檸檬酸及生產(chǎn)工藝

檸檬酸及生產(chǎn)工藝1產(chǎn)品說明檸檬酸又名枸櫞酸，學名3-羥基-3-羧基戊二酸，分子式C6H8O7為無色、無臭、半透明結(jié)晶或白色粉未，易溶于水及酒精。加熱可以分解成多種產(chǎn)物，與酸、堿、甘油等發(fā)生反應。檸檬酸主要應用于食品工業(yè)，因為檸檬酸有溫和爽快的酸味，普遍用于各種飲料、汽水、葡萄酒、糖果、點心、餅干、罐頭果汁、乳制品等食品的制造。檸檬酸在化學工業(yè)上可作化學分析用試劑，用作實驗試劑、色譜分析試劑及生化試劑，用作絡合劑，掩蔽劑，配制緩沖溶液。采用檸檬酸或檸檬酸鹽類作助洗劑，可改善洗滌產(chǎn)品的性能，可以迅速和沉淀金屬離子，防止污染物重新附著在織物上，保持洗滌必要的堿性，使污垢和灰分散和懸浮，提高表面活性劑的性能，是一種優(yōu)良的鰲合劑。2生產(chǎn)原理2.1生產(chǎn)方法簡介中國現(xiàn)有檸檬酸生產(chǎn)廠近百家，總年產(chǎn)能力約80萬噸，是全球最大的檸檬酸生產(chǎn)國和出口國。目前，檸檬酸生產(chǎn)方法有水果提取法，化學合成法和生物發(fā)酵法三種。水果提取法是指檸檬酸從檸檬、橘子、蘋果等檸檬酸含量較高的水果中提取，此法提取的成本較高，不利于工業(yè)化生產(chǎn)?；瘜W合成法的原料是丙酮，二氯丙酮或乙烯酮，此法工藝復雜，成本高，安全性低。而發(fā)酵法發(fā)酵周期短，產(chǎn)率高，節(jié)省勞動力，占地面積小，便于實現(xiàn)儀表控制和連續(xù)化，現(xiàn)已成為檸檬酸生產(chǎn)的主要方法。2.2反應方程式CAAi+H°+3^f2CHO+4HO122211 2 2 687 2（蔗糖） （檸檬酸）3工藝過程及流程圖3.1工藝過程3.1.1菌種培養(yǎng)在4?6波美度的麥芽汁內(nèi)加入25%至30%的瓊脂，然后接入黑曲霉菌種（無茵操作），在30?32°C條件下培養(yǎng)4天左右。這種培養(yǎng)方法稱為“斜面培養(yǎng)”。將麩皮和水以1：1的比例摻拌，再加入10%的碳酸鈣、0.5%的硫酸銨，拌勻后裝入容量為250毫升的三角瓶中，用1.5公斤壓力滅菌60分鐘。接人斜面培養(yǎng)法培養(yǎng)出的菌種，培養(yǎng)96?120小時后即可使用。3.1.2原料處理濕粉渣必須經(jīng)過壓榨脫水，使含水量在60%左右；干粉渣含水量低，應按60%的比例補足水分；結(jié)塊的粉渣需粉碎成二至四毫米顆粒。然后加入2%碳酸鈣、10%至11%的米糠，摻勻后，堆放2小時，再進行蒸煮。蒸煮可采用加壓蒸料和常壓蒸料兩種方式。加壓蒸料最好用旋轉(zhuǎn)式蒸鍋，常壓蒸料可用固定式蒸鍋或固定式水泥蒸鍋。先用揚麩機將蒸煮好的料破碎，再加入含抗污染藥品的沸水。3.1.3接種、發(fā)酵當磷溫冷卻到37?40C時，接入菌種懸浮液。接種后，送入曲室發(fā)酵（此時料溫不得低于27C）。生產(chǎn)過程一定要嚴格無菌操作。發(fā)酵室要注意消毒，定期用甲醛或硫磺熏蒸，其用最好甲醛為10毫升/立方米，硫磺為25克/立方米。3.1.4發(fā)酵工藝條件的控制（1） 發(fā)酵過程中沒有解決注意適當通風，因黑曲霉菌是喜空氣細菌。（2） 發(fā)酵室內(nèi)的相對濕度應保持在86%至90%之間。（3） 注意發(fā)酵過程中的溫度控制。整個發(fā)酵過程分為三個階段：第一階段為前18小時，室溫在27?30C之間，料溫在27?35C左右；第二階段為18?60小時，料溫為40?43C，不能超過44C，室溫要求33C左右；第三階段為60小時料溫在35?37C左右，室溫為30?32°C。3.1.5浸取檸檬酸將曲料放人浸取缸，用溫度90C以上的水連續(xù)浸泡五次，每次浸泡約1小時。當浸液酸度低于0.5%時，停止浸泡進行出渣。將浸液倒入搪瓷禍，加溫至95C以上，保持10分種后，停止加熱，讓其靜置沉淀6小時。3.1.6清液中和將經(jīng)過沉淀的清液移入中和罐，加溫至60C后，加入碳酸鈣中和，邊加邊攪拌。檸檬酸與碳酸鈣形成難溶性的檸檬酸鈣，從發(fā)酵液中分離沉淀出來，達到與其它可溶性雜質(zhì)分離的目的。加完碳酸鈣后，升溫到90C，保持半小時待碳酸鈣反應完成后，倒入沉淀缸內(nèi)，抽去殘酸，再放入離心機脫水，用95C以上的熱水洗滌鈣鹽，以除去其表面附著的雜質(zhì)和糖分。在這里要重點檢查糖分是否洗凈（洗凈的檸檬酸鈣鹽最好能迅速進行酸解，不要過久貯放，否則會因發(fā)霉變質(zhì)造成損失。如因故不能及時處理，要晾干后再存放），方法是將1?2%的高錳酸鉀溶液滴一滴到20毫升洗水中，3分鐘不變色即說明糖分已基本洗凈。在清液中和過程中，控制中和的終點很重要，過量的碳酸鈣會造成膠體等雜質(zhì)一起沉淀下來，不僅影響檸檬酸鈣的質(zhì)量，而且給后道工序造成困難。一般按計算量加入碳酸鈣（碳酸鈣總量=檸檬酸總量X0.714），當pH為6.5?7.0，滴定殘酸為0.1?0.2%時即達到終點。一旦加過了碳酸鈣量，需要補加發(fā)酵或母液。3.1.7酸解與脫色酸解是將已洗凈的難溶性的檸檬酸鈣與烈士作用，生成檸檬酸與硫酸鈣。反應式如下：Ca（CHOX+3HSO=2CHO+3CaSO,'65r2 2 4 687 4具體操作是把檸檬酸鈣用水稀釋成糊狀，慢慢加入硫酸（一般根據(jù)投入碳酸鈣的量來計算硫酸量，以碳酸鈣用量的92?95%為宜），在加入計算量的80%以后，即要開始測定終點。測定方法如下：取甲乙兩支試管，甲管吸取20%硫酸1毫升，乙管吸取20%氯化鈣1毫升，分別加入1毫升過濾后的酸解液，水浴內(nèi)加熱至沸，冷卻后觀察兩管溶液，如果不產(chǎn)生混濁，再分別加入1毫升95%酒精，如甲乙兩管仍不呈混濁，即認為達到終點。甲管有混濁，說明硫酸加量不足，應再補加一些檸檬酸鈣。酸解達到終點后，煮沸30?45分鐘，然后放入過濾槽過濾。在所得清液中，加入活性炭（一般用量為檸檬酸量1?3%，視酸解液的顏色而定）脫色，在85C左右保溫30分鐘，即可過濾。濾瓶用85C以上熱水洗滌，洗至殘酸低于0.3?0.5%即可結(jié)束，洗水單獨貯放，作為下次酸解時的底水使用。3.1.8濃縮、結(jié)晶將脫色后過濾所得清液，用減壓法濃縮（要求真空度在600?740毫米汞柱，溫度為50?60C）。檸檬酸液濃縮后，腐蝕性較大，因此多采用搪瓷襯里的濃縮鍋，濃縮液的濃度要適當，如濃度過高，會形成粉未狀；但濃度過低，也會造成晶核少，成品顆粒大，數(shù)量少，母液中殘留大量未析出的檸檬酸，影響產(chǎn)量。當濃縮達到36.7?37波美度時即可出罐。檸檬酸結(jié)晶后，用離心機將母液脫凈，然后用冷水洗滌晶體，最后用干燥箱除去晶體表面的水。母液可以再直接進行一次結(jié)晶，剩下的母液往往因含大量雜質(zhì)，不宜作第三次結(jié)晶，但可以在酸解液中套用，或用碳酸鈣重新中和。干燥箱的溫度要控制在35C以下，如氣溫高于20C時，可采用常溫氣流干燥。3.2工藝流程圖發(fā)酵法生產(chǎn)檸檬酸流程圖4主要設備選擇本生產(chǎn)過程的主要設備有發(fā)酵罐、種母罐、抽濾桶、脫色柱、濃縮鍋、結(jié)晶鍋等。4.1發(fā)酵罐發(fā)酵罐是用來進行微生物發(fā)酵的裝置。其主體一般為用不銹鋼板制成的主式圓筒，其容積在1m3至數(shù)百立方米。罐體當中有攪拌漿，用于發(fā)酵過程當中不停的攪拌，用來通入菌體生長所需要的空氣或氧氣。罐體盯盤上有控制傳感器，用來監(jiān)測發(fā)酵過程中發(fā)酵液的pH和DO的變化控制器，顯示和控制發(fā)酵條件等。4.2抽濾桶主要適用于化工、醫(yī)藥、石油等行業(yè)生產(chǎn)工藝中真空過濾。具有重量輕、安裝維修方便、操作簡單等優(yōu)點。操作壓力-0.1MPa,操作溫度-10°C?100°C。4.3濃縮鍋用外加熱自然循環(huán)與真空負壓蒸發(fā)現(xiàn)結(jié)合的方式，蒸發(fā)速度快，濃縮比重可達1.3，液料在全密封狀態(tài)無泡沫濃縮用制作外殼，濃縮出來的藥液，具有無污染，藥味濃的特點，而且清洗方便（打開加熱器的上下蓋即可進行清洗）。5主要用途及注意事項5.1主要用途5.1.1用于食品工藝因為檸檬酸有溫和爽快的酸味，普遍用于各種飲料、汽水、葡萄酒、糖果、點心、餅干、罐頭果汁、乳制品等食品的制造。5.1.2用于化工、制藥和紡織業(yè)檸檬酸在化學技術(shù)上可作化學分析用試劑， 用作實驗試劑、色譜分析試劑及生化試劑，用以配制緩沖溶液。采用檸檬酸或檸檬酸鹽類作助洗劑，可改善洗滌產(chǎn)品的性能，可以迅速和沉淀金屬離子，防止污染物重新附著在織物上，保持洗滌必要的堿性，使污垢和灰分散和懸浮。5.1.3用于環(huán)保檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液由于其蒸氣壓低、無毒、化學性質(zhì)穩(wěn)定、對 SO2吸收率高等原因，是極具開發(fā)價值的脫硫吸收劑。5.1.4用于化妝品檸檬酸屬于果酸的一種，主要作用是加快角質(zhì)更新，常用于乳液、乳霜、洗發(fā)精、美白用品、抗老化用品、青春痘用品等。 角質(zhì)的更新有助于皮膚的中黑色素的剝落，毛孔的收細，黑頭的溶解等。5.1.5用于殺菌檸檬酸與80°C溫度聯(lián)合作用具有良好殺滅細菌芽孢的作用，并可有效殺滅血液透析機管路中污染的細菌芽孢。享有“西餐之王”美譽的檸檬具有很強的殺菌作用，對食品衛(wèi)生很有好處，再加上檸檬的清香氣味，人們歷來喜歡用其制作涼菜，不僅美味爽口，也能增進食欲。5.2注意事項5.2.1食用危險檸檬酸對人體無直接危害，但它可以促進體內(nèi)鈣的排泄和沉積，如長期食用含檸檬酸的食品，有可能導致低鈣血癥，并且會增加患十二指腸癌的幾率。胃潰瘍、胃酸過多、齲齒和糖尿病患者不宜經(jīng)常食用檸檬酸。檸檬酸不能加在純奶里， 否則會引起純奶凝固。5.2.2工業(yè)危險檸檬酸可燃。粉體與空氣可形成爆炸性混合物，遇明火、高熱或與氧化劑接觸，有引起燃燒爆炸的危險。檸檬酸在醫(yī)藥、化學等其它工業(yè)中也有一定的作用。檸檬酸鐵胺可以用作補血劑；檸檬酸鈉可用作輸血劑；檸檬酸可制造食品包裝用薄膜及無公害洗滌劑。檸檬酸發(fā)酵微生物1） 黑曲霉（Aspergillusniger）的形態(tài)特征目前生產(chǎn)上常用產(chǎn)酸能力強的黑曲霉作為生產(chǎn)菌。在固體培養(yǎng)基上，菌落由白色逐漸變至棕色。孢子區(qū)域為黑色，菌落呈絨毛狀，邊緣不整齊。菌絲有隔膜和分枝，是多細胞的菌絲體，無色或有色，有足細胞，頂囊生成一層或兩層小梗，小梗頂端產(chǎn)生一串串分生孢子。2） 黑曲霉（Aspergillusniger）的生理特征黑曲霉生產(chǎn)菌可在薯干粉、玉米粉、可溶性淀粉糖蜜、葡萄糖麥芽糖、糊精、乳糖等培養(yǎng)基上生長、產(chǎn)酸。黑曲霉生長最適pH值因菌種而異，一般為pH3?7；產(chǎn)酸最適pH為1.8?2.5。生長最適溫度為33?37C，產(chǎn)酸最適溫度在28?37C，溫度過高易形成雜酸，斜面培養(yǎng)要求在麥芽汁40Be左右的培養(yǎng)基上。黑曲霉以無性生殖的形式繁殖，具有多種活力較強的酶系，能力用淀粉類物質(zhì)，并且對蛋白質(zhì)、單寧、纖維素、果膠等具有一定的分解能力。黑曲霉可以邊長菌、邊糖化、邊發(fā)酵產(chǎn)酸的方式生產(chǎn)檸檬酸。檸檬酸發(fā)酵機理關(guān)于檸檬酸發(fā)酵的機制雖有多種理論，但目前大多數(shù)學者認為它與三羧酸循環(huán)有密切的關(guān)系。糖經(jīng)糖酵解途徑（EMP途徑），形成丙酮酸，丙酮酸羧化形成C4化合物，丙酮酸脫羧形成C2化合物，兩者縮合形成檸檬酸（見發(fā)酵代謝）。檸檬酸發(fā)酵用原料檸檬酸發(fā)酵的原料有糖質(zhì)原料（甘煎廢糖蜜、甜菜廢糖蜜）、淀粉質(zhì)原料（主要是番薯、馬鈴薯、木薯等）和正烷烴類原料三大類。檸檬酸發(fā)酵工藝1）試管斜面菌種培養(yǎng)察氏瓊脂培養(yǎng)基：NaNO33g，蔗糖20g，K2HPO41g，KCl0.5g，MgSO4.7H2O0.5g,FeSO40.01g,瓊脂20g,用水定溶至1000ml,pH自然。察氏-多氏瓊脂培養(yǎng)基：蔗糖30g,NaNO32g,MgSO4.7H2O0.5g,KH2PO41g,KCl0.5g,FeSO4.7H2O0.01g,漠甲分綠0.4g，瓊脂20g,蒸餾水1000ml,pH自然。蔗糖合成瓊脂培養(yǎng)基：蔗糖140g,NH4NO32g,KH2PO42g,MgO4.7H2O0.25g,FeCl3.6H2O0.02g,MnSO4.4H2O0.02g,麥芽汁20ml，瓊脂20g，用水定溶至1000ml。米曲汁瓊脂培養(yǎng)基：一份米曲加四倍質(zhì)量的水，于55°C保溫糖化3~4小時后煮沸，濾液用水調(diào)整濃度至10‘Bx,并用堿液將pH調(diào)制到6.0,接著添加瓊脂2%。確認所制成的斜面無雜菌污染后，接入黑曲霉孢子懸液0.1ml，于32C培養(yǎng)4?5d。2）種子擴大培養(yǎng)①二級擴大培養(yǎng)a培養(yǎng)基有瓊脂固體培養(yǎng)和液體表面培養(yǎng)兩種方法，前者的培養(yǎng)基組成與斜面培養(yǎng)基相同，后者的組成如下：麥芽汁70BX,氯化銨2%,尿素0.1%,b培養(yǎng)固體培養(yǎng)時，500ml茄子瓶裝80ml瓊脂培養(yǎng)基，250茄子瓶裝50ml瓊脂培養(yǎng)基。滅菌后擺成斜面，凝固后的斜面至37C下培養(yǎng)24h。確認無雜菌污染即可使用。液體培養(yǎng)時，將液體培養(yǎng)基裝入三角瓶中，使液層深度達45cm,于0.1MPa下濕熱滅菌15min。按無菌操作接種。培養(yǎng)溫度32C。液體表面需7?10d，瓊脂固體培養(yǎng)需6?7d。②三級擴大培養(yǎng)可采用麩曲固定培養(yǎng)、液體表面培養(yǎng)或瓊脂固定培養(yǎng)。所用培養(yǎng)基如下：a麩曲培養(yǎng)基：新鮮小麥麩皮1kg,加水1.1?1.3L。液體培養(yǎng)基與第二級擴大培養(yǎng)基所用液體培養(yǎng)基相同。b瓊脂固體培養(yǎng)基：與斜面培養(yǎng)基相同。3）發(fā)酵生產(chǎn)①工藝流程以薯干粉為原料的液體深層發(fā)酵工藝流程：斜面菌種-麩曲瓶-種子I薯干粉-調(diào)漿-滅菌（間歇或連續(xù)式）-冷卻-發(fā)酵-發(fā)酵液-提取-成品T無菌空氣以薯渣為原料的固體發(fā)酵工藝流程：試管斜面-三角瓶菌種-種曲]薯渣-粉碎-蒸煮-攤涼接種-裝盤-發(fā)酵-出曲-提取-成品T米糠②液體發(fā)酵a不置換法培養(yǎng)液一次加入，發(fā)酵結(jié)束后棄去菌蓋，發(fā)酵液用來提取檸檬酸。具體操作是：接種后，培養(yǎng)溫度維持在35C，這是黑曲霉的適宜生長溫度，需維持72h左右，以促進孢子發(fā)芽及菌體發(fā)育。當溫度逐漸下降時，必須通人約50°C的空氣以維持35°C的培養(yǎng)溫度，通風量為3?5m3/m2.h。接種后20h左右可出現(xiàn)灰白色、很薄的菌膜，72h時菌膜已完全形成，菌膜相當厚且有皺褶。48h起由于菌體耗氧增加，可開動另一組風管向盤層之間通汽，進汽溫度為40C左右，風量為7m3/m2.h，進汽濕度為75%以上，以防培養(yǎng)液水分蒸發(fā)過快。自接種后72h起進入產(chǎn)酸期，這時菌體代謝速率高，耗糖快，發(fā)酵液酸度急劇升高，并釋放出大量熱，最高時可達1000kJ/（m2.h），此時應加強通風措施，嚴格將發(fā)酵溫度控制在26?28C，以利檸檬酸的形成。因此，一般在進入產(chǎn)酸期前8h左右需增大風量至15?18m3/m2.h，且降低進汽溫度在25C以下，濕度仍在75%以上。160h以后發(fā)酵結(jié)束。b置換法置換法一般是采用糖濃度低而營養(yǎng)較豐富的培養(yǎng)液先培養(yǎng)菌蓋，待菌蓋形成之后再更換發(fā)酵培養(yǎng)基?？筛鼡Q1次也可數(shù)次，發(fā)酵液用來提取檸檬酸。培養(yǎng)菌蓋，一般使用5%的糖液，視糖蜜質(zhì)量再補充少量NH4NO3、K2HPO4等鹽類。接種孢子后，室溫保持在34?36C，培養(yǎng)液品溫為32?34C，使孢子發(fā)芽，正常情況下40h即可形成緊密有皺的菌蓋。菌蓋形成后，放掉培養(yǎng)基，更換發(fā)酵培養(yǎng)基（即第1次置換），并將室溫降至30?32C，待發(fā)酵48?60h后再放掉發(fā)酵液，加入新培養(yǎng)液即進行第2次置換。如此重復，一般可置換培養(yǎng)基8?10次，總發(fā)酵周期為14?20d，收集起來的發(fā)酵液，用來提取檸檬酸。置換法的優(yōu)點是節(jié)省了大量培菌時間，發(fā)酵速度’快，而且原本不適宜長菌的原料卻可用作發(fā)酵培養(yǎng)基。但為了保持菌蓋的高活性，因此不能將發(fā)酵液殘?zhí)强刂频煤艿停@樣一來就造成替換出來的發(fā)酵液其殘?zhí)橇枯^高，給后道提取檸檬酸帶來困難。c不置換法影響表面發(fā)酵的因素a） 培養(yǎng)液層厚度培養(yǎng)基液層厚度大，發(fā)酵產(chǎn)物總的生成量就大。如果原料質(zhì)量好，預處理方法得當，曲霉菌絲體活力強，那末可適當增加液層厚度;相反，就應減少液層厚度。b） 糖濃度用于表面發(fā)酵的糖蜜濃度，質(zhì)優(yōu)的糖蜜濃度（以蔗糖濃度計）為18%?22%較適宜，而質(zhì)劣的糖蜜一般采用14%。在表面發(fā)酵中，大約80%的糖被用于合成檸檬酸，菌體生長增殖耗糖8%左右，菌體進行呼吸消耗的糖在10%左右，另有1%?2%的糖用于合成副產(chǎn)物。c） 溫度黑曲霉適宜產(chǎn)酸溫度是26-28C。溫度高，容易形成雜酸等副產(chǎn)物且菌體易衰老；溫度低，發(fā)酵周期被延長。