年产2万吨一水柠檬酸生产工艺设计.doc

PAGE 第 PAGE 1 页 共 NUMPAGES 19 页 1前言 1.1柠檬酸的简介 柠檬酸（Citric acid），又称枸椽酸，是一种三元羧酸, 其学名为3-羟基-3-羧基戊二酸，分子式C6H8O7 ( 无水物)，在自然界中存在于柠檬、柑桔、梅、李子、梨、桃、无花果等水果中。柠檬酸具有无毒，无色，无臭特性，一般为半透明结晶或白色粉末，易溶于水、乙醇、乙腈、乙醚等[1]，不溶于苯，微溶于氯仿。相对密度1.542g/cm3，熔点153℃(失水)。柠檬酸结晶形态因结晶条件不同而不同，有无水柠檬酸，也有含结晶水的柠檬酸。在干燥空气中微有风化性，在潮湿空气中有潮解性，175℃以上分解放出水及二氧化碳。柠檬酸是一种较强的有机酸，有3个H＋可以电离；水溶液呈酸性，加热可以分解成多种产物，与酸、碱、甘油等发生反应。其具有令人愉悦的酸味，入口爽快，无后酸味，安全无毒，被广泛用作食品和饮料的酸味剂；能与二价或三价的阳离子形成络合物，被用作金属加工的鳌合剂和洗净剂（起软化水作用的洗净力补充剂）；还能衍生形成许多衍生物，可用作有机化学工业的原料。因此被广泛用于食品饮料、医药化工、清洗与化装品、有机材料等领域，是目前世界需求量最大的一种有机酸[2]，到目前还没有一种可以取代柠檬酸的酸味剂。 1.2 柠檬酸发酵菌黑曲霉积累柠檬酸的机理 1.2.1 黑曲霉柠檬酸代谢途径 比较公认的是黑曲霉柠檬酸代谢途径, 见图1.1, 六碳糖经由EMP 途径生成丙酮酸, 然后丙酮酸一方面氧化脱羧生成乙酰CoA, 另一方面固定CO2生成草酰乙酸, 然后草酰乙酸与乙酰CoA 缩合生成柠檬酸[3]。 图1.1 黑曲霉中柠檬酸代谢 1.2.2 黑曲霉对柠檬酸的代谢调控 柠檬酸是TCA循环的中间代谢产物,正常条件下不会积累,所以要有必要的代谢调节,使柠檬酸生成途径的酶活力强大,分解途径的酶活减弱或者失活。其中, 磷酸果糖激酶(PEK),柠檬酸合成酶,异柠檬酸脱氢酶和顺乌头酸水合酶的调节是至关重要的。PEK 受柠檬酸和ATP抑制,受AMP、Pi和NH4+ 激活,NH4+ 存在可以有效解除PEK对柠檬酸积累的敏感性。柠檬酸合成酶只对CoA和ATP有敏感性, 该酶对乙酰CoA 的亲和力取决于草酰乙酸的浓度,柠檬酸积累时,亲和力增加。乌头酸水合酶催化柠檬酸分解,使乌头酸水合酶失活或者是阻止其合成降低柠檬酸的分解,是提高柠檬酸积累的关键之一。黑曲霉中发现谷氨酸及在胞内代谢为谷氨酸的天冬氨酸,脯氨酸, 都可促进柠檬酸的积累,推测他们阻止了该酶的合成。柠檬酸对该酶的合成有诱导作用,只有破坏诱导机制的菌株才能积累柠檬酸。 1.3 柠檬酸发酵原料和菌种 我国柠檬酸生产的主要原料包括淀粉、葡萄糖、玉米粉、稻米粉、木薯粉等, 现在工业化生产大都选用薯干,玉米粉为原料,而欧美等国家则采用葡萄糖,淀粉等精料进行发酵。在我国20世纪90年代以前柠檬酸行业还主要是以薯干粉为原料发酵柠檬酸,但由于薯干粉属粗料发酵,带有一定的固有弊端,如培养基营养波动,大量不参与生化反应的杂质空耗能源,并给提取增加负担,发酵总糖浓度偏低,影响发酵指数和设备利用率,发酵滤渣价值很低,难以综合利用等等。20世纪90年代初期天津工业微生物研究所开始研究以玉米粉为原料的生产工艺,并得到广泛的应用[4]。 柠檬酸生产菌主要有以淀粉质原料或糖质为原料的黑曲霉（Aspergillus niger）以及以正烷烃为原料的解脂假丝酵母（Candida lipolytica ）和热带假丝酵母（C.tropicalis）。柠檬酸高产菌株选育工作非常重要，选种工作主要集中在：①产酸高；②周期短；③产物单一；④营养要求粗放。 我国育种方法主要采用亚硝基胍、亚硝基脲、乙基胺、 g射线、紫外线等，原生质体融合、异宗结合的单倍体和双倍体以及准性生殖中的二倍体分离子等，获得突变株或工程菌。 1.4 柠檬酸的生产方法[5] 柠檬酸的生产方法共可分为3种:水果提取法,化学合成法,生物发酵法。 1.4.1 水果提取法 柠檬酸可以从柠檬、橙、橘子、苹果等柠檬酸含量较高的水果中提取。当今, 水果的生产已经产业化, 水果产量也随之增加, 并且比较集中, 在考虑生态果园和综合利用时, 可以利用这种方法来提取柠檬酸。但此法成本较高, 不利于投入工业化生产。 1.4.2 化学合成法 化学合成法的原料有丙酮、二氯丙酮或乙烯酮。以二氯丙酮为原料的合成路线如下: 由于化学合成法工艺复杂, 成本高, 安全性较低,很少使用。 1.4.3 生物发酵法 表面发酵法 此法又称浅层发酵法, 多以甜菜糖蜜为原料。工艺过程为: 将原料先放入煮沸锅内加水煮沸, 依次加黄血盐和ETDA二钠盐煮沸灭菌, 再用无菌水配成培养基液, 加入适量的硫酸铵、磷酸二氢钾作为氮源和营养盐