柠檬酸发酵工业回顾

1、柠檬酸发酵工业回顾一、 行业简介1、 行业的历史 柠檬酸的研究和生产已有300年的历史。早在1784年，瑞典化学家Scheel首次从柠檬汁中提出柠檬酸并结晶出固体柠檬酸。1838年，由Liebig鉴定出它是一种含有一个羟基的三元酸。随后，在1860年意大利开始从果汁中用添加石灰乳的办法得到柠檬酸，从而进行了工业化生产。到1913年,Zahorski首先利用黑曲霉生产柠檬酸。1916年，美国农业部华盛顿化学局微生物研究室主任Thom和同事Currie对黑曲属的许多菌株进行过普查，发现很多菌种能产柠檬酸。1919年，比利时一家工厂成功地进行了浅盘发酵法生产柠檬酸。1923年，美国Pfizer公司开

2、始采用黑曲霉浅盘发酵法工业化生产柠檬酸。1938年，Perquin在荷兰发表论文，他将黑曲霉培养于低pH的含硫酸锌、氯化钾和氯化铵的糖溶液中获得了一些柠檬酸，对深层培养法的pH控制，提出了有力的证据。1944年，Szucs应用纯蔗糖，在9d内发酵柠檬酸，可得到92%的产率，但因时间太长，未能投产。1952年，Buelow和Johnson等用150g/L蔗糖培养液通入无菌空气，通气量增加，柠檬酸发酵时间可缩短，这对柠檬酸发酵条件控制，有了进一步地认识。1952年，美国Miles公司，首先成功地采用深层发酵法工业化规模生产柠檬酸。  解放前我国柠檬酸工业是个空白. 20世纪60 年代,

3、天津工业微生物研究所、上海工业微生物研究所首次采用木薯为原料发酵生产柠檬酸, 并筛选培育出优秀的耐高糖、耐高柠檬酸并具抗金属离子的黑曲霉高产柠檬酸菌株, 成功实现了产业化。1968年我国第一家以淀粉为原料深层发酵柠檬酸成功投产的厂是上海酵母厂。为我国有机酸产业的形成与发展奠定了基础。而后, 两个研究所又不断推出适合不同原料的高产菌株和新配方, 使浓醪高发酵指数的深层发酵工艺不断完善, 全行业通过积极引进和消化国内外先进技术和装配, 不断进行自主创新, 形成了具有中国特色的浓醪高发酵指数的深层发酵新工艺, 使得中国很快在20世纪末变成柠檬酸生产大国。我国柠檬酸生产企业众多, 厂家遍布全国各地,

4、90年代初, 柠檬酸企业的数量达到了最多, 有120多家, 厂家规模、生产能力、产品质量等参差不齐。经过数年市场调整, 从2003年开始, 企业的产能不断向大规模集中, 企业数量到目前锐减了80% 以上, 经过多年的竞争与发展, 优胜劣汰, 柠檬酸企业数量逐年减少,而规模迅速扩大。2、 柠檬酸主要用途 柠檬酸是有机酸中第一大酸，由于物理性能、化学性能、衍生物的性能，是广泛应用于食品、医药、日化等行业最重要的有机酸。  1）用于食品工业   因为柠檬酸有温和爽快的酸味，普遍用于各种饮料、汽水、葡萄酒、糖果、点心、饼干、罐头果汁、乳制品等食品的制造

5、。在所有有机酸的市场中，柠檬酸市场占有率 70%以上，到目前还没有一种可以取代柠檬酸的酸味剂。 一分子结晶水柠檬酸主要用作清凉饮料、果汁、果酱、水果糖和罐头等的酸性调味剂，也可用作食用油的抗氧化剂。同时改善食品的感官性状，增强食欲和促进体内钙、磷物质的消化吸收。无水柠檬酸大量用于固体饮料。柠檬酸的盐类如柠檬酸钙和柠檬酸铁是某些食品中需要添加钙离子和铁离子的强化剂。柠檬酸的酯类如柠檬酸三乙酯可作无毒增塑剂，制造食品包装用塑料薄膜，是饮料和食品行业的酸味剂 。2）用于化工、制药和纺织业    柠檬酸在化学技术上可作化学分析用试剂，用作实验

6、试剂、色谱分析试剂及生化试剂；用作络合剂，掩蔽剂；用以配制缓冲溶液。采用柠檬酸或柠檬酸盐类作助洗剂，可改善洗涤产品的性能，可以迅速沉淀金属离子，防止污染物重新附着在织物上，保持洗涤必要的碱性；使污垢和灰分散和悬浮；提高表面活性剂的性能，是一种优良的鳌合剂；可用作测试建筑陶瓷瓷砖的耐酸性的试剂。    服装的甲醛污染已是很敏感的问题，柠檬酸和改性柠檬酸可制成一种无甲醛防皱整顿剂，用于纯棉织物的防皱整理。不仅防皱效果好，而且成本低。3）用于环保   柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液用于烟气脱硫。我国煤炭资源丰富，是构成能源的主要部分，然而

7、一直缺乏有效的烟气脱硫工艺，导致大气SO2污染严重。目前，我国SO2年排放量已近4000万吨，研究有效的脱硫工艺，实为当务之急。柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液由于其蒸气压低、无毒、化学性质稳定、对SO2吸收率高等原因，是极具开发价值的脱硫吸收剂。4）用于禽畜生产   在仔猪饲料中添加柠檬酸，可以提早断奶，提高饲料利用率510，增加母猪产仔量。在生长育肥猪日粮中添加12柠檬酸，可提高日增重，降低料肉比，提高蛋白质消化率，降低背脂厚度，改善肉质和胴体特性。柠檬酸稀土是一种新型高效饲料添加剂，适用于猪、鸡、鱼、虾、牛、羊、兔、蚕等各种动物，具有促进动物生长，改善产品品质，提高

8、抗病能力及成活率，提高饲料转化率，缩短饲喂周期等特点。5）用于化妆品   柠檬酸属于果酸的一种，主要作用是加快角质更新，常用于乳液、乳霜、洗发精、美白用品、抗老化用品、青春痘用品等。 角质的更新有助于皮肤的中黑色素的剥落，毛孔的收细，黑头的溶解等。6）用于杀菌   柠檬酸与80温度联合作用具有良好杀灭细菌芽孢的作用，并可有效杀灭血液透析机管路中污染的细菌芽孢。享有“西餐之王”美誉的柠檬具有很强的杀菌作用，对食品卫生很有好处，再加上柠檬的清香气味，人们历来喜欢用其制作凉菜，不仅美味爽口，也能增进食欲。7）用于医药 &

9、#160; 在凝血酶原激活物的形成及以后的凝血过程中，必须有钙离于参加。枸橼酸根离子与钙离子能形成一种难于解离的可溶性络合物，因而降低了血中钙离子浓度，使血液凝固受阻。本品在输血或化验室血样抗凝时，用作体外抗凝药。 3、行业在国民经济中的地位和作用国际经济形势的好坏对我国的柠檬酸出口影响极大, 从2007年开始的国际经济危机, 严重的降低了外部需求, 从而导致了我国柠檬酸出口的大幅度下滑, 而在2009年随着国际经济形势的复苏, 外部需求逐渐恢复, 我国的出口也快速回升。但从整体趋势看, 我国柠檬酸出口总量仍呈不断增长趋势。从2010年我国柠檬酸产品的海外市场分布情况看 , 我国经营

10、海外市场比较成功的企业是日照金禾、潍坊英轩、安徽丰原和山东柠檬生化等一批企业规模较大, 产品质量较好的企业。目前国内柠檬酸品牌在国际市场知名度最高的是日照金禾的RZBC 品牌, 该品牌从2007年至今连续四年出口位居全国第一, 特别是在欧盟市场RZBC 品牌认知度最高、销量最好, 2010年RZBC 品牌在欧盟市场出口量占中国出口欧盟市场总量的1 /4以上。目前，我国柠檬酸行业从产量上位居世界第一，从技术上，在国际上也是处于世界领先水平，并远远领先于其他国。二、 生产方法和生产工艺流程1、 生产方法目前生产柠檬酸的主要方法有水果提取法、化学合成法以及生物发酵法三种。大部分企业使用的是生物发酵法

11、。1. 水果提取法： 水果提取法是早期制取柠檬酸的方法，在发酵法未出现之前，持续了大约50年的时间。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。该法是从未成熟的柠檬、柑橘等水果中压榨出果汁，然后和石灰乳混合，生成柠檬酸钙沉淀，再用硫酸处理，得到不含杂质的柠檬酸溶液。盐溶液经浓缩结晶即可得出柠檬酸产品。当今，水果的生产已经产业化，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。此法成本较高，不利于投入工业化生产。 2 .化学合成法： 化学合成法使用的原料是丙酮，二氯丙酮或乙烯酮。以二氯

12、丙酮为原料的技术路线   此法制取柠檬酸的工艺复杂，成本高，安全性低，很少使用。3 .生物发酵法 柠檬酸的生物发酵法有多种发酵工艺，有固体表面发酵法，表面发酵法，深层发酵法，石油烃(正构烷烃)发酵法等等，目前生物发酵法主要采用前三种方法为主。使用的主要原料有薯干，木薯，马铃薯，蜜糖，正烷烃等。还有用玉米的，小麦淀粉的水解液，制备葡萄糖的母液等均可生产柠檬酸。无论使用何种微生物，也无论采用哪一种发酵方法，柠檬酸发酵都是好气性的，即柠檬酸发酵是好氧发酵。 （1） 表面发酵法 此法又称浅层发酵法。它是利用生长在液态培养基

13、表面的微生物的代谢作用，将可发酵性原料转化为柠檬酸。这种工艺出现最早，它在1923年首先由美国Chas.Pfizer公司实现了工业化，至今工业上仍然沿用，主要用于糖蜜原料的发酵。其工艺过程为：将原料先放入煮沸锅内加水煮沸，依次加黄血盐和ETDA二钠盐煮沸灭菌，再用无菌水配成培养基液，加入适量的硫酸铵、磷酸二氢钾作为氮源和营养盐，将培养基液在4550下送入发酵室内装入浅底的铝盘或不锈钢盘中，干孢子接入黑曲霉干孢，发酵；过滤掉菌丝后将发酵液中和、酸解、净化、浓缩、结晶等后处理而得柠檬酸。该方法具有设备简单，投资少投产快，操作简单，能耗低；原料粗放，产酸浓度高等优点。但也有占地面积大，劳动强度高，发

14、酵时间长，菌体生成量影响产酸率等缺点。 （2）固体发酵法也属浅盘发酵法的一种，是将固体原料与曲霉菌丝体混合，经过微生物的代谢活动，将原料中的可发酵成分转化为柠檬酸。此法虽然较落后，但可利用薯渣等固体原料进行发酵，发酵后的残渣仍可作为饲料。采用固体发酵所用仪器设备简单，投资少，操作简便，原料粗放，发酵时间短，但其占地面积大，劳动强度大，产酸率及提取率低，副产物多。因为该法有一些优点，故有存在的价值。 （3）深层发酵法和表面发酵的基本原理相似，只是发酵过程发生在密闭的大型发酵罐内，菌体的生长分散在整个液体介质内。深层发酵的关键设备是发酵罐。发酵罐通常由罐体、搅拌、冷却装置和空气

15、分布器等组成。配制好的发酵原料经灭菌、冷却后，将培养的优育菌种先接种于种子罐，再转移至发酵罐。发酵期间罐内始终通入无菌空气，以增加培养基内的溶解氧，注意控制发酵温度、pH、通气量及搅拌速度，维持菌体的生长。该方法的优点是：发酵体系为均一的液体，传热传质良好；设备占地面积小，生产规模大；发酵速率高，时间短；产酸率高，菌体生成量小，原材料消耗低；便于机械化操作；发酵副产物少，产品得率高，产品质量高等，从而使其成为当今世界生产柠檬酸的最主要的方法。 （4）石油烃（正构烷烃）发酵法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

16、子链打开，借-氧化或-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，反应历程如下： C16H34 + 0.5O2+ H2O  C16H32O2 + 2H2 C16H32O2 + 16H2O + ATP  8C2H4O2 + 14H2 + AMP + 2Pi 3C2H4O2 + H2O  C6H8O7 + 3H2

17、2、 生产的工艺流程1、柠檬酸的生物合成 （1）柠檬酸发酵机理 柠檬酸产生菌黑曲霉在生长期和产酸期都存在着EMP和HMP代谢说明葡萄糖的降解是通过两条途径共同完成的。但是，在生长期EMP：HMP为2：1，而产酸期两者的比例为4：1，即产酸期有80的葡萄糖是通过EMP代谢的。这是因为在生长期需要通过HMP提供合成核糖等所需的前体物质，产酸期葡萄糖主要通过EMP降解，对柠檬酸的发酵生产是非常重要的。因为1mol葡萄糖经EMP降解可得到2mol丙酮酸，再经脱羧和02固定后，可使1mol葡萄糖合成1mol柠檬酸，这样就能获得较高的糖酸转化率(以质量计，葡萄糖合成柠檬酸的理论转化率为

18、l06.7，对水柠檬酸的理论转化率为116.7)。 在柠檬酸积累的条件下，TA循环已被阻断。因此，合成柠檬酸所需的草酰乙酸必须由含二碳的羧酸来提供。已知丙酮酸（PYR）和磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）均能经催化作用固定 CO2而形成草酰乙酸。 经证实，在黑曲霉产柠檬酸阶段主要是通过丙酮酸羧化酶的催化作用，使丙酮酸固定CO2而形成草酰乙酸。 图1  黑曲霉产柠檬酸途径 （2）柠檬酸生产菌种 很多微生物都能生产柠檬酸,例如:黑曲霉,棒曲霉,文氏曲霉,泡盛曲霉,芬曲霉,丁烯二酸曲霉,淡黄青霉,桔青霉等,以及假丝酵母属中的一些种。

19、60;至今世界上消费的柠檬酸主要采用发酵法生产,而最具优势的是黑曲霉和解脂假丝酵母等菌种的深层发酵法.在现代,糖质原料发酵使用黑曲霉,因为它的柠檬酸产量最高,且能利用多样化的碳源. 所以本设计拟采用黑曲霉G23-4菌种作为生产用菌种。 （3）柠檬酸生产原料  糖类： a薯类：甘薯 木薯 马铃薯 甘薯干 木薯干 马铃薯干 薯渣b谷类：玉米 小麦或小麦面粉 大米    c淀粉：各种谷类薯类加工成的淀粉   &#

20、160; d砂糖：白砂糖 赤砂糖 糖蜜 e淀粉糖：由淀粉水解而得到的各种单糖 双糖 糊精 葡萄糖母液  正烷烃 正烷烃     液体石蜡：10-20碳链的馏出物  其他果实下脚料：葡萄、菠萝、柑橘、苹果等果实加工的残渣粮食加工下脚料: 各种粮食加工的下脚料。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。但从工业成本考虑，多采用廉价符合要求的原料。一般工业选择原料的标准如下： a原料中可

21、利用成分高，无抑制柠檬酸生产菌生长和产酸的物质极少。或容易除去，能满足工艺要求。 b能就近取材，原料来源丰富，便于采购、运输、适于大量储存，保证生产上的供应。 c原料成分对产品的提取、精制无影响。 d价格便宜。 由于黑曲霉使用糖质原料，柠檬酸产量最高。目前，一般使用甘薯、木薯、马铃薯。2.糖化工艺 采用淀粉质原料生产柠檬酸，黑曲霉不能直接利用玉米。只能将其糊化、糖化为葡萄糖，方能供发酵生产用。（1）液化的方法及选择  酸法：以强酸为催化剂，高温、高压条件下进行，液化程度较难掌握  机械液化：破坏淀粉颗粒表

22、面和结晶结构  酶法：用-淀粉酶，在中性溶液，常温、常压条件下进行，液化程度容易掌握。此法适应于柠檬酸工业。其方法按工艺条件分：有间歇液化法（直接升温液化法）、半连续液化法（高温液化法） 、连续液化法 （喷射液化法）；按设备条件分：罐式、管式、喷射式；按加酶方式分：一次、二次、三次加酶多段液化工艺。本设计拟采用连续液化法（2）柠檬酸的喷射液化工艺  喷射液化喷射液化是在喷射器中进行瞬间液化,高压蒸汽通过喷嘴，使喷射器的内腔形成真空，混有-淀粉酶的淀粉乳，在此力的引吸下，呈薄膜状进入喷射器内腔，随即与蒸汽混合形成湍流，料温骤升至100-

23、120，瞬间完成了糊化、液化、淀粉糊粘度迅速下降，形成流体从喷射器下部出料口排至保温系统，恒温90维持30-60分钟，达到需要的液化温度。 此法的优点是液化均匀完全、已切断的淀粉连不易重新聚合、蛋白质类杂质凝固好，过滤性能佳、设备体积小、可连续化操纵、喷射液化最适合用耐高温-淀粉酶。但这类喷射器，要求在稳定的0.4-0.6MPa的饱和蒸汽条件下操作。 工艺流程 稀石灰水 玉米浸泡粉碎脱胚原浆调浆PH值6.47.0 一次喷射液化温度为9597 层流二次喷射液化温度为140145 闪冷中温液化温度在90左右调节PH 4

24、.85.2 过滤去稀HCl或稀H2SO4。                                             

25、0; 工艺操作 用温水将玉米调成浆乳，加稀石灰水调整pH至6.4-7.0，加需要酶量的2/3，备用。通蒸汽进喷射器、保温系统，待出口温度达90以上时，打开浆料回流阀，开始将浆料泵入喷射器进行液化，出料口温度达到95-97时，关小回流阀，料液进入层流罐，在90-95条件下，维持30-60分钟，然后进行二次喷射，料温达到140-145，进入维持管维持3-5分钟后，经闪冷器迅速降温后落入二次液化罐中，加余下的1/3淀粉酶，在90 左右维持30分钟，碘检查无蓝色反应，然后用稀酸调pH至4.8-5.2，趁热过滤去渣。调整好氮源之后，经连消或实消后发酵。3.发酵工艺 

26、;（1）菌种的扩大培养 菌种的扩大培养是柠檬酸发酵工艺所要求的。其目的是以少量的柠檬酸产生菌原种开始，经过几代繁殖培养，以获得足够数量的纯的（无杂菌感染）活力强的菌种培养物供发酵生产接种之用。黑曲霉柠檬酸发酵的接种物是黑曲霉分生孢子，所以这一过程又称为干孢子生产。接种质量的好坏是柠檬酸发酵成败的关键。对孢子质量的要求是：形态整齐均一，无杂菌污染，发芽率高，发芽后生长速度适当，产酸活力高，无老化现象。 （2）培养基的灭菌 灭菌要求是，恰当掌握灭菌的温度和时间，达到既能杀死培养基中的各种微生物，又要最大限度地保持其中的营养成分。 目前发酵工业液体发酵培养基的

27、灭菌方法仍然采用湿热蒸汽灭菌。蒸汽易获得，温度高、冷却时放出大量潜热而导致细菌芽孢死亡，是一种既简单又价廉的有效灭菌方法。其灭菌的方式分为间歇式（实消）与连续式（连消）。  间歇式：操作简单，不需其它设备，但由于中间时间长，因而设备利用率低，培养基中的营养成分易受破坏。  连续式：设备操作相对复杂，但事实上设备一直处于相对较热和稳定的温度，热利用率较高，培养基升温快，加热时间短，营养成分受破坏少，无死角，灭菌效果好适用于大量培养基的灭菌 发酵罐采用连消，种子罐采用实消。 （3）曲霉柠檬酸发酵条件控制 营养要求 &#

28、160;黑曲霉柠檬酸生产菌是化能异养微生物，只能利用有机碳源；要是黑曲霉柠檬酸产生 菌大量生成和积累柠檬酸，必须控制营养物质的供给，使菌体生长受限制，处于半“饥饿”和代谢失调状态。从柠檬酸生产角度看，葡萄糖、蔗糖、糊精是良好的碳源，工业上为降低生产成本，多采用廉价的甘薯、玉米、小麦及其淀粉、糖蜜等。     高糖浓度是柠檬酸发酵的一大特征。黑曲霉偏好生理酸性无机氮，这是因为生理酸性氮中的铵离子被利用后，使培养基变酸，可以使发酵中的黑曲霉生长阶段结束，进入产酸阶段，PH下降到较低水平有利于柠檬酸的积累； 有机盐是构成微生物生命

29、活动不可缺少的物质。在柠檬酸发酵中，有的构成菌体，有的促进代谢，有的促进产酸等，因此对黑曲霉的生长和柠檬酸发酵具有重要的作用。 黑曲霉柠檬酸生产菌的培养基 温度控制  黑曲霉属嗜热微生物，般认为，深层液体发酵中，温度低于28，导致长菌和产酸缓慢；高于37，导致菌体和杂酸形成过量，呼吸作用加强，影响糖酸转化率。故最适生长温度为3337。  PH控制 黑曲霉柠檬酸生产菌生长发育适宜pH37。其菌种生长期pH维持在4.5；柠檬酸积累时，产酸期的最适pH为2.03.0.pH3.0以上容易产生草酸，5.0容易生成葡萄糖酸，3.0以下是柠檬酸积累

30、的条件。  接种量和接种方式 接种量：直接决定于进入培养系统的孢子数量。在一定范围内，孢子接种量与产酸数量成正比，随着孢子接种量的增加，柠檬酸产率也提高。接种方式：采用孢子接种比菌丝接种效果好。因为采用孢子接种：a培养液中孢子数与接进种子罐的孢子相同；b件出现异常因素，孢子比菌球体更能适应；c较幼的种龄，前期产酸稍慢，培养基PH>3.0的时间延长，有利淀粉的充分糖化，后期产酸较快，后劲较足，则残糖较低；d次接种操作也就减少一次染菌机会，同时节约了相应设备的投资及能耗。 溶解氧的控制 黑曲霉柠檬酸生产菌是严格的好氧微生物，不管生长、繁殖、还

31、是产酸均需要氧。菌体生长过程呼吸作用消耗大量氧气，当菌体生长接近对数生长期时，需要氧达到最高峰，随后菌体生长缓慢，进入产酸期，氧的消耗率降低，并持续到发酵终了。  泡沫的控制 发酵过程中会产生大量泡沫，可能导致跑液或染菌。故可用甘油聚醚等消泡剂消泡，也采用机械消泡。机械消泡是借助机械力将泡打碎或借压力使泡沫破裂，其优点是不用在发酵液中加入其它物质，节省原料，减少染菌机会，缺点是不能从根本上消除引起稳定泡沫的因素，消泡效果不如化学消泡剂迅速可靠，需要一定的设备和动力。 化学消泡剂迅速可靠，用量少，效率高，故本设计选用化学消泡剂进行消泡。4.提取工艺

32、0;成熟的柠檬酸发酵醪中，除含有主产物柠檬酸之外，还含有纤维素、菌体、有机杂酸、糖、蛋白类胶体物质、色素、矿物质及其他代谢产物等杂质，它们或来自发酵原料、或在发酵过程中生产，它们或溶存或悬浮于发酵醪中。通过各种理化方法，清除这些杂质，得到符合各级质量标准的柠檬酸产品的全过程，即为柠檬酸生产的下游工程。它是一个确保产物“丰收”，提高企业效益的生产系统工程。 柠檬酸提取方法 钙盐离子交换工艺：其理论依据是将CaCO3或Ca (OH)2 加入发酵清液中,形成柠檬酸钙沉淀,然后将此沉淀与浓硫酸反应,形成硫酸钙沉淀,析出柠檬酸溶液,再经过离子交换及浓缩结晶后,便可

33、以得到柠檬酸晶体，此法工艺成熟、原材料易得、操作方便、产品质量稳定，而且总收率也较高。  液-液萃取工艺：用有机溶剂做萃取剂，将水溶液中的主要产物萃取到有机相中富集，其他杂质留存于萃余相中被弃去，然后用纯水从有机相中将主要产物反萃取到水相中富集，从而得到较纯的产物。国内的萃取工艺和设备不够完善、反萃取水相柠檬酸浓度太低、萃余液的出路未做深入研究、产品毒性问题。  全离子交换法提取工艺：柠檬酸是-羟基三羧酸，在水中很容易解离成H+和H2Ci-、HCi2-、Ci3-离子，故可利用阴离子交换树脂从柠檬酸发酵液中分离柠檬酸。这种方法的优点是方法简便，设备较少，劳

34、动强度不大。 但在阴离子交换中，部分阴离子会和柠檬酸根离子一起进行交换、洗脱下来，影响成品质量。 电渗析提取工艺：电渗析是一种膜技术。它是在离子交换树脂基础上发展起来的新技术，可用于化工产品的分离、提纯、浓缩和物质的回收。该法能耗大，极板上的污垢容易堆积,给操作带来很大的不便。  连续离子交换法提取工艺：它是一种完全革新的分离工艺技术，不同于传统的固定床（Fixed Bed）、脉冲床（Pulse Bed等工艺。它是在传统的固定床树脂吸附和离子交换工艺的基础上结合连续逆流系统技术优势开发而成。   色谱分离

35、（ILCS）工艺：基本原理是基于离子交换树脂自身的转换，使用单一离子交换树脂为固相离子交换剂。该法收率高，但成本较高，较少采用。     综上所述，本设计采用钙盐离子交换工艺来提取柠檬酸。 3主要工艺参数三、 技术进展1、 菌种方面柠檬酸生产菌株TD01、Co一827等是天津市工业微生物研究所和上海市工业微生物研究所等科研单位的研究人员经反复选育而获得的高产优良菌株。1菌株的优良特性(1)能利用薯干粉、木薯粉、玉米粉、大米粉、小麦粉、马铃薯、糖蜜、淀粉、葡萄糖母液等原料发酵生产柠檬酸。(2)能耐高浓度的柠檬酸(150gL以上)，又不利

36、用和分解柠檬酸。(3)耐高浓度葡萄糖，能产生和分泌大量的酸性Ot一淀粉酶和酸性糖化酶。其 淀粉酶在pH值为20时仍能保持原活力的80以上，在pH25、40C时作用30min尚不失活。其糖化酶最适作用pH值为4O46，最适温度为60C65。在柠檬酸发酵条件下，当培养液pH值下降为20以下时，仍能保持大部分酶活力。(4)能抗微量金属离子，尤其能抗较高浓度的Mn 2+、Zn 2+ 、Cu 2+ 。高产柠檬酸菌株TD一01能在002Mn 2+、001Zn2+、00l Cu2+ 、0 1Fe2+ 条件下不影响产酸。因此，配制发酵培养基无须使用去离子水。(5)在深层液体通风培养时，能形成大量的细小菌球体，

37、菌球体直径为01mm，菌球体数量达l0 个mL以上。极大地降低发酵醪的黏度。(6)在以葡萄糖为唯一碳源的合成培养基上，生长不好，生成小菌落，孢子形成能力弱。减弱葡萄糖通过戊糖循环途径降解的代谢流。(7)在生长、繁殖期，细胞内具有较高水平的氨基酸、NH4，HPNH4+库水平高；而蛋白质、核酸水平低。(8)具有氰化物非敏感性呼吸侧链(HP水杨苷氧肟酸敏感性呼吸侧链)，此侧呼吸链不产生ATP。在柠檬酸产期，一旦通气(供氧)突然切断时，柠檬酸生产量发生不可逆转的降低。具有上述优良特性的柠檬酸产生菌(TD一01、Co一827)发酵4d产酸量150gI_180gL，糖酸转化率95左右。2菌株需改良的性状(

38、1)应进一步选育或构建产生和分泌的酸性淀粉酶糖化酶能力及耐酸能力更强的柠檬酸产生菌，选育或构建不产生葡萄糖异构酶的高产柠檬酸产生菌种。(2)应进一步选育和构建增强不依赖电子呼吸链的侧系呼吸链的高产柠檬酸产生菌种。通过上述柠檬酸产生菌的选育或基因改造，使柠檬酸生产菌种发酵50h60h，产酸量200gL，糖酸转化率96。2、 工艺上1 对传统发酵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。李芳德等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

39、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。2 .工业离子色谱法由中科院生态环境研究中心5开发的工业离子色谱法省去了柠檬酸生产“钙盐法”提取工艺中的“中和”、“洗糖”、“酸解”、“过滤”、“脱色”、“离交”等多道工序。该工艺不但能分离提取出品质优良的柠檬酸产品, 而且能够回收纯化工艺过程中绝大部分可利用资源, 从根本上改变“钙盐法”提取工艺中先污染后治理的现状, 大幅度降低能耗和生产成本, 基本上解决了对环境的污染。3 .母液净化处理曹海星等开发了柠檬酸母液净化处理的新工艺, 是将柠檬酸生产过程中的母液经浓

40、硫酸净化处理, 除去杂质后, 直接返回到酸解工序中进行酸解, 使硫酸在柠檬酸生产过程中能一物两用, 一是除去酸解液中剩下的Ca2+, 二是除去母液中的易碳物质。本工艺除易碳效果好, 能降低原材料消耗, 提高产品的质量和产率。 4. 循环利用废糖液冯汝杰等 将生产中废糖液循环利用到原生产工艺中, 用于原料的调浆。废糖液80%以上循环利用,大大减轻了污水处理厂的处理量, 污水厂只需投入较少的资金即可使排放废液达到环保要求, 并大大节约了用水。废糖液利用后再产生的废糖液中不增加糖液浓度。而柠檬酸生产工艺只需改变很少的操作条件,不影响柠檬酸的提取进度、收率和产品质量。3、 产物的分离和提取1 离子交换

41、树脂法离子交换吸附法是利用特定的有机高分子树脂对柠檬酸或柠檬酸盐的高选择性, 将柠檬酸或柠檬酸盐从发酵液中提取出来的方法。20 世纪8O年代以来, 国内外对离子交换吸附法提取柠檬酸的研究很多。国内有代表性的流程是张鸿勋等8研究的流程:发酵液过滤活性炭脱色弱碱阴离子交换柱吸附用柠檬酸和柠檬酸铵缓冲液洗脱用氨水解析H型阳离子树脂转型溶液经浓缩、结晶, 制成产品。国内一般的流程是用氨水洗脱后用阳离子交换柱转型。而国外一般用稀无机酸, 如H2SO4、HCl 、HNO3和H3PO4 洗脱, 直接得到柠檬酸稀溶液, 省去了转型这一步22,23 , 也有用水或丙酮的水溶液洗脱的24 。提取柠檬酸的离子交换树

42、脂主要是阴离子树脂, 大多是具有叔胺和吡啶官能团的弱碱型树脂9,22 , 但也有带季铵官能团的强碱型树脂23,25-27 和中性23,24 阴离子树脂, 如交联的聚苯乙烯聚合物和非离子疏水性聚丙烯酸酯聚合物, 并且还有酸性阳离子树脂。应用上述工艺技术, 柠檬酸收率可达94%以上,产品质量达到GB 8269- 87 食品添加剂级标准。同钙盐法相比, 杜绝了CaSO4 的产生。产品收率提高27%,能耗降低l 0%, 生产成本降低20%以上。同时, 该工艺减轻工人劳动强度。但离子交换树脂会产生大量废液, 工作稳定性差。 2 电渗析电渗析是一种高效的膜分离技术, 电渗析器提取柠檬酸的原理是利用阴、阳离

43、子交换膜的选择透过性, 在电场力的作用下分别将混合液中的柠檬酸根和氢离子分离出来, 生成柠檬酸。其工艺简单又因为不用柠檬酸钙沉淀和柠檬酸钙酸化两道工序, 柠檬酸损失少, 平均收率能达到92. 7%29 ; 未向系统中投加任何化学试剂, 不存在硫酸钙处理问题, 不会排放有害物质污染环境, 生产周期短, 易实现自动化, 人员可减少1/ 2, 对电渗析器的工艺进行了改进、能耗降低到原来的1/ 4。电极膜也存在缺点: 能耗高, 膜费用高, 尤其是双极膜费用昂贵, 当提纯像柠檬酸这样的大分子, 高电荷有机酸时, 这些费用更高。 3 膜分离随着液膜分离技术的发展, 液膜萃取法(ELM) 也用于柠檬酸的提取

44、。柠檬酸作为三元有机酸, 在某些有机相中的溶解度较低, 在油相中的扩散传递得很慢。在液膜内加入可流动的载体, 它能迅速地与柠檬酸作用形成络合物, 促进它在有机膜相中的溶解和扩散, 通过液膜而得到分离和浓缩, 这种载体就是萃取剂10。Boey. S. C等30 就是采用三元胺Al ami ne 336为萃取剂、正庚烷为稀释剂、表面活性剂Span 80 为乳化稳定剂的膜体系提取柠檬酸。国内以LMA- l 为表面活性剂、正三辛胺为载体、碳酸钠溶液为内溶相、煤油为膜溶剂所组成的液膜体系, 废水COD去除率为99%, 与传统工艺相比该技术工艺简单、提取率高、成本低、不产生污染、易于工业化, 并且过程中的

45、破乳后油相可重复使用, 从而降低了处理成本, 是一种更有前途的柠檬酸清洁生产工艺, 具有显著的环境效益和经济效益。目前该工艺还存在乳液易流失和破乳难的问题 。 4 连续错流变温色谱吸附技术用于专门吸附分离柠檬酸的弱酸强碱两性树脂, 并采用装有本树脂的固定床, 使用连续错流变温色谱吸附技术从发酵液中分离提纯, 获得纯净柠檬酸产品。在低温下发酵液通过树脂床, 柠檬酸被吸附, 用热水通过饱和树脂床, 使柠檬酸脱附。该技术用热量差作为洗脱动力, 不用酸、碱、有机溶剂化学品, 提高产率, 减少废水排放, 缩短生产工艺, 节约生产场地, 减少操作人员, 是清洁的生产工艺。 5 吸交法现已研究出了“吸交法”

46、提取柠檬酸新工艺。其方法是: 以薯类等淀粉质或葡萄糖为原料经发酵后制成柠檬酸发酵液, 然后将柠檬酸发酵液过滤、阴离子吸附交换、解脱、阳柱转型、脱色、蒸发浓缩、结晶、分离、干燥步骤。优点是: 减少环境污染, 从而避免了钙盐法产生的大量泥状CaCO3 废渣的堆积。产生的废液经处理后, 可综合利用, 产生的中间物为流体不需机械传送只用泵即可, 节约能源、成本低, 可最大限度分离、去除可溶性蛋白质、糖、胶体, 以及其他杂酸等有机杂质, 成品质量高, 可达精品柠檬酸水平; 柠檬酸浓度可达15%以上, 提取收得率达85%。降低了生产成本和能源消耗, 副产品硫酸铵可作为复合肥料加以回收利用, 基本实现了清洁

47、化生产。 6 利用磷酸三丁酯和无机盐来分离柠檬酸一种提取柠檬酸的新方法, 使过滤发酵液在磷酸三丁酯和无机盐的作用下, 将柠檬酸从发酵液中分离出来, 经过水洗、脱色、浓缩、结晶、烘干而制成。克服了钙盐离交法使用酸、碱、盐等化工原料造成的操作安全性差、污染环境、设备寿命短等不足, 并可降低生产成本, 节省原料, 节省能源, 提高柠檬酸的收得率10%以上。 7 氧化锌用于提取工艺在柠檬酸发酵过滤液中, 加入氧化锌, 85- 95 , pH为5- 7 条件下反应, 所得湿柠檬酸锌加水制成悬浮液, 再加入15%- 40%的柠檬酸溶液, 通入硫化氢, 过滤得硫化锌和柠檬酸溶液, 将柠檬酸溶液加工得成品柠檬

48、酸, 硫化锌转化为氧化锌作为原料再使用。该工艺的整个生产过程中无污染物废料产生, 提高了柠檬酸的回收率, 降低了生产成本, 保护环境。4、 主要生产设备（一）发酵设备1机械搅拌通风式发酵设备大中型通用发酵罐设备（1） 传动装置a三角带传动由于三角带传动具有结构简单、制造成本低、维修量少而方便、噪声小等有点，所以，虽然它笨重且传动比较小，但仍为柠檬酸行业广泛采用。 b减速机传动 减速机具有传动功率大、苏必答、效率高、结构紧凑等优点，但制造成本高，安装高度高，加上国内制造的产品噪声大和维修频繁，使用实例较少。（2） 搅拌装置 涡轮搅拌装置a圆盘平直叶涡轮 b 圆盘弯叶涡轮c 圆盘箭叶涡轮翼叶式搅拌

49、装置（3） 传热装置a 外夹套式外夹套是传统的换热装置，结构简单，易加工，罐内死角少。其缺点是传热系数低，仅适用于小型罐。 b外螺旋半圆管式 优点是有较高传热系数，缺点是焊接加工量大。 c蛇罐 优点是冷却水在罐内流速高，传热系数高，缺点是制造安装要求高，维修量大，蛇罐渗漏易造成发酵染菌。（4） 机械密封 （5） 联轴节中间轴承和平衡体发酵罐搅拌轴为超细长轴常常设置底轴承和中间轴承来防止轴的摆动，小型罐常采用拉杆调节式，大型罐则采用架固定式。3、 其他新型发酵罐 塔式发酵罐 自吸式发酵罐（二）过滤设备 1水平带式真空过滤机（1） 固定盘式a橡胶带式 真空盘固定不动，滤布与带有真空室的橡胶带一起匀速前进。b撑带式 滤布为间歇运动，真空盘释放真空后，滤布由撑带装置前挺时向前运动。 （2）多功能型 在常用的带滤机出渣端增加脱水装置可一定程度降低滤饼含水量。 a皮膜挤压型 b辊带挤压型2真空转鼓过滤机常见的是外滤面式真空转鼓过滤机，分刮刀卸料和预涂层式两种。a刮刀氏 适用于易过滤，滤饼易剥离的物料。b预涂层式主要适用于固相极稀薄、颗粒极细微的物料。3桶式真空过滤器 简最原始的过滤设备，简单可靠，但用水量大