年產(chǎn)1000噸乳酸的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)

精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)專心---專注---專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書課題年產(chǎn)1000噸乳酸的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)姓名專業(yè)班級(jí)1001班課題簡(jiǎn)介乳酸在食品、醫(yī)藥、化工等方面廣泛應(yīng)用，且因聚乳酸的大量應(yīng)用導(dǎo)致乳酸的國(guó)際市場(chǎng)需求日益增大，但原有生產(chǎn)方法存在很多不足，故本設(shè)計(jì)在原有的生產(chǎn)工藝上加以改進(jìn)，以德氏乳桿菌為菌種，以玉米為主原料，利用同步糖化發(fā)酵法，最終獲得純?nèi)樗?。設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)要求：年產(chǎn)1000噸純度為80%的純?nèi)樗嵩O(shè)計(jì)任務(wù)：1.查閱文獻(xiàn)，提出選題的初步設(shè)想2.乳酸生產(chǎn)工藝的綜述3確認(rèn)生產(chǎn)工藝流程4.工藝計(jì)算和設(shè)備選型5物料衡算和能量衡算今經(jīng)濟(jì)評(píng)估6.用CAD畫主設(shè)備圖和工藝流程圖7翻譯一篇相關(guān)文獻(xiàn)圖紙要求：1.繪制乳酸的工藝流程圖（1#圖紙）2.繪制主設(shè)備圖（1#圖紙）設(shè)計(jì)要求1.通過(guò)查閱文獻(xiàn)及綜述，掌握乳酸的國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的研究進(jìn)展2.確定乳酸生產(chǎn)的設(shè)計(jì)方案和工藝流程3.進(jìn)行工藝計(jì)算和經(jīng)濟(jì)評(píng)估4.訓(xùn)練實(shí)事求是和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)指導(dǎo)教師簽字系主任簽字主管院長(zhǎng)簽章蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告表課題名稱年產(chǎn)1000噸乳酸的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)課題來(lái)源結(jié)合實(shí)際，導(dǎo)師制定課題類型BX導(dǎo)師學(xué)生姓名學(xué)號(hào)專業(yè)生物工程資料準(zhǔn)備：收集有關(guān)乳酸的性質(zhì)及工廠生產(chǎn)方法的國(guó)內(nèi)外研究文獻(xiàn)，同時(shí)深入了解影響乳酸工廠生產(chǎn)的影響因素，為乳酸設(shè)計(jì)生產(chǎn)方案的制定及論文寫作奠定了基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)目的：通過(guò)分析各乳酸生產(chǎn)方法工藝的利弊，確定最優(yōu)乳酸生產(chǎn)工藝。設(shè)計(jì)要求：1.通過(guò)查閱文獻(xiàn)及綜述，掌握乳酸的國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的研究進(jìn)展2.確定乳酸生產(chǎn)的設(shè)計(jì)方案和工藝流程3.進(jìn)行工藝計(jì)算和經(jīng)濟(jì)評(píng)估4.訓(xùn)練實(shí)事求是和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)設(shè)計(jì)思路：1.研究乳酸生產(chǎn)的相關(guān)背景知識(shí)和現(xiàn)狀，并了解乳酸生產(chǎn)的最新研究進(jìn)展。2.針對(duì)乳酸生產(chǎn)中存在的問(wèn)題，提出該設(shè)計(jì)研究的必要性。3.分析各種乳酸生產(chǎn)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，確認(rèn)乳酸生產(chǎn)方案；4.設(shè)計(jì)基本工藝流程圖；5.運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析，論證本設(shè)計(jì)的可行性；6.用CAD畫出工藝的設(shè)備圖和工藝流程圖預(yù)期成果：1.通過(guò)設(shè)計(jì)了解乳酸的生產(chǎn)技術(shù)。2.分析不同生產(chǎn)乳酸的方法、確定最優(yōu)乳酸生產(chǎn)方案。3.設(shè)計(jì)出生產(chǎn)效益高、生產(chǎn)周期短的生產(chǎn)工藝任務(wù)完成階段及時(shí)間安排：收集有關(guān)乳酸生產(chǎn)技術(shù)的資料2周（2014.2.25——2014.3.10）完成論文開(kāi)題報(bào)告和設(shè)計(jì)論文大綱。2周（2014.3.11——2014.3.24）設(shè)計(jì)出乳酸生產(chǎn)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(shè)備選型。2周（2014.4.22——2014.5.5）CAD設(shè)計(jì)繪圖。2周（2014.5.6——2014.5.19）設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)效益估算評(píng)析。2周(3014.5.20_2014.5.26)完稿，論文排版，核對(duì)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(wù)所具備的條件及因素：利用圖書館的資料、文獻(xiàn)，查閱的各種期刊和網(wǎng)絡(luò)資源，不斷提出問(wèn)題，同指導(dǎo)老師探討，并融合所學(xué)的相關(guān)知識(shí)。指導(dǎo)教師意見(jiàn)簽名：年月日蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）學(xué)生自查表（中期教學(xué)檢查用）學(xué)生姓名專業(yè)生物工程班級(jí)指導(dǎo)教師姓名職稱講師課題名稱乳酸生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)個(gè)人精力實(shí)際投入作時(shí)間8小時(shí)周平均工作時(shí)間40小時(shí)迄今缺席天數(shù)無(wú)出勤率%100%指導(dǎo)教師每周指導(dǎo)次數(shù)5次每周指導(dǎo)時(shí)間（h）10小時(shí)備注2小時(shí)/天畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作進(jìn)度（完成）內(nèi)容及比重已完成主要內(nèi)容%待完成主要內(nèi)容%設(shè)計(jì)整體規(guī)劃。查閱有關(guān)乳酸的相關(guān)文獻(xiàn)及書籍并概括出乳酸的各種生產(chǎn)工藝。翻譯了一篇與乳酸相關(guān)的外文文獻(xiàn)。分析各種乳酸提取方法的比較。確定乳酸的生產(chǎn)工藝流程方案。設(shè)計(jì)生產(chǎn)工藝流程。（7）初步完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書的撰寫。70設(shè)備選型及物料衡算和能量衡算。經(jīng)濟(jì)效益分析。主設(shè)備圖和流程圖的繪制。30存在問(wèn)題由于缺乏實(shí)踐以及初次接觸工藝的生產(chǎn)線設(shè)計(jì)，所以生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)還需進(jìn)一步完善。由于本設(shè)計(jì)缺乏實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，故其實(shí)際生產(chǎn)的可行性還有待實(shí)踐驗(yàn)證。指導(dǎo)教師簽字：年月日摘要乳酸是應(yīng)用最為廣泛的三大有機(jī)酸之一，本設(shè)計(jì)采用同步糖化發(fā)酵法來(lái)生產(chǎn)乳酸，同步發(fā)酵技術(shù)克服了傳統(tǒng)發(fā)酵產(chǎn)物抑制作用，節(jié)約生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。該設(shè)計(jì)的生產(chǎn)方案為：以大米為主生產(chǎn)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(fā)酵的中和劑和穩(wěn)定劑，經(jīng)過(guò)發(fā)酵得到的發(fā)酵液。發(fā)酵液經(jīng)過(guò)預(yù)處理和一系列分離反應(yīng)，從而得到粗乳酸，在經(jīng)過(guò)離子交換法處理得到純度為80%的純?nèi)樗?。關(guān)鍵詞：乳酸生產(chǎn)工藝，微生物發(fā)酵，同步糖化發(fā)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(xiàn)附錄二：英文文獻(xiàn)翻譯附錄三：設(shè)備流程圖附錄四：主設(shè)備圖1緒論1.1乳酸的性質(zhì)和應(yīng)用1.1.1乳酸的性質(zhì)乳酸英文名稱lacticacid，學(xué)名2-羥基丙酸，分子式為C3H6O3，相對(duì)分子質(zhì)量為90。呈強(qiáng)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(chǎn)生水、二氧化碳和丙酮酸，同時(shí)產(chǎn)生少量ATP，隨后丙酮酸和氫結(jié)合可以生成乳酸。當(dāng)人體運(yùn)動(dòng)過(guò)于劇烈或著持久時(shí)，葡萄糖將會(huì)因缺氧而在身體內(nèi)大量分解為乳酸，造成體內(nèi)乳酸累積，使體液呈酸性，削弱細(xì)胞的正常功能。1.1.2乳酸的應(yīng)用乳酸在工業(yè)、食品、醫(yī)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(chǎn)中，乳酸可以替代苯甲酸、山梨甲酸等對(duì)人體有毒副作用的防腐劑，劑，同時(shí)又可作為這些食品柔和的酸味劑；在啤酒生產(chǎn)過(guò)程中，利用乳酸調(diào)節(jié)pH值，不僅能促進(jìn)原料糖化，而且還可以抑制雜菌的生長(zhǎng)；乳酸乙酯是調(diào)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(shí)還能防止面包老化。乳酸在醫(yī)療方面有很多重要的應(yīng)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(zhì)可以用做溶解藥物的溶劑，增加人體對(duì)藥的吸收量，降低毒副作用，該物質(zhì)還能制成片劑的潤(rùn)滑劑。由聚乳酸制成在臨床上有廣泛應(yīng)用的有緩釋膠囊制劑、可生物降解手術(shù)縫合線、生物植入片等。在化學(xué)工業(yè)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(jī)械性能和透氣性等優(yōu)點(diǎn)廣泛被應(yīng)用的同時(shí)。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(huán)境危機(jī)的物質(zhì)。乳酸還可以用于皮革制造行業(yè)，使皮革柔軟細(xì)膩，能使紡織纖維有光澤。乳酸和乳酸鈉對(duì)改善皮膚結(jié)構(gòu)有很好的效果，同時(shí)乳酸酯具有溶解性好、無(wú)毒、增塑性、容易回收等優(yōu)點(diǎn)。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(zhì)量檢測(cè)乳酸的監(jiān)測(cè)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(biāo)。明恒磊等對(duì)傳統(tǒng)的EDTA檢測(cè)方法做了改進(jìn)，克服了傳統(tǒng)方法變色欠佳的缺點(diǎn)，他們?cè)谥甘緞┲刑砑榆缢厝芤鹤鰹橐r色劑，提高顯色的對(duì)比度[13]。1.2全球市場(chǎng)狀況及生產(chǎn)狀況1.2.1全球市場(chǎng)狀況全球乳酸的應(yīng)用主要在工業(yè)科技、食品飲料、醫(yī)藥與個(gè)人護(hù)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(qū)域，截止2007年，世界乳酸需求呈快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，供需缺口在擴(kuò)大，2008~2010年之間，乳酸行業(yè)迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇，世界各國(guó)致力于開(kāi)發(fā)利用生物制品，將谷物等原料加工成乳酸，再進(jìn)一步制成其衍生物和聚乳酸。2008年和2013年乳酸的全球消費(fèi)情況如下表所示：表1：2008年和2013年乳酸消費(fèi)情況20082013消費(fèi)量（千噸）比例/%消費(fèi)量（千噸）比例/%工業(yè)應(yīng)用160.846.0260.452.7食品飲料139.840.0168.634.1醫(yī)藥及個(gè)人護(hù)理48.814.065.113.2總計(jì)349.4100494.1100乳酸主要應(yīng)用與工業(yè)生產(chǎn)方面，而且其發(fā)展呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，2008年工業(yè)生產(chǎn)方面的消費(fèi)量占整體消費(fèi)的46%，到2013年時(shí)已達(dá)到52.7%，全球來(lái)說(shuō)，美國(guó)、西歐和亞洲將在未來(lái)幾年內(nèi)有很大的增長(zhǎng)勢(shì)頭。1.2.2全球乳酸的生產(chǎn)狀況國(guó)外乳酸的生產(chǎn)狀況美國(guó)的乳酸生產(chǎn)量和消費(fèi)量都是呈逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，其主要應(yīng)用是在工業(yè)應(yīng)用方面（包括聚乳酸的生產(chǎn)），該項(xiàng)消費(fèi)量占總消費(fèi)量的67%，食品飲料方面市場(chǎng)需求也呈逐年增加的趨勢(shì)，總之美國(guó)的乳酸消費(fèi)量以6~8%的速度增長(zhǎng)，美國(guó)90%的乳酸進(jìn)口量都是從泰國(guó)和西班牙進(jìn)口的，乳酸鹽主要從中國(guó)和荷蘭進(jìn)口。2008年西歐的乳酸生產(chǎn)量降低，其主要原因是當(dāng)時(shí)乳酸生產(chǎn)成本太高，使得PURAC停止其在西歐的乳酸生產(chǎn)，同時(shí)大部分廠家也因成本太高而停止生產(chǎn)，2005-2008年消費(fèi)量的年均增長(zhǎng)率為7.7%，2008~2013年年均消費(fèi)增長(zhǎng)量為9.1%。西歐乳酸的消費(fèi)主要是公業(yè)應(yīng)用，尤其是PLA生產(chǎn)的應(yīng)用[19]。（2）國(guó)內(nèi)乳酸的生產(chǎn)狀況 楊曉宇[18]研究了我國(guó)2005年到2009年乳酸的市場(chǎng)狀況，其中我國(guó)2009年乳酸的總產(chǎn)量是160千噸，主要使用的生產(chǎn)方法是發(fā)酵法。在這五年內(nèi)，我國(guó)乳酸市場(chǎng)的進(jìn)出口情況發(fā)生了很大的變化，進(jìn)口數(shù)量逐年增加，進(jìn)口價(jià)格也有上下波動(dòng)，但其變化不大。出口數(shù)量和價(jià)格總體呈上升趨勢(shì)。我國(guó)乳酸的消費(fèi)量以每年6%的增長(zhǎng)率增加。1.3乳酸的生產(chǎn)方法1.3.1化學(xué)合成法化學(xué)合成法生產(chǎn)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(jìn)行反應(yīng)，生成2-Cl丙酸，再與NaOH反應(yīng)生成乳酸。丙烯腈法是指先將丙烯腈和硫酸反應(yīng)，再將反應(yīng)產(chǎn)物和甲醇反應(yīng)，從而得到乳酸，再將其經(jīng)過(guò)分離和精餾得到純?nèi)樗岬倪^(guò)程。乳腈法是乙醛和HCN反應(yīng)產(chǎn)物與水和硫酸得到產(chǎn)物，再與乙醇反應(yīng)生成酯，在水解得到乳酸的生產(chǎn)過(guò)程?；瘜W(xué)合成法的主要不足是其生產(chǎn)原料具有毒性，且不能生產(chǎn)單旋光性的乳酸。通過(guò)該法生產(chǎn)的乳酸主要應(yīng)用于食品行業(yè)方面，因此必須除去其中有毒的化學(xué)物質(zhì)。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(zhuǎn)化法，但這兩個(gè)方法都有個(gè)缺點(diǎn)，就是生產(chǎn)工藝復(fù)雜，不適用與工業(yè)化生產(chǎn)，現(xiàn)今主要應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)室研究。1.3.3發(fā)酵法生產(chǎn)乳酸目前，工業(yè)化生產(chǎn)乳酸一般均采用糖類物質(zhì)發(fā)酵法，發(fā)酵法生產(chǎn)乳酸首先要將淀粉類物質(zhì)經(jīng)過(guò)糖化、糊化之后酶解再進(jìn)行發(fā)酵，同時(shí)加入碳酸鈣進(jìn)行中和，發(fā)酵完后經(jīng)過(guò)過(guò)濾處理得到乳酸鈣溶液，再接著將其通過(guò)75%的濃硫酸分解得到乳酸和硫酸鈣沉淀，再經(jīng)過(guò)過(guò)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(zhì)離子而得到純?nèi)樗?。發(fā)酵法生產(chǎn)乳酸的主要特點(diǎn)是設(shè)計(jì)工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)條件溫和和產(chǎn)品光學(xué)純度高[7]。1.4乳酸發(fā)酵過(guò)程的介紹乳酸發(fā)酵微生物的過(guò)程主要分為菌種的選育、發(fā)酵和后期提取。菌種對(duì)發(fā)酵營(yíng)養(yǎng)條件、生長(zhǎng)周期、產(chǎn)量等起著決定性因素，發(fā)酵方法是指對(duì)優(yōu)良菌種提供良好的生存環(huán)境和營(yíng)養(yǎng)需求，保證菌種的正常生長(zhǎng)。后期提取是指利用發(fā)酵液的性質(zhì)從其中提取出有用物質(zhì)的過(guò)程。1.4.1菌種發(fā)酵乳酸的微生物主要有細(xì)菌類和霉菌類兩大類，細(xì)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(fā)酵法一般使用的微生物都具有同型發(fā)酵、營(yíng)養(yǎng)要求簡(jiǎn)單、產(chǎn)酸迅速、產(chǎn)酸量高、耐高溫和耐高濃度產(chǎn)物的抑制作用等特點(diǎn)[11]。一般野生菌都不滿足該要求，只有通過(guò)誘變等方法選育出適合發(fā)酵的菌種。菌種的傳統(tǒng)誘變方法主要有化學(xué)誘變、物理誘變等方法，傳統(tǒng)誘變方法存在著工作量大和不確定性因素多的缺點(diǎn)。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(shù)育種，各種方法各有利弊，可根據(jù)目的不同選擇適宜的誘變方法，獲得目的菌株[12]?，F(xiàn)今工業(yè)上的菌種主要有細(xì)菌發(fā)酵和根霉菌發(fā)酵。（1）細(xì)菌發(fā)酵細(xì)菌發(fā)酵生產(chǎn)乳酸的主要機(jī)理是同型發(fā)酵，該法主要是將丙酮酸轉(zhuǎn)化為乳酸。利用同型乳酸發(fā)酵葡萄糖生產(chǎn)乳酸得率超過(guò)85%[6]，此發(fā)酵過(guò)程中，1mol葡萄糖可以生成2mo1乳酸。細(xì)菌發(fā)酵的發(fā)酵產(chǎn)物純度高，副產(chǎn)物少，能耗少，發(fā)酵無(wú)需空氣，攪拌動(dòng)力低，成本較低，理論轉(zhuǎn)化率100%，實(shí)際轉(zhuǎn)化率大于90%，后期提取與生產(chǎn)過(guò)程的調(diào)控比較簡(jiǎn)單還無(wú)污染。該法的主要缺點(diǎn)是生產(chǎn)成本高，后期難以分離和純化[8]。（2）根霉菌發(fā)酵根霉屬中米根霉生產(chǎn)乳酸的能力最強(qiáng)。菌絲匍匐爬行，無(wú)色，在37-40℃下能生長(zhǎng)。根霉發(fā)酵的機(jī)理是好氧異型發(fā)酵，通過(guò)糖酵解途徑發(fā)酵生產(chǎn)，再生成乳酸的同時(shí)還生成唬拍酸、蘋果酸和乙酸等其他代謝產(chǎn)物，導(dǎo)致乳酸光學(xué)純度降低了，其理論轉(zhuǎn)化率為75%。米根霉?fàn)I養(yǎng)要求低，可以直接利用淀粉質(zhì)等生物質(zhì)原料生產(chǎn)L-乳酸，其培養(yǎng)基比較簡(jiǎn)單，只需添加少量的無(wú)機(jī)氮源，菌絲體大而且易于分離，生產(chǎn)的L-乳酸純度高且易于精制，有利于工業(yè)化生產(chǎn)高純度的L-乳酸，理論轉(zhuǎn)化率75%，實(shí)際轉(zhuǎn)化率65%左右，發(fā)酵過(guò)程中需要通氣攪拌導(dǎo)致能源消耗大，導(dǎo)致其生產(chǎn)成本增加，原料利用率降，后期很難除去發(fā)酵產(chǎn)生的雜酸，容易污染且工藝控制困難。1.4.2乳酸的發(fā)酵方法乳酸發(fā)酵方法主要有半連續(xù)發(fā)酵法、連續(xù)發(fā)酵法、同步糖化發(fā)酵法、固定化發(fā)酵法和原位分離法發(fā)酵。目前乳酸的發(fā)酵原料多為淀粉質(zhì)，其發(fā)酵工藝包括多個(gè)步驟，首先高溫條件下對(duì)底物進(jìn)行糊化和液化，然后用淀粉酶等將其糖化，轉(zhuǎn)化成葡萄糖等可發(fā)酵糖，再進(jìn)一步經(jīng)微生物發(fā)酵生成乳酸。淀粉糖化時(shí)間一般較長(zhǎng)，溫度較高，能耗高，因此以淀粉質(zhì)為原料，經(jīng)糖化和發(fā)酵兩步工藝的經(jīng)濟(jì)性較差，有待于進(jìn)一步的改進(jìn)。同步糖化發(fā)酵中的糖化過(guò)程和發(fā)酵過(guò)程是在同一個(gè)反應(yīng)器器中進(jìn)行的，即將酶與菌種同時(shí)加入到反應(yīng)罐，使酶催化水解反應(yīng)和微生物發(fā)酵過(guò)程耦合的生產(chǎn)工藝。糖化過(guò)程中產(chǎn)生的葡萄糖立即就發(fā)酵生成乳酸，該法克服了高濃度葡萄糖對(duì)反應(yīng)的抑制作用和糖化酶對(duì)反應(yīng)的產(chǎn)物抑制作用。同時(shí)加快了整個(gè)工藝周期，縮短生產(chǎn)時(shí)間，節(jié)約設(shè)備投資。在較低溫度下進(jìn)行同步糖化發(fā)酵仍然有較高的利用率，該發(fā)酵法是高低物濃度在低反應(yīng)體積下進(jìn)行低生產(chǎn)成本的最佳方式。同步糖化發(fā)酵法生產(chǎn)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(fā)酵的主要原料，該法可以避免由于葡萄糖濃度過(guò)高而引起的底物抑制作用，該法的轉(zhuǎn)化率可達(dá)到98%，發(fā)酵周期為47小時(shí)。該方法中糖化酶的最適反應(yīng)溫度應(yīng)該較高，且在一定范圍內(nèi)，仍保持有酶活性，可以通過(guò)提高溫度來(lái)增加酶活性，同時(shí)加快反應(yīng)速度和提高產(chǎn)品質(zhì)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(kāi)，而使淀粉轉(zhuǎn)化為葡萄糖。糖化酶能隨作用的溫度升高活力增大，超過(guò)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(diǎn)主要是糖化酶對(duì)設(shè)備沒(méi)有腐蝕性，使用安全，工藝簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、有利于各廠的穩(wěn)定生產(chǎn)；使用糖化酶對(duì)比較安全，可提高出酒率，法能減少雜菌感染，節(jié)約糧食可降低勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件；使用糖化酶有利于生產(chǎn)機(jī)械化，有利于實(shí)現(xiàn)文明生產(chǎn)。1.4.3乳酸發(fā)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(jié)晶法、雙極膜電滲析法等幾種。分子蒸餾技術(shù)是指極高真空的條件下依據(jù)分子運(yùn)動(dòng)均勻自由程的距離差分離的液－液分離技術(shù)。分子蒸餾技術(shù)的蒸發(fā)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(jù)蒸發(fā)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(lái)分離。該技術(shù)可以達(dá)到清除小分子雜質(zhì)和提純的目的。酯化水解法是指通過(guò)甲醇與發(fā)酵液反應(yīng)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(jí)乳酸的有效方法。由于化學(xué)反應(yīng)平衡的限制，其產(chǎn)率不高。近年來(lái)，高效催化劑和工藝的使用使這種傳統(tǒng)的乳酸精制技術(shù)得到了新的發(fā)展。張猛等人對(duì)乳酸提純的反應(yīng)精餾工藝建立了非平衡級(jí)穩(wěn)態(tài)模型。但由于酯化反應(yīng)的特性，所以提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的主要手段是及時(shí)從體系中脫除產(chǎn)物和水。Tanaka等采用T沸石膜將體系中的水及時(shí)移除體系，使得酯化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率高于平衡轉(zhuǎn)化率，接近與100％。Sun等采用銨鹽中和發(fā)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(chǎn)品，總收率達(dá)85.6％。催化反應(yīng)和滲透汽化等集成技術(shù)的使得傳統(tǒng)的乳酸酯化水解法得到了新的發(fā)展，雖然過(guò)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(xiàn)今膜分離技術(shù)已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。乳酸精制過(guò)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(dá)到除雜菌的目的，可以將乳酸菌體從發(fā)酵液中分離出來(lái)進(jìn)行重復(fù)使用，過(guò)濾過(guò)程中吸附和濃差對(duì)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(zhì)量，達(dá)到食品乳酸的要求。雙極膜電滲析發(fā)酵法實(shí)現(xiàn)了發(fā)酵過(guò)程中乳酸的在線移除。此法制備乳酸的最大優(yōu)點(diǎn)是過(guò)程簡(jiǎn)單、物耗降低、三廢排放少和乳酸產(chǎn)品質(zhì)量高。結(jié)晶法是一種傳統(tǒng)的分離方法，采用降溫處理使乳酸鹽在發(fā)酵液中結(jié)晶從而分離出來(lái)。鈣鹽法是目前國(guó)內(nèi)工廠中采用最多的方法。在發(fā)酵液中加入碳酸鈣與乳酸反應(yīng)，調(diào)節(jié)反應(yīng)體系的pH值，發(fā)酵結(jié)束后濃縮降溫結(jié)晶從而得到乳酸鈣晶體，乳酸鈣再與硫酸反應(yīng)制備乳酸，運(yùn)用此法生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量較高，但其收率低（50％以下）、物耗高和廢水量大等缺點(diǎn)，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。因此可以采用鋅鹽結(jié)晶的方法來(lái)提取乳酸，在粗乳酸鈣的溶液中加入硫酸鋅溶液反應(yīng)，在發(fā)酵液還未變冷時(shí)濾去石膏再冷卻結(jié)晶，然后將分離出來(lái)的晶體溶解后，再通入硫化氫制備出乳酸，反應(yīng)生成的硫化鋅沉淀再與硫酸反應(yīng)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(guó)發(fā)酵法生產(chǎn)乳酸的現(xiàn)狀現(xiàn)今我國(guó)乳酸生產(chǎn)主要采用的方法是利用微生物發(fā)酵法[3]，微生物發(fā)酵法是國(guó)家重點(diǎn)支持的高新技術(shù)，該技術(shù)符合我國(guó)產(chǎn)業(yè)政策和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的方向。當(dāng)今主要有三大因素刺激我國(guó)乳酸工業(yè)的工業(yè)化發(fā)展，第一個(gè)因素是我國(guó)大量的白色塑料污染垃圾，用乳酸生產(chǎn)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(jīng)過(guò)特殊處理的聚乳酸克服了耐熱性差和抗沖擊強(qiáng)度低的缺點(diǎn),使聚乳酸具有優(yōu)良的機(jī)械性能和物理性能。第二個(gè)主要因素是乳酸可以解決溫室效應(yīng)問(wèn)題，二氧化碳和水反應(yīng)生成乳酸，乳酸又可通過(guò)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(gè)因素就是乳酸在生物燃料方面有很大的作用，是當(dāng)前解決減少化石燃料消耗的重要方法之一。1.6我國(guó)發(fā)酵乳酸過(guò)程中存在的問(wèn)題的解決方案我國(guó)發(fā)酵采用傳統(tǒng)的發(fā)酵技術(shù)，其發(fā)酵受底物和產(chǎn)物的抑制作用，生產(chǎn)規(guī)模小、L-乳酸產(chǎn)品拓展和聚乳酸研究滯后，還有糖化和發(fā)酵兩步工藝的經(jīng)濟(jì)效益低，有待于進(jìn)步，制約著L-乳酸工廠化規(guī)?；陌l(fā)展。同步糖化發(fā)酵是將酶催化水解碳水化合物底物和細(xì)菌發(fā)酵結(jié)合的生產(chǎn)模式，具有操作簡(jiǎn)單，無(wú)需單獨(dú)糖化，即克服了糖化酶的產(chǎn)物抑制作用，還可避免因初始糖濃度過(guò)高而引起的底物抑制作用，還可以減少生產(chǎn)周期，節(jié)約其生產(chǎn)成本和提高乳酸生產(chǎn)效率的作用。

2工藝設(shè)計(jì)及控制同步糖化發(fā)酵技術(shù)是將糊化液直接通入發(fā)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(shù)克服傳統(tǒng)發(fā)酵中糖化酶的產(chǎn)物抑制作用和因初始糖濃度過(guò)高而引起的底物抑制作用，節(jié)約生產(chǎn)成本且提高乳酸生產(chǎn)效率的作用。2.1同步糖化法生產(chǎn)乳酸的工藝流程圖1：同步糖化法生產(chǎn)乳酸的工藝流程原料原料粉碎糊化擴(kuò)大培養(yǎng)發(fā)酵罐滅菌處理過(guò)濾凈化糖化酶離子交換處理水濾渣空氣預(yù)熱斜面培養(yǎng)壓料板框過(guò)濾板框過(guò)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(chǎn)過(guò)程主要為：大米和麩皮經(jīng)粉碎糊化處理后，與水以4:1:5的比例混合配成發(fā)酵原料，經(jīng)過(guò)滅菌后通入發(fā)酵罐，再加入菌種、凈化空氣和淀粉糖化酶進(jìn)行發(fā)酵。發(fā)酵液經(jīng)過(guò)升溫和過(guò)濾處理，再將其通入中和罐，以CaCO3做中和劑處理；再經(jīng)過(guò)過(guò)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(jìn)行酸解，并加入活性炭進(jìn)行脫色；然后通過(guò)板框壓濾機(jī)過(guò)濾和沉降過(guò)濾，除去CaSO4及雜質(zhì)。酸解后的過(guò)濾液經(jīng)離子交換處理，再進(jìn)行蒸發(fā)、濃縮和結(jié)晶；結(jié)晶完成后，用離心機(jī)進(jìn)行固液分離，最后通過(guò)干燥和篩選得到成品乳酸。2.2乳酸發(fā)酵條件及控制2.2.1原料該工藝生產(chǎn)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(fā)酵的菌種該生產(chǎn)工藝選擇的菌種是德氏乳酸桿菌。德氏乳桿菌在分類學(xué)上是屬于真細(xì)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(yáng)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(lái)發(fā)酵生產(chǎn)乳酸，德氏乳桿菌的最適生長(zhǎng)溫度是45℃，但該菌在50℃時(shí)仍具有生物活性，能耐受55℃高溫。（1）菌種的擴(kuò)大培養(yǎng)乳酸發(fā)酵一般為純種培養(yǎng)，接種量為10%，所以必須進(jìn)行菌種的擴(kuò)大培養(yǎng)，其生產(chǎn)方法是將試管原種先接種到10ml試管培養(yǎng)一段時(shí)間后轉(zhuǎn)接到200ml的三角瓶中，再轉(zhuǎn)接到1L三角瓶后轉(zhuǎn)接到1000L種子罐再轉(zhuǎn)接到60m3發(fā)酵罐。該菌種為兼性好氧菌，應(yīng)采用斜面凍結(jié)保存菌種，使用時(shí)進(jìn)行活化處理，將原種轉(zhuǎn)接到10ml試管，在45℃下培養(yǎng)24小時(shí)，適當(dāng)轉(zhuǎn)接多次，再接種到發(fā)酵罐中。（2）接種物成熟標(biāo)志發(fā)酵液中乳酸菌種細(xì)胞密度為7×1010~8×1010個(gè)/ml，大小為（7~8）um×（0.5~0.8）um，鏡檢時(shí)無(wú)大的異染顆粒，無(wú)與菌種有明顯差別的雜菌。2.2.3發(fā)酵工藝控制及注意事項(xiàng)（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(dá)到100Pa，保持表壓100Pa不變30分鐘后，然后再結(jié)束糊化反應(yīng)，此項(xiàng)過(guò)程結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)是無(wú)夾生大米且充分膨脹。糊化過(guò)程結(jié)束時(shí)，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(fā)酵罐。（2）種子罐種子培養(yǎng)基的組成成分與發(fā)酵培養(yǎng)基的組成成分基本相同，每升培養(yǎng)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(yǎng)基后開(kāi)始攪拌，在50℃下培養(yǎng)24小時(shí)。調(diào)節(jié)酸堿度為4.0左右，產(chǎn)酸為0.6~0.7，如果鏡檢合格菌絲體生長(zhǎng)良好，接入蒸煮罐內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)。（3）發(fā)酵罐①發(fā)酵配料：發(fā)酵罐中通入糊化鍋夾套中的冷卻水，節(jié)約生產(chǎn)成本，水溫為50℃左右，加入原料然后定容，培養(yǎng)基濃度為100g/L，然后通入無(wú)菌空氣，即能使料液混合均勻，還能增加溶氧量，加乳酸調(diào)節(jié)酸堿度為4.8-5.0時(shí)，每克大米添加120活力單位的活化酶，其接種量為10%。②發(fā)酵控制：德氏乳桿菌的特點(diǎn)是在45~50℃時(shí)進(jìn)行繁殖，是一種耐高溫的乳酸菌，但不耐高酸，因此發(fā)酵過(guò)程保證酸堿值大于等于4，現(xiàn)今乳酸發(fā)酵所用的中和劑是碳酸鈣。該工藝采用分批添加碳酸鈣來(lái)控制酸堿度，在發(fā)酵后6小時(shí)開(kāi)始添加（酸堿度不得小于5.0），每8小時(shí)添加一次，添加次數(shù)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(yè)生產(chǎn)中泡沫控制不當(dāng)，使發(fā)酵液中產(chǎn)生大量泡沫時(shí)將會(huì)對(duì)該生產(chǎn)過(guò)程造成的巨大危害，比如使得發(fā)酵罐裝填系數(shù)減小，引起原材料的浪費(fèi)以及產(chǎn)物的損失等。我們可以通過(guò)改變發(fā)酵液成分配比以及發(fā)酵工藝的操作條件的控制來(lái)減少泡沫的產(chǎn)生?；蛘卟捎没瘜W(xué)方法即添加化學(xué)消泡劑的方法削弱泡沫的產(chǎn)生，我們還可以通過(guò)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(jī)械消泡器的結(jié)構(gòu)形式主要有柵式、旋轉(zhuǎn)圓盤式、渦輪式和旋風(fēng)分離式等幾種。④發(fā)酵后期管理：殘?zhí)菨舛冉档偷?g/L時(shí)，并且發(fā)酵醪有特別黏性時(shí)，結(jié)束發(fā)酵，此時(shí)德式乳酸菌活動(dòng)減弱，丙酸等雜菌開(kāi)始生長(zhǎng)，向發(fā)酵液中加入石灰石調(diào)節(jié)酸堿度，使發(fā)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(shí)停止通空氣，然后將其靜置、澄清后進(jìn)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(fā)酵液預(yù)熱罐壓料罐第一次板框過(guò)濾沉降罐第二次板框過(guò)濾濃縮酸解第三次板框過(guò)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(yù)熱沉淀流程預(yù)熱罐和沉降罐中的裝液系數(shù)為0.8，所以其中的溶液總量均不能超過(guò)其總?cè)莘e的80%，預(yù)熱罐中液體的pH值保持為10.0，在其中煮沸5min，沉降罐中調(diào)節(jié)其酸堿度不得使其pH低于12，該罐中溫度可達(dá)到85-90℃，MgCl2加量小于2%。（2）第一次板框過(guò)濾壓料罐的的裝液系數(shù)為0.8，所以其進(jìn)料量不得超過(guò)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(guò)2%。（3）雙效蒸發(fā)工藝雙效蒸發(fā)器內(nèi)的蒸汽壓不能超過(guò)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(dá)到70℃的條件時(shí)就能蒸發(fā)濃縮乳酸，脫色罐的裝填系數(shù)為0.72，其進(jìn)料量不能超過(guò)其總體積的72%，該罐中的工作時(shí)間不能小于24小時(shí)，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(yù)熱將發(fā)酵結(jié)束的發(fā)酵液用泵泵入預(yù)熱罐內(nèi)進(jìn)行加熱，使發(fā)酵醪的溫度由50℃升高到80℃左右，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄嚢?，通過(guò)添加堿來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)酵醪的pH值到10，整個(gè)過(guò)程要防止析出無(wú)水乳酸鈣晶體和固體化整個(gè)發(fā)酵醪，為后續(xù)的操作帶來(lái)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?cè)莘e為2.78m3，以空氣做為介質(zhì)。壓縮機(jī)將預(yù)熱液從壓料罐壓入板框壓濾機(jī)，使板框壓濾機(jī)進(jìn)行第一次板框過(guò)濾。（3）第一次板框過(guò)濾：先給壓縮機(jī)中通入75℃左右的的熱蒸汽，預(yù)防發(fā)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(guò)濾層后再慢慢向其中加入物料，進(jìn)行過(guò)濾，當(dāng)濾液的析出量逐漸減少時(shí)，停止向其中通物料。并通入熱水沖洗濾渣，同時(shí)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(diào)節(jié)在pH=12以上，并將發(fā)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(lái)。（5）第二次板框過(guò)濾第二次板框過(guò)濾的主要過(guò)濾物質(zhì)為蛋白質(zhì)、氨基酸等雜質(zhì)，可以很大程度上降低雜質(zhì)含量。其操作方法與第一次板框過(guò)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(fā)在經(jīng)過(guò)雙效蒸發(fā)塔處理后，可以使得乳酸鈣的濃度可達(dá)到26%。雙效塔處理操作前要必須用注意檢查各閥門是否關(guān)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(dá)到180g/kg左右，然后再向酸解罐內(nèi)加入濃硫酸酸解。該過(guò)程需要注意的是要控制溫度不得高于70℃，防止發(fā)酵液的碳化和溫度對(duì)色度比色度的影響。酸解時(shí)用0.1%的甲基紫溶液進(jìn)行檢驗(yàn)乳酸鈣，當(dāng)溶液呈現(xiàn)橘黃色時(shí)表示酸解反應(yīng)完成，酸解反應(yīng)結(jié)束后料液即進(jìn)入第三次板框過(guò)濾。（8）濃縮①工藝條件：常壓下乳酸的在190℃的溫度下乳酸會(huì)完全分解，所以不能被蒸餾出來(lái)。通過(guò)降低壓力來(lái)使沸點(diǎn)降低，使其低于常壓下乳酸的分解點(diǎn)，則會(huì)使乳酸蒸餾出來(lái)。該工藝中濃縮采用的是真空濃縮循環(huán)加熱的方法，該方法濃縮的主要特點(diǎn)是能在較低真空度下利用水的沸點(diǎn)比較低的原理將水蒸發(fā)掉，完成濃縮的目的。操作過(guò)程中，其真空度要控制在0.4-0.6atm之間，物料溫度必須達(dá)到70℃左右，蒸汽壓必也要控制不能超過(guò)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(guān)閉好，必須要保證操作的正常進(jìn)行。然后再打開(kāi)真空系統(tǒng)，使蒸汽發(fā)生器保持工作一段時(shí)間后使其真空度達(dá)到一定的值，到達(dá)特定值后再向其中添加物料。加熱時(shí)要保持真空度在一定的范圍之內(nèi)。后期的檢查指標(biāo)主要是濃縮液的密度，當(dāng)其密度到達(dá)1.18kg/cm3時(shí)表示濃縮反應(yīng)結(jié)束，結(jié)束濃縮時(shí)要先停止加熱，再關(guān)閉真空系統(tǒng)。③產(chǎn)品純度：乳酸鈣溶液酸解后經(jīng)過(guò)初步凈化，再通過(guò)過(guò)濾除去石膏渣，使其乳酸的濃度達(dá)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(fā)器下濃縮后得到工業(yè)級(jí)乳酸。色度濃縮指的是因?yàn)樗岫忍岣吆?，雜質(zhì)中的有色物質(zhì)的反應(yīng)，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(guò)帶電的溶質(zhì)分子與離子交換介質(zhì)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(dá)到分離純化的目的。該法的主要特點(diǎn)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(dá)到工業(yè)級(jí)乳酸的標(biāo)準(zhǔn)。②操作方法：先向交換柱內(nèi)添加732型的陽(yáng)離子，再將料液通入添加有732陽(yáng)離子的離子交換樹脂的交換柱內(nèi)，然后再使料液流經(jīng)701型的陰離子交換柱。離子交換時(shí)要經(jīng)常檢測(cè)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(jīng)經(jīng)過(guò)使用的樹脂，使其重新具有使用性能。再生過(guò)程主要是去除離子交換樹脂中的雜質(zhì)，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(tuán)結(jié)合的雜質(zhì)，使離子交換樹脂回復(fù)靜電吸附能力。

3工藝計(jì)算及設(shè)備選型工藝計(jì)算的主要內(nèi)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(jì)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(jì)算。能量計(jì)算主要是蒸汽用量的計(jì)算和冷卻水用量的計(jì)算。3.1設(shè)計(jì)工藝的條件和要求（1）規(guī)模：年產(chǎn)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(zhuǎn)化率：111%；（5）總發(fā)酵周期：72小時(shí)；（6）發(fā)酵的轉(zhuǎn)化率：90%；（7）年生產(chǎn)天數(shù)：300天計(jì)算；（8）糊化的溫度：90℃計(jì)算；（9）提取過(guò)程總收率：75%；第一次過(guò)濾收率為0.9；第二次為0.92；濃縮的效率為0.9；（10）精制過(guò)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(shè)備計(jì)算及選型3.2.1發(fā)酵罐的選型①發(fā)酵罐的體積單個(gè)發(fā)酵罐的體積為60m3，（其裝液系數(shù)為0.65）。②發(fā)酵罐的數(shù)目單個(gè)發(fā)酵罐單批次生產(chǎn)100%的乳酸的生產(chǎn)量M單管單批量=V發(fā)×裝液系數(shù)×糖濃度×轉(zhuǎn)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(chǎn)100%乳酸的量純?nèi)樗崃繛?000×0.8=800噸發(fā)酵罐所需的罐數(shù)N發(fā)酵罐數(shù)=年產(chǎn)純?nèi)樗崃俊拢昕偣ぷ魅铡羻喂迒闻a(chǎn)量×24÷72）=800÷（300×2.028×24÷72）=4個(gè)取體積為60m3的發(fā)酵罐4個(gè)。3.2.2調(diào)漿罐的選型①調(diào)漿罐的容積單個(gè)調(diào)漿罐的體積是60m3，（其裝液系數(shù)0.75）。②調(diào)漿罐的數(shù)目N=4×V發(fā)酵罐容積×發(fā)酵罐的裝液系數(shù)÷（調(diào)降灌裝液系數(shù)×V調(diào)漿罐）=4×60×0.65÷（0.75×60）=3.47個(gè)取60m3的調(diào)漿罐4個(gè)。3.2.3種子罐的選型（1）單批種子液中的用量（發(fā)酵時(shí)間72小時(shí)，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(shù)（種子罐體積為10m3，裝液系數(shù)是0.75，種子的培養(yǎng)時(shí)間是30小時(shí)）N種=20.8÷（10×0.75×24÷30）=3.47個(gè)種子罐的罐數(shù)為4個(gè)。3.2.4預(yù)熱罐的計(jì)算①預(yù)熱罐容積預(yù)熱罐的單個(gè)體積為12m3（其裝液系數(shù)為0.8）②數(shù)量N預(yù)熱=4×60×0.65÷（12×0.8）×3÷24=3個(gè)生產(chǎn)需要3個(gè)12m3的預(yù)熱罐3.2.5壓料罐計(jì)算①壓料罐容積：?jiǎn)喂摅w積是15m3（裝液系數(shù)是0.8）②壓料罐數(shù)量預(yù)熱過(guò)程：N=4×60×0.65÷(15×0.8×8)=2個(gè)3.2.6第一次壓濾處理量為60×0.75=45m3①板框壓濾機(jī)選型：選擇過(guò)濾能力為0.056的板框壓濾機(jī)，型號(hào)為BMS10÷635-10型。②板框壓濾機(jī)的數(shù)量每天過(guò)濾總面積S=2×45÷（24×0.056×10）=6.7N=6.7÷10≈1臺(tái)③沉降罐體積單沉降罐的體積是15m3（其裝液系數(shù)是0.8）④沉降罐的數(shù)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(jī)型號(hào)與第一次相同：②板框壓濾機(jī)數(shù)量（假設(shè)第一次吸水量為發(fā)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(guò)濾面積是216÷（24×0.056）=16.1臺(tái)數(shù)N=16.1÷10≈2臺(tái)3.2.8雙效塔①雙效塔的裝填系數(shù)為0.75，發(fā)酵液中乳酸鈣濃度為0.085，經(jīng)過(guò)雙效塔其濃度變?yōu)?.26，則其總液量為：V=240×0.65×0.85÷（0.26×8）=7.37m3②雙效塔的數(shù)量N=7.37÷（12×0.75）≈13.2.9酸解鍋（容積是10m3，裝填系數(shù)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(shù)量N=113÷10×6÷24=2.825則生產(chǎn)所需3個(gè)酸解鍋3.2.10第三次板框壓濾①板框壓濾機(jī)型和前面所用機(jī)型相同②需要過(guò)濾的總面積為S=113÷（24×0.056）×0.75÷10=6.31③所需板框壓濾機(jī)的數(shù)目N=6.31÷10≈1臺(tái)3.3生產(chǎn)過(guò)程的物料衡算3.3.1發(fā)酵過(guò)程的物料平衡計(jì)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(chǎn)量×乳酸需要濃度÷生產(chǎn)天數(shù)=1000×0.8÷300=2.667噸/天G1表示乳酸每天的生產(chǎn)量G2=純?nèi)樗岬牧俊戮齐A段的總轉(zhuǎn)化率=2.667÷（0.9×0.96×0.92×0.99）=3.389噸/天G2是指經(jīng)提取工藝后的乳酸含量G3=乳酸量÷提取工藝階段的總轉(zhuǎn)化率=3.389÷（0.92×0.9×0.9）=4.548噸/天G3指發(fā)酵工藝后的乳酸含量因?yàn)榈矸坜D(zhuǎn)化為葡萄糖的轉(zhuǎn)化率為111%，理論轉(zhuǎn)化率是100%，除去損耗后實(shí)際轉(zhuǎn)化率是98%；G4=發(fā)酵后乳酸含量÷（發(fā)酵轉(zhuǎn)化率×葡糖轉(zhuǎn)化率×實(shí)際轉(zhuǎn)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(gè)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(guò)程的物料衡算（1）碳酸鈣的用量由前面計(jì)算可知發(fā)酵后每天乳酸的生產(chǎn)量為4.548噸，碳酸鈣中和乳酸的反應(yīng)中，1分子乳酸與2分子乳酸完全反應(yīng)。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(shí)候，每2分子乳酸會(huì)與1分子硫酸完全反應(yīng)。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(chǎn)乳酸的產(chǎn)量的0.25計(jì)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(chǎn)過(guò)程的能量衡算3.4.1發(fā)酵過(guò)程的能量計(jì)算（1）蒸汽使用量的計(jì)算（間接加熱）①每日成熟乳酸發(fā)酵液的量：每天投料為：6.422×（1-70%）÷10%=19.266噸/天每天投料時(shí)一罐發(fā)酵液中水的用量為：4×60×75%=180噸/天每天成熟的發(fā)酵醪總量為19.266+180=199.266噸/天w=180÷199.266=90.3%②發(fā)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(fā)酵之間的熱平衡為C比熱×G×△T1=C水蒸氣G1△T△T1為發(fā)酵的溫差，其值=80-50=30△T為水蒸氣升溫，值為120-20=70代入數(shù)據(jù)可知G1=3.924×30×199.266÷（70×4.2）=79.8噸/天3.4.2提取過(guò)程的能量衡算（1）沉降罐蒸汽量G2過(guò)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(jìn)入量為240×0.75×1.22=259.3，裝填系數(shù)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(fā)量為V=345.6-44.13=215.170.4atm的蒸汽壓下水的沸點(diǎn)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(píng)估4.1員工工資年生產(chǎn)時(shí)間為300天，每天24小時(shí)，實(shí)行四班三到制度。每班有投料工2人，發(fā)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(shù)員、安全人員、維修工等）2名，每班總?cè)藬?shù)為11人，本廠總?cè)藬?shù)44人。人均年工資為4萬(wàn)元，年總工資為44×4=256萬(wàn)元。4.2概算過(guò)程4.2.1建筑工程費(fèi)表3：建筑工程費(fèi)用圖表名稱面積單價(jià)總價(jià)一層樓房50×30=1500m21500元/m2325萬(wàn)元二層樓房50×30=1500m21500元/m2325萬(wàn)元倉(cāng)庫(kù)15×20=300m21000元/m230萬(wàn)元休息、操作、管理室15×20=300m21000元/m230萬(wàn)元總計(jì)2700m2510萬(wàn)元工廠總占地面積為2700m2，樓房以1500元/m2估計(jì)，倉(cāng)庫(kù)和其他地方按1000元/m2估計(jì)，建廠工程費(fèi)用預(yù)估計(jì)為510萬(wàn)元。

4.2.2設(shè)備購(gòu)買費(fèi)用（1）設(shè)備購(gòu)買費(fèi)用:表4：設(shè)備費(fèi)用圖表名稱規(guī)格型號(hào)（m3）單價(jià)（元/臺(tái)）數(shù)量（臺(tái)）總價(jià)格（萬(wàn)元）發(fā)酵罐單罐大小604100調(diào)漿罐單罐大小6080000540種子罐單罐大小1080000324發(fā)酵儲(chǔ)罐單罐大小6080000324預(yù)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(jī)BMSS10/635-10448泵型號(hào)不定100001212鍋爐8000216各種管道50總計(jì)45496設(shè)備運(yùn)雜費(fèi)費(fèi)用為總價(jià)值的0.05，所以總費(fèi)用為496×0.05=23.45萬(wàn)元，設(shè)備購(gòu)置費(fèi)=23.45+496=519.45萬(wàn)元。（2）設(shè)備安裝費(fèi)是設(shè)備購(gòu)置費(fèi)的0.02倍，工具費(fèi)用是設(shè)備購(gòu)置費(fèi)的0.01倍。安裝費(fèi)=519.45×0.02=10.389萬(wàn)元工具費(fèi)=519.45×0.01=5.1945萬(wàn)元（3）化驗(yàn)設(shè)備和酸度檢測(cè)及測(cè)定儀器總購(gòu)置2套，花費(fèi)約10萬(wàn)元。（4）工藝管道費(fèi)用管材加工費(fèi)用和安裝費(fèi)用是管材費(fèi)的220%，管材的總投資費(fèi)用50×（1+220%）=160萬(wàn)元（5）其他費(fèi)用其他費(fèi)用主要有設(shè)計(jì)費(fèi)、電氣費(fèi)和管理費(fèi)等，總費(fèi)用是工程總費(fèi)用的0.02倍，則其他費(fèi)用=（160+10+5.1945+519.45+10.389）×0.02=14.10067萬(wàn)元（6）不可預(yù)見(jiàn)費(fèi)用是總工程費(fèi)用的0.05倍，其費(fèi)用=（160+10+5.1945+519.45+10.389）×0.05=35.萬(wàn)元設(shè)備的總費(fèi)用=160+10+5.1945+519.45+10.389+14.10067+35.=754.386萬(wàn)元。4.2.3生產(chǎn)成本總估算（1）原材料總費(fèi)用每千克大米價(jià)格為4.5元，4.5×1926.6×1000=元=866.7萬(wàn)元。每麩皮價(jià)格為0.8元，0.8×480.3×1000=元=38.424萬(wàn)元純度為75%的濃硫酸每噸價(jià)格1500元，1010.7×1500=元=151.605萬(wàn)元。每千克玉米淀粉液化酶的價(jià)格為2元，6743.1×2=76.19703萬(wàn)元每千克糖化酶的價(jià)格為10元，67431×10=67.431萬(wàn)元。每噸碳酸鈣240元，677.1×240=16.2504萬(wàn)元。每噸活性炭?jī)r(jià)格2000元，254.1×2000=50.82萬(wàn)元原料的總費(fèi)用為：866.7+38.424+151.602+76.19703+67.431+16.2504+50.82=1267.42443萬(wàn)元。（2）產(chǎn)品總值每噸硫酸銨的銷售價(jià)格為2000元，年生產(chǎn)總值為1000