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毕业论文 -课题：柠檬酸的特性及不同生产工艺的研究 主考院校： 报考专业：生物工程 考生姓名： 工作单位： 撰写时间：柠檬酸的特性及不同生产工艺的研究（ ）摘 要：柠檬酸又名枸椽酸，它存在于天然果实中。我国在1968年获得了薯干原料深层发酵柠檬酸成功。薯干原料深层发酵生产柠檬酸，原料丰富矿工艺简单，发酵水平较高，在很多地方都有生产柠檬酸的工厂。柠檬酸为五色透明结晶体或白色粉末，有一种诱人的酸味，它是食品、化工、制药、纺织等工业的重要原料。柠檬酸可作为酸味剂，用于清凉饮料、混成酒、果脯、果酱、罐头中。也可用作食用的软化剂、防腐剂和抗氧化剂，广泛应用于饲料制造业、糕点、罐头加工业及油脂加工等食品工业。而柑桔加工中近50%的废料一旦得到应用，即可变废为宝，又可产生显著的社会效益和经济效益。 关键词：柠檬酸 特性 不同 生产工艺一. 柠檬酸的特性1 理化性质柠檬酸（citric acid），化学名2-羟基丙烷-1，2，3-三羧酸，化学式是C6H8O7，分子量192.14。柠檬酸为无色半透明晶体或白色颗粒或白色结晶性粉末为白色结晶粉末，无臭。溶于水、乙醇、乙醚，不溶于苯，微溶于氯仿。相对密度1.542g/cm3，熔点153(失水)。柠檬酸结晶形态因结晶条件不同而不同，有无水柠檬酸，也有含结晶水的柠檬酸。在干燥空气中微有风化性，在潮湿空气中有潮解性。175以上分解放出水及二氧化碳。柠檬酸是一种较强的有机酸，有3个H可以电离；水溶液呈酸性。加热可以分解成多种产物，与酸、碱、甘油等发生反应。2 生产方法柠檬酸是食品加工业中一类重要的食品添加剂，同时也广泛应用于医药、染料及其他工业领域。柠檬酸的生产方法可分为水果提取法、化学合成法和生物发酵法三种。2.1 水果提取法柠檬酸可以从柠檬、橙、橘子、苹果等柠檬酸含量较高的水果中提取。现在水果的生产已经实现产业化，水果产量也随之增加，并且比较集中，在考虑生态果园和综合利用时，可以利用这种方法来提取柠檬酸。但此法成本较高，不利于投入工业化生产。2.2 化学合成法化学合成法的原料有丙酮、二氯丙酮或乙烯酮。由于化学合成法工艺复杂， 成本高，安全性较低，很少使用。2.3 生物发酵法生物发酵法又包括浅层发酵法、固体表面发酵法、深层发酵法以及石油烃发酵法。浅层发酵法，又称表面发酵法，多以甜菜糖蜜为原料。固体表面发酵法，多以海藻酸钙为载体，也有采用聚丙烯酰胺。深层发酵法，采用定向培养，紫外线诱变以及NTG处理等的配合作用对出发株进行选育，使其适应以糖蜜为原料的深层发酵，可提高菌种的产酸率和转化率。石油烃( 正构烷烃) 发酵法是采用解脂覆膜孢酵母为菌种，以石油为原料发酵生产柠檬酸是基于分解长链烷烃的能力，先通过一端氧化产生长链脂肪酸，诱发子链打开，通过氧化作用成为短链脂肪酸，然后进入三羧酸循环产生柠檬酸。3生产工艺3.1 发酵工艺柠檬酸发酵工艺在国际上被认为是较难的工艺。我国的以薯干等为原料的深层发酵技术具有独创性，发酵指数居世界前列。不同的发酵工艺需制备不同原料的培养基， 然后再进行蒸料。浅层发酵周期为611天， 所需能耗小，但劳动力多；深层发酵周期为47天，所需能耗大，但劳动力少。对于大规模生产多倾向于选择深层发酵。在发酵过程中，有的菌种不需加入引发剂，有的则采用甲醇作为引发剂，采用棕榈油或其他植物油作为发酵用消泡剂，通入的空气中不允许含油。目前发酵过程多为间歇生产，但每个发酵罐的容积增大了，采用电子计算机程序控制，连续进出料发酵，采用新型发酵法生产。3.2 钙盐法提取工艺3.2.1 原料澄清过滤橘汁、梅汁等原料中含有不少果胶及杂质，需进行澄清，促进杂质沉淀，然后用压滤机压滤。3.2.2 中和可用碳酸钙或石灰中和，要预先调成浆状进行，最好加入15%碳酸钙中和。具体做法是：把橘汁、梅汁等咸酸水加热至75摄氏度时，逐渐加入碳酸钙乳浆，继续加热2小时，初温控制在5摄氏度左右，最后可升高到100摄氏度，至溶液呈青绿色时，即表示已完成中和反应。然后静置沉淀，此沉淀即为果酸钙（以柠檬酸钙为主）。3.2.3 除盐所得柠檬酸钙含有盐分，可用清水洗涤，加热至7080摄氏度，反复多次，直至盐分除净为止，干燥备用。3.2.4 酸解脱色柠檬酸钙浆液加热至6070摄氏度，加入浓度为35 %的硫酸，沸腾3小时左右，待柠檬酸钙分解完成，即静置沉淀，上层清液为柠檬酸溶液。将暗红色的柠檬酸用1%2%活性炭脱色半小时，则得无色清液。3.2.5 浓缩、晶析将无色柠檬酸液进行浓缩，至固形物含量75%时，于结晶缸内静置结晶。45天可完成晶析。3.2.6 离心、干燥柠檬酸结晶还含有一定水分和杂质，需用离心机除去。然后在75摄氏度下干燥到含水量达1%以下，最后通过过筛、分级、包装即为成品。钙盐法因为工艺成熟、设备简单、原材料易得和产品质量稳定等特点而在国内外被广泛使用。但也存在一些不足: 一是得到的提取液中柠檬酸质量分数较低；二是单元操作损失多，总收率低；三是在提取过程中化工原料消耗多，固液分离量大，能耗高；四是环境污染严重，产生大量的固体废弃物CaSO4 和废水。另外还有提取工艺长、工人劳动强度大、工作环境恶劣、提取设备腐蚀严重等缺点。3.3 工艺流程的改进柠檬酸工艺主要包括预处理、过滤、中和沉淀、酸解、脱色、离子交换、浓缩和结晶等步骤。有研究提出对此工艺进行两种改进: 一种是将离子交换在浓缩步骤之后进行；另一种是在浓缩步骤之后,还有一个过滤步骤。这样, 在浓缩过程中析出的CaSO4 微粒可以通过过滤而除去。此外,由于CaSO4的去除,可减轻后步的离子交换操作的负担,相应地, 使离子交换树脂的利用率也得到提高。此外，还有离子交换树脂法、电渗析、色谱法、膜分离等新的工艺对柠檬酸的提取进行改进完善，使柠檬酸的提取进度、回收率和产品质量都有不同程度提高，而且还有降低成本、保护环境等优点。檬酸又名枸椽酸，为无色、无臭、半透明结晶或白色粉末，带有水果酸气味；易溶于水及酒精，在干燥空气中风化，在潮湿的空气中潮解。二柠檬酸的几种不同生产工艺生产工艺一：柠檬酸可作为酸味剂，用于清凉饮料、混成酒、果脯、果酱、罐头中。也可用作食用的软化剂、防腐剂和抗氧化剂，广泛应用于饲料制造业、糕点、罐头加工业及油脂加工等食品工业。而柑桔加工中近50%的废料一旦得到应用，即可变废为宝，又可产生显著的社会效益和经济效益。每公斤柑桔废料可生产柠檬酸215克，生产工艺如下：（一）、工艺流程 第一步：鲜桔压榨后的固体残渣处理。柑桔残渣压榨汁加热浓缩糖蜜；柑桔残渣压榨固形物干燥陈皮 第二步：发酵。陈皮50克，糖蜜大于500毫升，置于三角瓶121、30分钟灭菌接种孢子接种体（约310-6孢子/瓶）加50倍的蒸馏水抽提过滤加碳酸钙过滤后的固形物加硫酸处理过滤除去硫酸钙滤液浓缩结晶成品。（二）、加工过程 1、原料处理：将柑桔加工厂的加工残渣作为原料，进一步压榨，所得汁液加热浓缩为糖蜜；固形物干燥为陈皮。陈皮用直径为0.25厘米的网筛处理。 2、发酵：将所得陈皮与糖蜜置于容器中，进行发酵。孢子生长和菌丝体发育温度在35左右，而后发酵产酸温度为30，发酵时间以4天为宜，湿度为50%，并添加2%浓度的甲醇溶液，这时柠檬酸产量最高。 3、加碳酸钙：待发酵结束后，加入2%的活性炭吸附过滤，滤液中加入碳酸钙，边加边搅拌。柠檬酸与碳酸钙形成难溶性的柠檬酸钙。从发酵液中分离沉淀出来，过滤除去滤液。 4、酸解：把柠檬酸钙用水稀释成糊状物，加热到85，慢慢加入硫酸（一般根据投入碳酸钙的用量来计算硫酸用量, 以碳酸钙用量的92-95%为宜），在加入计算量的80%以后，即要开始测定终点，方法如下： 取甲、乙两支试管，甲管吸取20%硫酸1毫升，乙管吸取20%氯化钙1毫升，分别加入过滤后的酸解液，水浴内加热至沸，冷却后观察两管溶液，如果不产生混浊，再分别加入1毫升95%的酒精，如甲乙两管仍不呈混浊，即认为达到终点。甲管有混浊，说明硫酸加量不足，需要补加硫酸。如果乙管有混浊，说明硫酸过量，应再补加一些柠檬酸钙。 5、浓缩、结晶：将脱色后过滤所得清液，加热浓缩到36.5-37Be时即可出罐。冷却至柠檬酸结晶成品体后，用离心机将母液脱净，然后用冷水洗涤晶体，放在阴凉处除去表面的水即为成品。（三）、注意事项洗净的柠檬酸钙应及时酸解，不要过久贮存，以防发霉变质而损失。柠檬酸浓缩时腐蚀性较大，因此多采用搪瓷衬里的浓缩锅。浓缩液浓度过高易成粉末，过低则造成晶核少，成品颗粒大，母液中残留有大量柠檬酸而影响产量。生产工艺二：柠檬酸在医药、化学等其它工业中也有一定的作用。柠檬酸铁胺可以用作补血剂；柠檬酸钠可用作输血剂；柠檬酸可制造食品包装用薄膜及无公害洗涤剂。 3.4.2 柠檬酸发酵微生物 1)黑曲霉（Aspergillus niger）的形态特征 目前生产上常用产酸能力强的黑曲霉作为生产菌。在固体培养基上，菌落由白色逐渐变至棕色。孢子区域为黑色，菌落呈绒毛状，边缘不整齐。菌丝有隔膜和分枝，是多细胞的菌丝体，无色或有色，有足细胞，顶囊生成一层或两层小梗，小梗顶端产生一串串分生孢子。 2)黑曲霉（Aspergillus niger）的生理特征 黑曲霉生产菌可在薯干粉、玉米粉、可溶性淀粉糖蜜、葡萄糖麦芽糖、糊精、乳糖等培养基上生长、产酸。黑曲霉生长最适pH值因菌种而异，一般为pH37；产酸最适pH为1.82.5。生长最适温度为3337，产酸最适温度在2837，温度过高易形成杂酸，斜面培养要求在麦芽汁40Be左右的培养基上。黑曲霉以无性生殖的形式繁殖，具有多种活力较强的酶系，能力用淀粉类物质，并且对蛋白质、单宁、纤维素、果胶等具有一定的分解能力。黑曲霉可以边长菌、边糖化、边发酵产酸的方式生产柠檬酸。 3.4.3 柠檬酸发酵机理 关于柠檬酸发酵的机制虽有多种理论，但目前大多数学者认为它与三羧酸循环有密切的关系。糖经糖酵解途径(EMP途径)，形成丙酮酸，丙酮酸羧化形成C4化合物，丙酮酸脱羧形成C2化合物，两者缩合形成柠檬酸（见发酵代谢）。 3.4.4 柠檬酸发酵用原料 柠檬酸发酵的原料有糖质原料(甘煎废糖蜜、甜菜废糖蜜)、淀粉质原料(主要是番薯、马铃薯、木薯等)和正烷烃类原料三大类。 3.4.5 柠檬酸发酵工艺 1) 试管斜面菌种培养 察氏琼脂培养基：NaNO3 3g， 蔗糖20g， K2HPO4 1g， KCl 0.5g， MgSO4.7 H2O 0.5g， FeSO4 0.01g， 琼脂20g， 用水定溶至1000ml， pH自然。 察氏-多氏琼脂培养基：蔗糖30g，NaNO3 2g， MgSO4.7H2O 0.5g， KH2PO4 1g， KCl 0.5g， FeSO4.7H2O 0.01g， 溴甲分绿0.4g，琼脂20g， 蒸馏水1000ml， pH自然。 蔗糖合成琼脂培养基：蔗糖140g， NH4NO3 2g， KH2PO4 2g， MgO4.7H2O 0.25g， FeCl3.6H2O 0.02g， MnSO4.4H2O 0.02g， 麦芽汁20ml， 琼脂20g， 用水定溶至1000ml。 米曲汁琼脂培养基：一份米曲加四倍质量的水，于55保温糖化34小时后煮沸，滤液用水调整浓度至10Bx，并用碱液将pH调制到6.0，接着添加琼脂2%。确认所制成的斜面无杂菌污染后，接入黑曲霉孢子悬液0.1ml，于32培养45d。 2)种子扩大培养 二级扩大培养 a 培养基 有琼脂固体培养和液体表面培养两种方法，前者的培养基组成与斜面培养基相同，后者的组成如下： 麦芽汁70BX， 氯化铵2%， 尿素0.1%， b培养 固体培养时，500ml茄子瓶装80ml琼脂培养基，250茄子瓶装50ml琼脂培养基。灭菌后摆成斜面，凝固后的斜面至37下培养24h。确认无杂菌污染即可使用。 液体培养时，将液体培养基装入三角瓶中，使液层深度达45cm，于0.1MPa下湿热灭菌15min。按无菌操作接种。培养温度32。液体表面需710d，琼脂固体培养需67d。 三级扩大培养 可采用麸曲固定培养、液体表面培养或琼脂固定培养。 所用培养基如下： a 麸曲培养基： 新鲜小麦麸皮1kg，加水1.11.3L。液体培养基与第二级扩大培养基所用液体培养基相同。 b琼脂固体培养基： 与斜面培养基相同。 3） 发酵生产 工艺流程 以薯干粉为原料的液体深层发酵工艺流程： 斜面菌种麸曲瓶种子 薯干粉调浆灭菌(间歇或连续式)冷却发酵发酵液提取成品 无菌空气 以薯渣为原料的固体发酵工艺流程： 试管斜面三角瓶菌种种曲 薯渣粉碎蒸煮摊凉接种装盘发酵出曲提取成品 米糠 液体发酵 a不置换法 培养液一次加入，发酵结束后弃去菌盖，发酵液用来提取柠檬酸。具体操作是：接种后，培养温度维持在35，这是黑曲霉的适宜生长温度，需维持72h左右，以促进孢子发芽及菌体发育。当温度逐渐下降时，必须通人约50的空气以维持35的培养温度，通风量为35m3/m2.h。接种后20h左右可出现灰白色、很薄的菌膜，72h时菌膜已完全形成，菌膜相当厚且有皱褶。48h起由于菌体耗氧增加，可开动另一组风管向盘层之间通汽，进汽温度为40左右，风量为7m3/m2.h，进汽湿度为75%以上，以防培养液水分蒸发过快。自接种后72h起进入产酸期，这时菌体代谢速率高，耗糖快，发酵液酸度急剧升高，并释放出大量热，最高时可达1000kJ/(m2.h)，此时应加强通风措施，严格将发酵温度控制在2628，以利柠檬酸的形成。因此，一般在进入产酸期前8h左右需增大风量至1518m3/m2.h，且降低进汽温度在25以下，湿度仍在75%以上。160h以后发酵结束。 b置换法 置换法一般是采用糖浓度低而营养较丰富的培养液先培养菌盖，待菌盖形成之后再更换发酵培养基。可更换1次也可数次，发酵液用来提取柠檬酸。培养菌盖，一般使用5%的糖液，视糖蜜质量再补充少量NH4NO3、K2HPO4等盐类。接种孢子后，室温保持在3436，培养液品温为3234，使孢子发芽，正常情况下40h即可形成紧密有皱的菌盖。菌盖形成后，放掉培养基，更换发酵培养基(即第1次置换)，并将室温降至3032，待发酵4860h后再放掉发酵液，加入新培养液即进行第2次置换。如此重复，一般可置换培养基810次，总发酵周期为1420d，收集起来的发酵液，用来提取柠檬酸。置换法的优点是节省了大量培菌时间，发酵速度快，而且原本不适宜长菌的原料却可用作发酵培养基。但为了保持菌盖的高活性，因此不能将发酵液残糖控制得很低，这样一来就造成替换出来的发酵液其残糖量较高，给后道提取柠檬酸带来困难。 c不置换法影响表面发酵的因素 a)培养液层厚度 培养基液层厚度大，发酵产物总的生成量就大。如果原料质量好，预处理方法得当，曲霉菌丝体活力强，那末可适当增加液层厚度;相反，就应减少液层厚度。 b)糖浓度 用于表面发酵的糖蜜浓度，质优的糖蜜浓度(以蔗糖浓度计)为18%22%较适宜，而质劣的糖蜜一般采用14%。在表面发酵中，大约80%的糖被用于合成柠檬酸，菌体生长增殖耗糖8%左右，菌体进行呼吸消耗的糖在10%左右，另有1%2%的糖用于合成副产物。 c)温度 黑曲霉适宜产酸温度是2628。温度高，容易形成杂酸等副产物且菌体易衰老；温度低，发酵周期被延长。 d)pH值 黑曲霉长菌的最适pH为中性，而产酸的最适pH在2.52.0。因此，应该注意的是：菌盖形成之后，只是在菌盖下面有一个低PH区域，菌体合成柠檬酸的活动都是在这低pH区域内进行的，所以不应该搅动发液，避免低值区域的pH值上升而长菌不产酸。 e)通风 表面发酵是气相传氧，因此传氧效率较高，所以只要保持发酵室内有适当空气流通就可以满足霉菌对氧的需要。较高度的CO2会影响菌体的生长和降低产酸能力。一般将CO2控制在3%以下即可。 固体发酵 a浅盘发酵 将曲置于曲室内培养，室温可按需要调节。在孢子发芽和菌丝生长期，由于产生的热量少，品温会逐渐下降，在入室后自18h内，应维持品温在2731。培养1848h期间，由于发酵热的大量释放，品温上升很快，应采取措施，不得让品温超过43，因为菌体活力下降，所以品温会下降，此时应维持在35左右，直至发酵结束。为了克服上、下曲盘的温差，在发酵40h左右时应将曲盘上下对调。整个发酵期间不必翻曲。曲室相对湿度在85%90%。发酵终点根据酸度来判定，从48h开始测量酸度，以后每隔12h测定1次，自72h以后则每隔4h测定1次，在酸度达到最高时即出料，否则时间延长，柠檬酸反而被菌体消化。 b 厚层通风发酵 与浅盘发酵明显不同的是，在物料铺摊厚度上，厚层发酵的曲醅厚度在50cm左右，比浅盘发酵的1520cm要大出许多。为了给曲霉菌提供氧，在培养过程中需要进行机械通风。培养过程中的温度控制与浅盘发酵的温度管理相似，但最高品温不能超过40。温度和湿度主要靠通风来调节，因为物料厚度大，所以培养过程中需要翻料。厚层发酵比浅盘发酵优越之处在于：占地面积少，污染杂菌可能性小，机械化程度高。 生产工艺三:1、工艺流程：培菌糊化发酵中和酸解浓缩结晶 2、工艺操作要点： 培菌：生产柠檬酸所用的菌种为黑曲霉。黑曲霉不但能利用淀粉,而且还对蛋白质、纤维素、果胶物质等均有一定分解能力，它的产酸能力也较高，在生产上比应用其它微生物有更多优点。培菌的过程也是用试管、三角瓶、种母罐等逐步扩大培养。培养究竟分几个阶段可由生产规模来决定。按照酒精生产中所介绍的方法，用米曲汁或麦芽汁，再在其中加2%的琼脂配成培养基，分盛于试管中，每管510毫升，经灭菌处理后，斜置使其成斜面。将在土壤中分离的或生产中留用的合格菌种，用无菌操作接入试管培养基中。在3234摄氏度的温度下培养56天，待繁殖旺盛，检验合格后，用无菌水将孢子完全洗下，即为孢子悬浮液。 生产上所用的种母醪是在种母罐串培养的。培养基中的糊化醪与发酵所用的糊化醪相同。将浓度为12%14%的红薯淀粉浆液，放在灭过菌的种母罐中，通入1千克/平方厘米的蒸汽蒸煮糊化1520分钟，待冷至33摄氏度，接入合格的孢子悬浮液，保持3234摄氏度的温度，通入无菌空气，并用搅拌机搅拌进行发酵。每12小时取样检查，经56天即可发酵完全。检验合格后，即可投入发酵罐中使用。 糊化发酵：红薯干经粉碎过筛后，送入拌料桶，加水配成浓度为12%14%的淀粉浆液，用输送泵打入发酵罐，通入1千克/平方厘米的蒸汽蒸煮糊化1520分钟。将糊化醪冷至33摄氏度时，按接种量为5%7%接入种母罐中培养好的种母醪，在3234摄氏度温度下搅拌，通入无菌空气发酵，每隔一定时间取样检查，发酵过程中控制pH为2.53，经56天即可完成发酵。在柠檬酸发酵过程中，pH值的控制对产酸关系很大。因为用薯干粉发酵生产柠檬酸时，首先要利用黑曲霉的糖化霉将淀粉先转化成葡萄糖，然后由葡萄糖转变成柠檬酸。糖化的最适pH值约为2.53.0，生成柠檬酸的pH值在2.02.5，如果发酵初期产酸过猛，就会影响糖化不彻底，造成残糖量高，产酸量低；或发酵过程中始终处于高pH值状态，就会生成以草酸为主的杂酸。解决这一问题一般可采用二种方法：一是调节通气和搅拌的强度，如前期通风量低些对糖化有利，后期适当增加风量，能促进产酸。二是在pH值降至2.0左右；加入一定量的灭菌碳酸钙乳剂，使pH值回升至2.2左右时，有利于糖化作用，能继续积累柠檬酸。 中和：发酵后的物料，生产上叫发酵醪。发酵醪出料后，真空抽滤即为含柠檬酸的发酵液。先将发酵液用泵打入中和桶，加热到60摄氏度左右，再加入碳、酸钙粉末或石灰乳。碳酸钙用量可按下式计算： 碳酸钙用量=柠檬酸总量*0.714 柠檬酸总量=发酵液体积*滴定酸度*氢氧化钠浓度*0.07 将中和后的料液加热煮沸，使其它有机酸的钙盐溶解，而柠檬酸钙不溶。在过滤桶中抽滤，滤液弄去。沉淀用90摄氏度以上的热水洗去糖分。检查的方法是用1%2%的高锰酸钾溶液1滴加到加毫升洗涤水中，3分钟内不变色，说明糖分已洗净。 酸解：将洗涤后的柠檬酸钙沉淀放入稀释桶中，加水打成浆状，用泵将浆液打入酸解桶，在搅拌下缓缓加入浓硫酸分解。酸解终点的控制方法是：取甲、乙两支试管，甲管中放入1毫升15%20%硫酸，乙管中放入1毫升15%20%氯化钙溶液（其浓度必须和甲管中硫酸的浓度相同）。各试管中分别加入1毫升过滤后的酸解液，在水浴上加热至沸，冷却后均不发生混浊，再分别加入95%的乙醇。加乙醇后，甲管略呈浑浊，表示已达酸解终点。如果加乙醇前，甲管就已浑浊，表示酸解液中硫酸量不足；加乙醇后，乙管浑浊，表示酸解液中硫酸过量。假使硫酸过量，在酸解液中可稍加一些柠檬酸溶液进行调节。在工厂实际操作中，硫酸的加入量一般为碳酸钙用量的92%95%。加完硫酸后，把酸解液加热到8085摄氏度，保持30分钟，即可使反应完全，又能促进硫酸钙结晶的形成，以利分离。根据硫酸钙在水中的溶解度与温度的关系，酸解液在80摄氏度左右进行热抽滤较为适宜。滤饼硫酸钙用热水洗涤后弃去，滤液和洗涤液合并在贮液桶中，即为