五水乳酸钙发酵生产工艺课程设计.docx

摘 要乳酸钙（Calcium lactate）是一种优良的补钙剂，具有促进骨骼及牙齿的钙化形成、维持神经与肌肉的正常兴奋性和降低毛细血管通透性等作用。因其溶解度较小，一般仅供口服给药。口服吸收慢，在体内过程与氯化钙相似。除此之外，乳酸钙的用途非常广泛，除了用于药品，还可用于食品添加剂，或者饲料添加剂等1。本次设计采用发酵法，选用德氏乳杆菌发酵L-乳酸与石灰乳反应生成乳酸钙的方法，设计年产量2000吨的乳酸钙发酵工厂。关键词：乳酸钙；德氏乳杆菌；发酵法目 录第一章 绪论.11.1乳酸钙的概况.11.2乳酸钙的性质.1 1.3 乳酸钙的用途2 1.4 发酵法制备乳酸钙.3第二章 生产工艺52.1 工艺流程52.2 工艺原理6第三章 工艺平衡计算113.1 设计生产任务113.2 培养基成分113.3 糖化及发酵工段113.4 提取工段15致 谢17参考文献.18第一章 绪论1.1乳酸的概况乳酸钙，分子式：CH3CH(OH)COO2Ca5H2O 分子量：308.3 。为白色颗粒或粉末，无异味，口尝味苦。微有风化性，易溶于热水，不溶于乙醇、乙醚和氯仿。具有溶解度高、溶解速度快、生物利用率高、口感好，广泛应用于乳制品、饮料、食品保健品等领域。精密称取供试品约0.3g，加水100mL加热使溶解，放冷，加氢氧化钠试液15mL与钙紫红素指示剂0.1g，用乙二胺四醋酸二钠滴定液（0.05%）滴定至溶液由紫红色转变为纯蓝色1。根据现代婴幼儿生理特征及饮食习惯，研制出科学喂养宝宝的含复合益生元成份的“乳酸钙葡萄糖”，产品采用最优质的特级无水葡萄糖为原料，特别添加乳酸钙，锌，铁等多种维他命营养素，以最新的科学结合先进生产工艺精制而成，口味清甜，冲饮方便，是年轻父母首选的婴幼儿新一代理想营养食品3。1.2乳酸的性质分子式：C6H10CaO6化学式：2(C3H5O3).CA分子量：218.22上游原料:L-乳酸、氢氧化钙、氢氧化钙、乳酸、乳酸、碳酸钙、碳酸钙储运特性：库房通风低温干燥毒性分级：中毒可燃性危险特性：热分解辛辣刺激烟雾类别：有毒物质1.3 乳酸钙的用途乳酸钙的用途非常广泛，除了用于药品，还可用于食品添加剂，或者饲料添加剂等。1.3.1 乳酸钙的药用作用根据乳酸钙的用药说明，乳酸钙主要是用于预防和治疗钙缺乏症(如手足抽搐症、骼发育不全、佝偻病)或者小儿、哺乳期或者孕期妇女的钙盐补充。也用于慢性肾衰竭患者的低钙血症，还可用于过敏性疾病及结核病的辅助治疗。乳酸钙通过口服的形式吸收缓慢，口服本药后约 1/3 在肠道吸收，吸收随年龄增加而减少；当机体有缺钙症或饮食中钙含量低时，或者机体处于妊娠期和哺乳期时，钙吸收量明显增高。钙可分泌进汗液、唾液、乳汁或者胆汁等。正常人体血清钙浓度为 2.252.50 mmol/L( 911 mg/dL)，在人体中还有甲状旁腺激素、降钙素、维生素 D 的活性代谢物用以维持血钙含量的稳定性。血浆中约 45%钙与血浆蛋白结合，大部分没有被吸收的钙都经过粪便排出体外，大约占总钙量的 80%，剩下的经过肾脏排出体外。1.3.2 乳酸钙作为食品添加剂钙盐一般都稍带苦味和鸡蛋味。Tordoff 提出过各种钙盐的详细感官检验的报告。乳酸钙和氯化钙等比较时，苦味感觉不比其他盐低，但阈值高。阈值是人们对某种物质感到味觉的最低浓度，通常是以被检测物质中半数的味觉感受浓度所表示，这是呈味度所表示的指标之一，该值越高，表示越难以呈现苦味。乳酸钙作为食品添加剂可以改善食品的口味，或者作为营养强化剂。有相关报道证明乳酸钙添加到某些食物中去的确有增强其营养价值的作用。1.3.3 乳酸钙作为饲料添加剂在动物饲养业中经常需要往饲料中添加一些营养物质，以满足动物的营养需求，也可能是为了改善饲料的性质和作用等，这些被添加入饲料中的微量无害物质的总和被称为饲料添加剂。对于水分含量高的饲料或者贮藏于高温、高湿条件下的饲料，可以用到防霉剂，而乳酸钙就是一种防霉剂，同时它还可以改善某些动物的消化吸收，有些动物需要在饲料中添加一些钙剂，例如在蛋鸡的饲料中就需要添加一些钙质，保证蛋壳的正常硬度。因此乳酸钙被广泛应用于饲料行业中。1.4.1 发酵法制备乳酸钙1.4.1.1 菌种选育能用来进行乳酸发酵的菌株主要有霉菌中的根霉属（Rhizopus）和细菌中的乳杆菌属（Lactobacillus）、芽孢杆菌属（Bacillus）和部分链球菌属（Streptoccoccus）。早在1884年Eijkmann指出，根霉所产生的酸可能为乳酸，1901年Chrzaszz证明了这一结论。福井研究发现，产L（+）-乳酸较多的根霉菌种有：黑根霉（Rhizopus nigrican）、爪 哇 根 霉 （ Rhizopus.jaranicus ） 、 小 麦 曲 根 霉 （ Rhizopus.frifici ） 、 华 根 霉（Rhizopus.chinensis）、甘薯根霉（Rhizopus.batata）、米根霉（Rhizopus.oryzae）、结节 根 霉 （ Rhizopus.nodosus ） 、 日 本 根 霉 （ Rhizopus.japonicus ） 、 东 京 根 霉（Rhizopus.fonkinensis）、高温根霉（Rhizopus.thermosus）、少根根霉（Rhizopus.arrhizus）、美丽根霉（Rhizopus.elegens）等十多种。 细菌发酵生产乳酸的菌种主要是乳杆菌属，现在研究的比较多的有鼠李糖乳杆菌（Lactobacillus rhamnosus），它是属于同型乳酸发酵，每个葡萄糖分子可以生产两分子的乳酸，且都是L型的，对葡萄糖的转化率也比较高，它的研究已经成为相关领域的研究热点之一。另外还有很多其他能进行乳酸发酵的菌株，乳杆菌属主要有干酪乳杆菌（Lactobacillus casei）、唾液乳杆菌（Lactobacillus salivarius）、嗜热乳杆菌（Lactobacterium thermophilum）、嗜酸乳杆菌（Lactobacillus acidophilus）、清酒乳杆菌（Lactobacillus sake）、嗜淀粉乳杆菌（Lactobacillus amylophilus）、德氏乳杆菌（Lactobacillus delbrueckii）、植物乳杆菌（Lactobacillus Plantarurn）等。芽孢肝菌属主要为凝结芽孢杆菌属（Bacillus coagulans），链球菌属有嗜热链球菌（Streptococcus thermophilus）。1.4.1.2 发酵类型发酵法原料主要是葡萄糖、淀粉等糖质碳源，经由微生物发酵而得到中间产物乳酸。目前主要有根霉属和细菌中的乳酸菌属这两类应用最为广泛。按发酵过程糖类的代谢过程和产物的不同，可将乳酸发酵分为三种类型：同型乳酸发酵（Homofermentation）、异型乳酸发酵（Heterofermentation）和混合酸发酵（Mixed acid fermentation）。发酵法制备乳酸钙可分开为两个阶段，第一阶段是微生物中间代谢产物乳酸的富集，这一阶段有三种不同的类型。 同型乳酸发酵这类发酵只有乳酸这唯一的代谢产物，碳源的代谢途径是糖酵解（EMP 途径），首先将葡萄糖转化成丙酮酸，然后在乳酸脱氢酶的作用下还原成乳酸。在这个途径中，1 mol 葡萄糖生产 2 mol 的乳酸，其理论转化率为 100%。但是实际生产中不可能有 100%的转化率，因为微生物还有些其他的生理活动需要消耗碳源，因此转化率达到 80%便可认为是同型乳酸发酵异型乳酸发酵这种代谢主要是磷酸戊糖途径（HMP 途径），葡萄糖被分解为 5-磷酸核酮糖，然后依次经由一系列酶催化生产乳酸，代谢途径见图 1.2。不过这种途径 1 分子葡萄糖最终只能生产 1 分子乳酸，另外有 1 分子乙醇、1 分子 CO 2 和 1 分子 ATP。因此这种发酵方式的最大转化率为 50%。本次发酵利用同型乳酸发酵，因其转化率高，不产生其他副产物，方便提取，节约成本第二章 生产工艺2.1 工艺流程原料菌种灭菌糊化种子罐（二级种子）摇瓶培养（一级种子）发酵罐糖化碳酸钙浓缩过滤、脱色结晶、干燥成品 图2-1 乳酸钙发酵工艺流程2.2 工艺原理2.2.1 预处理（糊化）淀粉在常温下不溶于水，但当水温至53以上时，淀粉的物理性能发生明显变化。淀粉在高温下溶胀、分裂形成均匀糊状溶液的特性，称为淀粉的糊化（Gelatinization）。生淀粉在水中加热至胶束结构全部崩溃，淀粉分子形成单分子，并为水所包围而成为溶液状态。由于淀粉分子是链状甚至分支状，彼此牵扯，结果形成具有粘性的糊状溶液，这种现象称为糊化。淀粉糊化温度必须达到一定程度，不同淀粉的糊化温度不一样，同一种淀粉，颗粒大小不一样，糊化温度也不一样，颗粒大的先糊化，颗粒小的后糊化。按淀粉质量比20%与水混合制成淀粉浆。用5% Na2CO3调节pH=6.26.3，加入5%CaCL2溶液，于90-95加热，并不断搅拌，淀粉浆由开始糊化直至完全成糊。 2.2.2 糖化糖化的方法，视要求产物的甜度以及相应的理化性质而定，基本上分为三类。糖化酸法酸法系以无机酸作催化剂，使淀粉水解，先生成中间产物糊精、麦芽糖等类低聚糖寡糖，最终生成葡萄糖等单糖。有批量作业的加压罐法和连续作业的管道法。糖化酶法酶法系采用淀粉酶进行淀粉的水解。淀粉先经液化酶液化生成糊精等中间产物，再经糖化酶糖化生成麦芽糖以至葡萄糖。这样，由于全用酶水解故称全酶法。用液化酶和糖化酶，也称双酶法。糖化酸酶结合法酸酶结合法系采用酸法液化，酶法糖化，互相结合的方法。由淀粉糖化制取的产品为淀粉糖品。通常以水解程度或糖化程度，按葡萄糖当量计值(简称DE值)为淀粉糖品的特征指标。淀粉糖品有糖浆、糖浆粉、结晶糖等。除高纯度结晶糖品外，多为各以葡萄糖、麦芽糖或果糖等为主的混合糖品。可直接作甜味剂食用，或用作食品工业的配料，作医药工业中工业发酵的糖原基料。本次设计选取双酶法，使用液化酶和糖化酶。本次设计采用同步糖化发酵技术，是将糊化液直接通入发酵罐中，并向其中添加糖化酶使淀粉糖化生成葡萄糖，糖化酶的酶活力随温度的升高而增大，最适温度为55，最适pH值为4.0-4.5.该技术克服传统发酵中糖化酶的产物抑制作用和因初始糖浓度过高而引起的底物抑制作用，节约生产成本且提高乳酸生产效率作用。2.2.3 发酵2.2.3.1 菌种菌种：采用德氏乳杆菌（Lactobacillus delbrueckii）为菌种。 （1）分类：属真菌目，乳杆菌科，乳杆菌属，细胞呈杆状，大小2.0-9.00.50.8um。单个或短链，革兰氏阳性，不运动。能利用麦芽糖，蔗糖，葡萄糖，果糖，半乳糖、糊精等，发酵产生D-乳酸，少数菌种产生DL-乳酸，在不加中和剂的情况下，最高生成乳酸浓度可达16g/L，最适合生长温度为45，在50时仍能旺盛生长、产酸，最高能耐55。在琼脂平板培养基上菌落扁平，呈锯齿形；明胶平板培养基上菌落呈灰色，环状；在琼脂斜面培养基上呈半透明、灰色条纹。 （2）菌种的扩大培养：乳酸发酵生产必须采用纯种培养，并且接种量相当大，一般为5%10%，因此生产中需要采用菌种的扩大培养操作，其步骤如下：试管原种10mL试管200mL三角瓶1-3L三角瓶200-300L种子罐2000-3000L种子罐。因德氏乳杆菌为厌氧或者兼性好氧菌，应采用斜面冻结保存或冷冻干燥保存，使用时先进行活化，将保存的原种转接到10ml 5Bx麦芽汁的试管中，然后在45C下培养24h，可适当转接多次，再经过一级种子活化，二级种子活化，最后即可使用。 （3）德式乳杆菌接种物成熟指标：醪液中积累乳酸5.7g/L，细胞密度7101081010个/mL，细胞大小为（78）um（0.50.8）um，镜检可见到24个细胞排列成链，细胞原生质均匀，无大异染颗粒。不得检出形状和大小与德式乳杆菌有明显差别的杂菌。（4） 种子罐培养：接种量：10%；含酶4.0；酸度0.6-0.7；周期30-40小时。种子培养基与发酵培养基皆不必灭菌，接入到三角瓶中培养，开动搅拌，在50左右培养30-40小时。2.2.3.2 发酵操作（1）配料：发酵罐中先放一定量的冷水，可利用糊化罐进冷却水，水温50-55，放入原料，加水定容，发酵培养基浓度约100g/L，往罐中通入压缩空气，使料液翻匀，加乳酸调至pH4.8-5.0，温度50-52时加糖化酶，每克淀粉100单位，接种量10%翻匀，进行发酵。 （2）发酵控制：乳酸菌不能耐高酸度，发酵过程中pH5.5，发酵开始后约6小时，开始加CaCO3进行中和。CaCO3天家总量为大米总量的3/4，考虑发酵罐填充系数等因数，CaCO3分批添加，每次加入总量的1/6，每8小时加一次，分6次加完。每加一次都要通过压缩空气搅拌，发酵过程维持料温度501，每隔3小时测试一次。 （3）发酵后期管理：当测试残糖降至1g/L以下时，表明发酵结束，总发酵时间约144小时，往罐中添加石灰以中和过量乳酸，使料液pH升至1112，再加碱时要通气翻拌均匀，待石灰溶解后停止通气，使菌体杂质沉淀下来，用泵抽出液相，送入板框过滤机，沉渣滤出，用少量冲洗发酵罐，沉渣与洗涤水一般置于另一容器中沉淀。这种上清夜与上述滤液一并集中在处理池中升温至85，加入12g/L MgCl2溶液及适量的石灰乳，用压缩空气搅拌，此时可见大量絮状物出现，澄清后进行提取工序。 （4）放罐：发酵结束时，pH5.5-6.0残糖低于1g/L，可放罐，先将罐温升到90，杀灭乳酸菌，使乳酸钙溶解，加入MgCl和足量石灰乳，让乳酸全部转化为乳酸钙，压入贮罐或板框，压完后关闭进空气阀，排出罐口空气，打开人孔盖，用水洗罐，再盖上人孔盖，排出洗水。 （5）发酵液处理应注意问题：乳酸发酵通常在过剩的CaCO3存在的情况下进行，生成5个水的水合型乳酸钙，由于杂质存在，发酵近结束时，发酵醪有一种粘性。在初糖浓度较高时，如不注意就会有五水乳酸钙针状晶体析出，晶体空隙也含水分，从而使整个发酵醪固体化，给后面操作带来麻烦。因此在乳酸菌活动减弱，料液浓度开始下降时要及时升温至90-100，并同时加入石灰乳调pH至9.5-10。搅匀后静置46小时，使菌体悬浮物下沉，为避免乳酸钙结晶析出，澄清过程保温55，将上清液放出，沉淀单独处理。2.2.4 提取工艺2.2.4.1 工艺流程：第二次板框过滤第一次板框过滤压料罐发酵液浓缩结晶，离心，干燥，包装脱色成品图2-2提取工艺流程框图2.2.4.2 特点：发酵结束后，趁热操作，加石灰调节pH至10左右，放入沉降罐使菌体杂质沉淀下来，过滤后进行双效蒸发，进行第一次板框压滤，经过第二次板框过滤后，蒸发浓缩，同时加活性炭脱色处理，经过滤后得乳酸清液，放入计量罐，桶装成品。2.2.4.3 第一次压滤压缩机先通入热水或蒸汽预热至70-80。否则热料遇冷板框会析出乳酸钙晶体而造成损失，也给过滤造成困难。铺好滤布，压紧板框，过热的料液先自流，形成一层滤层后再慢慢加物料，带滤液析出量逐渐减少，不能再进料。通热水冲洗滤渣。滤液会集在清夜罐中，趁热送到沉降罐中澄清，操作前特别袄注意：检查板框与滤布有无破损漏夜，否则易导致走料或逃液事故。2.2.4.4 第二次压滤操作同第一次压滤相同，此次过滤除去蛋白质、氨基酸等杂质，可大大降低杂质含量。2.2.4.5 浓缩（1）工艺条件：采用真空浓缩，循环加热，真空度控制在0.4-0.6atm，料温70左右，蒸汽压控制在0.4atm以下。 （2）工艺操作：在浓缩前检查蒸发器的出料阀及其他出汽阀门是否关闭好，然后打开真空系统，使蒸汽发生器内达到一定的真空度后，打开进料阀吸入原料。当从视镜中可见液面时，打开蒸汽加热，加热时注意真空度的变化。浓缩后期首先可测浓缩液密度，当密度至1.18kg/cm3（浓度达到45%）表示浓缩结束，停止加热，再关真空系统。第三章 工艺平衡计算3.1 设计生产任务2000t/a五水乳酸钙发酵生产工艺设计原料：工业淀粉菌种：德氏乳杆菌表3-1 设计任务参数项目 数值 五水乳酸钙含量 98%工业淀粉含量 86%DE值 96%糖酸转化率 90%发酵周期 6d提取收率 85%年生产天数 330d 3.2 培养基成分 原料：淀粉、CaCO3、麦根、无机盐、水、液化酶、糖化酶等3.3 糖化及发酵工段3.3.1 物料衡算 五水乳酸钙的理论日产量： 理论收率：85% 五水乳酸钙实际日产量： 生物反应式： 发酵： 五水乳酸钙： 理论葡萄糖每天用量： 糖酸转化率：90% 实际葡萄糖日耗量：15%糖液日耗量： 因为淀粉转化为葡萄糖的转化率为111%，理论转化率为111%，除去损耗后实际转化率为96%。 所以每日淀粉消耗量为： 液化酶日耗量： 以1克淀粉需要10个活力单位的液化酶，投入的液化酶1克含有2000个活力单位，液化酶的用量为： 以1克淀粉需要10个活力单位的糖化酶，投入的糖化酶1克含有2000个活力单位，糖化酶的用量为： CaCO3日需量： 麦根的日需量： 无机盐的日需量：表3-2发酵工艺物料衡算表项目数值五水乳酸钙日产量4.54t/d15%糖液日耗量30.27t/d淀粉日耗量4.95t/d液化酶日耗量21.285kg/d糖化酶日耗量21.285kg/d麦根0.114t/dCaCO3日耗量3.03t/d无机盐0.097t/d水的日投量281.25t/d3.3.3 设备选型 培养基葡萄糖质量分数：150g/L 每日所需发酵液装罐： 每周期发酵液装罐： 发酵罐装料系数：80% 选取体积为100m3的发酵罐 单罐的有效体积为： 发酵罐数： 取体积为100m3的发酵罐n+1=4个 调浆罐体积： 单个调浆罐体积为125m3 装罐系数：75% 调浆罐的数量： 种子罐选型： 单批种子液用量体积（发酵周期6d，接种量0.1）： 种子液的总体积： 种子罐数（种子罐体积选取10m3，装罐系数0.75，种子培养时间为30h） ： 3.3.3 热量衡算发酵过程的能量计算蒸汽使用量（间接加热）每日投料量：4.95t/d每日发酵液中含水量：每日的发酵醪总量为：发酵醪的比热：蒸汽与发酵之间的热平衡为： 式中： 代入： 3.4 提取工段 发酵液放罐后需要经过两道板框过滤，中间涉及物料的衡算。3.4.1 物料衡算3.4.1.1 压料罐 压料罐的容积：15m （装液系数0.8） 压料罐数量： 3.4.1.2第一次压滤处理量： 板框过滤器的选型：选择过滤能力为0.056的板框压滤器，型号为BMS10/635-10板框压滤器的数量：每天过滤的总面积： 沉降罐体积：单沉降罐的体积为15m3（装液系数是0.8）沉降罐的数量： 3.4.1.3 第二次压滤板框压滤器型号与第一次压滤相同。板框压滤器的数量：假设第一次压滤所得滤液体积为发酵液的80%第一次压滤后的滤液体积为：每天的过滤面积是：板框压滤机的台数为：主要设备数量及规格型号见表3-2表3-2 设备选型表名称规格型号数量发酵罐单只大小：100m34（个）调浆罐单只大小：6m35（个）种子罐单只大小：10 m33（个）压料罐单只大小：15m36（个）沉降罐单只大小：15m33（个）板框压滤机型号：BMS10/635-104（个）致 谢本次设计得以顺利完成非常感谢曾东方老师对我们的指导和帮助，为我们即将到来的毕业设计进行了完美的演练，并积累的宝贵的经验。另外非常感谢我们小组同学之间的互相帮助和分工合作，本次课程设计的完成时大家共同努力的结果。通过本次毕业设计我们更深入地学习了乳酸钙的生产技术，虽然与实际应用生产有一定的差距，但它使我们明白：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，要勇于创新，勇于改进。最后再次衷心地感谢每一位给我们鼓励和帮助的人。参考文献1 段成茜.年产1000万吨的赖氨酸发酵工艺设计J.广州化工,2014,42:23-26.2 张刚.乳酸细菌基础、技术和应用M.中国化工出版社,2007.3 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,2006,05.4 陈文洁,张京震,郭建峰.乳酸菌发酵生产乳酸钙的条件优化M.中国轻工业出版社,2013,32:8-14.5 张余诚.利用乳酸菌直接发酵生产乳酸钙J.冷饮与速冻食品工业,1999.6 赖谱富.利用花蛤壳制备乳酸钙的新工艺研究D.福建：福建农林大学硕士论文,2009.7 梅笑冰.食品添加剂乳酸钙制备工艺研究D.西安：西北大学硕士论文,2009.8 吴思芳.发酵工厂工艺设计概论M.中国轻工业出版社,1995.9 王博彦,金其荣.发酵有机酸生产应用M.中国轻工业出版社,2000.10 洪安定,刘灿明,刘德华.L-乳酸的微生物发酵J.化学工程与装备,2008,2:56-63.