发酵工程 15-3柠檬酸发酵生产

1、柠檬酸发酵生产柠檬酸简介1、柠檬酸的化学结构2、柠檬酸的用途食品领域医药、化妆品及其它行业3、柠檬酸的生产提取：1784年瑞典化学家Scheel首先从柠檬汁中分离得到柠檬酸结晶；1860年意大利开始用石灰乳从果汁中提取和生产柠檬酸；v发酵生产：1916年美国科学家Currie等发现多种黑曲霉菌株能产生柠檬酸；1923年美国Pfizer公司采用黑曲霉发酵法工业化生产柠檬酸；1952年美国Miles公司首先采用深层发酵法生产柠檬酸，从而大大地推动了世界柠檬酸发酵工业的迅猛发展。我国的生产情况我国1967年首先在哈尔滨和平糖厂建立了一座以甜菜糖蜜为原料的浅盘法柠檬酸发酵生产车间；1968年上海酵母厂

2、首先建立淀粉原料的深层发酵法生产柠檬酸的车间；经三十多年我国科技工作者和生产工人的不懈努力，先后选育了5代薯干原料发酵柠檬酸的高产菌种和适合淀粉、木薯、葡萄糖母液以及玉米粉等原料的生产菌种及发酵工艺。 目前世界柠檬酸年产量近一百万吨，中国、美国、欧洲各国为主要生产国。我国年产量达三十万吨，但我国的柠檬酸消费和应用方面远落后于发达国家，我国柠檬酸80%用于出口。 黑曲霉的柠檬酸生物合成途径 已知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。现在普遍认为黑曲霉利用糖类产生柠檬酸的生物合成途径是：葡萄糖经EMP或HMP降解，形

3、成丙酮酸；丙酮酸一方面氧化脱羧生成乙酰CoA，另一方面经CO2固定羧化成草酰乙酸；然后草酰乙酸与乙酰CoA缩合生成柠檬酸。 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2 mol丙酮酸，再经脱羧和CO2固定后，使1 mol葡萄糖合成1 mol柠檬酸，这样可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106.7%，对一水柠檬酸的理论转化率为116.7%）。 黑曲霉中也存在TCA和乙醛酸循环的酶系，但在产酸阶段，这两个循环均被阻断或减弱。合成柠檬酸所需的草酰乙酸必须由含三碳的羧酸来提供，经证实，在黑曲霉产柠檬酸阶段主要是通过

4、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。 v从葡萄糖合成柠檬酸的总反应式为： 2C6H12O6+3O22C6H8O7+4H2O黑曲霉合成柠檬酸的调节 柠檬酸的TCA循环中的一员，又是糖代谢的一个重要调节因子，即它是酵解途径中第一个调节酶（磷酸果糖激酶，PFK）的抑制物。在正常细胞内，一般是不会积累柠檬酸的，只有柠檬酸生产菌才能积累大量柠檬酸。 柠檬酸发酵的生产菌种 1、柠檬酸的产生菌柠檬酸是生物机体TCA循环的中间代谢产物之一，但并非所有能产柠檬酸的微生物都可作为柠檬酸的生产菌种。曲霉，特别是黑曲霉（Aspergillus niger）能分泌大量的柠檬酸，目前用于工业化生产的

5、菌种几乎都是黑曲霉。 但是，以石油、乙酸、乙醇等为原料时，似乎都是酵母才能作为柠檬酸的生产菌株，如解脂假丝酵母，热带假丝酵母等。但酵母利用石油为原料生产柠檬酸无一例外伴随着产生相当数量的异柠檬酸。 2、高产柠檬酸菌株的特征 在葡萄糖为唯一碳源的培养基上生长不太好，形成的菌落较小，形成孢子的能力也较弱；能耐受高浓度的葡萄糖并产生大量酸性-淀粉酶和糖化酶，即使在低pH下两种酶仍具有大部分活力；能耐受高浓度的柠檬酸，但不能利用和分解柠檬酸；能抗微量金属元素，特别是抗Mn2+、Zn2+、Cu2+和Fe2+等金属离子；在摇瓶和深层发酵时能产生大量细小的菌丝球；具有旁系呼吸链活性，利用葡萄糖时不产生或少产

6、生ATP。3、柠檬酸产生菌的筛选 1）产酸指示剂法 2）透明圈法 3）对二甲氨基苯醛法 柠檬酸的发酵生产 1、原料及其预处理用于柠檬酸发酵生产的原料以糖质原料为主，包括甘薯、木薯、马铃薯，玉米、小麦、大米等，各种淀粉、水解糖、糖蜜等。含淀粉或糖质的原料，发酵前需进行预处理，如去杂质、去霉块、粉碎、液化、去除金属离子等。 2、柠檬酸的深层发酵法 深层通气发酵是柠檬酸发酵生产的主要方法。国内以淀粉质粗原料为培养基，发酵产酸一般为11-13%，最高达15%，发酵周期为50-70h。国外以淀粉水解糖为原料，产酸可达19%，发酵周期5d以上。 1）深层发酵法的生产工艺流程 斜面麸曲种子无菌空气原料粉碎液

7、化发酵分离提取v柠檬酸深层发酵一般都采用不锈钢机械搅拌通气发酵罐，大部分为50-100m3，目前已发展至250-400m3，国外的发酵罐为400-600m3。采用二挡搅拌，为了减少对丝状菌丝的剪切作用，多用箭叶式搅拌器。 2）发酵设备2）发酵工艺v柠檬酸发酵过程包括斜面培养、麸曲制备、种子罐培养和发酵几个阶段。 斜面种子培养。斜面培养基为10-12Bx的麦芽汁或米曲汁，也可采用20%马铃薯煮出汁琼脂培养基。33-35培养4-5d，至斜面长满孢子即可。 麸曲制备。用1000ml三角烧瓶装麸皮40g左右，麸皮选用较粗者为好，必要时应先用水洗涤除去淀粉。麸曲的含水量要合适，一般控制在60-65%左右

8、，麸曲种子的培养温度约34，培养1d后要“敲瓶”一次，使之上下翻动。培养好的麸曲应仔细观察有无其它霉菌污染并抽样作摇瓶产酸测定，合格者在20以下温度保藏。 种子罐培养种子罐体积一般为发酵罐的1/10，薯干浓度为16-20%，比发酵罐为浓度稀些，但需添加一定量的含氮物质，如硫酸铵、尿素或适量的麸皮等。种子罐培养温度34，培养时间16-24h，至略微产酸即可转入发酵罐中。 发酵培养基投料浓度视淀粉含量而定，一般为含总糖13-15%。50-100m3罐的搅拌转速为90-110rpm。培养温度35。采用二级通风，前期（16-24h）低风量，以利于菌丝生长和糖化酶的作用，以后通风比显（1：0.1-0.1

9、5）(体积比)。发酵时间50-70h，产酸1215%，糖酸转化率90104%。 3、柠檬酸的固体发酵工艺 v利用农副产品加工后的副产物如甘薯、木薯的薯渣、苹果渣等，添加麸皮、米糠等含蛋白辅料和无机盐，就可进行固体发酵生产柠檬酸。 v固体发酵工艺流程固体发酵工艺流程薯渣辅料水蒸煮冷却补水斜 面 菌种一 级 麸曲二 级 麸曲装盘曲 房 培养浸 泡 提取4、液体表面发酵法生产柠檬酸 v表面发酵法也称浅盘发酵法，它是柠檬酸生产的一种传统方法。 柠檬酸的提取工艺 提取柠檬酸的方法主要有钙盐法、离子交换法、萃取法、电渗析法以及近年来发展起来的色谱分离法。但目前生产上普遍采用的仍是钙盐加离子交换的提取方法。

10、 1、发酵液的预处理v预处理是将发酵液加热至7590，以杀死柠檬酸产生菌及其它杂菌，终止发酵作用，同时使发酵液中部分蛋白变性、絮凝、降低醪液黏度利于过滤。预处理加热时间不能太长，若破坏菌丝球则影响过滤。 2、过滤v我国采用薯干粗原料发酵生产柠檬酸，发酵液中除菌丝外，还含有大量的原料残渣，固形物较多，因此不宜采用各种离心或固液分离设备，目前常用的是各种板框压滤机和真空带式过滤机。 3、中和v柠檬酸与Ca2+作用生成柠檬酸钙。生石灰（CaO）、熟石灰、氯化钙、碳酸钙等均可作为中和剂，最常用的是碳酸钙。 在中和过程中并不是一次反应就形成Ca3(C6H5O7)24H2O；而是随着反应液中Ca2+的增加

11、使柠檬酸分子中3个羧基上的H逐步被取代，因此反应中将形成CaH4(C6H5O7)2和CaH (C6H5O7)23H2O两种中间物。 3种柠檬酸钙在水中的溶解度差异很大，四水柠檬酸钙的溶解度最小，故中和时应投入足量的中和剂使所有的柠檬酸都形成四水的钙盐。另一方面柠檬酸钙在不同温度下的溶解度差异也很大，特别是在80热水中它们的溶解度远比20或50小，故中和反应及中和后洗涤的湿度都需控制在80。 4、酸解v柠檬酸钙与硫酸等强酸作用，使柠檬酸钙转变为柠檬酸游离出来，同时形成硫酸钙，由于后者溶解度极小，难溶于水而形成沉淀，从而达到进一步分离纯化作用。 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，但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。国内酸解温度多采用8090。 5、净化 净化工艺包括脱色和离子交换树脂除去杂质离子。 酸解液中含有色素物质，可用活性炭脱色。 通过阳离子交换树脂可除去Ca2+、F