6，每 8小时加一次，分 6次加完。 每加一次都要通过压缩空气搅拌，发酵过程维持料温度 50177。 1℃ ，每隔 2小时测试一次。 （ 3）发酵后期管理：当测试残糖降至 1g/L以下时，表明发酵结束，总发酵时间约70小时，往罐中添加石灰以中和过量乳酸，使料液 pH升至 11～ 12，再加碱时要通气翻拌均匀，待石灰溶解后停止通气 ，使菌体杂质沉淀下来，用泵抽出液相，送入板框过滤机，沉渣滤出，用少量冲洗发酵罐，沉渣与洗涤水一般置于另一容器中沉淀。 这种上清夜与上述滤液一并集中在处理池中升温至 85℃ ，加入 1～ 2g/L MgCl2溶液及适量的石灰乳，用压缩空气搅拌，此时可见大量絮状物出现，澄清后进行提取工序。 （ 4）放罐：发酵结束时，乳酸钙含量 %左右， 1g/L，可放罐，先将罐温升到 70℃ ，压入贮罐或板框，压完后关闭进空气阀，排出罐口空气，打开人孔盖，用水洗罐，再盖上人孔盖，排出洗水。 （ 5）发 酵液处理应注意问题：乳酸发酵通常在过剩的 CaCO3存在的情况下进行，生成 5个水的水合型乳酸钙，由于杂质存在，发酵近结束时，发酵醪有一种粘性。 在初糖浓度较高时，如不注意就会有五水乳酸钙针状晶体析出，晶体空隙也含水分，从而使整个发酵醪固体化，给后面操作带来麻烦。 因此在乳酸菌活动减弱，料液浓度开始下降时要及时升温至 90100℃ ，并同时加入石灰乳调 pH至。 搅匀后静置 4~6小时，使菌体悬浮物下沉，为避免乳酸钙结晶析出，澄清过程保温 55℃ ，将上清液放出，沉淀单独处理。 提取精制工艺 提取工艺流程及特点 ： 发酵液 →预热罐 →压料罐 →板框过滤 →沉降罐 →板框过滤 →浓缩 →酸解 →板框过滤 →浓缩 →脱色 →离子交换 →脱色 →浓缩 →成品 ： 发酵结束后，升温至 80℃ 以上，加石灰调节 pH至 10左右，放入沉降罐使菌体杂质沉淀下来，过滤后进行双效蒸发，再在酸解罐中的硫酸中酸解。 过滤除石灰渣，这时酸浓度达到 78176。 Be蒸发浓缩至 11176。 Be后，进行第一次脱色，经板框过滤后，先通过 732中北大学 2020届毕业设计说明书 第 10 页 共 36 页 阳离子交换柱。 再通过 701阴离子交换柱，除去所含杂质离子，再次蒸发浓缩，同时 加活性炭脱色处理，经过滤后得乳酸清夜，放入计量罐，桶装成品。 提取工艺条件 预热、沉降罐不能超过其容积的 80%，预热罐液 ，煮沸 5min，沉降罐料温调至 pH=12以上，温度达 8590℃。 MgCl2加量不超过 2%。 压料罐进料不得超过其容积的 80%，压力不超过 40。