第三章--柠檬酸生产原料及生产方法课件.ppt

第三章柠檬酸发酵原料及生产方法 第一节柠檬酸发酵原料 从广义上讲 凡是能通过微生物代谢而产生柠檬酸的物质 都可以作为发酵柠檬酸的原料 柠檬酸发酵的原料有糖类 正烷烃 水果或粮食加工的下脚料等 10 20碳链的馏出物 葡萄 菠萝 柑橘 苹果等果实加工的残渣各种粮食加工的下脚料 原料选择的要求 1 因地制宜 就近取材 价格低廉 2 原料中可利用成分高 未遭污染 抑制生长和产酸的物质要少或能够去除 能满足工艺上的要求 3 原料资源丰富 便于采购运输 适宜于大规模储藏 能保证供应生产 目前工业上使用的原料主要有糖质原料 淀粉质原料和烷烃类原料 一 糖质原料 一 糖蜜1概念工业制糖过程中 糖结晶析出后 剩余的不能结晶 但仍含有较多糖分的母液 按制糖原料不同分类 主要有甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜 糖蜜是制糖工业的副产品 其中含有大量可发酵糖 制糖工业的快速发展 为柠檬酸的发酵工业提供了大量廉价原料 A 甘蔗糖蜜甘蔗糖蜜是甘蔗制糖工业的副产品 在我国南方产量很高 它的成分与甜菜糖蜜差别很大 主要有以下特点 1 蔗糖少 转化糖含量高 2 总氮低 不含甜菜碱和谷氨酸 3 胶体多 色度高 4 绵子糖少 有机非糖分一般较高 5 缓冲度低 呈微酸性 6 灰分中Fe Mn含量较高 Cu Zn含量较低 B 甜菜糖蜜甜菜糖蜜呈微碱性 外观稠厚 黑褐色 带特殊气味 这种气味是三甲胺和甲硫醚引起的 甜菜糖蜜成分非常复杂 而且变化很大 它与甜菜的生长环境 栽培和收获方法 保藏条件和时间 制糖工艺等因素有关 甜菜糖蜜平均含干物质80 水分20 含的转化糖较少 其所含有机非糖分包括含氮物质 有机酸 糖的分解产物 芳香族化合物等 含氮物质约占糖蜜重量的0 6 0 8 主要是甜菜碱 可达总氮含量的60 以上 其余为氨基酸 蛋白质和硝酸盐等 2 糖蜜的采购和运输 贮藏糖蜜质量对柠檬酸发酵影响很大 因此糖蜜的采购 验收和贮藏非常重要 要求糖蜜的采购要新鲜 不受污染和变质 对糖蜜的质量要求符合理化指标和感官指标外 应做发酵试验 不影响柠檬酸发酵产酸 糖蜜的感官要求 液体浓稠均匀 色棕黄至褐色 无夹杂物 无异味和发酵现象 糖蜜在贮藏的过程中会发生分解变质 主要现象有 产生大量泡沫 可能溢出罐外 温度剧升 产生异味 颜色异变 糖蜜由于渗透压很高 一般微生物不能生长 但总是带菌的 一般多为芽孢杆菌 3 糖蜜的预处理 糖蜜不经处理而直接稀释后发酵时 柠檬酸产率往往很低 因为糖蜜中所含的金属离子和营养物质能促进菌体过度生长 阻碍产酸 所以糖蜜在发酵以前要进行预处理 以降低糖蜜中的N P Fe及其他有害杂质含量 而且有利于简化提取步骤 提高产品的质量 糖蜜预处理的方法有很多 最常用的方法是添加黄血盐 亚铁氰化钾 K4 CN 6Fe 或者经硫酸或磷酸处理 也可添加活性炭 EDTA 单宁 石灰以及通过离子交换树脂等 还可采用几种方法交替处理 A 糖蜜的稀释糖蜜在处理前要先加水稀释 加水量一般为1 1 否则粘度太高不利于后续操作 糖蜜稀释后的体积并不是原蜜加水的体积之和 而是有所缩小 这种缩小的比例根据原蜜来源而异 一般为6 5 8 2 为了节约用水 糖蜜稀释可以采用生产中各种废水回用 例如钙盐洗涤水 储罐洗涤水 晶体洗涤水等 B 调节pH值糖蜜本身有酸性的 也有碱性的 在黄血盐或其他方法处理前要根据不同的情况加以调节 为了得到较高和稳定的发酵产酸率 调酸度时还要考虑温度和加热时间的影响 对于酸性原料 pH应该调得比碱性原料要高些 因为它具有延时缓冲性 它配制的培养基在灭菌后会酸化 称为返酸 而碱性原料的性质正好相反 pH调节一般用H2SO4或Na2CO3 参考调节范围在pH值6 7 2 C 黄血盐法添加黄血盐可采用一次加入或多次加入 用量依糖蜜中金属离子和总氮而定 参考用量为0 06 0 3 最常用的方法是在灭菌后接种前先加入少量黄血盐 以后根据菌体的生长和产酸情况再分次加入 主要是利用了黄血盐的螯合作用 一般认为Fe2 是黑曲霉TCA循环中乌头酸酶的激活剂 而后者不利于柠檬酸的积累 添加黄血盐可以去除Fe2 从而促进柠檬酸的积累 而且黄血盐还能与Mn2 Zn2 Cu2 等离子形成沉淀 而把这些离子除去 简化提取步骤 提高柠檬酸纯度 D 离子交换法糖蜜加水稀释后 通过氢型阳离子交换树脂柱 以吸附阳离子 也有再经阴离子交换树脂吸附PO43 等阴离子 但一般不必要 经阴离子吸附后 糖蜜的pH下降至3 0左右 可用氨水调节至pH4 5 5 0 二 蔗糖 蔗糖根据原料不同分为甘蔗糖和甜菜糖 粗蔗糖 原糖 含蔗糖约95 97 还含有少量灰分和蛋白质 色素等杂质 特别是土法生产的红糖粉含杂质很多 一般需要处理才能利用 我国一般不生产粗蔗糖 只有土法生产的红糖粉 粗蔗糖一般是进口 三 葡萄糖母液 葡萄糖母液是提炼葡萄糖结晶后的不能结晶的糖液 由于淀粉糖化制葡萄糖的方法不同而分为酸糖化母液和酶糖化母液 以后者质量好 前者含杂较高 作为柠檬酸发酵原料 葡萄糖和蔗糖之间无根本区别 不同点是杂质影响 特别是灰分中的金属离子含量 蔗糖中含锌离子高 而葡萄糖中含铁 锰 铜离子高 这四种离子对柠檬酸发酵的影响很大 尤其是锰离子的负作用 四 饴糖 饴糖是淀粉质原料蒸煮糊化后加麦芽粉或麸曲糖化 过滤浓缩后所制成的黄色粘性糖液 饴糖是一种水解不完全的淀粉水解糖 它主要含有麦芽糖和小分子糊精等 从柠檬酸生产的角度看 以葡萄糖 蔗糖 糊精为最好的原料 从工业成本考虑 多采用廉价原料 如糖蜜等 二 淀粉质原料及其处理 一 淀粉原料的成分主要包括甘薯 木薯 马铃薯 玉米等 含有淀粉的量都非常高 而且来源丰富 便于大规模储藏 能够满足柠檬酸发酵工艺的要求 1甘薯类 甘薯又名甜薯 红薯 白薯或番薯 在华东一带又称为山芋 华北称为地瓜 四川 湖北称为红薯 它在我国分布很广 产量尤其以安徽 四川 山东 河南 河北地区为多 甘薯种类也很多 根据块根表皮颜色不同而有红皮 白皮 黄皮 紫皮等 按肉色不同分为红心 黄心 紫心 灰心等 甘薯是高产作物 鲜甘薯含有大量水分和糖分 营养充足 极易受微生物污染而腐烂 尤其在表皮受伤之后更是如此 因此鲜甘薯极难储存 柠檬酸生产原料常用薯干或薯干粉 甘薯的灰分中 K2O约为3 P2O5约9 CaO约13 MgO约4 其他71 含氮物质中 蛋白质约2 3 酰胺约1 3 另外还有核酸碱基 甜菜碱 胆碱等 薯干是鲜甘薯切片晒干后成的 其外观指标 一级薯干 片大 整齐 均匀 内外都洁白 二级薯干 片大 较均匀 外部洁白 内有褐筋 三级薯干 片大 不整齐 有霉坏 黄黑色 项目名称 甘薯干的理化指标 甘薯是柠檬酸生产的最好淀粉原料 2 木薯类木薯亦称树薯 是亚热带高产经济作物 适应力强 容易载培 木薯起源于热带美洲 广泛栽培于热带和部分亚热带地区 中国于19世纪20年代引种栽培 现已广泛分布于华南地区 广东和广西的栽培面积最大 福建和台湾次之 云南 贵州 四川 湖南 江西等省亦有少量栽培 木薯品种较多 一般可分为两类 1 苦味木薯 又称有毒木薯 茎杆为红色或淡红色 产量高 生长期长 约一年半 含有氰的配糖体 腈苷 经酶水解后放出氢氰酸 HCN 对人体有毒 但经晒干后大部分消失 在后工序蒸煮液化过程中已基本除掉 并不影响发酵和产品质量 2 甜味木薯 又称无毒木薯 茎杆为绿色或棕色 生长期短 约一年 产量比较低 木薯块根的主要成分是碳水化合物 蛋白质和脂肪等含量都很少 鲜木薯块根含有27 33 左右的白色淀粉 4 左右蔗糖 木薯淀粉颗粒直径4 24微米 3马铃薯马铃薯又称洋山芋 土豆 山药蛋 我国马铃薯栽培地区也很广泛 主要以东北 内蒙古和西北地区的产量为大 与甘薯相比 马铃薯的储存较为容易 因此 除了用马铃薯粉和薯干外 鲜马铃薯也是常用原料 马铃薯的含氮量很高 是天然的良好培养基 对于柠檬酸发酵来说 营养是过剩的 另外 马铃薯灰分中 主要是K2O 占60 其次是P2O5 占17 马铃薯的化学成分 名称 水分 粗蛋白 碳水化合物 粗脂肪 粗纤维 粗灰分 华北马铃薯 华东马铃薯 马铃薯干 73 3 81 3 12 0 17 6 15 83 74 6 5 6 1 8 7 4 0 10 0 02 0 40 2 3 0 7 0 75 8 9 4玉米玉米又名玉蜀黍 苞米 珍珠米 苞谷等 它的子粒组织情况 依品种不同而异 每粒玉米包括果皮 种皮 糊胶粒皮 内胚乳 胚体或胚芽 实尖等六个基本部分 玉米主要应用于食用 饲用 工业加工方面 玉米的特点是 脂肪含量高 但脂肪主要集中在玉米胚芽中 在玉米加工成玉米粉时 把各部分分开 胚芽用于榨油 制成的玉米油富含维生素A D E 儿童易消化吸收 还对心脑血管患者起保健作用 其中含有亚油酸 不但有强身健体作用 而且有很好的美艳皮肤的作用 是皮肤滋润 充盈不可缺少的营养物质 整粒玉米的化学成分 干物质 化学成分 蛋白质 糖 淀粉 脂肪 纤维素 灰分 范围 平均值 6 5 13 2 9 6 61 6 73 4 72 1 05 2 82 1 58 3 6 6 5 4 9 1 92 1 04 2 07 1 56 1 5 2 51 二 淀粉质原料预处理 1薯干的粉碎薯干为片状或条状 必须先进行粉碎 粉碎在工厂中称为磨粉 常用的粉碎设备为锤式粉碎机 锤式粉碎机构造简单 占地面积小 生产能力大 操作弹性大 但它的锤刀易磨损 筛网易于打坏 特别是遇到较硬物料和石块等杂质时 需要经常更换筛网 它运转时的噪音也很大 薯干的粉碎度大小要视后续采用的处理工艺而定 对于液化法处理 粉碎度要求较细 一般粒度在 0 4mm左右 即选用40目筛网 而糖化法要求粒度在0 8mm左右 即选用20目筛网 2淀粉质原料的糖化黑曲霉虽具有糖化能力 但柠檬酸发酵菌种的糖化或液化能力不强 为了缩短发酵时间等目的 淀粉原料总是要经过糖化或液化处理 具体哪一种方法适宜也与原料的种类有关 玉米淀粉适于用糖化法 而薯类淀粉适于用液化法 糖化法根据催化剂的不同可分为酸法糖化和酶法糖化 酸法糖化的催化剂可以用硫酸 盐酸和草酸等 草酸能阻止淀粉过度分解 糖化率达80 86 柠檬酸的产率亦可达56 59 但草酸价格昂贵 工业生产中常用硫酸作糖化催化剂 3淀粉质原料的液化液化由外加液化酶完成 而后续的糖化是由发酵菌种 黑曲霉 自身完成的 淀粉液化是由 淀粉酶催化完成的 这种酶能水解淀粉分子内部的 1 4糖苷键 生成短链糊精和低聚糖 使得反应体系的粘度下降 流动性增强 因而成为液化 液化操作的好坏将直接影响到后续黑曲霉的糖化作用 发酵的残糖和产酸等工艺指标 因此必须严格把关 三 石油原料 供给发酵原料的石油成分主要是碳10 20的正烷烃 一般是采用炼油厂中经过处理的合格原料 而不是由柠檬酸厂处理 因为石油原料的处理是很麻烦的 液体石蜡 液体石蜡又称白矿油 是从原油中分馏得到的含有10 20个碳原子的烷烃混合物 它可以分成轻质矿物油和一般矿物油两种 而轻质矿物油的比重及黏稠度较低 按纯度可分为粗制石蜡油和精制石蜡油 性质 无色透明的油状液体 无臭 不溶于水及乙醇 能溶于乙醚和氯仿 化学性质稳定 应用 1 液体石蜡因对皮肤和毛发润湿效果较好 可被用作化妆品 软膏等的油性原料 2 液体石蜡能抑制多数微生物的代谢 推迟细胞衰老 隔绝氧气交流 防止培养基水分蒸发 因此被用于菌种的保藏 即液体石蜡保藏法 3 液体石蜡可用于医药方面 如泻药 软膏剂 擦剂 灌肠等 还可用于食品工业 如制作面包时的润滑剂 其用量限制在0 3 一下 第二节柠檬酸发酵和提取方法 一 发酵柠檬酸发酵是利用微生物在一定条件下的生命代谢活动而获得产品的 不论采用何种微生物 柠檬酸发酵都是典型的好氧发酵 一 发酵方法当前的柠檬酸发酵方法 如下图所示 二 发酵方法简述微生物发酵柠檬酸是典型的好氧发酵 深层发酵是利用强制通入液相中的溶解氧发酵 表面和固体法是利用环境空气中气相氧来满足微生物代谢所需的氧 三种方法各有优缺点 其中深层发酵是最为先进的发酵方法 现已成为柠檬酸生产的主要方法 1 深层液体发酵深层液体发酵是将培养基放入具有搅拌器的发酵罐中 接种 通气进行的发酵 根据操作方式的不同 液体深层发酵主要分为间歇发酵 连续发酵和半连续发酵三种类型 特点 a 微生物菌体均匀分散在液相中 使菌体 营养成分和氧气能均匀地混合 b 在发酵时不产孢子 全部菌体细胞均参与合成柠檬酸的代谢 黑曲霉菌体不是单细胞 其繁殖不以几何数增加 所以没有对数生长期 干重的立方根与时间呈直线关系 1 间歇发酵又称分批发酵 是将全部物料一次投入到反应器中 经灭菌 接种 经过若干时间后再将发酵液一次放出的操作过程 黑曲霉发酵过程分为延迟期 迅速生长期和衰亡期 特点 1 在整个培养过程中 除氧气的供给 发酵尾气的排出 消泡剂的添加和控制pH加入的酸或碱外 整个培养系统与外界没有其他物质的交换 2 微生物生长 各种基质消耗和代谢产物合成都处于瞬变之中 整个发酵过程处于不稳定状态 优点 1 周期短 培养基一次灭菌 一次投料 容易实现无菌状态 不会发生菌种退化现象 2 操作简单 易于操作控制 产品质量稳定 3 对营养物的利用率较高 产物的浓度比连续发酵的高 缺点 非生产时间长 设备利用率低 劳动强度大 2 连续发酵理论基础 在分批发酵中 随着微生物的活跃生长 营养物质不断耗损 有害的代谢产物不断积累 对数生长期不可能长期维持 因此 若将营养物浓度和培养条件维持在对数生长期不变 则对数生长期可以无限延长 这样连续发酵可以保证细胞高速增长或产物高速形成 定义 是将种子液接入发酵反应器中搅拌培养至一定菌体浓度后 通过连续流加新鲜培养基并以同样的流量连续地排放出发酵液 使得微生物细胞群体保持稳定的生长环境和生长状态的发酵方式 特点 连续发酵可使发酵反应器中的细胞总数和总体积保持不变 发酵体系处于平衡状态 发酵中的各个变量都能达到恒定值 这种平衡状态可以有效的延长生长曲线的对数期 在恒定的状态下 微生物所处的环境条件如营养浓度 产物浓度 pH 微生物细胞的浓度以及生长速率等可以始终维持不变 甚至可以根据需要来调节生长速度 稳定而高速地培养培养微生物 获得大量的代谢产物 连续培养控制方式要有恒浊器法和恒化器法两种 恒浊器是根据培养液细胞密度调节培养液流入的速率 使装置内细胞密度保持恒定 恒化器是通过控制某种限制性营养物质 生长限制因子 的浓度调节微生物的生长及其细胞密度 装置内营养物质浓度恒定 恒浊器和恒化器的比较 多罐串联连续发酵 在柠檬酸的生产中 连续发酵又可分为多罐串联发酵和单罐膜分离发酵 1 多罐串联发酵是包含两个以上的发酵罐串列同时运行的发酵系统 第一个发酵罐是紧接在一个不连续发酵罐之后开始的 不连续发酵罐的作用是能在理想的环境中让微生物生长繁殖 等到微生物生长达到对数生长期时 将培养液连续地泵入到其他的发酵罐中实现连续发酵 特点 发酵产物与菌体生长不同步 这类发酵器尚待解决的问题是养分渗透速度和膜微孔的堵塞问题 2 单罐膜分离发酵罐内装有透析膜 将发酵罐内部划分为发酵区和进出料区两部分 培养基进入进料区 养分通过透析膜进入发酵区 发酵区保持有高浓度的微生物 将养分迅速发酵 产生柠檬酸进入料区排出器外 连续发酵优点 1 可保持菌体浓度的相对稳定 使其恒定在柠檬酸的积累期 延长柠檬酸的生产时间 产率和产品质量也相应保持稳定 2 减少设备清洗 准备和灭菌等非生产占用时间 可提高设备利用率和单位时间产量 3 发酵液中各种参数趋于恒值 便于操作和控制 能够有效地实现机械化和自动化 降低劳动强度 4 可在不同的发酵罐中控制不同条件 最合理地促进菌体生长和生成产物 5 由于灭菌次数减少 使测量仪器探头的寿命得以延长 缺点 1 由于是开放系统 加上发酵时间长 易造成杂菌污染 2 在周期较长的连续发酵过程中 菌种易发生变异和退化 3 收率和产物浓度低 不利于提取 营养物质利用率低 增加了成本 4 对专业人员的知识 经验和责任性要求较高 以及发酵环境要整洁干净 5 对设备 仪器及控制元器件的技术要求较高 3 半连续发酵半连续发酵是指在补料分批培养的基础上 间歇放掉部分发酵液 带放 进入下游提取工段的发酵操作方式 优点与分批培养相比 1 它可以通过补料的方式来维持很低的基质浓度 从而避免快速利用碳源的阻遏效应 2 补入的新鲜培养液可以有效地控制菌体浓度和粘度 稀释有害代谢产物的浓度 提高溶解氧水平 从而延长发酵周期 进而提高产物的发酵产量 与连续发酵相比 1 降低了染菌的机会 避免了遗传的不稳定性 退化和变异 2 最终产物浓度较高 有利于产物的分离 缺点 1 放掉发酵液的同时也丢失了未被利用的营养物质和正处于生产旺盛期的菌体细胞 从而影响发酵转化率 降低发酵效益 2 定期补充和带放使发酵液稀释 送去提炼的发酵液体积更大 给下游加工增加压力 被稀释后可能产生更多的代谢有害物 最终限制发酵产物的合成 3 间歇放掉的发酵液会使一些经代谢产生的前体也随之丢失 造成发酵产物产量的影响 2 浅盘液体发酵浅盘液体发酵又称表面发酵 是将培养液盛于浅盘中接入干孢子 利用生长在液体表面的微生物的代谢作用 将可发酵性原料转化为柠檬酸的发酵方法 这种工艺出现最早 至今柠檬酸生产中仍然沿用 但主要用于糖蜜原料的发酵 工艺流程 斜面种子干孢子原料处理灭菌装盘冷却接种发酵无菌空气发酵液 优点 a 设备简单 投资少 投产快 b 操作技术简单 能耗低 c 原料粗放 对于糖蜜等粗原料也能适应 而且适应高浓度发酵 产酸浓度也高 缺点 占地面积大 劳动强度高 发酵时间长 菌体生成量多而影响产酸率 表面发酵法的柠檬酸产酸可达到8 9 但对糖的转化率较低 一般仅50 60 主要设备 a 发酵室表面发酵必须对发酵的温度 湿度及无菌程度加以控制 所以发酵室的技术要求较高 一般要求如下 1 室温维持在28 35 相对湿度在75 80 整个室内温湿度均匀 2 房屋必须采用保温建筑材料 以节约空调能耗和防止温度波动 室内表面光洁 易清扫 地面无积水 墙壁和天花板无霉菌 3 具有空调和无菌空气供给系统 发酵室内的盘架可由铁质材料制成 涂上防酸防锈漆 盘架之间走道为1 5m宽 离墙0 8m 盘层垂直间距不少于0 3m 底盘距地面不少于0 45m 顶层盘距天花板不少于0 35m 发酵室高度不少于4m 这样发酵室内可放置10层发酵盘 发酵室面积由生产量确定 发酵室采用强制进风 自然排风 以保持室内温度恒定和正压 b 发酵盘常用有铁盘 铝盘和塑料盘 铁 铝盘要涂上耐酸酚醛清漆 如果采用不锈钢盘 其内层也要涂上二乙烯乙炔清漆 以防镍离子溶出影响发酵 为了防止天花板冷凝水滴入盘内 每个发酵盘上最好加一个盘罩 盘罩表面倾斜以防积水 罩上有数个通气孔 孔内塞有泡沫塑料 发酵盘下面有一个管子供注入或吸收发酵液之用 c 通风系统用鼓风机给风 过滤器设在风机前 寒冷地区需增加加热设备 经粗虑加热的空气 再经过一次除菌过滤 送入发酵室 发酵室设两排通风管 一排通入发酵盘内 另一排靠近地面直接通入发酵室 所供空气具有一定温度 湿度和无菌程度 3 固体发酵法固体发酵是将固体发酵原料与曲霉菌丝体混合 经过微生物的代谢活动 将可利用的成分转化为柠檬酸 柠檬酸固体发酵工艺是小规模的操作方式 是使用经过蒸汽灭菌的麦麸或甘薯废料做培养基 维持70 80 的的湿含量 用黑曲霉孢子接种 然后铺在浅盘上或干净的地板上 深度约3 5cm 通气培养 薯渣为原料的固体发酵工艺流程 斜面菌种三角瓶菌种种曲薯渣粉碎蒸煮摊凉接种装盘发酵米糠出曲 提取 类型固体发酵因设备与通风不同可分为薄层发酵和厚层发酵两种类型 薄层发酵与表面发酵相类似 只是固体物料替代了液体培养基 培养基厚度在15 20cm 发酵用盘可以是竹匾曲盘 木质曲盘等 若是铁 铝制的盘必须涂上涂料 盘底设有假底或多孔筛板 以利于通风 厚层发酵的培养基厚度约50 60cm 摊在假底上 假底可进行通风 固体发酵设备 1 薄层发酵设备薄层固体发酵在发酵室内进行 发酵室也称 曲房 它的要求与表面发酵室类似 需要配置无菌空调设备 室内放置发酵盘架 以8 10层为宜 盘架层垂直间距为15 20cm 薄层发酵的容器可以采用发酵盘 曲盘 竹匾等 曲盘的厚度在6 8cm 材料可以是木质 铁质或铝质加涂料 或采用不锈钢 盘底最好采用假底或多孔筛板 以利于通气 薄层发酵的曲盘和帘子 2 厚层发酵设备厚层醅与空气的接触面积小 所以需要在底部设置假底和空气通道 以协助供氧 这种设备称为发酵箱 这种发酵箱又称厚层通风制曲箱 简称曲箱 曲箱由假底隔为上下两层 上层深度为50 60cm 下层为20cm 箱宽约为1m 长度可以在很大范围内变化 厚层固体发酵装置 箱式固体发酵设备是由浅盘法和竹帘法的生产实践基础上改进而来 将固体培养基经过蒸煮灭菌伴入种曲后 平铺入水泥制的具有多孔的假底的大池内 待微生物开始生长 曲温逐渐升高时 即从池内假底下面通入一定温度和相对湿度的无菌空气 室内同时保持一定的温度和相对湿度进行培养 特点 设备生产能力大 保温 保湿效果好 由于是全封闭式的 制曲时产生的热量可以循环利用 节约能源 同时又保持回风中的相对湿度 发酵中途无需人工经常翻曲 劳动强度相应减轻 是目前固体发酵法中较好的一种方法 3 蒸料设备蒸料的目的是使淀粉糊化 并有灭菌的作用 常用的设备是双层简易蒸锅 也有机械化程度高的旋转式蒸锅 优点 1 设备简单 投资少 2 操作简单 能耗低 3 原料粗放 一般利用农副产品加工的下脚料 4 发酵周期短 缺点 占地面积大 劳动强度相对较大 产酸率及提取得率低 副产物多 4半固体发酵固体发酵是指微生物在没有或几乎没有游离水的固态的湿培养基上的发酵过程 这种发酵工艺的过程中 原料以不流动的固体形式存在 含水量在50 左右 而无游离水流出 此培养基通常是 手握成团 落地能散 此发酵称为半固体发酵 半固体发酵的原料一般是果实加工的残渣 残汁 下脚料 5 生化反应器定义 生化反应器是指以活细胞或酶为生物催化剂进行细胞增殖或生化反应时为其提供适宜环境的设备 分类 1 按操作方式可分为间歇操作 连续操作和半连续操作三种类型反应器 2 按几何构型和结构特征 反应器可分为罐式 管式 塔式 及膜式等几种 目前 大规模工业化生产柠檬酸 以深层法最有竞争力和优越性 表面法次之 固体发酵法仍有活力 其他工艺仍处于研究开发阶段 三 发酵方法所适用的原料 适用的原料 二 提取 一 提取方法成熟的柠檬酸发酵液中 除了含有主产物柠檬酸外 还含有黑曲霉菌丝体及其自溶物 原料残渣 主要是纤维素 未利用的还原糖 非发酵性糖以及发酵过程产生的色素及其他有机酸等 要制备结晶柠檬酸必须设法除去这些杂质 因此用发酵法生产柠檬酸都需要经过反复分离纯化才能得到结晶成品 提取柠檬酸的方法主要有钙盐法 萃取法 电渗析法以及近年来发展起来的色谱分离法 二 提取方法简述1 直接提取法直接提取法工艺要求用白砂糖或通过离交净化的高DE值 是还原糖 以葡萄糖计 占糖浆干物质的百分比 国家标准中 DE值越高 葡萄糖浆的级别越高 的淀粉水解液做柠檬酸发酵培养基 成熟发酵液通过除去菌体 絮凝除去蛋白等胶体物质 再脱色 除盐后得精制柠檬酸液 可用以下三种方法处理 1 浓缩成50 的柠檬酸液出售 2 喷雾干燥得无水柠檬酸 纯度达到或接近药用标准 3 经浓缩 结晶 分母等工序得一水或无水品 母液调整为50 的液体柠檬酸出售 使用液体柠檬酸较方便 工序省 但运输费用相对较高 是推广的主要障碍 2 钙盐 离子交换法提取柠檬酸 钙盐一离子交换法是把离子交换树脂脱盐工艺引入钙盐法来提取柠檬酸的工艺 首先采用过滤或超滤除去菌丝体等不溶残渣 然后在澄清的过滤液中加入碳酸钙 或氢氧化钙 发生中和反应 生成难溶性的柠檬酸钙沉淀 利用在80 90 下柠檬酸钙的溶解度极低的特性 通过过滤 或离心 将它与可溶性的糖 蛋白 氨基酸 其他有机酸 无机离子等杂质分离开 为了获得较净的柠檬酸钙 需用80 90 热水反复洗涤柠檬酸钙 以去除其沾污的残糖和其他可溶性杂质 经过滤 或离心 获得较净的柠檬酸钙 然后 在洗净的柠檬酸钙中 缓慢地加入稀硫酸进行酸解反应 生成柠檬酸和硫酸钙沉淀 经过滤 或离心 除去硫酸钙沉淀 获得粗制的柠檬酸 粗制的柠檬酸再通过阴 阳离子交换柱进行净化 脱去粗制柠檬酸中的胶体和无机杂质离子 净化后的柠檬酸溶液再蒸发浓缩 结晶出来 离心分离晶体经干燥筛分和检验后即为成品 钙盐离子交换法工艺成熟 设备简单 原材料易得 而且产品质量稳定 但它也存在严重的缺陷 1 单元操作损失多 总收率低 国内生产厂家一般在60 70 2 如果酸解净化操作不当 大量钙离子存在 浓缩后会析出沉淀 使浓缩锅结垢影响传热 浪费能源 更重要的是混入产品中影响质量 3 生产过程中固液分离量大 能耗高 4 生产过程中副产品硫酸钙和二氧化碳不能有效利用 产生大量的废水 废渣 严重污染环境 因此 钙盐离子交换法已经越来越不适应当前柠檬酸的生产需求 许多厂家开始选择溶剂提取法 离子交换吸附法以及膜分离法等提取工艺 3 溶剂萃取法 在混合物溶液中加入某种溶剂 使溶液中的组分得到全部或部分分离的过程称为萃取 溶剂萃取法是从稀溶液中提取物质的一种有效方法 广泛地应用于冶金和化工行业中 在黄金行业中 用溶剂萃取法提取纯金 银已有许多研究 在国外 其成熟技术已经工业应用多年 用萃取法从含氰废水中提取铜 锌的研究也多有报导 溶剂萃取法也称液 液萃取法 简称萃取法 萃取法由有机相和水相相互混合 水相中要分离出的物质进入有机相后 再靠两相质量密度不同将两相分开 有机相一般由三种物质组成 即萃取剂 稀释剂 溶剂 有时还要在萃取剂中加入一些调节剂 以使萃取剂的性能更好 反萃取是溶剂萃取中不可缺少的一后处理步骤 是指将被萃取物萃取回纯的水相 而与萃取剂分离的操作步骤 萃取法提取柠檬酸的基本流程 发酵液预处理萃取反萃取脱色离子交换残渣及菌体萃取剂母液成品干燥离心分离结晶浓缩 为了在有限的时间内完成萃取过程 一般设多级萃取和多级反萃取 以此增加被分离物质在有机相中的富集比并提高传质速率 萃取所有的萃取设备主要有4种类型 即混合沉降器 填料塔 筛板塔 喷淋塔 近年来 又出现了外加能量的脉动填充塔和筛板塔以及分离密度差较小的离心分离器 最常用的是混合沉降器 溶剂萃取法的简述 萃取法提纯柠檬酸具有萃取剂可反复使用 不消耗大量化工原料 节约热能