年产10000吨柠檬酸发酵工厂的设计.docx

第一章总论一、设计项目设计课题：年产10000吨柠檬酸发酵工厂的设计厂址：珠三角重点车间：糖化车间、发酵车间重点设备：发酵罐二、设计范围1、全厂初步设计2、重点车间的工艺设计3、环境保护、卫生和“三废”处理设施4、重点车间工艺流程图一张5、重点车间设备布置平面图一张6、重点车间设备布置立面图一张7、重点设备装配图一张三、设计依据1、广东轻工职业技术学院食品与生物工程系下达的毕业设计任务书2、我国现行的有关设计和安装的技术规范和标准3、参考资料：现代发酵技术、新型发酵食品、发酵有机酸生产与应用、发 酵工厂设备、发酵工厂工业设计概论四、设计原则1、设计工作要体现国家有关方针、政策，切合实际，安全使用，技术先进， 作到精心设计，千方百计把工厂设计得合理，力求作到投资省，技术新，质量好， 收效快，使设计工作符合社会市场经济建设的总原则；2、设计工作必须从设计出发，认真调查研究，学会查阅文献，收集设计必须 的技术基础资料，加强技术经济的分析工作。设计的技术经济指标以达到或超过 国内同类型工厂生产实际平均先进水平为宜；3、要积极采用新技术，力求设计在技术上具有现实性何先进性，尽可能提高 劳动生产率，同时兼顾社会和环境效益；4、设计工作要贯彻经济的原则，反对盲目最求形式；厂房和厂区设计以适用、 经济为主导，适当讲究美观。注意节约用地，尽量少占耕地；5、生物产品的工厂设计要考虑其工厂的独特要求，既要注意到周围环境（包 括空气、水源）的清洁卫生，又要注意到工厂内各车间对卫生、无菌条件、防火 等的要求。另外，食品类工厂还要贯彻国家食品卫生法有关规定，充分体现卫生、 优美、流畅的原则。6、设计过程中必须加强计划性，各阶段工作都要有明确的进度，使毕业设计 工作能如期完成，最终通过毕业设计提高自身的分析和解决问题的能力。五、厂址选择的要求1、符合国家方针政策，厂址满足生产需要尽量不占良田，节约用地，又有发 展余地2、厂址的位置符合城市规划（供汽、供电、给排水、交通运输、职工文化生 活、商业网点）3、厂址周围有良好卫生环境，空气质量要好，选在城市主导风向的上风侧， 不受其他单位的烟尘和污染影响4、厂址的地区要接近原料、燃料基地和产品销售市场，必须要充足近水源电 源5、选在郊区不近民居的地段，不要在有传染病原区和污染的河流下游及可能 导致饮用水污染的地段6、具有良好的交通运输条件7、场地有效利用系数较高，并有远景规划的最终总体布局8、有一定的基建施工条件和投产够的协作条件9、厂址选择要有利于三废处理，保证环境卫生10、防洪措施的防洪构筑物标高后场地设计正平标高应高出3050年洪水重出期的0.3 0.5m六、建厂规模和产品方案：1、建厂的规模：年产10000吨，生产天数300天，三班制，连续操作生产2、生产方案：（1）以淀粉为原料，选用含淀粉比例为70%的薯干。（2）产品为98%纯度的柠檬酸，符合国家GB标准。（3）质量指标及技术指标指标名称指标数指标名称指标数生产规模10000 (t/a)糖化周期22h生产方法深层发酵、电参析吸交 法提取糖化收率98.4%年生产夭数300 (t/a)产酸率13.0%产品日产量34 (t/a)转化率94.3%产品质量纯度98%提取率79.5%发酵周期75h七、公用工程供热：由热厂供给蒸汽，自备锅炉供电：由电厂供给，自备发电机供水：由电厂（自备水井、水塔）及水厂共同供给压缩空气与制冷：由本厂自身生产供给八、环保处理1、废气处理:烟尘排放主要通过加高烟囱高度和采用除尘器等干式机械除尘。 生产中使用的和工艺流程中产生的HCl、H2S、HCHO、H2SO等气体通过设备密 封，使用液体石蜡与空气隔离等措施防止其溢出，对于泄漏的少量废气通过机械 排风和风筒高空排放等方式，做到不超标。2、废渣处理：柠檬酸发酵后的废渣提取壳聚糖、麦角醇、氨基葡萄糖等生化 产品技术废渣处理工艺：玉米f粉碎f调浆f液化f糖化f过滤f湿玉米渣f干燥f包装!糖化液进入发酵罐3、废水处理：废水中含有有机酸、糖、蛋白质、脂肪、淀粉、纤维素、酶菌等有机物及N、P、S等有机物。目前国外主要采用生化法进行简单处理。生化处 理主要采用管道式厌氧消化器和高温厌氧消化池进行处理。上流式厌氧污泥床（UASB）是国外主要采用的柠檬酸废水处理方法。废水通过反应器底部进水管进 入内筒，逐渐上升到反应器顶部的水分布器，通过红吸管均匀进入外筒和中筒之 间与驯化好的污泥相混合，在厌氧菌的作用下，废水中的有机物被分解成沼气。 通过斜板三相分离作用，水通过三相分离器上的上部的出水管排出，污泥留在反 应器底部，沼气通过水封经管道排出，进入气柜被锅炉利用。上流式厌氧污泥床 与其它厌氧处理方法相比有更强的耐负荷击力，处理效果好、剩余污泥少，操作 方便简单等优点。废水厌氧处理的特点： 能显著降低BOD和COD 在密闭系统中进行，能控制有机物分解后的异味，不产生大量泡沫，不流失 需要供热维持平衡 废水在厌氧处理装置中停留时间长“三废”处理总图：以玉米为原料柠檬酸清洁生产系统示意图部分冷却水饲料 J 干燥菌丝体 过滤炭柱脱色部分用作冷却水第二章工艺流程的选择及论证一、柠檬酸的生产方法主要有发酵法、合成法和直接提取法，从生产工艺设备运 作及其它方面的优、缺点进行比较，以发酵法最为优越。生产工艺总流程：玉米粉碎1调浆一氨水菌种（黑曲霉菌）米风液化包装A级VV空压机1糖化干燥1+斜面培养T丝网过滤品1TT过滤一湿玉米渣 1级三级空气干燥器”无菌空气一发酵种子罐培养_角瓶培养电渗析柱浓水调节y高浓度废水-5脱去糖化剂包装1tUASD反应池去易碳化物正品Vt1 F脱色筛分1VVt废水处理沼气抽滤干燥1;tL达标排放脱硫转型湿柠檬酸t沼气柜浓缩一 结晶一 分离一离子交换+石灰母液二、柠檬酸生产方法的选择论证 柠檬酸的生产方法主要有深层液体发酵法、表面发酵法、固体发酵法、半 固体发酵法和生化反应器发酵法等。而微生物发酵柠檬酸是典型的好氧发酵，深 层发酵是利用强制通入液相中的溶解氧发酵，表面和固体法是利用环境空气中气 相氧来满足微生物代谢所需的氧。当前，大规模工业生产柠檬酸，以深层法最有 竞争力和优越性，表面法次之，固体发酵法仍有活力，其他工艺仍处于研究开发 阶段。深层发酵的优点可以简单概况如下：(1) 发酵体系是均一的液体，传热体质良好，不存在死亡。(2) 设备占地面积小，生产规模大。(3) 发酵速率高，采用预培养菌丝球接种时只需55s75h即可发酵完毕。(4) 产酸速率高，产柠檬酸几乎接近理论产率，菌体生产量少，从而原材料消 耗低(5) 发酵设备密闭，杂菌污染的可能性小，管理方便。(6) 完全机械化操作，并可以实现自动控制，劳动强度低，劳动生产率高。(7) 发酵副产物少，有利于产品的提取，所得产品质量高。目前对柠檬酸生产工艺的改进主要集中在以下几个方面：以玉米粉代替 薯干为原料由于薯干粉中淀粉含量低，杂质较多，发酵产率较低，会产生大量的 发酵残留物，而且发酵液会产生大量花色素，为后续脱色造成很大的麻烦。二采 用玉米为原料生产柠檬酸，产品质量好、废水少且一次性处理即可达标排放，并 且脱色的活性炭大大减少。因此，以玉米为原料的生产工艺是一种相对低废工艺。 我国的柠檬酸生产厂家目前全部采用“钙盐法”提取工艺，每生产一吨 柠檬酸要产生两吨固体硫酸钙，成为工业垃圾，造成严重的环境污染；由于需要 加热和洗涤，生产过程粗放，因而能源消耗大、自动化水平较低；工艺本身存在 缺陷，至少要有10%已经发酵好的柠檬酸未被提取，造成巨大的浪费。而采用“吸 交法”新工艺后，柠檬酸总提取率平均达90.09%，突破了我国柠檬酸工业化生 产提取率的最高纪录，达到了世界先进水平，产品质量显著提高，98%以上达到 英国药典的规定标准，生产成本每吨下降1180元，副产品硫酸铵可作为复合肥 料加以回收利用，实现了清洁化生产。 “三废”综合利用生产1吨柠檬酸主要副产黑曲霉菌体约0.25吨，废糖 水约14吨、发酵废渣约10吨和硫酸钙渣约2吨等。综合利用这些副产品，不但 能减轻或消除环境污染，还能增加企业经济效益。三、生产过程的总物料衡算物料衡算是根据质量守恒定律而建立起来的。物料衡算是进入系统的全部物 料衡算重量等于离开该系统的全部物料重量，即E F=E D+W式中：f 进入系统物料量(kg)D 离开系统物料量(kg)W 失的物料量(kg)(一) 、生产能力日产柠檬酸：5000X97.8%：300=17t/d(二) 、总物料衡算淀粉水解为葡萄糖的总反应式：(C H O ) + H O r C H O610 5 n 2612 6162180淀粉水解为葡萄糖理论糖化率为：180/162 X100%=111%艮阡 1.11葡萄糖转成柠檬酸的总反应式：C6H12 O6 + 2/3O2 r C6H8 O7 + 2H2 O192180葡萄糖转成柠檬酸理论转化率为：192/180 X100%=106.7%1、1000kg纯淀粉理论产100%柠檬酸量；1000X1.11 （理论糖化率）X 106.7% （理论转化值）=1184.37kg2、1000kg纯淀粉实际产100%柠檬酸量；1000X1.11 （理论糖化率）X97.5%（糖化率）X94.9%（糖化转化率）X79.2%（提取率）=813.43kg3、1000kg工业淀粉（含量86%玉米淀粉）产100%柠檬酸量；813.43 X86%=699.55kg4、淀粉单耗； 1t100%柠檬酸消耗纯淀粉量为：1t100%柠檬酸U纯淀粉产100%柠檬酸量艮即 1000kg：813.43kg=1.23t 1t100%柠檬酸实际消耗工业淀粉量为：1t100%柠檬酸17工业淀粉产100%柠檬酸量艮即 1000kg：699.55=1.43t 1t100%柠檬酸理论上小号纯淀粉的量：1t100%柠檬酸1t纯淀粉理论上产100%柠檬酸量艮即 1000kg： 1184.37=0.84t 1t100%柠檬酸理论上消耗工业淀粉量为：1t100%柠檬酸理论上消耗纯淀粉量原材料含淀粉量艮即 0.84：86%=0.98t5、总收率：1t纯淀粉实际产100%柠檬酸量1t纯淀粉理论上产100%柠檬酸量艮即 813.43： 1184.37X100%=68.7%6、淀粉利用率：1t100%柠檬酸理论上消耗工业淀粉量1t100%柠檬酸实际消耗工业淀粉量艮即 0.98t：1.43tX100%=69%7、1t淀粉生产柠檬酸过程总损失为：100%69%=31%8、原料及中间品计算： 每天需工业淀粉用量：17X1.43=24.31t/d 每天的糖化液量：纯糖：24.31X86% （工业淀粉含量）X97.5% （糖化率）=20.40t/d折算为 30%的糖液：20.40 ：30%=68t/d 每天发酵液量：生成柠檬酸量：20.40 （纯糖液）X94.9% （糖酸转化率）=19.30t/d折算为13%的发酵液：19.3013% （产酸率）=147.20m3发酵液相对密度 1.05:147.20 X 1.05=154.55t 每天的听取柠檬酸量：柠檬酸量：19.30 （生成纯柠檬酸量）X79.2% （提取率）=15.29t/d折算未 97.5%的柠檬酸量：15.29：97.5%=15.68t/d 柠檬酸废母液量（采用电渗析一离子交换回收法，以排出的废母液含柠檬酸0.6g/dl 计算）：（19.3015.68）0.6%=603.33m3（三）、总物料衡算结果衡算结果列汇总表。如表一所示：工业原料，淀粉含量为86%原料项目一一一一、淀粉质原料（玉米淀粉）生产1t100%柠檬酸t/d工业原料（t）1.40524.31糖液（30%）468柠檬酸（97.8%） （t）0.9215.68柠檬酸（100%） （t）0.9415.99排出含0.6%柠檬酸废母 液35.78603.33第三章糖化车间一、糖化工艺的选择目前，淀粉液化有酸法、酶法和机械液化法三类，而工业上常用的为酸法和酶法。 对柠檬酸工业适用的则是酶法液化。酶法液化淀粉方法，按工艺条件可分为：间 歇法、半连续法、连续法；按设备条件可分为：罐式、管式、喷射式；按加酶方 式可分为：一次、二次、三次加酶多间段液化工艺。柠檬酸工业用于玉米粉的液 化是采用二次加酶二次喷射工艺。喷射液化是在喷射器中进行瞬间液化，喷射液化器有高压蒸汽喷射器，器结构是 根据文丘里管的原理设计的。当高压蒸汽通过喷嘴，使喷射器的内腔形成真空， 混有a -淀粉酶的淀粉乳，在此力的引吸和泵的推动力作用下，成薄膜状进入喷 射器内腔，随即与蒸汽混合形成湍流，料温剧升至100120°C，瞬间完成了糊化、 液化，淀粉糊粘度迅速下降，形成流体从喷射器下部出料口排至保温系统，恒温 90C维持3060min，达到需要的液化程度。此法的优点是，液化均匀完成，己 切断的淀粉链不易重新聚合、蛋白质类杂质凝固好，过滤性能佳、设备体积小、 可连续化操作。选择二次加酶二次喷射的工艺有利于蛋白质类杂质进一步凝固，并可使玉米皮松 软，附着其中之一的淀粉大部分可在二次液化气时被利用。并且喷射液化料液中 不溶性淀粉颗粒和过滤性能较好。1、工艺流程稀 NasCO：调 p耳&.4-7.。原料一粉碎调浆调 pH 1MT45E 35min30-60min矗罐二次喷射液化高温维持罐维持液化维持90E30min稀 HCLILS3调 pH4.8-52碘检调pH过德2、工艺参数A）调浆：17° BeB）一次液化：淀粉酶量5-8单位/克干淀粉（2/3）液化pH6.4-7.0液化温度9095°C液化维持时间一一3060minC）二次液化：淀粉酶量5-8单位/克干淀粉（1/3）液化温度140-145 C液化维持时间30min二、物料衡算1、淀粉浆量加水量：淀粉加水比例1:1.8,1000kg 工业淀粉产淀粉浆：1000X （1+1.8）=2800kg 加水量为 1000X 1.8=1800kg2、淀粉浆干物质浓度：1000 X 86%/2800 X 100%=30.71%3、第一次液化酶量:2800X0.5%=14kgX2/3=9.3kg4 硫酸用量：2800X0.25%=7kg5、CaCL2 用量：2800X0.25%=7kg6、第二次液化酶量:2800X0.5%X1/3=4.7kg7、酶化液产量（30%）： 1000X86%X1.11X97.5%/30%=3102.45kg30% 糖液的相对密度为 1.1133102.45：1.113=2787L8、加珍珠岩量（含量为糖液的0.15%）： 3102.45X0.15%=4.65%9、滤渣产量（含水70%废珍珠岩）：4.65（1-70%） =15.5kg10、生产过程进入的蒸汽量和洗水量：3102.45+15.5-2800-9.3-7X2-4.7-4.65=285.3kg衡算结果（年产5000t柠檬酸）：根据总物料衡算：日投工业淀粉24.31t进入系统离开系统项目物料比例日投料量项目物料比例日投料量工业淀粉100024310糖液3102.4575807.33配料水180043758滤渣15.5379.24一次液化酶9.3226.0二次液化酶4.7114.3硫酸用量7170.2CaCl2用量7170.2珍珠岩用量4.65113.8洗水和蒸汽285.37324.1累计3117.9576186.6累计3117.9576186.6注：单位：kg三、热量衡算1、液化加热蒸汽消耗量(D)：可按下式计算D=GC(t2-t1)/(I-入) 式中G淀粉浆量(kg/h)C淀粉浆比热容kJ/ (kgXK) t1浆料初温(20+273=293K) t2第一次液化温度(95+273=368K) t3第二次液化温度(145+273=418K) I加热蒸汽焓，2738kJ/kg (0.3Mpa,表压) 入 家人蒸汽结水的焓，在378K时为398kJ,在418K时为607kJ/kg(1) 淀粉浆量G：根据物料衡算，日投工业淀粉24.31t/d； 连续液化每小时投工业淀粉：24.31：24=1.012t/h 加水量为1:1.8,每小时的粉浆量为：1012 (每小时投工业淀粉)X2.8=2833.6kg/h(2) 粉浆干物质浓度：1012 (每小时投工业淀粉)X86%：2833.6 (每小时粉浆量)X100%=30.71%(3) 粉浆比热C可按下式计算：C=COX/100+C 水(100-X) /100 式中CO淀粉质比热容，取1.55kJ/ (kgXK)X粉浆干物质含量，30.71%C水水的比热容，4.18kJ/ (kgXK) 由公式：C=COX/100+C 水(100-X) /100 得：粉浆比热 C=1.55X30.71/100+4.18X (100-30.71)/100=3.37kJ/(kgXK) 每小时蒸汽用量： 由公式：D=GC (t1-t2) / (I-入) 得 第一次：D1=5390X3.37 (95-20) / (2738-398) =582.19kg/h 第二次：D2=5390X3.37 (145-95) /(2738-607)=426.19kg/h 每小时蒸汽用量 D=582.19+426.19=1008.38kg/h3、水平衡(1) 配料用水量：日投产淀粉：24.31 加水比1:1.8 每日粉浆量：24.31 X1.8=43.76t/d(2) 日产30%的糖化液为68t/d，即68/1.113 (糖液的相对密度)=61.10m3第一次液化操作周期为1h，液化时间忽略不计。第二次液化操作周期2.5h, 其中液化2h,液化罐20m3，填充系数75%，需液化罐：第一次：61.10/ (50X75%)X 1=1.6取 2 台第二次：61.10/ (50X75%)X(2.5/2) 2.03 取 3 台(3) 糖化操作时间为75h，糖化时间为71h，取糖化关体积为50m3，填充系数 为75%，则所需糖化罐数为：(61.10/ (50X75%) X(75/24) =1.69 取两台考虑到生产期中的设备维修，需4个糖化罐4、贮罐操作周期：进料时间+出料时间二4h设贮罐为30m3，填充系数为90%106.4/ (30X90%)X4/24=0.66 罐取一个罐四、所用设备工序设备名称规格/容积数量备注糖化工序调浆罐17.5m32中 1200X3500液化罐20m36喷射液化器8-30m3/h2SLJ79XH 型维持罐15 m32中 1250X4800板式换热器60 m321Cr18Mi9/BR20糖化罐50 m34235-A/防腐贮糖罐100 m34中 3800X8800板框压滤机60 m32FBMS/Y44-810- 30第四章发酵车间一、发酵工艺的选择1、工艺流程斜面 级种子 二级种子 流加糖罐酵 滞泡剂一发实消连消二级种子培养基发酵培养基配配备、定容备、定容2、菌种选择根据生产柠檬酸所用原料为玉米粉和选择的工艺为深层液化发酵法，所以选 用的菌种为黑曲霉Co827.Co827不但能利用淀粉，而且还对蛋白质、纤维素、果 胶物质等均有一定分解能力，性能粗放能在较高温度下正常发酵，能适应南方持 续高温天气。他的产酸能力也较高，在生产上比应用其他菌种有跟多优点。（1）形态： 在米曲汁或麦芽汁培养基上菌丝白色，不是绒球状，凸起，边缘整齐， 菌落较小，带皱折。在麦汁培养基上生长4d成熟的孢子呈黑褐色。 、在察氏培养基生长较慢，菌落边缘整齐，分生孢子梗短，分生孢子着生较密。 、菌落顶端着生稀疏的大型的黑褐色孢子穗，成熟后呈花状而崩裂。 、孢子柄（1415） umx（1.52） um。 、顶囊球形。直径5072um。 、小梗分二层，初生小梗和次生小梗区别明显，初生小梗（3031） um x 7um, 次生小梗大多是3根，也有2根的，大小为（913） umx3.8um。 、分生孢子串珠状着生，黑褐色，表面粗糙且有明显的刺状突起，平均直径为 4.75.2um，成熟后遇到振动易散落。（2）生理特征： 能耐高浓度的柠檬酸（15%以上），而不利用和分解柠檬酸。 耐药性高浓度葡萄糖，能产生和分泌大量的酸性a-淀粉酶和酸化糖化酶。其 a-淀粉酶在pH2.0仍能保持原活力的80%以上。在pH2.5,40°C下左右30min尚不 失活，其糖化酶最适作用pH在4.04.6,最适温度为6065C。在柠檬酸发酵条 件下，当pH下降至2.0以下时，仍能保持大部分活力。 能抗微量金属离子，尤其能抗较高浓度的锰离子、锌离子、铜离子。 在深层液体发酵培养时，能形成大量的细小球体。菌球体直径为0.1um。 在以葡萄糖为唯一碳源的合成培养基上，生长不好，生成小菌落，孢子形成能 力弱。 在生长，繁殖期，细胞内具有较高水平的氨基酸、铵，即铵库水平高。 菌丝体含低水平甘油和磷酸酯。 细胞壁几丁质量高，当0 -葡萄糖和聚半乳糖含量低。 在生长和产酸期，细胞内蛋白质、核酸水平低。 具有很强的侧系呼吸链活性，此侧系呼吸链不产生ATP。（3）空气净化：好气性发酵需要大量无菌空气，空气要做到绝对无菌在目前是不经济的，发酵 对无菌空气的程度的要求是：一般只有在发酵过程不至于因为染菌，而造成损失 即可。对于不同的发酵，由于菌种生长的活力、繁殖速度、培养基的成分、pH 值的高低、发酵产物等不同，对杂菌的抑止能力也不同，从而对空气的无菌要求 也有所不同。因而采用两级冷却、分离、加热的空气除菌流程。它是一个比较完 善的流程，可适应各种气候条件，能充分地分离空气中含有的水分和油雾，使空 气再低的相对湿度下进入过滤器，保证干过滤效率。通常第一级冷却至3035 度，第二级冷却到2025度，然后再加热到35度左右，使相对湿度降到5060% 进入过滤器。3、菌种的选择，分纯、保存及扩大培养（1）选菌：通过诱变剂进行诱变育种，筛选优良菌种。其诱变谱系如下：土壤! 酸性夹板分离黑霉菌628!硫酸二乙酯处理黑霉菌3008!1.8%浓度硫酸二乙酯处理40min,麦芽汁富氮培养基夹板分离黑霉菌D417!60Cor射线处理，加富平板及葡萄糖合成培养基平板分离黑曲霉Cor827(2) 分离纯化：将需分纯的菌株，接入含有15%柠檬酸和10%薯干粉培养基中， 置振荡摇床上，于3537°C下培养35d，进行“富集”培养。将上述富集液点布 于培养皿中的灭菌滤纸上，在3537C下培养，待长出菌落，挑到麦芽汁培养 78d。将分纯获得的菌株，经过反复的摇床发酵试验，筛选出高产柠檬酸的菌株。(3) 保藏：菌种孢子移接于麦芽汁琼脂斜面后，于35C下培养78d，待长满黑 褐色孢子后，放到24C冰箱中保藏，此法可保藏12个月。如果要长期保藏则 必须定期进行移种或采用沙土管等载体吸附进行菌体长期保藏。孢子直接接种的优点：孢子直接接种即所谓的一级接种工艺。目前大多是作为种子罐种子(二级 种子)出现质量问题或因生产中的突发事件而二级种子不能及时供应时的一个补 救措施。实际上孢子直接接种完全可以作为正常生产工艺使用，其优点如下： 直接接入发酵罐培养液中孢子数与接进种子罐的孢子数相同。则与二级接种所产 生的生物量基本相当，因为在种子罐内不会再繁殖新孢子。我国现用菌种，种子罐与发酵罐培养配方基本一致，一级接种从孢子开始一直处 于同一生长条件，生长环境随孢子的成长而变化，即始终为菌体生长创造一个有 利的环境。如培养基或培养条件出现不可预见的异常因素，则孢子比菌球体更能适应。 能保持较幼的种龄，前期产酸稍慢，培养基pH>3.0的时间延长，有利常数的充 分糖化，后期产酸较快，后劲会较足，则残糖较低。减少一次接种操作也就减少一次染菌机会。同时节约了相应设备的投资及能耗。 但一级接种发酵前期，容易染菌，一旦发现染菌，或菌种出现质量问题时，则培 养基必须重新灭菌，而种子罐则灵活得多。当然这种事故的概率很低，其次则是 孢子在大罐生长期的搅拌功率消耗问题。所以任何事物都不是绝对的。4、柠檬酸生产菌的扩大培养和种子质量的要求：(1) 扩培流程：国内柠檬酸生产的菌种扩大培养普遍采用 原种f斜面培养f三角麸曲培养f直接接入发酵罐发酵(2) 斜面菌种的培养:麦芽汁斜面制备，取麦芽粉加4倍质量的水，在5560C 下保温糖化3h左右，时常搅拌，以碘液检查黄色为终点。滤去麦芽渣，用水调 至10° Bx糖度，煮沸，再过滤一次，获得澄清的麦芽汁。取少量澄清的麦芽汁 加入20g/L琼脂，装入试管，在0.1MPa表压下灭菌30min，摆成斜面，接入菌 种，于35C下培养78d，并做生产性能试验。(3) 麸曲三角瓶培养A、麸曲培养取新鲜麸皮，用60目筛子去细粉，以减少常数含量。按麸皮：水=1:1.01.3比例加入水，拌匀至无干份无结团想象。拌匀后，将装入1000mL或2000mL三角 瓶中，每只1000mL三角瓶装湿麸皮约40g, 2000mL三角瓶装湿麸皮约100g。或 用水洗麸皮表面，挤去水分，至手抓有水而不下滴为宜，按适当量装瓶。用8 层纱布封扎瓶口，在0.1MPa表压下灭菌4060min，趁热摇散，冷却至35°C，培 养1d。未发现气味异常或染菌，即可使用。在无菌室中，于无菌操作条件下，每一个三角瓶上接入12环已活化好的斜 面菌种孢子，或2ml斜面菌种的孢子悬浮液，于3032C下培养1620h后，白 色小菌落已盖满曲层表面，这时应摇瓶一次，使培养基疏松、铺平、继续培养再 经46h，即约培养24h后，可看到培养基结成块状，白色菌丝生长旺盛，但后 停止。摇瓶时必须充分摇匀，使结块的培养基疏散，铺平后，继续培养。待长出 的黑子孢子布满丰盛后，即可使用。此麸曲可直接作为种子罐种子，也可以作为二级种子，再扩大培养，扩大量 为200倍，即一瓶麸曲可接种200只相同的三角瓶。B、麸曲质量： 孢子稠密、整齐、黑亮、无杂色孢子及气生菌丝。 每批麸曲任取12瓶，进行发酵产酸实验，将麸曲孢子接种于含14%深度 薯干粉的500ml三角瓶中，装液量为40ml，于转速为200r/min的旋转摇床上， 35C下培养24h。下床测定费(4) 孢子悬浮液的制备：将上述符合质量要求的三角瓶麸曲，在无菌操作下，每瓶加入500600ml无 菌水，摇匀，切勿将棉塞打湿，在火焰下并美工或并入接种罐中。(5) 发酵罐培养 发酵培养基：碳源：碳源除了合成细胞物质和提供维持生命的能量外，主要用于合成代谢产物 (柠檬酸)。从柠檬酸生产角度看，葡萄糖、蔗糖、糊清是良好的碳源，工业上 为降低生产成本，多采用廉价的甘薯、玉米、小麦及其淀粉、糖蜜等。据报道， 黑曲霉发酵中利用糖的有关酶系与糖浓度有关，糖深度低时，细胞内这些酶就少， 它们处于饱和状态。关于碳源的最适浓度，目前都认为高糖浓度是柠檬酸发酵的 一大特征。我国采用玉米粉的深层发酵，粉浆浓度为16%20%,若采用淀粉质的 深层发酵粉浆浓度可达25%。氮源：氮源的作用是合成细胞物质(蛋白质，氨基酸，核酸，维生素等和调节代 谢，这是因为细胞中铵离子浓度的升高，能解除ATP和柠檬酸对关键酶磷酸果糖 激酶的反馈抑制，使EMP代谢流量增强，有篮球柠檬酸生成与积累。经试验证明， 黑霉菌偏好于无机氮，当有机氮和无机氮同时存在时，它首先利用无机氮。玉米 培养基上NH4NO3是最好的氮源，在无机氮中，生理酸性氮比碱性氮好，这是因 为生理酸性氮中的铵离子被利用后，使培养基变酸，可以使发酵中的黑曲霉生长 阶段结束，转入产酸阶段，pH下降到较低水平有篮球柠檬酸的积累。所以铵盐 既可以调节代谢，也可以控制pH。另据报道，在柠檬酸发酵中途添加铵盐，尤 其是当发酵中柠檬酸生成速率开始下降时，添加铵离子最为有利，它对菌体无影 响。这种效应可能是铵离子对柠檬酸积累调节作用有关。无机盐：无机盐是构成微生物生命活动不可缺少的物质，在柠檬酸发酵中，有的 构成菌体，有的促进代谢，有的促进产酸，因此对黑曲霉的生长和柠檬酸发酵具 有重要的作用。尤其对国外采用的不耐金属离子的柠檬酸产生菌，在发酵中控制 微量金属离子水平是极为重要的。然而无机盐对柠檬酸发酵影响是十分复杂的， 它因菌种、原料、生产方式不同而不同。我国采用诱变方法改良的菌种能耐很高 的金属离子，因此原料和水不经过任何处理就可用于发酵。黑曲霉对无机盐及微量元素的要求要求KH2PO4含量/%KCL含量MgSO4 - 7H2O含量/%Zn2+ 含量/(mg/L)Mn2+含量/(mg/L)Cu2+含量/(mg/L)S含量/(mg/L)Fe2+含量/(mg/L)深 层 发 酵0.050.50.010.030.010.05<0.3<0.2<0.5<0.07<2发酵条件的控制a温度：黑曲霉发本地柠檬酸温度控制在2830°C时，柠檬酸产率最高，发酵速度也最快， 超过35C时，虽初期产酸较高，但最终产酸低于15%以上。为了节约降温能耗， 我国在选育玉米发酵菌种时，有意地提高驯育温度，故可在（37±1）C的条件 下发酵，但超过42C的时间过长，则影响发酵，且杂酸生成较多。在正常情况 下发酵过程中，发酵24h左右，草酸积累达0.3%左右，随着柠檬酸的积累，pH 逐步下降，而草酸逐步被转化，至发酵结束时，总杂酸量为57g/L。b PH:发酵的最短Ph，分为起始和过程中的pH，实验证明：发酵培养灭菌前将pH降到 4.0，灭菌后pH为5.0时，发酵效果较好，低于此值效果下降。在玉米粉的柠檬 酸发酵中，初始pH不加调节，为自然pH，约为5.5。当接入菌种后，菌种生长 繁殖，消耗氮源和铵离子，使培养基的pH下降，前期（12h） pH下降较快，省 略强的菌种培养12h，pH可以降至2.53.0,24h可以降至2.22.3。这时候会有 少量的柠檬酸产生，但是由于发酵醪液固形物较多，原料成分繁杂，其中金属离 子含量较多，缓冲作用大，再加上柠檬酸是三个羧基的有机酸。当柠檬酸产量和 残糖含量之和等于或接近起始还原糖时，才提高通风量，迅速进入产酸期，使 pH迅速降至2.0以下，保证柠檬酸发酵的正常进行。c控制生物量：正常的发酵液中生物量应控制在1220g/L，过多的生物量会影响氧的溶解，增 加发酵罐搅拌功率，且消耗了大量葡萄糖（一般认为每增加1g生物量，要消耗 1g以上的葡萄糖）。随着培养液生物量的增加、溶氧也逐步降低，生物量的过度 生长，则柠檬酸的生成速率迅速下降。当生物量过低，虽然溶氧较高，但柠檬酸 的合成速度也较缓慢。以菌株体形式生长的菌体，可限制生物体大量繁殖。对溶 氧的影响也较菌丝形式的菌体低。d严防缺氧：柠檬酸发酵是典型的好氧发酵，对氧十分敏感。当发酵进入产酸期只要有几分钟 的缺氧时间，就会对发酵造成严重影响，甚至完全失败。但生产中不可抗拒的意 外事故，在所难免。遇到停电或因设备故障而造成通风中断时，要采取紧急措施： 关闭进出空气阀;迅速启动备用电源恢复供气；防止发酵罐中料液逆流到空气过 滤器中；用灭菌后的CaCO3或石灰乳中和发酵液pH至2.53.5，然后恢复正常 操作。如事故发生在发酵液pH>3.0时，恢复期较快，产酸稍有影响，如发生在 pH小玉3.0时，恢复期会拖长到10余小时，甚至难以恢复。f通风量：柠檬酸发酵通风量相对来说不大。通风量不是一个固定值，应根据培养基的质量、 菌种生长需要、发酵罐的结构及其搅拌浆的型式和周线速度以及罐压而定。一般 规律是发酵罐容积越大、培养液层越厚、搅拌转速越快则通风量越小。通风量过 大菌体过早进入衰亡期，也不利于CO2的固定，且动力浪费过多。氧的溶解与搅 拌转速、罐压成正比关系；与温度和培养基粘度成反比关系。三、柠檬酸发酵染菌的防治1、柠檬酸发酵常见的污染菌：柠檬酸发酵初期，即发酵液pH>3.0时，常见的污 染菌为细菌、酵母、曲霉及青霉菌等，随着发酵液pH的下降，大多数细菌和曲 霉被抑制或自溶，而耐酸性的酵母和青霉菌等继续繁殖，重者导致发酵倒罐，轻 者产酸很低且粘度增加，提取困难。2、污染菌的检查：大部分被污染的发酵液可以从发酵液的异常情况来检出，如 色度、异味，变稠或稀、生产菌球散开、菌丝变形、产酸不正常甚至不产酸或“倒 酸”、而糖却大量消耗等。3、防、治染菌措施：解决发酵工业的染菌问题，不言而喻，应以防为主。只有 防得严才能消除或降低染菌因素。疏于防而重于治则必事倍而功半。（1）防止染菌措施： 严格无菌操作制度； 加强环境卫生管理； 重视设备管理，保持高的设备完好率； 保证无菌空气质量； 严格保证菌种质量。（2）抢救染病措施： 细菌污染醪的处理：发酵前期污染细菌，可加大通风量，使发酵迅速转入产酸 阶段，当pH下降至3.0以下时，细菌可被抑止或自溶死亡（含米曲霉菌）。发现较迟，染菌较重，要立刻加柠檬酸母液或浓盐酸、硫酸等而等将发 酵液pH调节到<3.0再加风量。如细菌占绝对优势，本菌较少（某些细菌所产 生的毒素能抑制或溶解黑曲霉菌体），则须将发酵液pH调节到4.04.5后，重新 按常规消毒。再一级接种，或与正常发酵罐（产酸>6%）相互混合继续发酵，但 必须谨慎使用，