【文章內(nèi)容簡介】 － NH3 C NC－ CH2 OH NC－ CH2 COOH C HOOC－ CH2 OH HOOC－ CH2 COOH ＋ HCN － 2HCl ＋ 4H2O － NH3 黃石理工學院 畢業(yè)論文 5 氮源和營養(yǎng)鹽，將培養(yǎng)基液在 45~50℃ 下送入發(fā)酵室內(nèi)裝入淺底的鋁盤或不銹鋼盤中，干孢子接入黑曲霉干孢，發(fā)酵；過濾掉菌絲后將發(fā)酵液中和、酸解、凈化、濃縮、結晶等后處理而得檸檬酸。該方法具有設備簡單，投資少投產(chǎn)快，操作簡單，能耗低；原料粗放，產(chǎn)酸濃度高等優(yōu)點。但也有占地面積大，勞動強度高，發(fā)酵時間長，菌體生成量影響產(chǎn)酸率等缺點。 ② 固體發(fā)酵法也屬淺盤發(fā)酵法的一種， 是將固體原料與曲霉菌絲體混合，經(jīng)過微生物的代謝活動，將原料中的可發(fā)酵成分轉化為檸檬酸。此法雖然較落后，但可利用薯渣等固體原料進行發(fā)酵，發(fā)酵后的殘渣仍可作為飼料。采用固體發(fā)酵所用儀器設備簡單，投資少，操作簡便，原料粗放，發(fā)酵時間短，但其占地面積大，勞動強度大，產(chǎn)酸率及提取率低，副產(chǎn)物多。因為該法有一些優(yōu)點，故有存在的價值。 ③ 深層發(fā)酵法和表面發(fā)酵的基本原理相似，只是發(fā)酵過程發(fā)生在密閉的大型發(fā)酵罐內(nèi)，菌體的生長分散在整個液體介質內(nèi)。深層發(fā)酵的關鍵設備是發(fā)酵罐。發(fā)酵罐通常由罐體、攪拌、冷卻裝置和空氣分布器等組成。 配制好的發(fā)酵原料經(jīng)滅菌、冷卻后，將培養(yǎng)的優(yōu)育菌種先接種于種子罐，再轉移至發(fā)酵罐。發(fā)酵期間罐內(nèi)始終通入無菌空氣，以增加培養(yǎng)基內(nèi)的溶解氧，注意控制發(fā)酵溫度、 pH、通氣量及攪拌速度，維持菌體的生長。該方法的優(yōu)點是：發(fā)酵體系為均一的液體，傳熱傳質良好；設備占地面積小，生產(chǎn)規(guī)模大；發(fā)酵速率高，時間短；產(chǎn)酸率高，菌體生成量小，原材料消耗低；便于機械化操作；發(fā)酵副產(chǎn)物少，產(chǎn)品得率高，產(chǎn)品質量高等，從而使其成為當今世界生產(chǎn)檸檬酸的最主要的方法。 ④ 石油烴（正構烷烴）發(fā)酵法采用解脂覆膜孢酵母為菌種，以石油為原料發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸 是基于分解長鏈烷烴的能力，先通過一端氧化產(chǎn)生長鏈脂肪酸，誘發(fā)子鏈打開，借 β氧化或 ω氧化作用成為短鏈脂肪酸，然后進入三羧酸循環(huán)產(chǎn)生檸檬酸，反應歷程如下： C16H34 + + H2O → C 16H32O2 + 2H2 C16H32O2 + 16H2O + ATP → 8C 2H4O2 + 14H2 + AMP + 2Pi 3C2H4O2 + H2O → C 6H8O7 + 3H2 我國檸檬酸工業(yè)的發(fā)展歷程 菌種選育屢結碩果 優(yōu)良的菌種對檸檬酸發(fā)酵起著決定性的作用，我國在菌種選 育方面的研究非?；钴S，近二十年來不斷有新的菌種面世，使我國的檸檬酸發(fā)酵達到世界先進水平，黃石理工學院 畢業(yè)論文 6 對總糖轉化率最高已達 %。 20 世紀 70 年代，上海工微所以酒精生產(chǎn)上所用的固體曲菌種宇佐美曲霉為出發(fā)菌，經(jīng) 60Coγ射線及氮芥誘變處理，以薯干為原料進行檸檬酸菌種篩選，獲得我國第一代檸檬酸生產(chǎn)菌 ——宇佐美曲霉 N558， N558 產(chǎn)酸水平 6～ 7%，轉化率 70～80%，周期 120 小時。 采用在篩選平板培養(yǎng)基之中添加 10%檸檬酸的方法，從土壤中篩選出野生黑曲霉 628，經(jīng) 60Coγ射線 8～ 10 萬倫輻射之后，通過常規(guī)的變 色平板即在平板之中加入 %的溴酚藍，采用比較顯色圈和菌落的直徑等方法，選育出了黑曲霉 D353，此菌種發(fā)酵產(chǎn)酸 8～ 9%，轉化率 80～ 90%，周期 96～ 120 小時。 朱享政等為了將 3008 用于葡萄糖母液發(fā)酵，又進行了連續(xù)誘變，即用硫酸二乙酯（ EDS）處理后再經(jīng) Co60γ射線輻照，根據(jù)檸檬酸高產(chǎn)菌株不產(chǎn)孢子和菌球較小的經(jīng)驗，篩選出了 Co827 菌種。 Co827 是我國檸檬酸發(fā)酵史上最重要的菌種之一，一直沿用至今，發(fā)酵產(chǎn)酸 13%～ 14%，轉化率 95%以上，發(fā)酵周期 64 小時。 因地制宜調整原料結構 目前工業(yè)上使用的原料主要有以下幾種： 薯類：甘薯、木薯、馬鈴薯、甘薯干、木薯干、馬鈴薯干、薯渣 谷類：玉米、小麥或小麥面粉、大米 淀粉：各種谷類、薯類等加工成的淀粉 糖類：蔗糖、甜菜糖及其糖蜜，由淀粉水解而得到的各種單糖、雙糖 裝備情況大為改觀 設備趨于大型化、連續(xù)化、自動化。最大的噴環(huán)式好氧發(fā)酵罐的容積已達400m3，各種形式的帶式過濾機已廣泛應用，多效蒸發(fā)、連續(xù)結晶設備已實現(xiàn)國產(chǎn)化。工藝控制水平大幅提高，多數(shù)工廠已建立了自動化監(jiān)控系統(tǒng)和完善的計量網(wǎng)絡。 提取工藝取得突破性進展 傳統(tǒng)的鈣鹽提取法，勞動強度大，消耗大量的化學品，并產(chǎn)生大量的硫酸鈣廢渣，對環(huán)境造成污染，收率低，影響產(chǎn)品質量，形成巨大的成本開支，制約了檸檬酸行業(yè)的發(fā)展。取代鈣鹽法的檸檬酸提取新工藝已取得初步成功。中科院生態(tài)環(huán)境研究中心秦濤等研究成功了連續(xù)色譜離交工藝， 1998 年在安徽皁陽制藥廠建成了2020 噸 /年生產(chǎn)線。 黃石理工學院 畢業(yè)論文 7 2 總體工藝方案 引言 目前，在國內(nèi)外檸檬酸生產(chǎn)技術路線中液體深層發(fā)酵、鈣鹽提取技術仍是檸檬酸工業(yè)生產(chǎn)中的主導工藝路線。隨著生物工程及其下游技術的發(fā)展，精料、高糖發(fā)酵正成為檸檬酸發(fā)酵工 藝的發(fā)展趨勢，萃取工藝及色譜 (樹脂 )分離技術也在檸檬酸提取精制工藝中得到進一步的研究和發(fā)展。就目前檸檬酸發(fā)酵技術情況看，以玉米為原料的檸檬酸精料發(fā)酵已在國內(nèi)得到較廣泛的應用。玉米原料經(jīng)初步的脫胚后，磨粉液化制成發(fā)酵精料，使后續(xù)產(chǎn)品回收率提高近 5 個百分點，同時為精料高糖發(fā)酵打下了較好的開發(fā)基礎。另一方面，玉米處理的糖渣及胚芽等副產(chǎn)品收入又降低了玉米原料的成本。 在本設計中，原料處理及發(fā)酵工藝的確定，既要結合當?shù)卦咸匦?，也要考慮甲方已有的技術實力，使其生產(chǎn)技術路線不僅適應以薯干為原料的生產(chǎn)需要，也滿足 以玉米作為精制原料生產(chǎn)的要求。因而采用了玉米干法脫胚粉碎或薯干直接粉碎調漿、液化 (玉米液化漿 )壓濾、低壓連續(xù)噴射滅菌，液體深層發(fā)酵的工藝路線。 在提取精制工藝方面，溶媒法生產(chǎn)工藝因其生產(chǎn)技術、溶媒回收、生產(chǎn)成本、產(chǎn)品質量及產(chǎn)品的市場接受關念等多方因素，一直未形成大的工業(yè)生產(chǎn)方式，而色譜 (樹脂 )分離技術卻有一定發(fā)展。從 MESSO 公司與美國 ASTU 公司對中國檸檬酸工程的技術報價資料看，利用 Reillex HP 樹脂，采用 ISEP 連續(xù)法分離檸檬酸，在產(chǎn)品達標的情況下，具有生產(chǎn)成本低、三廢排放少、生產(chǎn)過程簡化 等優(yōu)勢，但該裝置對醪液中的殘?zhí)?、膠體、蛋白質等有機雜質及陰陽離子等有一定限制，對檸檬酸發(fā)酵醪液特性及預處理工藝有較高要求，其 “可操作性必需通過現(xiàn)場使用原始發(fā)酵醪液試驗后，方可得到證實。 ” 由于上述原因，并結合本設計多方面的具體情況，本著工藝合理先進的原則 ,在本工程提取工藝中仍確定采用鈣鹽提取的總體工藝方案。且在中和工藝上 ,結合原料特點、水資源狀況、污水排量及產(chǎn)品收率等情況 ,在考慮機械輸送、負壓除塵、螺旋無級變頻投料的前提下選用干法中和工藝。在后續(xù)工序上則以目前國內(nèi)外普遍采用的離交純化、蒸發(fā)結晶、分離 干燥為其基本工藝過程。 在生產(chǎn)過程的自動控制方面，以經(jīng)濟可靠為原則，利用醫(yī)用抗生素大型發(fā)酵系統(tǒng)微機控制技術，結合行業(yè)特點，重點對發(fā)酵溫度、 PH 值、罐壓、通風量及機械運行狀況實施微機監(jiān)控管理；對蒸發(fā)結晶系統(tǒng)的蒸汽流量、罐溫、罐壓 (真空度 )、黃石理工學院 畢業(yè)論文 8 物料回流量等實行自動控制，從而使工程整體技術裝備從硬件到軟件，都上升到一個新的技術水平。 綜上所述，在本設計中， “工藝合理、成熟，設備先進、適用，投資成本低 ”是我們確定生產(chǎn)技術方案中應當遵循的最基本原則。 根據(jù)這一原則，確定本設計在原料處理以后的工藝流程如 圖 21 所 示。 圖 21 檸檬酸的生產(chǎn)工藝流程圖 由 圖 21 可 見，其生產(chǎn)工藝的基本過程是： ——在接收糖漿后，根據(jù)糖漿組成作適當?shù)奶幚砘蚺渲?，配成發(fā)酵原料，進行連續(xù)殺菌并冷卻后，進入發(fā)酵罐加入菌種及凈化壓縮空氣進行發(fā)酵； ——發(fā)酵液經(jīng)升溫、過濾處理后，進入中和罐加 CaCO3 中和處理； ——再經(jīng)過過濾洗滌，得到檸檬酸鈣固體，送入酸解罐，再加 H2SO4 酸解，并加黃石理工學院 畢業(yè)論文 9 入活性炭脫色； ——然后，通過帶式過濾機過濾、酸解過濾，除去 CaSO4 及廢炭； ——酸解過濾液經(jīng)離子交換處理后，進行蒸發(fā)、濃縮， 再進行結晶； ——結晶后，用離心機進行固液分離，對得到的濕檸檬酸晶體進行干燥與篩選，最后得到成品的檸檬酸。 原料及其處理 原料 目前，國內(nèi)外生產(chǎn)檸檬酸的基本原料分為兩類：淀粉類與糖蜜類。 關于淀粉類原料，過去，我國長期僅僅使用各種薯干，如：馬鈴薯、甘薯、木薯等，技術比較成熟。此次 1 萬噸／年檸檬酸項目的工藝設計擬以薯干作為主要原料。 原料的處理 在本設計中，對原料的基本處理工藝方法是：采用薯干直接粉碎調漿、液化、 (玉米液化漿 )壓濾。結合一些實際條件，原料的處理由備料 車間來完成。 ①原料的運輸與貯存 薯干原料，由汽車運至廠區(qū)，經(jīng)過計量后，按包裝形式的不同 (袋裝或散裝 )，暫存于平倉中。存于平倉中的薯 干 ,采 用平倉散裝 (或者袋裝 )貯存輸送設備，輸送到備料車間內(nèi)。 ②原料的處理 根據(jù)發(fā)酵的要求，對兩種不同的原料分別處理： ——對薯干原料，采用直接粉碎、磨粉、調漿、液化、連續(xù)滅菌的處理方法； 以薯干原料生產(chǎn)時，根據(jù)我國薯干粗料的特征，發(fā)酵工藝要求將薯干從平倉運至備料車間，經(jīng)過磁選裝置除去原料中含鐵雜質，以保護設備。然后進入粗粉碎機，將薯干先軋成 1—3cm大小的小塊，以提 高磨粉機的效率，便于物料的輸送。粗碎后，由斗式提升機提送至中間粉倉，由粉倉落入磨粉機粉碎，粉碎后進入粉倉再經(jīng)計量送至配料罐。配料罐內(nèi)加水調漿，同時加入一淀粉酶升溫液化。液化完成后送至連消裝置連續(xù)滅菌，再送至發(fā)酵車間。 發(fā)酵及醪液處理工藝 工藝與工程 根據(jù)總體工藝技術路線，采用好氣液體深層發(fā)酵技術生產(chǎn)檸檬酸，成熟醪經(jīng)處理過濾后，為后續(xù)工藝提供符合要求的清潔醪液。 黃石理工學院 畢業(yè)論文 10 設計由發(fā)酵車間來完成發(fā)酵工藝，壓濾車間完成醪液處理工藝。 流程簡介 發(fā)酵及醪液處理工藝流程，見圖 22。 圖 22 檸檬酸液體深層發(fā)酵及醪液過濾工藝流程 現(xiàn)在結合圖 22，對發(fā)酵及醪液處理工藝的基本過程作一簡介。 發(fā)酵工序 由備料車間提供的經(jīng)連續(xù)滅菌并冷卻的料液，通過滅菌管道泵入已空消滅菌待料的發(fā)酵罐 (或種子罐 )，通過差壓法或零磅火焰倒種法，接入已培養(yǎng)好的檸檬酸菌種，在通風、攪拌情況下，進行發(fā)酵或培養(yǎng)。在發(fā)酵培養(yǎng)過程中，對罐溫、罐壓、通風量、攪拌轉速等實行連續(xù)記錄監(jiān)控，并定期檢測原糖消耗情況、菌種生長狀態(tài)、 ph值、泡沫等變化情況。根據(jù)發(fā)酵的工藝特性要求，及時調整控制發(fā)酵工藝過程，以獲得最 佳工藝產(chǎn)酸率或種罐菌種活力，一般經(jīng) 65 小時 (種罐約 28 小時 )培養(yǎng)，大罐在殘?zhí)侵笜?、產(chǎn)酸情況達到放罐條件即可放罐：種罐菌種活力及菌群數(shù)量達標后，即可移種。在發(fā)酵或培種過程的定期檢測中，若發(fā)現(xiàn)異常情況，如染菌等，應針對具體情況及時處理，對中、前期染菌，可加大種量形成主菌群生長優(yōu)勢，或及時罐實消，補入適當營養(yǎng)源重新接種發(fā)酵；后期時可加強監(jiān)控，提前放罐；對倒罐等應予滅菌排放處理，并認真查找原因，進一步強化滅菌操作中的各個環(huán)節(jié)。 黃石理工學院 畢業(yè)論文 11 醪液處理工序 檸檬酸發(fā)酵完成后，應即時進行熱處理，以滅活發(fā)酵 ，絮凝蛋白、提高收率，本工藝中為提高設備利用率，增設醪液貯罐，通過熱交換器，及時將醪液加熱至 80℃后進入醪液熱貯罐，再經(jīng)泵壓入過濾機，除掉固形物及菌體殘渣，將清醪液泵入下道工序。 粗提與精制工藝 工藝與工程 根據(jù)總體工藝方案，確定本工序的生產(chǎn)方法為：鈣鹽干法提取工藝，即檸檬酸清醪液經(jīng) CaCO3，干法中和、帶式過濾機過濾、濃硫酸酸解、離交純化、連續(xù)蒸發(fā)結晶、離心干燥工藝。這些工藝合起來統(tǒng)稱為粗提與精制工藝。 提取工段所要完成的工藝是：中和及其過濾，酸解及其過濾； 精制工段所要完 成的工藝是：離子交換、脫色、蒸發(fā)、濃縮、結晶、干燥