第六章糖蜜發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸

第一節(jié)概

述檸檬酸又叫枸櫞酸，學(xué)名2-羥基丙烷-1，2，3-三羧酸。1、物理形狀檸檬酸為無水或含一分子水的無色晶體或粉未，有強(qiáng)烈的酸味，易溶于水和酒精。一水物密度為1.542，將一水物緩慢加熱至70～75℃時，晶體軟化并開始熔化，繼續(xù)加熱至130℃時則失去結(jié)晶水，成為無水物，最后在132～152℃內(nèi)完全熔化。無水物密度1.6650，熔點(diǎn)是153℃。當(dāng)前第1頁\共有39頁\編于星期三\10點(diǎn)2、生產(chǎn)概況及歷史檸檬酸廣泛存在于植物中，如在檸檬、菠蘿、柑橘、葡萄汁、棉葉中等。最初，檸檬酸是在果汁中加入石灰，使生成檸檬酸鈣沉淀后再提取。1917年美國發(fā)現(xiàn)黑曲霉進(jìn)行淺盤發(fā)酵可產(chǎn)生檸檬酸，并于1952年美國首先采用深層發(fā)酵法進(jìn)行檸檬酸的工業(yè)生產(chǎn)。我國采用發(fā)酵法生產(chǎn)檸檬酸是從1958年開始的。使用的原料有甘薯干等淀粉質(zhì)原料，也有用甜菜糖蜜或甘蔗糖蜜等糖質(zhì)原料的。當(dāng)前第2頁\共有39頁\編于星期三\10點(diǎn)世界上對檸檬酸的需求量持續(xù)增大，年增長率為3.5％～4.5％。在國外市場需求的刺激下，我國檸檬酸工業(yè)在80年代得到迅速發(fā)展，1988年全國產(chǎn)量達(dá)到5.7萬噸居世界第二位，目前在國內(nèi)新建或擴(kuò)建的檸檬酸廠達(dá)數(shù)十家，1997年全國檸檬酸產(chǎn)量超過17萬噸。3、用途在食品、醫(yī)藥、日用化學(xué)、電鍍、皮革、冶金等多種行業(yè)中用途非常廣泛。當(dāng)前第3頁\共有39頁\編于星期三\10點(diǎn)第二節(jié)檸檬酸發(fā)酵機(jī)理

一、檸檬酸的產(chǎn)生菌

以糖質(zhì)為原料發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸所用的菌種主要是：黑曲霉國內(nèi)適合于糖蜜發(fā)酵檸檬酸的黑曲霉菌種有川檸Ⅲ-1、川檸19-1等。當(dāng)前第4頁\共有39頁\編于星期三\10點(diǎn)二、檸檬酸發(fā)酵機(jī)理

由葡萄糖發(fā)酵生成檸檬酸與三羧酸循環(huán)（TCA循環(huán)）有密切的關(guān)系（見80頁圖1-6-1）。三羧酸循環(huán)是微生物生長所需要的一種代謝途徑。檸檬酸只是代謝途徑中的一個中間產(chǎn)物，按理，它是不會被大量積累下來的。那么，以黑曲霉菌發(fā)酵生產(chǎn)的檸檬酸為什么能夠大量積累呢？普遍認(rèn)為這是與黑曲霉進(jìn)入產(chǎn)酸期時，三羧酸循環(huán)酶系中的順烏頭酸酶或異檸檬酸脫氫酶等可被某些金屬離子缺乏或代謝毒物的存在等因素影響，而受到抑制，即酶的活性被減弱，引起三羧酸循環(huán)障礙有著很大的關(guān)系。當(dāng)前第5頁\共有39頁\編于星期三\10點(diǎn)為了積累檸檬酸，必須要解決兩個基本問題：第一是要設(shè)法阻止檸檬酸的進(jìn)一步反應(yīng)，第二是在阻斷（或大大減弱）檸檬酸進(jìn)一步反應(yīng)時，還應(yīng)當(dāng)注意滿足菌體生長的需要，即既要使某一種酶的活性大大降低而又要使之不至于完全失去活力，保持著不斷補(bǔ)充被阻斷反應(yīng)以后的中間產(chǎn)物機(jī)制，這樣才有可能使我們所需要的中間產(chǎn)物檸檬酸得以大量積累。當(dāng)前第6頁\共有39頁\編于星期三\10點(diǎn)生產(chǎn)上阻止檸檬酸進(jìn)一步反應(yīng)的方法有：（1）加入適量亞鐵氰化鉀（2）通過誘變當(dāng)前第7頁\共有39頁\編于星期三\10點(diǎn)由葡萄糖發(fā)酵生成檸檬酸的總反應(yīng)式可如下表示：2C6H12O6十3O2一2C6H6O7十4H2O

由總反應(yīng)式可算出，檸檬酸的理論產(chǎn)率為106.7％。但實(shí)際上，由于菌體生長要消耗糖，且在發(fā)酵過程中會有部分糖消耗于生成其他有機(jī)酸，以及生產(chǎn)過程各種控制因素不盡理想，使工廠生產(chǎn)實(shí)績往往低于此值。當(dāng)前第8頁\共有39頁\編于星期三\10點(diǎn)第三節(jié)種子的培養(yǎng)

一、菌種的選育

優(yōu)良菌株的特點(diǎn)：生長速度快、個體形狀和生化指標(biāo)穩(wěn)定、對糖轉(zhuǎn)化率高、副產(chǎn)物如草酸及葡萄糖酸少、菌體易于分離等。選育優(yōu)良的菌株是檸檬酸發(fā)酵的關(guān)鍵。誘變是獲得優(yōu)良菌株的必要手段。當(dāng)前第9頁\共有39頁\編于星期三\10點(diǎn)二、種子的培養(yǎng)

發(fā)酵時用的種子即可以是孢子（試管或茄子瓶培養(yǎng)的孢子），也可以是預(yù)先培養(yǎng)的菌絲體。當(dāng)以孢子作接種物時，要先用無菌水或含吐溫80的無菌水配制成孢子懸浮液再接種于發(fā)酵培養(yǎng)基內(nèi)。孢子懸浮液可直接接于淺盤發(fā)酵或接于種子罐，控制一定條件，把孢子培養(yǎng)成一定數(shù)量和質(zhì)量的菌絲，供深層發(fā)酵罐作種子用。當(dāng)前第10頁\共有39頁\編于星期三\10點(diǎn)第四節(jié)檸檬酸發(fā)酵

一、發(fā)酵的方法

以糖蜜發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸的方法共有三種：表面發(fā)酵（又稱淺盤發(fā)酵）深層發(fā)酵（適宜大規(guī)模生產(chǎn)廠采用）固體發(fā)酵。當(dāng)前第11頁\共有39頁\編于星期三\10點(diǎn)

二、發(fā)酵工藝條件

1．糖液濃度和糖蜜原料的預(yù)處理用黑曲霉生產(chǎn)檸檬的產(chǎn)量與培養(yǎng)基液中的初糖濃度有直接關(guān)系。一般來說，初糖濃度在15％～18％較為合適：如果高于18％，會使發(fā)酵液中殘?zhí)窃黾?，增大了成本，且發(fā)酵液過濃會造成發(fā)酵速度緩慢，周期延長。如果低于15％，則生成的檸檬酸可能會有一部分被菌體用作能源而被消耗掉，使檸檬酸產(chǎn)量減少而草酸生成量增加。當(dāng)前第12頁\共有39頁\編于星期三\10點(diǎn)預(yù)處理的目的：降低培養(yǎng)液中微量元素的含量，主要是指金屬離子的含量（否則直接影響到產(chǎn)酸），使其達(dá)到較為理想的濃度。生產(chǎn)上對糖蜜預(yù)處理較多的是采用添加黃血鹽的方法來除去重金屬離子，特別是Fe2+、Zn2+、Mn2+等

當(dāng)前第13頁\共有39頁\編于星期三\10點(diǎn)2．氮源和磷源氮源和磷源菌體生長所必需的?；|(zhì)中氮和磷的含量對菌體的生長期和產(chǎn)酸期都有明顯的影響。氮源：過多會使菌體生長旺盛而導(dǎo)致生長期延長。產(chǎn)酸期過量則形成草酸?，F(xiàn)在一般是用NH4NO3，濃度不宜超過0.25％。當(dāng)前第14頁\共有39頁\編于星期三\10點(diǎn)磷源：磷量過高也會造成菌體過分發(fā)育而降低檸檬酸產(chǎn)量，若產(chǎn)酸期磷量過高，其影響更大?，F(xiàn)多使用KH2PO4、K2HPO4，一般認(rèn)為，磷酸鹽的濃度在0.1％～0.2％時已足夠了。當(dāng)前第15頁\共有39頁\編于星期三\10點(diǎn)3．痕量金屬元素發(fā)酵液中金屬離子的含量對檸檬酸發(fā)酵的效果起著極其關(guān)鍵的作用。如Fe2+、Cu2+、Zn2+、Mg2+、Mn2+等。普遍認(rèn)為，在檸檬酸發(fā)酵過程中，痕量金屬元素的濃度應(yīng)該很低，但具體濃度數(shù)據(jù)還有一定差異，且不同菌種對痕量金屬元素的適宜量也不相同。當(dāng)前第16頁\共有39頁\編于星期三\10點(diǎn)4．pH

黑曲霉的生長與檸檬酸的積累需要不同的酸度條件。黑曲霉的發(fā)育在pH3～7比較適宜。在含糖合成培養(yǎng)基中，分生孢子則在pH6.3～7.2發(fā)芽良好。檸檬酸積累時（即產(chǎn)酸期）的最適pH為pH2～3。在此pH范圍不僅對積累檸檬酸有利，而且能抑制葡萄糖酸和草酸的生成，還可以有效地防止其他雜菌污染。pH在3.0以上容易產(chǎn)生草酸，在5.0則容易生成葡萄糖酸。當(dāng)前第17頁\共有39頁\編于星期三\10點(diǎn)5．通風(fēng)量檸檬酸發(fā)酵是需氧發(fā)酵。表面發(fā)酵法:維持適當(dāng)?shù)目諝饬魍考纯?。深層發(fā)酵法:采用通氣和攪拌，以確保供氧和維持罐內(nèi)正壓來防止雜菌感染。一般來說，在發(fā)酵進(jìn)入生長旺盛期及產(chǎn)酸期，供氧不足對產(chǎn)酸量影響較大。不同發(fā)酵階段的最佳通氣量和攪拌速度則需根據(jù)具體菌種和發(fā)酵設(shè)備而定。當(dāng)前第18頁\共有39頁\編于星期三\10點(diǎn)6．溫度和培養(yǎng)時間黑曲霉最適生長溫度為33～37℃，黑曲霉菌發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸時，多數(shù)認(rèn)為在28～30℃時產(chǎn)酸率最高。產(chǎn)酸期溫度若維持在30℃以上，會導(dǎo)致檸檬酸的產(chǎn)率降低；若溫度過低，則發(fā)酵時間要相應(yīng)延長，而且將面臨雜菌污染的危險。生產(chǎn)時，孢子培養(yǎng)和菌絲生長期溫度可稍高一些，在31～34℃，以利菌絲的發(fā)育生長；在檸檬酸積累期溫度應(yīng)低一些，在28～30℃范圍內(nèi)，以避免草酸的生成。當(dāng)前第19頁\共有39頁\編于星期三\10點(diǎn)發(fā)酵時間也隨菌種和發(fā)酵條件不同而各異。表面發(fā)酵一般周期7～10d，而深層發(fā)酵為4～7d。為了縮短發(fā)酵時間，不少國家都在致力于檸檬酸發(fā)酵方法改革的研究，如半連續(xù)發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵等。當(dāng)前第20頁\共有39頁\編于星期三\10點(diǎn)7．菌絲體的形態(tài)黑曲霉在檸檬酸發(fā)酵過程中，菌體形成極細(xì)的菌球?qū)τ讷@得高產(chǎn)酸率是非常必要的。菌球體的直徑以不超過0.1mm為最好，出現(xiàn)分支狀菌絲體則不佳。影響菌體形態(tài)的因素很多，諸如pH、通氣攪拌、菌種特性、培養(yǎng)液濃度以及培養(yǎng)液中游離亞鐵氰化物濃度等等。當(dāng)前第21頁\共有39頁\編于星期三\10點(diǎn)三、檸檬酸發(fā)酵實(shí)例介紹1．表面發(fā)酵法2．深層發(fā)酵法深層發(fā)酵法是在發(fā)酵罐內(nèi)進(jìn)行的，此法適用于大規(guī)模生產(chǎn)。當(dāng)前第22頁\共有39頁\編于星期三\10點(diǎn)第五節(jié)檸檬酸的提取與晶體的干燥

發(fā)酵結(jié)束后，發(fā)酵液中含有檸檬酸、草酸、葡萄糖酸以及未發(fā)酵糖分、無機(jī)鹽類和菌絲體等，需要經(jīng)過提凈、蒸發(fā)、結(jié)晶及晶體分離等工藝過程才能制得純凈的檸檬酸晶體，檸檬酸晶體還要進(jìn)行干燥處理，才成為真正的產(chǎn)品。當(dāng)前第23頁\共有39頁\編于星期三\10點(diǎn)一、提凈

1．鈣鹽中和法鈣鹽中和法提凈的工藝流程圖解如下：

當(dāng)前第24頁\共有39頁\編于星期三\10點(diǎn)流程說明：（1）過濾分離菌絲體等發(fā)酵結(jié)束后，醪液先送去過濾，分離除去菌絲體和其他雜質(zhì)。濾液中檸檬酸含量約占總酸量90％（其余為葡萄糖酸、草酸等），還有部分殘?zhí)欠?。濾渣主要是菌絲體，可供綜合利用或作飼料。當(dāng)前第25頁\共有39頁\編于星期三\10點(diǎn)（2）中和濾液送入中和罐，加入純碳酸鈣粉未（或氫氧化鈣乳）中和，生成檸檬酸鈣、草酸鈣、葡萄糖酸鈣的混合物。中和完畢，用離心分離機(jī)分離，便可得到檸檬酸鈣和草酸鈣沉淀的混合物。葡萄糖酸鈣因溶解度較大，仍留在濾液中。中和時溫度應(yīng)控制在80～90℃。當(dāng)前第26頁\共有39頁\編于星期三\10點(diǎn)（3）酸解在粗檸檬酸鈣和草酸鈣沉淀的混合物中加入適量的水?dāng)嚢杌旌?，調(diào)成濃漿狀，然后加人工業(yè)濃硫酸反應(yīng)生成的硫酸鈣沉淀，而原先混雜于檸檬酸鈣中的草酸鈣在此時是不溶解的，只有檸檬酸以液態(tài)形式進(jìn)入溶液中。加酸量絕不能超過0.2％。當(dāng)前第27頁\共有39頁\編于星期三\10點(diǎn)（4）石膏分離酸解液在85℃溫度下保持20～30min，然后用真空過濾機(jī)過濾，分離出石膏（CaSO4）沉淀并獲得檸檬酸濾液。濾渣用90℃左右的熱水洗滌，以提取殘余的檸檬酸，直至水中檸檬酸含量低于1％、殘留酸度低于0.5％為止。洗液再行過濾以提高檸檬酸的收回。當(dāng)前第28頁\共有39頁\編于星期三\10點(diǎn)（5）檸檬酸濾液的凈化分離石膏后的檸檬酸濾液，視其色度深淺加入適量（10～30g／L）粉狀活性炭脫色。如果要除去鐵離子，可在濾液中加入黃血鹽，使其沉淀即可。鐵鹽沉淀后再行過濾。當(dāng)前第29頁\共有39頁\編于星期三\10點(diǎn)2．離子交換法離子交換法工藝流程圖解如下：（91頁）

流程說明：

（1）陰離子交換樹脂吸附（或交換）（2）解吸（或再生，又稱洗脫）（3）陽離子交換樹脂脫鉸（亦稱轉(zhuǎn)型）（4）脫色當(dāng)前第30頁\共有39頁\編于星期三\10點(diǎn)二、蒸發(fā)濃縮

經(jīng)提凈處理后獲得的檸檬酸液需蒸去大量的水分，濃縮到一定濃度，才能送下一工序進(jìn)行結(jié)晶。采用真空蒸發(fā)，分兩級進(jìn)行。第一級蒸發(fā)濃縮至密度ρ=1.25，若有鈣鹽沉淀析出（很小量），則過濾除去；第二級濃縮至密度ρ=1.35～1.37，這時液體的檸檬酸含量約1050g／L。當(dāng)前第31頁\共有39頁\編于星期三\10點(diǎn)三、結(jié)晶

濃縮后的檸檬酸液送入帶有攪拌器及夾套冷卻裝置的不銹鋼結(jié)晶器，逐漸冷卻降溫。使溶液達(dá)到過飽和狀態(tài)而析出結(jié)晶（一水檸檬酸）。為防止出現(xiàn)無水檸檬酸，應(yīng)小心控制結(jié)晶開始溫度，使其低于36.6℃。當(dāng)前第32頁\共有39頁\編于星期三\10點(diǎn)四、分離晶體、母液回收

結(jié)晶完畢，檸檬酸晶體連同母液一起送至離心機(jī)分離，得到一水檸檬酸晶體。分離出來的母液尚含有不少檸檬酸，為提高收回率，母液應(yīng)重新濃縮、結(jié)晶，一般循環(huán)使用2～3次。母液的回收利用應(yīng)以不影響結(jié)晶產(chǎn)品合格率為前提。當(dāng)前第33頁\共有39頁\編于星期三\10點(diǎn)

五、晶體的干燥

離心機(jī)分離出來的一水檸檬酸晶體送干燥器干燥，除去晶體表面的水分。一水檸檬酸干燥時氣流溫度要嚴(yán)格控制在35℃以下。檸檬酸干燥設(shè)備目前主要采用的有烘房、振動干燥器及沸騰干燥器。當(dāng)前第34頁\共有39頁\編于星期三\10點(diǎn)第六節(jié)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及主要原材料消耗

一、產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)檸檬酸產(chǎn)品有兩種：一種是無水檸檬酸（CAA），另一種是一水檸檬酸（CAM）。我國現(xiàn)時的產(chǎn)品大多數(shù)是一水檸檬酸。中國藥典為一水檸檬酸產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。英國藥典為無水檸檬酸產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。國際檸檬酸市場上通常采用英國藥典標(biāo)準(zhǔn)或美國藥典標(biāo)準(zhǔn)。以下是檸檬酸的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。（93、94頁）當(dāng)前第35頁\共有39頁\編于星期三\10點(diǎn)當(dāng)前第36頁\共有39頁\編于星期三\10點(diǎn)當(dāng)前第37頁\共有39頁\編于星期三\10點(diǎn)二、主要技術(shù)指標(biāo)及原材料消耗國內(nèi)噸產(chǎn)品的主要原材料消耗大致如下：糖蜜3.5～6t

硫酸1～1.3t

生石灰約1t黃血鹽0.07t硝酸銨0.04t

活性炭若干，視提凈工藝而異植物油少許當(dāng)前第38頁\共有39頁\編于星期三\10點(diǎn)歐洲一廠商向我國提供的3000t／年檸檬酸成套設(shè)備比較先進(jìn)，主要指標(biāo)如下：（1）發(fā)酵率80％以上（2）提取率（成品檸檬酸含量對發(fā)酵液檸檬酸含量百分比）92％（3）噸產(chǎn)品消耗甘蔗糖蜜