1000吨年乳酸发酵工段工艺设计开题报告.doc

毕业设计开题报告课题名称： 1000吨/年乳酸发酵工段工艺设计 班 级： 学 号： 姓 名： 指导教师： 2012年 3月 19日一、文献综述1.1 设计的目的和意义 乳酸（-羟基-丙酸）广泛存在于人体、动物及微生物代谢之中，也存在于与人民生活密切相关的多种食品中1。乳酸分子存在两种光学对映体(D乳酸和L乳酸)，其理化性能十分相近，只是旋光性相反，L乳酸旋光为右旋，而D乳酸旋光为左旋。医学研究证明，人体只具有代谢L乳酸的酶（L乳酸脱氢酶）；而D乳酸进入人体后，由于不能代谢，使血尿酸度提高，过量的摄入就引起代谢紊乱等不良反应。为此，世界卫生组织规定，成人每天摄入的D-乳酸量每公斤体重不得超过100毫克，并禁止在婴儿食品中添加 D乳酸， 对L乳酸无任何限制。乳酸是一种精细的化学品，可广泛应用于食品行业、医药行业、化妆品行业、农药行业、烟草行业、皮革制作行业、纺织行业、新型环保材料、饮料、医药塑料、饲料、日用化工、造纸及电子工业等领域。在食品、饮料工业上， L乳酸用作酸味剂、强化剂、防腐剂，是绝对安全的添加剂。利用乳酸菌发酵是最早的食品加工和保存方法之一2。L乳酸衍生物如L乳酸钙、L乳酸锌、L乳酸亚铁是食品、饮料、保健品的强化剂，L乳酸类乳酸乙酯是多种名酒的主香成分。通常利用这两种乳酸菌混合发酵会提高产酸速度，减弱后酸化程度，促进风味物质产生，产生更多的胞外多糖，所以传统上常采用二者混合发酵制作酸奶3。在医药工业中，L乳酸及其衍生物（如L乳酸钠）可与氯化钠、氨基酸等配伍，生产治疗高钾血症或酸中毒的大输液，L乳酸还被用于罗弗沙星等药物的生产4。乳酸酯又是良好的有机溶剂，可用于生产醇酸树脂、油墨和涂料等化产品。 (1) 食品行业：由于人体内只含有分解L乳酸的酶，故人体只能利用L乳酸。可作为糖果、饮料等食品中的酸味剂、防腐剂和口味调节剂等，被认为是绝对安全的食品添加剂。(2) 医药行业：乳酸是一种重要的医药中间体，可用作生产红霉素林格氏液输送液、生产补钙用L乳酸钙、肠胃用液L乳酸钠、补镁剂L乳酸镁、补锌剂L乳酸锌和补铁剂L乳酸亚铁等药物的基础原料，还可用作手术室、病房和实验室等处的杀菌消毒剂，生产外科手术用的缝合线、纤维包扎创伤夹、植入物、骨板和其他医用材料等。近几年又有人提出L乳酸具有防癌、抗癌、治癌和抗衰老作用，值得期待。(3) 化妆品行业：在化妆品中加入适量的L-乳酸，可用作溶润剂、保湿剂、皮肤更新剂、pH 调节剂、去粉刺剂、去齿垢剂等。用量虽小，但其配伍性能特别显著。(4) 农药行业：因L乳酸具有非常高的生物活性，且对农作物和土壤无任何毒害作用，故可作为生产新型环保农药的原料。酸乳的酸度、甜度、香气、色泽、细腻度、粘稠度、滑爽感、货架期后酸化等方面的综合质量对消费者购买产品时的品牌选择有着极大影响5。在美国、日本以及德国等生物科技比较发达的国家已得到大力的推广。(5) 烟草行业：在烟草中加入适量L乳酸可提高烟草的品质，并能很好的保持烟草的湿度。(6) 皮革制作行业：把L乳酸作为皮革加工的鞣顺剂，可使皮革柔软细腻，从而提高皮革的品质。(7) 纺织行业：通过L乳酸处理过的纤维织物，易着色，增加光泽和触感柔软、舒适。(8) 新型环保材料：用来生产可生物降解的聚乳酸塑料、L乳酸甲酯和L乳酸乙酯等新型环保材料。这是近几年在世界范围内都在大力推广的方法。(9) 生产生物降解材料：塑料废弃物已成为威胁全球环境的主要因素之一，为解决塑料废弃物对环境造成的污染问题，许多国家已开始研究、生产和使用可降解塑料归。经多年研究发现，以乳酸为原料合成的乳酸聚合物具有很好的生物降解性。这种高分子材料不仅具有良好的化学惰性。还好很好的生物相容性。材料中的分子链可经生物或化学作用破坏后，失去物理强度并脆化，经自然界的风化作用变成粉末进入土壤，然后在微生物的作用下重新进入生物循环。用乳酸和淀粉生产生物降解塑料，在我国具有极大的市场发展潜力，目前已成为开发的热点项目。(10) 日化行业：乳酸可用于配制清洁用品、护肤露或沐浴液乳酸及其钠盐和钙盐可用做化妆品的保湿剂，并对改善皮肤组织结构，消除皱纹、色斑，治疗皮肤粗糙、痤疮等具有明显的效果。目前世界的材料、环保行业的明星是利用乳酸生产的新型聚酯材料聚乳酸(Polylactic Acid)简称（PLA），聚乳酸，在人体内降解成L乳酸；在自然界中，可在微生物作用下，最终变成C02和水，有利于环保。聚乳酸具有与聚苯乙烯相似的光泽度和加工性能，还具有优良的生物相容性和生物分解吸收功能，因此广泛用于生产生物降解塑料、绿色包装材料(例如购物袋、保鲜膜、餐盒、桌布、餐巾)、农用薄膜、抗癌药物、缓释胶囊制剂、手术缝合线等6。聚乳酸纤维强度高，延伸度较大，可用分散染料常压染色，制成的织物光泽柔和亮丽，抗皱防缩性能好，有吸湿排汗和抗紫外线功能，是近年来研究开发的纺织服装新材料7。由于人和动物体内只有代谢L乳酸的酶，因此若过量摄入D乳酸或DL乳酸，会导致D乳酸在血液中积聚，引起疲劳、代谢紊乱甚至酸中毒8。因此，世界卫生组织规定人体每天摄入的D乳酸量不能超过100mgkg体重，且禁止在3个月以下婴儿食品中添加D乳酸或DL乳酸，而对L乳酸则不加限制。于是近年来L乳酸的研究与开发引起了人们的广泛兴趣。特别是在当今重视环保的绿色浪潮中，用L乳酸生产的聚乳酸，具有良好的加工性能和可生物降解性，是理想的生态循环使用的新型高分子材料，用于生产生物降解塑料和纤维制品，具有广阔的市场日前景9。 由于乳酸的用途的日益扩大，生产技术水平的不断提高，可以预言未来的发酵有机酸消费市场中乳酸的需求量将超过现有的柠檬酸，而跃居第一位。对我国乳酸工业的发展和农产品资源的开发利用是有意义的10。1.2 国内外研究进展乳酸，学名为2羟基丙酸。分子中有一个不对称碳原子，具有旋光性，因此有L乳酸与D乳酸两种旋光异构体。工业上生产乳酸的方法有发酵法和化学合成法。目前国内外的L乳酸主要用发酵法生产；化学合成法则生成外消旋乳酸，即DL乳酸。由于人体内只有代谢L乳酸的酶，如果摄入过量D乳酸，会引起代谢紊乱甚至酸中毒。因此在食品工业中，或制造医药应用的乳酸酯及聚乳酸，则需要L乳酸为原料11。 目前国外最先进的生产工艺是由玉米等谷类为碳源，采用细菌发酵法生产L乳酸。微生物发酵法是目前乳酸生产的主要方法12。而国内大都还采用米根霉发酵法，用淀粉为碳源，用碳酸钙等中和剂控制发酵液的pH值，然后用硫酸中和，产生大量硫酸钙沉淀，使工艺繁复，而且带入大量杂质和染菌，使产品纯度下降。乳酸菌产酸的最佳条件13。米根霉发酵是好氧发酵，能耗高，转化率仅80。有公司用一种厌氧菌发酵，加氢氧化铵控制发酵液pH值，采用膜分离技术与清液单罐细菌连续发酵耦合工艺生产L乳酸，以玉米为碳源，用湿法工艺制糖液，发酵液经微滤除菌丝体后，用膜澄清，一般电渗析提，再经双极膜电渗析，最后用高真空蒸馏得到纯L乳酸，光学纯度96，转化率95，提取收率90，工艺简单，投资不高，能耗低，无废渣废水排放，成本约在每吨7500元。 乳酸在乳酸发酵饮料具有多方面的保健作用，以牛奶、豆奶、蔬菜为原料14，经乳酸发酵的饮料已经进入市场食品工业方面用作酸味剂、防腐剂和食品强化剂等，目前在世界乳酸总消费中，食品工业约占60，其他主要用于医药工业和制造乳酸衍生物。目前世界乳酸年产15。能力约为20万吨，实际消费量约为15万吨。我国目前年生产能力约34万吨，产品纯度较低，生产成本较高，而预计2005年我国L乳酸的需求将达到2万吨以上。为适应国内外对乳酸的需求量逐年增长的形势，我们必须在产量和质量方面加快发展16。 近年来，许多国家为解决“白色污染”问题，开发出由L乳酸聚合得到的聚乳酸，这种聚合物有良好的生物相容性和可生物降解性，其降解的最终产物是二氧化碳和水，分解的中间产物乳酸对人体无害，因此在美国、日本和欧洲等国引起极为广泛兴趣，并已较大规模投产与投放市场17。 目前聚乳酸已应用于包装业、医药工业和纺织业。在纺织纤维方面的应用还存在一定限制。应用于较广泛的是医药方面，尤其是L聚乳酸对人体有高度安全性，并可被组织吸收18。近年来，已有各种商品投放市场，如手术缝合线、药物控释制剂和骨折内固定材料等。 不同用途，需要有不同性能的聚乳酸。分子量是重要性能之一，如分子量在1510450104，用做胶粘剂或缓释药物；5010410104，可以制膜；1210422104，适用于纺织纤维；用作骨固定材料，则需要在50万以上。当然还要控制其热性能、分子量分布和纯度，有时必须控制一定比例的D型与L型的聚乳酸或共聚物。 另外，利用高纯度L乳酸为原料，得到高光学纯度的丙交酯，经开环聚合可制得用作医药材料的聚乳酸。 目前国际乳酸需求将以年平均58%的速度持续增长。加之聚乳酸对原料乳酸的需求量急剧增长，对L乳酸的需求量将不断增加，整体乳酸市场前景看好。1998-2003年期间乳酸需求以年8.6% 的速度增长，其中发酵法乳酸产量将增长较快。有专家预测，如果聚乳酸的发展顺利的话，在未来2010年之前世界聚乳酸生物可降解材料将达到至少需要50100万吨，这为我国发展L-乳酸提供了良好的发展空间.。1.3 研究趋势1.3.1 良好的食品营养强化剂随着人类对食品的安全性和高营养比等需求的逐年提高，L乳酸的应用已被深化到食品的深加工方面。将L乳酸大量地转化成L乳酸钙、L乳酸亚铁和L乳酸锌以及L乳酸钠等物质作为食品营养强化剂、保鲜剂等，国外已部分替代原来常用的苯甲酸钠。硬脂酸乳酸钙和硬脂酸乳酸钠可以与面粉中的各类蛋白结合，使面包酥松、柔软，仅此一项即可消耗世界乳酸产量的20 %左右。1.3.2 新型材料-L-聚乳酸经研究发现，以L乳酸为单体经化学合成的新型生物可降解高分子材料L聚乳酸，具有无毒、无刺激性、强度高、可塑性好、易加工成型和生物组织相容性好等特性，且在自然界中能够被微生物在短期内彻底分解为二氧化碳和水，不污染环境19。目前在美国和东南亚等地已开始运作，L乳酸的生产必将带动巨大的产业链的大力发展，前景将比已有的发酵产业更为看好。1.3.3 理想的绿色环保材料因L-聚乳酸具有良好的生物降解性，在消除“白色污染”方面必将大有市场。L聚乳酸树脂又称玉米塑料，在节省不可再生的石油资源等方面发挥着越来越重要的作用，因而被世界公认为新世纪环保可持续发展的新型生态材料。1.3.4 良好的医用辅料因L-聚乳酸无毒，生物相容性极好，能被人体分解、代谢，无变态反应，因此必将被广泛应用于：(1) 生产缓释胶囊制剂使血液循环中药物浓度相对降低，提高疗效，降低副作用；(2) 生产生物降解纤维，用来制成手术缝合线，可随伤口愈合而被机体分解吸收，不需拆线；(3) 生物植片以修复骨折或其他机体损伤；(4) 生产生物降解塑料，用作食品包装材料等。根据可持续发展的战略思想，以再生资源代替不可再生资源为原料，经过现代生物技术最终由乳酸生产可生物降解的聚乳酸材料已是历史的选择，其生产规模可达数百万吨以上。因此，乳酸的发展前景值得期待。参考文献：1 曹本昌，徐建林. 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