柠檬酸发酵原理

建国以来柠檬酸发酵工业回顾

一、 行业简介

1、 行业的历史

柠檬酸的研究和生产已有300年的历史。早在1784年，瑞典化学家Scheel首次从柠檬汁中提出柠檬酸并结晶出固体柠檬酸。1838年，由Liebig鉴定出它是一种含有一个羟基的三元酸。随后，在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。到1913年,Zahorski首先利用黑曲霉生产柠檬酸。1916年，美国农业部华盛顿化学局微生物研究室主任Thom和同事Currie对黑曲属的许多菌株进行过普查，发现很多菌种能产柠檬酸。1919年，比利时一家工厂成功地进行了浅盘发酵法生产柠檬酸。1923年，美国Pfizer公司开始采用黑曲霉浅盘发酵法工业化生产柠檬酸。1938年，Perquin在荷兰发表论文，他将黑曲霉培养于低pH的含硫酸锌、氯化钾和氯化铵的糖溶液中获得了一些柠檬酸，对深层培养法的pH控制，提出了有力的证据。1944年，Szucs应用纯蔗糖，在9d内发酵柠檬酸，可得到92%的产率，但因时间太长，未能投产。1952年，Buelow和Johnson等用150g/L蔗糖培养液通入无菌空气，通气量增加，柠檬酸发酵时间可缩短，这对柠檬酸发酵条件控制，有了进一步地认识。1952年，美国Miles公司，首先成功地采用深层发酵法工业化规模生产柠檬酸。

解放前我国柠檬酸工业是个空白. 20世纪60 年代, 天津工业微生物研究所、上海工业微生物研究所首次采用木薯为原料发酵生产柠檬酸, 并筛选培育出优秀的耐高糖、耐高柠檬酸并具抗金属离子的黑曲霉高产柠檬酸菌株, 成功实现了产业化。1968年我国第一家以淀粉为原料深层发酵柠檬酸成功投产的厂是上海酵母厂。为我国有机酸产业的形成与发展奠定了基础。而后, 两个研究所又不断推出适合不同原料的高产菌株和新配方, 使浓醪高发酵指数的深层发酵工艺不断完善, 全行业通过积极引进和消化国内外先进技术和装配, 不断进行自主创新, 形成了具有中国特色的浓醪高发酵指数的深层发酵新工艺, 使得中国很快在20世纪末变成柠檬酸生产大国。我国柠檬酸生产企业众多, 厂家遍布全国各地, 90年代初, 柠檬酸企业的数量达到了最多, 有120多家, 厂家规模、生产能力、产品质量等参差不齐。经过数年市场调整, 从2003年开始, 企业的产能不断向大规模集中, 企业数量到目前锐减了80% 以上, 经过多年的竞争与发展, 优胜劣汰, 柠檬酸企业数量逐年减少,而规模迅速扩大。

江苏××××生物化工有限公司

年产六万吨柠檬酸生产线初步设计

发酵车间工艺计算书

第 1 页 共 12 页 1 一、计算依据

江苏××××公司新建柠檬酸生产线采用发酵法生产柠檬酸，规划年产柠檬酸六万吨。全年按300天计算,发酵周期72小时,按照三天一罐计算。主要生产原料为木薯和玉米，初步规划为1000m3发酵罐6台，100 m3种子罐3台，设计生产技术指标为产酸13.5%，提取总收率90%，粮耗1.8T/T成品。

二、原料粉碎工段

1. 总原料需求：6×104t产量×1.8=1.08×105t

每年生产日：300day

成品每天产量：60000÷300=200t

每天投料量：108000÷300=360t

2. 原料中品种配比：木薯：玉米=80:20

每日投木薯量：360×0.80=288t

每日投玉米量：360×0.20=72t

3. 粉碎工艺要求，按工厂劳动生产力组合和电力负荷粉碎

木薯每天粉碎时间为8h，玉米每天粉碎时间为6h

木薯粉碎量：288÷8=36t

玉米粉碎量：72÷6=12t

采用锤片式粉碎机2台：木薯、玉米各一台

初步选型：木薯粉碎机

玉米粉碎机

粉碎后要求：粉料80%以上过40目筛。

4. 粉料仓储量

木薯粉容重0.5，玉米粉容重0.6，粉仓要求储存24h容量

粉碎后木薯粉储仓设计为200 m3二台

每仓可以储存木薯粉100t，共储存木薯粉200t

粉碎后玉米粉储仓设计为160 m3

可以储存玉米粉96t

能满足24h生产原料储存。 第 2 页 共 12 页 2 发酵车间物料衡算表

物料名称 每天需要量(吨) 全年需要量(万吨)

木薯 288 8.64

玉米 72 2.16

三、调浆工段

1、发酵罐单罐容积1000 m3

发酵定容0.9×1000=900 m3

发酵液原料浓度：20%，每罐批用料量180t

调浆浓度35%，连续调浆

调浆总量为：500m3左右

综合实验：柠檬酸发酵及产物提取

（一） 柠檬酸发酵

一、实验原理

柠檬酸发酵为典型的有机酸发酵，淀粉质原料经淀粉酶作用水解为葡萄糖，葡萄糖经EMP途径氧化为丙酮酸，丙酮酸进一步被氧化脱羟生成乙酰CoA，就一般能量代谢过程而言，生成的乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸后进入三羟酸循环，通过三羟酸循环进行有氧呼吸的能量代谢。但就柠檬酸产生菌而言，由于其乌头酸流水作业事酶和异柠檬酸脱氢酶活性很低，而柠檬酸合成酶的活性很高，因而大量积累柠檬酸，草酰乙酸的提供则仍通过丙酮酸羧化而成，柠檬酸的生成途径如下式：

2 C6H12O6 + 3 O2→2 C6H8O7 + 4 H2O

国内目前柠檬酸发酵所采用的原料主要是山芋干及废糖蜜。

二、实验器材

（一）材料

1．菌种：黑曲霉 2．蔗糖、硫酸铵等

（二）主要仪器设备

1．旋转式摇床、超净工作台、15L发酵罐等

三、操作步骤

1．种子培养基制备：

马铃薯培养基配方:(1000ml)

马铃薯（去皮） 200g

葡萄糖（或蔗糖）20g

琼脂 15~25g

水1000ml

自然pH

2．种子液培养：将已灭菌的种子培养基接入一环斜面孢子于35℃±1℃、250r.p.m条件下培养24~36h。

3．种子培养液质量要求：镜检菌丝生长健壮，结成菊花形小球，球直径不超过100μm，每毫升含菌球数在1~2万之间，无异味、无杂菌污染；pH2~2.5；酸度1.5~2.0%。

4．发酵培养基制备：蔗糖15%，硫酸铵0.4%，磷酸二氢钾0.1%，硫酸镁7水 0.025%。

5. 上罐灭菌（操作同实验一）

5．发酵：将培养好的种子液按发酵培养液体积的5%接入到已灭菌的发酵培养基中，于35℃±1℃、500转条件下发酵4天。

6.分别在0,24,48,72,96小时测定一下参数。

四、实验结果

1．对种子液进行镜检，画下菌丝形态，并测定菌球直径及粗略估算每ml种子液中的菌球数。

2．测定成熟发酵液的酸度，并就发酵结束后的菌体形态作出描述。

柠檬酸发酵废菌体的资源化利用

摘要：柠檬酸发酵废菌体是柠檬酸发酵工业中主要的有机固体废弃物，含有蛋白质、纤维素、脂肪、微量元素、酶等有机成分，是一种营养丰富、价格低廉且资源丰富的原料。文章对柠檬酸发酵废菌体的资源化利用工艺及进展进行综述。

前言

我国是全球最大的柠檬酸生产国，年产能占世界的68%左右，年产量占世界的80%左右。2013年我国柠檬酸（盐）产能为170万吨，全年柠檬酸总产量约为121万吨[1]。黑曲霉菌体是柠檬酸生产的主要副产物，1m3成熟发酵醪可得到湿菌体(含水70%):表面法为160～200 kg，深层法为100～120 kg，浓醪发酵时生物量更多[2-3]，菌渣中保留多种营养物质，包括蛋白质、纤维素、脂肪、微量元素及多种细胞内酶等有机成分[4]，分析其中成分为：粗蛋白8%-10%，粗脂肪14%--16%，粗纤维(纤维素、甲壳素、葡聚糖等)21%--23%，无氮浸出物37.23%>灰分8%-10%[5]如果直接排放，不仅浪费资源，而且将严重污染环境，若对其加以妥善处理和综合利用，就能变废为宝，在保护环境和提高经济效益方面有着显著的意义[6]。柠檬酸发酵废菌体可作如下几个方面的利用。

1 提取壳聚糖

壳聚糖， 又被称为脱乙酰甲壳素，是一种天然高分子氨基葡萄糖聚合物，。由于其具有无毒、可被生物降解、良好的生物相容性和成膜性等特性，已在医药、农业、环保、纺织、印染、造纸、催化、食品、日用化妆品等领域广泛应用 [7-9].

目前壳聚糖主要从虾、蟹壳中得到，原料质量不稳定，收集困难，容易腐烂，生产受季节影响大，使壳聚糖的生产受到了限制。而从菌体细胞壁中提取壳聚糖则不受资源量的限制，可大规模生产[10]。柠檬酸生产的废菌体中，甲壳素含量为菌丝体干重的20%～22%。如能将其充分利用，不仅可以有效解决环境污染难题，也可以提供大量吸附性能好、纯度高的壳聚糖[11]。

在国内，利用柠檬酸工厂废菌体提取壳聚糖研究大多采用酸碱法l12-14]。首先用酸碱交替处理菌体，使细胞壁破裂并去除蛋白质得到甲壳素，然后脱去甲壳素上的乙酰基，最终获得甲壳素。工艺流程图如图1所示。