化学工艺学 期末作业 生物化工 柠檬酸制造工艺

1、生物化工生物化工 柠檬酸柠檬酸目录提取提取发酵发酵三废三废处理处理生物生物化工化工柠檬柠檬酸酸一、生物化工简介一、生物化工简介发展历史发展历史 生物化工学科起始于第二次世界大战时期，以抗生素的深层发酵和大规模生产技术的研究为标志。20世纪60年代末至80年代中期，转基因技术、生物催化与转比技术、动植物细胞培养技术、新型生物反应器和新型生物分离技术等开发和研究的成功，使本学科进入了新的发展时期，学科体系逐步完善。20世纪后期，随着以基因工程为代表的高新技术的迅速崛起，为本学科的进一步发展开辟了新领域。生物化工生物化工（Biological Chemical Engineering） 是一门以实验

2、研究为基础，理论和工程应用并重，综合遗传工程、细胞工程、酶工程与工程技术理论，通过工程研究、过程设计、操作的优化与控制，实现生物过程的目标产物。因此它在生物技术中有着重要地位。本学科也是生物技术的一个重要组成部分，将为解决人类所面临的资源、能源、食品、健康和环境等重大问题起到积极的作用。二、柠檬酸二、柠檬酸 柠檬酸又名枸(j)橼（yun）酸，学名3-羟基-3-羧基戊二酸，分子式C6H8O7，为无色、无臭、半透明结晶或白色粉未，易溶于水及酒精。加热可以分解成多种产物，与酸、碱、甘油等发生反应。 1.1.简介简介 2. 2.生产原料生产原料 3. 3.生产工艺生产工艺二、柠檬酸二、柠檬酸 1.1.

3、简介简介 2. 2.生产原料生产原料 3. 3.生产工艺生产工艺柠檬酸主要应用于食品工业食品工业，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。 柠檬酸在化学工业化学工业上可作化学分析试剂、实验试剂、色谱分析试剂及生化试剂；用作络合剂、掩蔽剂、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，使污垢和灰尘分散和悬浮，提高表面活性剂的性能，是一种优良的鳌合剂。柠檬酸加热可以分解，生成多种产物。柠檬酸加热可以分解，生成多种产物。分解关系图分解关系图二

4、、柠檬酸二、柠檬酸 1. 1.简介简介2.2.生产原料生产原料 3. 3.生产工艺生产工艺二、柠檬酸二、柠檬酸 1. 1.简介简介 2. 2.生产原料生产原料3.3.生产方法生产方法 水果提取法是指柠檬酸从柠檬、橘子、苹果等柠檬酸含量较高的水果中提取，此法提取的成本较高，不利于工业化生产。 化学合成法的原料是丙酮，二氯丙酮或乙烯酮，此法工艺复杂，成本高，安全性低。 发酵法发酵周期短，产率高，节省劳动力，占地面积小，便于实现仪表控制和连续化，现已成为柠檬酸生产的主要方法。三、发酵三、发酵1.1.柠檬酸发酵简史柠檬酸发酵简史2.2.原料预处理及菌种原料预处理及菌种3.3.发酵原理发酵原理4.4.发

5、酵工艺发酵工艺 4.1 4.1 表面发酵工艺表面发酵工艺 4.2 4.2 深层发酵工艺深层发酵工艺 4.3 4.3 固体发酵工艺固体发酵工艺 4.4 4.4 半固体发酵工艺半固体发酵工艺 4.5 4.5 生化反应器生化反应器（1 1） 国外发展过程：国外发展过程：1860年意大利就开始从果汁中添加石灰乳的方法制得柠檬酸，从而进行工业化生产。1913年Zahorski首先利用黑曲霉生产柠檬酸1917年又经Currie的深入研究，初步确定了发酵法生产柠檬酸的科学基础。1919年比利时一家工厂成功进行了浅盘发酵法生产柠檬酸1923年美国pfizer公司首先采用黑曲霉浅盘发酵法工业化生产柠檬酸1925

6、年美国Miles公司在借鉴深层发酵青霉素工厂首先成功开发深层发酵法工业化生产柠檬酸（划时代意义2009年世界柠檬酸的产量为1.5106t1.1.柠檬酸发酵简史柠檬酸发酵简史（2 2） 国内发展过程：国内发展过程：我国柠檬酸工业解放前是个空白1967年原轻工业部食品发酵研究所在黑龙江和平糖厂建立了我过第一个生产100t的柠檬酸生产厂，以甜菜糖蜜为原料，浅盘发酵，钙盐离交提取。1968年上海酵母厂是我国第一家以淀粉为原料深层发酵柠檬酸投产成功天津工微所开展了以适合我国国情的薯干原料深层发酵柠檬酸的研究工作，之后上海工微所采用该所的“东酒2号”黑曲霉为出发菌株，用薯干为培养基很快选育出我过第一代深层

7、发酵柠檬酸生产菌种N-558于20世纪70年代初步形成了我国柠檬酸生产的工业体系。天津工业微生物所选育的以淀粉为原料的柠檬酸菌株TD-01产酸水平达世界先进水平，已出口国外数家公司世界主要柠檬酸产量世界主要柠檬酸产量2.2.原料预处理原料预处理 及菌种及菌种 所谓预处理，主要是指除杂、粉碎、液化、过滤等处理程序。至于采用何种程序和方法则取决于选用的原料品种及其内在质量。例如:薯类和谷类原料的除杂是利用机械或人工除去混入其中的固体杂质，如金属物、土、石、皮、芯、粒、霉变块等杂物。而糖蜜的除杂则是利用化学方法除去溶解于糖蜜中的杂质。又如，粉碎和过滤是根据原料的特性来选择适用的机械设备即可解决。13

8、薯干粉碎碎设备薯干粉碎碎设备2.2.原料预处理原料预处理 及菌种及菌种柠檬酸生产菌黑曲霉（Asp.niger）棒曲霉(Asp.claratus)文氏曲霉(Asp.nentic)泡盛曲霉(Asp.awamori)芬曲霉(Asp.fenicis)淡黄青霉(Perucillium.lutean)桔青霉(P.citrium)二歧拟青霉(Paecilomyces.diraricatum) 及梨形毛霉(Mucor.picriforoms)等。黑曲霉菌为好氧菌，生长适温37，最低相对湿度为88%。黑曲霉菌丝直径1520pm，长约13mm，壁厚而光滑。顶部形成球形顶囊，其上全面覆盖一层梗基和一层小梗，小梗上长

9、有成串褐黑色的球状，直径2.54.0m。分生孢子头球状，直径700800m，褐黑色。3.3.发酵原理发酵原理3.3.发酵原理发酵原理3.3.发酵原理发酵原理3.3.发酵工艺发酵工艺当前的柠檬酸发酵方法发酵发酵 柠檬酸发酵是利用微生物在一定条件下，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。 C12H22011 +H20+302 2C6H8O7+4H2O (蔗糖) （柠檬酸）3.13.1表面发酵工艺表面发酵工艺 （浅层发酵法）（浅层发酵法） 多以甜菜糖蜜为原料。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,

10、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45-50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。优点：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：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%。3.13.1表面发酵工艺表面发酵工艺 （浅层发酵法）（浅层发酵法） 3.13.1表面发酵

11、工艺表面发酵工艺 （浅层发酵法）（浅层发酵法） 主要设备：主要设备：（a）发酵室）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2835 ，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。3.13.1表面发酵工艺表面发酵工艺 （浅层发酵法）（浅层发酵法） （b）发酵盘发酵盘 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

12、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。3.13.1表面发酵工艺表面发酵工艺 （浅层发酵法）（浅层发酵法） （c）通风系统）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。3.23.2深层发酵工艺深层发酵工艺柠檬酸深层发酵工艺及控制条件柠檬酸深层发酵工艺及控制条件不同原料的深层发酵工艺大

13、同小异，主要差不同原料的深层发酵工艺大同小异，主要差别在于：别在于：原料处理工艺的不同，薯干粉、木薯粉、原料处理工艺的不同，薯干粉、木薯粉、大米粉采用实罐液化或一次喷射液化而玉米大米粉采用实罐液化或一次喷射液化而玉米粉采用二次喷射液化。粉采用二次喷射液化。发酵工艺上的主要不同为：发酵工艺上的主要不同为： 带渣和去渣发酵；带渣和去渣发酵； 孢子接种和菌丝接种发酵。孢子接种和菌丝接种发酵。一次高糖浓度糖发酵和补料发酵一次高糖浓度糖发酵和补料发酵。3.23.2深层发酵工艺深层发酵工艺柠檬酸深层发酵工艺流程柠檬酸深层发酵工艺流程3.23.2深层发酵工艺深层发酵工艺v1 1、深层液体发酵、深层液体发酵

14、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间歇发酵、连续发酵连续发酵和半连续发酵半连续发酵三种类型。特点特点：（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。3.23.2深层发酵工艺深层发酵工艺（1）间歇发酵间歇发酵（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。 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

15、立方根与时间呈直线关系。3.23.2深层发酵工艺深层发酵工艺3.23.2深层发酵工艺深层发酵工艺3.23.2深层发酵工艺深层发酵工艺特点：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整个培养系统与外界没有其他物质的交换。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不稳定定状态。优点优点：（1 1）周期短，培养基一次灭菌，一次投料，容易实现无容易实现无 菌状态，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

16、度比连续发酵的高。缺点：缺点： 非生产时间长，设备利用率低；劳动强度大。3.23.2深层发酵工艺深层发酵工艺（2）连续发酵连续发酵 理论基础理论基础：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：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：特点：连续发酵可使发酵反应器中的细胞

17、总数细胞总数和总体总体积积保持不变，发酵体系处于平衡状态平衡状态，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恒浊器法和恒化器法法两种。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。 3.23.2深

18、层发酵工艺深层发酵工艺3.23.2深层发酵工艺深层发酵工艺恒浊器和恒化器的比较恒浊器和恒化器的比较多罐串联连续发酵多罐串联连续发酵 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多罐串联发酵和单罐膜分离发酵。（1）多罐串联发酵多罐串联发酵 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。发酵产物与菌体生长不同步。3.23.2深层发酵工艺深层发酵工艺 这类发酵器尚待解决的

19、问题是养分渗透速度和膜养分渗透速度和膜微孔的堵塞问题微孔的堵塞问题。（2）单罐膜分离单罐膜分离 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。3.23.2深层发酵工艺深层发酵工艺连续发酵优点连续发酵优点：（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

20、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。3.23.2深层发酵工艺深层发酵工艺缺点缺点：（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3.23.2深层发酵工艺深层发酵工艺（3）半连续发酵）半连续发酵半连续发酵是指在补料分批培养的基础上，间歇放间歇放掉部分发酵

21、液掉部分发酵液（带放）进入下游提取工段的发酵操作方式。优点优点与分批培养相比：（1 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 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。3.23.2深层发酵工艺深层发酵工艺缺点：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；发酵转化率，降低发酵

22、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。3.23.2深层发酵工艺深层发酵工艺发酵控制技术发酵控制技术（1）发酵温度（2）pH值（3）溶氧量及通风搅拌（4）发酵终点控制3.23.2深层发酵工艺深层发酵工艺a.发酵温度为351b.温度的控制 1)工业生产上，所用的大发酵罐在发酵过程中一般不需要加热，因发酵中释放了大量的发酵热，需要冷却的情况较多。 2)利用自动控制或手动调整的阀门，将冷却水通入发酵罐的夹层或蛇行管中

23、，通过热交换来降温，保持恒温发酵。 3)如果气温较高（特别是我国南方的夏季气温），冷却水的温度又高，致使冷却效果很差，达不到预定的温度，就可采用冷冻盐水进行循环式降温，以迅速降到最适温度。因此大工厂需要建立冷冻站，提高冷却能力，以保证在正常温度下进行发酵。3.23.2深层发酵工艺深层发酵工艺（1）发酵温度）发酵温度适宜的适宜的pH在发酵过程中，随着菌种对培养基种碳、氮源的利用，随着有机酸和氨基酸的积累，会使pH值产生一定的变化。柠檬酸发酵中开始pH自然5.5，随着菌体生长pH降至2.5-3.0后降至2.2-2.3随着柠檬酸的大量生成pH迅速降至2.0以下。pH的控制方法的控制方法首先考虑和试验

24、发酵培养基的基础配方，使它们有个适当的配比，使发酵过程中的pH值变化在合适的范围内。b.在发酵过程中直接补加酸或碱和补料的方式来控制；补充生理酸性物质（如(NH4)2SO4）和生理碱性物质（如NaNO3）来控制。3.23.2深层发酵工艺深层发酵工艺（2）pHa.在供氧方面，主要是设法提高氧传递的推在供氧方面，主要是设法提高氧传递的推动力和液相体积氧传递系数。动力和液相体积氧传递系数。b.通风搅拌：深层发酵是典型好氧发酵，对通风搅拌：深层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，几分钟的缺氧，就会对发酵

25、造成严重影响，甚至完全失败，一般通风量甚至完全失败，一般通风量0.08-0.15m3/ min。5m3罐搅拌器罐搅拌器3挡，转速挡，转速90-110r/min,低搅拌式发酵罐低搅拌式发酵罐100m3自吸式浆叶自吸式浆叶1档，转速档，转速135 r/min。3.23.2深层发酵工艺深层发酵工艺（3）溶氧量及通风搅拌）溶氧量及通风搅拌3.23.2深层发酵工艺深层发酵工艺 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，残糖降至2 g/L以下，可升温终止发酵，泵送至储罐中，及时进行提取。（4）发酵终点控制）发酵终点控制3.33.3固体发酵工艺固体发酵工艺 此法多以海藻

26、酸钙为载体,也有采用聚丙烯酰胺(一种常用的包埋材料),其具有相当好的强度、弹性和化学惰性。固定化方法以后者为例,将丙烯酰胺单体(ACAM)和N,N-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)溶于水后与微生物细胞混合,搅拌,加入四甲基乙二胺(TEMED)和过硫酸钾,室温下放置30min,使之聚合完全,制得凝胶,将其切成3mm3mm3mm的小块,用生理盐水洗净后作为载体进行发酵,提取,制得柠檬酸。3.33.3固体发酵工艺固体发酵工艺 特点特点：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

27、体发酵法中较好的一种方法。3.33.3固体发酵工艺固体发酵工艺（3）蒸料设备）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。3.33.3固体发酵工艺固体发酵工艺优点：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：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。3.33.3固体发酵工艺固体发酵工艺 3.4 3.4半固体发酵工艺半固体发酵工艺4 4、半固体发酵、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。

28、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”，此发酵称为半固体半固体发酵。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。3.53.5生化反应器生化反应器5 5、生化反应器、生化反应器定义：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。 分类分类（1 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 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

29、,固体发酵法仍有活力,其他工艺仍处于研究开发阶段。概述概述 成熟的柠檬酸发酵醪（lo）中，除含有主产物柠檬酸之外，还含有纤维、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，即符合各级质量标准的柠檬酸产品的全过程，即为柠檬酸的为柠檬酸的提取。提取。是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。四、提取四、提取目的目的n分离细胞、菌体和其它悬浮颗粒（细胞碎片、核酸和蛋白质的沉淀物）。n除去部分可溶性杂质和改变滤液的性质，以利于后继各步操作。采用絮凝或凝聚的方法，设法增大悬浮液中固体粒子的大小，提高其沉降速度；采用稀释、加热等方法降低黏度，以利于过滤