有机酸工艺学-乳酸发酵工艺2

3.3发酵工艺及控制条件

3.1细菌乳酸发酵工艺及技术细菌乳酸发酵因所采用的菌种和原料不同，工艺路线稍有差别。淀粉质原料：水解糖乳酸发酵技术、大米乳酸发酵技术、薯干粉乳酸发酵技术、玉米乳酸发酵技术、糖质原料：蔗糖和糖蜜乳酸发酵技术、葡萄糖乳酸发酵技术、乳清乳酸发酵技术国内外生产乳酸的主要原料原料上采用廉价的来源广泛的玉米粉，采用“双酶”糖化或除渣清液发酵生产乳酸。以玉米原料双酶水解糖乳酸发酵技术为代表，介绍细菌DL-乳酸发酵。（一）玉米原料发酵生产乳酸工艺流程乳酸（二）细菌乳酸发酵生产技术1．DL-乳酸发酵生产技术⑴培养基种子与发酵培养基相同。即：水解糖（水解糖）15%；麦根0.375%；(NH4)2HPO40.25%；CaCO3

过量添加。⑵发酵接种物的制备：在种子罐中装入按上述配方的种子培养基，填充系数为80%，若是刚从60℃降温至50℃的培养基不必灭菌，直接接入锥形瓶中培养合格的德氏乳杆菌种子液，接种量为5～10%，在50

1℃培养24h。⑶发酵操作发酵罐用温水(40～60℃)洗净，在发酵罐内按上述配方配置发酵培养基，填充系数为80%左右。一般液面离罐顶为30～40cm，防止发酵过程中泡沫溢出。培养基中的CaCO3是中和剂，可以分批添加。培养基无需灭菌，直接接入上述培养好的种子液，培养物接种量为10%,温度控制在50

1℃发酵。如采用分批添加CaCO3的工艺，应注意不要使pH值降到5.0以下。否则会影响发酵速度。发酵过程中，每个班次要检查2～3次pH值和残糖，观察发酵过程是否正常。发酵温度控制在50℃，高于一般微生物的生长发育温度。发酵罐口敞开，以利CO2自由逸出。当残糖降至1g/L时就视为分解完成。整个过程大约需3～4d

水解糖发酵过程曲线发酵结束时，乳酸菌活力降低，料液温度开始下降，发酵醪带有一种黏性，同时丙酸菌可能开始活动，从而影响产品的纯度和产率。因此应及时加入石灰乳，将pH值提高到10左右。同时升高温度至90℃,使菌体和其他悬浮物下沉，澄清后将上清液和沉淀物分别放出，进入提取工序。发酵罐用热水洗净后再使用。⑴菌种：细菌TL-2(Lactobacilluscasei，乳酸乳杆菌干酪亚种)、嗜热脂肪芽孢杆菌(B.stearothermophilus)等培养基：①种子培养基（单位：g/L)：葡萄糖40（玉米糖化液），小肽-230，玉米浆5，豆粕水解液10，KH2PO41，(NH4)2SO45，碳酸钙50，pH6.0～6.5。灭菌条件：115℃，15min。

②发酵培养基（单位：g/L)：葡萄糖120～140（玉米糖化液），豆粕水解液为34.07，蛋白胨为24.40，玉米浆为10。碳酸钙量为糖量的45%，pH6.0～6.5；发酵条件控制：初糖浓度为146g/L，小肽-3为14.2(g/L)；摇床培养时间24(h)后进行静止培养，培养温度为42℃，维持初糖浓度与小肽-3的比值为15.5：1，发酵周期为60h，乳酸产量为142.5g/L，转化率为97.52%。3．细菌乳酸发酵技术要点3．细菌乳酸发酵技术要点（2）营养物质的控制：乳酸细菌大多数缺乏合成代谢途径，它们的生长和发酵都需要复杂的外源营养物质。必须供给各种氨基酸、维生素、核酸碱基等营养因子.发酵过程中营养物质必须控制在生长的亚适量水平。（3）

杂菌污染的控制：乳酸细菌的乳酸发酵控制温度较高，为50℃左右，一般杂菌难以在此环境中生存，而使乳酸发酵安全进行。①加强发酵罐(池)的清洁与灭菌。②严格控制发酵温度，③加大接种量，在发酵时加大接种量以使生产菌株生长旺盛，占据绝对优势.3.4乳酸的提取和精制生产技术

从发酵液中提取和精制乳酸的主要生产过程为3.4.1发酵液的预处理

（1）细菌乳酸发酵液特点及其处理

乳酸菌一般不耐酸，通常乳酸是在过剩CaCO3存在的条件下进行的。乳酸和CaCO3反应，生成五个水的水合型乳酸钙。发酵醪变粘稠。尤其当初糖浓度高时，甚至会使整个发酵醪固化，给后续操作带来麻烦。

细菌乳酸发酵液预处理策略要及时升温至90～100℃，并同时加入石灰乳，将pH调高至9.5～10，搅匀后，静止4～6h，使菌体、麦根等悬浮物下沉。避免乳酸钙结晶析出，澄清过程中需保温55℃，然后将上清液放出，沉渣单独处理。（2）发酵液过滤加入助滤剂CaSO4板框过滤机预热70~80℃，过滤，滤液1滤饼用，70~80℃水洗，过滤，滤液2滤液1+滤液2，加活性炭1.5~2.0%，60~70℃脱色过滤，乳酸，乳酸钙清液3.4.2乳酸提取工艺与技术一、乳酸钙前结晶工艺发酵滤液→浓缩→冷却结晶→洗晶→分离→干燥→乳酸钙↓粗乳酸←脱色←过滤←酸解←加热溶解↑↓↑

活性炭

硫酸钙

浓硫酸

浓缩——减压

蒸发70℃乳酸钙浓度26%~28%结晶——30℃，加入6%~7%的晶种30℃~23℃1h23℃~18℃1.5h18℃~10℃4h10℃3~5h洗晶——打碎晶体直径≥5mm

离心→冷水洗涤→白晶体→纯水洗涤→粗乳酸钙溶晶——石膏洗水+蒸汽，溶解粗乳酸钙酸解——50%浓硫酸，≤80℃，产生硫酸钙，乳酸过滤——石膏渣洗涤，脱色——0.3%~0.5%粉状活性炭，70～80℃30min

得20%粗乳酸二、乳酸钙直接酸解“一步法”工艺（1）工艺流程（2）乳酸钙直接酸解(一步法)工艺的生产技术①乳酸钙滤液的浓缩将预处理过的澄清无浊的过滤液，打入一效蒸发器内，液面盖过加热管时关闭进料阀门，通蒸汽。一次蒸汽保持在0.2～0.3MPa，当一效乳酸钙浓度达13～15％时，将一效乳酸钙打入二效一部分。每隔15～20min，一、二效之间串料一次。不断补充新的乳酸钙料液。二效的真空度控制在0.08MPa以上蒸发。当乳酸钙含量达30～35%时，关闭蒸汽和真空阀，打开放料阀放料。

乳酸钙溶解度②酸解与过滤：酸解、酸解终点控制、酸解液的抽滤A.酸解

酸解锅中打入适量的淡乳酸及适量的硫酸(浓度控制45～50%)。酸解温度控制在80

1℃。B.酸解终点控制酸水解2～3h至终点后取样检测。其方法是将样品经滤纸分别滴入比色板上两穴内数滴，一穴内加入草酸铵一滴，若混浊表明硫酸加量不足；另一穴加入氯化钡一滴，若混浊说明硫酸过量。如两穴皆混，说明反应未进行完全。C.酸解液的抽滤将保温于80℃的酸解液迅速注入抽滤槽中，打开抽滤及真空阀，趁热抽滤。一般洗涤3～5次。

3.4.3乳酸精制工艺

3.4.3.1乳酸精制工艺流程

3.4.3.2乳酸精制生产技术（1）活性脱色活性炭脱色是最常使用的乳酸净化除杂方法。粗乳酸的活性炭脱色可在两种情况下进行。①在酸解过程中未除去石膏渣的溶液中，添加约2%的活性炭，在硫酸钙结晶温度下，与结晶同时进行脱色1小时，活性炭随石膏渣一起滤去。酸解同时脱色②在除去石膏渣的乳酸溶液中，视颜色的深浅，添加一定量的活性炭，维持温度70～80℃、30min，进行脱色。（2）一次浓缩及脱色

将酸转入一次浓缩罐内，打开蒸汽阀加热浓缩，真空度不低于0.08MPa，温度不得高于80℃。料液浓度达45%～50%时，趁热放入脱色罐中脱色。视色度情况加入0.5%～1.0%的活性炭，启动搅拌，脱色30分钟。检查色度合格后进行过滤。（3）碳柱脱色与离子交换

经过一次浓缩脱色后的乳酸溶液仍含有少量的无机或有机杂质，可采用碳柱脱色和离子交换法，使溶液流过颗粒活性炭柱、H＋型阳离子交换柱、OH-型阴离子交换柱，去除无机物质、部分色素物质和部分含氮物质。1)．阳离子交换树脂(732)交换将经碳柱脱色合格的40%～50%乳酸溶液以一定的速度通过树脂，进行阳离子交换。pH3.0以上的乳酸液供酸解工序做洗水，pH3.0以下开始收集。每隔2h检测一次铁的含量，严格控制铁离子的浓度小于3mg/L。当流出料液铁离子含量达3mg/L时，转入另一再生好的阳离子交换柱，继续进行交换。

2)．阴离子交换树脂(331)交换将去除阳离子的乳酸溶液以一定的流速通过树脂。pH3以上的淡乳酸回收入淡乳酸贮槽，以作洗水之用。pH3.0开始接收，每隔2h检测一次氯化物，严格控制氯化物含量在5mg/L以下。树脂吸饱后将料液放至树脂层，注入蒸馏水将乳酸压出至pH3.0，回收淡乳酸。3)．碳柱、331阴离子交换树脂、732阳离子交换树脂经多次反复使用后，会吸附部分有机物和有害离子，使交换当量明显下降，应及时进行活化，再生后方可使用。（4）膜（纳米）过滤将去离子的乳酸液，再经过膜（纳米）过滤装置，除去大分子量的蛋白、胶体等，使乳酸质量由５～３号色提高到１号色。（5）二次浓缩将经过离子交换处理过的乳酸溶液吸入二次浓缩罐中，控制温度70℃以下蒸发浓缩。不断添加新料，并视料液的颜色情况添加少量活性炭，浓缩至乳酸含量82%～85%时，趁热放料，通过板框过滤，获得纯净的乳酸成品。二次浓缩获得的乳酸液达到乳酸含量82%～85%；Fe离子≤5.mg/L；Cl离子≤10mg/L；色度3～5号色。3.5乳酸的质量标准及新工艺新技术

3.5.1乳酸的质量标准中华人民共和国国家标准GB2023--2003规定作为食品添加剂的乳酸质量应符合以下要求:1．性状:油状液体。2．气味：无刺激，无异味。3．理化指标3.5.2新工艺新技术在乳酸发酵生产中的应用近年来，美国、日本、西欧及我国等许多国家竞相研究发酵法生产L－乳酸，不断开发出新菌种、新工艺、新技术和新设备。其科技进步主要有：

1.菌种方面2.工艺方面

3.设备方面1.菌种方面：国内外纷纷开展米根霉L－乳酸发酵的研究，主攻方向是选育产L-乳酸纯度为95％以上的高产菌种，进一步提高转化率，缩短发酵周期，由50小时缩短到34小时。积极开发嗜热芽孢杆菌、鼠李糖乳杆菌等乳酸细菌的L－乳酸发酵研究，其优点是发酵温度高，无需提供无菌空气和机械搅拌。江苏省微生物研究所曹本昌等筛选获得一株干酪乳杆菌鼠李糖亚种（L·caseiSubsprhamnosus）此菌在50℃厌气发酵，产酸率达90g/L。梁大芳等筛选分离获得鼠李乳杆菌IFFI—422，此菌在40℃下发酵48小时，产L-乳酸达88g/L，转化率和产酸率分别为95.6%和1.83g/L。西欧、比利时采用基因工程技术，构建工程细菌可产L-乳酸180g/L。2.工艺方面

（1）原料上采用廉价的来源广泛的玉米粉，生产原料的予处理过程中，吸收柠檬酸行业的经验，采用罐外喷射液化技术，能耗和原料消耗明显降低，发酵设备利用率不断提高。（2）2006年天津科技大学与河南金丹乳酸厂共同开发了玉米去渣清液发酵新工艺，经过多年的生产应用和完善，现已在全行业中推广普及。由粗料改为细料发酵，为高糖高酸发酵技术的应用奠定技术支撑。提高了发酵产酸和转化率。（3）采用固定化活细胞技术，提高产酸速率。将生长的乳酸细菌和根霉菌固定于海藻酸钠、卡拉胶、聚丙酰胺和聚氨酯泡沫颗粒中，进行L－乳酸发酵，产酸率显著提高。（4）在乳酸钙直接酸解(一步法)，乳酸提取中，采用等当量连续酸解新工艺，缩短酸解时间，减少酸解设备吨位和负荷，提高生产环境的卫生条件。硫酸钙的过滤由间歇板框过滤→移动盘式水平真空过滤机→连续胶带过滤机，过滤和节能效果显著。开发新的分离、精制乳酸技术，如吸交法或色谱分离技术、分子蒸馏等技术，不断提高我国L－乳酸的纯度和提取率。（5）在乳酸提取中，采用高浓度连续酸解冼滤技术以及水和淡酸循环回收技术，提高了提取收率，极大地降低水耗（6）在乳酸精制工艺中采用膜过滤技术和装置、分子蒸馏技术与设备和“吸交法”分离提纯技术，极大地提高了产品质量。3.设备方面（1）开展节能、低耗的反应器研究，例如在米根霉L－乳酸发酵中，开发无搅拌的气升式发酵罐替代目前的标准式发酵罐，以降低动力消耗。（2）乳酸发酵罐由50M3→100M3→200M3→300M3以上，辅之先进的搅拌和通风装置，节能效果显著，土建和人工大为减少。为了消除硫酸钙和CO2排放对大气污染、减少原料消耗，实现清洁生产，提高提取收率，降低生产成本。正开展原位分离发酵技术的研究，在乳酸发酵过程中，组合进电渗析、离子交换、膜分离等分离技术，减少产物乳酸对发酵的抑制作用。由于上述新技术、新工艺和新装备的应用，使我国乳酸生产的各项技术指标都有了很大改善，进一步提高与国行业的产品竞争力，致使我国乳酸产量和出口量的持续增长，而国外发达国家产量大幅度减。202004-22思考题1、乳酸精制工艺有哪些新的技术进展，请查阅文献进行评述。苏理,兰文忠,吉武科,等.发酵L-乳酸提取新工艺的研究[J].山东轻工业学院学报：自然科学版,2001(4):56-60.结晶法、酯化法、吸附法由于吸附材料对特定分子具有较好选择性吸附功能，因此吸附法也可用来从发酵液体系中分离乳酸。通常采用离子交换树脂将乳酸从体系中分离出来。提取工艺的核心部分——有机溶剂洗涤纯化L-乳酸钙晶体具有一定的创新性，它不同于以往的钙盐法,避免因L-乳酸钙在水中有较大溶解度而造成的产品损失,能大大提高L-乳酸的提取率,提取收率在76%以上。流程如下：李剑.原位分离乳酸发酵新工艺的研究[D].天津轻工业学院,2000.吸附法利用离子交换树脂进行原位分离乳酸发酵作为乳酸发酵的一种手段，无论在及时移走乳酸，还是提取精制乳酸，在乳酸工业中都有广泛的应用前景，与传统的乳酸发酵和提取相比较具有许多优点。利用离子交换树脂进行原位分离乳酸发酵工艺操作简单，仅只包括9个部分，与现有工艺相比减小了3个工艺部分，且自动化程度高。其中仅有1次脱色，活性炭和硫酸用量比较少。不生成CaSO4，消除环境污染。本工艺能及时移走乳酸，使发酵液中乳酸浓度很低，以避免乳酸对乳酸发酵的反馈抑制，缩短了发酵周期，且乳酸收率高。李卫星,邢卫红.发酵法乳酸精制技术研究进展[J].化工进展,2009(03):136-140.膜分离法普通电渗析法是利用选择性的离子交换膜在电场作用下使离子发展定向运动，从而达到离子的浓缩。已有学者结合了超滤和普通电渗析过程从乳酸发酵液提取出乳酸钠；有学者仅采用阳离子交换膜结合硫酸酸化的方法处理乳酸钠溶液，电渗析去除了反应生成的硫酸钠而得到乳酸，由于存在扩散产品中仍然存在部分钠离子，约5％左右。双极膜电渗析是新型的技术，与普通电渗析的区别在于双极膜层能使水发生解离，在发酵液有机酸盐的资源化处理方面有了初步应用，因此在从乳酸盐制