第六章糖蜜发酵生产柠檬酸.

第六章糖蜜发酵生产柠檬酸第一节概述柠檬酸又叫枸橼酸，学名2-羟基丙烷-1，2，3-三羧酸。1、物理形状柠檬酸为无水或含一分子水的无色晶体或粉未，有强烈的酸味，易溶于水和酒精。一水物密度为1.542，将一水物缓慢加热至70～75℃时，晶体软化并开始熔化，继续加热至130℃时则失去结晶水，成为无水物，最后在132～152℃内完全熔化。无水物密度1.6650，熔点是153℃。2、生产概况及历史柠檬酸广泛存在于植物中，如在柠檬、菠萝、柑橘、葡萄汁、棉叶中等。最初，柠檬酸是在果汁中加入石灰，使生成柠檬酸钙沉淀后再提取。1917年美国发现黑曲霉进行浅盘发酵可产生柠檬酸，并于1952年美国首先采用深层发酵法进行柠檬酸的工业生产。我国采用发酵法生产柠檬酸是从1958年开始的。使用的原料有甘薯干等淀粉质原料，也有用甜菜糖蜜或甘蔗糖蜜等糖质原料的。世界上对柠檬酸的需求量持续增大，年增长率为3.5％～4.5％。在国外市场需求的刺激下，我国柠檬酸工业在80年代得到迅速发展，1988年全国产量达到5.7万吨居世界第二位，目前在国内新建或扩建的柠檬酸厂达数十家，1997年全国柠檬酸产量超过17万吨。3、用途在食品、医药、日用化学、电镀、皮革、冶金等多种行业中用途非常广泛。第二节柠檬酸发酵机理一、柠檬酸的产生菌以糖质为原料发酵生产柠檬酸所用的菌种主要是：黑曲霉国内适合于糖蜜发酵柠檬酸的黑曲霉菌种有川柠Ⅲ-1、川柠19-1等。二、柠檬酸发酵机理由葡萄糖发酵生成柠檬酸与三羧酸循环（TCA循环）有密切的关系（见80页图1-6-1）。三羧酸循环是微生物生长所需要的一种代谢途径。柠檬酸只是代谢途径中的一个中间产物，按理，它是不会被大量积累下来的。那么，以黑曲霉菌发酵生产的柠檬酸为什么能够大量积累呢？普遍认为这是与黑曲霉进入产酸期时，三羧酸循环酶系中的顺乌头酸酶或异柠檬酸脱氢酶等可被某些金属离子缺乏或代谢毒物的存在等因素影响，而受到抑制，即酶的活性被减弱，引起三羧酸循环障碍有着很大的关系。为了积累柠檬酸，必须要解决两个基本问题：第一是要设法阻止柠檬酸的进一步反应，第二是在阻断（或大大减弱）柠檬酸进一步反应时，还应当注意满足菌体生长的需要，即既要使某一种酶的活性大大降低而又要使之不至于完全失去活力，保持着不断补充被阻断反应以后的中间产物机制，这样才有可能使我们所需要的中间产物柠檬酸得以大量积累。生产上阻止柠檬酸进一步反应的方法有：（1）加入适量亚铁氰化钾（2）通过诱变由葡萄糖发酵生成柠檬酸的总反应式可如下表示：2C6H12O6十3O2一2C6H6O7十4H2O由总反应式可算出，柠檬酸的理论产率为106.7％。但实际上，由于菌体生长要消耗糖，且在发酵过程中会有部分糖消耗于生成其他有机酸，以及生产过程各种控制因素不尽理想，使工厂生产实绩往往低于此值。第三节种子的培养一、菌种的选育优良菌株的特点：生长速度快、个体形状和生化指标稳定、对糖转化率高、副产物如草酸及葡萄糖酸少、菌体易于分离等。选育优良的菌株是柠檬酸发酵的关键。诱变是获得优良菌株的必要手段。二、种子的培养发酵时用的种子即可以是孢子（试管或茄子瓶培养的孢子），也可以是预先培养的菌丝体。当以孢子作接种物时，要先用无菌水或含吐温80的无菌水配制成孢子悬浮液再接种于发酵培养基内。孢子悬浮液可直接接于浅盘发酵或接于种子罐，控制一定条件，把孢子培养成一定数量和质量的菌丝，供深层发酵罐作种子用。第四节柠檬酸发酵一、发酵的方法以糖蜜发酵生产柠檬酸的方法共有三种：表面发酵（又称浅盘发酵）深层发酵（适宜大规模生产厂采用）固体发酵。二、发酵工艺条件1．糖液浓度和糖蜜原料的预处理用黑曲霉生产柠檬的产量与培养基液中的初糖浓度有直接关系。一般来说，初糖浓度在15％～18％较为合适：如果高于18％，会使发酵液中残糖增加，增大了成本，且发酵液过浓会造成发酵速度缓慢，周期延长。如果低于15％，则生成的柠檬酸可能会有一部分被菌体用作能源而被消耗掉，使柠檬酸产量减少而草酸生成量增加。预处理的目的：降低培养液中微量元素的含量，主要是指金属离子的含量（否则直接影响到产酸），使其达到较为理想的浓度。生产上对糖蜜预处理较多的是采用添加黄血盐的方法来除去重金属离子，特别是Fe2+、Zn2+、Mn2+等2．氮源和磷源氮源和磷源菌体生长所必需的。基质中氮和磷的含量对菌体的生长期和产酸期都有明显的影响。氮源：过多会使菌体生长旺盛而导致生长期延长。产酸期过量则形成草酸。现在一般是用NH4NO3，浓度不宜超过0.25％。磷源：磷量过高也会造成菌体过分发育而降低柠檬酸产量，若产酸期磷量过高，其影响更大。现多使用KH2PO4、K2HPO4，一般认为，磷酸盐的浓度在0.1％～0.2％时已足够了。3．痕量金属元素发酵液中金属离子的含量对柠檬酸发酵的效果起着极其关键的作用。如Fe2+、Cu2+、Zn2+、Mg2+、Mn2+等。普遍认为，在柠檬酸发酵过程中，痕量金属元素的浓度应该很低，但具体浓度数据还有一定差异，且不同菌种对痕量金属元素的适宜量也不相同。4．pH黑曲霉的生长与柠檬酸的积累需要不同的酸度条件。黑曲霉的发育在pH3～7比较适宜。在含糖合成培养基中，分生孢子则在pH6.3～7.2发芽良好。柠檬酸积累时（即产酸期）的最适pH为pH2～3。在此pH范围不仅对积累柠檬酸有利，而且能抑制葡萄糖酸和草酸的生成，还可以有效地防止其他杂菌污染。pH在3.0以上容易产生草酸，在5.0则容易生成葡萄糖酸。5．通风量柠檬酸发酵是需氧发酵。表面发酵法:维持适当的空气流通量即可。深层发酵法:采用通气和搅拌，以确保供氧和维持罐内正压来防止杂菌感染。一般来说，在发酵进入生长旺盛期及产酸期，供氧不足对产酸量影响较大。不同发酵阶段的最佳通气量和搅拌速度则需根据具体菌种和发酵设备而定。6．温度和培养时间黑曲霉最适生长温度为33～37℃，黑曲霉菌发酵生产柠檬酸时，多数认为在28～30℃时产酸率最高。产酸期温度若维持在30℃以上，会导致柠檬酸的产率降低；若温度过低，则发酵时间要相应延长，而且将面临杂菌污染的危险。生产时，孢子培养和菌丝生长期温度可稍高一些，在31～34℃，以利菌丝的发育生长；在柠檬酸积累期温度应低一些，在28～30℃范围内，以避免草酸的生成。发酵时间也随菌种和发酵条件不同而各异。表面发酵一般周期7～10d，而深层发酵为4～7d。为了缩短发酵时间，不少国家都在致力于柠檬酸发酵方法改革的研究，如半连续发酵、连续发酵等。7．菌丝体的形态黑曲霉在柠檬酸发酵过程中，菌体形成极细的菌球对于获得高产酸率是非常必要的。菌球体的直径以不超过0.1mm为最好，出现分支状菌丝体则不佳。影响菌体形态的因素很多，诸如pH、通气搅拌、菌种特性、培养液浓度以及培养液中游离亚铁氰化物浓度等等。三、柠檬酸发酵实例介绍1．表面发酵法2．深层发酵法深层发酵法是在发酵罐内进行的，此法适用于大规模生产。第五节柠檬酸的提取与晶体的干燥发酵结束后，发酵液中含有柠檬酸、草酸、葡萄糖酸以及未发酵糖分、无机盐类和菌丝体等，需要经过提净、蒸发、结晶及晶体分离等工艺过程才能制得纯净的柠檬酸晶体，柠檬酸晶体还要进行干燥处理，才成为真正的产品。一、提净1．钙盐中和法钙盐中和法提净的工艺流程图解如下：流程说明：（1）过滤分离菌丝体等发酵结束后，醪液先送去过滤，分离除去菌丝体和其他杂质。滤液中柠檬酸含量约占总酸量90％（其余为葡萄糖酸、草酸等），还有部分残糖分。滤渣主要是菌丝体，可供综合利用或作饲料。（2）中和滤液送入中和罐，加入纯碳酸钙粉未（或氢氧化钙乳）中和，生成柠檬酸钙、草酸钙、葡萄糖酸钙的混合物。中和完毕，用离心分离机分离，便可得到柠檬酸钙和草酸钙沉淀的混合物。葡萄糖酸钙因溶解度较大，仍留在滤液中。中和时温度应控制在80～90℃。（3）酸解在粗柠檬酸钙和草酸钙沉淀的混合物中加入适量的水搅拌混和，调成浓浆状，然后加人工业浓硫酸反应生成的硫酸钙沉淀，而原先混杂于柠檬酸钙中的草酸钙在此时是不溶解的，只有柠檬酸以液态形式进入溶液中。加酸量绝不能超过0.2％。（4）石膏分离酸解液在85℃温度下保持20～30min，然后用真空过滤机过滤，分离出石膏（CaSO4）沉淀并获得柠檬酸滤液。滤渣用90℃左右的热水洗涤，以提取残余的柠檬酸，直至水中柠檬酸含量低于1％、残留酸度低于0.5％为止。洗液再行过滤以提高柠檬酸的收回。（5）柠檬酸滤液的净化分离石膏后的柠檬酸滤液，视其色度深浅加入适量（10～30g／L）粉状活性炭脱色。如果要除去铁离子，可在滤液中加入黄血盐，使其沉淀即可。铁盐沉淀后再行过滤。2．离子交换法离子交换法工艺流程图解如下：（91页）流程说明：（1）阴离子交换树脂吸附（或交换）（2）解吸（或再生，又称洗脱）（3）阳离子交换树脂脱铰（亦称转型）（4）脱色二、蒸发浓缩经提净处理后获得的柠檬酸液需蒸去大量的水分，浓缩到一定浓度，才能送下一工序进行结晶。采用真空蒸发，分两级进行。第一级蒸发浓缩至密度ρ=1.25，若有钙盐沉淀析出（很小量），则过滤除去；第二级浓缩至密度ρ=1.35～1.37，这时液体的柠檬酸含量约1050g／L。三、结晶浓缩后的柠檬酸液送入带有搅拌器及夹套冷却装置的不锈钢结晶器，逐渐冷却降温。使溶液达到过饱和状态而析出结晶（一水柠檬酸）。为防止出现无水柠檬酸，应小心控制结晶开始温度，使其低于36.6℃。四、分离晶体、母液回收结晶完毕，柠檬酸晶体连同母液一起送至离心机分离，得到一水柠檬酸晶体。分离出来的母液尚含有不少柠檬酸，为提高收回率，母液应重新浓缩、结晶，一般循环使用2～3次。母液的回收利用应以不影响结晶产品合格率为前提。五、晶体的干燥离心机分离出来的一水柠檬酸晶体送干燥器干燥，除去晶体表面的水分。一水柠檬酸干燥时气流温度要严格控制在35℃以下。柠檬酸干燥设备目前主要采用的有烘房、振动干燥器及沸腾干燥器。第六节产品质量标准及主要原材料消耗一、产品质量标准柠檬酸产品有两种：一种是无水柠檬酸（CAA），另一种是一水柠檬酸（CAM）。我国现时的产品大多数是一水柠檬酸。中国药典为一水柠檬酸产品标准。英国药典为无水柠檬酸产品标准。国际柠檬酸市场上通常采用英国药典标准或美国药典标准。以下是柠檬酸的质量标准。（93、94页）二、主要技术指标及原材料消耗国内吨产品的主要原材料消耗大致如下：糖蜜3.5～6t硫酸1～1.3t生石灰约1t黄血盐0.07t硝酸铵0.04t活性炭若干，视提净工艺而异植物油少许•欧洲一厂商向我国提供的3000t／年柠檬酸成套设备比较先进，主要指标如下：•（1）发酵率80％以上•（2）提取率（成品柠檬酸含量对发酵液柠檬酸含量百分比）92％•（3）吨产品消耗•甘蔗糖蜜2600～2900kg•石灰（70％CaO）710～750kg•盐酸（30％）170～190kg•硫酸（95％）860～910kg•氢氧化钠溶液（50％），140～16kg•铵盐12～18kg•硫酸镁7～9kg•硅藻土23～25kg•生产过程工艺用水（20℃）48～55m3•用于离交树脂再生软水6～7m3•用于密封软水3～3.5m3•冷却水（24℃以下）480～500m3•电（不含照明、供水泵、冷却塔等）1950～2000kW·h•蒸汽（400kPa，过热度30℃）8500～9000kg