年产2000吨乳酸的工厂设计开题报告

1.研究意义乳酸，又称2-羟基丙酸，纯品为无色液体，工业品为无色到浅黄色液体，无气味。它是一种用途很广的有机酸，产量和消费量在有机酸中仅次于柠檬酸。例如，乳酸及其衍生物常作为调味剂^[1]、防腐剂和强化剂等广泛应用于食品加工、医药和工业生产^[2]。据统计，在世界范围内，不同国家和地区的乳酸消费用途比重各有不同^[3]。但综合来看，乳酸主要用于食品加工行业。然而，随着人们食品安全意识的增强，乳酸作为食品添加剂应用的所占比重逐渐减少，工业生产和饲料行业中的乳酸消费量逐年增加^[4]。研究发现利用乳酸可直接缩聚得聚乳酸，一种绿色环保的新型高分子聚合物材料，可完全生物降解^[5-6]。聚乳酸及其复合材料广泛应用于生物医药、轻工业等各领域^[7-8]。在倡导低碳环保，节约能源的世界环境下，聚乳酸的生产和应用逐渐趋向产业化，导致乳酸行业的市场发展前景也越来越好。因此，乳酸消费水平的迅速上升对该产业内企业的生产能力有了更高的要求。乳酸的工业生产技术主要有化学合成法和微生物发酵法。目前，国内工业生产乳酸多采用发酵-钙盐法，即将德氏乳杆菌等乳酸菌接入大米、玉米等淀粉质糖化液中发酵。在这种生产模式下，乳酸的产量和质量受诸多因素影响（原料，发酵参数控制，提取工艺等）。以大米为代表的淀粉质原料中含有大量蛋白质，发酵后因无法有效分离而随废物一同排出，导致原料利用率低^[9]；菌种发酵条件严格，难以控制，且发酵周期长，易染杂菌^[10]；提取精制工艺步骤繁琐，分离效率差，产品纯度低，且成本高^[11]。因此，为推动乳酸及其衍生物产业的发展，应从产品本身和经济效益两方面考虑，分析各步骤生产工艺技术的优劣，设计出最佳的乳酸生产工艺。2.国内外研究进展发酵法是传统的乳酸生产工艺，现在工业乳酸大多通过发酵获得。首先，发酵原料的选择因地制宜，国外多选用糖蜜等糖类物质，国内则以大米等淀粉类物质为主。近年来，以玉米芯、秸秆等可再生原料发酵产乳酸逐渐成为许多大型企业的首选。原料预处理方式也是如此，国外多采用清液发酵生产乳酸，而国内大部分企业都采取非清液发酵。清液发酵有利于发酵过程中的质量传递和发酵液的分离提取^[12]。其次，为进一步提高产量，降低成本，开发乳酸发酵新技术成了近年来国内外的研究重点。最新的乳酸生产技术有共培养，代谢工程，原位产物分离发酵，循环细胞发酵和同步糖化发酵等^[13-14]。其中，同步糖化发酵是将原料糖化和发酵两步耦合在同一发酵池内，简化了生产步骤，同时解除了糖化酶反应后期的产物抑制和菌种发酵初期的底物抑制，有效缩短了生产周期、减小能耗并提高产能^[15]。目前，同步糖化发酵技术正逐渐被应用到乳酸工业发酵生产中。乳酸的提取和精制技术也是提高产品产量和品质的关键。目前，投入大批量生产中的提取方法有钙盐法、离子交换法、酯化法、萃取法和分子蒸馏法^[16]。钙盐法是传统乳酸发酵液预处理方法，所用石灰石成本低，分离操作简便，现仍被广泛应用。但钙盐法处理发酵液后产生的大量Ca(OH)2等杂质的废物处理成为难题，环境污染严重，产品收率低^[17]。因此，膜分离法、电渗析法和高真空蒸溜法等高效分离技术^[12]与发酵过程结合的生产工艺流程研究和设计成为了推动乳酸产业进步的关键。3. 应用前景据统计，2018年全球乳酸市场（乳酸及其衍生物）消费量约为51.8万吨，预计未来五年以5.6的复合增速增长。随着聚乳酸技术成熟并逐渐趋向产业化，未来市场还会不断拓展，从而上游乳酸行业的市场需求增加。目前，中国是世界第一大乳酸出口国，但因品质差异，产品价格相对欧美便宜。生产工艺的优化和创新是国内乳酸行业不断发展的必要条件。因此，厂家必须优化乳酸生产工艺，增大原料的利用率，缩短生产周期，减小能耗，降低生产成本，实现清洁生产，同时保证乳酸产率和品质，以此满足日益增长的世界市场需求。