年产100吨柠檬酸的发酵工艺设计

第1页摘要本设计采用薯干原料发酵，只需将薯干磨成粉，加水调浆，直接加入少量α－淀粉酶液化后灭菌、冷却即可接种发酵。制备柠檬酸一般采用晒干的薯干作为原料。其中薯干含水10%-15%、淀粉70%左右、蛋白质6%左右。薯干原料中的蛋白质可作为氮源供菌体生长。薯干原料中含有铁、镁、钾、钙等的无机盐，选用的黑曲霉C0527对这些成分不敏感,故不必对原料做这方面的预处理。本设计采用液体深层好氧发酵、钙盐法提取技术生产柠檬酸。这两种方法都是国内比较流行的生产方法，有着大量的实际经验，易于操作，风险小。由于本设计为糖化、发酵车间的设计，着重于这两个车间的工艺计算、设备选型。通过全厂物料衡算、车间热量衡算，确定糖化、发酵车间主要设备发酵罐、种子罐、车间管道的设计和选型。本设计还包括发酵罐，工艺流程图，全场平面布局图。关键词：薯干深层好氧发酵黑曲霉柠檬酸设备设计和选型。1引言柠檬酸，学名为2-羟基-丙烷三羧酸，结构式为：OH│HOOC─CH2─C─CH2─COOH。柠檬酸在自然界中分布很广，主要存在于柠檬、┃COOH柑橘等。我国柠檬酸生产成本较低，在国际市场上具有较强的竞争力。近年来我国柠檬酸的年出口量一直保持在10万吨以上。随着水产养殖业的发展，有机酸在人工饲料中的应用越来越广泛。柠檬酸具有无毒害、无残留等优点，对水产动物可以起到促进矿物质吸收、提高饲料利用率的作用，因而在水产养殖中得到了较为广泛的应用。对柠檬酸的研究概况柠檬酸又名枸橼酸，是一种似砂糖的白色结晶体，呈柠檬型酸味。它以玉米为主要原料，经过发酵等一系列化学工艺提取精制而成，所得产品主要为无水或带一份结晶水的柠檬酸。柠檬酸具有令人愉快的酸味，口感爽快，无后酸味，安全无毒，在水中的溶解度极高，能被生物体直接吸收代谢。国内外大量的研究证明，柠檬酸作为饲料酸化剂是添加效果最好的。第2页柠檬酸的生物代谢功能柠檬酸是机体能量代谢的中间产物，有重要的生理、化学功能，它是乙酰COA合成脂肪过程中的重要介质，也是线粒体中构成时吸链的重要物质之一，可以调节CAMP活性，参与机体能量、结构和酶保障等一系列重要反应。工业生产中主要用黑曲霉作为生产菌，采用液体通风发酵生产柠檬酸。黑曲霉发酵柠檬酸的机制为：葡萄糖首先通过EMP和HMP途径得到磷酸烯醇式丙酮酸和丙酮酸，然后经过一个不完整的三羧酸循环（TCA）达到柠檬酸的积累。该生产工艺和设备具有很强的典型性，本文对黑曲霉发酵柠檬酸生产工艺及主要设备作简要介绍，本设计还包括发酵罐，工艺流程图。以期有助于了解好氧发酵工艺和主要设备的相关知识。设计内容为，了解柠檬酸生产中的原料预处理、发酵、提取部分的生产方法和生产流程，根据实际情况来选择发酵工段合适的生产流程，并对流程中的原料进行物料衡算、热量衡算及设备的选择。最后，画出发酵工段的工艺流程图和平面布置图。由于我的知识有限，加之对先进设计的了解甚少，设计中有不足的地方敬请各位老师和同学批评指正。2生产工艺概述2.1工艺条件的确定2.1.1柠檬酸的生物合成柠檬酸产生菌黑曲霉在生长期和产酸期都存在着EMP和HMP代谢．说明葡萄糖的降解是通过两条途径共同完成的。但是，在生长期EMP：HMP为2：1，而产酸期两者的比例为4：1，即产酸期有80％的葡萄糖是通过EMP代谢的。这是因为在生长期需要通过HMP提供合成核糖等所需的前体物质，产酸期葡萄糖主要通过EMP降解，对柠檬酸的发酵生产是非常重要的。因为1mol葡萄糖经EMP降解可得到2mol丙酮酸，再经脱羧和Ｃ02固定后，可使1mol葡萄糖合成1mol柠檬酸，这样就能获得较高的糖酸转化率(以质量计，葡萄糖合成柠檬酸的理论转化率为l06.7％，对—水柠檬酸的理论转化率为116.7％)。在柠檬酸积累的条件下，TＣA循环已被阻断。因此，合成柠檬酸所需的草酰乙酸必须由含二碳的羧酸来提供。已知丙酮酸（PYR）和磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）均能经催化作用固定CO2而形成草酰乙酸。经证实，在黑曲霉产柠檬酸阶段主要是通过丙酮酸羧化酶的催化作用，使丙酮酸固定CO2而形成草酰乙酸。图1黑曲霉产柠檬酸途径第3页2.1.2柠檬酸生产菌种很多微生物都能生产柠檬酸,例如:黑曲霉,棒曲霉,文氏曲霉,泡盛曲霉,芬曲霉,丁烯二酸曲霉,淡黄青霉,桔青霉等,以及假丝酵母属中的一些种。至今世界上消费的柠檬酸主要采用发酵法生产,而最具优势的是黑曲霉和解脂假丝酵母等菌种的深层发酵法.在现代,糖质原料发酵使用黑曲霉,因为它的柠檬酸产量最高,且能利用多样化的碳源.所以本设计拟采用黑曲霉G23-4菌种作为生产用菌种。2.1.3柠檬酸生产原料Ⅰ糖类：a薯类：甘薯木薯马铃薯甘薯干木薯干马铃薯干薯渣b谷类：玉米小麦或小麦面粉大米c淀粉：各种谷类薯类加工成的淀粉d砂糖：白砂糖赤砂糖糖蜜e淀粉糖：由淀粉水解而得到的各种单糖双糖糊精葡萄糖母液Ⅱ正烷烃液体石蜡：10-20碳链的馏出物Ⅲ其他果实下脚料：葡萄、菠萝、柑橘、苹果等果实加工的残渣粮食加工下脚料:各种粮食加工的下脚料。凡是能通过微生物代谢而产生柠檬酸的物质,都可以作为发酵柠檬酸的原料。但从工业成本考虑，多采用廉价符合要求的原料。一般工业选择原料的标准如下：a原料中可利用成分高，无抑制柠檬酸生产菌生长和产酸的物质极少。或容易除去，能满足工艺要求。第4页b能就近取材，原料来源丰富，便于采购、运输、适于大量储存，保证生产上的供应。c原料成分对产品的提取、精制无影响。d价格便宜。由于黑曲霉使用糖质原料，柠檬酸产量最高。目前，一般使用甘薯、木薯、马铃薯、玉米等。本设计将以薯干作为生产用原料。2.2操作工艺概述2.2.1原料的处理工序根据发酵的要求，对薯干原料，采用直接粉碎、磨粉、调浆、液化、连续灭菌的处理方法；以薯干原料生产时，根据我国薯干粗料的特征，发酵工艺要求将薯干从平仓运至备料车间，经过磁选装置除去原料中含铁杂质，以保护设备。然后进入粗粉碎机，将薯干先轧成1—3cm大小的小块，以提高磨粉机的效率，便于物料的输送。粗碎后，由斗式提升机提送至中间粉仓，由粉仓落入磨粉机粉碎，粉碎后进入粉仓再经计量送至配料罐。配料罐内加水调浆，同时加入淀粉酶升温液化。液化完成后送至连消装置连续灭菌，再送至发酵车间。2.2.2发酵工序由备料车间提供的经连续灭菌并冷却的料液，通过灭菌管道泵入已空消灭菌待料的发酵罐(或种子罐)，通过差压法或零磅火焰倒种法，接入已培养好的柠檬酸菌种，在通风、搅拌情况下，进行发酵或培养。在发酵培养过程中，对罐温、罐压、通风量、搅拌转速等实行连续记录监控，并定期检测原糖消耗情况、菌种生长状态、pH值、泡沫等变化情况。根据发酵的工艺特性要求，及时调整控制发酵工艺过程，以获得最佳工艺产酸率或种罐菌种活力，一般经66小时(种罐约25小时)培养，大罐在残糖指标、产酸情况达到放罐条件即可放罐；种罐菌种活力及菌群数量达标后，即可移种。在发酵或培种过程的定期检测中，若发现异常情况，如染菌等，应针对具体情况及时处理，对中、前期染菌，可加大种量形成主菌群生长优势，或及时罐实消，补入适当营养源重新接种发酵；后期时可加强监控，提前放罐；对倒罐等应予灭菌排放处理，并认真查找原因，进一步强化灭菌操作中的各个环节。2.2.3醪液处理工序柠檬酸发酵完成后，应即时进行热处理，以灭活发酵，絮凝蛋白、提高收率，为提高设备利用率，增设醪液贮罐，通过热交换器，及时将醪液加热至80℃后进入醪液热贮罐，再经泵压入过滤机，除掉固形物及菌体残渣，将清醪液泵入下道工序。成熟的柠檬酸发酵醪中，除含有主产物柠檬酸之外，还含有纤维素、菌体、有机杂酸、第5页糖、蛋白类胶体物质、色素、矿物质及其他代谢产物等杂质，它们或来自发酵原料、或在发酵过程中生产，它们或溶存或悬浮于发酵醪中。通过各种理化方法，清除这些杂质，得到符合各级质量标准的柠檬酸产品的全过程，即为柠檬酸生产的下游工程。它是一个确保产物“丰收”，提高企业效益的生产系统工程。2.2.4提取工段柠檬酸提取方法Ⅰ钙盐离子交换工艺：其理论依据是将CaCO3或Ca(OH)2加入发酵清液中,形成柠檬酸钙沉淀,然后将此沉淀与浓硫酸反应,形成硫酸钙沉淀,析出柠檬酸溶液,再经过离子交换及浓缩结晶后,便可以得到柠檬酸晶体，此法工艺成熟、原材料易得、操作方便、产品质量稳定，而且总收率也较高。Ⅱ液-液萃取工艺：用有机溶剂做萃取剂，将水溶液中的主要产物萃取到有机相中富集，其他杂质留存于萃余相中被弃去，然后用纯水从有机相中将主要产物反萃取到水相中富集，从而得到较纯的产物。国内的萃取工艺和设备不够完善、反萃取水相柠檬酸浓度太低、萃余液的出路未做深入研究、产品毒性问题。Ⅲ全离子交换法提取工艺：柠檬酸是α-羟基三羧酸，在水中很容易解离成H+和H2Ci-、HCi2-、Ci3-离子，故可利用阴离子交换树脂从柠檬酸发酵液中分离柠檬酸。这种方法的优点是方法简便，设备较少，劳动强度不大。但在阴离子交换中，部分阴离子会和柠檬酸根离子一起进行交换、洗脱下来，影响成品质量。Ⅳ电渗析提取工艺：电渗析是一种膜技术。它是在离子交换树脂基础上发展起来的新技术，可用于化工产品的分离、提纯、浓缩和物质的回收。该法能耗大，极板上的污垢容易堆积,给操作带来很大的不便。Ⅴ连续离子交换法提取工艺：它是一种完全革新的分离工艺技术，不同于传统的固定床（FixedBed）、脉冲床（PulseBed等工艺。它是在传统的固定床树脂吸附和离子交换工艺的基础上结合连续逆流系统技术优势开发而成。Ⅵ色谱分离（ILCS）工艺：基本原理是基于离子交换树脂自身的转换，使用单一离子交换树脂为固相离子交换剂。该法收率高，但成本较高，较少采用。综上所述，本设计采用钙盐离子交换工艺来提取柠檬酸。图2柠檬酸提取工艺流程第6页2.2.5精制工段离子交换与脱色:柠檬酸液从暂贮灌中泵送离交纯化工序，经由阳离于交换塔，阴离子交换塔和活性炭脱色塔，离交脱色除去色泽及影响成品质量加速设备腐蚀的阴阳离子，阴阳树脂需经过酸洗、碱洗再生处理，离交后的柠檬酸精制母液送入蒸发工序。蒸发与结晶:在提纯溶液进入蒸发部分前，通过精过滤器除去清液中的微小树脂颗粒。精滤后的溶液经热交换器预热后送至双效真空浓缩器经浓缩至特定浓度后，转入真空结晶器，或者低温结晶器进行结晶。以确定产品(一水产品或无水产品)，再经分离将柠檬酸晶粒从液相中分离出来，液相(母液)在分离后分别放至各级母液贮罐，根据其杂质离交浓度情况，送往重新蒸发式回流到前工序处理提纯，晶体送往干燥机。干燥与包装:从离心机分离出来的湿柠檬酸晶粒被送到流化床干燥器，根据生产品种控制干燥空气、温度及冷却空气量进行干燥，排空经湿式旋风分离器处理排放，干燥后的柠檬酸晶粒通过传送装置运到筛选机，不合格颗粒被筛分出来，溶解后返回到结晶系统，柠檬酸成品进行定量、包装，存放。图3柠檬酸精提取的工艺流程第7页2.3工艺流程本次生产工艺的基本过程是：原料(薯干或玉米)—→粉碎—→液化—→发酵—→过滤—→中和—→分离—→柠檬酸钙—→酸解—→分离—→脱色—→离子交换—→减压浓缩—→结晶—→分离—→柠檬酸结晶—→干燥—→成品①在接收糖浆后，根据糖浆组成作适当的处理或配制，配成发酵原料，进行连续灭菌并冷却后，进入发酵罐，加入菌种和净化压缩空气后进行发酵；②发酵液经升温、过滤处理后，进入中和罐，用CaCO3中和处理；③再经过过滤洗涤，得到柠檬酸钙固体，送入酸解罐，再添加H2SO4酸解，并加入活性炭进行脱色；④然后，通过带式过滤机过滤、酸解过滤，除去CaSO4及废炭；⑤酸解过滤液经离子交换处理后，进行蒸发、浓缩，再进行结晶；⑥结晶后，用离心机进行固液分离，对得到的湿柠檬酸晶体进行干燥与筛选，最后得到成品的柠檬酸。图4工艺流程图第8页3糖化工艺概述采用淀粉质原料生产柠檬酸，黑曲霉不能直接利用薯干原料。只能将其糊化、糖化为葡萄糖，方能供发酵生产用。3.1液化的方法及选择Ⅰ酸法：以强酸为催化剂，高温、高压条件下进行，液化程度较难掌握Ⅱ机械液化：破坏淀粉颗粒表面和结晶结构Ⅲ酶法：用α-淀粉酶，在中性溶液，常温、常压条件下进行，液化程度容易掌握。此法适应于柠檬酸工业。其方法按工艺条件分：有间歇液化法