年产3200吨乳酸工厂提取车间设计和实现 工程工艺管理专业

目录TOC\o"1-3"\u摘要 iAbstract ii1绪论 11.1乳酸的概况 11.1.1乳酸的性质和用途 11.1.2乳酸的质量检验与储存 31.2乳酸的生产技术 31.2.1发酵法 31.2.2化学合成法 41.2.3乳酸生产新技术 51.2.4乳酸的提取和精制技术 62生产工艺 72.1发酵工艺 72.1.1发酵工艺流程及特点 72.1.2发酵工艺条件 72.1.3发酵工艺操作要点及注意事项 82.2提取精制工艺 102.2.1提取工艺流程及特点 102.2.2提取工艺条件 102.2.3提取工艺操作要点及注意事项 113工艺计算及设备选型 143.1发酵工段 153.1.1生产平衡计算 153.1.2设备平衡计算及选型 153.2提取工段 173.2.1生产平衡计算 173.2.2设备平衡计算及选型 183.3水平衡及能量平衡计算 203.3.1水平衡计算 203.3.2能量平衡计算 204车间布置设计 224.1设计依据 224.2车间布置（厂房平面布置） 224.2.1车间布置设计原则 224.2.2车间平面布置 234.2.3车间立面布置 234.2.4设备布置 23结论 2吨/天

4车间布置设计车间布置设计的目的是对厂房的配置和设备的排列作出合理的安排，并决定车间、工段的长度、宽度、高度和建筑结构型式，以及各车间之间与工段之间的相互联系。车间布置设计是设计中重要组成部分，车间布置的好坏直接关系到车间建成后是否符合工艺要求，能否有良好的工作条件，使生产正常、安全地进行，设备的维护检修方面可行以及对建设投资、经济效益等都有很大影响。所以在进行车间布置前必须掌握有关生产、安全、卫生等资料，在布置时要做到深思熟虑，仔细推敲，以取得一个最佳方案。车间布置以工业为主导，并在其它专业如总图、土建、设备安装、电力、暖风、外管等密切配合下完成。4.1设计依据这次设计的课题是年产3200吨乳酸工厂提取车间，以下列资料为设计依据：生产工艺流程图。物料衡算数据及物料性质。设备资料，包括外型尺寸、重量、支撑型式等。公用系统耗用量，耗冷，耗水、耗电等。土建资料和劳动安全、防火防爆等。车间组织及定员资料。厂区总平面布置，包括车间与车间、辅助车间、生活设施等。有关布置方面的规范资料。4.2车间布置（厂房平面布置）4.2.1车间布置设计原则车间布置应符合生产工艺的要求：车间设备不知必须按流程的流向顺序依次进行设备的排列，按顺序进行加工处理。车间布置应符合生产操作的要求：设备布置应考虑为操作工人能管理多台设备提供操作条件，设备布置不宜过松或过紧。设备布置应符合设备安装，检修的要求：应根据设备的大小及结构考虑设备安装、检修及拆卸所需的空间。（4）车间布置应符合厂房建筑的要求同时要考虑车间的发展和扩建以及要考虑建厂地区的气候、地理、水文等条件。（5）车间所采取的劳动保护、防腐措施是否符合要求。（6）车间布置应符合节约建设和投资的要求。4.2.2车间平面布置整个厂采用T型，而提取车间和精制车间采用长方形布置，其宽度为10.7米，这个有利于设备排列、易于安排交通及出入口。4.2.3车间立面布置因设备定位后最高也仅7.9米左右，所以采用单层布置，墙壁高取9米。4.2.4设备布置设备定位，除根绝设计计算所得设备装配图定位外，对满住生产工艺有如下要求：（1）在布置设备时一定要满住工艺流程顺序，要保证水平方向和垂直方向的连续性；（2）凡属相同的几套设备或同类型设备或操作性质相似的设备尽可能地布置在一起，这样可以统一管理，集中操作，还可以减少备用设备或互为备用；（3）设备布置时除了要考虑设备本身所占有的地位外，必须有足够的操作、进行及检修需要的位置；（4）要考虑相同设备或相似设备呼唤使用的可能性，设备排列要整齐，避免过松过紧；（5）要尽可能的缩短设备间的管线；（6）车间内要留有堆放原料、成品和包装材料的空地（能堆放一批或一天的量）以及必要的运输通道，尽可能的避免固体物料的交叉运输；（7）传动设备要安装安全防护装置的位置；（8）要考虑物料特性对防火、防毒及控制噪音要求，譬如对噪音大的设备宜采用封闭式阁间等。结论乳酸作为一种重要的有机酸，可以生成多种衍生物，具有十分广泛的用途。近年来，随着人们对可生物降解材料聚乳酸及绿色化工的重视，乳酸作为一种绿色平台化合物的重要作用正引起人们的广泛关注。目前制约乳酸及其聚合物应用的重要因素仍在其成本较高，因此通过设计合理的乳酸提取工艺可以降低乳酸生产成本，对乳酸生产普及应用及现代社会的可持续发展具有重大的意义。本次设计为年产3200吨乳酸工厂提取车间设计，采用如下设计指标：（1）发酵工艺：传统的微生物发酵法；提取工艺：钙盐法粗提取以及离子交换法精制；（3）总工艺流程：原料（辅料）—→调浆—→液化—→发酵罐—→预热罐—→板框过滤—→沉降罐—→板框过滤—→浓缩—→酸解—→板框过滤—→浓缩—→脱色—→离子交换—→脱色—→浓缩—→成品（4）主要原料及用量：大米：6.03×103吨/年；麸皮：1508吨/年；液化酶：70.35kg/天；糖化酶：703.5kg/天CaCO3：7.91吨/天硫酸：5.81吨/天活性炭：2.67吨/天（5）主要设备数量及规格型号：名称规格型号数量发酵罐单只大小：60m314（个）调浆罐单只大小：6m36（个）种子罐单只大小：10m34（个）发酵储罐单只大小：60m35（个）预热罐单只大小：12m33（个）压料罐单只大小：15m33（个）沉降罐单只大小：15m33（个）浓缩罐单只大小:10m31（个）酸解锅单只大小：10m34（个）板框压滤机型号：BMS10/635-104（台）工艺流程图、设备布置图以及工厂平面图见附图。致谢本次设计得以顺利完成非常感谢蔡俊老师对我的激励和无私帮助，由于我对毕业设计认识不够，蔡老师很耐心的对我进行了指导，同时在时间把握上充分调动我的积极性。另外非常感谢同组同学对我在设计中出现的问题予以指出，对于一些参数问题，我开始没有注意，在他们的指正下，我及时修改了他们，最终使得本次设计得以正确完成。通过本次毕业设计我更深入地学习了乳酸的生产技术，虽然与实际应用生产有一定的差距，但它使我明白：在进行任何设计时，既要参照以前的成果但也不能拘泥于其中，要用于创新，并在模拟生产加以更正改进。最后再次忠心地感谢每一位给我鼓励和帮助的人。

参考文献[1]张刚.乳酸细菌基础、技术和应用[M].中国化工出版社，2007.[2]李国庭.化工设计概论[M].中国轻工出版社，2008.[3]卫强,韩振为.乳酸的精制工艺研究[C].第三届全国传质与分离工程学术会议论文集,2002.[4]黄光斗,李柯,张智,胡兵.乳酸的生产方法及应用研究[J].广西轻工业,2006,05.[5]钱志良,胡军,雷肇祖.乳酸的工业化生产、应用和市场[J].工业微生物,2001,02.[6]卫强.L-乳酸发酵及精制工艺研究[J].天津大学,2004.[7]胡维胜.食用级L-乳酸分离精制工艺的研究[D];合肥工业大学,2005.[8]吴宇琼,李定或.发酵法生产乳酸的提取与精制研究进展[J].食品工业科技,2003(01).[9]罗铁红,陈碧娥.双极膜电渗析法制备乳酸[J].膜科学与技术,2007(04).[10]苏理.发酵L-乳酸提取新工艺的研究[J].山东轻工业学院学报,2001(04).[11]曾炜,陈丰秋,詹晓力.乳酸的生产技术及其研究进展[J].化工进展,2006(25).[12]曹本昌，徐建林．食品与发酵工业[M].化学工业出版社，1993(3)．[13]雷燕湘.聚乳酸技术与市场现状及发展前景[J].当代石油石化,2007(6).[14]熊洁羽.化工制图[M].化学工业出版社，2007.[15]杨汝德.现代工业微生物学教程[M].高等教育出版社，2006.[16]霍贵成.乳酸菌的研究与应用[J].中国轻工出版社，2007.[17]金其荣，张继民.有机酸发酵工艺学[M].中国轻工业出版社，1989.[18]吴思芳.发酵工厂工艺设计概论[M].中国轻工业出版社，1995.[19]王博彦，金其荣.发酵有机酸生产应用[M].中国轻工业出版社，2000.[20]汪镇安．化工工艺设计手册（第三版）[M].化工出版社，2003.[21]国家发展和改革委员会[S].中华人民共和国轻工行业标准2005(6).[22]BhattacharyyaSK．Ind．Eng．Chem．Prod．Res．，1999，9(1)：92—95．[23]Kumagal．Methodfortheproductionoflacticacidandlacticesters：EP，0614983[P].1994．[24]Ben—YosephEliahu，eta1．Processforpreparinglacticacid：WO，0017378[P].2000．[25]EyalAharonMeir，eta1．Aprocessfortherecoveryoflacticacid：WO，983705O[P].1998．[26]VanBreugelJan，eta1．Methodforindustrial-scalepurificationoflacticacid：WO，0056693[P].2000．[27]DANNERH,MADZINGAIDZOL,HOLZERM,etal;Extractionandpurificationoflacticacidfromsilages[M].BioresourceTechnology;2000.[28]KIMYH,MOONSH;Lacticacidrecoveryfromfermentationbrothusingone-stageelectrodialysis[M].Journalofchemicaltechnologyandbiotechnology;2001.[29]TsaoGeorgeT，eta1．Fermentationprocessforproducinglacticacid：WO，9306226[P].1993．[30]RobertsonNC，eta1．Preparationoflacticacid：US，2847464[P].1998.[31]HaroldBurahamTinker．Productionoflacticadd：US，4072709[P].1998．附录主要原料及用量：大米：6.03×103吨/年；麸皮：1508吨/年；液化酶：70.35kg/天；糖化酶：703.5kg/天CaCO3：7.91吨/天硫酸：5.81吨/天活性炭：2.67吨/天主要设备数量及规格型号：名称规格型号数量发酵罐单只大小：60m314（个）调浆罐单只大小：6m36（个）种子罐单只大小：10m34（个）发酵储罐单只大小：60m35（个）预热罐单只大小：12m33（个）双效塔单只大小：12m31（个）压料罐单只大小：15m33（个）沉降罐单只大小：15m33（个）浓缩罐单只大小:10m31（个）酸解锅单只大小：10m34（个）板框压滤机型号：BMS10/635-104（台）High-RateContinuousProductionofLacticAcidbyLactobacillusrhamnosusinaTwo-StageMembraneCell-RecycleBioreactorSunhoonKwon,Ik-KeunYoo,WooGiLee,HoNamChang,YongKeunChangDepartmentofChemicalEngineeringandBioProcessEngineeringResearchCenter,KoreaAdvancedInstituteofScienceandTechnology,373-1Kusong-dong,Yusong-gu,Taejon305-701,SouthKorea;E-mail:hnchang@kaist.ac.krAbstractItisimportanttoproduceL(+)-lacticacidatthelowestcostpossibleforlacticacidtobecomeacandidatemonomermaterialforpromisingbiodegradablepolylacticacid.Inanefforttodevelopahigh-ratebioreactorthatprovideshighproductivityalongwithahighconcentrationoflacticacid,theperformanceofmembranecellrecyclebioreactor(MCRB)wasinvestigatedviaexperimentalstudiesandsimulationoptimization.Duetogreatlyincreasedcelldensity,highlacticacidproductivity,21.6gL−1h−1,wasobtainedinthereactor.Thelacticacidconcentration,however,couldnotbeincreasedhigherthan83g/L.Whenanadditionalcontinuousstirredtankreactor(CSTR)wasattachednexttotheMCRBahigherlacticacidconcentrationof87g/Lwasproducedatsignificantproductivityexpense.WhenthetwoMCRBswereconnectedinseries,92g/Llacticacidcouldbeproducedwithaproductivityof57gL−1h−1,thehighestproductivityamongthereportsofL(+)-lacticacidthatobtainedlacticacidconcentrationhigherthan85g/Lusingglucosesubstrate.Additionally,theinvestigationoflacticacidfermentationkineticsresultedinasuccessfulmodelthatrepresentsthecharacteristicsoflacticacidfermentationbyLactobacillusrhamnosus.ThemodelwasfoundtobeapplicabletomostoftheexistingdatawithMCRBsandwasingoodagreementwithLevenspiel’sproduct-inhibitionmodel,andtheLuedeking-Piretequationforproduct-formationkineticsappearedtobeeffectiveinrepresentingthefermentationkinetics.Therewasadistinctivedifferenceintheproductionpotentialofcells(cell-density-relatedparameterinLuedeking-Piretequation)aslacticacidconcentrationincreasesover55g/L,andthisfindingledtoamorepreciseestimationofbioreactorperformance.©2001JohnWiley&Sons,Inc.BiotechnolBioeng73:25–34,2001.Keywords:Lactobacillusrhamnosus;lacticacid;highproductivity;cellrecycle;membranebioreactor

INTRODUCTIONTheefficiencyofthemembranecell-recyclebioreactor(MCRB)wassuccessfullydemonstratedinanumberofpreviousstudiesofthehigh-volumetricproductivityoflacticacid.Withgreatlyincreaseddensityofbiocatalysts,i.e.,microbialcells,thevolumetricproductivityoflacticacidcouldgoupto160gL−1h−1asreportedinthestudyofOhleyeretal.(1985),whichismorethan20timeshigherthanthatoftheconventionalbatchandchemostatprocesses.However,thehighproductivityisnottheonlyrequirementfortheeconomicfeasibilityoftheprocess.TimmerandKromkamp(1994)foundthattheprocessmightbeprimarilyinfluencedbyproductioncapacityandproductconcentrationandtoalesserextentbythevolumetricproductivitywhenannuallacticacidproductioncapacityrosetoashighas4540metrictons.Incaselacticacidconcentrationissignificantlylow,theenergycostforwaterremovalinthedownstreamprocessoffsetsthebenefitsoftheincreasedproductivity.Fromthispoint,MCRBhasanimportantproblemtobetackled:Theconcentrationsoflacticacidaresignificantlylowwhencomparedwithbatchprocesseswherethelacticacidconcentrationabove120g/Liseasilyattainable.Exceptforareportshowing117g/LD(−)-lacticacidwithavolumetricproductivityof84gL−1h−1(MehaiaandCheryan,1987),allotherMCRBoperationsresultedinlacticacidconcentrationsoflessthan90g/Land,moreover,mostofthemhadconcentrationsbelow60g/L(Cheryan,1998;Litchfield,1996;Ohleyeretal.,1985).ThemicroorganismscannotgrowaboveacertainrangeoflacticacidconcentrationandtheMCRBsarerunundercontinuousmannerwithcontinuousbleedingofcellstopreventthelossoffluiditythatoccurswhencellconcentrationgoestoohigh.Thus,toenhancetheeconomicaladvantageoftheMCRBprocess,methodsthatincreasethelacticacidconcentrationalongwiththehigh-celldensityarerequired.Someauthors,whoconsideredthispersistentproblemoflow-productconcentration,conductedstudiestoobtainhigherlacticacidconcentrationinMCRB.Xavieretal.(1995)reportedalacticacidconcentrationof90g/Lwithaproductivityof36gL−1h−1,whileTejayadiandCheryan(1995)achieved89g/Land22gL−1h−1oflacticacidconcentationandproductivity,respectively.Atypicalapproachtoovercometheabove-mentionedproblem,alow-productconcentrationduetosevereproductinhibition,istheuseofaplug-flowreactor,whichcanbeapproximatedbyseveralcontinuous-stirred-tankreceptors(CSTRs)inseries(deGooijeretal.,1996;KellerandGerhardt,1975;LuedekingandPiret,1959b;Levenspiel,1984).TheadvantagesoftheCSTRs-in-seriesagainstasingleCSTRespeciallyinlacticacidproductionwererevealedbyothersintwo-andthree-stageCSTRs(Aeschlimannetal.,1990;Bruno-Ba´rcenaetal.,1999;Mulliganetal.,1991):increasedproductivityandconcentrationoflacticacidviapartlyseparatingcellgrowthandlacticacidproductionphases;increasedlacticacidyieldattheexpenseofbiomassformationatalatterstage;highpurityofthelacticacidisomer,L(+)-lacticacidviaincreasedpopulationoffreshcells;andreducedusageofacostlynutrient,yeastextract.Inanefforttocombinetheadvantageofboththebioreactorconfigurations—MCRBandmulti-stagedbioreactor—Kuloziketal.(1992)investigatedtheperformanceofaseven-stagedcascadereactorwithcellrecycle.Cellsintheoutflowofthelastreactorwerefivefoldconcentratedbyamicrofilterandrecycledbacktothefirstreactor.Incomparisonwithasingle-stageMCRB,thecascadereactorshowed4timeshigherproductivity,28gL−1h−1,withcompleteutilizationof100g/Llactose,inwhichthecellconcentrationsweremaintainedat20g/Landthelacticacidconcentrationswerearound72g/L.Inthisstudy,theperformanceofanewbioreactorconfiguration,twoMCRBsinseries,wasinvestigatedaimingatthehighestvolumetricproductivityeverobtainedalongwiththelacticacidconcentrationashighaspossible.Moreover,asimulationstudywasconductedtoestimatetheperformancelimitofMCRBwithanunstructuredkineticmodel,whichisvalidatedbytheexperimentresults.MATERIALSANDMETHODSMicroorganismandCultureConditionsLactobacillusrhamnosus(ATCC10863),anobligatoryanaerobichomofermentativeL(+)-lacticacidproducer,wasobtainedfromAmericanTypeCultureCollection(Rockville,MD).One-mLstockcultureswerestoredat−76°CinLactobacilliMRSmedium(Difco,Detroit,MI)with25%(v/v)glycerol.Precultureswerepreparedbytransferringastockcultureto200mLofMRSmediumandincubatedat42°Cfor12handtransferredtothemainculture.Theculturetemperaturewas42°CandtheculturepHwascontrolledat6.0withammoniawater(ca.8N).ForMCRBoperationsthebasalmediumhadthefollowingcomponentsperliter:0.2gNa3-Citrate·2H2O,1.0gKH2PO4,0.2gMgSO4·7H2O,0.03gMnSO4·H2O,0.03gFeSO4·7H2O,and0.015mLsulfuricacid.TheconcentrationsofglucoseandyeastextractwillbedescribedintheResultssection.Allthemediacomponentswereheatsterilizedtogetherat121°Cfor100minexceptforyeastextractthatwasseparatelysterilizedfor15min.Theculturevolumenotedintheresultsincludesthebrothvolumeintherecyclestream.AnalyticalMethodsCellgrowthwasmeasuredbyaspectrophotometer(PharmaciaUltrospec3000,Cambridge,UK)atawavelengthof620nm.Drycellconcentrationwascalculatedfromtheopticaldensity(OD620)withalinearcorrelationfactor(oneOD62040.32g-drycellweightperliter).Concentrationsoflacticacidandglucoseweredeterminedbyahighperformanceliquidchromatography(HPLC)systemequippedwitharefractive-indexdetector(HitachiL-6000,Tokyo,Japan).AnHPLCcolumn(Aminex87H,Bio-Rad,Richmond,CA)wasusedwith0.005Msulfuricacidasthemobilephaseatanelutionspeedof0.6mL/minwhilethecolumntemperaturewasmaintainedat50°C.Theconcentrationstandardsof1.0Mlacticacid(Fluka,Buchs,Switzerland)and10g/Lglucose(Sigma,St.Louis,MO)wereusedfortheHPLCanalysis.MembraneCell-RecycleBioreactor(MCRB)Intheexperimentsofasingle-stageMCRB,a400-mLwater-jacketedglassreactorwasemployed,thatwasequippedwithahollow-fiberfiltrationunitUFP-100-H-4X2TCA(100kNMWC,0.065m2filtrationarea;A/GTechnologyCorporation,MA).Aperistalticpump,07090-40(Cole-Parmer,IL)wasusedtocirculatetheculturebroththroughthemembraneunitwithaflowrateofca.100mL/min.Forthetwo-stageoperations,twoidenticalMCRBswereseriallyconnected.EachMCRBconsistedofa1-Lglassreactorattachedwithaplate-and-framefiltrationunit,Pellicon2BIOMAX100V(100kNMWC,0.1m2filtrationarea,Millipore,Bedford,MA),andadiaphragmpump,P-07090-40(Cole-Parmer)forcellrecyclewithaflowrateofca.600mL/min.TheMCRBwassterilizedwith50%(v/v)ethanolandwashedthoroughlywithsterilewaterbeforeinoculation.Inoperation,afreshmediumwasfedcontinuouslyintothereactorwhilefilterpermeatewassimultaneouslypumpedout.Topreventthecelldensityfromgoingoveracertainlimit,whichcausesthelossoffilterfunctionality,smallamountsofculturebrothwerecontinuouslydrawnoutfromthereactor(bleedflow).Inthetwostageoperation,thebleedandpermeateflowfromthefirstreactorwerefedtogetherintothesecond.NumericalMethodsTheleastsquaresregressionwasusedtoestimatetheparametersofthefermentationkinetics.Numericalintegrationtofindsteady-statevaluesandconstrainedmultivariableoptimizationtofindtheoptimaloperationvariableswereperformedwiththehelpofasoftwarepackage,Matlab5.0(TheMathworks,Inc.,USA).Theconstraintsutilizedintheoptimizationwerethemaximumcelldensity(Xm)andthemaximumremainingglucoseconcentration(S).DISCUSSIONToincreasethebioreactorperformancefortheproductionoflacticacid,acontinuouslacticacidfermentationsystemcoupledwithmembranecell-separationtechnique(MCRB)hasbeenstudied.Bygreatlyincreasedcelldensityinthereactorvolumetricproductivitycouldbeincreasedover10timesthantheconventionalbatchandcontinuousfermentation.However,theconcentrationoflacticacidproduced,amajorfactorforeconomicfeasibility,couldnotbeincreasedhigherthan95g/Lbeyondwhichcellgrowthisinhibitedalmostcompletely.InthepreliminaryexperimentswithsingleMCRB,lowlacticacidconcentrationsaround51g/Lwereobtainedevenwhenthecelldensitywasmaintainedathigherthan90g/L(Fig.4).WhenaCSTRwith9timeslargervolumethantheMCRBwasattached,intendingforalongerreactiontimeforthecellsintheMCRBoutflow,87g/Llacticacidcouldbeobtainedwithagreatsacrificeintheproductivity(Fig.6).Itwasconcludedthathigherlacticacidconcentrationwithhighproductivitycouldbeobtainableifthesecondreactor,CSTR,hadbeenreplacedwithanotherMCRB,whichmadeupthetwo-stagebioreactorwithcell-recycleatbothstages.WiththetwoMCRBsinseries,92g/Loflacticacidwasobtainedatahighproductivityof57gL−1h−1(Fig.12).Inconclusion,asystematicapproachwithMCRBswithmultistagedoperationcanbecarriedouttopredictoptimalperformancesoflacticacidproduction,whichexperimentallyprovedthattwostageMCRBscanproducelacticacidinahighconcentrationwithgreatlyincreasedvolumetricproductivity(typeA).References[1]AeschlimannA,StasiLD,vonStockarU.1990.ContinuousproductionoflacticacidfromwheypermeatebyLactobacillushelveticusintwochemostatsinseries.EnzymeMicrobTechnol12:926–932.[2]AmraneA,PrigentY.1999.AnalysisofgrowthandproductioncouplingforbatchculturesofLactobacillushelveticuswiththehelpofanunstructuredmodel.ProcBiochem34:1–10.[3]BerryAR,FrancoCMM,ZhangW,MiddelbergAPJ.1999.GrowthandlacticacidproductioninbatchcultureofLactobacillusrhamnosusinadefinedmedium.BiotechnolLett21:163–167.[4]BibalB,KappC,GomaG,PareilleuxA.1989.ContinuouscultureofStreptococcuscremorisonlactoseusingvariousmediumconditions.ApplMicrobiolBiotechnol32:155–159.[5]BibalB,VayssierY,GomaG,PareilleuxA.1991.HighconcentrationcultivationofLactococcuscremorisinacell-recyclereactor.BiotechnolBioeng37:746–754.[6]Bo¨rgardtsP,KrischkeW,Tro¨schW,BrunnerH.1998.Integratedbioprocessforthesimultaneousproductionoflacticacidanddairysewagetreatment.BioprocessEng19:321–329.[7]Bruno-Ba´rcenaJM,RagoutAL,CordobaPR,Sin˘erizF.1999.ContinuousproductionofL(+)-lacticacidbyLactobacilluscaseiintwo-stagesystems.ApplMicrobiolBiotechnol51:316–324.[8]CheryanM.1998.Ultrafiltrationandmicrofiltrationhandbook.Lancaster,PA:TechnomicPublishingCompany.467p.[9]deGooijerCD,BakkerWAM,BeeftinkHH,TramperJ.1996.Bioreactorsinseries:Anoverviewofdesignproceduresandpracticalapplications.EnzymeMicrobTechnol18:202–219.[10]DuttaSK,MukherjeeA,ChakrabortyP.1996.Effectofproductinhibitiononlacticacidfermentation:Simulationandmodelling.ApplMicrobiolBiotechnol46:410–413.[11]Gonc¸alvesLMD,XavierAMRB,AlmeidaJS,CarrondoMJT.1991.Concomitantsubstrateandproductinhibitionkineticsinlacticacidproduction.EnzymeMicrobTechnol13:314–319.[12]KellerAK,GerhardtP.1975.Continuouslacticacidfermentationofwheytoproducearuminantfeedsupplementhighincrudeprotein.BiotechnolBioeng17:997–1018.[13]KulozikU,HammelehleB,PfeiferJ,KesslerHG.1992.Highreactionratecontinuousbioconversionprocessinatubularreactorwithnarrowresidencetimedistributionsfortheproductionoflacticacid.JBiotechnol22:107–116.[14]KulozikU,WildeJ.1999.RapidlacticacidproductionathighcellconcentrationsinwheyultrafiltratebyLactobacillushelveticus.EnzymeMicrobTechnol24:297–302.[15]KwonS,LeePC,LeeEG,ChangYK,ChangHN.2000.ProductionoflacticacidbyLactobacillusrhamnosuswithvitamin-supplementedsoybeanhydrolysate.EnzymeMicrobTechnol26:209–215.[16]LevenspielO.1980.TheMonodequation:Arevisitandageneralizationtoproductinhibitionsituations.BiotechnolBioeng22:1671–1687.LevenspielO.1984.Chemicalreactionengineering.NewYork:JohnWiley&Sons.p124–157.[17]LitchfieldJH.1996.Microbiologicalproductionoflacticacid.In:NeidlemanSL,LaskinAI,editors.Advancesinappliedmicrobiology.Vol42.SanDiego:AcademicPress.69p.[18]LuedekingR,PiretEL.1959a.Akineticstudyofthelacticacidfermentation.BatchprocessatcontrolledpH.JBiochemMicrobiolTechnolEng1:393–412.[19]LuedekingR,PiretEL.1959b.Transientandsteadystatesincontinuousfermentation.TheoryandExperiment.JBiochemMicrobiolTechnolEng1:431–459.[20]MajorNC,BullAT.1985.LacticacidproductivityofacontinuouscultureofLactobacillusdelbrueckii.BiotechnolLett7:401–405.

利用鼠李糖乳杆菌在两级细胞膜循环生物反应器中高速连续生产乳酸——作者：SunhoonKwon，YongKeunChang单位：韩国高等科学技术学院，化学与生物工程研究中心，E-mail:hnchang@kaist.ac.kr摘要众所周知，乳酸是可生物降解材料聚乳酸的主要原料，所以找到以一种以最低的成本来生产L（+）－乳酸的方法具有非常重大的意义。为了找到一种可以高速地生产高浓度乳酸的生物反应器，我们对膜循环生物反应器（MCRB）的性能进行了研究，并进行了实验仿真优化。由于大大增加了细胞浓度，这个反应器的乳酸生产力可达到21.6gL-1h-1。但乳酸浓度却不能超过83g/L，当额外增加一个连续搅拌反应釜（CSTR）附到MCRB旁边时，可以大幅度的提高生产速率，乳酸浓度也可以提高到87g/L，当两个MCRBs串联在一起时，乳酸的生产力速率达到57gL-1h-1，最终溶液中的乳酸浓度为92g/L，这比以前所报道的使用葡萄糖基生产L（+）乳酸浓度超过85g/L的最高的生产率还要高。此外，研究乳酸发酵动力学产生了以鼠李糖乳杆菌发酵生产乳酸为代表的成功典范，该模型被认为是适用于大多数现有的MCRBs的数据，并且很好地吻合了Levenspiel的产品抑制模型，Luedeking-Piret产品形成动力学方程似乎是有效的代表发酵动力学。然而具有生产潜力的细胞（细胞密度相关参数Luedeking-Piret方程）生产乳酸的浓度超过55g/L时，却又有一个与众不同的差异，而这一结果会让我们更进一步地精确估计生物反应器的性能。©2001JohnWiley＆Sons出版公司生物Bioeng73：25-34，2001。关键词：鼠李糖乳杆菌;乳酸;高生产力;细胞循环;膜生物反应器

1前言膜细胞循环生物反应器（MCRB）的生产效率成功地证实了一些以往关于高容积生产乳酸的研究。Ohleyer等的研究报告指出，通过大量增加生物催化剂，即微生物细胞，乳酸的生产力可高达160gL−1h−1。（1985年），这比常规批次和恒化的生产工艺高出20倍以上。然而，高生产力并不是唯一的要求，这种工艺还必须在经济上有可行性。TimmerandKromkamp（1994年）发现，这一工艺可能主要受生产能力和产品的集中的影响，在较小程度时当年这种工艺生产乳酸的产能上升到高达4540吨。如乳酸浓度显着低，能源成本中的水在去除抵消下游过程的好处，提高了生产力。从这个角度上讲，MCRB有一个重要的问题有待解决：在乳酸浓度显着低相比，间歇过程的乳酸浓度122g/L的是容易实现的。此外，还有一份报告显示以84gL−1h−1的生产速率得到的D（+）L乳酸最终浓度为117g/L（Mehaia和Cheryan，1987年），而除部分MCRB工艺生产出的乳酸浓度低于90/g/L外所有其他的大多数生产的浓度低于60g/L的（Cheryan，1998年;里奇菲尔德，1996年;Ohleyer等，1985）。微生物无法在超过一定浓度的乳酸条件下生长，因此可以通过用MCRBs工艺进行连续放出细胞，以防止损失的流动性时所产生的细胞浓度不会太高。因此，为加强MCRB工艺的经济优势的方法有，随着高密度的要求增加乳酸浓度。一些考虑到这个长期存在的低浓度产品问题的作者对他进行了研究，并通过MCRB工艺获得了较高浓度的乳酸。哈维尔等人。（1995年）和Tejayadi和Cheryan（1995年）分别发表了以36gL−1h−1的生产速率得到浓度为90g/L的乳酸和以22gL−1h−1的生产速率得到浓度为89g/L的乳酸的报道。产品的浓度低是由于乳酸菌受到了严重抑制，这里有一个很好的办法来克服上述问题，我们可以通过使用推流反应器，它类似于很多连续化搅拌式受体（CSTRs）结合在一起（日Gooijer等。996年;Keller和戈哈德，1975年;Luedeking和Piret，1959年;Levenspiel，1984年）。CSTRs的优势在一系列针对单一CSTR中特别是在乳酸生产中所揭示的其他两个和三个阶段CSTRs（艾绪里曼等人。1990年;布鲁诺-Ba'rcena等。1999年;根等。1991年）通过部分分离细胞的生长和乳酸生产阶段提高乳酸的生产力和浓度，增加乳酸产量为代价的生物形成的后期;高纯度的乳酸异构体长，L（+）乳酸菌通过增加新鲜细胞的数量;同时减少使用昂贵的养分——酵母膏。为了结合双方的优势，生物反应器的配置MCRB和多阶段生物反应器Kulozik等。（1992）进行了一项七级联反应器与细胞循环的研究。最后一个反应器中流出的细胞溶液通过收集器集中再生回到第一座反应器中，相对于单级MCRB，梯级反应器得到的生产率要高出4倍。达到28克L-1h-1，乳糖完整的利用率为100g/L，其中的细胞浓度保持在20g/L和的乳酸浓度约为72g/L。在这项研究中，对新型生物反应器的配置，即两个MCRBs串联的性能进行了研究，旨在在最高容积生产力的情况下不断得到乳酸且其浓度尽可能高。此外，对估计MCRB的性能极限与非结构化的动力学模型，进行了模拟研究，通过这个实验验证了结果。

2材料与方法2.1微生物培养法及培养条件鼠李糖乳杆菌（ATCC10863），一种同型发酵的具有极强的厌氧性的L（+）乳酸生产菌，它是从美国特种培养物保藏中心获得的（位于美国马里兰州罗克维尔市）。一毫升库乳杆菌菌种与（培养基，底特律，MI）和的25％（V/V）的甘油混合后在-76°C的条件下保存，Precultures准备通过在MRS培养基中，在42°C的条件下培养12小时，将菌株培养到200毫升，并转移到主要化。控制培养温度为42℃和通过使用氨水调节pH到6.0，MCRB工艺的培养基要有以下组成部分每升：0.2Na3-Citrate·2H2O，1.0gKH2PO4,0.2gMgSO4·7H2O,0.03gMnSO4·H2O,0.03gFeSO4·7H2O,和0.015mL硫酸。糖的浓度和酵母提取物将在结论中指出。除酵母提取物是单独灭菌15分钟外，所有培养基一起在121°C的条件下灭菌100分钟。在结论中谈到的培养体积包括循环流体培养基的体积。2.2分析方法细胞生长可通过分光光度计在波长为620纳米时测定（法玛西亚Ultrospec3000，英国剑桥）一般可由干细胞浓度与光密度（OD620）的线性相关系数（1OD62040.32克，干重每公升）计算出来。乳酸的浓度和葡萄糖含量可由配备了折射率检测器系统的高效液相色谱仪（HPLC）（日立L型6000，日本东京）测定。HPLC柱使用时（Aminex87H，酶标仪，里奇蒙，CA）以0.005M硫酸为流动相，在洗脱速度为0.6毫升/分钟，而柱温保持在50°C的浓度标准为1.0米乳酸（盐，布克斯，瑞士）和10g/L的葡萄糖（六西格玛，圣路易斯，密苏里州）用于高效液相色谱分析中。2.3膜细胞循环生物反应器（MCRB）在单级MCRB的实验中，要应用到如下实验器材：一；400毫升水套，它采用玻璃反应器并配备了中空纤维超微粒过滤装置-100-H的4X2TCA（100kNMWC，0.065平方米过滤面积;阿/g技术公司，马）。二：蠕动泵，07090-40型（科尔-Parmer，白细胞介素）CA以100毫升/分钟的速度推动发发酵液通过膜单元。在两个阶段的行动，两个相同的MCRBs是串行连接。每个MCRB包括一个1一L玻璃反应堆附有板和帧过滤单元，一个Pellicon2BIOMAX100V的（100kNMWC，0.1平方米过滤面积，超纯水，贝德福德，马）与隔膜泵，和一个P-07090-40（科尔Parmer）的细胞再生装置，其CA流速为600毫升/分钟。MCRB在接种前需要用含50％（V/V）乙醇的无菌水彻底清洗。在操作过程中，需不断向发酵罐中加入新的培养基同时排出产物。为了防止细胞密度去超过一定限度，造成过滤功能下降，需要从发酵罐中不断抽出少量的发酵液。在这两个阶段发酵过程中，从第一阶段流出的发酵液用于第二阶段中。2.4数值分析方法发酵动力学的参数可以用最小二乘回归来估算。利用Matlab5.0（MathWorks公司，公司，美国）软件进行数值积分找到稳态值和约束多变量优化以寻找到最佳操作变量。限制利用的优化是最大的细胞密度（Xm）和最大其余血糖浓度（s）。

讨论为了提高生物反应器产乳酸的性能，我们对连续乳酸发酵系统加上膜细胞分离技术（MCRB）进行了研究。大大增加在固定体积发酵罐中的细胞密度，生产率比传统的间歇和连续发酵提高了10倍以上。然而，乳酸实际生产中，最主要因素经济上的可行性，此方法乳酸浓度高于95g/L时，细胞的生长几乎完全受到抑制。在初步单MCRB实验中，即使在细胞密度保持在高于90g/L时，得到的乳酸浓度仍然很低，约51政/L，（图4）。当加入一个体积比MCRB大9的CSTR时，在放出细胞液之前如果让它在在MCRB反应器中停留更长的时间，则乳酸浓度会明显提升，会达到87g/L图6）。由此我们可以得出这样的结论：在第二个反应器CSTR与另一MCRB相连并且两个阶段的生物反应器与细胞循环同在这两个阶段前提下，可以高速生产高浓度的乳酸，如果使用两个MCRBs系列，则可以以57gL−1h−1的生产速率生产出浓度达到92g/L的乳酸（图12）。最后，通过优化多步骤MCRBs反应器，可以得到预期想得到的最优生产乳酸的方法，实验证明，利用两阶段MCRBs反应器可以高速生产高浓度的乳酸，从而使固定容积反应器的生产效率大大提高（A型）。

参考文献[1]AeschlimannA,StasiLD,vonStockarU.1990.ContinuousproductionoflacticacidfromwheypermeatebyLactobacillushelveticusintwochemostatsinseries.EnzymeMicrobTechnol12:926–932.[2]AmraneA,PrigentY.1999.AnalysisofgrowthandproductioncouplingforbatchculturesofLactobacillushelveticuswiththehelpofanunstructuredmodel.ProcBiochem34:1–10.[3]BerryAR,FrancoCMM,ZhangW,MiddelbergAPJ.1999.GrowthandlacticacidproductioninbatchcultureofLactobacillusrhamnosusinadefinedmedium.BiotechnolLett21:163–167.[4]BibalB,KappC,GomaG,PareilleuxA.1989.ContinuouscultureofStreptococcuscremorisonlactoseusingvariousmediumconditions.ApplMicrobiolBiotechnol32:155–159.[5]BibalB,VayssierY,GomaG,PareilleuxA.1991.HighconcentrationcultivationofLactococcuscremorisinacell-recyclereactor.BiotechnolBioeng37:746–754.[6]Bo¨rgardtsP,