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发酵工程课程设计说明书年产10万吨乳酸发酵工艺设计学生姓名：学号：学院：专业：指导教师：2013年12月张玮1104064221化工与环境学院生物工程高莉中北大学课程设计说明书第1页共2页目录1引言.....................................................................11.1乳酸的性质及其应用.......................................................11.1.1乳酸性质...............................................................11.1.2乳酸在各行业中的应用...................................................11.1.3微生物发酵法生产乳酸...................................................21.1.4国内外乳酸生产概况及市场前景分析.......................................21.2细菌发酵生产乳酸研究进展.................................................21.2.1乳酸细菌简介及其营养需求...............................................21.2.2乳酸细菌发酵培养基的改进和优化.........................................42乳酸的制备...............................................................62.1菌种选育.................................................................62.1.1菌种的选择性分离.......................................................62.1.2诱变育种的基本原理.....................................................72.2菌种保藏.................................................................72.3设计培养基...............................................................72.3.1培养基配置的原则.......................................................72.3.2德氏乳杆菌的培养基及培养条件...........................................82.4灭菌.....................................................................82.4.1仪器灭菌...............................................................92.4.2培养基灭菌.............................................................92.5种子扩大培养............................................................102.5.1实验室种子制备........................................................112.5.2生产车间种子制备......................................................112.5.3影响种子质量的因素....................................................112.6发酵过程及工艺控制......................................................112.6.1发酵过程技术原理......................................................112.6.2发酵过程的补料策略....................................................112.6.3发酵影响因素..........................................................122.6.4发酵终点判断..........................................................133工艺计算................................................................153.1物料衡算................................................................153.1.1发酵罐................................................................153.1.2发酵液物料衡算........................................................163.1.3种子罐计算及种子培养基组分计算........................................174下游加工过程............................................................204.1发酵液的预处理和固液分离................................................204.2乳酸的提取..............................................................204.3乳酸结晶................................................................20中北大学课程设计说明书第1页共2页5设计总结................................................................226设计体会................................................................23参考文献...................................................................24中北大学课程设计说明书第1页共２４页1引言1．1乳酸的性质及其应用1.1.1乳酸的性质乳酸(lacticacid)，学名2-羟基丙酸(2-hydrxy-propionicacid)，分子式为：C2H5OCOOH，其广泛存在于人体、动物、植物和微生物体内。乳酸分子中因含有一个不对称碳原子而具有旋光性，从而具有D(-)-型和L(+)-型两种构型。L(+)-乳酸为左旋性，D(-)-乳酸为右旋性，当L(+)-乳酸和D(-)-乳酸等比例混合时，即成为消旋的DL-乳酸。消旋乳酸在自然界中广泛存在，一般商品乳酸主要是DL-型乳酸。乳酸通常是乳酸(C3H6O3)和丙交酚(C6H10O5)的混合物，为无色透明或浅黄色糖浆状的粘状液体，几乎无臭或略带脂肪酸臭，味酸，与水、乙醇、乙醚、丙二醇、甘油、丙酮混溶，几乎不溶于氯仿、石油醚和苯。1.1.2乳酸在各行业中的应用乳酸是重要的生物化工产品，它在食品、医药、饲料、环保、卷烟、皮革等领域有着广泛的应用。（1）乳酸在食品工业中的应用由于乳酸酸性柔和且稳定，有助于改善食品的风味，在食品工业上广泛用作酸味剂、防腐剂、还原剂及pH调节剂。世界上四分之一的乳酸用来生产硬脂酰乳酯酸。乳酸的盐类——硬脂酰乳酯酰钙(CSL)和硬脂酰乳酯酰钠（SSL），大量用于面包加工，不但使面包质地松软、细腻，而且可延长保存期。（2）乳酸在医药行业中的应用L-乳酸可用作消毒剂，药物中间体，还可以生成多种具有生物相溶性的聚合物。这些聚合物具有生物可降解及生物可吸收的性能，在医学中可作为缓释胶囊制剂、生物降解纤维、生物植片等。乳酸钠可用于治疗矿物质缺乏症。（3）乳酸在饲料工业中的应用由发酵获得的粗乳酸铵溶液，可直接作为反刍动物的饲料添加剂。乳酸菌的发酵液若用水稀释后，可以浇灌水稻等农作物，具有改良土壤、增加产量的效果；也可以直接作为药剂，喷洒于人工养殖对虾的养殖场所，可以防治水产品的病害。中北大学课程设计说明书第2页共２４页（3）乳酸在环保中的应用生物可降解乳酸聚合物可用于制造食品类塑料制品和容器、非回收手巾、个人卫生用品、废物袋等，可以有效的避免白色污染。1.1.3微生物发酵法生产乳酸发酵法最早见于1841年Boutron和Fremy的记载中，其生产方法是将麦芽或酸乳放入淀粉或牛乳中使其自然发酵，然后用碳酸钙逐渐中和所产生的乳酸。实际的工业生产始于1881年美国阿伏利公司，其以玉米、小麦、大米、3～6天。工业上常用德氏乳酸杆菌发酵,90%以上,产品主要为DL-用米L-乳酸，国内目前的L-乳酸研究还不够成熟，乳酸产品90%左右仍为DL-乳酸。微生物发酵法因其工艺简单、原料充足、发展较早而成为比较成熟的生产方法，约占乳酸生产的70%，但生产周期长，只能间歇或半连续化生产，且原料生产成本还比较高。1.1.4国内外乳酸生产概况及市场前景分析目前，全世界乳酸的总生产能力约为25万吨/年，产量约为13万吨/年，主要生产地区为美国、西欧、日本和中国等，近80%的厂家采用发酵法。由于乳酸用途的不断扩大，用乳酸为原料生产的系列产品如生物可降解材料等也逐年增加，世界上乳酸需求量递增很快，增长率高达15%。国外主要生产厂家有美国STERLING化学公司、ADM公司和CARGILL公司、荷兰的CCA生化公司及其在巴西和西班牙的分厂以及日本的武藏野化学研究所等，各公司年生产乳酸能力都在万吨级以上，主要产品为L-乳酸，一般采用玉米、糖蜜等廉价农工废料进行生产，用有机溶剂萃取乳酸等方法对乳酸进行提取精制，得出的产品纯度较高。国内乳酸总生产能力为2万吨/年，实际产量约1.5万吨/年。国内乳酸生产厂家主要有河南郸城金月一乳酸厂、湖北孝感光水乳酸厂、江苏欲城生物化工有限公司等，年产量为1.77万吨左右。我国乳酸生产技术与国外先进水平仍有较大差距，仍采用传统的间歇式发酵技术，乳酸生产规模较小，发酵罐仅300吨/台至600吨/台，产酸率较低。产品品种仍以DL-乳酸为主，年产量仅1万余吨。产品质量规格方面，我国多为DL型，L-乳酸只占10%，产品色度不高，在后提取方面更有较大差距，仍以传统的钙盐法为主，总体上生产成本较高。1.2细菌发酵生产乳酸研究进展1.2.1乳酸细菌简介及其营养需求中北大学课程设计说明书第3页共２４页用于工业生产乳酸的细菌主要有乳杆菌属（Lactobacillus）、明串珠菌属、链球菌属。由于有些乳酸细菌能产生淀粉酶，所以应用这类细菌发酵淀粉质废弃物，不必进行糖化，可以直接发酵，有利于工艺的简化。已报道能水解淀粉的乳酸细菌包括：植物乳杆菌、嗜酸乳杆菌、纤维二糖乳杆菌、发酵乳杆菌、解淀粉乳杆菌、食淀粉乳杆菌和嗜淀粉乳杆菌等。目前工业上普遍采用的是德氏乳酸杆菌和嗜热乳杆菌。在乳酸发酵生产中，细菌的理论转化率为100%，在实际工业生产中可以达到90%以上，碳源的利用率很高，并且可以转化利用作物秸秆及林业废料等可再生资源；乳酸细菌多属于兼性厌