柠檬酸发酵工艺

三 柠檬酸发酵工艺,柠檬酸发酵是典型的好氧发酵，工业上好氧发酵基本上有三种，即表面发酵；固体发酵和液体深层发酵，前两者是利用气相中的氧，后者主要是利用溶解氧，这三种发酵方法各有优缺点，都有经济上的可行性，工业上仍然有保留。,（一）表面发酵工艺,表面发酵是利用生长在液体培养基表面的微生物代谢作用，将可发酵性原料转化为柠檬酸，这种工艺出现最早，1923年由美国Chas.Pfizer公司实现了工业化，但主要是利用蜜糖原料来进行发酵的，采用表面发酵工艺具有一些优点：（1）设备简单，投资少，投产快；（2）操作技术简单，能耗低；（3）原料粗放，而且适于高浓度发酵，产酸浓度也较高；但表面发酵存在的问题是设备占地面积大，劳动强度大，发酵时间长，菌体生长量多，而影响产率等。,这种培养方法菌的生长速度与培养基深度有关，单位体积的表面积越大，生长速度也越快。氧的供给常成为发酵的限速因素，所以发酵周期长，占地面积大。优点是不需要深层培养时的搅拌和通气，节省动力。如醋酸、柠檬酸发酵和曲盘制曲。,柠檬酸表面发酵工艺,1.1 表面发酵微生物工业上应用的菌种均为黑曲霉，在国外普遍采用孢子接种的方法进行表面发酵1.2 干孢子的制备表面发酵用的种子，接种量大，最初采用大批量的茄子瓶培养，使用前在无菌条件下制成孢子悬液，接入发酵液中，然后分装接入发酵盘，这种方法工作量大，而且种子质量不能保证，不适宜大规模的工业化生产应用，采用干孢子接种是浅盘发酵工艺能实现工业化的关键因素。,菌种沙土保藏斜面培养液体培养干燥干孢子收集合格成品保藏使用前质量检查合格作为发酵用种子。干孢子液体培养成熟后，将浅盘倾斜，把盘内培养液除去，然后培养盘于干燥柜中，两端与无菌空气进、出管道相连，通入40左右的无菌空气，干燥3-4小时，在无菌条件下采用孢子收集器进行孢子收集。,1.4 表面发酵工艺（1）一般发酵根据菌种的产酸能力，也层一般在812cm，一次性发酵至结束。（2）置换法一次发酵结束，将酸液从菌膜下排走，然后再菌膜下通入无菌水，静止1小时，待菌膜中酸液渗入水中，排走洗水至贮酸桶，再通入置换液，液层视菌种生产能力而定，一般在68cm。（3）添加法有两种方法：一是分菌膜生长期和产酸期，生长期的液层3cm左右，待菌膜形成，放掉菌膜下的生长液，通入产酸培养基，液层在1012cm，一直到发酵结束。另一种添加工艺是在液层为68cm的一段发酵基础上，待产酸进入高峰期通入3-4cm的产酸培养基，总液层达912cm，直至发酵结束。,（二）固态发酵工艺,固态发酵是将原料及菌体被吸附在疏松的固体支持物（载体）上，经过微生物的代谢活动，将原料中可发酵性成分转化为柠檬酸。固体发酵工艺具有的优点：（1）设备简单，投资少；（2）操作简单，能耗低，适应性强；（3）原料粗放；（4）发酵时间短缺点是设备占地面积大、劳动强度大，传质传热困难，产品回收率低，副产物多等。,固体培养又分为浅盘固体培养和深层固体培养，统称曲法培养。它起源于我国酿造生产特有的传统制曲技术。其最大特点是固体曲的酶活力高。,固体培养具有以下优点： 原料：以谷物和农业废物为主要原料，只需外加适量水分、无机盐等。培养基组成简单。 防止污染：利用霉菌能在水分较低的基质表面进行增殖的特性，在这种条件下，细菌生长不好，因此不易引起细菌污染。 通气：无论浅盘或深层固体通风制曲，可以在曲房周围使用循环的冷却增湿的无菌空气来控制温湿度，并且能根据菌种在不同生理时期的需要，灵活加以调节。在固体培养中，氧气是由基质粒子间空隙的空气直接供给微生物，比液体培养时的用通气搅拌供给氧气节能。,2.1 生产工艺流程甘薯渣破碎加辅料洒水 湿薯干加辅料蒸料 摊晾 斜面种子一级种子二级种子补水接种装盘曲房发酵浸曲自然过滤滤液加热过滤,薄层固态发酵在发酵室内进行，发酵时也叫曲房，需要配置无菌空调设备，室内放置盘架，以810层为宜，架盘层垂直间距为1520cm。薄层发酵的容器可以采用发酵盘（曲盘、竹盘等）曲盘的厚度在68cm，材料可以是木质，铁质或不锈钢等，盘底最好是多孔篩板，以利于通气。,薄层发酵,盘曲、帘子曲是最简单的固体发酵技术，这些发酵设备具有就地取材、上马快、投资省、推广易的特点，因而这种发酵适用于农村中小型生产。帘子曲用的帘子和盘曲用的曲盘以及放置帘子和曲盘的曲架见图。 曲架可以用木材或毛竹制成，外表最好涂漆以防霉菌生长，曲盘可用竹木制成。常用浅盘尺寸有0.37m0.54m 0.06m或1mlm0.06m等。大的曲盘没有底板，只有几根衬条，上铺竹帘、苇帘或柳条，或者干脆不用木盘，把帘子铺在架上，这扩大了固体培养基与空气的接触面，减少了老法的许多笨重操作，提高了曲的质量。帘子可用芦苇、竹或柳等编成(便于卷在一起进行蒸煮灭菌)。曲架、曲盘和帘子的尺寸可根据产量及曲室的大小并考虑操作方便来确定,厚层发酵设备,厚层醅与空气的接触面小，所以需要在容器底部设置空气通道，以利于通氧，这种发酵设备又称发酵箱，这种发酵箱为厚层通风制曲箱，简称曲箱。大型的曲箱可以配置翻曲机，这样曲层可以加厚，现在固态发酵设备超着机械化，自动化的方向发展。,机械通风固体曲发酵设备与上述的自然通风固体发酵设备的不同主要是前者使用了机械通风即鼓风机，因而强化了发酵系统的通风，使曲层厚度大大增加，不仅使制曲生产效率大大提高，而且便于控制曲层发酵温度，提高了曲的质量。,机械搅拌固态发酵罐 固体发酵罐分为转筒式、转轴式以及立式多层固体发酵罐。采用优质不锈钢罐体，无死角，容易清洗，耐腐蚀，使用寿命长。搅拌方式独特，机械传动效率高、功率消耗少。固体发酵罐功能：能进行固体发酵；固体与液体混合、固体与固体物料的混合；可对固体物料进行粉碎；可以进行物料的烘干及加湿。,大型卧式生物固体发酵罐,特点：具有占地面积小、自动化程度高、生产能力大、易于监测和控制等显殊优点：物料能在罐内蒸煮、灭菌、降温、罐内接种、罐内喷淋加湿、自动翻料、温湿度检测显示以及自动控制、自动进出料等，物料在罐体内边翻滚边进行蒸汽灭菌，灭菌彻底干净；通过进气调节控制发酵的温度和湿度，低成本、高效率。；采用微机集散控制系统改变固体发酵生产自动化程度不高的现状，对固态发酵过程进行优化智能控制，为固体发酵生产规模化创造条件，该设备处于国内最新水平。,(3)液体深层培养,用液体深层发酵罐从罐底部通气，送入的空气由搅拌桨叶分散成微小气泡以促进氧的溶解。这种由罐底部通气搅拌的培养方法，相对于由气液界面靠自然扩散使氧溶解的表面培养法来讲，称为深层培养法。特点是容易按照生产菌种对于代谢的营养要求以及不同生理时期的通气、搅拌、温度、与培养基中氢离子浓度等条件，选择最佳培养条件。,工艺流程,生产工艺条件,（ 1） 碳氮源薯干原料由于产地等客观条件不同，其组织 中各物质的含量各异，其蛋白质含量差异较大，因此应根据不同的原料来调整培养基的成分。（2）发酵温度黑曲霉发酵柠檬酸温度控制在2830，柠檬酸产率最高，发酵速度较快，超过35时，虽然初期产酸较快，但最终的发酵产率降低15%以上。为了节约降温能耗，我国成功培育出高温发酵的产酸微生物，可以在37发酵。,（3）pH在薯干粉发酵柠檬酸中，初始pH不加调节，为自然，约5.5。当接入菌种后，菌种生长繁殖，消耗氮源和铵离子，使培养基的PH下降，前期pH下降较快，在12h左右，活力强的菌种微生物培养12h后，ph可以降至2.53.0，24小时后可以降至2.2-2.3，这时会有少量的柠檬酸产生，但要到48小时后柠檬酸才大量产生，才使pH下降至2.0以下,（4）控制生物量正常德发酵液中生物量控制在12-20g/L，过多的生物量影响氧的溶解，增加发酵罐的搅拌，且消耗大量的葡萄糖，如果生物量的过渡生长，柠檬酸的产率则迅速下降。,（5）严防缺氧柠檬酸是耗氧发酵，对氧十分敏感，当发酵进入产酸期时只需要几分钟的缺氧时间，就会造成严重影响，甚至完全失败。对于突然停电等在所难免的事故，要采取紧急的补救措施，关闭进气阀，迅速启动备用电源，防止发酵罐料液倒流到空气过滤器中，用灭过菌的碳酸钙或石灰乳中和发酵液pH至2.5-3.5，然后恢复正常操作。,（6） 孢子接种数与菌球体的特征柠檬酸发酵液中的菌球体是有一个或数个孢子在生长过程物理作用形成的。菌球体的大小和数量关系到发酵的成败，一般来讲，菌球体越小、越多，产酸就越高，发酵周期也越短。菌球体的大小和数量与孢子接种量有关。接种孢子数与球菌体个量成正比，与菌球体直径成反比，孢子数量不足，菌球体大或大小不一致，实践证明，种子罐菌球体平均在0.2-0.5mm，移入发酵罐后菌球体增长至1-2.0mm的范围较佳。菌球体最佳浓度为280个/ml，小于120个/ml柠檬酸积累速率和转化率下降，当大