柠檬酸ppt课件

2 羟基 丙烷三羧酸 1 第二章柠檬酸 2 商品柠檬酸 无水柠檬酸 C6H8 7 分子量192 13 在高于36 6 的水溶液中结晶析出 一水柠檬酸 C6H8 7 H2 分子量210 14在低于36 6 的水溶液中结晶析出 两种均为白色结晶体 易溶于水 pH值为2 3 1 水溶液 溶于乙醇 醚类 3 柠檬酸来源和用途 4 柠檬酸在食品工业上的应用 柠檬酸也称第一食用酸味剂 广泛用作酸味剂 增溶剂 缓冲剂 抗氧化剂 除腥脱臭剂 螯合剂等 柠檬汁护色苹果 5 好丽友无糖口香糖 木糖醇3 6 香辣金针菇 添加了柠檬酸 成都 7 家乐沙拉酱 8 百事可乐 9 舌头各部味感区域 10 唾液pH值 11 酸味剂阈值 12 柠檬酸生产发展史 1784年 瑞典化学家Sheel首次从柠檬酸汁中提出柠檬酸并结晶出固体柠檬酸 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 1891年 Wehmer从腐败的柑桔上分离出一种丝状菌产柠檬酸和草酸 命名为 柠檬酸霉菌 即桔青霉 1897年 他又发现淡黄青霉与梨形毛霉也有柠檬酸产生能力 1913年 Zahorski首先利用黑曲霉生产柠檬酸 13 柠檬酸生产发展史 1919年 比利时成功地进行了浅盘发酵法的工业生产 1923年 美国辉瑞 Pfizer 公司研制成功以废糖蜜为原料的浅盘法柠檬酸发酵 1952年 美国Miles公司 首先成功采用深层发酵法工业化规模生产柠檬酸 目前主要以淀粉质或糖质原料深层发酵法生产柠檬酸 生产过程由糖化发酵 柠檬酸粗提和精制三大工序组成 14 柠檬酸生产菌 青霉 毛霉 木霉 曲霉及葡萄孢霉等利用淀粉质原料大量积累柠檬酸国内利用黑曲酶 Aspergillusniger 工艺 固体或液体深层发酵原料 甘蔗渣 废糖蜜 白薯 马铃薯 玉米等 15 第一节黑曲霉的柠檬酸发酵机制 柠檬酸的发酵机制是随着酵母的酒精发酵机制 EMP途径 的被揭示Krebs 1940年 提出三羧酸循环学说后 才逐渐被人们所认识 16 三羧酸循环也称为柠檬酸循环 citricacidcycle 这是因为循环反应中的第一个中间产物是一个含三个羧基的柠檬酸 由于HansAdolfKrebs 英 1953年获得诺贝尔生理学或医学奖 正式提出了三羧酸循环的学说 故此循环又称为Krebs 克雷布斯 循环 HansKrebs创立了 TCA循环 学说 17 一 TCA循环中有 个关键酶 TCA循环中催化 个不可逆反应的酶 柠檬酸合酶异柠檬酸脱氢酶 酮戊二酸脱氢酶 18 异柠檬酸脱氢酶 柠檬酸合酶 酮戊二酸脱氢酶复合体 柠檬酸 Ca2 ATP ADP的影响 产物堆积引起抑制 循环中后续反应中间产物别位反馈抑制前面反应中的酶 其他 如Ca2 可激活许多酶 三羧酸循环的调节 19 第一节黑曲霉的柠檬酸发酵机制 20 目前是黑曲霉生产柠檬酸 柠檬酸位于好氧 或兼性好氧 生物体内代谢枢纽 三羧酸循环的起始点 几乎所有的微生物都能合成柠檬酸 由于代谢调节作用 在正常情况下 大多数微生物累积柠檬酸的量不多 目前工业化生产的几乎都是黑曲霉 21 一 黑曲霉柠檬酸合成途径 生长在葡萄糖培养基上的黑曲霉存在着糖酵解途径 EMP 磷酸戊糖途径 HMP 三羧酸 TCA 循环和乙醛酸循环的酶系 22 图2 1柠檬酸的生物合成途径及其代谢调节 23 TCA循环与柠檬酸的形成 24 三羧酸循环中草酰乙酸的补充 25 二 柠檬酸合成的理想途径 图2 2由葡萄糖生成柠檬酸的理想途径及其碳和能量平衡 26 葡萄糖生成柠檬酸理论总反应 C6H12O6 1 5O2 11ADP C6H8O7 2H2O 11ATP葡萄糖 180 柠檬酸 192 由此可见 1mol葡萄糖理论上可以生成lmol柠檬酸 所以柠檬酸发酵对糖的理论转化率为106 7 以含一个结晶水的柠檬酸计为116 7 27 EMP中底物水平磷酸化 2ATP EMP途径 2NADH 丙酮酸氧化脱羧 2NADH 可以满足生产菌的维持能量消耗 不需要消耗C源经TCA来产能 能量平衡 28 三 柠檬酸积累的代谢调节机制 正常生长的细胞中柠檬酸是不会过量积累的 而且柠檬酸还是黑曲霉生长的良好碳源 柠檬酸积累是菌体代谢失调的结果 如果要积累柠檬酸 就必须用各种方法对正常细胞进行调节 使相关酶系活性发生改变 29 一 菌体细胞内各种酶活性的调节1 糖酵解及丙酮酸代谢的调节2 三羧酸 TCA 循环的调节 二 柠檬酸积累的环境条件控制1 Mn2 2 Fe2 3 pH4 氧 30 31 一 菌体细胞内各种酶活性的调节 第一个调节酶是磷酸果糖激酶 PFK 柠檬酸和ATP对该酶有抑制 柠檬酸生产菌需要解除该抑制作用 AMP 无机磷以及NH4 对该酶有活化作用 NH4 有效解除柠檬酸和ATP对该酶有抑制 故生产上通过添加铵盐来提高柠檬酸产量 Mn2 的影响 Mn2 缺乏 菌体的TCA酶活下降 Mn2 缺乏 可能干扰蛋白质合成 导致蛋白质分解 NH4 水平升高 减少柠檬酸对该酶的抑制 1 糖酵解及丙酮酸代谢的调节 1 磷酸果糖激酶 3 柠檬酸合成酶 5 异柠檬酸脱氢酶 4 顺乌头酸水合酶 2 丙酮酸羧化酶 32 丙酮酸氧化脱羧 乙酰CoA 丙酮酸脱H酶 也称丙酮酸脱羧酶 1 受ATP和亚砷酸的抑制 2 ADP Ca 使该酶激活 33 第二个调节酶 丙酮酸羧化酶 丙酮酸羧化酶是组成型酶 不被调节控制 1 也称线粒体酶 是组成酶 有四个亚基与四分子生物素连接 2 生物素辅基在酶的位点上起中间载体的作用将羧基转移到丙酮酸上生成草酰乙酸 3 K 对该酶有激活作用CO2固定的酶活力高 保证草酰乙酸的供应 34 生物素固定CO2的机制 在ATP作用下CO2与生物素形成羧基 生物素 35 羧基基载体蛋白上生物素转移羧基的模式图 36 柠檬酸合成酶单体 柠檬酸 乙酰CoA 2 TCA环上的调节 柠檬酸合成酶 37 2 TCA环上调节 1 柠檬酸合成酶 许多细胞中该酶是TCA的调节酶 但在黑曲霉中此酶无调节作用 顺乌头酸水合酶 理论上此酶失活 TCA环阻断 积累柠檬酸 顺乌头酸水合酶需要Fe2 故在发酵液中添加黄血盐络合Fe2 阻断TCA环 积累柠檬酸 黑曲霉乌头酸水合酶存在于线粒体中 它催化的反应存在着柠檬酸 异柠檬酸 顺式乌头酸 90 7 3的平衡关系 为什么在A nigar中异柠檬酸不会进一步分解 38 顺乌头酸酶 含 4Fe 4S 的铁硫蛋白 异柠檬酸isocitrate 铁硫簇iron sulfurcluster 半胱氨酸cysteines 顺乌头酸酶的活性中心Theactivesiteofaconitase 39 铁硫中心的作用是底物结合和催化作用 顺乌头酸酶是一种含 4Fe 4S 的铁硫蛋白 Fe S聚簇与柠檬酸结合 并参与底物的脱水和再水合 铁硫蛋白 与Fe S聚簇结合着的蛋白质称为铁硫蛋白 或非血红素铁蛋白 40 2 顺乌头酸水合酶的调节 柠檬酸 顺乌头酸 异柠檬酸的反应 是因为黑曲霉的线粒体上存在顺乌头酸水合酶 它能催化建立以下平衡 柠檬酸 顺乌头酸 异柠檬酸 90 3 7 该酶需要Fe2 参与 应控制Fe2 浓度 而NAD 异柠檬酸脱氢酶活性低 虽然细胞质中NADP 异柠檬酸脱氢酶不受柠檬酸抑制 但在线粒体上的NADP 异柠檬酸脱氢酶受柠檬酸抑制 所以当柠檬酸达到一定浓度时 能够抑制自身的进一步分解 导致积累柠檬酸 当pH到2时 已经能使这三种酶失活而进一步积累柠檬酸 41 3 异柠檬酸脱氢酶的调节 黑曲霉中的异柠檬酸脱氢酶有三种 一种依赖于NAD异柠檬酸脱氢酶 存在于细胞质中 两种依赖于NADP异柠檬酸脱氢酶 分别存在于细胞质和线粒体中 NAD异柠檬酸脱氢酶的活性很低 起主要作用的是NADP异柠檬酸脱氢酶 虽然细胞质中NADP 异柠檬酸脱氢酶不受柠檬酸抑制 但在线粒体上的NADP 异柠檬酸脱氢酶受柠檬酸抑制 还受 酮戊二酸的抑制 所以当柠檬酸达到一定浓度时 能够抑制自身的进一步分解 导致积累柠檬酸 当pH到2时 已经能使这三种酶失活而进一步积累柠檬酸 42 酮戊二酸脱氢酶受葡萄糖 蔗糖 和铵离子阻遏 使黑曲霉中的TCA循环变成 马蹄形 的代谢方式 减弱TCA循环 降低细胞内ATP浓度 另外使 酮戊二酸浓度升高 又反馈抑制异柠檬酸脱氢酶 降低柠檬酸的自身分解 4 酮戊二酸脱氢酶 5 酮戊二酸脱氢酶 43 2 顺乌头酸水合酶的调节 柠檬酸 顺乌头酸 异柠檬酸的反应 是因为黑曲霉的线粒体上存在顺乌头酸水合酶 它能催化建立以下平衡 柠檬酸 顺乌头酸 异柠檬酸 90 3 7 该酶需要Fe2 参与 应控制Fe2 浓度 而NAD 异柠檬酸脱氢酶活性低 虽然细胞质中NADP 异柠檬酸脱氢酶不受柠檬酸抑制 但在线粒体上的NADP 异柠檬酸脱氢酶受柠檬酸抑制 所以当柠檬酸达到一定浓度时 能够抑制自身的进一步分解 导致积累柠檬酸 当pH到2时 已经能使这三种酶失活而进一步积累柠檬酸 2 Fe2 3 pH 44 3 pH pH值在3 0以上容易产生草酸 pH值在5 0容易形成葡萄糖酸 葡萄糖氧化酶最适PH5 6 pH值在3 0以下是柠檬酸积累的条件 45 4 氧 微生物利用葡萄糖在好氧条件下 生长或发酵过程 实际上包括以下三个过程 1 底物的脱氢作用 2 氢或电子传递 3 受氢体接受氢 46 4 氧 微生物利用葡萄糖在好氧条件下 生长或发酵过程 实际上包括以下三个过程 1 底物的脱氢作用 2 氢或电子传递 3 受氢体接受氢 47 黑曲霉中有一个正常呼吸链 产生ATP 黑曲霉中还存在一个侧系呼吸链 不产生ATP 48 侧系呼吸链 在黑曲霉柠檬酸产生菌中 除了有上述的正常呼吸链外 发现不产生ATP的侧呼吸链 NADH2通过标准呼吸链氧化产生ATP 而通过侧系呼吸链则不产生ATP 与标准呼吸链 受制霉素抑制 不同的是 侧系呼吸链受水杨酰异羟肟酸 SHAM 抑制 黑曲霉的生长不受SHAM的抑制 而产酸则受到SHAM的强烈抑制 49 当供氧不正常时 侧系呼吸链不可逆失活 正常发酵时 侧系呼吸链活性较强 NADH2通过侧系呼吸链不产生ATP 减轻了ATP对PFK酶的反馈抑制 但侧系呼吸链对氧敏感 只要很短时间中断供氧 就会导致侧系呼吸链的不可逆失活 50 恢复供氧 标准呼吸链复活 但侧系呼吸链却不能恢复 短时间中断供氧 就会导致侧系呼吸链的不可逆失活 而一旦恢复供氧 标准呼吸链复活 并不影响菌体的生长 但侧系呼吸链却不能恢复 恢复供氧后 NADH2只能通过复活的标准呼吸链氧化 因而产生大量对PFK有抑制作用的ATP 从而导致产酸急剧下降 51 柠檬酸的合成后输送 转移及其调控 柠檬酸的合成是在线粒体上 合成后则分泌于细胞外 而合成过程中有些酶则在细胞质内 因此合成过程的中间物和终产物在线粒体 细胞质和细胞外的输送 转移及其调控等问题也是十分重要的 至于柠檬酸生物合成在基因和分子水平上的调节 这里就不作讨论了 52 柠檬酸的积累机制归纳 Mn 抑制蛋白合成 NH4 解除磷酸果糖激酶的代谢调节 促进EMP途径的畅通 有一条活力强的不产生ATP的侧系呼吸链 由于丙酮酸羧化酶是组成型酶 不被调节控制 2 缺乏 53 丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA和CO2固定两个反应的平衡 以及柠檬酸合成酶不被调节 增强了合成柠檬酸的能力 由于顺乌头酸水合酶在催化时建立了以下平衡 柠檬酸 顺乌头酸 异柠檬酸 90 3 7同时控制Fe2 含量时 顺乌头酸酶活力降低 使柠檬酸积累 54 随着柠檬酸积累 pH降低到一定程度时 使顺乌头酸酶和异柠檬酸脱氢酶失活 更有利于柠檬酸的积累及排出细胞外 55 上述解释葡萄糖到柠檬酸机制 其它碳源如何解释 由于丙酮酸氧化脱羧反应不可逆 草酰乙酸合成只能由乙醛酸循环完成 1 醋酸为原料发酵生产柠檬酸 存在异柠檬酸裂解酶 合成柠檬酸的草酰乙酸由乙醛酸提供 56 乙醛酸循环 乙醛酸循环和醋酸发酵柠檬酸说明 生成产物的菌种不同 带来的代谢途径也不同 生物的多样性为我们提供了选择的机会 57 2 酵母柠檬酸生物合成途径解脂假丝酵母能利用烷烃 乙醇 乙酸发酵生成柠檬酸 酵母 烷烃 柠檬酸生物合成途径 异柠檬酸裂解酶切割异柠檬酸产生乙醛酸和琥珀酸 乙醛酸经苹果酸合成酶催化 在水的存在下接受乙酰辅酶A的乙酸 生成苹果酸 58 3 正烷烃为原料的柠檬酸合成与调节 1 以正烷烃为原料合成柠檬酸是利用酵母为生产菌种的 2 首先是将烷烃氧化成相应的脂肪酸 然后经 氧化作用生成乙酰CoA 乙酰CoA 或乙酸 乙醇 经过TCA循环和乙醛酸循环生成草酰乙酸 并且再缩合成柠檬酸 3 由正烷烃生物合成柠檬酸不涉及CO2固定 但合成柠檬酸的草酰乙酸必须出乙醛酸循环获得 因此 柠檬酸必须转化至异柠檬酸并进行裂解 这是酵母菌利用正烷烃发酵柠檬酸时终产物除柠檬酸外 一定存在异柠檬酸的原因 4 在酵母的烷烃发酵中 柠檬酸的积累是在培养基氮源耗尽后开始的 由于这时细胞内AMP急剧下降 抑制了NAD异柠檬酸脱氢酶 使柠檬酸的合成大于分解 从而大量积累柠檬酸 至于为什么也积累大量异柠檬酸 有时占总政的50 可能是与反应中几种酶在细胞内存在的部位不同有关 59 柠檬酸发酵机理及发酵方法 依据微生物对不同原料的不同 柠檬酸也不同 代谢途径 发酵方法 60 柠檬酸生产的发酵方法 61 柠檬酸深层液态发酵工艺流程 62 第二节柠檬酸生产菌种及其扩大培养 柠檬酸产生菌主要是黑曲霉我国的柠檬酸发酵达到世界先进水平 对总糖转化率最高已达97 28 63 采用不同原料所用菌种不同 淀粉原料 薯干原料 糖蜜原料 TD 01 初糖浓度20 8 96h 产酸率20 24 转化率97 28 上海工微所 东酒2号 N 558 Co827 T419 初糖浓度18 19 60 90h 产酸率20 24 转化率97 川柠 17 66 四川食品研究所 8668 黑龙江轻工所 产酸14 性能粗放 抗金属离子能力强 以甘蔗糖蜜不需要黄血盐预处理 64 黑曲霉 黑曲霉菌落 黑曲霉菌分生孢子头 65 黑曲霉柠檬酸高产菌的形态特征 黑曲霉柠檬酸高产菌的形态特征 在米曲汁或麦芽汁培养基上菌丝白色 不是绒球状 凸起 边缘整齐 菌落较小 带皱褶 在麦牙汁培养基上生长4d成熟的孢子呈黑褐色 在察氏培养基上生长较快 10 14d 菌落边缘整齐 分生孢子梗短 分生孢子着生较密 66 2 纯化方法采用平板划线分离和平板稀释分离 反复进行数次 3 摇瓶筛选参考高产菌的形态特征 从分离平板上 挑出单一菌落 移接到麦芽汁琼脂斜面上 33 培养6 7d 孢子长好后 分别接入2环于三角瓶中 进行摇瓶发酵试验 35 37 300r min 往复冲程6cm 频率120次 min 发酵60 70h后 用针头注射器抽取发酵液1mL 用0 1mol LNaOH滴定 产酸高者再进一步测定柠檬酸产量 从中筛选出产柠檬酸高 糖转化率高且产酸稳定的菌种 67 黑曲霉积累柠檬酸基本条件 耐受高浓度柠檬酸 15 以上 耐受高浓度葡萄糖 粉浆浓度18 20 对磷 锰 铁 锌等无机盐要求低 68 黑曲霉柠檬酸生产菌的保藏方法 1 斜面低温保藏法2 载体吸附保藏法3 真空冷冻干燥保藏法 广泛采用的方法 使孢子始终处于低温 干燥 缺氧的条件下 1 10年 4 液氮超低温 196 保藏法 69 一 黑曲霉高产菌的生理特征 能耐高浓度的柠檬酸 15 以上 而不利用和分解柠檬酸 耐高浓度葡萄糖 能产生和分泌大量的酸性 淀粉酶和酸性糖化酶 其 淀粉酶在pH2 0仍能保持原活力的80 以上 在PH2 5 40 下作用30min尚不失活 其糖化酶最适作用PH在4 0 4 6 最适温度为60 65 在柠檬酸发酵条件下 当培养pH下降至2 0以下时 仍能保持大部分活力 能抗微量金属离子 尤其能抗较高浓度的Mn2 Zn2 Cu2 70 在深层液体发酵培养时 能形成大量的细小菌球体 菌球体直径为0 1mm 菌球量达104个 mL以上 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 在生长 繁殖期 细胞内具有较高水平的氨基酸 NH4 即NH4 库水平高 菌丝体中含有低水平的甘油三酯和磷酸酯 细胞壁几丁质含量高 但 葡聚糖和聚半乳糖含量低 在生长和产酸期 细胞内蛋白质 核酸水平低 具有很强的侧系呼吸链活性 此侧系呼吸链不产生ATP 71 麸曲生产固体醅培养 类似于白酒生产中的麸曲 孢子生产液体表面培养或固体表面培养 经过收集生产出纯粹的黑曲霉孢子 二 生产菌种的扩大培养 曲霉的繁殖 72 1 麸曲生产工艺流程原种 斜面 茄子瓶 三角瓶麸曲 种子罐直接接种 发酵罐 2 孢子生产工艺流程原种 斜面 三角瓶 铝盆 菌膜干燥 干孢子收集 一 扩大培养工艺流程 73 孢子囊 由于干孢子培养成本较高 国内未见使用 74 二 斜面培养 培养条件应有利于菌种的繁殖和孢子生长 培养基以多含碳源 少含氮源为原则 麦芽汁琼脂斜面培养基 75 三 三角瓶麸曲培养 1 麸皮加水量冬季为麸皮 水 1 0 1 0 1 05 夏季为麸皮 水 1 0 1 1 1 3 2 麸皮装量1000mL三角瓶装麸皮30 40g3 灭菌121 灭菌1h4 培养 35 1 8 10d 76 四 种子罐培养 1 种子罐培养基配方 1 薯干粉9 13 NH4 2SO40 3 0 5 或麸皮2 3 pH自然 2 淀粉9 14 麸皮2 3 或 NH4 2SO40 3 0 5 pH自然 3 玉米液化液 总糖 11 15 麸皮2 3 或Na2NO30 3 0 5 pH自然 77 通用式发酵罐 78 2 接种 三角瓶麸曲 在实验室无菌操作下 每瓶加入500 600ml无菌水 摇匀得到孢子悬浮液 在火焰下并瓶或倒入接种钢瓶中种子罐排汽阀减压 利用压差将钢瓶内的孢子悬浮液吸到种子罐内 接种量一般5000L种子罐接入20瓶麸曲种子 79 3 种子培养条件 1 培养温度 35 1 压力0 1 0 12MPa 2 通风供氧 对Co827菌种来说 搅拌转速150r min通风量为0 3 0 4m3 m3 min 3 培养时间 以薯干粉为原料 控制在16 20h 酸度0 3 0 8 此时糖化活力相当高 以后增长缓慢 80 4 种子质量要求 1 镜检 菌丝粗壮 结成像菊花状的小菌球体 菌球直径不超过100 m 1mL种子液达1 2万个 无异味 无杂菌 无异常菌丝 2 pH2 0 2 5 3 酸度0 3 0 8 81 柠檬酸发酵培养基的营养要求 柠檬酸发酵培养基主要有两方面的作用 一是在发酵初始阶段提供黑曲霉生长繁殖的营养需要和维持生命活动的能量 二是作为生物合成柠檬酸的基质 前者除要提供碳 能 源物质外 还需一定的氮源和其他生长因子 过量含氮物质不利于柠檬酸的产生 因此柠檬酸发酵培养基的主要成分是碳水化合物 82 柠檬酸发酵培养基的营养要求 目前国内所用的柠檬酸发酵培养基主要原料足各种含淀粉的农副产品 它们既含丰富 主要成分 的碳水化合物 也舍有一定的蛋白质之类的氮源和微量元素等物质 因此以农副产品为原料时就不必添加无机盐 83 84 柠檬酸深层液态发酵工艺流程 85 柠檬酸深层液态发酵工艺要点发酵菌种 黑曲霉生产菌具有多种活力较强的酶系 可在薯干粉 玉米粉 可溶性淀粉 糖蜜 葡萄糖 麦芽糖 糊精 乳糖等多种培养基上生长 产酸 而且产量在微生物中最高 种子制备 黑曲霉种子制备一般要经过三级扩大培养 分为麸曲生产和孢子生产 前者是用固体醅培养 后者是液体表面培养或固体表面培养来得到黑曲霉孢子 发酵培养基的制备 柠檬酸发酵菌种的黑曲霉糖化或液化能力不强 为了达到缩短发酵时间的目的 淀粉原料一般要经过糖化或液化处理 来加速菌种的生产速度 发酵 培养温度在35 左右时接种 通风搅拌培养4天 当酸度不再上升 残糖降到2g L以下时 立即泵送到储罐中 及时进行提取 86 第三节薯干原料柠檬酸发酵工艺 87 薯干原料的发酵工艺 一 生产菌种Co827 130和 144 T419等二 生产工艺条件1 碳氮比薯干蛋白质含量6 7 不需要调节含氮量木薯干含蛋白质1 7 2 6 需要用玉米粉 米糠 麸皮等有机氮源和适量无机氮源来补充2 温度 37 1 3 pH 88 一 发酵培养基 氮量要控制适当 过多的氮源则导致菌体 疯长 而产酸下降 甘薯干蛋白质含量在6 7 不需调节含氮量 木薯干含蛋白质仅1 7 2 6 则需用玉米粉 米糠 麸皮等有机氮源和适量的无机氮源来补充 不需添加促进剂和微量金属离子 薯干原料因纤维较多 通常用罐内液化和罐内实消相结合的工艺 国内黑曲霉Co827 T419柠檬酸生产菌的发酵培养基为薯干粉16 20 中温 淀粉酶0 1 115 灭菌10 15min 89 培养基制备 1 种子罐培养基及培养 甘薯干粉16 20 NH4 2SO40 5 0 1MPa蒸汽灭菌30min 接入1000ml三角瓶麸曲菌种 35 1 培养16 24小时 发酵罐的接种量为10 2 发酵培养基 甘薯干粉16 20 0 1 中温 淀粉酶115 灭菌10 15min 玉米粉采用高温 淀粉酶二次喷射液化 对于以淀粉为原料的柠檬酸生产菌种 液化液的DE值在20 左右即可 液化后过滤除渣 应控制并调配其发酵培养基中蛋白质含量为0 2 0 4 90 二 温度黑曲霉属嗜热微生物 最适生长温度33 37 37 菌体大量繁殖 糖被大量消耗以致产酸降低 同时还生成较多的草酸和葡萄糖酸一般控制在 35 1 孢子发芽和菌球体形成阶段 可采用40 高温培养 促进其发育 91 三 pH 黑曲霉在pH为2 3的环境中发酵蔗糖 产物以柠檬酸为主 只产极少量的草酸 当pH接近中性时则大量产生草酸 而柠檬酸产量很低 92 pH控制 在发酵过程中 原料糖化和产酸过程在同一个环境中 发酵技术的关键是要保证糖化速度和产酸速度之间的衔接与平衡 黑曲霉柠檬酸生产菌的酸性糖化酶最适pH4 0 4 6柠檬酸发酵最适pH2 0以下解决办法 采用酸性平板驯化 分离在高柠檬酸浓度下糖化酶活力高的菌株 通过调节风量来控制 在16 18h前控制低风量 使pH维持在有利于菌株生长和糖化作用的范围 93 pH控制 边糖化边产酸 适宜的生长pH4 5 糖化pH3 4 产酸pH2 2 5培养基灭菌前将pH降到4 0 灭菌后pH为5 0时 发酵效果较好 前期 12h pH下降较快 可降至2 5 3 0 24h可以降至2 2 2 3 pH2 2以下 应立即升风 使发酵很快转入产酸期 大量产酸pH值下降较快 会使菌种 老化 产酸速率降低 为了 活化 菌种 在发酵到24 48小时后加入发酵液量0 5 1 0 的碳酸钙 94 柠檬酸发酵中开始pH自然5 5随着菌体生长pH降至2 2 2 3随着柠檬酸的大量生成pH迅速降至2 0以下 95 四 通风与搅拌 柠檬酸发酵是典型好氧发酵 对氧十分敏感 当发酵进入产酸期时只要有进几分钟的缺氧 就会对发酵造成严重影响 甚至完全失败 严防缺氧 96 四 通风与搅拌 糖化基本完成之前 必须控制低风量 糖化完成 这时可适当加大风量 以满足黑曲霉对氧的进一步需求 在产酸期内应控制风量 使产酸速率维持在2 3g h L 不宜过快 这样有利于糖化完全以及防止菌体过早衰老 pH值下降过快 容易造成菌体早衰 97 四 通风与搅拌 柠檬酸发酵是典型的好氧发酵 对氧十分敏感 当发酵进入产酸期时只要有几分钟的缺氧时间 就会对发酵造成严重影响 甚至完全失败 遇到停电或因设备故障而造成通风中断时 要采取紧急措施 关闭进出空气阀 迅速启动备用电源恢复供气 防止发酵罐中料液逆流到空气过滤器中 用灭菌后的CaCO3或石灰乳中和发酵液pH至2 5 3 5 然后恢复正常操作 如事故发生在发酵液pH 3 0时 恢复期较快 产酸稍有影响 如发生在pH 3 0时 恢复期会拖长到10余小时 甚至难以恢复 98 四 通风与搅拌 发酵液内如能形成菌球体 有利于发酵液粘度下降 溶解氧增大 满足产酸高峰时对氧的需要 因而产酸就高 发酵液粘度过大 或停止搅拌和通风 造成缺氧 供氧不足或溶氧不良就会出现异状的菌丝体 而且菌体大量繁殖 发酵液变厚 变黄 产酸迅速下降 甚至停止 改变通风条件 降低醪液粘度 使罐内溶解氧增大 这样不会产生异状菌体 发酵才能顺利进行 99 溶解氧的控制 菌体生长中 有呼吸作用 在对数生长期需氧量达到最高峰 进入产酸期后 氧的消耗降低到一个较低的水平 特别是考虑到 在发酵15 30h这一阶段 菌体大量生长繁殖耗氧量最大 而产酸阶段耗氧虽略有减弱 而在这一时期缺氧造成的损伤是不可逆的 因此在整个发酵过程中一刻也不能停止通气和搅拌 才能保证溶氧的供应 100 通气与搅拌 溶氧 对柠檬酸发酵的影响 黑曲霉是需氧菌 它的生长 繁殖和维持生命活动以及由葡萄糠转化为柠檬酸时都需要耗用一定的氧气 在一定范围内培养基的溶氧分压几乎与产酸成正比 溶氧分压低 产酸明显受影响或甚至完全不产酸 特别是考虑到 在发酵15 30h这一阶段 菌体大量生长繁殖耗氧量最大 而产酸阶段耗氧虽略有减弱 而在这一时期缺氧造成的损伤是不可逆的 因此在整个发酵过程中一刻也不能停止通气和搅拌 才能保证溶氧的供应 101 五 发酵时间 柠檬酸发酵终点控制 当通风搅拌培养50 72h柠檬酸产酸达100 150g L 柠檬酸产量不再上升残糖降至2g L以下可升温终止发酵 泵送至储罐中 及时进行提取 102 五 发酵时间 发酵30min测定发酵醪液的总糖 以后每隔30 120min测定残糖含量 以确定放罐时间 以酸度不再增加或残糖不再降低为放罐条件 整个发酵时间是70 100小时 薯干粉发酵的总用糖一般为140 160kg m3 产柠檬酸120 155kg m3 转化率达85 97 发酵罐单产1 2 1 7kg m3 h 发酵液中杂酸含量极微 约2g L 103 第四节玉米粉发酵柠檬酸工艺 传统的柠檬酸生产主要以薯干为原料直接发酵生产柠檬酸 由于原料粗放 不添加任何氮源和无机盐及产酸促进剂 产酸一般在12 13 之间 转化率为95 发酵醪较粘稠 设备利用率较低 而且成熟发酵醪中除了含有柠檬酸外 尚含有大量的杂质 给后提取和产品质量的提高带来困难 104 玉米粉资源丰富 价格低廉 单纯的玉米粉 由于蛋白质含量过于丰富 产酸低于薯干发酵 大多需要补充各种填加物 有的还增加了液化后的糖化这一环节 延长了生产周期 无疑也增加了生产成本 因此可用玉米粉 淀粉混合原料生产柠檬酸目前应用最多的是玉米干磨去渣发酵工艺 即玉米粉液化去渣后的淀粉乳进入发酵的工艺 可以利用现用菌种不变 保持了现在的发酵水平 由于玉米渣的利用 大大降低了生产成本 105 玉米原料发酵工艺 一 工艺路线玉米干磨去渣发酵工艺二 工艺中的几个关键问题1 菌种驯化 驯化是指筛选所需求的最佳菌种或菌种群 用玉米粉培养基将现有菌株驯化 得到优良菌株 2 玉米粉的液化谷类淀粉比薯类淀粉难液化 因此要用耐高温的 淀粉酶 二次喷射液化 玉米粉的细度要求至少60 能过40目筛孔 3 控制好氮 碳比蛋白质含量0 2 0 4 之间 用添加玉米滤渣 或留出部分不过滤的液化液来平衡氮 碳比 一般在10 20 之间 三 玉米发酵颜色浅 杂质含量比薯干少 容易净化 产品洁白而光亮 四 玉米粉直接发酵新菌种ASP HZ528具有适应高氮源发酵的性能 对金属离子不敏感 直接玉米粉发酵 产酸比Co827高 106 柠檬酸深层发酵工艺流程 107 玉米原料特点 1 玉米淀粉 108 柠檬酸工业用的喷射液化工艺 具体操作 用温水将玉米粉调成17 B 的浆乳 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 出口料温达到95 97 时 关小回流阀 料液进入层流罐 在90 95 下维持30 60min 然后进行二次喷射 料温达到140 145 进入维持罐维持3 5min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 下维持30min 碘检查无蓝色反应 然后用稀HCl或稀H2SO4调pH至4 8 5 2 趁热过滤去渣 109 2 玉米蛋白质 玉米粉的蛋白质含量较高 达9 3 属于醇溶朊 谷朊 球朊等 其中醇溶朊是玉米蛋白质的主要成分 它占玉米蛋白质总量的40 加热后凝固 玉米蛋白质对柠檬酸发酵具有双重作用 一是节省柠檬酸发酵所需氮源 二是与戊聚糖 色素等胶体杂质一起影响后道发酵及提取收率 因此 原料预处理过程中通过中和 过滤去除这部分杂质对柠檬酸生产的后道发酵 提取是必要的 110 3 玉米中脂肪 111 一 玉米粉发酵的工艺特点 玉米粉经喷射液化并经过滤后除去大部分玉米渣 使得发酵醪液中固形物减少 滤液清 色素少 提高了柠檬酸的提取率和产品质量 节省能源 还使柠檬酸的高糖发酵成为可能 液化过滤后所得滤渣蛋白含量高 作为理想的饲料蛋白添加剂出售 可降低生产成本 采用该工艺发酵 末端固形物少 减轻了环保的压力 采用薯干原料的菌种比较粗放 用玉米粉培养基将现有菌株驯化 不难得到优良菌株 采用Co827菌种 以玉米粉喷射液化发酵生产柠檬酸 各项技术指标稳定 112 一 玉米粉发酵工艺流程 干磨玉米粉 调浆 配料 一级喷射液化 液化保温 第二次喷射 高温维持 真空闪急冷却 二次液化保温 碘检 中和 调pH 过滤 滤渣干燥成蛋白粉 滤液 加补料调氮源 贮糖 低温连续消毒 发酵 提取 成品 113 二 发酵培养基中蛋白质含量的控制 玉米粉原料中有机氮含量过分丰富 不宜直接发酵 使用去渣后的玉米粉液化滤液 大量蛋白质随滤渣去除 则氮源偏低而影响产酸 故应补加适量全玉米粉氮源或麸皮 添加玉米滤渣 或留出部分不过滤的液化液控制其中蛋白质含量在0 2 0 4 之间 氮碳比一般在10 20 之间 国内黑曲霉Co827 T419柠檬酸生产菌的发酵培养基为玉米液化液 总糖 13 14 NH4NO34 5 玉米粉也可与薯干粉混合发酵或薯干粉采用玉米粉调整氮源 114 三 菌丝形态 薯干粉柠檬酸发酵正常时 黑曲霉菌丝球多且球体小而紧密 没有或很少向外伸展的菌丝 一般认为若是菌丝球疏松和菌丝向外伸展则产酸不高 玉米粉液化滤液发酵时 产酸率与薯干粉相近 而黑曲霉菌丝球经常会有类似于薯干粉发酵产酸不高时出现的菌丝球松散 菌丝伸展的形态 尤其在发酵后期更为明显 可能与玉米粉滤液发酵培养基固形物少 流动性大有关 115 二 玉米粉发酵的技术指标 利用中和 过滤后的玉米液化液进行发酵 发酵周期缩短 发酵罐单产达1 9 2 2公斤 立方米 时 发酵培养温度36 1 通风量0 083 0 09m3 min 成熟发酵醪杂酸含量约3g L 残糖17 38g L 发酵效率1 876kg m3 h 产酸率14 1 转化率95 2 发酵时间 70小时 玉米发酵液杂质含量比薯干少 提取收率由原来的73 提高到的81 玉米糖渣是很好的饲料添加剂 1吨玉米出商品饲料300kg左右 可降低原料成本 较薯干原料有很大的优势 116 第五节柠檬酸的提取工艺 柠檬酸发酵液成分复杂 并且因原料和发酵工艺不同而各不相同 除柠檬酸外 还包括菌体 残糖 蛋白质 色素 胶体 有机杂酸 无机盐等多种杂质 总的来说 它们来源于原材料 未消耗的营养盐或发酵的中间副产物 所以从柠檬酸发酵液中提取柠檬酸是比较困难的 从柠檬酸发酵液中提取柠檬酸的方法主要有以下几种 钙盐法 萃取法 离子交换吸附法 电渗析法 超滤膜法 目前普遍使用的仍是钙盐加离子交换的提取方法 117 柠檬酸钙盐的性质 在一定温度和PH条件下 用钙盐或钙碱与溶液中的柠檬酸发生中和反应 产生的Ca3 C6H5O7 2 4H2O 四水柠檬酸钙 在水中溶解度极小 0 085g 100g水柠檬酸一钙 CaH4 C6H5O7 2柠檬酸氢钙 CaH C6H5O7 3H2O柠檬酸三钙 Ca3 C6H5O7 4H2O 118 柠檬酸钙盐在水中的溶解度较小 并且随温度升高进一步降低 柠檬酸钙的溶解度也与酸度有关 pH值降低时溶解度增大如果温度升高至95 100 Ca3 C6H5O7 4H2O的溶解度可进一步降低为0 0578g 100g水 119 一 工艺流程 图2 5钙盐法提取柠檬酸工艺流程 120 1 菌丝过滤2 中和 3 酸解脱色 121 4 树脂净化强酸型阳离子交换树脂去除Ca2 Fe3 等金属离子 5 浓缩与结晶将酸解液置于60 以下进行减压蒸发 浓缩至70 以上 待结晶 6 干燥沸腾干燥箱 去除晶体表面的自由水 温度控制在35 以下 否则会失去一部分结晶水 影响成品光泽 122 二 发酵醪的热处理 1 发酵醪的组分 固形物90 180g L 薯干粉原料发酵醪固形物 200g L 柠檬酸100 150g L 草酸2 3g L 葡萄糖酸2 3g L 其它杂酸3 4g L 残糖2 5g L 糖蜜发酵残糖较多 约10 20g L 蛋白质3 5g L 2 柠檬酸成熟发酵醪呈黄褐色至深褐色 高温下长时间灭菌会使颜色变深 123 发酵液热处理的方法和原理将新鲜成熟发酵醪升温至80 90 不停的搅拌 时间不宜长 热处理作用 1 及时热处理可杀死柠檬酸生产菌和杂菌终止发酵 防止柠檬酸被代谢分解 2 使蛋白质等胶体物质变性而絮凝 降低发酵液粘度 有利于过滤 3 可使菌体中的柠檬酸释放出来 提高收率 但升温过高 使菌体细胞破裂会释放出较多杂质 124 热处理的技术要点 1 加热温度不宜过高 加热时间不宜过长 会使菌体破裂而自溶 释放出蛋白质 反而使料液粘度增加 颜色变褐 不利于净化 2 不宜过长时间直接蒸汽加热 会增加料液稀释度 有损于收率 最好采用热交换器进行间歇加热 125 三 发酵醪过滤 发酵醪中含有多种悬浮物和有机酸 有机杂酸主要是草酸和葡萄糖酸 一次过滤可除去悬浮物 草酸钙溶解度 0 0006g 100gH2O 大大低于硫酸钙溶解度 0 2036g 100gH2O 在一次滤液中加少量硫酸钙 使其生成草酸钙沉淀 对一次滤液进行复滤 故可在中和前过滤除去草酸 126 过滤 我国采用薯干粗原料发酵生产柠檬酸 发酵液中除含菌丝外 还含有大量的原料残渣 团形物杂质较多 因此不宜采用各种离心或固液分离设备 而应采用能容纳较多滤渣的过滤设备 目前最常用的是各种板框压滤价和真空带式过滤机 对正常发酵的酵液 只要过滤介质 滤布 选择合适 可不必添加助滤剂就能顺利地进行过滤 127 工业过滤主要设备 板框式过滤机 过滤机 加热桶 泵 贮罐等 柠檬酸pH低 过滤温度85 选用不锈钢板框 128 过滤操作技术要点 滤饼的厚度达到一定程度时 才变成真正的过滤介质 在开始过滤时 流速不宜过大 否则细小颗粒易穿过介质空隙而未被截留 只有当介质表面有滤饼时 滤液才变清 若形成不了滤饼介质层 则会出现浑浊滤液 板框过滤时开始阶段不必加压 待滤饼形成 滤速减慢时可适当加压 为了提高过滤收率 完成过滤后用热水再进行一次复滤 或者从过滤机中取出滤渣加水打成浆后再滤一次 129 过滤液质量主要参数 1 一次滤液一水柠檬酸 9 0g dL 悬浮物 0 1g dL 2 滤饼含水量 55 70 一水柠檬酸 2 5 3 复滤液一水柠檬酸 9 0g dL 悬浮物 5mg L 130 四 中和 中和 沉淀 的原理 过滤获得了去除菌体 残渣的澄清柠檬酸液 其中除主要含有柠檬酸外还含有可溶于水的碳水化合物 胶体 有机杂酸 蛋白质等杂质 采用钙盐或钙碱与溶液中的柠檬酸发生中和反应 生成四水柠檬酸钙从溶液中沉淀析出 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并除去 除去残液后 用80 90 热水洗涤四水柠檬酸钙沉淀 可最大限度地将可溶性杂质与柠檬酸钙分离 其反应式为 2C6H8O7 H2O 3CaCO3 Ca3 C6H5O7 2 4H2O 3CO2 H2O2C6H8O7 H2O 3Ca OH 2 Ca3 C6H5O7 2 4H2O 4H2O 131 发酵液中存在的草酸 葡萄糖酸也能在中和时形成钙盐 在热的中和液中 草酸钙可以在pH3时沉淀析出 先分离出来 葡萄糖酸钙溶解度很大 可以一直处于溶解状态 不会混到柠檬酸钙沉淀中去 132 四 中和 中和剂为CaCO3或Ca OH 2 柠檬酸钙在水中溶解度 0 085g 100gH2O 极小 葡萄糖酸钙在水中溶解度 4g 100gH2O 较柠檬酸钙大得多 故葡萄糖酸一直处于溶解状态而随滤液排出 不会混杂到柠檬酸钙沉淀中 133 中和操作 Ca2 在一定温度和pH条件下可与柠檬酸作用生成柠檬酸钙 出于形成的Ca3 C6H5O7 2 4H2O在水中的溶解度极小 因而能形成沉淀面与其他杂质 如糖 可溶性蛋白等分离 生石灰 CaO 熟石灰 Ca OH 2 氯化钙 CaCl2 以及碳酸钙等均可作为中和剂 但最常用的是碳酸钙 中和剂的用量可依据反应式和中和剂的纯度计算得出 例如用碳酸钙中和时的反应方程式为 因此中和I00kg的一水柠檬酸需要100 的碳酸钙71 43kg 134 中和工艺流程碳酸钙用量 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 07 135 中和终点的控制 可用测量PH法或漓定酸度的方法来确定 中和终点一般控制在酸度0 1 0 2 若测量pH则以4 4 4 8为宜 以碳酸钙为中和剂 中和终点的pH对柠檬酸钙的质量有决定性影响 偏酸范围时柠檬酸钙质量好 但酸件下溶解度大损失也大 中和沉淀后经固液分离 抽滤或带式真空过滤机 虽可除去大部分对溶性杂质 但仍有相当部分糖类物质吸附在沉淀表面 所以中和过滤后需要用80 90 的热水对沉淀进行洗涤 洗涤终点以检查洗涤滤液是否含糖为标准 可用高锰酸钾法检验 136 五 酸解 中和后得到的柠檬酸钙用硫酸将其酸解生成柠檬酸和硫酸钙柠檬酸钙在在强酸 硫酸 存在的溶液中产生复分解反应 生成难溶于水的石膏 CaSO4 沉淀 而将弱酸 柠檬酸 游离出来 溶存于溶液中 酸解时硫酸是逐步添加的 所以柠檬酸三钙先变成柠檬酸氢钙 再变成柠檬酸一钙 最后才游离出柠檬酸 如果硫酸用量不足 则会有柠檬酸一钙混在石膏中 造成柠檬酸收率下降 137 酸解时 H2SO4是逐步添加的 Ca3 C6H5O7 4H2OCaH C6H5O7 3H2OCaH4 C6H5O7 2游离出柠檬酸柠檬酸一钙 CaH4 C6H5O7 2柠檬酸氢钙 CaH C6H5O7 3H2O柠檬酸三钙 Ca3 C6H5O7 4H2O如果硫酸用量不足 会有柠檬酸一钙混在石膏中造成损失 硫酸过多 蒸发时 70 75 会使柠檬酸分解 避免草酸钙分解 硫酸过量 不能超过0 2 酸解之前 一定要分析柠檬酸钙盐中柠檬酸含量 以确定硫酸用量 138 酸解 酸解是一个复分解反应 反应方程式为 1kgCaCO3相当于980gH2SO4或1kgCa OH 2相当于1324 3gH2SO4 139 酸解工艺流程 140 酸解操作 酸解时先用水将柠檬酸钙调成酸度约15 20 的浆 然后按一定速度加入硫酸 硫酸的加量可根据反应方程和硫酸浓度以及柠檬酸钙的量计算出 由于石膏存在二水 半水和无水三种形态 温度低时易形成二水石膏 们它是一种易于折断的针状结晶 不利于过滤 80 以上形成较多的半水石膏 它成片状结晶 形成的滤饼疏松易过滤和洗涤 因此国内酸解温度多采用80一90 酸解终点可用双管法或测定SO42 含量检测 当两管都清或SO42 含量为3 5 4 5g L时认为已达终点 可停止加酸 141 国外酸解操作略有不同 采用将柠檬酸钙投入硫酸中 反应温度为60 以电导率 0 65 0 85s m 为终点 酸解停止加酸后仍要继续作用一段时间 使硫酸钙结晶成熟 然后真空抽滤 为了提高收率 滤渣需用70 80 水洗涤 142 酸解操作要点 柠檬酸沉淀加水打成浆状 泵入酸解桶中 启动搅拌 缓缓加入浓硫酸 把温度自控系统调整在60 位上 当电导率超过2 0S m时 暂停加硫酸 当电导率降至1 0S m时 恢复加硫酸 如此反复连续进行至液位达到罐容积的60 时 液位报警器发出信号 立即调整到最终平衡点 电导率控制在0 65 0 85S m 但要以生产实际情况 通过反复试验 对照来确定正确的电导率 143 终点酸解液中SO42 在3 5 4 5g L pH值为1 5 整个酸解过程操作时间控制在90min为宜 其时间分配 1 硫酸加入速度控制在30min2 硫酸钙成熟时间40min3 检测和附加时间20min 144 净化 Purification 净化是指通过活性碳和阳 阴离子处理交换树脂除去粗柠檬酸液的色素和有害的Ca2 Mg2 Fe3 SO42 Cl 等离子 成为精制柠檬酸液的过程 脱色 柠檬酸液流经盛有脱色树脂或活性炭的脱色柱进行脱色 色素能通过过滤介质 在中和时会有少量吸附在柠檬酸钙上 酸解后 柠檬酸液仍然呈淡黄至黄色 如不脱色 柠檬酸成品会呈黄至黄褐色 六 净化 脱色 离子交换 145 六 净化 脱色 离子交换 粗柠檬酸液 炭柱脱色 阳离子交换柱 去钙 镁 铁等 阴离子交换柱 去硫酸根 净化柠檬酸液 146 净化的原理 粗柠檬酸溶液中残留的色素 蛋白质等可溶性的大分子化合物 其分子质量为103 106 道尔顿 分子大小在1 100nm 属胶体物质范畴 它们大多是两性电解质 在酸性溶液中带有正电荷 在碱性条件下带有负电荷 它们具有巨大的比表面积 较易被多孔性的固体吸附剂如粉未和颗粒活性炭吸附 147 此外粗柠檬酸溶液中尚残存Ca2 K Fe3 SO42 Cl 等阴阳离子 故采用离子交换阳树脂和阴树脂除去酸解液中的阳 阴离子和可溶性胶体物质使粗柠檬酸液得到提纯和精制 获得净化精柠檬酸液 148 净化的目标 除去酸解液中的色素 除去酸解液中的Ca2 Mg2 Fe3 等阳离子和SO42 Cl 阴离子 尽可能提高净化柠檬酸的浓度 将柠檬酸的损失降低到允许范围 把再生剂和水的消耗降低到最低限度 149 精柠檬酸 净化 液的质量要求 感官无色或微黄色澄清溶液柠檬酸 一水 含量 180g L易突变物 0 009 以糖计 150 净化操作 净化工艺包括脱色和离子交换树脂除去杂质离于 粗柠檬酸液 炭柱 阳离子柱 阴离子柱 净化液酸解液中含有色素物质 可用活性炭脱色去除 若用粉末活性炭 可直接加到酸解液中 用量为柠檬酸的1 一3 然后随抽滤时除去活性炭 但是日前多数工厂都用颗粒活性炭柱进行脱色 炭柱可再生重复使用 151 离子交换树脂 通过阳离于交换柱可除去Ca2 Fe2 等阳离子 最常用的阳离子交换树脂是732树脂 柠檬酸被进入阳离子交换往后应控制一定流速并定时用黄血盐和酒精分别检测流出液中有无Fe2 和Ca2 若出现Fe2 或Ca2 则应立即停止进料 如果柠檬酸液中含有较多的阴离子 可用阴离子交换树脂除去 用AgN03试剂检测流出液的Cl 作为阴离子交换柱进料的控制终点 152 七 蒸发浓缩 153 柠檬酸液蒸发 借加热作用使溶液中一部分溶剂汽化并不断排除 使溶液中溶质浓度提高 从而达到浓缩的目的 此操作过程称蒸发 1 蒸发原理净化了的精柠檬酸液浓度一般柠檬酸 一水 含量为180g L以上 要使其达到750 820g L的结晶浓度 必须通过蒸发将溶质水除去 加热温度过高 柠檬酸会分解 并易产生色素 因此必须在减压下蒸发 为了充分利用蒸发过程中产生的二次蒸汽 降低能耗 工业生产常采用二效或三效蒸发 154 三效顺流降膜式蒸发器 155 蒸发浓缩 双效蒸发时料温一效为88 二效小于60 最终液中柠檬酸浓度为75 82 相对密度为1 342 1 350 60 156 柠檬酸液蒸发要求 及时地将柠檬酸净化液蒸发 浓缩 至规定浓度 为结晶工序及时供料 保证浓缩液质量 将蒸汽消耗 柠檬酸损失降低至允许范围 157 蒸发操作技术要点 1 控制进蒸发器料液 柠檬酸 一水 230g L 易炭化物 0 1g L 2 供给饱和水蒸汽压力 0 5MPa 表压 3 供给冷却水温度 30 4 单效 双效蒸发 单效料温 60 蒸发完成液柠檬酸 一水 相对密度为1 342 双效 一效 料温 88 蒸发完成液柠檬酸 无水 相对密度为1 385 1 395 85 双效 二效 料温 60 蒸发完成液 一效 柠檬酸 一水 液的相对密度为1 180 1 200 88 蒸发完成液 二效 柠檬酸 一水 液的相对密度为1 342 1 350 60 158 5 三效蒸发结晶 一效料温84 完成液浓度 40 二效料温60 完成液浓度 68 无水柠檬酸结晶器的料温 59 完成蒸发后结晶罐浆料 无水柠檬酸 浓度为79 82 一水柠檬酸结晶器的料温 32 完成后结晶罐浆料 一水柠檬酸 浓度为75 80 159 八 结晶干燥 柠檬酸析点温度为36 6 超过36 6 时结晶的柠檬酸不带结晶水36 6 以下结晶的柠檬酸带一个结晶水 160 结晶温度控制 蒸发浓缩至规定浓度的柠檬酸液可进行结晶 一水柠檬酸与无水柠檬酸结晶的临界温度为36 6 低于36 6 时结晶得到的是一水柠檬酸 高于36 6 结晶得到的是无水柠檬酸 可根据需要控制结晶温度 蒸发浓缩至一定浓度的溶液进入结晶罐后降低温度就出现结晶 一水柠檬酸的结晶温度控制在10 左右 无水柠檬酸的结晶温度为40 161 生产一水柠檬酸时 柠檬酸溶液先被浓缩至70 以上 再放到冷却式结晶罐降温结晶 控制温度在10 以下 生产无水柠檬酸时 柠檬酸溶液先被浓缩至83 左右 然后停止加热 维持温度在40 46 加入晶体使无水柠檬酸晶体析出 162 结晶原理 使溶解于溶剂中的溶质呈结晶状从液相中析出的过程称为结晶 它是制备纯净物质的工业上最常用的方法之一 柠檬酸结晶原理当柠檬酸净化液蒸发浓缩至过饱和状态的介稳态时 可通过刺激结晶如加入晶种或自然起晶的方法使其溶液浓度达临界浓度 溶液中就可产生形成微细的晶粒 然后当溶液的过饱和度增大时 溶质的浓度增大 溶质分子间的距离缩小而引力增大 而溶剂对溶质分子的微作用逐渐减弱 当过饱和度达到一定程度时 溶质分子之间的引力使溶质质点彼此靠接 碰撞机会增多 使它有规则地聚集排列在晶核上 逐渐长成一定大小和形状的晶体 163 导流筒 挡板型结晶器 164 柠檬酸结晶操作技术要点 1 一水柠檬酸结晶操作技术当浓缩温度在55 时柠檬酸的饱和浓度为73 当继续蒸发浓缩至81 即为过饱和状态时 将它立即移入结晶缸中 装至70 85 液位 启动搅拌器 用冷水缓慢降温至临界温度36 6 时 可控制降温速度刺激起晶或添加晶种 开始结晶 小心控制体系温度缓慢降至36 以下 随着结晶的进行 逐渐降温 使溶液处于介稳区至稳定区 直至料温降到10 以下时结晶结束 晶浆应及时用离心机分离出晶体和母液 并用少量无离子冷水洗晶体表面吸着的母液 湿晶体送干燥工序处理 165 2 无水柠檬酸结晶操作技术由于无水柠檬酸结晶的临界温度是在36 6 以上 因此它的体系过饱和温度要高 结晶温度要控制在40 以上 当浓缩温度为60 时 饱和浓度73 当继续蒸发浓缩至83 即为过饱和状态时 将它移入结晶缸中 启动搅拌 用水冷却至48 采用刺激起晶或添加无水柠檬酸晶种作为晶核 然后仔细控制温度在40 42 养晶育晶 使体系状态由介稳区至稳定区 结晶结束 最终温度也不低于40 然后用蒸汽或热水加温离心机 再将晶浆分离出母液 166 8 干燥 筛分 包装 结晶后的晶体需离心机甩水 除去结晶母液 然后把结晶放入流化床进行气流干燥 气流温度要注意 对一水柠檬酸 温度太高有可能导致失去结晶水 所以干燥品温度在36 以下 而无水柠檬酸结品的干焕品温度则应在40 以上 干燥后应进行过筛 除去巨大颗粒和细小颗粒 取符合成品要求的部分包装 入库 167 干燥及时将来自离心机的湿柠檬酸晶体通过热空气对流式干燥将晶体表面的游离水除去 又不失去一水柠檬酸的结晶水 并保持晶型和晶体表面之光洁度 进而筛分包装获得符合等级标准的柠檬酸产品 168 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 缺陷日益显露 1 得到的提取液中柠檬酸质量分数较低 一般低于20 增大了后续浓缩段的负荷 2 单元操作损失多 总收率低 国内厂家一般在60 75 超过70 的很少 对以薯干为原料的生产