精選優質文檔-----傾情為你奉上精選優質文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業專心---專注---專業精選優質文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業交通大學畢業設計（論文）任務書課題年產1000噸乳酸的生產工藝設計姓名專業班級1001班課題簡介乳酸在食品、醫藥、化工等方面廣泛應用，且因聚乳酸的大量應用導致乳酸的國際市場需求日益增大，但原有生產方法存在很多不足，故本設計在原有的生產工藝上加以改進，以德氏乳桿菌為菌種，以玉米為主原料，利用同步糖化發酵法，最終獲得純乳酸。設計任務設計要求：年產1000噸純度為80%的純乳酸設計任務：1.查閱文獻，提出選題的初步設想2.乳酸生產工藝的綜述3確認生產工藝流程4.工藝計算和設備選型5物料衡算和能量衡算今經濟評估6.用CAD畫主設備圖和工藝流程圖7翻譯一篇相關文獻圖紙要求：1.繪制乳酸的工藝流程圖（1#圖紙）2.繪制主設備圖（1#圖紙）設計要求1.通過查閱文獻及綜述，掌握乳酸的國內外生產的研究進展2.確定乳酸生產的設計方案和工藝流程3.進行工藝計算和經濟評估4.訓練實事求是和嚴謹的科學作風指導教師簽字系主任簽字主管院長簽章蘭州交通大學畢業設計（論文）開題報告表課題名稱年產1000噸乳酸的生產工藝設計課題來源結合實際，導師制定課題類型BX導師學生姓名學號專業生物工程資料準備：收集有關乳酸的性質及工廠生產方法的國內外研究文獻，同時深入了解影響乳酸工廠生產的影響因素，為乳酸設計生產方案的制定及論文寫作奠定了基礎。設計目的：通過分析各乳酸生產方法工藝的利弊，確定最優乳酸生產工藝。設計要求：1.通過查閱文獻及綜述，掌握乳酸的國內外生產的研究進展2.確定乳酸生產的設計方案和工藝流程3.進行工藝計算和經濟評估4.訓練實事求是和嚴謹的科學作風設計思路：1.研究乳酸生產的相關背景知識和現狀，并了解乳酸生產的最新研究進展。2.針對乳酸生產中存在的問題，提出該設計研究的必要性。3.分析各種乳酸生產方法的優缺點，確認乳酸生產方案；4.設計基本工藝流程圖；5.運用所學知識分析，論證本設計的可行性；6.用CAD畫出工藝的設備圖和工藝流程圖預期成果：1.通過設計了解乳酸的生產技術。2.分析不同生產乳酸的方法、確定最優乳酸生產方案。3.設計出生產效益高、生產周期短的生產工藝任務完成階段及時間安排：收集有關乳酸生產技術的資料2周（2014.2.25——2014.3.10）完成論文開題報告和設計論文大綱。2周（2014.3.11——2014.3.24）設計出乳酸生產工藝流程。2周（2013.3.25——3013.4.7）物料衡算和能量衡算。2周（2014.4.8——2014.4.21）設備選型。2周（2014.4.22——2014.5.5）CAD設計繪圖。2周（2014.5.6——2014.5.19）設計經濟效益估算評析。2周(3014.5.20_2014.5.26)完稿，論文排版，核對矯正，檢查。1周(2014.5.27——2014.6.2)定稿，打印，裝訂。2天（2014.6.3——2014.6.4）完成任務所具備的條件及因素：利用圖書館的資料、文獻，查閱的各種期刊和網絡資源，不斷提出問題，同指導老師探討，并融合所學的相關知識。指導教師意見簽名：年月日蘭州交通大學畢業設計（論文）學生自查表（中期教學檢查用）學生姓名專業生物工程班級指導教師姓名職稱講師課題名稱乳酸生產工藝設計個人精力實際投入作時間8小時周平均工作時間40小時迄今缺席天數無出勤率%100%指導教師每周指導次數5次每周指導時間（h）10小時備注2小時/天畢業設計（論文）工作進度（完成）內容及比重已完成主要內容%待完成主要內容%設計整體規劃。查閱有關乳酸的相關文獻及書籍并概括出乳酸的各種生產工藝。翻譯了一篇與乳酸相關的外文文獻。分析各種乳酸提取方法的比較。確定乳酸的生產工藝流程方案。設計生產工藝流程。（7）初步完成設計說明書的撰寫。70設備選型及物料衡算和能量衡算。經濟效益分析。主設備圖和流程圖的繪制。30存在問題由于缺乏實踐以及初次接觸工藝的生產線設計，所以生產線的設計還需進一步完善。由于本設計缺乏實驗生產數據，故其實際生產的可行性還有待實踐驗證。指導教師簽字：年月日摘要乳酸是應用最為廣泛的三大有機酸之一，本設計采用同步糖化發酵法來生產乳酸，同步發酵技術克服了傳統發酵產物抑制作用，節約生產成本，提高生產效率。該設計的生產方案為：以大米為主生產原料，麩皮為輔助原料，以德氏乳桿菌為菌種，添加碳酸鈣作為乳酸發酵的中和劑和穩定劑，經過發酵得到的發酵液。發酵液經過預處理和一系列分離反應，從而得到粗乳酸，在經過離子交換法處理得到純度為80%的純乳酸。關鍵詞：乳酸生產工藝，微生物發酵，同步糖化發酵法

AbstractLacticacidisoneofthethreeorganicacidswhichwidelyusedintheworld,thisdesignusessimultaneoussaccharificationandfermentationtoproducelacticacid.Simultaneoussaccharificationandfermentationovercomestheinhibitoryeffectoftraditionalfermentationproduct,savingproductioncost,improvingproductionefficiency.ThedesignusedtheGermanLactobacillusforstrainsandriceasthemainrawmaterials,wheatbranauxiliaryrawmaterials,addingCaCO3asneutralizingagentandstabilizeroflacticacidfermentation,afterfermentation,thefermentationliquidwaspretreated,thenaseriesofseparationandreactionwereused,finally,ionexchangetreatmentwasadopted,weobtainedlacticacidwithapurityof80%.Keywords:productionoflacticacid,fermentationtechnology,synchronousfermentationtechnology

目錄附錄一：英文文獻附錄二：英文文獻翻譯附錄三：設備流程圖附錄四：主設備圖1緒論1.1乳酸的性質和應用1.1.1乳酸的性質乳酸英文名稱lacticacid，學名2-羥基丙酸，分子式為C3H6O3，相對分子質量為90。呈強酸性，并具有吸濕性、旋光性，可與水、乙醇、乙醚、丙酮混溶。葡萄糖可以在人體中分解產生水、二氧化碳和丙酮酸，同時產生少量ATP，隨后丙酮酸和氫結合可以生成乳酸。當人體運動過于劇烈或著持久時，葡萄糖將會因缺氧而在身體內大量分解為乳酸，造成體內乳酸累積，使體液呈酸性，削弱細胞的正常功能。1.1.2乳酸的應用乳酸在工業、食品、醫藥等多方面有很多用途[2]。乳酸被廣泛用作防腐劑、酸味劑和還原劑。在罐頭、醬類和飲料等的生產中，乳酸可以替代苯甲酸、山梨甲酸等對人體有毒副作用的防腐劑，劑，同時又可作為這些食品柔和的酸味劑；在啤酒生產過程中，利用乳酸調節pH值，不僅能促進原料糖化，而且還可以抑制雜菌的生長；乳酸乙酯是調配新香型白酒的不可缺少的香料；添加0.3％~0.5％的硬酯酰乳酸鈣就可以使面包的體積增加30％～40％，同時還能防止面包老化。乳酸在醫療方面有很多重要的應用，可以作消毒劑和載體劑。乳酸鈉制成的溶液可以治療酸中毒、高鉀血癥等疾病，該溶液還可解除由糖尿病或胃炎引起的中毒。乳酸酯類物質可以用做溶解藥物的溶劑，增加人體對藥的吸收量，降低毒副作用，該物質還能制成片劑的潤滑劑。由聚乳酸制成在臨床上有廣泛應用的有緩釋膠囊制劑、可生物降解手術縫合線、生物植入片等。在化學工業中，乳酸是生物可降解塑料聚乳酸的主要原料，聚乳酸因其具有良好的機械性能和透氣性等優點廣泛被應用的同時。聚乳酸還是代替聚氯乙烯(PVC)和聚丙烯(PP)消除由“白色污染”所造成的環境危機的物質。乳酸還可以用于皮革制造行業，使皮革柔軟細膩，能使紡織纖維有光澤。乳酸和乳酸鈉對改善皮膚結構有很好的效果，同時乳酸酯具有溶解性好、無毒、增塑性、容易回收等優點。乳酸還可用做合成樹脂涂料、膠黏劑、香料、和石油管道的清洗劑。1.1.3乳酸的質量檢測乳酸的監測除檢查外觀外，還需檢查乳酸的含量、重金屬的含量、Fe2+和Ca2+含量等指標。明恒磊等對傳統的EDTA檢測方法做了改進，克服了傳統方法變色欠佳的缺點，他們在指示劑中添加茜素溶液做為襯色劑，提高顯色的對比度[13]。1.2全球市場狀況及生產狀況1.2.1全球市場狀況全球乳酸的應用主要在工業科技、食品飲料、醫藥與個人護理等幾大方面，乳酸主要分布在歐洲、亞洲和北美洲等三大區域，截止2007年，世界乳酸需求呈快速增長的趨勢，供需缺口在擴大，2008~2010年之間，乳酸行業迎來新的發展機遇，世界各國致力于開發利用生物制品，將谷物等原料加工成乳酸，再進一步制成其衍生物和聚乳酸。2008年和2013年乳酸的全球消費情況如下表所示：表1：2008年和2013年乳酸消費情況20082013消費量（千噸）比例/%消費量（千噸）比例/%工業應用160.846.0260.452.7食品飲料139.840.0168.634.1醫藥及個人護理48.814.065.113.2總計349.4100494.1100乳酸主要應用與工業生產方面，而且其發展呈增長趨勢，2008年工業生產方面的消費量占整體消費的46%，到2013年時已達到52.7%，全球來說，美國、西歐和亞洲將在未來幾年內有很大的增長勢頭。1.2.2全球乳酸的生產狀況國外乳酸的生產狀況美國的乳酸生產量和消費量都是呈逐年增長的趨勢，其主要應用是在工業應用方面（包括聚乳酸的生產），該項消費量占總消費量的67%，食品飲料方面市場需求也呈逐年增加的趨勢，總之美國的乳酸消費量以6~8%的速度增長，美國90%的乳酸進口量都是從泰國和西班牙進口的，乳酸鹽主要從中國和荷蘭進口。2008年西歐的乳酸生產量降低，其主要原因是當時乳酸生產成本太高，使得PURAC停止其在西歐的乳酸生產，同時大部分廠家也因成本太高而停止生產，2005-2008年消費量的年均增長率為7.7%，2008~2013年年均消費增長量為9.1%。西歐乳酸的消費主要是公業應用，尤其是PLA生產的應用[19]。（2）國內乳酸的生產狀況 楊曉宇[18]研究了我國2005年到2009年乳酸的市場狀況，其中我國2009年乳酸的總產量是160千噸，主要使用的生產方法是發酵法。在這五年內，我國乳酸市場的進出口情況發生了很大的變化，進口數量逐年增加，進口價格也有上下波動，但其變化不大。出口數量和價格總體呈上升趨勢。我國乳酸的消費量以每年6%的增長率增加。1.3乳酸的生產方法1.3.1化學合成法化學合成法生產乳酸的方法主要有乳腈法、丙酸法和丙烯腈法。丙酸法主要是由丙酸和Cl2進行反應，生成2-Cl丙酸，再與NaOH反應生成乳酸。丙烯腈法是指先將丙烯腈和硫酸反應，再將反應產物和甲醇反應，從而得到乳酸，再將其經過分離和精餾得到純乳酸的過程。乳腈法是乙醛和HCN反應產物與水和硫酸得到產物，再與乙醇反應生成酯，在水解得到乳酸的生產過程?；瘜W合成法的主要不足是其生產原料具有毒性，且不能生產單旋光性的乳酸。通過該法生產的乳酸主要應用于食品行業方面，因此必須除去其中有毒的化學物質。1.3.2酶法合成酶法合成主要有本崎等[9]人研究的1,2-氯丙酸酶法和Hummd等人研究的丙酮酸酶法轉化法，但這兩個方法都有個缺點，就是生產工藝復雜，不適用與工業化生產，現今主要應用與實驗室研究。1.3.3發酵法生產乳酸目前，工業化生產乳酸一般均采用糖類物質發酵法，發酵法生產乳酸首先要將淀粉類物質經過糖化、糊化之后酶解再進行發酵，同時加入碳酸鈣進行中和，發酵完后經過過濾處理得到乳酸鈣溶液，再接著將其通過75%的濃硫酸分解得到乳酸和硫酸鈣沉淀，再經過過濾就可得到粗乳酸溶液，最后采用吸附脫色和離子交換法去除溶液中的雜質離子而得到純乳酸。發酵法生產乳酸的主要特點是設計工藝簡單、生產條件溫和和產品光學純度高[7]。1.4乳酸發酵過程的介紹乳酸發酵微生物的過程主要分為菌種的選育、發酵和后期提取。菌種對發酵營養條件、生長周期、產量等起著決定性因素，發酵方法是指對優良菌種提供良好的生存環境和營養需求，保證菌種的正常生長。后期提取是指利用發酵液的性質從其中提取出有用物質的過程。1.4.1菌種發酵乳酸的微生物主要有細菌類和霉菌類兩大類，細菌類主要有乳桿菌、鏈球菌和芽孢桿菌，霉菌主要是根霉菌。發酵法一般使用的微生物都具有同型發酵、營養要求簡單、產酸迅速、產酸量高、耐高溫和耐高濃度產物的抑制作用等特點[11]。一般野生菌都不滿足該要求，只有通過誘變等方法選育出適合發酵的菌種。菌種的傳統誘變方法主要有化學誘變、物理誘變等方法，傳統誘變方法存在著工作量大和不確定性因素多的缺點。目前研究新型育種方法有誘變育種、基因工程與代謝工程育種、基因組改組和染色體融合技術育種，各種方法各有利弊，可根據目的不同選擇適宜的誘變方法，獲得目的菌株[12]?，F今工業上的菌種主要有細菌發酵和根霉菌發酵。（1）細菌發酵細菌發酵生產乳酸的主要機理是同型發酵，該法主要是將丙酮酸轉化為乳酸。利用同型乳酸發酵葡萄糖生產乳酸得率超過85%[6]，此發酵過程中，1mol葡萄糖可以生成2mo1乳酸。細菌發酵的發酵產物純度高，副產物少，能耗少，發酵無需空氣，攪拌動力低，成本較低，理論轉化率100%，實際轉化率大于90%，后期提取與生產過程的調控比較簡單還無污染。該法的主要缺點是生產成本高，后期難以分離和純化[8]。（2）根霉菌發酵根霉屬中米根霉生產乳酸的能力最強。菌絲匍匐爬行，無色，在37-40℃下能生長。根霉發酵的機理是好氧異型發酵，通過糖酵解途徑發酵生產，再生成乳酸的同時還生成唬拍酸、蘋果酸和乙酸等其他代謝產物，導致乳酸光學純度降低了，其理論轉化率為75%。米根霉營養要求低，可以直接利用淀粉質等生物質原料生產L-乳酸，其培養基比較簡單，只需添加少量的無機氮源，菌絲體大而且易于分離，生產的L-乳酸純度高且易于精制，有利于工業化生產高純度的L-乳酸，理論轉化率75%，實際轉化率65%左右，發酵過程中需要通氣攪拌導致能源消耗大，導致其生產成本增加，原料利用率降，后期很難除去發酵產生的雜酸，容易污染且工藝控制困難。1.4.2乳酸的發酵方法乳酸發酵方法主要有半連續發酵法、連續發酵法、同步糖化發酵法、固定化發酵法和原位分離法發酵。目前乳酸的發酵原料多為淀粉質，其發酵工藝包括多個步驟，首先高溫條件下對底物進行糊化和液化，然后用淀粉酶等將其糖化，轉化成葡萄糖等可發酵糖，再進一步經微生物發酵生成乳酸。淀粉糖化時間一般較長，溫度較高，能耗高，因此以淀粉質為原料，經糖化和發酵兩步工藝的經濟性較差，有待于進一步的改進。同步糖化發酵中的糖化過程和發酵過程是在同一個反應器器中進行的，即將酶與菌種同時加入到反應罐，使酶催化水解反應和微生物發酵過程耦合的生產工藝。糖化過程中產生的葡萄糖立即就發酵生成乳酸，該法克服了高濃度葡萄糖對反應的抑制作用和糖化酶對反應的產物抑制作用。同時加快了整個工藝周期，縮短生產時間，節約設備投資。在較低溫度下進行同步糖化發酵仍然有較高的利用率，該發酵法是高低物濃度在低反應體積下進行低生產成本的最佳方式。同步糖化發酵法生產乳酸的量受多種外界因素的影響，其中主要的影響因素就是原料、水解酶、菌種和溫度等，理論上以淀粉類材料為發酵的主要原料，該法可以避免由于葡萄糖濃度過高而引起的底物抑制作用，該法的轉化率可達到98%，發酵周期為47小時。該方法中糖化酶的最適反應溫度應該較高，且在一定范圍內，仍保持有酶活性，可以通過提高溫度來增加酶活性，同時加快反應速度和提高產品質量。淀粉糖化酶能在常溫條件下將淀粉分子的a-1，4和a-1，6糖苷鍵切開，而使淀粉轉化為葡萄糖。糖化酶能隨作用的溫度升高活力增大，超過55℃又隨溫度升高而活力急劇下降，本品是最適作用溫度是50-55℃，最適作用PH舒值在4.0-4.5左右。糖化酶的特點主要是糖化酶對設備沒有腐蝕性，使用安全，工藝簡單、性能穩定、有利于各廠的穩定生產；使用糖化酶對比較安全，可提高出酒率，法能減少雜菌感染，節約糧食可降低勞動強度，改善勞動條件；使用糖化酶有利于生產機械化，有利于實現文明生產。1.4.3乳酸發酵提取分離方法分離方法主要有分子蒸餾提純、酯化水解法、膜分離法、結晶法、雙極膜電滲析法等幾種。分子蒸餾技術是指極高真空的條件下依據分子運動均勻自由程的距離差分離的液－液分離技術。分子蒸餾技術的蒸發器部件主要分為降膜式、離心式和刮模式等三大類，其主要分離原理是根據蒸發器與冷凝器之間的距離為10-2~0.2m，該距離值小于分子間平均自由程來分離。該技術可以達到清除小分子雜質和提純的目的。酯化水解法是指通過甲醇與發酵液反應后，蒸餾出的乳酸甲酯后再水解得到高純度的乳酸，從而獲得精品級乳酸的有效方法。由于化學反應平衡的限制，其產率不高。近年來，高效催化劑和工藝的使用使這種傳統的乳酸精制技術得到了新的發展。張猛等人對乳酸提純的反應精餾工藝建立了非平衡級穩態模型。但由于酯化反應的特性，所以提高反應轉化率的主要手段是及時從體系中脫除產物和水。Tanaka等采用T沸石膜將體系中的水及時移除體系，使得酯化反應的轉化率高于平衡轉化率，接近與100％。Sun等采用銨鹽中和發酵法，采用丁醇與乳酸銨酯化，然后精餾出乳酸丁酯再水解制備得到純度極高的乳酸產品，總收率達85.6％。催化反應和滲透汽化等集成技術的使得傳統的乳酸酯化水解法得到了新的發展，雖然過程能耗較高，但也為乳酸精制方法提供了一種新的精制方法。膜分離是一種新型的化工分離方法，現今膜分離技術已經在各個領域中得到了廣泛應用。乳酸精制過程則主要采用納濾、反滲透或電滲析的方法。微濾和超濾的孔徑能達到除雜菌的目的，可以將乳酸菌體從發酵液中分離出來進行重復使用，過濾過程中吸附和濃差對通量的衰減起主要的作用。納濾和反滲析能一定程度上提高乳酸質量，達到食品乳酸的要求。雙極膜電滲析發酵法實現了發酵過程中乳酸的在線移除。此法制備乳酸的最大優點是過程簡單、物耗降低、三廢排放少和乳酸產品質量高。結晶法是一種傳統的分離方法，采用降溫處理使乳酸鹽在發酵液中結晶從而分離出來。鈣鹽法是目前國內工廠中采用最多的方法。在發酵液中加入碳酸鈣與乳酸反應，調節反應體系的pH值，發酵結束后濃縮降溫結晶從而得到乳酸鈣晶體，乳酸鈣再與硫酸反應制備乳酸，運用此法生產產品質量較高，但其收率低（50％以下）、物耗高和廢水量大等缺點，限制了其大規模應用。因此可以采用鋅鹽結晶的方法來提取乳酸，在粗乳酸鈣的溶液中加入硫酸鋅溶液反應，在發酵液還未變冷時濾去石膏再冷卻結晶，然后將分離出來的晶體溶解后，再通入硫化氫制備出乳酸，反應生成的硫化鋅沉淀再與硫酸反應生成硫酸鋅和硫化氫，兩者均可回收再利用，用此方法可以使乳酸的收率提高到60％左右[14]。1.5我國發酵法生產乳酸的現狀現今我國乳酸生產主要采用的方法是利用微生物發酵法[3]，微生物發酵法是國家重點支持的高新技術，該技術符合我國產業政策和高新技術產業化生產的方向。當今主要有三大因素刺激我國乳酸工業的工業化發展，第一個因素是我國大量的白色塑料污染垃圾，用乳酸生產的聚乳酸替代聚氯乙烯，聚乳酸在自然條件下可以降解，其具有良好的可塑性和生物相容性,經過特殊處理的聚乳酸克服了耐熱性差和抗沖擊強度低的缺點,使聚乳酸具有優良的機械性能和物理性能。第二個主要因素是乳酸可以解決溫室效應問題，二氧化碳和水反應生成乳酸，乳酸又可通過降解成二氧化碳，所以其在降低溫室氣體方面有很大的作用。最后一個因素就是乳酸在生物燃料方面有很大的作用，是當前解決減少化石燃料消耗的重要方法之一。1.6我國發酵乳酸過程中存在的問題的解決方案我國發酵采用傳統的發酵技術，其發酵受底物和產物的抑制作用，生產規模小、L-乳酸產品拓展和聚乳酸研究滯后，還有糖化和發酵兩步工藝的經濟效益低，有待于進步，制約著L-乳酸工廠化規?；陌l展。同步糖化發酵是將酶催化水解碳水化合物底物和細菌發酵結合的生產模式，具有操作簡單，無需單獨糖化，即克服了糖化酶的產物抑制作用，還可避免因初始糖濃度過高而引起的底物抑制作用，還可以減少生產周期，節約其生產成本和提高乳酸生產效率的作用。

2工藝設計及控制同步糖化發酵技術是將糊化液直接通入發酵罐中，并向其中添加糖化酶使淀粉糖化生成葡萄糖，糖化酶的酶活力隨溫度升高而增大，最適溫度為55℃，最適pH為4.0-4.5。該技術克服傳統發酵中糖化酶的產物抑制作用和因初始糖濃度過高而引起的底物抑制作用，節約生產成本且提高乳酸生產效率的作用。2.1同步糖化法生產乳酸的工藝流程圖1：同步糖化法生產乳酸的工藝流程原料原料粉碎糊化擴大培養發酵罐滅菌處理過濾凈化糖化酶離子交換處理水濾渣空氣預熱斜面培養壓料板框過濾板框過濾酸解酸液活性炭濃縮乳酸成品酸解液配料該工藝的生產過程主要為：大米和麩皮經粉碎糊化處理后，與水以4:1:5的比例混合配成發酵原料，經過滅菌后通入發酵罐，再加入菌種、凈化空氣和淀粉糖化酶進行發酵。發酵液經過升溫和過濾處理，再將其通入中和罐，以CaCO3做中和劑處理；再經過過濾洗滌，得到乳酸鈣固體，送入酸解罐酸解。酸解罐中添加濃H2SO4進行酸解，并加入活性炭進行脫色；然后通過板框壓濾機過濾和沉降過濾，除去CaSO4及雜質。酸解后的過濾液經離子交換處理，再進行蒸發、濃縮和結晶；結晶完成后，用離心機進行固液分離，最后通過干燥和篩選得到成品乳酸。2.2乳酸發酵條件及控制2.2.1原料該工藝生產的主要原料為大米，輔助原料為麩皮，大米與麩皮和水的比例為4：1：5。2.2.2發酵的菌種該生產工藝選擇的菌種是德氏乳酸桿菌。德氏乳桿菌在分類學上是屬于真細菌目、乳桿菌科、乳桿菌屬。其大小是2.0～9.0×0.5～0.8微米，是革蘭氏陽性菌。該菌種可以利用麥芽糖、葡萄糖、半乳糖和糊精等碳源來發酵生產乳酸，德氏乳桿菌的最適生長溫度是45℃，但該菌在50℃時仍具有生物活性，能耐受55℃高溫。（1）菌種的擴大培養乳酸發酵一般為純種培養，接種量為10%，所以必須進行菌種的擴大培養，其生產方法是將試管原種先接種到10ml試管培養一段時間后轉接到200ml的三角瓶中，再轉接到1L三角瓶后轉接到1000L種子罐再轉接到60m3發酵罐。該菌種為兼性好氧菌，應采用斜面凍結保存菌種，使用時進行活化處理，將原種轉接到10ml試管，在45℃下培養24小時，適當轉接多次，再接種到發酵罐中。（2）接種物成熟標志發酵液中乳酸菌種細胞密度為7×1010~8×1010個/ml，大小為（7~8）um×（0.5~0.8）um，鏡檢時無大的異染顆粒，無與菌種有明顯差別的雜菌。2.2.3發酵工藝控制及注意事項（1）糊化鍋先將原料混合均勻后再將其通入糊化鍋，并通入1.5Kg/cm2的蒸汽，使得糊化鍋的表壓達到100Pa，保持表壓100Pa不變30分鐘后，然后再結束糊化反應，此項過程結束的標準是無夾生大米且充分膨脹。糊化過程結束時，先降低壓力釋放出多余的蒸汽，然后向夾套中通入冷卻水使糊化液的溫度降低到60℃以下，再將糊化液和夾套的冷卻水都通入發酵罐。（2）種子罐種子培養基的組成成分與發酵培養基的組成成分基本相同，每升培養基中葡萄糖量為150g，磷酸氰胺量為2.5g，碳酸鈣量為100g。接入菌種量為料液的0.01倍，投入培養基后開始攪拌，在50℃下培養24小時。調節酸堿度為4.0左右，產酸為0.6~0.7，如果鏡檢合格菌絲體生長良好，接入蒸煮罐內進行擴大培養。（3）發酵罐①發酵配料：發酵罐中通入糊化鍋夾套中的冷卻水，節約生產成本，水溫為50℃左右，加入原料然后定容，培養基濃度為100g/L，然后通入無菌空氣，即能使料液混合均勻，還能增加溶氧量，加乳酸調節酸堿度為4.8-5.0時，每克大米添加120活力單位的活化酶，其接種量為10%。②發酵控制：德氏乳桿菌的特點是在45~50℃時進行繁殖，是一種耐高溫的乳酸菌，但不耐高酸，因此發酵過程保證酸堿值大于等于4，現今乳酸發酵所用的中和劑是碳酸鈣。該工藝采用分批添加碳酸鈣來控制酸堿度，在發酵后6小時開始添加（酸堿度不得小于5.0），每8小時添加一次，添加次數為6次，碳酸鈣添加總量為大米總量的3/4。③泡沫的控制：如果在工業生產中泡沫控制不當，使發酵液中產生大量泡沫時將會對該生產過程造成的巨大危害，比如使得發酵罐裝填系數減小，引起原材料的浪費以及產物的損失等。我們可以通過改變發酵液成分配比以及發酵工藝的操作條件的控制來減少泡沫的產生?；蛘卟捎没瘜W方法即添加化學消泡劑的方法削弱泡沫的產生，我們還可以通過利用物理的方法使液膜某些部分的局部受力改變，從而使得泡沫破裂。物理法消泡主要采用的生物機械消泡器的結構形式主要有柵式、旋轉圓盤式、渦輪式和旋風分離式等幾種。④發酵后期管理：殘糖濃度降低到1g/L時，并且發酵醪有特別黏性時，結束發酵，此時德式乳酸菌活動減弱，丙酸等雜菌開始生長，向發酵液中加入石灰石調節酸堿度，使發酵液的pH=10左右，并向其中通入空氣使其混合均勻，待石灰完全溶解時停止通空氣，然后將其靜置、澄清后進入后期提取上清液和沉淀物。2.3提取工藝及其控制2.3.1提取工藝流程發酵液預熱罐壓料罐第一次板框過濾沉降罐第二次板框過濾濃縮酸解第三次板框過濾濃縮脫色離子交換脫色濃縮乳酸制品2.3.2提取工藝條件（1）預熱沉淀流程預熱罐和沉降罐中的裝液系數為0.8，所以其中的溶液總量均不能超過其總容積的80%，預熱罐中液體的pH值保持為10.0，在其中煮沸5min，沉降罐中調節其酸堿度不得使其pH低于12，該罐中溫度可達到85-90℃，MgCl2加量小于2%。（2）第一次板框過濾壓料罐的的裝液系數為0.8，所以其進料量不得超過其總體積的80%，壓料罐中的壓力要小于等于40atm，濾渣中含鈣量不能超過2%。（3）雙效蒸發工藝雙效蒸發器內的蒸汽壓不能超過0.4atm，其雙效塔中的真空度必須低于0.8atm，向該罐中投料的濃度必須大于20%。（4）濃縮工藝濃縮罐中的蒸汽壓力必須小于0.4atm，罐中的真空度要控制在0.4-0.6atm之間。該壓力下，使溫度達到70℃的條件時就能蒸發濃縮乳酸，脫色罐的裝填系數為0.72，其進料量不能超過其總體積的72%，該罐中的工作時間不能小于24小時，脫色活性炭的添加量小于等于1%。2.3.3提取工藝的控制（1）預熱將發酵結束的發酵液用泵泵入預熱罐內進行加熱，使發酵醪的溫度由50℃升高到80℃左右，并進行適當的攪拌，通過添加堿來調節發酵醪的pH值到10，整個過程要防止析出無水乳酸鈣晶體和固體化整個發酵醪，為后續的操作帶來不必要的麻煩。（2）壓料罐壓料罐中的溫度為140℃，其中的壓力0.3MPa，總容積為2.78m3，以空氣做為介質。壓縮機將預熱液從壓料罐壓入板框壓濾機，使板框壓濾機進行第一次板框過濾。（3）第一次板框過濾：先給壓縮機中通入75℃左右的的熱蒸汽，預防發酵醪的熱料遇冷之后析出碳酸鈣晶體，并用板框壓緊鋪好的濾布，使得熱料液自流形成一層過濾層后再慢慢向其中加入物料，進行過濾，當濾液的析出量逐漸減少時，停止向其中通物料。并通入熱水沖洗濾渣，同時將濾液沖送到沉降罐中澄清。（4）沉降沉降罐中的酸堿度必須調節在pH=12以上，并將發酵液加熱到90℃，并加入2%的MgCl2，使菌體及其他懸浮物在沉降罐中沉淀下來。（5）第二次板框過濾第二次板框過濾的主要過濾物質為蛋白質、氨基酸等雜質，可以很大程度上降低雜質含量。其操作方法與第一次板框過濾相同，但在操作前必須要注意板框與濾布之間是否有破損，防止漏液。（6）雙效蒸發在經過雙效蒸發塔處理后，可以使得乳酸鈣的濃度可達到26%。雙效塔處理操作前要必須用注意檢查各閥門是否關閉。（7）酸解先將乳酸鈣的晶體添加到酸解罐中，再向其中加入石膏洗滌水，然后再直接通蒸汽使乳酸鈣晶體溶解，并使得乳酸鈣的濃度達到180g/kg左右，然后再向酸解罐內加入濃硫酸酸解。該過程需要注意的是要控制溫度不得高于70℃，防止發酵液的碳化和溫度對色度比色度的影響。酸解時用0.1%的甲基紫溶液進行檢驗乳酸鈣，當溶液呈現橘黃色時表示酸解反應完成，酸解反應結束后料液即進入第三次板框過濾。（8）濃縮①工藝條件：常壓下乳酸的在190℃的溫度下乳酸會完全分解，所以不能被蒸餾出來。通過降低壓力來使沸點降低，使其低于常壓下乳酸的分解點，則會使乳酸蒸餾出來。該工藝中濃縮采用的是真空濃縮循環加熱的方法，該方法濃縮的主要特點是能在較低真空度下利用水的沸點比較低的原理將水蒸發掉，完成濃縮的目的。操作過程中，其真空度要控制在0.4-0.6atm之間，物料溫度必須達到70℃左右，蒸汽壓必也要控制不能超過0.4atm。②工藝操作：操作前需要注意的是首先要檢查閥門是否關閉好，必須要保證操作的正常進行。然后再打開真空系統，使蒸汽發生器保持工作一段時間后使其真空度達到一定的值，到達特定值后再向其中添加物料。加熱時要保持真空度在一定的范圍之內。后期的檢查指標主要是濃縮液的密度，當其密度到達1.18kg/cm3時表示濃縮反應結束，結束濃縮時要先停止加熱，再關閉真空系統。③產品純度：乳酸鈣溶液酸解后經過初步凈化，再通過過濾除去石膏渣，使其乳酸的濃度達到約110g/kg左右。第一次濃縮在較低的真空度下可得到35%的乳酸，第二次濃縮是在在80kPa的蒸發器下濃縮后得到工業級乳酸。色度濃縮指的是因為酸度提高后，雜質中的有色物質的反應，使的其色度增加，因此需要用活性炭脫色。（9）乳酸純化①離子交換法是指通過帶電的溶質分子與離子交換介質中的離子相互交換，使帶電粒子附著在離子交換柱上，從而達到分離純化的目的。該法的主要特點是其操作分辨率高，操作容易且工作容量大。該法的目的即能除去乳酸鈣中的鈣離子還能使乳酸達到工業級乳酸的標準。②操作方法：先向交換柱內添加732型的陽離子，再將料液通入添加有732陽離子的離子交換樹脂的交換柱內，然后再使料液流經701型的陰離子交換柱。離子交換時要經常檢測流出液中的是否含有Ca2+和Fe3+。③離子交換樹脂的再生離子交換樹脂是可回收再利用的，離子交換樹脂的再生主要指的是處理已經經過使用的樹脂，使其重新具有使用性能。再生過程主要是去除離子交換樹脂中的雜質，具體方法是用大量水清洗之后，用酸和堿處理除去與功能基團結合的雜質，使離子交換樹脂回復靜電吸附能力。

3工藝計算及設備選型工藝計算的主要內容是物料衡算和能量衡算，物料衡算主要有原料（大米和麩皮）消耗的計算，還有液化酶、糖化酶、碳酸鈣、濃硫酸和活性炭等含量使用的計算。能量計算主要是蒸汽用量的計算和冷卻水用量的計算。3.1設計工藝的條件和要求（1）規模：年產乳酸總量為1000噸，其乳酸的純度要求是80%（2）原料：大米含量為10%；（3）淀粉：淀粉在大米中的含量為70%；（4）淀粉與葡萄糖的理論轉化率：111%；（5）總發酵周期：72小時；（6）發酵的轉化率：90%；（7）年生產天數：300天計算；（8）糊化的溫度：90℃計算；（9）提取過程總收率：75%；第一次過濾收率為0.9；第二次為0.92；濃縮的效率為0.9；（10）精制過程總收率：80%；酸解總收率0.92；離子交換效率為0.9；濃縮率0.96；3.2設備計算及選型3.2.1發酵罐的選型①發酵罐的體積單個發酵罐的體積為60m3，（其裝液系數為0.65）。②發酵罐的數目單個發酵罐單批次生產100%的乳酸的生產量M單管單批量=V發×裝液系數×糖濃度×轉化率×總收率×（1－0.0001%）×密度=60×0.65×10%×70%×111%×93%×75%×0.8×（1－0.0001%）×1.2=2.028噸年產100%乳酸的量純乳酸量為1000×0.8=800噸發酵罐所需的罐數N發酵罐數=年產純乳酸量÷（年總工作日×單罐單批生產量×24÷72）=800÷（300×2.028×24÷72）=4個取體積為60m3的發酵罐4個。3.2.2調漿罐的選型①調漿罐的容積單個調漿罐的體積是60m3，（其裝液系數0.75）。②調漿罐的數目N=4×V發酵罐容積×發酵罐的裝液系數÷（調降灌裝液系數×V調漿罐）=4×60×0.65÷（0.75×60）=3.47個取60m3的調漿罐4個。3.2.3種子罐的選型（1）單批種子液中的用量（發酵時間72小時，接種量是0.1）V單=4×60×0.65×0.1=15.6m3(2)種子液的總量V總=15.6÷0.75=20.8m3（3）罐數（種子罐體積為10m3，裝液系數是0.75，種子的培養時間是30小時）N種=20.8÷（10×0.75×24÷30）=3.47個種子罐的罐數為4個。3.2.4預熱罐的計算①預熱罐容積預熱罐的單個體積為12m3（其裝液系數為0.8）②數量N預熱=4×60×0.65÷（12×0.8）×3÷24=3個生產需要3個12m3的預熱罐3.2.5壓料罐計算①壓料罐容積：單罐體積是15m3（裝液系數是0.8）②壓料罐數量預熱過程：N=4×60×0.65÷(15×0.8×8)=2個3.2.6第一次壓濾處理量為60×0.75=45m3①板框壓濾機選型：選擇過濾能力為0.056的板框壓濾機，型號為BMS10÷635-10型。②板框壓濾機的數量每天過濾總面積S=2×45÷（24×0.056×10）=6.7N=6.7÷10≈1臺③沉降罐體積單沉降罐的體積是15m3（其裝液系數是0.8）④沉降罐的數量N沉降罐=4×60×0.65×1.2÷(15×0.8×8)≈33.2.7第二次板框壓濾①板框壓濾機型號與第一次相同：②板框壓濾機數量（假設第一次吸水量為發酵液的20%）：洗完第一次后液體總量為V=4×60×0.65×（1+0.2）=216m3每天的過濾面積是216÷（24×0.056）=16.1臺數N=16.1÷10≈2臺3.2.8雙效塔①雙效塔的裝填系數為0.75，發酵液中乳酸鈣濃度為0.085，經過雙效塔其濃度變為0.26，則其總液量為：V=240×0.65×0.85÷（0.26×8）=7.37m3②雙效塔的數量N=7.37÷（12×0.75）≈13.2.9酸解鍋（容積是10m3，裝填系數是0.75）①酸解的總料液量為240×0.75×1.22×0.085÷0.26=84.74每日酸解量84.74÷0.75=113m3②酸解鍋的數量N=113÷10×6÷24=2.825則生產所需3個酸解鍋3.2.10第三次板框壓濾①板框壓濾機型和前面所用機型相同②需要過濾的總面積為S=113÷（24×0.056）×0.75÷10=6.31③所需板框壓濾機的數目N=6.31÷10≈1臺3.3生產過程的物料衡算3.3.1發酵過程的物料平衡計算（1）原料中大米和麩皮的使用量①原料中大米用量：G1=乳酸的產量×乳酸需要濃度÷生產天數=1000×0.8÷300=2.667噸/天G1表示乳酸每天的生產量G2=純乳酸的量÷精制階段的總轉化率=2.667÷（0.9×0.96×0.92×0.99）=3.389噸/天G2是指經提取工藝后的乳酸含量G3=乳酸量÷提取工藝階段的總轉化率=3.389÷（0.92×0.9×0.9）=4.548噸/天G3指發酵工藝后的乳酸含量因為淀粉轉化為葡萄糖的轉化率為111%，理論轉化率是100%，除去損耗后實際轉化率是98%；G4=發酵后乳酸含量÷（發酵轉化率×葡糖轉化率×實際轉化率×淀粉含量）=4.548÷（0.93×1.11×0.98×0.7）=6.422噸/天G4為每天消耗的大米量年消耗量為6.422×300=1926.6噸②原料中大米與麩皮的比例4:1；原料中麩皮的用量：G麩皮=大米用量×0.25=6.422×0.25=1.601噸/天年總用量為1.601×300=480.3噸(2)液化酶和糖化酶的用量①以1克大米需要10個活力單位的液化酶液化，投入的液化酶中1克含有2000活力單位，則液化酶每天的用量為：G液化酶=（6.422×106×10×70%）÷（2000×1000）=22.477kg/天年用量為22.477×300=6743.1kg②以1克大米需要糖化酶的量為100活力單位，則糖化酶的量為：G糖化酶=（6.422×106×100×70%）÷（2000×1000）=224.77kg/天糖化酶的年用量為：67431噸3.3.2提取過程的物料衡算（1）碳酸鈣的用量由前面計算可知發酵后每天乳酸的生產量為4.548噸，碳酸鈣中和乳酸的反應中，1分子乳酸與2分子乳酸完全反應。所以M碳酸鈣÷100=4.548÷（2×90）M碳酸鈣=2.527噸/天年用量為2.527×300=677.7噸（2）硫酸用量硫酸酸解的時候，每2分子乳酸會與1分子硫酸完全反應。則每天所需硫酸量為：（M硫酸鈣×0.75）÷100=4.548÷（2×90）M硫酸鈣=3.369噸/天年總用量為3.369×300=1010.7噸（3）活性炭的用量活性炭按每天生產乳酸的產量的0.25計算所以其活性炭的用量為：M活=3.389×0.25=0.847噸/天年用量為254.1噸。3.4生產過程的能量衡算3.4.1發酵過程的能量計算（1）蒸汽使用量的計算（間接加熱）①每日成熟乳酸發酵液的量：每天投料為：6.422×（1-70%）÷10%=19.266噸/天每天投料時一罐發酵液中水的用量為：4×60×75%=180噸/天每天成熟的發酵醪總量為19.266+180=199.266噸/天w=180÷199.266=90.3%②發酵醪的比熱C比熱=4.18w+(1-w)C0=4.18w+(1-w)×(4.18×(1-0.7w1))=3.775+0.405×0.368=3.924KJ/(Kg·K)蒸汽與發酵之間的熱平衡為C比熱×G×△T1=C水蒸氣G1△T△T1為發酵的溫差，其值=80-50=30△T為水蒸氣升溫，值為120-20=70代入數據可知G1=3.924×30×199.266÷（70×4.2）=79.8噸/天3.4.2提取過程的能量衡算（1）沉降罐蒸汽量G2過濾水為80攝氏度左右，用量為：240×0.75×0.2=36噸/天G0=199.266+36-(1000×0.8)÷(0.8×0.75×300)×0.1=234.822噸/天△T2為10C比熱×G0×△T2=C水蒸氣G2△TG2=31.34噸/天⑵雙效塔和濃縮塔的蒸汽量G3雙效塔的總進入量為240×0.75×1.22=259.3，裝填系數為0.750。需要罐的體積為：259.2÷0.75=345.6。出雙效塔的料液為=240×0.75×0.085×0.75÷0.26=51.5蒸發量為V=345.6-44.13=215.170.4atm的蒸汽壓下水的沸點為76℃，水和蒸汽的汽化熱分別為69.99和629.1kcal/Kg。蒸汽量G3=215.17×（629.1-69.98）×4.182÷298=1711噸/天

4效益評估4.1員工工資年生產時間為300天，每天24小時，實行四班三到制度。每班有投料工2人，發酵工1人，提取工1人，精制工作人員2人，包裝工2人，泵工1名，其他工作人員（包括技術員、安全人員、維修工等）2名，每班總人數為11人，本廠總人數44人。人均年工資為4萬元，年總工資為44×4=256萬元。4.2概算過程4.2.1建筑工程費表3：建筑工程費用圖表名稱面積單價總價一層樓房50×30=1500m21500元/m2325萬元二層樓房50×30=1500m21500元/m2325萬元倉庫15×20=300m21000元/m230萬元休息、操作、管理室15×20=300m21000元/m230萬元總計2700m2510萬元工廠總占地面積為2700m2，樓房以1500元/m2估計，倉庫和其他地方按1000元/m2估計，建廠工程費用預估計為510萬元。

4.2.2設備購買費用（1）設備購買費用:表4：設備費用圖表名稱規格型號（m3）單價（元/臺）數量（臺）總價格（萬元）發酵罐單罐大小604100調漿罐單罐大小6080000540種子罐單罐大小1080000324發酵儲罐單罐大小6080000324預熱罐單罐大小12220雙效塔單罐大小12130壓料罐單罐大小15330沉降罐單罐大小15224濃縮罐單罐大小10118酸解鍋單罐大小10360板框壓濾機BMSS10/635-10448泵型號不定100001212鍋爐8000216各種管道50總計45496設備運雜費費用為總價值的0.05，所以總費用為496×0.05=23.45萬元，設備購置費=23.45+496=519.45萬元。（2）設備安裝費是設備購置費的0.02倍，工具費用是設備購置費的0.01倍。安裝費=519.45×0.02=10.389萬元工具費=519.45×0.01=5.1945萬元（3）化驗設備和酸度檢測及測定儀器總購置2套，花費約10萬元。（4）工藝管道費用管材加工費用和安裝費用是管材費的220%，管材的總投資費用50×（1+220%）=160萬元（5）其他費用其他費用主要有設計費、電氣費和管理費等，總費用是工程總費用的0.02倍，則其他費用=（160+10+5.1945+519.45+10.389）×0.02=14.10067萬元（6）不可預見費用是總工程費用的0.05倍，其費用=（160+10+5.1945+519.45+10.389）×0.05=35.萬元設備的總費用=160+10+5.1945+519.45+10.389+14.10067+35.=754.386萬元。4.2.3生產成本總估算（1）原材料總費用每千克大米價格為4.5元，4.5×1926.6×1000=元=866.7萬元。每麩皮價格為0.8元，0.8×480.3×1000=元=38.424萬元純度為75%的濃硫酸每噸價格1500元，1010.7×1500=元=151.605萬元。每千克玉米淀粉液化酶的價格為2元，6743.1×2=76.19703萬元每千克糖化酶的價格為10元，67431×10=67.431萬元。每噸碳酸鈣240元，677.1×240=16.2504萬元。每噸活性炭價格2000元，254.1×2000=50.82萬元原料的總費用為：866.7+38.424+151.602+76.19703+67.431+16.2504+50.82=1267.42443萬元。（2）產品總值每噸硫酸銨的銷售價格為2000元，年生產總值為1000