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玉米秸秆制造L-乳酸项目的可行性


生物质高附加值化学品的开发对于一个石油资源日益紧缺的世界无疑有着重要意义。玉米秸秆是最大的农作物来源生物质,由于不能很好利用,已成为一重要污染源,是各级地方政府最头痛问题之一。用玉米秸秆制造L-乳酸符合时代需求,产品具有广阔市场前景,具备成为一个大而稳定产业的基础,因此更具投资价值。

一、L-乳酸介绍

乳酸,英文名称:Lactic acid分子式:C3H6O3相对分子量是90.08是一种重要的有机酸,广泛存在于人体、动植物和微生物中乳酸分子中含有一个不对称碳原子,因此具有旋光性,其中生物体内为L-乳酸,化学合成及传统发酵工艺产品为DL-乳酸外消旋体。人体只含代谢L-乳酸的酶,D-乳酸不能被同化利用,过量使用D-乳酸会导致疲劳、代谢紊乱甚至酸中毒,当前,D,L-乳酸作为食品添加剂已被世界卫生组织限制。

高纯度的乳酸外观为白色晶体,微带杂质的乳酸通常为淡黄色或无色透明液体,略带脂肪酸臭味。乳酸的密度约为1.206(25),常压下沸点为190℃。乳酸与水可以互溶,易溶于乙醇、甘油、丙酮等有机溶剂,但不溶于氯仿、二硫化碳等[3]

L-乳酸通常有三个级别产品,即工业级(含量50-90%)、食品级(含量≥80%)、药典级(含量85-90%)。

乳酸是一种有重要用途的有机酸。乳酸、乳酸盐及其衍生物,广泛应用在食品、轻工、化工、医药等领域。

目前,L-乳酸在食品工业领域中的消费量约占世界L-乳酸总消费量的60%左右,乳酸的酸性比较柔和且稳定,有利于保持食品的口感和风味,因此被广泛用做食品行业的防腐剂、酸味剂和还原剂。例如,在啤酒发酵生产中,美国及其欧盟已明令禁止使用磷酸等无机酸类调节产品的pH而全部改用L-乳酸来调节。硬脂酰乳酯乳酸盐类,如硬脂酸乳酸钙,是一种较好的面团增强剂,被大量用于面包加工,生产出的面包质地松软、细腻,而且保质期较长。表1.1列出了L-乳酸及衍生物在食品工业中的主要应用。

1.1  L-乳酸及衍生物在食品工业中的应用

衍生物种类

应用领域

L-乳酸

酸味剂、防腐剂、还原剂、pH调节剂、杀菌剂和保鲜剂

L-乳酸钙

风味增强剂、固化剂、蓬松剂、营养补充剂、稳定剂和增稠剂

L-乳酸钠

调味剂、保湿剂、乳化剂、pH控制剂、防腐剂和防冻剂

L-乳酸钾

乳化剂、风味增强剂、保湿剂和pH控制剂

L-乳酸亚铁

营养补充剂和婴儿配制食品

硬脂酸乳酸钙

面团增强剂、溶剂和蛋制品起泡剂

硬脂酸乳酸钠

乳化剂、增塑剂、稳定剂和组织柔软剂

硬脂酸甘油乳酸酯

乳化剂、增塑剂和表面活性剂

L-乳酸酯

香料和溶剂

乳酸及其衍生物还广泛地用于香精和香料、皮革、卷烟、纺织、化妆品等轻工行业领域。

乳酸乙酯是一种重要的食用香料,主要用于配制朗姆、葡萄、果酒等带香型酒种;在制革工业中,乳酸除去皮革中的石灰和钙质的效果比其他酸类物质效果好,可使皮革柔软光滑,高级皮革都采用乳酸来脱灰。在制烟工业中,用乳酸来消除烟草的苦味和辣味,且可以防止烟丝霉变,保持水分,增加柔软性,并可降低尼古丁的含量,通过乳酸的处理可以改变烟丝的不同档级。乳酸是良好的媒染剂,在纺织工业中常用于调节pH值。在电子,航空和航天及半导体工业中用作精细清洁剂。乳酸中含有天然润肤成分,并对皮肤无刺激,在化妆品行业中用乳酸和乳酸钠、乳酸钙来替代甘油作为保湿剂,可以有效改变皮肤的组织结构。

乳酸及其衍生物在医药行业也有广泛的应用。L-乳酸钙、L-乳酸钠、L-乳酸铁是补充矿物质元素钙、钠、铁的良好药品,L-乳酸、L-乳酸钠与氨基酸、葡萄糖等复合配制成药物可治疗酸中毒及高钾血症。乳酸的杀菌性能高于柠檬酸、酒石酸、琥珀酸等有机酸,因此可以用作实验室、手术室、病房等场所的消毒剂,还可以作为防腐剂等。

未来L-乳酸最为重要的市场是的聚L-乳酸(PLA)聚乳酸在所有生物可降解聚合物中熔点最高,结晶度大,热稳定性好,加工温度在170~230之间,有良好的抗溶剂性,可用多种方式进行加工,如挤压、纺丝、双轴拉伸,注射吹塑。由聚乳酸制成的产品除能生物降解外,生物相容性、光泽度、透明性、手感和耐热性好,还具有一定的耐菌性、阻燃性和抗紫外性,因此用途十分广泛,可用作包装材料、纤维和非织造物等,目前主要用于服装(内衣、外衣)、产业(建筑、农业、林业、造纸)和医疗卫生等领域。一种非常有前途的生物可降解环保型塑料,可替代石油为来源的化学合成塑料。如其织物比较柔软,是一种优良的面料原料可以制成地膜等农业用品,还可以制成食品、非回收手巾、垃圾袋等一次性用具,在自然界中可在微生物作用下最终变成CO2H2O,非常有利于环保。可作为生物医用高分子材料,如生产一次性输液用具、免拆性手术缝合线、药物缓释包装剂等,以及组织工程用的合成材料等。聚乳酸具有良好的生物相容性、可降解性,在人体内可被完全降解成乳酸并完全代谢。目前 PLA最大的制造商是美国NatureWorks公司,目前的产量是14万吨中国最大海正药业,他们产量是5千吨。

二、生产现状

工业上规模生产乳酸的方法主要有化学合成法、酶法和发酵法等三种。

化学合成法生产的乳酸主要为D,L-乳酸,成本较高,而且原料为乙醛和剧毒的氢氰酸,应用范围极大地受限。目前只有美国的Sterling公司和日本的武藏野采用此法生产乳酸。

乳酸的酶法生产方法主要包括2-氯丙酸酶法转化和丙酮酸酶法转化]两种。酶法工艺繁琐,成本较高,工业上广泛应用有待进一步研究和发展。

发酵法生产乳酸主要以淀粉质原料、淀粉质水解液或者葡萄糖为原料,接种乳酸菌后经发酵生产得到乳酸。用于乳酸发酵的乳酸菌主要有根霉菌和细菌两种。

根霉菌在发酵过程中自身会产生糖化酶和淀粉酶,因此可以利用淀粉质水解液,或者利用淀粉质原料直接发酵生产L-乳酸。根霉菌发酵的优点是对营养要求不高,菌丝体较大易于下游提取处理,但主要缺点是转化率较低,理论上只有50%,并且属于异型代谢发酵类型,发酵产物除了乳酸外,还有乙醇、琥珀酸、苹果酸等副产物[2]

乳酸细菌在发酵过程中不能产生糖化酶和淀粉酶,因此只能利用淀粉质水解液或者葡萄糖进行发酵。乳酸细菌的代谢机制主要有同型发酵、异型发酵和混合酸发酵三种,其中异型发酵和混合酸发酵的副产物较多,没有工业生产意义。当前,工业上应用的乳酸细菌主要是同型乳酸细菌,发酵过程大多是厌氧或者微好养,因此可以大规模地降低工业生产能耗,减少生产成本,且转化率较高,理论转化率可以达到100%。乳酸发酵菌种主要有乳球菌属(Lactococcus)、乳杆菌属(Lactobacillus)、芽孢杆菌属(Bacillus) 、链球菌属(Streptoccoccus)[15,16]

发酵法生产乳酸具有原料来源广且易得,产品光学纯度高、生产成本低、安全性高等优点,因而成为乳酸生产的主要方法。

秸秆等木质纤维素原料含有30%左右的木糖聚糖(半纤维素)等五碳糖聚合物和40%左右葡聚糖(纤维素)等六碳糖等聚合物,可以通过水解得到相应单糖,并进一步通过发酵得到L-乳酸。由于技术上的一系列难题,目前在工业水平应用秸秆等木质纤维素为原料生产L-乳酸还未见报道,实验室研究有一些报道。本实验室通过技术攻关,已成功突破关键技术难题,降低成本,具备了工业实施的能力。

三、市场分析

2013年我国乳酸的总产能约为240 kt/a,生产厂家主要有河南金丹乳酸有限公司、江西武藏生物化工有限公司、安徽丰原生物化学股份有限公司、盐城华德生物工程有限公司、山西乐达生物化学有限公司、湖北亚风乳酸集团公司,其中前三家公司乳酸总产量约占我国乳酸市场份额的90%。我国乳酸的主要生产厂家情况见表1.2

1.2 2013年我国乳酸主要生产厂家情况

生产厂家

产能(kt/a)

主要产品

乳酸

乳酸盐()

河南金丹乳酸有限公司

180.0

20.0

L-乳酸及其衍生物

安徽丰原生物化学有限公司

45.0

20.0

L-乳酸及其衍生物

江西武藏生物化工有限公司

5.0

2.0

L-乳酸D-乳酸、SLCLZL

盐城华德生物工程有限公司

4.0

3.5

L-乳酸DL-乳酸、ELSLCL

山西乐达生物化学有限公司

3.0

2.0

L-乳酸L-乳酸

湖北亚风乳酸集团公司

5.0

1.5

乳酸盐()

总计

242.0

49.0

国内乳酸的供需情况

1.3乳酸的供需情况

年份

产能kt/a

产量kt

进口量

出口量

表观消费量

2005

75.0

52.0

2.9

2.0

34.9

2008

144.0

70.0

5.1

32.8

42.3

1.4 我国乳酸的消费结构预估

行业

消费量

2005-2013

年平均增长率%

2005

2008

2013

食品

18-21

19-27

25-30

6.0

轻工、化工

7-9

11-13

17-22

10.0

医药

5-6

6-7

8-9

6.0

总计

30-36

36-47

50-41

7.0

近年来,乳酸市场需求增长势头强劲,并且预计今后几年世界乳酸总的需求量将突破350万吨。当前,国家加大力度建设资源节约型环境友好型社会,消除白色污染,减少化石资源消耗的呼声愈来愈强烈,PLA因其自身优势,用于PLA生产的乳酸的消费量将大幅增加,目前许多PLA 生产厂家都在扩能扩产。中国科学院长春应用化学研究所和海正集团合作建成10kt/a可降解聚乳酸树脂工业示范生产线另外安徽丰原生物化学股份有限公司、山东三星集团、中粮集团等立了高效PLA生产线。因此总体来看,我国乳酸行业市场发展前景非常广阔。

四、技术路线

项目的技术路线如下:

玉米秸秆原料----粉碎----酸解-----酶解----渣子---饲料

                           糖液

 

                           发酵

 

                           提取

  

                           成品

本项目采用郑州大学研制的拥有四项发明专利(申请和正在申请)的秸秆L-乳酸生产技术,每3.0吨玉米秸秆可产1吨80%L-乳酸。车间成本核算如下(每产1吨80% L-乳酸):

品种

数量

单价

成本

秸秆

3.0吨

200元/吨

600元

硫酸

1吨

460元/吨

460元

石灰

0.7吨

350元/吨

245元

辅料

800元

800度

400元

蒸汽

4吨

150

600元

工资

600元

40吨

3元

120元

污水处理

40吨

3元

120元

设备折旧

100元

包装

700元

合计

4745元

五、投资估算与资金筹措

设备与投资

年产1万吨,年按300日 ,日产33吨,日投料99吨。

发酵能力800吨,所需设备如下:

变电站

锅炉房

空气压缩机车间

发酵车间

原料仓库

原料加工车间

提取车间

包装成品车间

饲料车间

污水处理站

成品仓库

总设备投资5500万元

六、项目经济可行性分析

该项目为农产品废物综合利用项目,符合减免税收政策;另外,该项目不受国家发改委关于限制利用玉米等粮食加工项目立项开工的审批限制。以年产1万吨80% L-乳酸计:

80% L-乳酸售价8000元/吨,按利润2000元/吨计,年利润2000万元;

副产粗饲料1.3万吨,每吨利润200元,年利润260万元;

年产沼气 100万M3,年利润50万元。

合计总利润2310万元。

七、项目规模选择

项目的规模受经济规模和原材料运输半径成本限制,规模不宜过小或过大。如全部为玉米产区,半径10KM可产玉米秸秆30万吨,以原料收集半径在20KM范围内,年产量在5000吨至5万吨/较为合适。

八、风险分析及规避

项目的风险主要来自于粮食过剩跌价。从目前可预见的形势分析,近十年粮食涨价的风险远远大于跌价的风险。另一方面的风险来自于硫酸涨价,这曾经发生过,但这样每吨成本仅增加数百元,压力是可消化的。从整个项目来看,这是一个高技术和循环经济项目,将受到产业政策的大力支持。环保的问题在相关技术中已给予妥善解决,唯一的一个污染物废弃物是硫酸钙固体废物。如果产品改为乳酸钙,则硫酸钙副产品将减低到很低水平。

九、结论与建议

该项目针对农业秸秆废弃物找到了一个很好的价值升值途径,不但处理了农业废弃物,而且形成了一个很有利润的高科技产业。该项目市场需求大,可扩展性强,进一步发展可用于林产加工,对于带动地方经济发展,形成循环经济链具有重要意义,是国家产业政策鼓励发展的方向。

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