柠檬酸生产工艺设计

1、柠檬酸及生产工艺摘要：柠檬酸广泛应用于食品工业、医药工业和化学工业等方面。它可利用糖质原料如土豆、 地瓜中的淀粉等，在多种霉菌及黑曲菌的作用下，控制较低的温度和pH值、较高的通气量 和糖浓度，用发酵法制得。柠檬酸又名枸橼酸，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。柠檬酸主要应用于食品工业，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。柠檬酸在化学 工业上可作化学分析用试剂，用作实验试剂、色谱分析试剂及生化试剂，用作络合

2、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， 可以迅速和沉淀金属离子，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。承办单位：XX市柠檬酸生产厂可行性研究：中国现有柠檬酸生产厂近百家，总年产能力约80万吨，是全球最大的柠檬酸 生产国和出口国。目前，柠檬酸生产方法有水果提取法，化学合成法和生物发酵法三种。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。而发

3、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。XX的农副产品大多为红薯、地瓜。原料来源充足，交通便利，人口聚集，给柠檬酸的销售带来了莫大的好处。反应方程式C 口 n _ltt n - 。厂 it nnsRs0+1今0+30 f 2CHqU+4H U12 22 11226 872（蔗糖）（柠檬酸）项目设计方案：一.工艺过程1菌种培养在46波美度的麦芽汁内加入25%至30%的琼脂，然后接入黑曲霉菌种（无茵操作）， 在3032C条件下培养4天左右。这种培养方法称为“斜面培养”。将麸皮和水以1： 1的 比例掺拌，再加入10%的碳酸钙、0. 5

4、%的硫酸铵，拌匀后装入容量为250毫升的三角瓶 中，用1. 5公斤压力灭菌60分钟。接人斜面培养法培养出的菌种，培养96120小时后即 可使用。2原料处理湿粉渣必须经过压榨脱水，使含水量在60%左右；干粉渣含水量低，应按60%的比例 补足水分；结块的粉渣需粉碎成二至四毫米颗粒。然后加入2%碳酸钙、10%至11%的米糠， 掺匀后，堆放2小时，再进行蒸煮。蒸煮可采用加压蒸料和常压蒸料两种方式。加压蒸料最 好用旋转式蒸锅，常压蒸料可用固定式蒸锅或固定式水泥蒸锅。先用扬麸机将蒸煮好的料破 碎，再加入含抗污染药品的沸水。3接种、发酵当磷温冷却到3740C时，接入菌种悬浮液。接种后，送入曲室发酵（此时料温

5、不得低 于27C）。生产过程一定要严格无菌操作。发酵室要注意消毒，定期用甲醛或硫磺熏蒸，其 用最好甲醛为10毫升/立方米，硫磺为25克/立方米。4发酵工艺条件的控制（1）发酵过程中没有解决注意适当通风，因黑曲霉菌是喜空气细菌。（2）发酵室内的相对湿度应保持在86 %至90%之间。（3）注意发酵过程中的温度控制。整个发酵过程分为三个阶段：第一阶段为前18小时，室温 在2730C之间，料温在2735C左右；第二阶段为1860小时，料温为4043C，不 能超过44C，室温要求33C左右；第三阶段为60小时料温在3537C左右，室温为30 32C。5浸取柠檬酸将曲料放人浸取缸，用温度90C以上的水连续

6、浸泡五次，每次浸泡约1小时。当浸液 酸度低于0.5%时，停止浸泡进行出渣。将浸液倒入搪瓷祸，加温至95C以上，保持10分 种后，停止加热，让其静置沉淀6小时。6清液中和将经过沉淀的清液移入中和罐，加温至60C后，加入碳酸钙中和，边加边搅拌。柠檬 酸与碳酸钙形成难溶性的柠檬酸钙，从发酵液中分离沉淀出来，达到与其它可溶性杂质分离 的目的。加完碳酸钙后，升温到90C，保持半小时待碳酸钙反应完成后，倒入沉淀缸内， 抽去残酸，再放入离心机脱水，用95C以上的热水洗涤钙盐，以除去其表面附着的杂质和 糖分。在这里要重点检查糖分是否洗净（洗净的柠檬酸钙盐最好能迅速进行酸解，不要过久 贮放，否则会因发霉变质造成

7、损失。如因故不能及时处理，要晾干后再存放），方法是将1 2%的高锰酸钾溶液滴一滴到20毫升洗水中，3分钟不变色即说明糖分已基本洗净。在清液中和过程中，控制中和的终点很重要，过量的碳酸钙会造成胶体等杂质一起沉淀 下来，不仅影响柠檬酸钙的质量，而且给后道工序造成困难。一般按计算量加入碳酸钙（碳 酸钙总量=柠檬酸总量X0. 714），当pH为6. 57. 0，滴定残酸为0. 10. 2%时即达 到终点。一旦加过了碳酸钙量，需要补加发酵或母液。7酸解与脱色酸解是将已洗净的难溶性的柠檬酸钙与烈士作用，生成柠檬酸与硫酸钙。反应式如下Ca（CHOX+3HSO=2CHO+3CaSG, 6 5 7,2246 8

8、 74具体操作是把柠檬酸钙用水稀释成糊状，慢慢加入硫酸（一般根据投入碳酸钙的量来计 算硫酸量，以碳酸钙用量的9295%为宜），在加入计算量的80%以后，即要开始测定终点。 测定方法如下：取甲乙两支试管，甲管吸取20%硫酸1毫升，乙管吸取20%氯化钙1毫升， 分别加入1毫升过滤后的酸解液，水浴内加热至沸，冷却后观察两管溶液，如果不产生混浊， 再分别加入1毫升95%酒精，如甲乙两管仍不呈混浊，即认为达到终点。甲管有混浊，说 明硫酸加量不足，应再补加一些柠檬酸钙。酸解达到终点后，煮沸3045分钟，然后放入 过滤槽过滤。在所得清液中，加入活性炭（一般用量为柠檬酸量13%，视酸解液的颜色而定）脱 色，在

9、85C左右保温30分钟，即可过滤。滤瓶用85C以上热水洗涤，洗至残酸低于0. 3 0. 5%即可结束，洗水单独贮放，作为下次酸解时的底水使用。8浓缩、结晶将脱色后过滤所得清液，用减压法浓缩（要求真空度在600740毫米汞柱，温度为50 60C）。柠檬酸液浓缩后，腐蚀性较大，因此多采用搪瓷衬里的浓缩锅，浓缩液的浓度要适 当，如浓度过高，会形成粉未状；但浓度过低，也会造成晶核少，成品颗粒大，数量少，母 液中残留大量未析出的柠檬酸，影响产量。当浓缩达到36. 737波美度时即可出罐。柠檬 酸结晶后，用离心机将母液脱净，然后用冷水洗涤晶体，最后用干燥箱除去晶体表面的水。 母液可以再直接进行一次结晶，剩

10、下的母液往往因含大量杂质，不宜作第三次结晶，但可以 在酸解液中套用，或用碳酸钙重新中和。干燥箱的温度要控制在35C以下，如气温高于20C 时，可采用常温气流干燥。二工艺流程图三主要设备选择本生产过程的主要设备有发酵罐、种母罐、抽滤桶、脱色柱、浓缩锅、结晶锅等。1发酵罐选择年产五万吨柠檬酸发酵罐设计，按通氧间歇发酵生产方式，发酵罐罐数可用以下公式：N=nt/24+1N:发酵罐个数（其中一个备用）；n：每24内进行加料的发酵罐数目；t:发酵周期t=18d根据具体情况而论 n=2由计算可得：N=37个按每年发酵罐工作时间300d，所以每个发酵罐的生产能力为1878kg/h，由此可知没个发酵罐的周期生

11、产能力为81081kg，所以应该用100体积的发酵罐。2抽滤桶主要适用于化工、医药、石油等行业生产工艺中真空过滤。具有重量轻、安装维修方便、操 作简单等优点。操作压力-0.1MPa,操作温度-10 C100 C。3浓缩锅用外加热自然循环与真空负压蒸发现结合的方式，蒸发速度快，浓缩比重可达1.3,液 料在全密封状态无泡沫浓缩用制作外壳，浓缩出来的药液，具有无污染，药味浓的特点，而 且清洗方便（打开加热器的上下盖即可进行清洗）。柠檬酸发酵微生物的确定及形态1）黑曲霉（Aspergillus niger）的形态特征目前生产上常用产酸能力强的黑曲霉作为生产菌。在固体培养基上，菌落由白色 逐渐变至棕色。

12、孢子区域为黑色，菌落呈绒毛状，边缘不整齐。菌丝有隔膜和分枝， 是多细胞的菌丝体，无色或有色，有足细胞，顶囊生成一层或两层小梗，小梗顶端产 生一串串分生孢子。2）黑曲霉（Aspergillus niger）的生理特征黑曲霉生产菌可在薯干粉、玉米粉、可溶性淀粉糖蜜、葡萄糖麦芽糖、糊精、孚L 糖等培养基上生长、产酸。黑曲霉生长最适 pH值因菌种而异，一般为pH37 ；产酸 最适pH为1.82.5。生长最适温度为3337 C，产酸最适温度在2837 C，温度过 高易形成杂酸，斜面培养要求在麦芽汁 40Be左右的培养基上。黑曲霉以无性生殖的 形式繁殖，具有多种活力较强的酶系，能力用淀粉类物质，并且对蛋白

13、质、单宁、纤 维素、果胶等具有一定的分解能力。黑曲霉可以边长菌、边糖化、边发酵产酸的方式 生产柠檬酸。柠檬酸发酵机理关于柠檬酸发酵的机制虽有多种理论，但目前大多数学者认为它与三羧酸循环有密切 的关系。糖经糖酵解途径（EMP途径），形成丙酮酸，丙酮酸羧化形成 C4化合物，丙 酮酸脱羧形成C2化合物，两者缩合形成柠檬酸（见发酵代谢）。柠檬酸发酵用原料选型柠檬酸发酵的原料有糖质原料（甘煎废糖蜜、甜菜废糖蜜）、淀粉质原料（主要是番 薯、马铃薯、木薯等）和正烷烃类原料三大类。六.发酵生产工艺流程以薯干粉为原料的液体深层发酵工艺流程：斜面菌种一麸曲瓶一种子一薯干粉一调浆一灭菌（间歇或连续式）-冷却一发酵一

14、发 酵液一提取一成品以薯渣为原料的固体发酵工艺流程：试管斜面一三角瓶菌种一种曲I薯渣一粉碎一蒸煮一摊凉接种一装盘一发酵一出曲一提取一成品液体发酵 a不置换法培养液一次加入，发酵结束后弃去菌盖，发酵液用来提取柠檬酸。具体操作是： 接种后，培养温度维持在 35C，这是黑曲霉的适宜生长温度，需维持72h左右，以促进孢子发芽及菌体发育。当温度逐渐下降时，必须通人约50C的空气以维持35C的培养温度，通风量为35m3/m2.h。接种后20h左右可出现灰白色、很薄的菌膜， 72h时菌膜已完全形成，菌膜相当厚且有皱褶。48h起由于菌体耗氧增加，可开动另 一组风管向盘层之间通汽，进汽温度为40C左右，风量为

15、7m3/m2.h，进汽湿度为75%以上，以防培养液水分蒸发过快。自接种后 72h起进入产酸期，这时菌体代谢速 率高，耗糖快，发酵液酸度急剧升高，并释放出大量热，最高时可达1000kJ/（m2.h），此时应加强通风措施，严格将发酵温度控制在 2628 C，以利柠檬酸的形成。因此， 一般在进入产酸期前8h左右需增大风量至1518m3/m2.h，且降低进汽温度在25C 以下，湿度仍在75%以上。160h以后发酵结束。b置换法置换法一般是采用糖浓度低而营养较丰富的培养液先培养菌盖，待菌盖形成之后 再更换发酵培养基。可更换1次也可数次，发酵液用来提取柠檬酸。培养菌盖，一般 使用5%的糖液，视糖蜜质量再补

16、充少量 NH4NO3、K2HPO4等盐类。接种孢子后， 室温保持在3436 C，培养液品温为3234 C，使孢子发芽，正常情况下40h即可形 成紧密有皱的菌盖。菌盖形成后，放掉培养基，更换发酵培养基（即第1次置换），并将室温降至3032 C，待发酵4860h后再放掉发酵液，加入新培养液即进行第 2次 置换。如此重复，一般可置换培养基810次，总发酵周期为1420d，收集起来的发酵液，用来提取柠檬酸。置换法的优点是节省了大量培菌时间，发酵速度快，而且原本不适宜长菌的原料却可用作发酵培养基。但为了保持菌盖的高活性，因此不能将 发酵液残糖控制得很低，这样一来就造成替换出来的发酵液其残糖量较高，给后道

17、提 取柠檬酸带来困难。（三）柠檬酸的发酵生产1 .原料 工业上生产柠檬酸所用原料主要有废糖蜜、蔗糖及淀粉质原料如甘薯干。 用含淀粉原料生产时，最好在发酵前先用淀粉酶及糖化酶进行适当的糖化。氮源对柠檬酸的发酵生产特别重要，氨、氢氧化铵或磷酸铵可以大大提高产量， 在代谢中首先形成氨基酸如谷氨酸、甘氨酸及丙氨酸，这些氨基酸促进了柠檬酸的形 成。一些金属离子如钼、铜、锌或钙等对柠檬酸合成有一定抑制作用。低铁氰化钾 K4Fe（）6则可以提高柠檬酸的产量，这是由于它可以沉淀对柠檬酸合成有抑制作用 的某些金属盐，如以糖蜜为原料时，糖蜜中存在大量的锰和铁盐，在80100 ?温度下可以在15min内被低铁氰化钾

18、沉淀。此外在培养基中含有 1 2mol / L的1, 2-* 氨基环己烷一氮、氮一四乙酸、二亚乙基三胺五乙酸及EDTA等时，能促进黑曲霉合成柠檬酸。2%的甲醇对柠檬酸合成也有利。一些非离解性的表面活化剂，可以在发酵时使菌丝均匀分散于培养液中，从而提 高柠檬酸的产量。柠檬酸的静置浅盘发酵 静置浅盘发酵即表面发酵法，是在1923年实现规模 生产的，其主要原料是糖蜜。发酵容器为不锈钢等耐酸蚀的金属盘，盘上有进料口和出料口、无菌空气进出口等，大小根据条件设计。培养液组成为：12%20%的糖蜜， 添加黄血盐、EDTA或六氰基高铁酸钾、磷酸二氢钾、硫酸锌以及抗菌剂等。培养基 经灭菌，调节pH至6. 06.

19、 5,冷却至4550C左右时输入盘内，继续冷却至3512， 以干孢子喷雾接种（100150mg孢子粉/ m2培养基表面）。培养盘固定在培养室内， 培养室具有可以灭菌、保温和无菌空气供给系统等。发酵温度为3013，发酵过程中通人无菌空气，孢子12d发芽，然后长成菌盖， 发酵周期一般为68d，pH降至2. 0，柠檬酸产量为200250g / L，每百克葡萄 糖约生成75g左右的柠檬酸。发酵中柠檬酸合成高峰时为0. 91. 1k8 / m3-h，平均合成速率为0. 20. 4k8 / m3. h。柠檬酸液体通风发酵（深层通气发酵）发酵基质可以是糖质原料，也可以是淀 粉质原料，在我国一般以甘薯干为原料

20、，这是由于甘薯干价格低，原料来源丰富，便 于贮藏和运输等。柠檬酸深层发酵生产工艺流程：（1）原料处理 薯干粉碎，要求粉碎度要细。（2）种子制备 斜面和茄瓶菌种，用1012Bx麦芽汁加0.1 %磷酸二氢钾作培养 基，30 C下培养5d，孢子形成丰富。种子罐培养：是种子的进一步扩大，其培养基接近于发酵培养基，其组成为薯干粉8% 14%，麸皮1 %(或加0.15 %硫酸铵)。灭菌后用茄瓶孢子接种，在32C下通 气培养2224h , pH降至3以下，镜检无杂菌，菌丝生长良好。(3)发酵生产培养基为18%的薯干粉，为浓醪发酵，灭菌前加入0. 05%的。一淀粉酶。 发酵温度为32C，通风量在12h前为l:

21、0.1(y:y)，12h后为1： 0.2, 一般发酵周期为112120h。柠檬酸生产方式除上述表面培养和深层通气培养外，还有固体培养和连续发酵等方法。 固体发酵主要用于加工中的副产物如甘薯淀粉生产中的淀粉渣，果汁生产中的苹果、甘蔗渣 等。固体发酵工艺流程4。连续发酵法有许多优点：发酵过程中通过离子交换法不断将柠檬酸分离出来，发酵液中 柠檬酸始终处于较低浓度，加之不断补人糖等营养物，使菌处于一个适宜的环境中。离子膜 分离出的柠檬酸纯度较高，但此法尚未用于生产。此外，固定化技术应用于柠檬酸生产也是 一个诱人的课题。现在工业生产中仍以深层通气发酵为主，有少数国家用浅盘培养和固体发 酵。主要用途及注意事项1主要用途1用于食品工艺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。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，用作实验试剂、色谱分析试剂及生化 试剂，