柠檬酸发酵课程设计

《生物化学工程》课程设计

柠檬酸发酵生产及其生物反应器的设计

目录

一、引言 (3)

1.1柠檬酸简介 (3)

1.2柠檬酸生产的发展历史 (3)

1.3柠檬酸的应用 (4)

1.4柠檬酸的发酵方法 (5)

二、柠檬酸的生产 (5)

2.1原料 (5)

2.2菌种 (5)

2.3生产发酵机理 (6)

2.4生化过程 (7)

2.5工艺流程 (9)

2.6工艺流程图 (10)

三、生物反应器 (11)

3.1生物反应器构造图 (11)

3.2生物反应器的应用 (12)

3.3发酵生产中的条件控制 (16)

四、柠檬酸生产的后提取技术 (17)

4.1提取技术 (17)

五、深层液体柠檬酸发酵技术需改进方面 (19)

六、参考文献 (19)

一、引言

1.1柠檬酸简介

柠檬酸又名枸橼酸，学名2-羟基-丙烷-1，

2，3羧酸，英文名称： citric acid，分子量：

192.14檬酸是一种含羟基的三元梭酸, 其化学

式为, 学名为一羟基一羧基戊二酸, 为无色半

透明晶体, 或白色颗粒, 或白色结晶粉末, 它

的结晶形态因结晶条件不同而不同, 虽有强烈酸味但令人愉快, 稍有一点后涩味。商品柠檬酸主要有无水柠檬酸C6H8O7和一水柠檬酸C6H8O7·H2O 。柠檬酸易溶于水, 能溶于乙醉, 而不溶于醚、苯、甲苯、氯仿等有机溶剂。

1.2柠檬酸的发展简史

1784年C.W.舍勒首先从柑橘中提取柠檬酸。他是通过在水果榨汁中加入石灰乳以形成柠檬酸钙沉淀的方法制取柠檬酸的。天然柠檬酸最初产于美国加利福尼亚州、意大利和西印度群岛。意大利的产量居首位。

1922年，世界柠檬酸的总销售额的90％由美国、英国、法国等垄断。发酵法制取柠檬酸始于19世纪末。

1893年C.韦默尔发现青霉（属）菌能积累柠檬酸。1913年B.扎霍斯基报道黑曲霉能生成柠檬酸。

1916年汤姆和柯里以曲霉属菌进行试验，证实大多数曲霉菌如泡盛曲霉、米曲霉、温氏曲霉、绿色木霉和黑曲霉都具有产柠檬酸的能力，而黑曲霉的产酸能力更强。如柯里以黑曲霉为供试菌株，在15％蔗糖培养液中发酵，对糖的吸收率达55％。

随着生物技术的进步，柠檬酸工业有了突飞猛进的发展,全世界柠檬酸产量已达0.4Mt。在柠檬酸发酵技术领域，由于高产菌株的应用和新技术的不断开拓，柠檬酸发酵和提取收率都有明显提高，每生产1t柠檬酸分别消耗2.5～2.8t糖蜜,2.2～2.3t薯干粉或1.2～1.3t蔗糖。人们正在大力开发固定化细胞循环生物反应器发酵技术

1.3柠檬酸的应用

柠檬酸由于具有无毒、安全、溶解性好、酸味可口、以及调节pH 值和对金属离子的鳌合作用等特点，传统用途以食用为主，作为酸味剂和抗氧化剂应用于食品与饮料工业。70 年代以后，柠檬酸在其他工业领域也得到了广泛应用，特别是在洗涤剂中代替磷酸盐作为增效助剂，在生产无磷洗涤剂中担任了重要角色。

1.3.1 用于食品与饮料

柠檬酸及其钠盐、钾盐，广泛地应用于各种饮料与食品中，作为酸味剂加入果酱、果冻、蜜饯、糖果、糕点和各种饮料中。在海产品、罐头水果和蔬菜中加

入柠檬酸，可降低其pH 值，从而抑制微生物的生长，延长保存时间。

1.3.2 用于医药和化妆品

柠檬酸是生产多种药品的原料，如柠檬酸铁铵可作为补血剂，柠檬酸钠用作输血剂等。另外，柠檬酸及其盐类可作为酸化剂，加入许多药品中，使pH 值控制在最佳条件，同时鳌合金属离子，以保持药品的性能稳定，防止有效成分氧化。在各种化妆品中，如洗发剂、染发液、洗涤剂、牙膏中加入柠檬酸，可以作为缓冲剂调节pH 值，以防止产品分解和变质。

1.3.3 在工业中的应用

柠檬酸钠可代替磷酸盐作为增效剂，应用于各种日用和工业洗涤剂生产中。由于磷酸盐在水中富集会使藻类迅速生长繁殖，严重影响生态平衡。因此，许多国家都已经禁用或限用含磷洗涤剂。柠檬酸钠能够螯合硬水离子，使斑点分散，去污效果很好，而且柠檬酸可被生物降解，不会造成环境污染。所以，柠檬酸钠可用于生产无磷洗涤剂。

1.3.4 在农业生产中的应用

柠檬酸及其钱盐可以和液体肥料中的铁、铜、锌等微量营养元素整合，形成可

溶性整合物，使肥效增加。在动物饲料中加入柠檬酸及其盐类，可增强饲料的效力。

1.3.5 在塑料工业中的应用

柠檬酸和碳酸氢盐可代替氯氟化碳，在聚苯乙烯泡沫塑料中用作发泡剂。柠檬酸钠可用作无毒增塑剂，生产聚氯乙烯薄膜。此外，柠檬酸及其盐类还广泛应用于锅炉清洗业、无氰电镀、石油工业以及水泥缓凝、织物、纸张、陶瓷等的加工过程中。

1.4柠檬酸的发酵方法

发酵有固态发酵、液态浅盘发酵和深层发酵 3种方法

固态发酵：以薯干粉、淀粉粕以及含淀粉的农副产品为原料，配好培养基后，在常压下蒸煮，冷却至接种温度，接入种曲，装入曲盘，在一定温度和湿度条件下发酵。

液态浅盘发酵：以糖蜜为原料，其生产方法是将灭菌的培养液通过管道转入一个个发酵盘中，接入菌种，待菌体繁殖形成菌膜后添加糖液发酵。发酵时要求在发酵室内通入无菌空气。

深层发酵：产柠檬酸的主体设备是发酵罐。微生物在这个密闭容器内繁殖与发酵。

二、柠檬酸的生产

2.1原料

柠檬酸发酵生产可使用的原料品种很多, 但共可划分为两类, 即糖质原料和石油原料。糖质原料包括薯干、薯渣、淀粉、淀粉渣及玉米粉, 各种粗制糖粗蔗搪, 怡糖等、甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜, 葡萄糖母液等。石油原料主要包括一的正烷烃。以石油为原料柠檬酸发酵的研究以日本、美国的研究报道占多数。虽然用于柠檬酸生产的菌种可采用多种碳源, 但以蔗糖和葡萄糖为佳, 许多原料需进行纯化, 因为有些微量元素会影响柠檬酸的产生。

本设计主要以薯干为原料。

2.2菌种

常用菌种为产黑曲霉（Aspergillus niger）。本设计使用黑曲霉CO827。

2.3生产发酵机理

2.3.1柠檬酸生物合成的代谢调节

薯干内含有淀粉，经过粉碎打浆后，在黑曲霉分泌的淀粉酶的作用下，氧化分解

+和呼吸活性提高，使通过糖酵解途径的为葡萄糖，此时黑曲霉的大量的胞内NH

4

代谢得到加强，葡萄糖经EMP通络分解成为丙酮酸，进入三羧酸循环，在丙酮酸脱氢酶复合物的作用下氧化成为乙酰CoA以及CO

，然后在柠檬酸合成酶作用下与

2

草酰乙酸缩合而形成柠檬酸，而异柠檬酸脱氢酶、乌头酸酶因受抑制，而使柠檬酸得以积累如下图：