课程设计

目录

第一章设计概述 (2)

1.1产品概述 (2)

1.1.1乳酸的理化性质 (2)

1.1.2 L-乳酸的用途及功能 (2)

1.1.3国内外生产情况 (3)

1.2设计概述 (4)

1.2.1设计依据 (5)

1.2.2设计范围 (5)

1.2.3设计思想 (5)

第二章工艺概述 (6)

2.1发酵原料的选择 (6)

2.2生产流程 (6)

2.3工艺计算 (7)

第三章物料衡算 (8)

3.1发酵罐 (8)

3.2种子罐 (8)

第四章热量衡算 (10)

4.1发酵罐 (10)

4.2种子罐 (11)

第五章设备选型计算与说明 (12)

5.1发酵罐的设计 (12)

5.1.1发酵罐的尺寸设计 (12)

5.1.2发酵罐搅拌器轴功率计算 (12)

5.2种子罐的设计 (13)

5.2.1种子罐的尺寸计算 (13)

5.2.2种子罐轴功率计算 (14)

5.3发酵液的贮罐计算 (14)

5.4配料罐的计算 (14)

第六章车间厂房布置说明 (15)

6.1车间的生产性质 (15)

6.2 车间布置说明 (15)

6.2.1 生产工艺 (15)

6.2.2设备安装检修 (15)

6.2.3安全技术 (15)

6.3设备安装要求 (15)

设计总结 (16)

参考文献 (16)

第一章设计概述

1.1产品概述

1.1.1乳酸的理化性质

乳酸(Lactic Acid)，学名为α-羟基丙酸(α-Hydroxy-Propanoic-Acid)，分子式为C3H6O3，结构式为CH3CHOHCOOH，相对分子质量90.08，是一种常见的天然有机酸。乳酸分子内含有一个不对称碳原子，具有光学异构现象，有D型和L型两种构型[1]，其中L-乳酸为右旋，D-乳酸为左旋，其结构式见图1。当L-乳酸和D-乳酸等比例混合时，即成为外消旋的DL-乳酸。其中L-乳酸无色澄清或微黄色粘性液体。有吸湿性。能与水、乙醇、丙酮、乙醛、吡啶、乙酸乙酯、苯二甲酸二丁酯、二恶烷和芳烃化合物等任意互溶，不溶于乙炔以外的脂肪烃类化合物。无不良气味，微酸味，水溶液显酸性反应，在氯仿中不溶。

1.1.2 L-乳酸的用途及功能

1．食品行业：主要用于糖果，饮料（如啤酒，葡萄酒及乳酸类饮料）等食品加工业中，作为酸味剂及口味调节剂，被称为绝对安全的食品添加剂。另还可用于清凉饮料、蔬菜的加工和保藏；

2．医药行业： L- 乳酸(L-lactic acid)是一种重要的医药中间体，可用作生产红霉素林格氏液输液、L 乳酸钙、 L 乳酸钠、 L 乳酸锌、 L 乳酸亚铁等药物还可用作手术室、病房、实验室等杀菌消毒剂3．化妆品：可用作滋润剂、保湿剂、皮肤更新剂、 PH 调节剂、去粉刺剂、去齿垢剂；

4．农药行业： L- 乳酸具有很高的生物活性，对农作物和土壤无毒无害，可用作生产新型环保农药，在日、美等发达国家已得到大力的推广。

5．烟草行业：适量加入 L- 乳酸，可提高烟草的品质，并保持烟草的湿度。

6. 皮革制造业：可使皮革柔软细腻，从而提高皮革的品质。

7. 纺织工业：可用来处理纤维，可使之易着色，增加光泽和触感柔软；

8．其他行业：除了以上用途外， L- 乳酸还可用来生产生物降解塑料 -- 聚乳酸和绿色环保溶剂—L 乳酸甲酯、 L 乳酸乙酯等。

包装运输：250Kg聚乙烯桶；客户要求。L-乳酸置于阴凉干燥处，注意防潮、防晒、防污染。

1.1.3国内外生产情况

L－乳酸的工业化生产主要有化学合成法、酶法和微生物发酵法。国外三种方法都有报道，我国多采用发酵法为主

（1）发酵法

微生物发酵法生产乳酸，可通过菌种和培养条件的选择而得到具有专一性的L-乳酸。发酵法生产乳酸除能以葡萄糖、乳糖等单糖为原料外，还能以淀粉、纤维素为原料发酵生产乳酸，因此，微生物发酵法生产乳酸因其原料来源广泛，生产成本低、产品光学纯度高、安全性高等优点。按照发酵微生物的种类可分

为细菌发酵和根霉发酵。

（2）化学合成法

化学合成法生产乳酸可通过多种途径进行，其中具有现实意义的是乳腈法[6]。该法是乙醛与氢氰酸经碱性催化剂作用生成乳腈，这是一个液相反应，在常压下进行，粗乳腈通过蒸馏回收纯化并用浓盐酸或硫酸水解为乳酸，还产生相应的氨基酸副产物，粗乳酸用甲醇酯化得乳酸甲酯，精馏后再水解为乳酸。乳酸的其它一些可行的化学合成法还包括醋酸乙酯羰基化法、乙醛羰基化法、糖的碱性催化水解、丙烯乙二醇氧化、乙二醇的硝酸氧化等[8]。

（3）酶法

酶法生成乳酸主要有2-氯丙酸酶法转化和丙酮酸酶法转化两种[9,14]。日本东京大学的本崎等人研究了

用酶法生产乳酸，他分别从恶臭假单孢菌(Pseudomonas putida)和假单孢菌113细胞中抽提纯化出L-2-

卤代酸脱卤酶(简称为L-酶)和DL-卤代酸脱卤酶(简称为DL-酶)，使之作用于底物DL-2-氯丙酸，就可制得L-乳酸或D-乳酸。Hummel等从D-乳酸脱氢酶活力最高的混乱乳杆菌(Lac-Confusus) DSM20196菌体中得到D-乳酸脱氢酶，以无旋光性的丙酮酸作底物制得D-乳酸。

化学合成法的缺点是产品为外消旋乳酸即DL-乳酸[15]。另外，由于合成法所用的原料是乙醛和剧毒物氢氰酸，尽管美国食品和药物管理局(FDA)已将合成法生产的乳酸列为安全品，但许多人还是对其安全性表示担心，加之其生产成本较高，因而合成法生产乳酸大大受到限制。

酶法生产乳酸虽可以专一性地得到旋光乳酸，但工艺比较复杂，应用到工业上还有待于进一步研究[17]。

微生物发酵法生产乳酸，可通过菌种和培养条件的选择而获得具有立体专一性的D-乳酸或L-乳酸或是两种异构体以一定比例混合的消旋体，以满足生产聚乳酸的需要。另外发酵法生产乳酸除能以葡萄糖、乳糖等单糖为原料外，还能以淀粉、纤维素为原料发酵生产乳酸。因此，微生物发酵法生产乳酸因其原料来源广泛、生产成本低、产品光学纯度高、安全性高等优点而成为生产乳酸的重要方法[18,20]。

我国乳酸工业始建于20世纪40年代，起步发展于20世纪80年代中期至90年代初期，目前，我国正常生产的乳酸生产厂家有20余家，总生产能力约为2万吨，实际产量约为1.5万吨。我国乳酸生产与国外先进水平仍有较大差距，乳酸生产规模较小，发酵罐仅30吨/台-60吨/台，产酸率较低；产品品种仍以DL-乳酸为主，占80％，产品色度质量不高[21]：另外在后提取方面更有较大差距，总体上生产成本较商。某些规划中要上的L-乳酸项目基本徘徊在年产3000～5000吨的规模，规模效应远不如国外。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。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。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。

我国乳酸的最大消费领域是香料和香精行业，其用量约占乳酸总消费量的40％，主要用于生产乳酸乙酯用于调制各种酒类[22]。在啤酒工业中，调节麦芽汁pH，目前全国约有25％的啤酒生产厂在使用乳酸，年消费量约为3000t。我国的L-乳酸只占乳酸产量的2-5％，且每年需要进口数万吨优质的L-乳酸，据专家预测，PLA在未来10年中，可达10亿磅／年的市场规模，可见其对L-乳酸消费增长和市场成长将具有极大推动作用。正因为L-乳酸有着广泛的用途和良好的市场前景，所以自L-乳酸问世以来，就在国际市场上颇受追捧，需求增长迅速，其市场价格为维持在2万吨左右。作为一种重要的食用有机酸，L-乳酸的需求量仅次于柠檬酸，其市场需求正以每年超过10％的速度在增长。目前，国内市场需求量在5万吨以上，国际市场需求量约在30万吨，而我国虽然是有机酸出口的大国，但高品质的L-乳酸的生产和供应却很少，目前我国L-乳酸的年产量不足3万吨，可见该产品的市场发展前景广阔，颇具开发潜力[22,23]。我国生产的乳酸产品除满足国内需求外，每年都有一定量的出口，出口国家和地区主要是日本、韩国以及其它一些东南亚国家和地区。

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。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。近年来，已有各种商品投放市场，如手术缝合线、