CN102250971B - 一种柠檬酸的发酵生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种生产柠檬酸的发酵方法，具体涉及一种柠檬酸的连续发酵生产方法。柠檬酸连续发酵***由培养基储罐、种子培养罐、2个或多个串联的发酵罐以及发酵醪液储罐组成。利用柠檬酸连续发酵***，可以节约发酵周期、提高糖酸转化率和发酵罐利用率，使黑曲霉柠檬酸生产菌的生长发育和糖化作用、发酵产酸等阶段分级可控。

Description

一种柠檬酸的发酵生产方法
技术领域
本发明属柠檬酸的生产方法，具体涉及一种柠檬酸的连续发酵生产方法。
背景技术
柠檬酸是当今世界上用量最大的一种有机酸，至今世界上消费的柠檬酸主要采用以黑曲霉为菌种的发酵法生产。现有的柠檬酸发酵技术采用的是间歇的分批发酵模式，每完成一批次发酵，就要放料并对发酵罐进行清洗、灭菌、打料和重新接种，才能进行下一批次发酵。造成非发酵时间即辅助发酵时间占用较长，发酵罐利用率不高，并且分批发酵生产不稳定，批与批之间的发酵结果波动较大。
发明内容
针对现有柠檬酸分批发酵工艺所存在的诸多不足之处，本发明提供了一种柠檬酸的连续发酵生产方法。
本发明所述柠檬酸的连续发酵生产方法，其发酵过程为连续发酵方式；，采用多个发酵罐串联发酵，首先，向一级发酵罐中连续添加菌种和新鲜培养基，再按与进料相同的流速，向下一级发酵罐连续输出发酵醪液，逐级、连续的完成柠檬酸的发酵过程。
柠檬酸连续发酵***的装置，由培养基储罐、种子培养罐、多个串联的发酵罐以及发酵醪液储罐组成。串联的发酵罐可以是2个，也可以多个，优选4个。
本发明所述柠檬酸的连续发酵方法的主要工艺条件的控制范围如下：
发酵温度：35-37℃；
PH范围：1.3～4.5；
发酵罐中料液体积：占罐容的75-95%；
通风量：风量8.5～12m3/m3·h。
其他工艺参数范围可参照现有柠檬酸发酵生产技术。
现以采用四级发酵方式为例，说明连续发酵生产柠檬酸的具体工艺步骤和工艺参数：
（1）菌种培养。在种子罐中加入种子培养基和接入黑曲霉孢子，维持pH3-7,温度35-41℃，培养12-24小时，形成黑曲霉菌球待用；风量8.5-10.5m3/m3·h。
（2）将发酵培养基加入一级发酵罐中，发酵培养基占发酵罐体积的70-80%时，开动通风、搅拌和冷却***，使发酵罐中料液温度维持在35-37℃，并按4-12%重量的接种量接入来自种子罐中的黑曲霉菌球；
（3）按一定的流速连续向一级发酵罐加入发酵培养基和按接种量4-12%的来自种子罐中的黑曲霉菌球，按同样的流速从一级发酵罐流出或抽出发酵液进入二级发酵罐；
（4）当二级发酵罐的料液体积达到75-95%罐容时，再按与进料相同的流速从二级发酵罐流出或抽出发酵液进入三级发酵罐；
（5）当三级发酵罐的料液体积达到75-95%罐容时，以与进料相同的流速从三级发酵罐流出或抽出发酵液进入四级发酵罐；
（6）当四级发酵罐的料液体积达到75-95%罐容时，以与进料相同的流速从四级发酵罐流出或抽出发酵液进入发酵醪液储罐；
（7）以相同流速连续保持各级串联发酵罐的进出料。
其中步骤（１）所述的种子培养基是含碳源和氮源的液体培养基，总糖含量10-15%,可以包含木薯、地瓜、玉米液化液中的一种或多种,以及麸皮、硫酸铵等。 
步骤（2）所述的发酵培养基是含碳源和氮源的液体培养基，总糖含量10-20%,可以包含木薯、地瓜、玉米液化液中的一种或多种，以及硫酸铵等。
各级发酵罐的发酵参数控制如下：
一级发酵罐： 
pH2-4.5,温度35-37℃，无菌空气的风量8.5-10.5m3/m3·h。
二级发酵罐：
pH1.8-2.9,温度35-37℃，无菌空气的风量10.5-12.0m3/m3·h。
三级发酵罐： 
pH1.5-2.0,温度35-37℃，无菌空气的风量9.5-11.0m3/m3·h。
四级发酵罐： 
pH1.3-1.8,温度35-37℃，无菌空气的风量8.5-9.5m3/m3·h。
由于是连续发酵，且罐容积一样，所以物料在各罐的停留时间是一样的。
在控制风量和搅拌不变的情况下，料液中的溶解氧随发酵而变化，其规律如附图1。
在发酵前期10h内，菌种生长较慢，溶解氧的消耗速率较慢，所以可在生产中控制低风量，在发酵10h～25h 内，溶解氧的消耗速率较快需要大量氧气供给菌种生长，所以可在生产中加大风量。发酵中期和后期，溶解氧消耗速率较生长期慢，溶解氧含量基本维持在缓慢上升的状态，所以可在生产中降低风量。这样发酵风量随时间的变化而变化而不是一成不变，有利于节约能源。
由于不同级别的发酵罐中，PH的控制范围有一定差异，是根据黑曲霉柠檬酸生产菌的生理生化特点分别调整的。如种子罐的pH维持3-7，有利于孢子发育生长，一级发酵罐的pH有利于黑曲霉菌球进一步生长和产生糖化酶，使淀粉分解成生产菌能直接利用的葡萄糖，二级发酵罐的pH有利于黑曲霉柠檬酸生产菌迅速进入产酸期，积累柠檬酸；同一发酵罐中料液的pH并不均一，如上述一级发酵罐，罐的上层料液pH≤4.5，下层料液pH≥2，其余各罐的pH也如此。
本发明各级发酵罐的罐压、通风、pH等参数可以根据黑曲霉柠檬酸生产菌的生理生化特点分级稳定调控，且易于实现自动化。
与分批发酵相比，柠檬酸连续发酵具有以下显著优点：分批发酵非生产时间大约8小时、包括清洗、灭菌、打料和重新接种时间，本发明连续发酵方式，节约了发酵罐非生产时间的占用，提高了发酵罐利用率、节约了生产成本；由于是多级串联发酵，能充分使黑曲霉柠檬酸生产菌利用自身的生理生化特点，缩短发酵周期，提高转化率。
分批发酵与连续发酵数据对比表
发酵方式 发酵周期 h 发酵罐利用率/% 糖酸转化率/% 风量调节 pH调节
分批发酵 72 100 101.9 一般维持不变，风量有时远远超过菌体所需，造成浪费 无法按生产菌的生理生化特点控制
连续发酵 62 116 104.5 根据菌体所需，按罐分级调控 根据生产菌的生理生化特点按罐分级调控
附图说明：
    图1为400r/min时的溶氧时间图。
具体实施方式
实施例1
在50m3种子罐中加入含总糖12.5%（m/m）种子培养基和接入黑曲霉孢子，维持pH3-7,温度40℃，培养12-24小时，形成黑曲霉菌球待用。
将含总糖12.5%（m/m）的玉米发酵培养基加入250m3罐容的一级发酵罐中，发酵培养基占发酵罐体积的70%时，开动通风、搅拌和冷却***，使发酵罐中料液温度维持在35-37℃并按10%的接种量接入来自种子罐中的黑曲霉菌球，维持风量8.6 m3/m3·h，pH2.9-4.5；
按13.5m3/h的流速连续向一级发酵罐加入发酵培养基和按10%的比例来自种子罐中的黑曲霉菌球，按14.85m3/h的流速从一级发酵罐流出或抽出发酵液进入250m3罐容的二级发酵罐，维持风量11.5 m3/m3·h，温度35-37℃，pH2.0-2.9；
当二级发酵罐的料液体积达到80%罐容时，再按14.85m3/h的流速从二级发酵罐流出或抽出发酵液进入250m3罐容的三级发酵罐，维持风量11.0 m3/m3·h，温度35-37℃，pH1.5-2.0；
当三级发酵罐的料液体积达到80%罐容时，以与进料相同的流速从三级发酵罐流出或抽出发酵液进入250m3罐容的四级发酵罐，维持风量9.0 m3/m3·h，温度35-37℃，pH1.3-1.5；
当四级发酵罐的料液体积达到80%罐容时，以与进料相同的流速从四级发酵罐流出或抽出发酵液进入100m3发酵醪液储罐；
以相同流速连续保持各级串联发酵罐的进出料，连续运转240小时后，测发酵醪液储罐中发酵醪液一水柠檬酸浓度为13.02g/100g，糖酸转化率为104.2%，而同体积的发酵罐间歇发酵月平均一水柠檬酸浓度为12.73g/100g，平均糖酸转化率为101.9%。
实施例2
在50m3种子罐中加入含总糖13.0%（m/m）种子培养基和接入黑曲霉孢子，维持pH3-7,温度38℃，培养12-24小时，形成黑曲霉菌球待用。
将含总糖13.5%（m/m）的玉米发酵培养基加入250m3罐容的一级发酵罐中，发酵培养基占发酵罐体积的80%时，开动通风、搅拌和冷却***，使发酵罐中料液温度维持在35-37℃并按8%的接种量接入来自种子罐中的黑曲霉菌球，维持风量9.8 m3/m3·h，pH2.9-4.5；
按13m3/h的流速连续向一级发酵罐加入发酵培养基和按8%的比例来自种子罐中的黑曲霉菌球，14.85m3/h的流速从一级发酵罐流出或抽出发酵液进入250m3罐容的二级发酵罐，维持风量12.0 m3/m3·h，温度35-37℃，pH2.0-2.9，；
当二级发酵罐的料液体积达到88%罐容时，再14.85m3/h的流速从二级发酵罐流出或抽出发酵液进入250m3罐容的三级发酵罐，维持风量11.2 m3/m3·h，温度35-37℃，pH1.5-2.0；
当三级发酵罐的料液体积达到88%罐容时，以与进料相同的流速从三级发酵罐流出或抽出发酵液进入250m3罐容的四级发酵罐，维持风量8.5 m3/m3·h，温度35-37℃，pH1.3-1.5；
当四级发酵罐的料液体积达到88%罐容时，以与进料相同的流速从四级发酵罐流出或抽出发酵液进入100m3发酵醪液储罐；
以相同流速连续保持各级串联发酵罐的进出料，连续运转240小时后，测发酵醪液储罐中发酵醪液一水柠檬酸浓度为13.45g/100g，糖酸转化率为103.5%，而同体积的发酵罐间歇发酵月平均一水柠檬酸浓度为12.73g/100g，平均糖酸转化率为101.9%。
实施例3
在75m3种子罐中加入含总糖12.5%（m/m）种子培养基和接入黑曲霉孢子，维持pH3-7,温度40℃，培养12-24小时，形成黑曲霉菌球待用。
将含总糖12.5%（m/m）的木薯发酵培养基加入550m3罐容的一级发酵罐中，发酵培养基占发酵罐体积的75%时，开动通风、搅拌和冷却***，使发酵罐中料液温度维持在35-37℃并按10%的接种量接入来自种子罐中的黑曲霉菌球，维持风量8.5 m3/m3·h，pH2.9-4.5；
按31m3/h的流速连续向一级发酵罐加入发酵培养基和按10%的比例来自种子罐中的黑曲霉菌球，按34.1m3/h的流速从一级发酵罐流出或抽出发酵液进入550m3罐容的二级发酵罐，维持风量10.8 m3/m3·h，温度35-37℃，pH2.0-2.9，；
当二级发酵罐的料液体积达到85%罐容时，再按34.1m3/h的流速从二级发酵罐流出或抽出发酵液进入550m3罐容的三级发酵罐，维持风量10.0 m3/m3·h，温度35-37℃，pH1.5-2.0；
当三级发酵罐的料液体积达到85%罐容时，以与进料相同的流速从三级发酵罐流出或抽出发酵液进入550m3罐容的四级发酵罐，维持风量9.0 m3/m3·h，温度35-37℃，pH1.3-1.5；
当四级发酵罐的料液体积达到85%罐容时，以与进料相同的流速从四级发酵罐流出或抽出发酵液进入100m3发酵醪液储罐；
以相同流速连续保持各级串联发酵罐的进出料，连续运转240小时后，测发酵醪液储罐中发酵醪液一水柠檬酸浓度为13.06g/100g，糖酸转化率为104.5%，而同体积的发酵罐间歇发酵月平均一水柠檬酸浓度为12.73g/100g，平均糖酸转化率为101.9%。

Claims (1)

1.一种柠檬酸的发酵生产方法，其特征在于发酵过程为连续发酵方式；采用多个发酵罐串联发酵，首先，向一级发酵罐中连续添加菌种和新鲜培养基，再按与进料相同的流速，向下一级发酵罐连续输出发酵醪液，逐级、连续的完成柠檬酸的发酵过程；主要工艺条件的控制范围如下：发酵温度：35～37℃；PH范围：1.3～4.5；发酵罐中料液体积：占罐容的75～95%；通风量：风量8.5～12m3/m3·h；
具体工艺步骤和工艺参数：
（1）菌种培养：在种子罐中加入种子培养基和接入黑曲霉孢子，维持pH3-7,温度35-41℃，培养12-24小时，形成黑曲霉菌球待用；风量8.5-10.5m3/m3·h；
（2）将发酵培养基加入一级发酵罐中，发酵培养基占发酵罐体积的70-80%时，开动通风、搅拌和冷却***，使发酵罐中料液温度维持在35-37℃，并按4-12%重量的接种量接入来自种子罐中的黑曲霉菌球；
（3）按一定的流速连续向一级发酵罐加入发酵培养基和按接种量4-12%的来自种子罐中的黑曲霉菌球，按同样的流速从一级发酵罐流出或抽出发酵液进入二级发酵罐；
（4）当二级发酵罐的料液体积达到75-95%罐容时，再按与进料相同的流速从二级发酵罐流出或抽出发酵液进入三级发酵罐；
（5）当三级发酵罐的料液体积达到75-95%罐容时，以与进料相同的流速从三级发酵罐流出或抽出发酵液进入四级发酵罐；
（6）当四级发酵罐的料液体积达到75-95%罐容时，以与进料相同的流速从四级发酵罐流出或抽出发酵液进入发酵醪液储罐；
（7）以相同流速连续保持各级串联发酵罐的进出料；
一级发酵罐的发酵参数控制如下：pH2-4.5,温度35-37℃，无菌空气的风量8.5-10.5m3/m3·h；
二级发酵罐的发酵参数控制如下：pH1.8-2.9,温度35-37℃，无菌空气的风量10.5-12.0m3/m3·h；
三级发酵罐的发酵参数控制如下：pH1.5-2.0,温度35-37℃，无菌空气的风量9.5-11.0m3/m3·h；
   四级发酵罐的发酵参数控制如下：pH1.3-1.8,温度35-37℃，无菌空气的风量8.5-9.5m3/m3·h。
    2.如权利要求1所述柠檬酸的发酵生产方法，其特征在于所述的种子培养基是含碳源和氮源的液体培养基，总糖含量10-15%,包含木薯、地瓜、玉米液化液中的一种或多种,以及麸皮、硫酸铵。 
3.如权利要求1所述柠檬酸的发酵生产方法，其特征在于所述的发酵培养基是含碳源和氮源的液体培养基，总糖含量10-20%,包含木薯、地瓜、玉米液化液中的一种或多种，以及硫酸铵。
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