生工工程王麗媛8000L乳酸工段工藝設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）手冊(cè) 課題名稱： 8000噸/年l-乳酸工段工藝設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 生物工程學(xué)院 班 級(jí)： 生物工程1020班 學(xué) 號(hào)： 0909030108 姓 名： 王麗媛 指導(dǎo)教師： 姚秀清 8000噸/年l-乳酸發(fā)酵工段工藝設(shè)計(jì) 王麗媛（遼寧石油化工大學(xué)，石油化工學(xué)院，生物工程1037）摘 要l-乳酸是一種重要的食用有機(jī)酸，需求量?jī)H次于檸檬酸，可用于食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)和制造生物可降解聚合物等多個(gè)領(lǐng)域。l-乳酸除了具備普通乳酸的性質(zhì)外，另外還具有獨(dú)特的生化價(jià)值，被廣泛的應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化工等行業(yè)。經(jīng)過(guò)查閱大量的文獻(xiàn)資料，首先確定了本設(shè)計(jì)中的發(fā)酵原料、發(fā)酵菌種、發(fā)酵方法，在此基礎(chǔ)上確定了l-

2、乳酸發(fā)酵工段工藝流程。本設(shè)計(jì)以薯干為原料，以米根霉為發(fā)酵菌種，采用乳酸傳統(tǒng)發(fā)酵方法。根據(jù)年生產(chǎn)量對(duì)發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行了物料、熱量衡算。經(jīng)過(guò)衡算，給出了8000噸/年l-乳酸發(fā)酵工段所需要消耗的物料量以及消耗的蒸汽量、冷卻水量。依據(jù)衡算結(jié)果，在選定高徑比（h/d=2）條件下，設(shè)計(jì)了發(fā)酵罐、種子罐的主要尺寸和個(gè)數(shù)，并給出了發(fā)酵罐換熱器的傳熱面積，攪拌器的軸功率、通氣量等。另外又設(shè)計(jì)了配料罐體積。最后可根據(jù)上述計(jì)算得出的數(shù)據(jù)繪制了工藝流程圖、發(fā)酵罐三視圖及發(fā)酵車間發(fā)布圖。關(guān)鍵詞： l-乳酸，發(fā)酵，工藝設(shè)計(jì) the fermentation process design of l-lactic acid w

3、ith an annual output of 8000 tonswang liyuan(class 1002, school of bio-engineering, liaoning shihua university, fushun, 113001, liaoning)abstractl- lactic acid was an important edible organic acid and the demand was only smaller than the citric acid, which could be used in various fields of food ind

4、ustry, pharmaceutical industry and be manufactured biodegradable polymers. l- lactic acid not only had the nature with ordinary lactic acid, also had unique biochemical value. it was widely used in food, medicine, chemical industry etc.through access to information, raw materials, strain production

5、and method of fermentation in this design were first identified. based on this, process flow of l- lactic acid was given. in this design, sweet potato was selected as raw materials and rhizopus oryzae was strain. materials, energy and major equipment structure size were calculated. at the same time,

6、 the required amount of material consumption,steam consumption and consumption of cooling water were given for 8000 tons / year an annual output of 8000 tons of l- lactic acid. according to the calculation results, with the selected ratio of height to diameter (h/d=2), the main dimension and number

7、of fermentation tanks and seed tanks were calculated. the heat transfer area of fermentation tank ,stirrer shaft power and ventilation were also given. finally, based on the calculated data, process flow diagram , three views of the main equipment and were drawn with cad.key words：l-lactic acid, fer

8、mentation, process designv目錄摘 要iabstractii1.文獻(xiàn)綜述11.1 l-乳酸的理化性質(zhì)11.1.1 l-乳酸的物理性質(zhì)11.1.2 l-乳酸的化學(xué)性質(zhì)21.2國(guó)內(nèi)外l-乳酸的應(yīng)用21.2.1 l-乳酸在食品行業(yè)中的應(yīng)用21.2.2 l-乳酸在醫(yī)藥行業(yè)中的應(yīng)用31.2.3 l-乳酸在輕工、化工行業(yè)的應(yīng)用31.2.4 l-乳酸在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用41.2.5 l-乳酸在煙草行業(yè)的應(yīng)用41.2.6 l-乳酸在皮革制作行業(yè)的應(yīng)用41.2.7 l-乳酸在紡織行業(yè)的應(yīng)用41.2.8 l-乳酸的聚合物作為可生物降解塑料的應(yīng)用41.2.9 l-乳酸衍生物的應(yīng)用51.3國(guó)內(nèi)外的生

9、產(chǎn)和消費(fèi)狀況52.生產(chǎn)工藝的概述72.1菌種概述72.1.1米根霉發(fā)酵的特點(diǎn)及目前的研究狀況72.1.2乳酸菌菌屬72.2 發(fā)酵l-乳酸的原料102.2.1發(fā)酵l-乳酸時(shí)所需的碳源及新型碳源的概括102.2.2新型氮源的概括122.3生產(chǎn)l-乳酸的三種方法132.3.1.發(fā)酵法13 2.3.2.合成法 132.3.3.酶化法142.4 1l-乳酸的發(fā)酵方法142.4.1傳統(tǒng)l-乳酸的發(fā)酵方法142.4.2 l-乳酸發(fā)酵的新工藝152.5 設(shè)計(jì)的目地152.6生產(chǎn)流程簡(jiǎn)述162.6.1 l-乳酸的生產(chǎn)工藝流程圖172.7乳酸提取工藝的研究172.7.1鈣鹽法172.7.2 萃取法182.7.3

10、吸附法192.7.4 膜法192.8乳酸的精制203.原材料及產(chǎn)品的主要技術(shù)規(guī)213.1菌種的選擇213.2發(fā)酵原料的選擇213.2.1種子培養(yǎng)基213.2.2發(fā)酵培養(yǎng)基213.3設(shè)計(jì)依據(jù)213.4設(shè)計(jì)范圍223.5 工藝技術(shù)指標(biāo)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)224.工藝計(jì)算244.1物料衡算244.1.1發(fā)酵罐244.2熱量衡算264.2.1發(fā)酵罐的熱量衡算264.2.2種子罐的熱量衡算295.主要設(shè)備的計(jì)算325.1發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)325.1.1發(fā)酵罐的尺寸設(shè)計(jì)325.1.2發(fā)酵罐攪拌器軸功率計(jì)算335.2種子罐的計(jì)算345.2.1種子罐的尺寸計(jì)算345.2.2種子罐軸功率計(jì)算355.3發(fā)酵液的貯罐計(jì)算355.4

11、配料罐的計(jì)算355.4.1發(fā)酵罐配料罐355.4.2種子罐配料罐355.1設(shè)備選型表格366.小結(jié)38參考文獻(xiàn)39致謝418000噸/年l-乳酸發(fā)酵工段工藝設(shè)計(jì)1文獻(xiàn)綜述1.1 l-乳酸的理化性質(zhì)1.1.1 l-乳酸的物理性質(zhì)hooh3chd(-)-乳酸h l(+)-乳酸hoohohh乳酸(lacticacid)，學(xué)名為-羥基丙酸(-hydroxy-propanoic-acid)，分子式為c3h6o3，結(jié)構(gòu)式為ch3chohcooh，相對(duì)分子質(zhì)量90.08，是一種常見的天然有機(jī)酸。乳酸分子內(nèi)含有一個(gè)不對(duì)稱碳原子，具有光學(xué)異構(gòu)現(xiàn)象，有d型和l型兩種構(gòu)型，其中l(wèi)-乳酸為右旋，d-乳酸為左旋，其結(jié)構(gòu)

12、式見圖1。當(dāng)l-乳酸和d-乳酸等比例混合時(shí)，即成為外消旋的dl-乳酸。不同分子構(gòu)型的乳酸有不同的理化性質(zhì)，如表1所示2。純凈的無(wú)水乳酸是白色結(jié)晶體，熔點(diǎn)為16.8，沸點(diǎn)為122(2kpa)，相對(duì)密度為1.249。乳酸通常是乳酸和乳酰乳酸的混合物，為無(wú)色透明或淺黃色糖漿狀的粘稠液，幾乎無(wú)臭或微帶有脂肪酸臭，味酸易與水、乙醇、乙醚、丙二醇、甘油混溶，幾乎不溶于氯仿、石油醚、二硫化碳和苯。濃度達(dá)到60以上的乳酸具有很強(qiáng)的吸濕性。l-乳酸純品為無(wú)色液體，工業(yè)品為無(wú)色到淺黃色液體。無(wú)氣味，具有吸濕性。相對(duì)密度1.2060(25/4)。熔點(diǎn)18。沸點(diǎn)122（2kpa)。折射率nd(20)1.4392。能與

13、水、乙醇、甘油混溶，不溶于氯仿、二硫化碳和石油醚。在常壓下加熱分解，濃縮至50%時(shí)，部分變成乳酸酐，因此產(chǎn)品中常含有10%15%的乳酸酐。 ho 圖1.1乳酸的結(jié)構(gòu)式 figure 1.1 structure of lactic acid 表1.1：乳酸的理化性質(zhì)table 1.1： physical and chemical properties of lactic acid構(gòu)型熔點(diǎn)/比旋光度d20解離常數(shù)（25） 熔化熱/（kj/mol）ld ld25-2625-26183.33.30 1.3710-41.3710-41.3710-4 16.87 16.87 11.351.1.2 l-乳酸

14、的化學(xué)性質(zhì)乳酸分子中既帶羥基又帶羧基，是自然界中存在的最廣泛的一種羥基羧酸，也是最簡(jiǎn)單的一種羥酸，同時(shí)乳酸具有自動(dòng)酯能力，可以參與氧化、還原、縮合、酯化等反應(yīng)，從而制備多種乳酸衍生物。1.2國(guó)內(nèi)外l-乳酸的應(yīng)用乳酸，lactic acid，又名-羥基丙酸。乳酸是世界上公認(rèn)的三大有機(jī)酸之一。其分子中有一個(gè)不對(duì)稱的碳原子，所以有兩種旋光異構(gòu)體，即l-乳酸和d-乳酸。乳酸廣泛存在于自然界中，如在血液、酸奶、泡菜、奶酪、及啤酒中都有發(fā)現(xiàn)。乳酸用途很廣，主要用于食品、醫(yī)藥、化工、輕工等行業(yè)。1.2.1 l-乳酸在食品行業(yè)中的應(yīng)用由于l-乳酸對(duì)人體無(wú)毒無(wú)副作用，而且易吸收，可直接參與體內(nèi)代謝,酸性柔和且穩(wěn)

15、定，有助于食品的風(fēng)味，作為酸味劑、乳化劑、殺菌劑、保鮮劑,ph調(diào)節(jié)劑、啤酒、糕點(diǎn)等廣泛的應(yīng)用于食品行業(yè)。與檸檬酸、蘋果酸等食用酸相比具有很強(qiáng)竟?fàn)幜?。在美?guó)，乳酸用于軟飲料方面很大程度取代了檸檬酸、磷酸等；在啤酒制造上，美國(guó)禁止使用磷酸調(diào)節(jié)聲，而全部改用乳酸。朱蓓薇等用保加利亞乳酸桿菌與嗜熱鏈球菌混合發(fā)酵板栗水解液，證明了用板栗水解液可以生產(chǎn)乳酸發(fā)酵飲料，用加工其它板栗產(chǎn)品時(shí)剩下的不成型小塊、碎塊等下腳料為綜合利用板栗資源開發(fā)出一條新途徑。乳酸制品的衍生物的研究也紛多繁雜，比如：海帶發(fā)酵乳酸飲料，紅薯酸奶加工，獼猴桃汁乳酸發(fā)酵，南瓜汁乳酸發(fā)酵飲料，葡萄酒蘋果酸乳酸發(fā)酵等紛紛進(jìn)入研究。乳酸菌發(fā)酵肉

16、圓可以制得口感好，更營(yíng)養(yǎng)，保質(zhì)期長(zhǎng)的食品。乳酸還可以應(yīng)用于發(fā)酵香椿芽，改善傳統(tǒng)發(fā)酵的高鹽分對(duì)風(fēng)味的影響。1.2.2 l-乳酸在醫(yī)藥行業(yè)中的應(yīng)用醫(yī)藥行業(yè)的應(yīng)用l-乳酸可直接配置成藥物或制成乳酸鹽使用，由于乳酸對(duì)人和畜無(wú)害，而且有很強(qiáng)的殺菌作用，因而，乳酸可直接用作室內(nèi)外環(huán)境、飲食、手術(shù)室、病房、實(shí)驗(yàn)室、車間等場(chǎng)所的消毒劑。l-乳酸、l-乳酸鈉與葡萄糖、氨基酸等復(fù)合配置成輸液，可治療酸中毒及高鉀血癥l-乳酸亞鐵、l-乳酸鈣、l-乳酸鋅是補(bǔ)充金屬元素的良好藥品。聚l-乳酸屬于無(wú)毒的高分子化合物，具有生物相容性,在人體內(nèi)能被分解成l-乳酸，為人體代謝，不引起變態(tài)反應(yīng)，因此廣泛用于生產(chǎn)緩釋膠囊制劑，這樣

17、可使血液循環(huán)中藥物濃度相對(duì)降低，大大提高療效，降低副作用。用于治療癌癥藥物方面已取得可喜進(jìn)展。由l-乳酸制成的生物降解纖維可用來(lái)制成手術(shù)縫合線，它隨傷口愈合而被機(jī)體分解吸收，不需拆線，這特別適合人體深部組織的縫合，減少病人痛苦和提前康復(fù)。另外，還用它作為生物值片，以修復(fù)骨折或其他機(jī)體損傷，繃帶、人造骨骼及藥物釋放等生物醫(yī)用材料。l-乳酸作為可生物降解醫(yī)用材料，人類對(duì)醫(yī)用高分子材料的需求日益增大，特別是用于人體內(nèi)的高分子材料要求較高，需具有良好的物理化學(xué)性能，還要求與人體組織有良好的相溶性，有相當(dāng)?shù)臋C(jī)械強(qiáng)度及耐久性，可經(jīng)受各種消毒處理及良好的加工性能，無(wú)毒副作用等。聚乳酸材料具備了這樣的條件，因

18、此正在開發(fā)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域如手術(shù)縫合線、骨科固定、組織修復(fù)材料、醫(yī)用外套、個(gè)人衛(wèi)生用品及藥物控制釋放體系等。1.2.3 l-乳酸在輕工、化工行業(yè)的應(yīng)用在輕工、化工行業(yè)的應(yīng)用可作為紡織品的助染料劑，在電子、航空和航天及半導(dǎo)體工業(yè)中作為精細(xì)金屬清潔劑。在化妝品和清潔衛(wèi)生用品方面可作為添加劑。在卷煙工業(yè)中，可用乳酸除去煙草中雜質(zhì)，清除辛辣味，改善口味，提高煙草檔次。聚乳酸可以加工成無(wú)紡布、紡織纖維等生態(tài)纖維材料。1.2.4 l-乳酸在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用由發(fā)酵獲得的阻乳酸氨溶液，可直接作為青貯料添加劑，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)飼料。另外l一乳酸還可以作為植物生長(zhǎng)活力劑，水產(chǎn)用生菌劑等應(yīng)用于農(nóng)、漁業(yè)上,具有十分誘人的的開

19、發(fā)前景。聚l一乳酸或與其它材料共聚制成的生物降解塑料還可用于生產(chǎn)緩釋農(nóng)藥，優(yōu)點(diǎn)在于延長(zhǎng)農(nóng)藥使用時(shí)間，對(duì)農(nóng)作物和土壤無(wú)毒害作用，提高農(nóng)藥使用效率，國(guó)際上正在大力推廣應(yīng)用。1993年，美國(guó)阿爾貢國(guó)立實(shí)驗(yàn)室已將聚乳酸用于制造能在土壤中完全分解的農(nóng)用薄膜，現(xiàn)正在推廣之中。由于德、意、奧、美等國(guó)相繼制定法規(guī)限制非降解塑料的應(yīng)用，因此制造可分解塑料是人們非常關(guān)注的間題。1.2.5 l-乳酸在煙草行業(yè)的應(yīng)用在煙草中加入適量l乳酸可提高煙草的品質(zhì)，并能很好的保持煙草的濕度。1.2.6 l-乳酸在皮革制作行業(yè)的應(yīng)用把l乳酸作為皮革加工的鞣順劑，可使皮革柔軟細(xì)膩，從而提高皮革的品質(zhì)。1.2.7 l-乳酸在紡織行業(yè)

20、的應(yīng)用通過(guò)l-乳酸處理過(guò)的纖維織物，易著色，增加光澤和觸感柔軟、舒適。1.2.8 l-乳酸的聚合物作為可生物降解塑料的應(yīng)用生物工程材料聚l-乳酸是以l-乳酸為原料合成的高分子材料，無(wú)毒，具有良好的生物相溶性，可生物降解吸收，強(qiáng)度高，可塑性加工成型。它易被自然界中的各種微生物或動(dòng)植物體內(nèi)的酶分解代替，最終形成二氧化碳和水，不污染環(huán)境。因而被認(rèn)為是最有前途的可生物降解高分子材料?？缮锝到馑芰蠟榻鉀Q塑料廢棄物對(duì)環(huán)境造成污染問(wèn)題，可生物降解塑料已經(jīng)在許多國(guó)家開始研究與應(yīng)用。聚乳酸塑料可用作生產(chǎn)農(nóng)用薄膜、食品包裝袋、保鮮膜、餐盒、塑料容器等。此外聚乳酸有望在不久的將來(lái)代替pvc、pp等各種不可降解的塑

21、料，以消除“白色污染”所造成的環(huán)境危機(jī)。產(chǎn)品購(gòu)物袋、食品容器、吸管、包裝膜等可生物降解的包裝材料。1.2.9 l-乳酸衍生物的應(yīng)用表1.2 l-乳酸及其衍生物的應(yīng)用table 1.2 application of l-lactic acid and its derivative名 稱 用 途l-乳酸l-乳酸鈣l-乳酸亞鐵l-乳酸鉀l-乳酸鈉硬脂酰乳酸鈣硬脂酰乳酸鈉脂肪酸乳酸酯甘油混合酯脂肪酸甘油乳酰酯l-乳酸酯酸味劑、防腐劑、啤酒ph調(diào)節(jié)劑、殺菌劑、保鮮劑風(fēng)味增強(qiáng)劑、固化劑膨松劑、營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑、穩(wěn)定劑、增稠劑營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑、嬰兒配制食品風(fēng)味增強(qiáng)劑、調(diào)味劑、保濕劑、ph控制劑調(diào)味劑、保濕劑、乳化劑、防

22、腐劑、防凍劑面團(tuán)增強(qiáng)劑、蛋制品起泡劑乳化劑、穩(wěn)定劑、組織柔軟劑乳化劑、增塑劑、表面活性劑乳化劑、增塑劑、表面活性劑乳化劑、增塑劑、表面活性劑 溶劑、香料1.3國(guó)內(nèi)外的生產(chǎn)和消費(fèi)狀況 國(guó)外的生產(chǎn)狀況目前世界上乳酸的主要生產(chǎn)地區(qū)為美國(guó)、西歐和日本等，近80%的生產(chǎn)廠家采用發(fā)酵法進(jìn)行生產(chǎn)。發(fā)酵法的原料，荷蘭一般用甜菜糖，美國(guó)用玉米淀粉，巴西用蔗糖。世界最大的乳酸生產(chǎn)企業(yè)是荷蘭的purao公司，總公司在荷蘭，美國(guó)、巴西設(shè)有分公司，全部采用發(fā)酵法生產(chǎn)。美國(guó)有adm和stering兩家乳酸生產(chǎn)企業(yè)。在美國(guó)，約有60%的乳酸應(yīng)用于食品工業(yè)，其中有26%乳酸直接用于食品行業(yè)，其他的應(yīng)用于制備乳酸鹽和乳酸酯類以

23、及醫(yī)藥行業(yè)。美國(guó)對(duì)乳酸的利用已經(jīng)處于世界先進(jìn)水平，聚乳酸已經(jīng)開始大規(guī)模推向市場(chǎng)。西歐的purao公司，分別在荷蘭和西班牙建設(shè)生產(chǎn)裝置，均采用發(fā)酵法生產(chǎn)，西歐的乳酸的70%用于食品行業(yè)。日本乳酸生產(chǎn)企業(yè)有日本武藏化學(xué)公司和日本大賽化學(xué)公司兩家。日本乳酸的消費(fèi)結(jié)構(gòu)為：60%是食品行業(yè)，30%用于工業(yè)，余下的10%用于醫(yī)藥和化妝品。國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)狀況我國(guó)的乳酸工業(yè)始建于20世紀(jì)40年代，起步發(fā)展于20世紀(jì)80年代中期到90年代初期，目前，我國(guó)正常生產(chǎn)乳酸的廠家有20余家，總生產(chǎn)能力約為2萬(wàn)t/a。我國(guó)乳酸生產(chǎn)和國(guó)外先進(jìn)水平差距很大，乳酸生產(chǎn)規(guī)模小，發(fā)酵罐僅僅30噸/臺(tái)到60噸/臺(tái)，產(chǎn)酸率低；產(chǎn)品仍以dl

24、-乳酸為主，占80%，產(chǎn)品色度質(zhì)量不高；另外在后提取方面更有較大差距，總體來(lái)說(shuō)，成本很高。我國(guó)乳酸的最大應(yīng)用領(lǐng)域是香料和香精行業(yè)，其用量占乳酸總消費(fèi)量的40%，主要用于生產(chǎn)乳酸乙酯應(yīng)用于調(diào)制各類酒。目前全國(guó)約有25%的啤酒生產(chǎn)廠在使用乳酸。 2.生產(chǎn)工藝的概述2.1菌種概述2.1.1米根霉發(fā)酵的特點(diǎn)及目前的研究狀況米根霉能生成淀粉酶和糖化酶，他能直接利用糖，也可以利用淀粉或淀粉質(zhì)原料直接生成l-乳酸， 根霉所產(chǎn)的乳酸光學(xué)純度好，但是產(chǎn)酸量低，需氧，耗能高。米根霉發(fā)酵產(chǎn)生乳酸，但同時(shí)伴隨乙酸、富馬酸、琥珀酸、蘋果酸、乙酸等其他產(chǎn)物的產(chǎn)生，它們之間的比例隨著菌種和工藝不同而異。1996年longa

25、cre等通過(guò)分析米根霉葡萄糖代謝流分析，將乳酸的產(chǎn)率提高到75%86%。zhou 等采用米根霉atcc52311優(yōu)化發(fā)酵葡萄糖生產(chǎn)l-乳酸工藝研究，使乳酸生產(chǎn)率達(dá)88%但是米根霉發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng)，需氧耗能高，副產(chǎn)物多，包括乙酸、富馬酸、蘋果酸、蘋酰乙酸對(duì)l- 乳酸純化提取帶來(lái)難度。通過(guò)基因工程技術(shù)改變米根霉代謝流，修飾、擴(kuò)展和構(gòu)建代謝途徑，改變內(nèi)代謝通量的分配，使米根霉在一定條件下生成更多的乳酸。白冬梅等通過(guò)代謝通量分析優(yōu)化米根霉r1021發(fā)酵生產(chǎn)d(+)-乳酸過(guò)程,最大理論l-乳酸產(chǎn)率達(dá)98.2。另外，可以利用 dna重組技術(shù)構(gòu)建工程菌，hakki等利用乳酸鏈球菌，l-乳酸脫氡酶基因ldhl的dn

26、a 序列設(shè)計(jì)引物，采用rt-pcr擴(kuò)增米根霉ldhl片段，構(gòu)建米根霉菌基因工程菌。根霉有乙醇發(fā)酵的酶，以至霉菌在短期缺氧狀態(tài)下可以生長(zhǎng)。在氧氣限制條件下，一個(gè)僅表達(dá)5野生型乙醇脫氫酶活力的突變子被分離。2.1.2乳酸菌菌屬乳酸細(xì)菌不能直接發(fā)酵淀粉，必須經(jīng)過(guò)糖化過(guò)程，轉(zhuǎn)變?yōu)樘琴|(zhì)原料才能發(fā)酵。乳酸細(xì)菌屬于化能異性微生物除了碳源作為主要原料外，乳酸細(xì)菌的生長(zhǎng)和發(fā)酵還需要復(fù)雜的外來(lái)營(yíng)養(yǎng)，必須提供各類氨基酸、維生素、核酸等因子。發(fā)酵原理如下圖2-1所示。乳酸菌產(chǎn)酸量高，厭氧，好能低，但是產(chǎn)物含有部分d-乳酸。乳酸鏈球菌(lactococcus)的優(yōu)勢(shì)是只產(chǎn)生l-乳酸。jeonga等分離篩選到一株乳酸鏈球

27、菌，控制ph6.0條件下，32發(fā)酵，葡萄糖濃度為 60g/l，乳酸對(duì)葡萄糖的轉(zhuǎn)化率為90.2%。而對(duì)乳酸鏈球菌ldhl基因的lac操縱子的拷貝數(shù)增加的結(jié)果僅僅導(dǎo)致乳酸產(chǎn)量的些微增加。乳桿菌以其產(chǎn)酸量高、產(chǎn)酸快的優(yōu)勢(shì)，成為廣大研究者關(guān)注的熱點(diǎn)。乙酰coa乙酸t(yī)ca環(huán) 葡萄糖丙酮酸乳酸乙酰蘋果酸草酰乙酸乙醇琥珀酸丙 酸丙酮酸脫氫酶丙酮酸羧化酶乳酸脫氫酶丙酮酸脫氫酶復(fù)合體 乙酰coa合成酶emp 圖2-1 乳酸菌發(fā)酵代謝途徑figure 2-1 lactic acid fermentation metabolic pathway乳桿菌包括同型乳酸發(fā)酵和異型乳酸發(fā)酵兩種類型，異型乳酸發(fā)酵乳桿菌產(chǎn)生l-

28、乳酸光學(xué)純度高，但是產(chǎn)量低，同時(shí)伴隨大量副產(chǎn)物產(chǎn)生(如乙酸、乙醇、丁酸等)。同型乳酸發(fā)酵乳桿菌產(chǎn)量高，但是同時(shí)產(chǎn)生兩種同分異構(gòu)體構(gòu)型，從外消旋乳酸混合物中分離純化l-乳酸成本太高，可能只能依靠昂貴的色譜技術(shù)。最理想的是篩選只產(chǎn)l-乳酸的菌株或者以遺傳技術(shù)改良菌株。因此，近年來(lái)，研究人員在通過(guò)基因工程和代謝工程改良乳桿菌提高l-乳酸產(chǎn)量和光學(xué)純度方面做了大量研究。ferain等采用增加基因拷貝數(shù)使編碼l-乳酸脫氫酶基因在植物乳桿菌 l.plantanum中過(guò)量表達(dá)，l-乳酸脫氫酶活性提高了13倍。但是，對(duì)l-乳酸或總?cè)樗岙a(chǎn)量幾乎無(wú)影響。以德氏乳桿菌為出發(fā)菌株，采用類似青霉素濃縮營(yíng)養(yǎng)缺陷型的經(jīng)典育

29、種方法改變培養(yǎng)條件使d-乳酸脫氫酶滅活，獲得d-乳酸脫氫酶缺陷型atcc55163，產(chǎn)100l-乳酸以乳清滲透液為原料發(fā)酵20h，乳酸濃度達(dá)77.8g/l，產(chǎn)率1.11g/lh。lapierre采用基因缺失方法使ldhd基因中8-bp缺失，獲得一株l.johusonii ldhd基因滅活突變株，突變子完全失去d-乳酸脫氫酶活性，l-乳酸脫氫酶活性保留下來(lái)，l- 乳酸產(chǎn)量也有些微增加。nikkila等采用l.helveticusldhd用根霉生產(chǎn)l-乳酸與乳酸菌相比，根霉對(duì)糖轉(zhuǎn)化率低,其理論值為75%，而使用乳酸菌時(shí)，糖的轉(zhuǎn)化率理論值可達(dá)100%，在實(shí)際生產(chǎn)中都能在90%以上。(l-乳酸脫氫酶)

30、基因滅活策略，通過(guò)基因替換的方法，構(gòu)建兩株穩(wěn)定ldhd基因滅活乳桿菌(lact-helveticus)。其中一株通過(guò)啟動(dòng)子區(qū)域內(nèi)部缺失阻止 ldhd 基因轉(zhuǎn)錄構(gòu)建，另一株用ldhl基因代替ldhd基因構(gòu)建，兩株構(gòu)建菌株l-乳酸脫氫酶活性分別提高了53%和93%且只生產(chǎn)l-乳酸,l-乳酸產(chǎn)量增加一倍，與野生型總產(chǎn)酸量相等。niju等人采用ntg誘l.rhamnosusmtcc1408菌株，分離到一株只生產(chǎn)l-乳酸的adh突變株，且乳酸產(chǎn)量增加了6.6%在研究如何提高l-乳酸產(chǎn)量和光學(xué)純度的同時(shí)，對(duì)乳桿菌適于發(fā)酵生產(chǎn)工藝方面也做了大量研究。2002年,zhang等采用基因組(genome-shuf

31、fling)方法獲得一株耐受低ph的突變菌株，此菌株可在ph3.8條件下發(fā)酵，在此條件下，乳酸以游離形式在可以直接用有機(jī)溶劑將乳酸從發(fā)酵液中萃取出來(lái)，從而降低了產(chǎn)品的純化成本。2007年，wang等采用基因組改組技術(shù)對(duì)干酪乳桿菌進(jìn)行提高耐酸性和l-乳酸生產(chǎn)速率的研究,獲得一株能夠在ph3.6條件下生長(zhǎng)的突變株,在ph3.8條件下，l-乳酸產(chǎn)量提高了3.1倍；在caco3中和ph條件下，l-乳酸的生產(chǎn)速率達(dá)到5.77g/lh，比原始菌株提高了26.5% 1.5%。 2.2 發(fā)酵l-乳酸的原料2.2.1發(fā)酵l-乳酸時(shí)所需的碳源及新型碳源的概括一般用于發(fā)酵生產(chǎn)-乳酸的碳源葡萄糖、蔗糖、乳糖、麥芽糖、

32、甘露糖、木糖和半乳糖均可以作為碳源發(fā)酵生產(chǎn)-乳酸。利用那些高純度糖發(fā)酵生產(chǎn)乳酸可以獲得高純度產(chǎn)物，而且有利于節(jié)省后提取成本。然而，-乳酸的市場(chǎng)流通價(jià)格低廉，以高純度糖發(fā)酵生產(chǎn)-乳酸顯然是不經(jīng)濟(jì)的。這些原料激勵(lì)了現(xiàn)代技術(shù)如超濾、電滲析的發(fā)展。目前研究比較集中的新型碳源主要有:淀粉質(zhì)原料、糖蜜、乳清、纖維質(zhì)原料及多種回收利用資源、工農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物和生活垃圾等資源。(1)酒糟就是一種常見的纖維質(zhì)材料，且來(lái)源豐富,僅巴西每年就有190萬(wàn)噸酒糟產(chǎn)生于釀造業(yè)。酒糟經(jīng)化學(xué)法和酶法綜合處理后，獲得了富含葡萄糖的水解液，并作為碳源成功地應(yīng)用于乳酸生產(chǎn)中。(2)葡萄糖和酶法綜合處理后，獲得了富含葡萄糖的水解液，采用同

33、步糖化發(fā)酵工藝直接利用紙漿廢水，先將紙漿廢水酶解處理，再作為碳源用于-乳酸的發(fā)酵生產(chǎn)，其優(yōu)越性在于：低木質(zhì)素含量和細(xì)微的顆粒形式有利于酶制劑的高效降解；高蛋白含量可以節(jié)省添加的氮源；來(lái)源廣，成本低；對(duì)其進(jìn)行回收利用有利于保護(hù)環(huán)境，特別是保護(hù)水源。(3)羊草（黍黃燈籠）青貯飼料也可以用于發(fā)酵乳酸。 (4)蘋果渣也被看作是乳酸發(fā)酵生產(chǎn)的潛在碳源。2003年,西班牙的蘋果酒制造工業(yè)產(chǎn)出了超過(guò)2萬(wàn)噸蘋果渣，每年全世界產(chǎn)生的蘋果渣有幾百萬(wàn)噸。beatriz等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，每100kg干蘋果渣經(jīng)過(guò)處理，并經(jīng)lactobcillusrhamnosuscect-288發(fā)酵可生成46.5kg乳酸，同時(shí)還可以產(chǎn)出

34、13.4kg寡聚糖和8.2kg微生物體。(5)米糠作為一種農(nóng)業(yè)廢棄物，廣泛存在于世界各地，日本農(nóng)林漁業(yè)部宣稱：僅2002年，日本的米糠產(chǎn)出量就高達(dá)90萬(wàn)噸。min-tiantao等通過(guò)采用酸解處理米糠的方式取代以往的酶解處理方式不僅降低了原材料處理成本而且顯著提高了產(chǎn)酸速率。(6)大豆是一種在中國(guó)各地區(qū)廣泛種植的農(nóng)作物，大豆葉莖作為大豆種植的主要副產(chǎn)物產(chǎn)量巨大。2000年中國(guó)大豆葉莖的產(chǎn)出量為2500萬(wàn)噸。xu等報(bào)道了利用大豆葉莖酶解物作為碳源發(fā)酵生產(chǎn)乳酸的研究。利用兩株-乳酸產(chǎn)生菌株混合培養(yǎng)的方式，將乳酸轉(zhuǎn)化率提高到71%。(7)上世紀(jì)大量植物藤被焚燒,不僅生成了大量溫室氣體破壞了環(huán)境，而且

35、對(duì)資源是一種嚴(yán)重的浪費(fèi)。地球陸地表面藤本植物生長(zhǎng)豐富，僅西班牙的加西亞省每年就可產(chǎn)出約6.5萬(wàn)噸的植物藤。充分利用這些資源具有深遠(yuǎn)的環(huán)保意義。bustos等成功利用植物藤酸解液實(shí)現(xiàn)了l-乳酸的連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)。(8)來(lái)源于食品工業(yè)和廚房垃圾的有機(jī)廢料也含有豐富的碳源，且年產(chǎn)出量驚人。以日本為例：僅2000年，這類有機(jī)廢料的年產(chǎn)量高達(dá)1940萬(wàn)噸。因此開發(fā)利用這類資源用于產(chǎn)品的生產(chǎn)意義重大。(9)源豐富的農(nóng)業(yè)廢棄物木薯渣，經(jīng)液化糖化處理后作為碳源也表現(xiàn)出優(yōu)良的乳酸生產(chǎn)潛力。(10)rojan等以甘蔗渣為支撐物，酶法處理后的木薯渣為碳源：采用固態(tài)發(fā)酵法，經(jīng)lactobacillusdelbruecki

36、incim2025發(fā)酵生產(chǎn)乳酸。發(fā)酵參數(shù)優(yōu)化后的數(shù)據(jù)顯示，99%的總糖被轉(zhuǎn)化成乳酸。這一成果為開發(fā)利用廉價(jià)的農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵生產(chǎn)-乳酸提供了一個(gè)環(huán)境友好型的實(shí)施方法。(11)糖蜜是制糖業(yè)的主要副產(chǎn)物，因其富含蔗糖，可以被多種-乳酸生產(chǎn)菌株直接代謝發(fā)酵產(chǎn)生乳酸。sule通過(guò)考察米根霉以甜菜糖蜜為碳源發(fā)酵產(chǎn)乳酸的情況發(fā)現(xiàn)，甜菜糖蜜不經(jīng)處理可直接用于l-乳酸發(fā)酵，不需要額外添加其他營(yíng)養(yǎng)成分。而經(jīng)巴氏消毒處理過(guò)的甜菜糖蜜，產(chǎn)酸能力并不理想。若處理后的甜菜糖蜜添加10/的酵母膏，仍然可以達(dá)到較理想的產(chǎn)酸水平，乳酸終濃度比不添加酵母膏時(shí)可以高出約23%。(12)乳清是乳制品加工行業(yè)的主要副產(chǎn)物。由于乳制品加

37、工行業(yè)的興旺，每年都產(chǎn)生大量的乳清，如美國(guó)2005年乳清產(chǎn)量就高達(dá)3500億加侖(約13億立方米)。這些乳清或被當(dāng)作垃圾處理掉，或被用作肥料和動(dòng)物飼料。乳清中含有4.5%5%的乳糖，0.6%0.8%的可溶性蛋白，0.4%0.5%(/)的脂類物質(zhì)，以及多種礦物質(zhì)鹽。因此利用可代謝乳糖的菌種發(fā)酵乳清生產(chǎn)乳酸具有廣闊的應(yīng)用前景。abolghasem等研究證實(shí)bifidobacterium，longumncfb2259可以以乳清為碳源發(fā)酵生產(chǎn)乳酸。antti等進(jìn)一步探索了利用乳清發(fā)酵生產(chǎn)乳酸的工藝。通過(guò)添加具有蛋白水解性能的微生物(如bacillusmegateriumccm2037)對(duì)乳清進(jìn)行預(yù)處理

38、，可以豐富乳清中的氨基酸含量降低蛋白含量，從而有利于乳酸生產(chǎn)菌株對(duì)乳清的利用，同時(shí)也可以減少含蛋白豐富的氮源的添加降低成本。2.2.2新型氮源的概括根霉屬-乳酸生產(chǎn)菌株，因其自身具有較完善的維生素和蛋白質(zhì)的合成能力，外加氮源的要求不高，多數(shù)根霉屬-乳酸發(fā)酵生產(chǎn)中添加一定量的無(wú)機(jī)氮源即可滿足菌體生長(zhǎng)的需要。然而乳酸細(xì)菌則對(duì)氮源的要求比較苛刻。大部分乳酸細(xì)菌需要補(bǔ)充維生素和蛋白等外加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。各種氮源中,酵母膏表現(xiàn)出了最有效的營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充功能，但昂貴的價(jià)格限制了它在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。另外酵母膏和蛋白胨等氮源的添加也促進(jìn)了發(fā)酵過(guò)程中多種雜酸的生成，增加了后提取工藝的成本。kibeom lee研究不同配比

39、的玉米漿與酵母膏作為氮源對(duì)乳酸發(fā)酵的影響，結(jié)果顯示玉米漿替代部分酵母膏作為氮源可以達(dá)到同樣的產(chǎn)酸水平，且氮源成本有所降低。(1)魚類廢棄物水解液和回收的菌體起到了與玉米漿類似的作用，而且用這兩種氮源替代酵母膏都有助于提高發(fā)酵液的潔凈度。(2)altaf等首度報(bào)道了利用紅豆粉和酵母菌體作為氮源進(jìn)行乳酸的發(fā)酵生產(chǎn)。aicha等通過(guò)(nh4)2so4、胰化大豆、尿素、蛋白胨及干酪素水解液5種廉價(jià)氮源與維生素組合的方式實(shí)現(xiàn)了在未明顯降低產(chǎn)量的條件下替代酵母膏，從而降低了氮源的費(fèi)用。2.3生產(chǎn)l-乳酸的三種方法2.3.1.發(fā)酵法 發(fā)酵法的主要途徑是糖在乳酸菌作用下，調(diào)節(jié)ph值5左右，保持大約50或60d

40、m；發(fā)酵三到五天得粗乳酸。發(fā)酵法的原料一般是玉米、大米、甘薯等淀粉質(zhì)原料，以苜蓿、纖維素等作原料，乳酸發(fā)酵階段能夠產(chǎn)酸的乳酸菌很多，但產(chǎn)酸質(zhì)量較高的卻不多，主要是根霉菌和乳酸桿菌等菌系。不同菌系其發(fā)酵途徑不同，可分同型發(fā)酵和異型發(fā)酵，實(shí)際由于存在微生物其它生理活動(dòng)，可能不是單純某一種發(fā)酵途徑。發(fā)酵法分同型發(fā)酵和異型發(fā)酵。ch3ch(oh)cooc2h5+h2och3ch(oh)cnnnch3ch(oh)cnnnh2so4 h2oh2ohcnc2h5ohch3ch(oh)cooc2h5+h2oh2o 2.3.2.合成法 (1) 乳腈法：乳腈法是將乙醛和冷的氫氰酸連續(xù)送入反應(yīng)器生成乳腈（或直接用乳

41、腈作原料），用泵將乳腈打入水解釜，注入硫酸和水，使乳腈水解得到粗乳酸。然后再將粗乳酸送人酯化釜，加入乙醇酯化，經(jīng)精餾、濃縮、分解得精乳酸。美國(guó)斯特林化學(xué)公司及日本的武藏野化學(xué)公司均采用此法合成乳酸。 具體的公式如下圖2-2所示：ch3ch(oh)cnnn 圖2.2：乳腈法生產(chǎn)l-乳酸的流程圖figure 2.2: flow chart of milk produced l-lactic acid nitrile 乳腈法只能生產(chǎn)外消旋體乳酸，且其原料氫氰酸的劇毒性大大的限制了生產(chǎn)和發(fā)展。(2)丙烯腈法 ：丙烯腈法是將丙烯腈和硫酸送入反應(yīng)器中水解，再把水解物送人酯化反應(yīng)器中與甲醇反應(yīng)；然后把硫酸氫

42、銨分出后，粗酯送入蒸餾塔，塔底獲精酯；再將精酯送入第二蒸餾塔，加熱分解，塔底得稀乳酸，經(jīng)真空濃縮得產(chǎn)品。(3)丙酸法：丙酸法以丙酸為原料，經(jīng)過(guò)氯化、水解得粗乳酸；再經(jīng)酯化、精餾、水解得產(chǎn)品。該法原料價(jià)格較貴，僅日本大賽路公司等少數(shù)廠家采用。反應(yīng)如下圖2-3所示： cl2ch3ch2coocl2hch3chclcoohh2och3ch(oh)cooh圖2.3：丙酸水解法生產(chǎn)l-乳酸流程圖figure 2.3: flow chart of acid hydrolyzed l-lactic acid produced2.3.3.酶化法 氯丙酸酶法轉(zhuǎn)化：利用純化了的l-2-鹵代酸脫鹵酶和dl-2-鹵代

43、酸脫鹵酶分別作用于底物l-2-氯丙酸和dl-2-氯丙酸，脫鹵制得l-乳酸或d-乳酸。l-2-鹵代酸脫鹵酶催化l-2-氯丙酸，而dl-2-鹵代酸脫鹵酶既可催化l-2-氯丙酸，又可催化l-2-氯丙酸生成相應(yīng)的旋光體，催化同時(shí)發(fā)生構(gòu)型轉(zhuǎn)化。丙酮酸酶法轉(zhuǎn)化：從活力最高的乳酸脫氫酶的混亂乳桿菌dsm20196菌體中得到d-乳酸脫氫酶，以無(wú)旋光性的丙酮酸為底物可得到d-乳酸。2.4 1l-乳酸的發(fā)酵方法2.4.1傳統(tǒng)l-乳酸的發(fā)酵方法傳統(tǒng)乳酸發(fā)酵工藝即分批發(fā)酵和補(bǔ)料分批發(fā)酵，仍占有重要地位。以代謝產(chǎn)物為目的的分批發(fā)酵，幾乎都受最終產(chǎn)物的抑制，傳統(tǒng)分批發(fā)酵的方法是添加caco3、naoh、nh4oh 來(lái)中和

44、發(fā)酵產(chǎn)生的乳酸，維持培養(yǎng)基的最適ph從而使微生物充分利用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，將葡萄糖最大程度的轉(zhuǎn)化為乳酸。發(fā)酵設(shè)備要求簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，后處理難度大，收率低，環(huán)境污染嚴(yán)重。joglekar等綜合評(píng)價(jià)了近年來(lái)各種乳酸發(fā)酵和分離純化技術(shù)及組合工藝的優(yōu)勢(shì)和不足。從成本角度考慮，目前工業(yè)化規(guī)模中常用的傳統(tǒng)乳酸發(fā)酵工藝最經(jīng)濟(jì)適用。但是如何處理傳統(tǒng)工藝中產(chǎn)出的大量石膏卻是環(huán)保工作的一大難題。2.4.2 l-乳酸發(fā)酵的新工藝乳酸發(fā)酵過(guò)程中由于不斷生成產(chǎn)物(乳酸)而使發(fā)酵液的酸度逐漸上升，導(dǎo)致對(duì)菌體生長(zhǎng)和乳酸的形成產(chǎn)生抑制作用，為此不得不加入碳酸鈣等中和劑進(jìn)行中和，這不僅增加分離提取的困難，而且影響產(chǎn)品質(zhì)

45、量，并且造成了嚴(yán)重的污染。為了提高乳酸產(chǎn)率，改進(jìn)分離過(guò)程，近年來(lái)圍繞乳酸生產(chǎn)的各個(gè)單元過(guò)程展開了許多研究，下面介紹幾種的乳酸發(fā)酵新工藝有連續(xù)發(fā)酵，細(xì)胞固定化發(fā)酵，細(xì)胞循環(huán)發(fā)酵。連續(xù)發(fā)酵利用維持一定基質(zhì)濃度的恒化器和保持一定細(xì)胞濃度的恒濁器可以進(jìn)行乳酸的連續(xù)發(fā)酵。此方法進(jìn)行乳酸發(fā)酵具有發(fā)酵速度快，得率高以及既能用于連續(xù)發(fā)酵又能用于間歇發(fā)酵等優(yōu)點(diǎn)。固定化方法簡(jiǎn)單易行所制得的細(xì)胞穩(wěn)定性強(qiáng)，容易擴(kuò)大生產(chǎn)。細(xì)胞循環(huán)發(fā)酵，是利用一定裝置讓成熟的發(fā)酵液流向后處理單元的同時(shí)，使菌體返回生物反應(yīng)器內(nèi)繼續(xù)使用，并適時(shí)排除衰老的細(xì)胞，也稱原位分離(ipsr)技術(shù)。2.5 設(shè)計(jì)的目地發(fā)酵工程是用來(lái)解決按發(fā)酵工藝進(jìn)行工

46、業(yè)化生產(chǎn)的工程學(xué)問(wèn)題的學(xué)科。發(fā)酵工程從工程學(xué)的角度把實(shí)現(xiàn)發(fā)酵工藝的發(fā)酵工業(yè)過(guò)程分為菌種、發(fā)酵和提煉（包括廢水處理）等三個(gè)階段，這三個(gè)階段都有各自的工程學(xué)問(wèn)題，一般分別把它們稱為發(fā)酵工程的上游、中游和下游工程。發(fā)酵工程的三個(gè)階段均分別有它們各自的工藝原理和設(shè)備及過(guò)程控制原理，它們一起構(gòu)成發(fā)酵工程原理。千百年，特別是最近幾十年的發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)踐證明：微生物是發(fā)酵工程的靈魂。近年來(lái)，對(duì)于發(fā)酵工程的生物學(xué)屬性的認(rèn)識(shí)愈益明朗化，發(fā)酵工程正在走近科學(xué)。從生物科學(xué)的角度重新審視發(fā)酵工程，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵工程最基本的原理是其生物學(xué)原理，而前述的發(fā)酵工程原理均必須建立在發(fā)酵工程的生物學(xué)原理的基礎(chǔ)上。因此，發(fā)酵工程的生

47、物學(xué)原理是發(fā)酵工程最基本的原理，并且可以把它簡(jiǎn)稱為“發(fā)酵原理”。無(wú)論研究者采用何種方法制取l-乳酸，目的都是為了提高l-乳酸的收率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，減少或l-乳酸生產(chǎn)中對(duì)環(huán)境造成的污染。設(shè)計(jì)任務(wù):8000噸/年l-乳酸發(fā)酵工段工藝設(shè)計(jì)。2.6生產(chǎn)流程簡(jiǎn)述本次生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)以薯干粉為原料，用薯干粉作為原料，先將薯干粉在糖化罐中調(diào)漿，其比例為1：0.05：10，其總糖濃度為78g/dl。加入液型淀粉酶100u/l，升溫至8090，攪勻，液化至常規(guī)碘法實(shí)驗(yàn)到合格。再升溫到100滅菌、滅酶20min。將液化醪冷卻至5052，打入發(fā)酵罐中。用乳酸調(diào)ph至5.05.5，按淀粉計(jì)加入糖化酶100u/g

48、。同時(shí)接入乳酸菌種子培養(yǎng)物10%，通入凈化壓縮空氣后攪拌均勻進(jìn)行。在5052溫度下發(fā)酵。在發(fā)酵過(guò)程中必須分批加入caco3以中和生產(chǎn)成的乳酸，以維持發(fā)酵醪ph在5.5以上。當(dāng)殘?zhí)墙抵?.1g/dl以下時(shí)，表明發(fā)酵已完成。發(fā)酵時(shí)間約70h。再經(jīng)過(guò)過(guò)濾洗滌，得到l-乳酸鈣固體，送入酸解罐，再添加h2so4酸解，并加入活性炭進(jìn)行脫色；然后，通過(guò)帶式過(guò)濾機(jī)過(guò)濾、酸解過(guò)濾，除去caso4及廢炭；酸解過(guò)濾液經(jīng)離子交換處理后，進(jìn)行蒸發(fā)、濃縮，再進(jìn)行結(jié)晶；結(jié)晶后，用離心機(jī)進(jìn)行固液分離，對(duì)得到的濕l-乳酸晶體進(jìn)行干燥與篩選，最后得到成品l-乳酸。生產(chǎn)流程簡(jiǎn)述：薯干為原料，采用直接粉碎、調(diào)漿、液化，進(jìn)行好氣液體深

49、層發(fā)酵，鈣鹽法提取，最后結(jié)晶、干燥得到l-乳酸。 2.6.1 l-乳酸的生產(chǎn)工藝流程圖：空氣菌種 配料 酸解 過(guò)濾 中和 過(guò)濾 發(fā)酵 滅菌 種子 凈化消泡劑酸液鈣鹽廢渣處理廢渣處理活性炭離子交換處理 蒸 發(fā) 結(jié) 晶 分 離 干 燥 篩 選成品純水濕l-乳酸次品回收?qǐng)D2.4：l-乳酸的生產(chǎn)工藝流程圖figure 2.4: flow chart of l-lactic acid production2.7乳酸提取工藝的研究乳酸發(fā)酵液中成分復(fù)雜，并且因原料和發(fā)酵工藝不同，除含乳酸外，發(fā)酵液中還包括菌體、殘?zhí)?、蛋白質(zhì)、色素、膠體、有機(jī)雜酸、無(wú)機(jī)鹽等多種雜質(zhì)。從乳酸發(fā)酵液中提取乳酸的方法主要有以下幾種：

50、鈣鹽法、萃取法、吸附法、膜法等。2.7.1鈣鹽法我國(guó)目前大多數(shù)廠家的提取工藝都是鈣鹽結(jié)晶-酸解工藝，如圖2-5所示：結(jié) 晶離心結(jié)晶發(fā)酵液發(fā)酵液發(fā)酵液濾 液濃 縮 復(fù) 溶 濾 液硫酸鈣堿液酸解脫色 過(guò) 濾 濃 縮離子交換 濃 縮 脫 色 過(guò) 濾 成 晶 圖2.5:鈣離子提取工藝流程圖figure 2.5 flow chart of conventional calcium salt recovery process成熟的發(fā)酵液經(jīng)過(guò)升溫和堿化處理后，除去菌體、蛋白質(zhì)等膠體雜質(zhì)。得到的乳酸鈣料液經(jīng)適當(dāng)濃縮，在一定條件下結(jié)晶。在經(jīng)過(guò)離心機(jī)處理去除母液，并洗去殘留的母液和一些蛋白質(zhì)、糖類、色素，得到白色

51、晶體。加熱溶解晶體。用硫酸進(jìn)行酸解，加入適當(dāng)?shù)幕钚蕴窟M(jìn)行脫色，分離除去caso4及活性炭濾渣，得到粗乳酸溶液，再用陰陽(yáng)離子交換樹脂處理濃縮后的粗乳酸濾液，出去cl- 、so4、fe3+和ca2+等陰陽(yáng)離子，經(jīng)過(guò)離子交換處理后的乳酸溶液濃縮80%以上，即成為乳酸產(chǎn)品。該工藝具有易于控制，工藝成熟的特點(diǎn)。缺點(diǎn)是，單元操作多，勞動(dòng)強(qiáng)度大，環(huán)境污染嚴(yán)重，產(chǎn)品收率教低，國(guó)內(nèi)一般廠家的乳酸收率在40%50%之間。2.7.2 萃取法萃取法是指使用不容或微溶于水的有機(jī)溶劑，通過(guò)物理或化學(xué)萃取方式從粗乳酸中提取乳酸，然后再反萃，把乳酸從萃取相中分離出來(lái)。近年來(lái)，許多新的萃取技術(shù)相繼出現(xiàn)，如雙水相萃取、反膠體萃取

52、，液膜分離和超臨界萃取等等。萃取法省去了鈣鹽中和、酸解等步驟，大大省略了化工原料，特別是不用石灰或石灰石和鹽酸，所以不會(huì)產(chǎn)生caso4廢渣，有利于環(huán)境保護(hù)；連續(xù)生產(chǎn)，簡(jiǎn)化了操作過(guò)程，改善了勞動(dòng)條件，且萃取過(guò)程簡(jiǎn)單，提取液濃度高，蒸發(fā)結(jié)晶所用設(shè)備少。應(yīng)用萃取方法的關(guān)鍵在于尋找高效、無(wú)毒、水溶性小、經(jīng)濟(jì)可行的萃取劑，以及怎么萃取。2.7.3 吸附法吸附法常常作為分離和純化產(chǎn)品的手段，可用來(lái)提取發(fā)酵液中的乳酸，吸附法主要有離子交換樹脂吸附和高分子樹脂吸附。(1)離子交換法離子交換法選擇性高，交換容量大，操作簡(jiǎn)單，易于自動(dòng)控制。它完全杜絕了caso4的產(chǎn)生，產(chǎn)品收率可達(dá)85%99%，但離子交換樹脂需要頻繁再生，會(huì)產(chǎn)生大量的廢液，另外，離子交換樹脂的交換能力隨著時(shí)間的延續(xù)會(huì)逐漸的減弱，工作穩(wěn)定性差，還要用到大量的離子交換樹脂，會(huì)產(chǎn)生大量