第三章檸檬酸生產(chǎn)原料及生產(chǎn)方法

第三章檸檬酸發(fā)酵原料及生產(chǎn)方法第一節(jié)檸檬酸發(fā)酵原料從廣義上講，凡是能通過微生物代謝而產(chǎn)生檸檬酸的物質(zhì)，都可以作為發(fā)酵檸檬酸的原料。檸檬酸發(fā)酵的原料有糖類、正烷烴、水果或糧食加工的下腳料等。.

類別

原料名稱1.糖類

薯類谷類淀粉砂糖淀粉糖2.正烷烴

液體石蠟3.其他

果實下腳料

糧食加工下腳料甘薯木薯馬鈴薯甘薯干木薯干馬鈴薯干薯渣玉米小麥或小麥面粉大米各種谷類薯類加工成的淀粉白砂糖赤砂糖糖蜜由淀粉水解而得到的各種單糖雙糖糊精葡萄糖母液10-20碳鏈的餾出物葡萄、菠蘿、柑橘、蘋果等果實加工的殘渣各種糧食加工的下腳料原料選擇的要求1、因地制宜，就近取材，價格低廉。2、原料中可利用成分高，未遭污染，抑制生長和產(chǎn)酸的物質(zhì)要少或能夠去除，能滿足工藝上的要求。3、原料資源豐富，便于采購運輸，適宜于大規(guī)模儲藏，能保證供應生產(chǎn)。

目前工業(yè)上使用的原料主要有糖質(zhì)原料、淀粉質(zhì)原料和烷烴類原料。一、糖質(zhì)原料（一）糖蜜1概念工業(yè)制糖過程中，糖結(jié)晶析出后，剩余的不能結(jié)晶，但仍含有較多糖分的母液。按制糖原料不同分類，主要有甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜。

糖蜜是制糖工業(yè)的副產(chǎn)品，其中含有大量可發(fā)酵糖。制糖工業(yè)的快速發(fā)展，為檸檬酸的發(fā)酵工業(yè)提供了大量廉價原料。A、甘蔗糖蜜

甘蔗糖蜜是甘蔗制糖工業(yè)的副產(chǎn)品，在我國南方產(chǎn)量很高。它的成分與甜菜糖蜜差別很大，主要有以下特點：（1）蔗糖少，轉(zhuǎn)化糖含量高；（2）總氮低，不含甜菜堿和谷氨酸；（3）膠體多，色度高；（4）綿子糖少，有機非糖分一般較高；（5）緩沖度低，呈微酸性；（6）灰分中Fe、Mn含量較高，Cu、Zn含量較低。B、甜菜糖蜜

甜菜糖蜜呈微堿性，外觀稠厚、黑褐色、帶特殊氣味，這種氣味是三甲胺和甲硫醚引起的。

甜菜糖蜜成分非常復雜，而且變化很大。它與甜菜的生長環(huán)境、栽培和收獲方法、保藏條件和時間、制糖工藝等因素有關(guān)。

甜菜糖蜜平均含干物質(zhì)80%，水分20%；含的轉(zhuǎn)化糖較少。其所含有機非糖分包括含氮物質(zhì)、有機酸、糖的分解產(chǎn)物、芳香族化合物等。含氮物質(zhì)約占糖蜜重量的0.6%～0.8%。主要是甜菜堿，可達總氮含量的60%以上，其余為氨基酸、蛋白質(zhì)和硝酸鹽等。2、糖蜜的采購和運輸、貯藏糖蜜質(zhì)量對檸檬酸發(fā)酵影響很大，因此糖蜜的采購、驗收和貯藏非常重要。要求糖蜜的采購要新鮮，不受污染和變質(zhì)。對糖蜜的質(zhì)量要求符合理化指標和感官指標外，應做發(fā)酵試驗，不影響檸檬酸發(fā)酵產(chǎn)酸。糖蜜的感官要求：液體濃稠均勻，色棕黃至褐色，無夾雜物、無異味和發(fā)酵現(xiàn)象。糖蜜在貯藏的過程中會發(fā)生分解變質(zhì)，主要現(xiàn)象有：產(chǎn)生大量泡沫，可能溢出罐外；溫度劇升；產(chǎn)生異味、顏色異變。糖蜜由于滲透壓很高，一般微生物不能生長，但總是帶菌的（一般多為芽孢桿菌）。3、糖蜜的預處理

糖蜜不經(jīng)處理而直接稀釋后發(fā)酵時，檸檬酸產(chǎn)率往往很低。因為糖蜜中所含的金屬離子和營養(yǎng)物質(zhì)能促進菌體過度生長，阻礙產(chǎn)酸。所以糖蜜在發(fā)酵以前要進行預處理，以降低糖蜜中的N、P、Fe及其他有害雜質(zhì)含量。而且有利于簡化提取步驟，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。糖蜜預處理的方法有很多，最常用的方法是添加黃血鹽（亞鐵氰化鉀，K4（CN）6Fe）或者經(jīng)硫酸或磷酸處理，也可添加活性炭、EDTA、單寧、石灰以及通過離子交換樹脂等，還可采用幾種方法交替處理。A、糖蜜的稀釋糖蜜在處理前要先加水稀釋，加水量一般為1：1，否則粘度太高不利于后續(xù)操作。糖蜜稀釋后的體積并不是原蜜加水的體積之和，而是有所縮小。這種縮小的比例根據(jù)原蜜來源而異，一般為6.5%～8.2%。

為了節(jié)約用水，糖蜜稀釋可以采用生產(chǎn)中各種廢水回用，例如鈣鹽洗滌水、儲罐洗滌水、晶體洗滌水等。

B、調(diào)節(jié)pH值

糖蜜本身有酸性的，也有堿性的，在黃血鹽或其他方法處理前要根據(jù)不同的情況加以調(diào)節(jié)。為了得到較高和穩(wěn)定的發(fā)酵產(chǎn)酸率，調(diào)酸度時還要考慮溫度和加熱時間的影響。對于酸性原料，pH應該調(diào)得比堿性原料要高些，因為它具有延時緩沖性，它配制的培養(yǎng)基在滅菌后會酸化，稱為返酸，而堿性原料的性質(zhì)正好相反。pH調(diào)節(jié)一般用H2SO4

或Na2CO3，參考調(diào)節(jié)范圍在pH值6～7.2。C、黃血鹽法

添加黃血鹽可采用一次加入或多次加入，用量依糖蜜中金屬離子和總氮而定，參考用量為0.06%～0.3%。

最常用的方法是在滅菌后接種前先加入少量黃血鹽，以后根據(jù)菌體的生長和產(chǎn)酸情況再分次加入。主要是利用了黃血鹽的螯合作用。

一般認為Fe2+是黑曲霉TCA循環(huán)中烏頭酸酶的激活劑，而后者不利于檸檬酸的積累，添加黃血鹽可以去除Fe2+，從而促進檸檬酸的積累。而且黃血鹽還能與Mn2+、Zn2+、Cu2+等離子形成沉淀，而把這些離子除去，簡化提取步驟，提高檸檬酸純度。D、離子交換法

糖蜜加水稀釋后，通過氫型陽離子交換樹脂柱，以吸附陽離子。也有再經(jīng)陰離子交換樹脂吸附PO43-等陰離子，但一般不必要。經(jīng)陰離子吸附后，糖蜜的pH下降至3.0左右，可用氨水調(diào)節(jié)至pH4.5～5.0。（二）蔗糖蔗糖根據(jù)原料不同分為甘蔗糖和甜菜糖。粗蔗糖（原糖）含蔗糖約95%～97%，還含有少量灰分和蛋白質(zhì)、色素等雜質(zhì)，特別是土法生產(chǎn)的紅糖粉含雜質(zhì)很多，一般需要處理才能利用。我國一般不生產(chǎn)粗蔗糖，只有土法生產(chǎn)的紅糖粉，粗蔗糖一般是進口。（三）葡萄糖母液葡萄糖母液是提煉葡萄糖結(jié)晶后的不能結(jié)晶的糖液。由于淀粉糖化制葡萄糖的方法不同而分為酸糖化母液和酶糖化母液。以后者質(zhì)量好，前者含雜較高。作為檸檬酸發(fā)酵原料，葡萄糖和蔗糖之間無根本區(qū)別，不同點是雜質(zhì)影響，特別是灰分中的金屬離子含量。蔗糖中含鋅離子高，而葡萄糖中含鐵、錳、銅離子高。這四種離子對檸檬酸發(fā)酵的影響很大，尤其是錳離子的負作用。（四）飴糖飴糖是淀粉質(zhì)原料蒸煮糊化后加麥芽粉或麩曲糖化，過濾濃縮后所制成的黃色粘性糖液。飴糖是一種水解不完全的淀粉水解糖，它主要含有麥芽糖和小分子糊精等。從檸檬酸生產(chǎn)的角度看，以葡萄糖、蔗糖、糊精為最好的原料，從工業(yè)成本考慮，多采用廉價原料，如糖蜜等。二、淀粉質(zhì)原料及其處理（一）淀粉原料的成分

主要包括甘薯、木薯、馬鈴薯、玉米等。含有淀粉的量都非常高，而且來源豐富，便于大規(guī)模儲藏，能夠滿足檸檬酸發(fā)酵工藝的要求。

1甘薯類

甘薯又名甜薯、紅薯、白薯或番薯。在華東一帶又稱為山芋，華北稱為地瓜，四川、湖北稱為紅薯。它在我國分布很廣，產(chǎn)量尤其以安徽、四川、山東、河南、河北地區(qū)為多。甘薯種類也很多，根據(jù)塊根表皮顏色不同而有紅皮、白皮、黃皮、紫皮等；按肉色不同分為紅心、黃心、紫心、灰心等；甘薯是高產(chǎn)作物，鮮甘薯含有大量水分和糖分，營養(yǎng)充足，極易受微生物污染而腐爛，尤其在表皮受傷之后更是如此，因此鮮甘薯極難儲存。檸檬酸生產(chǎn)原料常用薯干或薯干粉。

甘薯的灰分中，K2O約為3%，P2O5約9%，CaO約13%，MgO約4%，其他71%。含氮物質(zhì)中，蛋白質(zhì)約2/3，酰胺約1/3，另外還有核酸堿基、甜菜堿、膽堿等。

薯干是鮮甘薯切片曬干后成的，其外觀指標：一級薯干：片大，整齊，均勻，內(nèi)外都潔白。二級薯干：片大，較均勻，外部潔白，內(nèi)有褐筋。三級薯干：片大，不整齊，有霉壞，黃黑色。

等級規(guī)格一級二級三級四級淀粉含量﹥68﹥67﹥66﹥65

水分﹤12﹤12﹤13﹤13項目名稱甘薯干的理化指標（%）甘薯是檸檬酸生產(chǎn)的最好淀粉原料2、木薯類

木薯亦稱樹薯，是亞熱帶高產(chǎn)經(jīng)濟作物，適應力強，容易載培。木薯起源于熱帶美洲，廣泛栽培于熱帶和部分亞熱帶地區(qū)，中國于19世紀20年代引種栽培，現(xiàn)已廣泛分布于華南地區(qū)，廣東和廣西的栽培面積最大，福建和臺灣次之，云南、貴州、四川、湖南、江西等省亦有少量栽培。木薯品種較多，一般可分為兩類：（1）苦味木薯：又稱有毒木薯，莖桿為紅色或淡紅色，產(chǎn)量高，生長期長，約一年半。含有氰的配糖體（腈苷），經(jīng)酶水解后放出氫氰酸（HCN），對人體有毒，但經(jīng)曬干后大部分消失，在后工序蒸煮液化過程中已基本除掉，并不影響發(fā)酵和產(chǎn)品質(zhì)量；（2）甜味木薯：又稱無毒木薯，莖桿為綠色或棕色，生長期短，約一年，產(chǎn)量比較低。

木薯塊根的主要成分是碳水化合物，蛋白質(zhì)和脂肪等含量都很少。鮮木薯塊根含有27~33%左右的白色淀粉，4%左右蔗糖。木薯淀粉顆粒直徑4~24微米。3馬鈴薯

馬鈴薯又稱洋山芋、土豆、山藥蛋。我國馬鈴薯栽培地區(qū)也很廣泛，主要以東北、內(nèi)蒙古和西北地區(qū)的產(chǎn)量為大。

與甘薯相比，馬鈴薯的儲存較為容易。因此，除了用馬鈴薯粉和薯干外，鮮馬鈴薯也是常用原料。

馬鈴薯的含氮量很高，是天然的良好培養(yǎng)基，對于檸檬酸發(fā)酵來說，營養(yǎng)是過剩的。另外，馬鈴薯灰分中，主要是K2O，占60%，其次是P2O5，占17%。馬鈴薯的化學成分（%）

名稱水分粗蛋白

碳水化合物粗脂肪粗纖維粗灰分華北馬鈴薯華東馬鈴薯馬鈴薯干73.381.312.017.615.8374.65.61.87.40.100.020.402.30.70.758.94玉米

玉米又名玉蜀黍、苞米、珍珠米、苞谷等。它的子粒組織情況，依品種不同而異，每粒玉米包括果皮、種皮、糊膠粒皮、內(nèi)胚乳、胚體或胚芽、實尖等六個基本部分。玉米主要應用于食用、飼用、工業(yè)加工方面。

玉米的特點是：脂肪含量高，但脂肪主要集中在玉米胚芽中。在玉米加工成玉米粉時，把各部分分開，胚芽用于榨油，制成的玉米油富含維生素A、D、E，兒童易消化吸收，還對心腦血管患者起保健作用，其中含有亞油酸，不但有強身健體作用，而且有很好的美艷皮膚的作用，是皮膚滋潤、充盈不可缺少的營養(yǎng)物質(zhì)。整粒玉米的化學成分（%）（干物質(zhì)）

化學成分蛋白質(zhì)糖淀粉脂肪纖維素灰分范圍平均值6.5~13.29.661.6~73.4721.05~2.821.583.6~6.54.91.921.04~2.071.561.5~2.51（二）淀粉質(zhì)原料預處理1薯干的粉碎

薯干為片狀或條狀，必須先進行粉碎，粉碎在工廠中稱為磨粉。

常用的粉碎設(shè)備為錘式粉碎機。錘式粉碎機構(gòu)造簡單，占地面積小，生產(chǎn)能力大，操作彈性大。但它的錘刀易磨損，篩網(wǎng)易于打壞，特別是遇到較硬物料和石塊等雜質(zhì)時，需要經(jīng)常更換篩網(wǎng)，它運轉(zhuǎn)時的噪音也很大。

薯干的粉碎度大小要視后續(xù)采用的處理工藝而定。對于液化法處理，粉碎度要求較細，一般粒度在。0.4mm左右，即選用40目篩網(wǎng)；而糖化法要求粒度在0.8mm左右，即選用20目篩網(wǎng)。2淀粉質(zhì)原料的糖化

黑曲霉雖具有糖化能力，但檸檬酸發(fā)酵菌種的糖化或液化能力不強。為了縮短發(fā)酵時間等目的，淀粉原料總是要經(jīng)過糖化或液化處理。具體哪一種方法適宜也與原料的種類有關(guān)。玉米淀粉適于用糖化法，而薯類淀粉適于用液化法。

糖化法根據(jù)催化劑的不同可分為酸法糖化和酶法糖化。酸法糖化的催化劑可以用硫酸、鹽酸和草酸等。草酸能阻止淀粉過度分解，糖化率達80%～86%，檸檬酸的產(chǎn)率亦可達56%～59%，但草酸價格昂貴，工業(yè)生產(chǎn)中常用硫酸作糖化催化劑。3淀粉質(zhì)原料的液化

液化由外加液化酶完成，而后續(xù)的糖化是由發(fā)酵菌種（黑曲霉）自身完成的。

淀粉液化是由α-淀粉酶催化完成的。這種酶能水解淀粉分子內(nèi)部的α-1，4糖苷鍵，生成短鏈糊精和低聚糖。使得反應體系的粘度下降，流動性增強，因而成為液化。

液化操作的好壞將直接影響到后續(xù)黑曲霉的糖化作用、發(fā)酵的殘?zhí)呛彤a(chǎn)酸等工藝指標，因此必須嚴格把關(guān)。三、石油原料

供給發(fā)酵原料的石油成分主要是碳10~20的正烷烴。一般是采用煉油廠中經(jīng)過處理的合格原料，而不是由檸檬酸廠處理，因為石油原料的處理是很麻煩的。

液體石蠟液體石蠟

又稱白礦油，是從原油中分餾得到的含有10～20個碳原子的烷烴混合物。它可以分成輕質(zhì)礦物油和一般礦物油兩種，而輕質(zhì)礦物油的比重及黏稠度較低。按純度可分為粗制石蠟油和精制石蠟油。性質(zhì)：無色透明的油狀液體，無臭，不溶于水及乙醇，能溶于乙醚和氯仿，化學性質(zhì)穩(wěn)定。應用（1）液體石蠟因?qū)ζつw和毛發(fā)潤濕效果較好，可被用作化妝品、軟膏等的油性原料；（2）液體石蠟能抑制多數(shù)微生物的代謝、推遲細胞衰老、隔絕氧氣交流、防止培養(yǎng)基水分蒸發(fā)，因此被用于菌種的保藏，即液體石蠟保藏法。（3）液體石蠟可用于醫(yī)藥方面，如瀉藥、軟膏劑、擦劑、灌腸等。還可用于食品工業(yè)，如制作面包時的潤滑劑，其用量限制在0.3%一下。

第二節(jié)檸檬酸發(fā)酵和提取方法一、發(fā)酵

檸檬酸發(fā)酵是利用微生物在一定條件下的生命代謝活動而獲得產(chǎn)品的，不論采用何種微生物，檸檬酸發(fā)酵都是典型的好氧發(fā)酵。(一)發(fā)酵方法當前的檸檬酸發(fā)酵方法，如下圖所示：發(fā)酵方法深層液體淺盤液體固體半固體生化反應器間歇連續(xù)半連續(xù)盤式、簾式

厚層、通風多罐串聯(lián)單罐膜分離(二)發(fā)酵方法簡述微生物發(fā)酵檸檬酸是典型的好氧發(fā)酵;深層發(fā)酵是利用強制通入液相中的溶解氧發(fā)酵;表面和固體法是利用環(huán)境空氣中氣相氧來滿足微生物代謝所需的氧.三種方法各有優(yōu)缺點，其中深層發(fā)酵是最為先進的發(fā)酵方法，現(xiàn)已成為檸檬酸生產(chǎn)的主要方法。

1、深層液體發(fā)酵

深層液體發(fā)酵是將培養(yǎng)基放入具有攪拌器的發(fā)酵罐中，接種、通氣進行的發(fā)酵。根據(jù)操作方式的不同，液體深層發(fā)酵主要分為間歇發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵和半連續(xù)發(fā)酵三種類型。特點：（a）微生物菌體均勻分散在液相中，使菌體、營養(yǎng)成分和氧氣能均勻地混合；

（b）

在發(fā)酵時不產(chǎn)孢子，全部菌體細胞均參與合成檸檬酸的代謝。黑曲霉菌體不是單細胞，其繁殖不以幾何數(shù)增加，所以沒有對數(shù)生長期。干重的立方根與時間呈直線關(guān)系。

（1）間歇發(fā)酵

又稱分批發(fā)酵，是將全部物料一次投入到反應器中，經(jīng)滅菌、接種，經(jīng)過若干時間后再將發(fā)酵液一次放出的操作過程。黑曲霉發(fā)酵過程分為延遲期、迅速生長期和衰亡期。

特點：（1）在整個培養(yǎng)過程中，除氧氣的供給、發(fā)酵尾氣的排出、消泡劑的添加和控制pH加入的酸或堿外，整個培養(yǎng)系統(tǒng)與外界沒有其他物質(zhì)的交換。（2）微生物生長、各種基質(zhì)消耗和代謝產(chǎn)物合成都處于瞬變之中，整個發(fā)酵過程處于不穩(wěn)定狀態(tài)。優(yōu)點：（1）周期短，培養(yǎng)基一次滅菌，一次投料，容易實現(xiàn)無菌狀態(tài)，不會發(fā)生菌種退化現(xiàn)象；（2）操作簡單，易于操作控制，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定；（3）對營養(yǎng)物的利用率較高，產(chǎn)物的濃度比連續(xù)發(fā)酵的高。缺點：非生產(chǎn)時間長，設(shè)備利用率低；勞動強度大。（2）連續(xù)發(fā)酵

理論基礎(chǔ)：在分批發(fā)酵中，隨著微生物的活躍生長，營養(yǎng)物質(zhì)不斷耗損，有害的代謝產(chǎn)物不斷積累，對數(shù)生長期不可能長期維持。因此，若將營養(yǎng)物濃度和培養(yǎng)條件維持在對數(shù)生長期不變，則對數(shù)生長期可以無限延長。這樣連續(xù)發(fā)酵可以保證細胞高速增長或產(chǎn)物高速形成。定義：是將種子液接入發(fā)酵反應器中攪拌培養(yǎng)至一定菌體濃度后，通過連續(xù)流加新鮮培養(yǎng)基并以同樣的流量連續(xù)地排放出發(fā)酵液，使得微生物細胞群體保持穩(wěn)定的生長環(huán)境和生長狀態(tài)的發(fā)酵方式。特點：連續(xù)發(fā)酵可使發(fā)酵反應器中的細胞總數(shù)和總體積保持不變，發(fā)酵體系處于平衡狀態(tài)，發(fā)酵中的各個變量都能達到恒定值。這種平衡狀態(tài)可以有效的延長生長曲線的對數(shù)期。在恒定的狀態(tài)下，微生物所處的環(huán)境條件如營養(yǎng)濃度、產(chǎn)物濃度、pH、微生物細胞的濃度以及生長速率等可以始終維持不變，甚至可以根據(jù)需要來調(diào)節(jié)生長速度，穩(wěn)定而高速地培養(yǎng)培養(yǎng)微生物，獲得大量的代謝產(chǎn)物。

連續(xù)培養(yǎng)控制方式要有恒濁器法和恒化器法兩種。恒濁器是根據(jù)培養(yǎng)液細胞密度調(diào)節(jié)培養(yǎng)液流入的速率，使裝置內(nèi)細胞密度保持恒定。恒化器是通過控制某種限制性營養(yǎng)物質(zhì)（生長限制因子）的濃度調(diào)節(jié)微生物的生長及其細胞密度，裝置內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)濃度恒定。

恒濁器和恒化器的比較裝置控制對象生長限制因子培養(yǎng)液流速生長速度產(chǎn)物應用范圍恒濁器菌體密度無不恒定最高生長速度大量菌體或菌體生長相平行的代謝產(chǎn)物生產(chǎn)為主恒化器培養(yǎng)液流速有恒定低于最高不同生長速度的菌體實驗室為主多罐串聯(lián)連續(xù)發(fā)酵在檸檬酸的生產(chǎn)中，連續(xù)發(fā)酵又可分為多罐串聯(lián)發(fā)酵和單罐膜分離發(fā)酵。（1）多罐串聯(lián)發(fā)酵

是包含兩個以上的發(fā)酵罐串列同時運行的發(fā)酵系統(tǒng)。第一個發(fā)酵罐是緊接在一個不連續(xù)發(fā)酵罐之后開始的。不連續(xù)發(fā)酵罐的作用是能在理想的環(huán)境中讓微生物生長繁殖，等到微生物生長達到對數(shù)生長期時，將培養(yǎng)液連續(xù)地泵入到其他的發(fā)酵罐中實現(xiàn)連續(xù)發(fā)酵。特點：發(fā)酵產(chǎn)物與菌體生長不同步。

這類發(fā)酵器尚待解決的問題是養(yǎng)分滲透速度和膜微孔的堵塞問題。（2）單罐膜分離

發(fā)酵罐內(nèi)裝有透析膜，將發(fā)酵罐內(nèi)部劃分為發(fā)酵區(qū)和進出料區(qū)兩部分，培養(yǎng)基進入進料區(qū)，養(yǎng)分通過透析膜進入發(fā)酵區(qū)，發(fā)酵區(qū)保持有高濃度的微生物，將養(yǎng)分迅速發(fā)酵，產(chǎn)生檸檬酸進入料區(qū)排出器外。連續(xù)發(fā)酵優(yōu)點：（1）可保持菌體濃度的相對穩(wěn)定，使其恒定在檸檬酸的積累期，延長檸檬酸的生產(chǎn)時間，產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量也相應保持穩(wěn)定；（2）減少設(shè)備清洗、準備和滅菌等非生產(chǎn)占用時間，可提高設(shè)備利用率和單位時間產(chǎn)量；（3）發(fā)酵液中各種參數(shù)趨于恒值，便于操作和控制，能夠有效地實現(xiàn)機械化和自動化，降低勞動強度；（4）可在不同的發(fā)酵罐中控制不同條件，最合理地促進菌體生長和生成產(chǎn)物。（5）由于滅菌次數(shù)減少，使測量儀器探頭的壽命得以延長。缺點：（1）由于是開放系統(tǒng)，加上發(fā)酵時間長，易造成雜菌污染；（2）在周期較長的連續(xù)發(fā)酵過程中，菌種易發(fā)生變異和退化；（3）收率和產(chǎn)物濃度低，不利于提取，營養(yǎng)物質(zhì)利用率低，增加了成本。（4）對專業(yè)人員的知識、經(jīng)驗和責任性要求較高，以及發(fā)酵環(huán)境要整潔干凈；（5）對設(shè)備、儀器及控制元器件的技術(shù)要求較高；（3）半連續(xù)發(fā)酵

半連續(xù)發(fā)酵是指在補料分批培養(yǎng)的基礎(chǔ)上，間歇放掉部分發(fā)酵液（帶放）進入下游提取工段的發(fā)酵操作方式。優(yōu)點與分批培養(yǎng)相比：（1）它可以通過補料的方式來維持很低的基質(zhì)濃度，從而避免快速利用碳源的阻遏效應。（2）補入的新鮮培養(yǎng)液可以有效地控制菌體濃度和粘度，稀釋有害代謝產(chǎn)物的濃度，提高溶解氧水平，從而延長發(fā)酵周期，進而提高產(chǎn)物的發(fā)酵產(chǎn)量。與連續(xù)發(fā)酵相比：（1）降低了染菌的機會，避免了遺傳的不穩(wěn)定性（退化和變異）。（2）最終產(chǎn)物濃度較高，有利于產(chǎn)物的分離。缺點：（1）放掉發(fā)酵液的同時也丟失了未被利用的營養(yǎng)物質(zhì)和正處于生產(chǎn)旺盛期的菌體細胞，從而影響發(fā)酵轉(zhuǎn)化率，降低發(fā)酵效益；（2）定期補充和帶放使發(fā)酵液稀釋，送去提煉的發(fā)酵液體積更大，給下游加工增加壓力；被稀釋后可能產(chǎn)生更多的代謝有害物，最終限制發(fā)酵產(chǎn)物的合成；（3）間歇放掉的發(fā)酵液會使一些經(jīng)代謝產(chǎn)生的前體也隨之丟失，造成發(fā)酵產(chǎn)物產(chǎn)量的影響。2、淺盤液體發(fā)酵

淺盤液體發(fā)酵又稱表面發(fā)酵，是將培養(yǎng)液盛于淺盤中接入干孢子，利用生長在液體表面的微生物的代謝作用，將可發(fā)酵性原料轉(zhuǎn)化為檸檬酸的發(fā)酵方法。

這種工藝出現(xiàn)最早，至今檸檬酸生產(chǎn)中仍然沿用，但主要用于糖蜜原料的發(fā)酵。工藝流程：

斜面種子

干孢子

原料處理

滅菌

裝盤冷卻

接種

發(fā)酵

無菌空氣

發(fā)酵液優(yōu)點：（a）設(shè)備簡單，投資少，投產(chǎn)快。（b）操作技術(shù)簡單，能耗低。（c）原料粗放，對于糖蜜等粗原料也能適應，而且適應高濃度發(fā)酵，產(chǎn)酸濃度也高。缺點：占地面積大，勞動強度高，發(fā)酵時間長，菌體生成量多而影響產(chǎn)酸率。表面發(fā)酵法的檸檬酸產(chǎn)酸可達到8%～9%，但對糖的轉(zhuǎn)化率較低，一般僅50%～60%。主要設(shè)備：（a）發(fā)酵室

表面發(fā)酵必須對發(fā)酵的溫度、濕度及無菌程度加以控制，所以發(fā)酵室的技術(shù)要求較高。一般要求如下：（1）室溫維持在28～35℃，相對濕度在75%～80%，整個室內(nèi)溫濕度均勻。（2）房屋必須采用保溫建筑材料，以節(jié)約空調(diào)能耗和防止溫度波動，室內(nèi)表面光潔，易清掃，地面無積水，墻壁和天花板無霉菌。（3）具有空調(diào)和無菌空氣供給系統(tǒng)。

發(fā)酵室內(nèi)的盤架可由鐵質(zhì)材料制成，涂上防酸防銹漆，盤架之間走道為1.5m寬，離墻0.8m，盤層垂直間距不少于0.3m，底盤距地面不少于0.45m，頂層盤距天花板不少于0.35m，發(fā)酵室高度不少于4m。這樣發(fā)酵室內(nèi)可放置10層發(fā)酵盤，發(fā)酵室面積由生產(chǎn)量確定。

發(fā)酵室采用強制進風，自然排風，以保持室內(nèi)溫度恒定和正壓。（b）發(fā)酵盤

常用有鐵盤、鋁盤和塑料盤。鐵、鋁盤要涂上耐酸酚醛清漆。如果采用不銹鋼盤，其內(nèi)層也要涂上二乙烯乙炔清漆，以防鎳離子溶出影響發(fā)酵。為了防止天花板冷凝水滴入盤內(nèi)，每個發(fā)酵盤上最好加一個盤罩，盤罩表面傾斜以防積水，罩上有數(shù)個通氣孔，孔內(nèi)塞有泡沫塑料。發(fā)酵盤下面有一個管子供注入或吸收發(fā)酵液之用。（c）通風系統(tǒng)

用鼓風機給風，過濾器設(shè)在風機前，寒冷地區(qū)需增加加熱設(shè)備，經(jīng)粗慮加熱的空氣，再經(jīng)過一次除菌過濾，送入發(fā)酵室。發(fā)酵室設(shè)兩排通風管，一排通入發(fā)酵盤內(nèi)；另一排靠近地面直接通入發(fā)酵室。所供空氣具有一定溫度、濕度和無菌程度。3、固體發(fā)酵法固體發(fā)酵是將固體發(fā)酵原料與曲霉菌絲體混合，經(jīng)過微生物的代謝活動，將可利用的成分轉(zhuǎn)化為檸檬酸。檸檬酸固體發(fā)酵工藝是小規(guī)模的操作方式，是使用經(jīng)過蒸汽滅菌的麥麩或甘薯廢料做培養(yǎng)基，維持70%～80%的的濕含量，用黑曲霉孢子接種，然后鋪在淺盤上或干凈的地板上，深度約3～5cm，通氣培養(yǎng)。薯渣為原料的固體發(fā)酵工藝流程：

斜面菌種三角瓶菌種種曲薯渣粉碎蒸煮攤涼接種裝盤發(fā)酵

米糠出曲（提?。╊愋?/p>

固體發(fā)酵因設(shè)備與通風不同可分為薄層發(fā)酵和厚層發(fā)酵兩種類型。薄層發(fā)酵與表面發(fā)酵相類似，只是固體物料替代了液體培養(yǎng)基，培養(yǎng)基厚度在15～20cm，發(fā)酵用盤可以是竹匾曲盤、木質(zhì)曲盤等。若是鐵、鋁制的盤必須涂上涂料，盤底設(shè)有假底或多孔篩板，以利于通風；厚層發(fā)酵的培養(yǎng)基厚度約50～60cm，攤在假底上，假底可進行通風。固體發(fā)酵設(shè)備（1）薄層發(fā)酵設(shè)備薄層固體發(fā)酵在發(fā)酵室內(nèi)進行，發(fā)酵室也稱“曲房”，它的要求與表面發(fā)酵室類似，需要配置無菌空調(diào)設(shè)備。室內(nèi)放置發(fā)酵盤架，以8～10層為宜，盤架層垂直間距為15～20cm。

薄層發(fā)酵的容器可以采用發(fā)酵盤（曲盤、竹匾等）。曲盤的厚度在6～8cm，材料可以是木質(zhì)、鐵質(zhì)或鋁質(zhì)加涂料，或采用不銹鋼。盤底最好采用假底或多孔篩板，以利于通氣。薄層發(fā)酵的曲盤和簾子（2）厚層發(fā)酵設(shè)備

厚層醅與空氣的接觸面積小，所以需要在底部設(shè)置假底和空氣通道，以協(xié)助供氧，這種設(shè)備稱為發(fā)酵箱。這種發(fā)酵箱又稱厚層通風制曲箱，簡稱曲箱。曲箱由假底隔為上下兩層，上層深度為50～60cm，下層為20cm，箱寬約為1m，長度可以在很大范圍內(nèi)變化。厚層固體發(fā)酵裝置

箱式固體發(fā)酵設(shè)備是由淺盤法和竹簾法的生產(chǎn)實踐基礎(chǔ)上改進而來，將固體培養(yǎng)基經(jīng)過蒸煮滅菌伴入種曲后，平鋪入水泥制的具有多孔的假底的大池內(nèi)，，待微生物開始生長，曲溫逐漸升高時，即從池內(nèi)假底下面通入一定溫度和相對濕度的無菌空氣，室內(nèi)同時保持一定的溫度和相對濕度進行培養(yǎng)。

特點：設(shè)備生產(chǎn)能力大，保溫、保濕效果好，由于是全封閉式的，制曲時產(chǎn)生的熱量可以循環(huán)利用，節(jié)約能源，同時又保持回風中的相對濕度，發(fā)酵中途無需人工經(jīng)常翻曲，勞動強度相應減輕，是目前固體發(fā)酵法中較好的一種方法。（3）蒸料設(shè)備

蒸料的目的是使淀粉糊化，并有滅菌的作用。常用的設(shè)備是雙層簡易蒸鍋，也有機械化程度高的旋轉(zhuǎn)式蒸鍋。優(yōu)點：（1）設(shè)備簡單，投資少；（2）操作簡單，能耗低；（3）原料粗放，一般利用農(nóng)副產(chǎn)品加工的下腳料；（4）發(fā)酵周期短；缺點：

占地面積大，勞動強度相對較大，產(chǎn)酸率及提取得率低，副產(chǎn)物多。4半固體發(fā)酵固體發(fā)酵是指微生物在沒有或幾乎沒有游離水的固態(tài)的濕培養(yǎng)基上的發(fā)酵過程。這種發(fā)酵工藝的過程中，原料以不流動的固體形式存在，含水量在50%左右，而無游離水流出，此培養(yǎng)基通常是“手握成團，落地能散”，此發(fā)酵稱為半固體發(fā)酵。

半固體發(fā)酵的原料一般是果實加工的殘渣、殘汁、下腳料。5、生化反應器定義：生化反應器是指以活細胞或酶為生物催化劑進行細胞增殖或生化反應時為其提供適宜環(huán)境的設(shè)備。

分類（1）按操作方式可分為間歇操作、連續(xù)操作和半連續(xù)操作三種類型反應器。（2）按幾何構(gòu)型和結(jié)構(gòu)特征，反應器可分為罐式、管式、塔式、及膜式等幾種。

目前,大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)檸檬酸,以深層法最有競爭力和優(yōu)越性,表面法次之,固體發(fā)酵法仍有活力,其他工藝仍處于研究開發(fā)階段。(三)發(fā)酵方法所適用的原料

發(fā)酵方法

深層法淀粉及淀粉質(zhì)原料水解液、葡萄糖及其母液砂糖、糖蜜、正烷烴表面法同深層法但需去渣固體法薯類淀粉渣、含淀粉的粗原料、糧食加工下腳料半固體法果實加工殘渣、殘汁、下腳料

生化反應器葡萄糖溶液適用的原料二、提取

(一)提取方法成熟的檸檬酸發(fā)酵液中，除了含有主產(chǎn)物檸檬酸外，還含有黑曲霉菌絲體及其自溶物、原料殘渣（主要是纖維素）、未利用的還原糖、非發(fā)酵性糖以及發(fā)酵過程產(chǎn)生的色素及其他有機酸等。要制備結(jié)晶檸檬酸必須設(shè)法除去這些雜質(zhì)，因此用發(fā)酵法生產(chǎn)檸檬酸都需要經(jīng)過反復分離純化才能得到結(jié)晶成品。提取檸檬酸的方法主要有鈣鹽法、萃取法、電滲析法以及近年來發(fā)展起來的色譜分離法。提取方法

現(xiàn)狀鈣鹽離子交換法是當前世界檸檬酸工業(yè)最廣泛采用的工藝,安全性高,但有石膏廢渣溶劑萃取法僅美國ADM,Cargill的部分廠在使用,無石膏廢渣全離子交換法20世紀70年代初有投產(chǎn)實例,后淘汰,改進后較過去完善,無石膏廢渣,但未工業(yè)化生產(chǎn)連續(xù)離子交換法利用冷吸附,熱洗脫原理,連續(xù)化生產(chǎn),無石膏廢渣,蒸發(fā)負荷大,無投產(chǎn)實例色譜離子交換法提取液檸檬酸濃度高,蒸發(fā)負荷小,無石膏廢渣電溶析法設(shè)備簡單,不需酸堿再生,無石膏廢渣,但提取液中易炭化物高,酸度低,未投產(chǎn)直接提取法生產(chǎn)液體檸檬酸或結(jié)晶(二)提取方法簡述1、直接提取法

直接提取法工藝要求用白砂糖或通過離交凈化的高DE值（是還原糖（以葡萄糖計）占糖漿干物質(zhì)的百分比。國家標準中，DE值越高，葡萄糖漿的級別越高）的淀粉水解液做檸檬酸發(fā)酵培養(yǎng)基。成熟發(fā)酵液通過除去菌體,絮凝除去蛋白等膠體物質(zhì),再脫色,除鹽后得精制檸檬酸液?？捎靡韵氯N方法處理：（1）濃縮成50%的檸檬酸液出售。（2）噴霧干燥得無水檸檬酸，純度達到或接近藥用標準。（3）經(jīng)濃縮、結(jié)晶、分母等工序得一水或無水品，母液調(diào)整為50%的液體檸檬酸出售。

使用液體檸檬酸較方便，工序省，但運輸費用相對較高，是推廣的主要障礙。

2、鈣鹽-離子交換法提取檸檬酸鈣鹽一離子交換法是把離子交換樹脂脫鹽工藝引入鈣鹽法來提取檸檬酸的工藝。

首先采用過濾或超濾除去菌絲體等不溶殘渣，然后在澄清的過濾液中加入碳酸鈣(或氫氧化鈣)發(fā)生中和反應，生成難溶性的檸檬酸鈣沉淀，利用在80～90℃下檸檬酸鈣的溶解度極低的特性，通過過濾(或離心)將它與可溶性的糖、蛋白、氨基酸、其他有機酸、無機離子等雜質(zhì)分離開。為了獲得較凈的檸檬酸鈣，需用80～90℃熱水反復洗滌檸檬酸鈣，以去除其沾污的殘?zhí)呛推渌扇苄噪s質(zhì)。經(jīng)過濾(或離心)獲得較凈的檸檬酸鈣。然后，在洗凈的檸檬酸鈣中，緩慢地加入稀硫酸進行酸解反應，生成檸檬酸和硫酸鈣沉淀，經(jīng)過濾(或離心)除去硫酸鈣沉淀，獲得粗制的檸檬酸。

粗制的檸檬酸再通過陰、陽離子交換柱進行凈化，脫去粗制檸檬酸中的膠體和無機雜質(zhì)離子。凈化后的檸檬酸溶液再蒸發(fā)濃縮，結(jié)晶出來，離心分離晶體經(jīng)干燥篩分和檢驗后即為成品。

鈣鹽離子交換法工藝成熟、設(shè)備簡單、原材料易得，而且產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，但它也存在嚴重的缺陷：（1）單元操作損失多，總收率低，國內(nèi)生產(chǎn)廠家一般在60%～70%；（2）如果酸解凈化操作不當，大量鈣離子存在，濃縮后會析出沉淀，使?jié)饪s鍋結(jié)垢影響傳熱，浪費能源。更重要的是混入產(chǎn)品中影響質(zhì)量。（3）生產(chǎn)過程中固液分離量大，能耗高。（4）生產(chǎn)過程中副產(chǎn)品硫酸鈣和二氧化碳不能有效利用，產(chǎn)生大量的廢水、廢渣，嚴重污染環(huán)境。

因此，鈣鹽離子交換法已經(jīng)越來越不適應當前檸檬酸的生產(chǎn)需求，許多廠家開始選擇溶劑提取法、離子交換吸附法以及膜分離法等提取工藝。3、溶劑萃取法在混合物溶液中加入某種溶劑，使溶液中的組分得到全部或部分分離的過程稱為萃取。溶劑萃取法是從稀溶液中提取物質(zhì)的一種有效方法。廣泛地應用于冶金和化工行業(yè)中。在黃金行業(yè)中，用溶劑萃取法提取純金、銀已有許多研究，在國外，其成熟技術(shù)已經(jīng)工業(yè)應用多年。用萃取法從含氰廢水中提取銅、鋅的研究也多有報導。溶劑萃取法也稱液—液萃取法，簡稱萃取法。萃取法由有機相和水相相互混合，水相中要分離出的物質(zhì)進入有機相后，再靠兩相質(zhì)量密度不同將兩相分開。有機相一般由三種物質(zhì)組成，即萃取劑、稀釋劑、溶劑。有時還要在萃取劑中加入一些調(diào)節(jié)劑，以使萃取劑的性能更好。

反萃取是溶劑萃取中不可缺少的一后處理步驟，是指將被萃取物萃取回純的水相，而與萃取劑分離的操作步驟。萃取法提取檸檬酸的基本流程發(fā)酵液預處理萃取反萃取脫色離子交換

殘渣及菌體萃取劑母液

成品干燥離心分離