【基于同步糖化發(fā)酵法的10萬噸LA工藝設(shè)計10000字（論文）】

基于同步糖化發(fā)酵法的10萬噸LA工藝設(shè)計目錄摘要： 摘要：在當(dāng)今的工業(yè)大環(huán)境下，對環(huán)保材料的研究和突破是各方不約而同的追求。環(huán)保需求帶動了對聚LA的生產(chǎn)原料LA的研究和發(fā)展，本文將介紹用同步糖化發(fā)酵法進(jìn)行年產(chǎn)10萬噸LA的生產(chǎn)工藝設(shè)計。在合適的原料，穩(wěn)定劑，反應(yīng)條件下，結(jié)合物料衡算設(shè)計合理的生產(chǎn)工藝。本文從LA的結(jié)構(gòu)入手，在對其生產(chǎn)方法進(jìn)行研究，然后開始設(shè)計該方法下的生產(chǎn)工藝，畫出其工藝流程并分析計算，最終完成年產(chǎn)10萬噸LA的生產(chǎn)工藝設(shè)計。關(guān)鍵詞：LA；發(fā)酵法；穩(wěn)定劑；物料衡算； 1概述1.1LA的結(jié)構(gòu)LA，化學(xué)式C3H6O3。英文名LacticAcid（LA）。是一種可以溶于水并且顯示酸性的羧酸。LA分子中間的碳原子四個鍵所連接的官能團(tuán)各異，這個碳原子就是手性碳原子。LA兩種異構(gòu)體分別是D-型LA和L-型LA。結(jié)構(gòu)如下[1]。圖1-1LA的結(jié)構(gòu)式1.2LA的性質(zhì)LA是一種無色的液體?？梢耘c水和乙醇互溶，少部分的LA是可以溶解在醚之中的，但不溶于氯仿、二硫化碳和石油醚。LA會和空氣中的水分子結(jié)合，所以在儲存的時候應(yīng)該隔絕空氣，避濕保存。LA因?yàn)樵诖笞匀恢锌梢员患?xì)菌等微生物完全分解為CO2和H2O對環(huán)境無太大危害。LA基本性質(zhì)如下表。表1-2LA的物理性能參數(shù)性能參數(shù)熔點(diǎn)（℃）18固體密度（g/cm3）1.33折射率(20℃)1.4392分子量90.08沸點(diǎn)(℃)122密度（g/cm3）1.209電導(dǎo)率（S/cm）0.0050離子強(qiáng)度/(mol/L)0.08表面張力/(N/m)52粘度/mPa·s)2.127氧化還原電勢/V0.25~0.35pH6.62LA的合成方法LA的合成方法主要有發(fā)酵法和化學(xué)合成法[2,3,4]。其中發(fā)酵法是最常用的方法，目前，大部分企業(yè)都是用發(fā)酵法來生產(chǎn)LA，其具有很大的市場。因?yàn)榘l(fā)酵法所用的原料都是天然物質(zhì)，沒有毒性，而化學(xué)合成法所用的原料基本都有毒性。2.1發(fā)酵生產(chǎn)法發(fā)酵生產(chǎn)法是用淀粉作為原料通過發(fā)酵手段來生產(chǎn)LA。除淀粉外，葡萄糖，糖蜜等也可以作為原料。其生產(chǎn)原理基本相同，鈣鹽法發(fā)酵生產(chǎn)LA的工藝分為三步：第一步是將淀粉糖化；第二步是接入篩選后的菌種；第三步是加入適量的CaCO3用來中和LA的酸性，使其pH值保持在5.0~5.5之間，然后讓菌種在適合溫度下自由發(fā)酵3~6天。最終得到粗LA鈣的發(fā)酵液。發(fā)酵法生產(chǎn)LA最重要的是選擇用來發(fā)酵LA的菌種。工業(yè)上用來生產(chǎn)LA的菌種基本是細(xì)菌和根霉[4]。2.1.1細(xì)菌細(xì)菌的發(fā)酵有兩種方法（1）同型LA發(fā)酵：第一步：葡萄糖發(fā)酵降解為丙酮酸第二步：LA脫氫酶催化丙酮酸還原成LA同型發(fā)酵方程式如下： （2）異型LA發(fā)酵：第一步是在差向異構(gòu)酶的影響下轉(zhuǎn)變成5-磷酸木酮糖；第二步是由磷酸酮解酶裂解生成乙酰磷酸和3-磷酸甘油醛；第三步是3-磷酸甘油醛發(fā)生還原反應(yīng)得到產(chǎn)物。我們最經(jīng)常用的就是能夠進(jìn)行同型發(fā)酵的桿菌德式乳桿菌發(fā)酵。2.1.2根霉在生產(chǎn)根霉中，我們常用米根霉來作為原料，而且都是選擇用游離的細(xì)胞來發(fā)酵米根霉，將其放入攪拌罐中，在發(fā)酵的過程中，其霉絲會聚攏成團(tuán)，導(dǎo)致氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)難以進(jìn)入，會導(dǎo)致其缺氧和營養(yǎng)不良。所以，我們要把這些霉絲固定在載體上，使其分布均勻，接觸面積廣。還有一種方法，就是用氣升式反應(yīng)器來固定米根霉的霉絲，從而生產(chǎn)LA[4,5]，還可以直接改變接種量或者碳酸鈣的含量，這樣也可以是根霉的生長形態(tài)發(fā)生改變，使其能夠很好的吸收氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)，最終能夠得到高濃度的，比較純的LA[6]。另外，我們也可以在其發(fā)酵過程中，不定期的取出濃度較高的發(fā)酵液，并且繼續(xù)加入原料，這樣也可以提高LA的產(chǎn)量[7]。在用根霉發(fā)酵LA的過程中，發(fā)生消旋作用的概率極低，從而更有可能得到純凈的L-LA[8]。在人體含有的一種叫作L-LA脫氫酶，這種酶的只能分解L-LA，所以我們在食品和醫(yī)藥領(lǐng)域中，應(yīng)盡可能使用L-LA，這樣才能被人體所分解。2.1.3發(fā)酵液中LA的分離用發(fā)酵法來生產(chǎn)LA，最合適的pH在5.5~6.0之間。在發(fā)酵的過程中，由于會一直產(chǎn)生LA，所以會使得發(fā)酵液的酸性一直變強(qiáng)。一直到pH<5時，發(fā)酵生產(chǎn)LA的過程就會收到抑制，從而使得速率降低，所以，要想提高LA的產(chǎn)率，就需要控制好發(fā)酵液的pH值。之前，通常是用CaCO3來中和產(chǎn)生的LA，從而保證在生產(chǎn)過程中始終保存合適的pH值。但是這樣會生成LA鈣，而要從LA鈣中提取LA是非常困難的，整個過程極其繁雜，而且LA鹽還對細(xì)胞代謝有著消極影響。這幾年LA的需求量大幅增長，這使得我們一直在積極發(fā)明新的分離方法[9,10]。最近，原位分離技術(shù)（InSituProductRemove,簡稱ISPR）的誕生風(fēng)靡一時，如溶劑萃取發(fā)酵法（使用油酸、叔胺等為萃取劑）、吸附法（離子交換樹脂、活性炭、高分子樹脂等）[11]、膜法發(fā)酵（滲析、電滲析、中空纖維超濾膜、反滲透膜等）[12]等，原理千篇一律，都是在反應(yīng)過程中移走產(chǎn)物L(fēng)A，改變反應(yīng)平衡，從而減少產(chǎn)物對反應(yīng)的抑制作用。萃取發(fā)酵萃取發(fā)酵是一種以有機(jī)溶劑為萃取劑來萃取發(fā)酵產(chǎn)物的，以改變產(chǎn)物對發(fā)酵的阻礙為目標(biāo)的一種耦合發(fā)酵技術(shù)。萃取發(fā)酵有能量消耗低、溶劑的選擇性好、且無細(xì)菌侵?jǐn)_等優(yōu)點(diǎn)。常用的萃取劑有十二烷醇、油醇、叔胺等，其萃取效果都很好[13]。但是萃取劑基本上都是有毒的，雖然其對人體的毒性不是很大，但如果其直接接觸到了細(xì)胞，那就是另一回事了，因?yàn)榧?xì)胞非常脆弱，接觸到就會使得活性降低，從而對人體產(chǎn)生威脅。在萃取過程中，我們需要降低其毒性，基本有三個方法：（1）膜隔離細(xì)胞和溶劑；（2）細(xì)胞固定；（3）在載體中加入植物油。其中，雙水相體系萃取的最大的優(yōu)點(diǎn)就是沒有危害，可以為反應(yīng)提供一個無毒的環(huán)境。在使用雙水相體系萃取的過程中，產(chǎn)物和催化劑會分別游離在不同的兩相之中。因此，我們只需要改變相的組成，就可以使得含有產(chǎn)品的相體積增大，從而得到更多的產(chǎn)品，提高了LA的產(chǎn)率。但是該體系的前提是兩相間需要有一個密度差，而且其很容易就會形成乳化液，影響萃取效果，因此，我們需要澡兩相中間放一個多重接觸器來進(jìn)行分離，這樣使得兩相可以在膜孔的兩側(cè)進(jìn)行交換，而有了膜的隔離，使得兩相之間不會發(fā)生交融，分離液不在需要密度差，萃取效果更好，產(chǎn)率更高[14]。2.吸附發(fā)酵在吸附發(fā)酵中，我們經(jīng)常用到離子交換和活性炭吸附。其具體操作為：向反應(yīng)罐中加入活性炭，在吸附LA的過程中控制發(fā)酵時的酸堿度，使其保持在合適的pH值，從而提高LA的產(chǎn)量。但是用活性炭作為吸附劑也有一些缺點(diǎn)：（1）吸附容量小；（2）選擇性差；（3）不同批次的活性炭差別很大等。因此，工業(yè)上我們通常使用離子交換樹脂法來生產(chǎn)LA，相較于活性炭法，其選擇性更高，交換容量更大，操作也更簡單，且易于自動控制。3.膜法發(fā)酵膜法發(fā)酵就是將發(fā)酵與分離整合在一起，同時進(jìn)行，讓LA通過膜從發(fā)酵罐中就開始不斷的分離，這樣便可以得到一個比較高的細(xì)胞濃度，從而提高產(chǎn)物純度。在此過程中，我們可以使用不同類型的膜來分離LA，如：滲析（依靠擴(kuò)散排阻）、電滲析（依靠離子排阻）、微濾和超濾（依靠分子排阻）等。膜細(xì)胞循環(huán)生物反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)有：（1）LA濃度和生產(chǎn)率同時增大；（2）可在相當(dāng)高的透過率下長期操作；（3）機(jī)械穩(wěn)定性好，允許蒸氣滅菌．4.分子蒸餾提純分子蒸餾提純技術(shù)是高真空蒸餾技術(shù)中一種非常常見的技術(shù)，比起一般的蒸餾過程，該方法沒有操作溫度較高、受熱的時間較長、分離的效率低等缺陷，而且分離高沸點(diǎn)、熱敏性物質(zhì)和易氧化物質(zhì)的效果極其突出[15]，分離效率也高。在分子蒸餾的操作過程中，需要保證蒸發(fā)器與冷凝器之間的距離一定要小于分子間的平均自由程。相比于一般的分離方式，分子蒸餾技術(shù)不會分解掉有效成分，這使得產(chǎn)物的產(chǎn)率更高。當(dāng)我們用分子蒸餾技術(shù)來工業(yè)生產(chǎn)LA時，其分離效果不管是從經(jīng)濟(jì)上還是效益上來看，都比其他分離技術(shù)更加優(yōu)異。2.2化合生產(chǎn)法在化合生產(chǎn)法中，乳腈法、丙酸法和丙烯腈法尤為突出，也應(yīng)用得最為廣泛。丙酸法生產(chǎn)LA是用丙酸和氯氣反應(yīng)，反應(yīng)所生成的取代物再在一定的條件下與氫氧化鈉反應(yīng)，從而得到LA。而丙腈法是用丙烯腈與硫酸發(fā)生反應(yīng)，再向反應(yīng)所得的產(chǎn)物里加入甲醇，與甲醇反應(yīng)后生成LA，之后再將反應(yīng)所得的LA進(jìn)行分離和提純。乳腈法生產(chǎn)LA分為四步，第一步是乙醛和HCN反應(yīng)，第二步是向其反應(yīng)所得產(chǎn)物中再加入水和硫酸，第三步是再加入乙醇，使其與第二步所得的產(chǎn)物反應(yīng)從而生成酯，最后將酯進(jìn)行水解，從而得到LA。但是用化學(xué)合成法生產(chǎn)LA的原料基本具有毒性，而且生產(chǎn)得來的LA基本都是用到食品產(chǎn)業(yè)，必須除去毒性，但是去除毒性物質(zhì)是非常棘手的。所以各企業(yè)基本都會選擇發(fā)酵生產(chǎn)法來生產(chǎn)LA，此法不需要太多的技術(shù)支撐而且沒有毒性，耗能也比較少。2.3設(shè)計目的在遵循生產(chǎn)許可和生產(chǎn)原則的前提下，設(shè)計年產(chǎn)量為10萬噸的LA工藝。2.4設(shè)計意義因?yàn)楝F(xiàn)在我們國家LA生產(chǎn)的量暫時難以達(dá)到我們現(xiàn)在的需求量，所以部分廠家因?yàn)樾枨髲膰膺M(jìn)口LA。為了能夠提高整個國家的LA生產(chǎn)總值，所以要在符合生產(chǎn)許可的前提下，盡可能的節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本，還要在所有生產(chǎn)過程不污染環(huán)境的前提下，設(shè)計出產(chǎn)量較高，純度較高的LA生產(chǎn)工藝。2.5設(shè)計內(nèi)容1.確定生產(chǎn)目標(biāo)2.查閱資料設(shè)計生產(chǎn)工藝3.選擇合適原料和添加劑4.選擇設(shè)備大小并進(jìn)行物料衡算5.總結(jié)生產(chǎn)工藝2.6設(shè)計原則1.符合國家安全生產(chǎn)原則2.經(jīng)濟(jì)適用性原則3.環(huán)保低能耗性原則

3LA的應(yīng)用3.1食品領(lǐng)域LA是乳制品中非常常見的成分，其能夠抗微生物的作用功不可沒，而且LA還可以給乳制品提供酸性[2]；LA是天然有機(jī)酸，我們在加工和儲存肉類食品的過程中，也會用到LA，在其中可以作為天然的屏障，來保護(hù)產(chǎn)品，使其不受細(xì)菌的侵害；LA還具有吸濕性，能夠降低水的活度，在海產(chǎn)品的生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用，作用非常顯著；利用LA的吸水性，還可以改變面制品的pH值，使其保存時間變長；LA具有溫和的酸味，可以加在糖果或者酒水飲料中[16,17]，具有保健牙齒的作用。3.2日化領(lǐng)域里L(fēng)A和LA鹽的成分可以起到美白皮膚的作用，可以制成很好的美白產(chǎn)品，也可以和其他的美白產(chǎn)品一起使用，能夠使美白效果更好；頭發(fā)中也有一種成分是LA，所以我們可以將LA加入到頭發(fā)的洗護(hù)產(chǎn)品中來調(diào)節(jié)頭發(fā)的酸堿性，可以把其調(diào)到弱酸性；LA還具有很強(qiáng)的吸水性，可以將其添加在洗浴用品中來保持其的濕潤度；LA是弱酸性的，所有我們還可以將其用在香皂、肥皂和潤膚露等洗護(hù)用品中[18]，來調(diào)節(jié)這些產(chǎn)品的酸堿性。3.3工業(yè)領(lǐng)域?qū)τ阪囯x子來說，LA是非常特別得，因?yàn)長A對于鎳離子有著獨(dú)一無二的絡(luò)合常數(shù)，97％以上的鎳離子在LA中是絡(luò)合離子，而且LA在化學(xué)鍍鎳的應(yīng)用中也是非常特別的存在。LA的穩(wěn)定性很強(qiáng)，可以很好的控制化學(xué)沉積時的速率，從而可以保證鍍鎳是鍍層的均勻和鍍液的穩(wěn)定；LA在化學(xué)鍍鎳中是鳳毛麟角的存在。LA的穩(wěn)定性是比較強(qiáng)的，可以有效控制化學(xué)沉積的速率，從而可以保證鍍層均勻細(xì)密和鍍液穩(wěn)定；LA還能讓煙草的濕潤度保持良好，可以吸收煙草中混合的其他味道，使得抽煙的人有更好的口感。LA還可以使煙草保持良好的濕潤度，吸收掉煙草中的其他味道，給吸食煙草的人更好的口感。LA可以和尼古丁發(fā)生煙堿反應(yīng)，能夠減少尼古丁對人們身體健康的危害；而且LA還是自然代謝的產(chǎn)物，因此發(fā)揮其酸性作用時并不會傷害畜禽。3.4醫(yī)藥領(lǐng)域LA蒸汽的的溫度高，足夠殺死細(xì)菌，這使得其在藥房和醫(yī)院能有很好的應(yīng)用，可以抑制和殺死細(xì)菌，在一定程度上降低了疾病的傳染率[19]。而且其還可以作為藥品的防腐劑、載體、助溶劑、pH調(diào)節(jié)劑等。也可以直接添加在藥物之中。3.5產(chǎn)品前景隨著科技的不斷發(fā)展，國家經(jīng)濟(jì)質(zhì)量的不斷提高，我們的生活質(zhì)量也得到了明顯的提高，這主要體現(xiàn)在我們對于生活用品質(zhì)量的要求不斷提高，但是由于近些年對大自然的不斷索取，使得環(huán)境變差，讓我們不得不對在生產(chǎn)產(chǎn)品的同時也要注重對環(huán)境的保護(hù)，讓工業(yè)生產(chǎn)與環(huán)境保護(hù)形成一種平衡。而用微生物法生產(chǎn)LA，在對于環(huán)境保護(hù)上就做的很好，因此，將近四分之三的企業(yè)都會選擇這個方法。而在整個世界的市場中，中國生產(chǎn)的LA能占到全球LA生產(chǎn)總量的三分之一。我國是LA生產(chǎn)大國，從80年代開始，到現(xiàn)在已有四十多年的發(fā)展歷程，有些小企業(yè)在市場競爭中因?yàn)椴荒芨夏_步而被淘汰，而這也使得LA企業(yè)的整體水平有了很大的提高，雖然這樣的LA產(chǎn)量已然不低，但還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了國內(nèi)市場，從而形成了19年和20年從國外大量進(jìn)口LA的局面。因此，提高LA的產(chǎn)量迫在眉睫。目前，我國對于LA的消耗主要集中在食品和飲料領(lǐng)域，因?yàn)長A是一種無害的食品添加劑，而且還能承載營養(yǎng)物質(zhì)，是食品和飲料行業(yè)所必需的原料。而且隨著我們國家的發(fā)展，已經(jīng)全面進(jìn)入了小康社會，國民的收入水平也有了很大的提升，形成了創(chuàng)造美好生活消費(fèi)觀念，這讓LA的市場前景一片大好。再加上我國近期頒布了禁塑令，而且這些年來，國家對于綠色環(huán)保企業(yè)的大力支持，也使得聚LA材料的應(yīng)用得到了很大的推廣。而且聚LA在生活中的應(yīng)用非常廣，替代了許多其他產(chǎn)品，使得聚LA的需求量一直在上升。但是由于技術(shù)上的制約，我國LA的產(chǎn)量依然是供不應(yīng)求。本文將研究大量生產(chǎn)LA的生產(chǎn)工藝，為保護(hù)環(huán)境，節(jié)約資源，獻(xiàn)出微弱的力量。圖3-12019年中國LA消費(fèi)結(jié)構(gòu)4工藝設(shè)計原料加水糊化過濾，再經(jīng)過滅菌處理，通入發(fā)酵罐，加入已經(jīng)培養(yǎng)好的菌種，凈化空氣和淀粉酶進(jìn)行發(fā)酵。發(fā)酵后的料液經(jīng)過升溫過濾處理，再輸送進(jìn)中和罐，中和管中的碳酸鹽中和酸液。再經(jīng)過過濾洗滌，得到LA鈣固體，輸送至酸解管中分解，其中要加入硫酸和活性炭。再經(jīng)過過濾，除去沉淀雜志，酸反應(yīng)后的溶液經(jīng)過離子交換和蒸發(fā)、濃縮、重結(jié)晶處理。最后離心、干燥、選擇得到純凈的LA。4.1LA的生產(chǎn)工藝流程1.原料處理選用淀粉，加入麥麩和水糊化，其中淀粉，麥麩和水的比例是14∶5∶25。將混合好的原料進(jìn)行過濾處理，除去原料中的濾渣，將所得的濾液進(jìn)行滅菌處理，為菌種提供更好的生存環(huán)境。表4-1原料占比原料淀粉麥麩水比例145252.菌種培養(yǎng)德式LA桿菌是D-LA發(fā)酵菌種中經(jīng)常使用的一種，生產(chǎn)出的LA純度比較高。生長溫度為30~40℃。菌體長約2um-8um，寬約0.5um-0.8um。淀粉、葡萄糖、糖蜜等碳源都可以通過這種菌種發(fā)酵產(chǎn)生LA。（1）菌種的擴(kuò)大培養(yǎng)LA發(fā)酵一般是純種培養(yǎng)，接種量為40％，所以必須進(jìn)行菌種的培養(yǎng)，通常的生產(chǎn)方式就是試管培養(yǎng)。第一步把菌種放在10mL的試管中培養(yǎng)，第二部轉(zhuǎn)入200毫升的錐形瓶中接著培養(yǎng)，第三步轉(zhuǎn)到1L的錐形瓶中，第四步均勻分至種子罐，第五步移至100m3發(fā)酵罐中。菌種不使用時是冷凍保存的，所以使用前要活化。（2）接種物可應(yīng)用時期發(fā)酵液中的桿菌細(xì)胞密度＞7×1010個大小約為（7~8）um×（0.5~0.8）um鏡檢無大的異常顆粒，無雜菌3.發(fā)酵把培養(yǎng)好的德式LA桿菌，已處理的原料，淀粉糖化酶和經(jīng)過凈化的空氣一起輸入至發(fā)酵罐中。在發(fā)酵的過程中，每隔9個小時往發(fā)酵罐中放入適量的碳酸鈣來中和發(fā)酵過程中的酸，以求保證德式LA桿菌一直處在pH為4~5之間，在最適合LA桿菌生長的區(qū)間，同時發(fā)酵罐的溫度要保證在55℃~60℃之間，所以期間要不定期根據(jù)發(fā)酵罐的溫度來進(jìn)行降溫。4.反應(yīng)過程：將發(fā)酵后的發(fā)酵液輸入至預(yù)熱罐中進(jìn)行加熱，將發(fā)酵液加熱至70℃~80℃，加入堿調(diào)節(jié)pH到10~11。壓料的過程中壓料罐的溫度最好保持到145℃左右，壓力0.3MPa.在進(jìn)行壓料后以凈化后的空氣為媒介進(jìn)行板框過濾。為了不讓發(fā)酵液遇冷導(dǎo)致碳酸鈣結(jié)晶析出，所以在進(jìn)行板框過濾前要通入75℃熱蒸汽，濾渣的洗滌也要用熱水洗滌，第一次板框壓濾過濾到濾液中只有很少的濾渣過濾出停止。板框過濾后要在沉降罐中沉降，沉降罐中的pH要大于11，同時發(fā)酵液也得加熱至90℃以上。沉降后進(jìn)行第二次板框壓濾，第二次的板框壓濾主要是為了去除一些雜質(zhì)。之后再將其進(jìn)行離子交換和濃縮處理，最終得到LA成品。4.2LA的提取工藝流程圖4-1LA的提取工藝流程4.2.1提取工藝流程圖圖4-2提取工藝流程4.2.2提取工藝的條件控制1.預(yù)熱過程條件預(yù)熱罐和沉降罐的裝液系數(shù)一致，都為0.8；其中，由于菌種不耐酸，預(yù)熱罐中的pH值應(yīng)保持在10左右，然后將其加熱至沸騰，保持5分鐘；而在沉降罐中，其pH值應(yīng)保持在12，沉降罐中的溫度保持在85℃~90℃，并且氯化鎂的添加量不得超過2%。2．第一次板框過濾條件壓料罐的裝液系數(shù)與預(yù)熱罐和沉降罐一樣，也是0.8，且其內(nèi)部的壓力不得超過40atm，經(jīng)過濾后，剩余濾渣中的鈣含量不得超過2%。雙效蒸發(fā)工藝的條件雙效蒸發(fā)器中的蒸氣壓應(yīng)低于0.4atm，而且其塔內(nèi)的真空度也不能超過0.8atm，投入該塔內(nèi)的料液，其濃度一定要超過20%。濃縮工藝的條件濃縮罐中的蒸汽壓力一定不能超過0.4atm，且該罐中的真空度也要保持在0.4~0.6atm之間。在這個壓力下，只要達(dá)到70℃就能使?jié)饪sLA被蒸發(fā)，此時，脫色罐的裝液系數(shù)應(yīng)為0.72，而且脫色罐的連續(xù)工作時間不得超過24小時，其中脫色活性炭的加入量不得超過液體總量的1%。4.2.3提取工藝過程的控制1．預(yù)熱過程發(fā)酵結(jié)束之后，將發(fā)酵好的發(fā)酵液轉(zhuǎn)移到預(yù)熱罐中進(jìn)行加熱，將發(fā)酵罐中的溫度升到80℃上下，邊加熱邊攪拌，使其受熱均勻。然后向發(fā)酵罐中加入堿來調(diào)節(jié)pH值，使其pH值保持在10，在整個預(yù)熱的過程中，要預(yù)防無水LA鈣晶體的析出。2.壓料罐中壓料罐的容積為30m3，其罐內(nèi)的壓力保持在0.3MP，溫度保持在140℃，并以空氣作為介質(zhì)。此過程中，壓縮機(jī)將經(jīng)過預(yù)熱后的料液壓入板框壓濾機(jī)中，對其進(jìn)行壓濾。第一次板框壓濾過程首先，我們要將壓縮機(jī)中通入熱蒸汽，目的是為了防止料液遇冷后會析出碳酸鈣晶體，以妨礙后續(xù)操作。然后對其在壓濾機(jī)中進(jìn)行壓濾，直至其濾液量慢慢減少，停止繼續(xù)通料，該為通入熱水，對剩下的濾渣進(jìn)行清洗，并將其濾液轉(zhuǎn)移到沉降罐中進(jìn)行沉降。沉降過程在沉降罐中，要加入不超過料液2%的氯化鎂，是料液在沉降罐中沉降下來，在整個沉降過程中，需保持其pH在12以上。第二次板框過濾過程此過程的目的是主要為了過濾掉蛋白質(zhì)和氨基酸，過濾方法和第一次相同，不過在操作前需要檢查設(shè)備，防止出現(xiàn)濾布破損等情況。6．雙效蒸發(fā)過程開始操作前，需檢查設(shè)備，關(guān)閉各處閥門。經(jīng)過此次處理之后，可以得到濃度為26%的LA鈣。酸解過程首先，將LA鈣轉(zhuǎn)移到酸解罐之中，然后加入洗滌水，通入蒸汽，使其溶解，然后會得到濃度為180/kg的LA鈣，最后，再向其中加入濃硫酸，使其酸解。并加入0.1%的甲基紫溶液，當(dāng)溶液變?yōu)殚冱S色時，說明酸解完成，之后再將溶液進(jìn)行第三次板框過濾。濃縮過程此工藝中，采用的是真空濃縮且循環(huán)加熱的濃縮方法，再真空下，水的沸點(diǎn)會比較低，因此，可以將水蒸發(fā)，從而達(dá)成濃縮。此過程中，真空度為0.4~0.6atm之間，溫度為70℃，蒸氣壓在0.4atm以下。當(dāng)濃縮結(jié)束時，要先停止加熱，然后再關(guān)閉真空系統(tǒng)。LA純化過程通過離子交換法對其進(jìn)行純化，其原理是帶電的溶質(zhì)分子與介質(zhì)中的離子進(jìn)行交換，是帶電的離子進(jìn)行附著，進(jìn)而達(dá)到純化的目的。通過離子交換后，可以除去LA鈣的鈣離子，得到可以達(dá)到工業(yè)級LA標(biāo)準(zhǔn)的LA。4.3工藝計算和設(shè)備選擇4.3.1設(shè)計工藝參數(shù)及要求產(chǎn)量要求：LA年產(chǎn)量10萬噸，LA純度90％原料：淀粉含量32％淀粉與葡萄糖的理論轉(zhuǎn)化率：111％總發(fā)酵周期：48h發(fā)酵轉(zhuǎn)化率：95％年生產(chǎn)天數(shù)：320天糊化溫度：90℃提取總收率：75％；第一次過濾收率0.9；第二次0.92；濃縮效率0.9精制總收率：80％；酸解總收率0.92；離子交換效率0.9；濃縮率0.964.3.2發(fā)酵罐的選型（1）發(fā)酵罐的體積發(fā)酵罐：V1=100m3/個（裝液系數(shù)：0.65）發(fā)酵罐數(shù)量單個發(fā)酵罐一批次生產(chǎn)100％的LA量為：M=V×M=100×0.65×32%×111％×93％×75％×0.8×（1?0.0001％）×1.2=15.46噸/天上式中：F1裝液系數(shù)w淀粉含量，％α轉(zhuǎn)化率，％ρLA密度，g/cm3（4）單個發(fā)酵罐年產(chǎn)量為：MM1上式中：M1單個發(fā)酵罐年產(chǎn)量，噸/年M單個發(fā)酵罐一批次生產(chǎn)100％LA量，噸/年T年生產(chǎn)天數(shù)，天T1總發(fā)酵周期，hT2單個工作日時長，h（5）所需罐數(shù)：NN1=100000/2473.6=40.42個（取N1上式中：N1所需罐數(shù)，個W目標(biāo)產(chǎn)量，噸/年M1單個發(fā)酵罐年產(chǎn)量，噸/年（6）總結(jié)：需100cm3發(fā)酵罐41個4.3.3調(diào)漿罐的選型（1）調(diào)漿罐體積：V2=100m3(液裝系數(shù)0.75)（2）調(diào)漿罐個數(shù)：NN=35.53個（取N2為36個）上式中：N2調(diào)漿罐數(shù)，個V1發(fā)酵罐體積，m3F1發(fā)酵罐裝液系數(shù)F2調(diào)漿罐裝液系數(shù)V2調(diào)漿罐體積，m3（3）總結(jié)：需100m3調(diào)漿罐36個4.3.4種子罐的選型（1）一批種子液中的用量（發(fā)酵時間48h，接種量是0.4）VV=1066m上式中：V3一批種子液的用量，m3A接種量（2）種子液的總量VV=1421.33上式中：V4種子液的總量，m3F3種子罐的裝液系數(shù)（3）罐子數(shù)量（種子罐子的體積是60m3,液裝系數(shù)是0.75，種子的培養(yǎng)時間是30h）N=39.48上式中：N3種子罐數(shù)量，個（4）總結(jié)：需種子罐40個4.3.5預(yù)熱罐的選型（1）V（2）數(shù)量N=8.32上式中：V預(yù)熱罐預(yù)熱罐體積，m3N4預(yù)熱罐數(shù)量，個（3）總結(jié)：需預(yù)熱罐9個，每個50m34.3.6壓料罐計算（1）V=30m（2）N=13.88個上式中：V壓料罐體積，m3N5壓料罐數(shù)量，個（3）總結(jié)：需壓料罐14個，每個30m34.3.7第一次壓濾處理量100×0.75=75（1）板框壓濾機(jī)選型選擇生產(chǎn)能力為2.375m3/h的板框壓濾機(jī)，BMS20/830-20型（2）板框壓濾機(jī)的數(shù)量每天過濾V=24×2.375≈18.42N=30（3）總結(jié)：需板框壓濾機(jī)23臺（4）沉降罐的體積單沉降罐的體積是50m3，液裝系數(shù)0.8（5）沉降罐的數(shù)量N=41×100×0.65×1.2÷（50×0.8×8）≈10個4.3.8第二次板框壓濾（型號：BMS20/830-20）（1）板框壓濾機(jī)數(shù)量（第一次吸水量為發(fā)酵液的20％）洗完后第一次后液體總量是V=41×100×0.每天的過濾體積是V=臺數(shù)N=64.74（2）總結(jié)：需板框壓濾機(jī)28臺4.3.9雙效塔（體積為65m3）（1）雙效塔的裝填系數(shù)0.75，發(fā)酵液中LA鈣的濃度為0.085，經(jīng)過雙效塔其濃度變?yōu)?.26，則其液量為：V=4100×0.65×0.85÷（2）雙效塔的數(shù)量N=1090÷(65×0.75)=23個4.3.10酸解鍋（體積是70m3,裝填系數(shù)是0.75）（1）V每日酸解量V=1223.45÷0.75=1631.26（2）N酸解鍋上式中：V酸解總酸解總量，m3N酸解鍋酸解鍋數(shù)量，個（3）需酸解鍋5個4.3.11第三次板框壓濾（BMS20/830-20）（1）板框壓濾機(jī)數(shù)量N=1631.26所需板框壓濾機(jī)26臺4.4物料衡算4.4.1發(fā)酵過程中的物料衡算（1）原料中淀粉用量原料中淀粉使用量：LA每天的生產(chǎn)量G1G=100000×0.9÷320=281.25經(jīng)提取后的LA含量G2G=281.25÷（0.9×0.96×0.92×0.99）=357.40發(fā)酵工藝后的LA含量G3G=357.40÷（0.92×0.9×0.9）=479.60G4每天消耗的淀粉量G=479.60÷（0.95×1.11×0.98）=478.75年消耗為478.75×320=153200噸（2）原料中麥麩與淀粉的比例是5：14原料中麥麩的用量是52714.29噸（3）淀粉酶用量1g淀粉酶的活力是400個單位，1g淀粉完全轉(zhuǎn)變成葡萄糖要10個活力單位。所以至少需要38.3噸淀粉酶才能把153200噸淀粉轉(zhuǎn)化為葡萄糖。4.4.2提取過程中的物料衡算（1）碳酸鈣MM年總量為85097.6噸H2SO4(M年總量為113481.6噸（3）活性炭M年總量為22500噸4.5能量衡算4.5.1發(fā)酵過程（1）蒸汽使用量每天成熟LA發(fā)酵液的量每天投料量：478.75×（每天投料時一罐發(fā)酵液中水的用量為：41×100×75％每天成熟的發(fā)酵醪總量為335.125＋3075=3410.125噸/天w=3075÷3410.125=90.2（2）發(fā)酵醪的比熱C比熱=4.18w=3.77+0.098×1.756=3.942KJ/（Kg·K）蒸汽與發(fā)酵之間的熱平衡為：CΔT1為發(fā)酵的溫差，其值ΔT為水蒸氣升溫，其值代入數(shù)據(jù)可知：G=1371.714.5.2提取過程中的物料衡算（1）沉降罐蒸汽量G2過濾水為80℃左右，用量為：41×100×0.75×0.2=615G=4025.125+4.167=4029.292ΔT2為10CG（2）雙效塔和濃縮塔的蒸汽量G3 雙效塔的總進(jìn)入量為：4100×0.75×1.22=3751.5需要罐的體積為：3751.5÷0.75=5002出雙效塔的料液為：4100×0.75×0.085×0.75÷0.26=753.97蒸發(fā)量為：V=5002?753.97=4248.030.4atm的蒸氣壓下水的沸點(diǎn)為76℃，水和蒸汽的汽化熱分別為66.99和629.1kcal/Kg.G=31191.42

結(jié)論本設(shè)計采用的生產(chǎn)菌種是德式乳酸桿菌，原料為玉米和麩皮，通過比對LA的多種生產(chǎn)工藝以及結(jié)合實(shí)際情況的要求下，最終選擇同步糖化發(fā)酵法作為生產(chǎn)工藝。本次設(shè)計1×106噸LA的工廠的主要指標(biāo)如下：（1）發(fā)酵工藝：同步糖化發(fā)酵法（2）提取工藝：板框壓濾和離子交換法（3）主要原料及用量淀粉：153200噸/年麥麩：52714.29噸/年淀粉酶：38.3噸/年 CaCO3：85097.6噸/年濃硫酸：113481.6噸/年活性炭：22500噸/年（4）主要設(shè)備發(fā)酵罐41個，每個100m3種子罐40個，每個60m3調(diào)漿罐36個，每個100m3預(yù)熱罐9個，每個50m3壓料罐14個，每個30m酸解鍋5個，每個70m3板框壓濾機(jī)77臺(BMS20/830-20)，處理能力（2.637m3/h）本工藝的主要優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單，操縱方便，有較高的處理效率，對能量消耗較低，產(chǎn)生的污染小。采用離子交換法和板框壓濾機(jī)處理，最終可以獲得高純度的LA。

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tank

reactor

with

a

periodicalbleed

and

feed

operation

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Process

Biochemistry,

2003,

6,

38

(11):

1

573-1

583.[8]

Peimin

Yin,

Naoki

Nishina,Yuuko

Kosakai,

etal,

Enhanced

productionofL-

(+)

-lactic

acid

from

starch

in

a

culture

of

Rhizopus

oryzae

usingan

airlift

Bioreactor

[J].

Ferment

Bioeng,

1997,

84:

249-