乳酸发酵工艺

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一、乳酸发酵微生物
1、种类——细菌
乳杆菌属(Lactobacillus)的菌种有干酪乳杆菌、嗜热乳杆菌、唾液乳杆菌、清酒乳杆菌、嗜 酸乳杆菌、德氏乳杆菌、嗜淀粉乳杆菌、植物乳杆菌等。
链球菌属(Streptoccoccus)有嗜热链球菌、乳脂链球菌、唾液链球菌等。
芽孢杆菌属(Bacillus)主要是凝结芽孢杆菌。
3、溶剂萃取法
异丙醚常用于乳酸萃取,并与吸附、离子交换法结合使用
发酵醪
加热 80℃
酸化
过滤
萃取
浓缩
离子交换
脱色
4 减压蒸馏法
乳酸在常压下的沸点为 190 ℃ 真空精馏 乳酸蒸馏温度﹤130 ℃ ,才无明显分解
5、锌盐法
乳酸盐在乳酸中是最容易结晶的,能用于检验乳酸存在 在乳酸钙溶液中加入 ZnSO4
CaL2 + ZnSO4
2、常用细菌
(1) 德氏乳杆菌 细胞杆状 单个或短链 革兰氏阳性 不运动 能利用糖类 发酵生成 D-和 L-乳酸 能利用麦芽糖、蔗糖、葡萄糖、果糖、半乳糖、糊精等碳源,发酵产生 D-乳酸,少数菌株 产生 DL-乳酸。最适生长温度为 45℃,50℃仍能旺盛发育并产酸,最高耐受温度为 55℃。 (2) 赖氏乳杆菌 能利用麦芽糖、蔗糖、葡萄糖、果糖和海藻糖产酸;利用半乳糖、甘露醇和α-甲基配糖体 生成微量酸;不发酵乳糖、棉子糖、阿拉伯糖、鼠李糖、糊精和菊芋糖。能耐受 13g/l 的 D乳酸,最适生长温度为 36℃。 (3) 植物氏乳杆菌 异名:阿拉伯糖乳杆菌 细胞杆状,3~8×0.7~1μm,单个或呈短链,末端变圆。革兰氏阳性,不运动。在琼脂斜 面培养基上生长不旺盛。明胶酵母膏葡萄糖穿刺呈丝状生长,不液化明胶。硝酸盐还原试验 阴性。 能利用麦芽糖、蔗糖、葡萄糖、果糖、半乳糖、阿拉伯糖、乳糖、和棉子糖产酸;利用甘露 醇、山梨醇、甘油、木糖和糊精生成微量酸;不发酵鼠李糖、淀粉和菊芋糖。一般产 DL乳酸,能耐受 13g/l 的 D-乳酸,最适生长温度为 30℃。
三、乳酸生产工艺
(一)水解糖发酵工艺 1、原料的糖化
(1)淀粉水解原理 有色物质、龙胆二糖等为乳酸 菌的非发酵性物质,会导致: 分离难 产率下降 产品质量差
复合反应 复合二糖
淀粉
水解反应
葡萄糖
分解反应
5-羟基甲基糠醛
复合低聚糖
有机物、有色物质
(2)淀粉水解方法 A 酸法水解 酸法水解是以无机酸或有机酸为催化剂,在高温高压下水解淀粉的方法,其工艺流程如下
静置 4-6 h
真空浓缩
乳酸钙 150 g/L
(三)乳酸钙结晶
乳酸钙在水中的溶解度与温度成正比例关系 杂质含量增加会使乳酸钙的溶解度增大 一般杂质数量增加 1%,乳酸钙溶解度约增大 10% 1h 30oC 降至 23 oC;1.5h 降至 18 oC;每小时降低 2 oC,降至 10 oC,保持 3h。
√ 酯化法

1、活性炭吸附
活性炭吸附在乳酸净化常用于两种条件下
√ 在未除去石膏渣的溶液中添加,加入 2%活性炭,
80℃下,约 1 h
√ 在已去除石膏渣的乳酸溶液中,加入 2%活性炭,
80℃下,约 0.5 h
2、离子交换
H 型阳离子交换柱及 OH 型阴离子交换柱去除
√ 无机物质
√ 部分去除有色物质
√ 含 N 物质
B 酶法水解 酶解法可分为两步
液化 糖化
(%)

酵 100 糖
A
BC
产 率
90
7060
10 40 20 30 50 水解时间(min)
图 2-2 酸法糖化曲线
淀粉酶把淀粉转化成糊精、低聚糖,底物的粘度急剧下降,此过程即为液化 。
糖化酶把糊精、低聚合糖进一步水解成葡萄糖,此过程即为糖化
双酶水解法
2、接种物的制备
二、乳酸发酵原料
1、主要原料
低聚糖、己糖
乳酸细菌能直接利用
养因子 氨基酸、维生素、核酸
辅助原料 麦根、麸皮、米糠等
蔗糖
菌体 赖氏乳杆菌
德氏乳杆菌
糖蜜
菌种
德氏乳杆菌
淀粉水解糖
乳糖及含乳糖原料 保加利亚乳杆菌,直接接入全乳或脱脂乳发酵生产
亚硫酸盐纸浆废液 戊糖乳杆菌 淀粉 / 淀粉质原料 玉米、大米、红薯、马铃薯
3、种类——根霉
1884 年 Eijkmann 指出,根霉所产生的酸可能为乳酸,在 1901 年被 Chrzaszz 所确证。福井 经研究发现,产 L(+)-乳酸较多的根霉菌种有:米根霉、黑根霉、爪哇根霉、小麦曲根霉、 华根霉、甘薯根霉、结节根霉、日本根霉、东京根霉、高温根霉、少根根霉、美丽根霉等十 多种。
发酵温度 30 ℃ pH 5.5-6.5 48 h
营养盐(麦根汁、玉米浆等)与亚硫酸盐废液要分开灭菌,否则营养物会被沉淀的木质素等物 质带走 中和液加石灰乳时要不断搅拌,防止局部过碱
(四)糖蜜发酵工艺
糖蜜糖浓度高,发酵前必须进行预处理
√ 稀释
√ 酸化
pH 5.5
√ 灭菌
30 min
√ 澄清
8-12 h
工艺过程
低真空度精制 (600 mm Hg)
脱色
高真空度精制 (300 mm Hg)
乳酸溶液中 Fe 盐可用亚铁氰化钙除去 溶液中重金属砷可用 BaS 沉淀法去除
FeL3 + Ca2[Fe(CN)6]
Fe4[Fe(CN)6] 3 + 6 CaL2
M2+ + AsO42- + BaS
MS + BaAsO4
M 金属离子
(六)乳酸的净化
√ 活性炭吸附
√ 离子交换
√ 溶剂萃取
√ 减压蒸馏
√ 锌盐法
4、常用根霉——米根霉
菌落疏松或稠密,初为白色,后变为灰褐色至黑褐色,匍匐枝爬行,无色。假根发达,指状 或根状分枝,褐色。孢囊梗直立或弯曲,2~4 根群生,有时膨大或分枝。囊托锲形,菌丝 形成厚 孢子,结合孢子未见。 米根霉的最适温度 37℃,41℃时还能生长。米根霉的淀粉酶活力极强,多作糖化菌使用。 也具有酒精发酵能力及蛋白质分解能力。大量存在于酒药与酒曲中。发酵乳酸最适温度为 30℃,可利用无机氮源。
浓缩
2、薯干粉并行发酵工艺 工艺流程工艺
薯干粉 冷却结晶
液化
并行发酵
加热
蒸发浓缩
过虑
沉淀
离心 成品
酸解 真空过虑
过虑 蒸发并脱色
浓缩 离子交换
(二)发酵液处理
乳酸发酵时 CaCO3 是过量的。形成的乳酸钙为水合型,即含 5H2O。
发酵后
加热 90-100℃
石灰乳
中和至 pH 9.5-10
压滤
脱色
压滤 70-80 ℃
空气下雾化,直接喷入
(五)乳酸钙的酸解及石膏的分离
乳酸钙中加入 H2SO4 即生成乳酸
(CH3COHCOO)2Ca5·H2O + H2SO4
2CH3CHOHCOOH + CaSO4·2H2O
石膏与乳酸浓度的关系,总体趋势类似于正弦抛物线
在乳酸浓度 10%时,石膏溶解度最大 在乳酸浓度 40%时,稳定平缓曲线 乳酸钙浓度不超过 18%; 硫酸过量 0.5%
12-35℃ 40-80℃
Y=1.9 exp(0.035 T) Y---- 乳酸钙在水中的溶解度 T---- 代表温度 (℃)
Y=1.4 exp(0.0435 T)
(四 )乳酸钙流化干燥造粒
流化干躁 是流化技术及喷雾干燥造粒过程合而为一的干燥技术
蒸发 在同一流化床内完成多种操作 结晶
干燥 造粒 操作步骤 √ 在硫化床层内放入小颗粒乳酸钙物料,料厚 200 mm √ 鼓风机 4 传送的空气,经加热器 6,进入流化床 11 √ 料液 65%乳酸钙溶液由料液槽 8,经气流式喷嘴 10,在压缩 流化床床层内
2-3% 单糖 糠醛、HAc、甲基糠醛
戊糖乳杆菌
C6H12O6
2 C3H6O3
C5H10O5
1、原料预处理
C3H6H3 + CH3COOH
(1)去除 SO2
蒸汽蒸发处理
(2)沉淀处理
90%蒸汽冷凝在液体中
10%蒸汽带出,即 SO2 被带出
废液
石灰乳
调 pH 4.0 *
8.5
处理条件
2、发酵工艺
35 ℃,pH 8.5 , 30 min
发酵周期 5-6 d ,残糖 1 g/L(150)
(二)蔗糖发酵工艺
德氏乳杆菌
加水


70
甘蔗
CaC

粗糖
O3










发酵结束后
加石灰乳 加热 静置 压滤
(三)亚硫酸盐废液发酵工艺 亚硫酸盐废液成分
使 pH 上升至 9-10 升温 70 6-12 h
发酵抑制物
SO2 SO32木质素 少量
水解方法
酸解 单行发酵工艺 酶法 并行发酵工艺
糖化、发酵同时进行
糖化剂
酶制剂
菌种
麦芽粉
麸曲
无机酸
德氏乳杆菌 米根霉
2、辅助原料
乳酸菌的生长、繁殖、发酵能力的获得与其它菌一样,也需要添加适宜营养物质
理论
氨基酸、维生素、核酸碱基
天然
麸皮、米糠、玉米浆、麦根
营养盐添加量
亚适量水平
(1)麸皮 是面粉工业的副产品,乳酸菌生长需要的许多生长因子麸皮中均有
如 镁、磷、铁、钙、生物素、维生素
(2)玉米浆 玉米用亚硫酸盐溶液浸出和浓缩而成
(3)麦根
是啤酒工业制麦工段的副产物,含氮量高达 30% 麦根中含有许多种游离的氨基酸,碳水化物,维生素,叶酸,生物素
大麦必须通过发芽过程将内含的难溶性淀料转变为用于酿造工序的可溶性糖类。大麦在收获后先贮存
2-3 月,才能进入麦芽车间开始制造麦芽。 为了得到干净、一致的优良麦芽,制麦前,大麦需先经风选或筛选除杂,永磁筒去铁,比重去石机除石, 精选机分级。 制麦的主要过程为:大麦进入浸麦槽洗麦、吸水后,进入发芽箱发芽,成为绿麦芽。绿麦芽进入干燥塔/炉 烘干,经除根机去根,制成成品麦芽。从大麦到制成麦芽需要 10 天左右时间。
种子罐容积约生产罐的 1/13 – 1/12
装料系数 0.8
培养基配方
单位 g / L
葡萄糖
150
麦根
3.75
(NH4)2HPO4
2.5
CaCO3
100
3、发酵工艺条件
德氏乳杆菌,发酵温度 50+1 ℃
pH 大于 5.0 ,若 pH 小于,则发酵速度减慢
填料系数 0.8
正常发酵时,罐口敞开,使 CO2 逸出
原料
调浆
糖化
冷却
糖液
过滤
脱色
中和
淀粉乳浓度 盐酸量占干淀粉的 pH 值
180 -200 g / L 0.5-0.8 %
1.5
水解终点的判断方法 由图 2-2 可知,曲线为正弦抛物线。 B 点为最大点,过了 B 点,可发酵糖 产率呈下降趋势 这是因副反应增加所引起 故要在最大值 B 点之 前,即 A 点放料,到 C 点完成。
ZnL2 + CaSO4
ZnL2 + H2S
2HL + ZaS
L
乳酸根 CH3CHOHCOO-
6、酯化法
乳酸与低级醇形成酯
酯通入水蒸汽,酯分解得纯 97%乳酸
CH3CHOHCOOH + ROH
CH3CHOHCOOR + H2O
(七)乳酸溶液的浓缩
乳酸钙酸解后,经初步净化,浓度约 110 g/kg √ 工业级乳酸 500-600 g/kg √ 药品级乳酸 850 g/kg
√ 补加麦根 / 玉米粉
乳酸糖蜜发酵工艺条件
发酵温度 接种量
pH 周期 残糖 加石灰乳 精制
50 ℃ 10 %
6.5 4-5 d
5 g/L pH 9-10
四、乳酸的提取精制
吸附 重结晶 离子交换 萃取 蒸馏 离心 过滤
(一)工艺流程
1、以水解糖生产乳酸生产工艺
种母罐
发酵液
加热
净化脱色
脱色
去除沉淀
酸解
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