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柠檬酸代谢.ppt

柠檬酸代谢

lzz19900815
2013-04-18 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《柠檬酸代谢ppt》,可适用于高等教育领域

柠檬酸生产工艺简介柠檬酸生产工艺简介第二节柠檬酸发酵与代谢调控综述综述发酵有机酸工业在世界经济发展中,占有一定的地位它的价值不在于产物本身的产值而在于它所创造的社会效益。就目前市场占有率而言仍以柠檬酸为主塔占酸味剂市场的左右。柠檬酸生产能力及市场预测世界柠檬酸产量年递增率约而中国柠檬酸差不多以每年翻一番的生产能力递增目前世界柠檬酸需求量已达余万吨年中国仅出口柠檬酸及盐类已达万吨国内需求余万吨总产量占世界总量的成为世界第一柠檬酸生产大国。国内发展史:中国柠檬酸于年开始工业化生产年进入国际市场由于市场旺盛换汇效益好带动了我国柠檬酸工业迅速发展。现有生产能力万吨年最多时约有各生产厂但由于生产规模小经营手段落后经受不起市场考验通过优胜劣汰正式生产厂家不足家但其生产规模已逐渐壮大。年产量居世界首位。柠檬酸发展史(一)柠檬酸发展史(一)柠檬酸是生物体主要代谢产物之一在自然界分布很广主要存在于柠檬、柑橘、菠萝、梅、李、梨、桃、无花果等果实中尤以未成熟者含量较多。植物叶子中(如烟叶、棉叶、菜豆叶等)也含有柠檬酸。它在植物体内常与苹果酸、草酸、酒石酸等共存。在动物骨骼、肌肉、血液、乳汁、唾液、汉和尿中柠檬酸或以游离状态或以金属盐的形式存在。年瑞典化学家scheel首次从柠檬汁中提出柠檬酸并结晶出固体柠檬酸。年由liebig鉴定出它是一种含有一个羟基的三元酸。年意大利开始从果汁中用添加石灰乳的办法得到柠檬酸进行工业化生产年美、法、德等国开始从果汁中工业化生产柠檬酸直到世纪初。年德国微生物学家wehmer发现一种青霉菌能产柠檬酸。年zahorski首先利用黑曲霉(Sterigmatocustisniger)生产柠檬酸年美国农业部华盛顿化学局微生物研究室对曲霉普查发现很多种菌种能产生柠檬酸奠定了发酵法生产柠檬酸的科学基础。年比利时一家工厂成功进行了浅盘发酵法生产柠檬酸年美国pfizer公司开始采用黑曲霉浅盘发酵法工业化生产柠檬酸。此后比利时、英国、德国、捷克、前苏联等国家也相继继续研究成功原料主要用糖蜜是年柠檬酸世界产量达到吨年达到吨年达到吨年月吨。年美国mils公司首先成功采用深层发酵法工业化规模生产柠檬酸由于这种新工艺比传统浅盘工艺有更多的优越性因而推动了世界发酵柠檬酸工业迅速发展。柠檬酸发展史(二)柠檬酸发展史(二)我国柠檬酸工业解放前是个空白。解放初进行浅盘发酵法的研究工作。世纪年代初曾在天津建设一座小型试验性生产厂。年轻工部食品发酵研究所在黑龙江和平糖厂建立了我国第一个柠檬酸生产车间世纪年代末和年代初金其荣等人进行了柠檬酸发酵的菌种研究年我国第一家以淀粉原料深层发酵柠檬酸成功投产的厂是上海酵母厂同期天津工微所开展了以适合我国国情的薯干原料深层发酵柠檬酸的研究工作。之后上海工微所用该所的“东酒号”黑曲霉为出发菌株用薯干分作培养基很快选出了我国第一代深层发酵柠檬酸生产菌种AI由原轻工部立项组织上海、天津两个工微所、上海复旦大学生物系、上海新型发酵厂、上海酵母厂、天津柠檬酸厂、南通油酒厂等单位在南通油酒厂展开了薯干深层发酵、全离交提取工艺中的中、大型试验工作并取得了成功从而推动了我国柠檬酸工业于世纪年代初形成了工业体系。年代中期到年代是我国柠檬酸菌种选育的高峰期先后选育出带薯干原料高产菌株和适应淀粉、木薯、葡萄糖母液、糖蜜等原料的优良菌株。此后各生产厂的广大科技人员通过不懈努力提高了柠檬酸行业的整体水平特别在缩短发酵周期、提高单产方面成绩突出是我国柠檬酸发酵技术处于世界领先地位。年金其荣与蚌埠柠檬酸厂共同开发了玉米去渣发酵新工艺该工艺由原淮海工学院王兆光教授在整个发酵行业进行推广取得了极为显著的经济效益。柠檬酸命名及理化性质柠檬酸命名及理化性质柠檬酸(citricacid)又名枸橼酸学名羟基丙烷三羧酸、羟基丙烷、、三羧酸分子式:CHO相对分子量:商品柠檬酸有一水和无水之分一水物的分子式为CHOHO相对分子量。柠檬酸分子结构式:CHCOOHHOCCOOHCHCOOH柠檬酸物理性质:柠檬酸是动植物体内的一种天然成分和生理代谢的中间产物也是食品、医药、化工等领域应用最广泛的有机酸之一它是无色半透明晶体或粒状、微粒状粉末无臭虽有强烈酸味但令人愉快稍有后涩味。在温暖空气中渐渐风化在潮湿空气中微有潮解性。、晶体形态和性质:无水柠檬酸和一水柠檬酸的结晶条件不同因此他们晶体形态也不相同一水柠檬酸是由低温(≤℃)水溶液中结晶析出晶分离、干燥后的产物含结晶水量为熔点~℃相对密度d=在干燥空气中久置处于晶体晶格中的结晶水溢出而风化当缓慢加热时晶体先在~℃开始失水~℃软化而开始熔化至℃完全失去结晶水~℃范围内完全熔化。一水柠檬酸剧烈加热时在℃开始熔化结块变为无水柠檬酸继续加热很精确地在℃熔化。无水柠檬酸有较高温度(>℃)水溶液中结晶析出的。一水柠檬酸转变为无水柠檬酸的临界温度为(±℃)无水柠檬酸熔点℃柠檬酸化学性质柠檬酸化学性质一、酸性与电离柠檬酸是一种较强的有机酸有个H可以电离:HCiHO↔HCiHOHCiHO↔HCiHOHCiHO↔CiHOCi代表柠檬酸根一级和二级电离常数都随温度升高而增大三级电离常数虽在~℃范围内随温度上升略有增大但后来反而减少。二、柠檬酸钙盐通常有三种类型柠檬酸一钙、柠檬酸二钙、柠檬酸三钙工业生产中的柠檬酸钙指柠檬酸三钙。它是细小的棒状白色晶体或白色粉末状晶体通常含有个结晶水相对分子量。如果生产中低温(≤℃)中和会生成含有个结晶水的钙盐水中溶解度较大在柠檬酸钠溶液中添加氯化钙则能生成胶状柠檬酸钙离子能溶于水继而失去电荷称为水柠檬酸钙在水中沉淀升温至℃失去部分结晶水成为水柠檬酸钙。柠檬酸钙在水中溶解度较小并随温度升高而进一步降低如果温度升高至~℃柠檬酸钙的溶解度可从℃的gL水降低到gL水。柠檬酸钙能溶于过量的柠檬酸及氯化铵溶液中煮沸时仍可析出。几乎不溶于乙醇。柠檬酸钙溶解度与溶液PH值有关。柠檬酸用途柠檬酸用途柠檬酸在食品工业上的应用柠檬酸在药物、美容、化妆品上的应用柠檬酸在工业上应用柠檬酸在食品工业应用柠檬酸在食品工业应用、饮料(占总产量)、果酱与果冻、糖果、冷冻食品、酿造酒、冰淇淋和酸奶、脂肪和油、腌制品、罐头食品和水果加工、豆制品与调味品柠檬酸在药物、美容、化妆品上应用柠檬酸在药物、美容、化妆品上应用、药物:泡腾片、营养口服液、发蜡与化妆品:染发、烫发、洗发剂、气溶胶牙齿清洁剂等柠檬酸在工业上应用柠檬酸在工业上应用、金属净化剂、去垢剂、无土栽培农艺、矿物和颜料方面的应用、电镀、治理工业废气、废水、回收金属、石油井去除铁栓、纺织品、混凝土、石灰、熟石膏处理等用、胶粘剂、其他柠檬酸生产工艺柠檬酸生产工艺菌中培养种子罐培养预浓缩离子交换酸抽(硫酸钙过滤)酸解钙盐洗涤中和反应发酵液过滤发酵罐培养离心分离浓缩结晶精密过滤包装烘干菌种培养菌种培养一、黑曲霉生产菌的选育:柠檬酸生产菌的选育可分为自然选育和诱变选育在生产过程中不经人工处理利用菌种自身的突变或直接从自然界中人力筛选的过程叫自然选育若通过诱变剂处理拉提高菌种的突变频率扩大变异幅度从中选出具有优良性状的突变株成为诱变育种。诱变育种步骤:出发菌株孢子悬浮液”浓缩“过滤培养麦芽汁平板分离斜面培养摇瓶复筛斜面培养纯化、复壮、传代试验生产条件试验扩大生产试验新菌株鉴定。二、黑曲霉生产菌扩大培养:菌种的扩大培养就是从少量的微生物原种开始经过数代繁殖培养为每次发酵提供相当数量的健壮的菌种培养物国内柠檬酸发酵生产的菌种扩大培养普遍采用:一级二级三级原种斜面培养斜面培养三角瓶麸曲培养种子罐培养发酵罐发酵直接接入发酵罐柠檬酸生产工艺柠檬酸生产工艺菌中培养种子罐培养预浓缩离子交换酸抽(硫酸钙过滤)酸解钙盐洗涤中和反应发酵液过滤发酵罐生产离心分离浓缩结晶精密过滤包装烘干发酵生产(一)发酵生产(一)柠檬酸发酵采用两级发酵工艺其主要目的是利用种子罐进行菌种前期预培养以有效缩短发酵罐生产周期节约能耗可提前检测是否感染杂菌以减少损失。、发酵原料预处理:几乎所有含淀粉和可发酵性糖类的农副产物都可作为柠檬酸的发酵原料由于各种原料中非糖类杂质的组份和量的不同需要不同的理化方法进行预处理以适应柠檬酸生产菌的发酵条件。淀粉质原料液化利用化学催化剂或生物催化剂在具有一定量的水和一定的温度条件下湿淀粉分子断裂而变成较小分子使淀粉糊的粘度显著下降而成为流动性较好的流体工业上称为“淀粉液化”目前行业内多采用酶法连续喷射液化工艺。、发酵灭菌:柠檬酸发酵要求全过程进行纯种培养即只允许柠檬酸生产菌的存在、生长和繁殖决不能让其他微生物同时出现在发酵过程特别在斜面培养、麸曲菌种、种子罐培菌以及发酵早期更要严格保证纯培养牢固树立无菌概念、严格无菌操作是所有深层发酵生产必须遵循的操作纪律。灭菌方法:火焰灼烧灭菌、干热灭菌、湿热灭菌、辐射灭菌、消毒及灭菌。、无菌空气制备:柠檬酸深层发酵是利用溶解于溶液中的氧其来源则是通过压缩机提供的压缩空气。自然界的空气是带尘和细菌的空气且通过压缩机压缩和管道疏通增加了水、油、污、金属屑等杂物因此进入发酵罐的空气必须是通过适当方法处理后的干净、无菌空气。空气除菌净化的方法很多目前柠檬酸发酵时采用介质过滤制备无菌空气。发酵生产(二)发酵生产(二)黑曲霉柠檬酸发酵条件控制:营养要求:黑曲霉生产菌是化能异养微生物只能利用有机碳源。为了满足黑曲霉菌的生长、繁殖必须提供足量的碳源、氮源和无机盐是培养基中的化学物质元素组成和菌体物质元素组成相当。但要使黑曲霉柠檬酸产生菌大量生成和积累柠檬酸必须控制营养物质的共给使菌体生长受限制处于半饥饿状态和代谢失调状态。温度控制:黑曲霉属嗜热微生物最适生长温度~℃我国采用淀粉质原料的浓醪发酵一般温度控制℃左右。PH值控制:黑曲霉柠檬酸生产菌生长发育适宜PH~在含糖培养基中分生孢子在PH~发育良好若起始PH较低会强烈抑制它的发育。PH以下分生孢子不膨胀当PH大于时分生孢子会剧烈膨胀甚至破裂。一般认为柠檬酸发酵菌种生长期PH维持在而柠檬酸积累是即产酸期最适PH~。接种量和接种方式:柠檬酸发酵接种量多少直接决定于进入培养系统(包括一级种子和二级种子)的孢子数量。溶解氧控制:黑曲霉柠檬酸产生菌是严格的好氧微生物不管生长、繁殖、还是产酸均需要氧。实践证明黑曲霉产酸速率几乎与溶氧分压成正比当溶氧分压下降到kPa是产酸速率下降不大当溶氧分压下降到kPa时产酸能力基本丧失。降至kPa时产酸能力完全丧失这种低溶氧下产酸能力丧失很少能重新恢复因此柠檬酸发酵中必须共给充足的氧。柠檬酸生产工艺柠檬酸生产工艺菌中培养种子罐培养预浓缩离子交换酸抽(硫酸钙过滤)酸解钙盐洗涤中和反应发酵液过滤发酵罐培养离心分离浓缩结晶精密过滤包装烘干发酵醪处理发酵醪处理一、发酵醪的预处理:、发酵产物组分:柠檬酸:~gL草酸:~gL葡萄糖酸:~gL其他杂酸:~gL残总糖:~gL蛋白质:~gL纤维及菌体:~gL、发酵醪预处理方法:预处理的目的是为柠檬酸的提取工作创造一个好的条件柠檬酸发酵醪主要是将新鲜成熟发酵醪进行热处理。作用是可及时杀灭柠檬酸产生菌和杂菌终止发酵防止柠檬酸被代谢分解使蛋白质变性絮凝破坏了胶体降低了料液粘度利于过滤可使菌体中的柠檬酸部分释放出来。二、发酵醪过滤、目的:彻底除去发酵醪中的悬浮物除去发酵醪中的草酸尽可能减少滤液稀释度把柠檬酸损失减到最低限度。、过滤:使固、液两相分离常用的有效方法其基本原理是利用一种有很多毛细孔的物体作过滤介质利用过滤介质两侧的压力差为推动力是被过滤的液体由介质的小孔通过以得到澄清的滤液悬浮物被截留而积聚在介质表面形成滤饼。柠檬酸生产工艺柠檬酸生产工艺菌中培养种子罐培养预浓缩离子交换酸抽(硫酸钙过滤)酸解钙盐洗涤中和反应发酵液过滤发酵罐培养离心分离浓缩结晶精密过滤包装烘干中和酸解反应中和酸解反应中和原理中和的原理是基于在一定温度和PH条件下Ca(CHO)HO在水中溶解度极小的特性用钙盐或钙碱与溶液中的柠檬酸发生中和反应产生四水柠檬酸钙从溶液中沉淀析出除去残液得到柠檬酸钙固体。所用的中和剂有CaCO、Ca(OH)的乳浆。反应方程式为:CHOHOCaCOCa(CHO)HO↓CO↑HOCHOHOCa(OH)Ca(CHO)HO↓HO酸解原理:是利用柠檬酸钙在酸性条件下其解离常数随H浓度的增高而增大的特性在强酸(硫酸)存在的溶液中产生复分解反应生成难溶于水的石膏(GaSO)沉淀而将弱酸(柠檬酸)游离出来溶存于溶液中即利用在一定温度条件下GaSOHO溶解度低于Ca(CHO)HO的溶解度的原理加HSO产生复分解反应将柠檬酸从柠檬酸钙中分离出来然后分出硫酸钙得到粗柠檬酸溶液。其反应方程式:Ca(CHO)HOHSOHOCHOHOGaSOHO↓柠檬酸生产工艺柠檬酸生产工艺菌中培养种子罐培养预浓缩离子交换酸抽(硫酸钙过滤)酸解钙盐洗涤中和反应发酵液过滤发酵罐培养离心分离浓缩结晶精密过滤包装烘干离子交换离子交换离子交换:是指用阴、阳离子交换树脂除去酸解液中的有害阳、阴离子的化学反应过程。离子交换过程可用下列简式表示:阳离子交换过程:RSOHMRSOMH阴离子交换过程:RN(CH)OHClRN(CH)ClOH柠檬酸生产工艺柠檬酸生产工艺菌中培养种子罐培养预浓缩离子交换酸抽(硫酸钙过滤)酸解钙盐洗涤中和反应发酵液过滤发酵罐培养离心分离浓缩结晶精密过滤包装烘干蒸发浓缩结晶蒸发浓缩结晶蒸发:借加热作用使溶液中的一部分溶剂被汽化并不断排出时溶液中溶质浓度提高从而达到浓缩的目的。柠檬酸蒸发常在减压下进行而且通常采用多效蒸发以节约生蒸汽用量降低生产成本。结晶:使溶解于溶剂中的溶质呈结晶状从液相中析出的过程。它是制备纯净物质的有效方法。一水柠檬酸因结晶温度低于℃常采用冷却结晶方式即先将离交液预浓缩到一定浓度然后放入结晶缸降温利用柠檬酸不同温度下的溶解度差异使其形成过饱和溶液从而结晶析出。无水柠檬酸因结晶温度高于℃故通常采用连续浓缩使之浓度持续提高达到过饱和状态从而形成结晶析出。柠檬酸生产工艺柠檬酸生产工艺菌中培养种子罐培养预浓缩离子交换酸抽(硫酸钙过滤)酸解钙盐洗涤中和反应发酵液过滤发酵罐培养离心分离浓缩结晶精密过滤包装烘干离心烘干包装离心烘干包装离心分离:离心机高速运转时转鼓产生较高的离心力在转鼓过滤介质作用下实现固液分离。干燥:干燥的目的是通过物理方法除去湿柠檬酸晶体表面的游离水而又不失去一水柠檬酸的结晶水并保持晶形和晶体表面之光洁度。柠檬酸干燥采用热空气干燥法属于对流干燥。当然如要求较高也可采用真空干燥、微波干燥等先进干燥设备。筛分:从干燥机出来的柠檬酸立即进入筛分机分出巨大和极小颗粒符合粒度标准的产品进入料仓经检验合格后包装等外品返至蒸发结晶工序重溶再生产。包装:包装是柠檬酸下游工程最后一道工序也是把好质量关的最后一关。为冷却降温的产品不能包装未经检验和未发给合格证的产品不能包装不合格产品不能包装受污染和不整洁的包装材料不能用来包装称量要准确误差在允许范围之内称量衡器要保持灵敏并定期校验。储运:应储存于干燥通风库房不得与有毒、有害、有异味、有腐蚀物质混储、混装、混运被污染场地不能堆放搬运过程严禁扔、砸、钩、磕运输工具清洁、干燥并有防雨防晒设施不合格或结块的产品不得出厂。代谢调控代谢调控出发菌株的选择选育形态突变株碳酸钙透明圈选择法溴酚蓝显色圈选择法选育耐高渗透压的突变株选育不分解柠檬酸的突变株选育抗药性突变株选育氨基酸缺陷型突变株

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