年产1000吨乳酸的生产工艺设计(2)

兰州交通大学毕业设计（论文）

目 录

1 绪论 .......................................................................................................................................................... 1

1.1 乳酸的性质和应用 ........................................................................................................................ 1

1.1.1 乳酸的性质 ........................................................................................................................ 1 1.1.2 乳酸的应用 ........................................................................................................................ 1 1.1.3 乳酸的质量检测 ................................................................................................................ 1 1.2 全球市场状况及生产状况 ............................................................................................................ 2

1.2.1 全球市场状况 .................................................................................................................... 2 1.2.2 全球乳酸的生产状况 ........................................................................................................ 2 1.3 乳酸的生产方法 ............................................................................................................................ 3

1.3.1 化学合成法 ........................................................................................................................ 3 1.3.2 酶法合成 ............................................................................................................................ 3 1.3.3 发酵法生产乳酸 ................................................................................................................ 3 1.4 乳酸发酵过程的介绍 .................................................................................................................... 3

1.4.1 菌种 .................................................................................................................................... 4 1.4.2 乳酸的发酵方法 ................................................................................................................ 4 1.4.3 乳酸发酵提取分离方法 .................................................................................................... 5 1.5 我国发酵法生产乳酸的现状 ........................................................................................................ 6 1.6 我国发酵乳酸过程中存在的问题的解决方案 ............................................................................. 7 2 工艺设计及控制 ...................................................................................................................................... 8

2.1 同步糖化法生产乳酸的工艺流程................................................................................................. 8 2.2 乳酸发酵条件及控制 .................................................................................................................... 9

2.2.1 原料 .................................................................................................................................... 9 2.2.2 发酵的菌种 ........................................................................................................................ 9 2.2.3 发酵工艺控制及注意事项 ................................................................................................ 9 2.3 提取工艺及其控制 .......................................................................................................................11

2.3.1 提取工艺流程 ...................................................................................................................11 2.3.2 提取工艺条件 ...................................................................................................................11 2.3.3 提取工艺的控制 ...............................................................................................................11

3 工艺计算及设备选型............................................................................................................................. 14

3.1 设计工艺的条件和要求 .............................................................................................................. 14 3.2 设备计算及选型 .......................................................................................................................... 14

3.2.1 发酵罐的选型 .................................................................................................................. 14

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3.2.2 调浆罐的选型 .................................................................................................................. 15 3.2.3 种子罐的选型 .................................................................................................................. 15 3.2.4 预热罐的计算 .................................................................................................................. 15 3.2.5 压料罐计算 ...................................................................................................................... 16 3.2.6 第一次压滤 ...................................................................................................................... 16 3.2.7 第二次板框压滤 .............................................................................................................. 16 3.2.8 双效塔 .............................................................................................................................. 16 3.2.9 酸解锅 .............................................................................................................................. 17 3.2.10 第三次板框压滤 ............................................................................................................ 17 3.3 生产过程的物料衡算 .................................................................................................................. 17

3.3.1 发酵过程的物料平衡计算 .............................................................................................. 17 3.3.2 提取过程的物料衡算 ...................................................................................................... 18 3.4 生产过程的能量衡算 .................................................................................................................. 19

3.4.1 发酵过程的能量计算 ...................................................................................................... 19 3.4.2 提取过程的能量衡算 ...................................................................................................... 20

4 效益评估 ................................................................................................................................................ 21

4.1 员工工资 ...................................................................................................................................... 21 4.2 概算过程 ...................................................................................................................................... 21

4.2.1 建筑工程费 ...................................................................................................................... 21 4.2.2 设备购买费用 .................................................................................................................. 22 4.2.3 生产成本总估算 .............................................................................................................. 23 4.2.4 经济分析 .......................................................................................................................... 23

5 工业三废的处理 .................................................................................................................................... 25

5.1 有机废水的处理 .......................................................................................................................... 25 5.2 废气的处理 .................................................................................................................................. 25 5.3 废渣的处理 .................................................................................................................................. 25 6 工厂生产的安全措施............................................................................................................................. 27 结 论 .......................................................................................................................................................... 28 致 谢 ............................................................................................................................................................ 29 参考文献 ...................................................................................................................................................... 30 附录一：英文文献 附录二：英文文献翻译 附录三：设备流程图 附录四：主设备图

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1 绪论

1.1 乳酸的性质和应用 1.1.1 乳酸的性质

乳酸英文名称lactic acid，学名2-羟基丙酸，分子式为C3H6O3，相对分子质量为90。呈强酸性，并具有吸湿性、旋光性，可与水、乙醇、乙醚、丙酮混溶。

葡萄糖可以在人体中分解产生水、二氧化碳和丙酮酸，同时产生少量ATP，随后丙酮酸和氢结合可以生成乳酸。当人体运动过于剧烈或着持久时，葡萄糖将会因缺氧而在身体内大量分解为乳酸，造成体内乳酸累积，使体液呈酸性，削弱细胞的正常功能。

1.1.2 乳酸的应用

乳酸在工业、食品、医药等多方面有很多用途[2]。乳酸被广泛用作防腐剂、酸味剂和还原剂。在罐头、酱类和饮料等的生产中，乳酸可以替代苯甲酸、山梨甲酸等对人体有毒副作用的防腐剂，剂，同时又可作为这些食品柔和的酸味剂；在啤酒生产过程中，利用乳酸调节pH值，不仅能促进原料糖化，而且还可以抑制杂菌的生长；乳酸乙酯是调配新香型白酒的不可缺少的香料；添加0.3％~0.5％的硬酯酰乳酸钙就可以使面包的体积增加30％～40％，同时还能防止面包老化。

乳酸在医疗方面有很多重要的应用，可以作消毒剂和载体剂。乳酸钠制成的溶液可以治疗酸中毒、高钾血症等疾病，该溶液还可解除由糖尿病或胃炎引起的中毒。乳酸酯类物质可以用做溶解药物的溶剂，增加人体对药的吸收量，降低毒副作用，该物质还能制成片剂的润滑剂。由聚乳酸制成在临床上有广泛应用的有缓释胶囊制剂、可生物降解手术缝合线、生物植入片等。

在化学工业中，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机械性能和透气性等优点广泛被应用的同时。聚乳酸还是代替聚氯乙烯(PVC)和聚丙烯(PP)消除由“白色污染”所造成的环境危机的物质。乳酸还可以用于皮革制造行业，使皮革柔软细腻，能使纺织纤维有光泽。乳酸和乳酸钠对改善皮肤结构有很好的效果，同时乳酸酯具有溶解性好、无毒、增塑性、容易回收等优点。乳酸还可用做合成树脂涂料、胶黏剂、香料、和石油管道的清洗剂。

1.1.3 乳酸的质量检测

乳酸的监测除检查外观外，还需检查乳酸的含量、重金属的含量、Fe2+和Ca2+含量

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等指标。明恒磊等对传统的EDTA检测方法做了改进，克服了传统方法变色欠佳的缺点，他们在指示剂中添加茜素溶液做为衬色剂，提高显色的对比度 [13]。

1.2 全球市场状况及生产状况 1.2.1 全球市场状况

全球乳酸的应用主要在工业科技、食品饮料、医药与个人护理等几大方面，乳酸主要分布在欧洲、亚洲和北美洲等三大区域，截止2007年，世界乳酸需求呈快速增长的趋势，供需缺口在扩大，2008~2010年之间，乳酸行业迎来新的发展机遇，世界各国致力于开发利用生物制品，将谷物等原料加工成乳酸，再进一步制成其衍生物和聚乳酸。2008年和2013年乳酸的全球消费情况如下表所示：

表1：2008年和2013年乳酸消费情况

2008

消费量（千吨）

比例/% 46.0 40.0 14.0 100

2013 消费量（千吨）

260.4 168.6 65.1 494.1

比例/% 52.7 34.1 13.2 100

工业应用 食品饮料 医药及个人护理 总计

160.8 139.8 48.8 349.4

乳酸主要应用与工业生产方面，而且其发展呈增长趋势，2008年工业生产方面的消费量占整体消费的46%，到2013年时已达到52.7%，全球来说，美国、西欧和亚洲将在未来几年内有很大的增长势头。

1.2.2 全球乳酸的生产状况

（1）国外乳酸的生产状况

美国的乳酸生产量和消费量都是呈逐年增长的趋势，其主要应用是在工业应用方面（包括聚乳酸的生产），该项消费量占总消费量的67%，食品饮料方面市场需求也呈逐年增加的趋势，总之美国的乳酸消费量以6~8%的速度增长，美国90%的乳酸进口量都是从泰国和西班牙进口的，乳酸盐主要从中国和荷兰进口。

2008年西欧的乳酸生产量降低，其主要原因是当时乳酸生产成本太高，使得PURAC停止其在西欧的乳酸生产，同时大部分厂家也因成本太高而停止生产，2005-2008年消费量的年均增长率为7.7%，2008~2013年年均消费增长量为9.1%。西欧乳酸的消费主要是公业应用，尤其是PLA生产的应用[19]。

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（2）国内乳酸的生产状况

杨晓宇[18]研究了我国2005年到2009年乳酸的市场状况，其中我国2009年乳酸的总产量是160千吨，主要使用的生产方法是发酵法。在这五年内，我国乳酸市场的进出口情况发生了很大的变化，进口数量逐年增加，进口价格也有上下波动，但其变化不大。出口数量和价格总体呈上升趋势。我国乳酸的消费量以每年6%的增长率增加。

1.3 乳酸的生产方法 1.3.1 化学合成法

化学合成法生产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进行反应，生成2-Cl丙酸，再与NaOH反应生成乳酸。丙烯腈法是指先将丙烯腈和硫酸反应，再将反应产物和甲醇反应，从而得到乳酸，再将其经过分离和精馏得到纯乳酸的过程。乳腈法是乙醛和HCN反应产物与水和硫酸得到产物，再与乙醇反应生成酯，在水解得到乳酸的生产过程。化学合成法的主要不足是其生产原料具有毒性，且不能生产单旋光性的乳酸。通过该法生产的乳酸主要应用于食品行业方面，因此必须除去其中有毒的化学物质。

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转化法，但这两个方法都有个缺点，就是生产工艺复杂，不适用与工业化生产，现今主要应用与实验室研究。

1.3.3 发酵法生产乳酸

目前，工业化生产乳酸一般均采用糖类物质发酵法，发酵法生产乳酸首先要将淀粉类物质经过糖化、糊化之后酶解再进行发酵，同时加入碳酸钙进行中和，发酵完后经过过滤处理得到乳酸钙溶液，再接着将其通过75%的浓硫酸分解得到乳酸和硫酸钙沉淀，再经过过滤就可得到粗乳酸溶液，最后采用吸附脱色和离子交换法去除溶液中的杂质离子而得到纯乳酸。发酵法生产乳酸的主要特点是设计工艺简单、生产条件温和和产品光学纯度高 [7]。

1.4 乳酸发酵过程的介绍

乳酸发酵微生物的过程主要分为菌种的选育、发酵和后期提取。菌种对发酵营养条件、生长周期、产量等起着决定性因素，发酵方法是指对优良菌种提供良好的生存环境和营养需求，保证菌种的正常生长。后期提取是指利用发酵液的性质从其中提取出有用

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