CN110129383B - 一种发酵生产柠檬酸的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于发酵工程技术领域，具体涉及一种发酵生产柠檬酸的方法。发酵生产柠檬酸的过程中，向柠檬酸发酵培养基中添加适当的柠檬酸合成促进剂，经消毒灭菌后降温，孢子接入种子罐至成熟后，将种子罐培养液移至发酵罐开始发酵。实施本发明后，不仅能提高柠檬酸合成效率，加快发酵产酸，有效提高糖酸转化效率，并能显著缩短发酵周期和提高设备利用率，提高企业的经济效益和企业的行业竞争力。

Description

一种发酵生产柠檬酸的方法
技术领域
本发明属于发酵工程技术领域，具体涉及一种发酵生产柠檬酸的方法。
背景技术
柠檬酸，学名2-羟基丙烷-1,2,3-三羧酸，分子式C6H8O7(无水物)，是一种广泛地应用于食品，医药和化工领域的有机酸。随着经济的发展，各行各业对柠檬酸的需求量将稳步上升，当然各企业面对的挑战与机遇也越来越多。主要用于食品工业、医药业、化学工业,并且在电子、纺织、石油、皮革、建筑、摄影、塑料、铸造和陶瓷等工业领域中也有十分广阔的应用。
随着中国柠檬酸生产技术水平的提高，发酵总糖、发酵产酸、糖酸转化率较过去有了显著的提高，但目前柠檬酸生产中发酵初始阶段菌种生产慢、菌种代谢合成效率不够高的问题仍然存在，发酵产酸速度仍有待提高，发酵周期有待于进一步缩短，发酵糖酸转化率仍有进一步提升的空间，造成了发酵强度不高、能耗高、成本高，设备利用率低等不足之处。本发明通过对柠檬酸代谢合成机理的研究，合理调节影响柠檬酸代谢合成的关键因子，进一步加快菌种产酸，缩短发酵周期，提高产酸率和糖酸转化率，从而降低发酵成本。因此，发明中通过优化发酵培养基，添加合适的柠檬酸合成促进剂，促进菌种产酸，缩短发酵周期达到节能降耗、降低发酵成本的效果，可以带动整个柠檬酸行业的制造水平的提升。
发明内容
为了解决的现在存在的技术问题，本发明提供一种发酵生产柠檬酸的方法，提高了发酵产酸速率、缩短发酵周期，又能提高产酸，解决了目前柠檬酸生产中发酵产酸慢、周期长、转化率和设备利用率不高等问题。
本发明的技术方案的主要步骤包括：
培养基制备工序：将无机氮源和玉米液化液打入种子罐中；将玉米液化液、草酰乙酸或草酰乙酸和丙酮酸的组合物、玉米液化液的过滤清液打入发酵罐中。
草酰乙酸或草酰乙酸和丙酮酸的组合物作为柠檬酸合成促进剂，可以使柠檬酸代谢高效的向柠檬酸合成方向发展，减少其他代谢造成不必要的碳源消耗，提高发酵产酸和糖酸转化率。在种子罐和发酵罐中加入了玉米液化液，玉米液化液在生产过程中作有机氮源使用。
按照发酵液总体积的百分比计，丙酮酸为0～0.5％，草酰乙酸为0.1～0.5％；打入种子罐中的玉米液化液为5～15％；打入发酵罐中玉米液化液为0～30％；无机氮源为0.02～0.05％；余量为玉米液化液的过滤清液。
发酵液总体积为种子罐中液体体积和发酵罐中液体体积的总和。
将玉米粉碎制备玉米粉，粉碎后的玉米粉60目的透过率在60％以上,然后加水调浆，加入每克玉米粉5～25个酶单位的耐高温α-淀粉酶后，将玉米粉浆输送至喷射液化装置采用连续喷射液化工艺进行液化，得到玉米液化液。
优选的，液化工艺的液化温度控制在80～130℃，在液化层流罐中维持1～6个小时，液化DE值在15～30％。
优选的，玉米粉调浆后质量浓度为20～35％，玉米粉调浆后pH为5.4～6.5。
所述玉米液化液的过滤清液是将剩余的玉米液化液采用板框过滤机或卧螺离心机进行过滤得到的液体，剩余的玉米液化液是全部的玉米液化液减去打入种子罐和发酵罐中的玉米液化液。过滤后的玉米糖渣用来生产高蛋白饲料，实现物料的有效的利用，减少了浪费和污染。
优选的，种子罐和发酵罐培养基调配好后，在80℃～121℃进行15～30分钟的高温消毒。
优选的，将制备好的孢子接入种子罐至成熟后，将成熟的种子液移至发酵罐中，并通风搅拌至发酵终了；发酵液中控制菌球浓度为2～4*104个/mL。
优选的，种子罐和发酵罐的发酵温度控制在32℃～40℃。
优选的，无机氮源为硫酸铵、磷酸铵、氯化铵、柠檬酸铵中的一种或几种。
本发明中发酵培养基采用以上优化配比，合理控制发酵碳氮比并添加适当的柠檬酸合成促进剂，一方面是只有保证合适的碳氮比，才能保证发酵菌种和产酸的正常，另一方面，通过添加合适比例柠檬酸合成促进剂，可以使柠檬酸代谢高效的向柠檬酸合成方向发展，减少其他代谢造成不必要的碳源消耗，提高发酵产酸和糖酸转化率，添加的柠檬酸合成促进剂的量过少效果效果不明显，添加入的柠檬酸合成促进剂的量过大，发酵产酸及发酵产酸强度没有明显增加甚至会有出现抑制的作用，同时还增加了成本。
发酵过程的发酵参数与控制均为常规柠檬酸发酵控制参数一致，在此不再赘述；本发明中所涉及的淀粉酶均为柠檬酸发酵生产常用酶制剂。
本发明以玉米为原料发酵生产柠檬酸，与目前的玉米粉发酵生产柠檬酸相比发酵指数提高了5～10％，即在相同的产酸水平上，缩短发酵周期3小时以上，在相同的发酵周期上，产酸水平提高了3～5％，从而大大提高了设备的利用率；在不增加其他发酵设备的情况下，采用本发明的技术方案可以使生产企业的年产量提高约8％，发酵电耗降低5％，有效降低了生产成本，提高了企业的利润，进一步提高企业的竞争力。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本实施例中用到的发酵菌种均为生产柠檬酸常用的菌种黑曲霉。
实施例1
首先将玉米粉碎制备玉米粉，玉米粉60目的透过率在65％以上；将玉米粉加入水进行调浆，使其质量浓度达到27％，调节pH在5.85，按每克玉米粉10个单位加入耐高温α-淀粉酶；采用连续喷射液化工艺进行液化，一次喷射液化温度控制在97℃，二次喷射液化温度控制在127℃，在液化层流罐中维持3小时,得到玉米液化液，液化DE值为15％；玉米液化液碘试合格后，种子罐中打入占发酵液总体积5％的玉米液化液，添加占发酵液总体积0.02％的硫酸铵，硫酸铵作为无机氮源，玉米液化液自身作为有机氮源，随后升温至121℃消毒30分钟，降温至37℃后接入孢子进行种子液培养；发酵罐中打入占发酵液总体积15％的玉米液化液，将剩余的玉米液化液采用板框过滤机过滤，将玉米液化液的过滤清液打入发酵罐，过滤的玉米糖渣用来生产高蛋白饲料；再向发酵罐中添加占发酵液总体积0.2％的丙酮酸和占发酵液总体积0.5％的草酰乙酸作为柠檬酸合成促进剂，发酵罐培养基制备完成，开启搅拌使培养基混合均匀，升温至121℃消毒15分钟后降温至36.5℃；将培养成熟的种子液移至发酵罐中，使发酵液中菌球浓度达到3*104个/mL,并保证通风，直至发酵终了。
在此条件下，发酵52小时，产酸19.2％，转化率102.35％，发酵指数为3.69g/L·h；发酵液送至提取车间采用氢钙法提取发酵液中的柠檬酸。
实施例2
首先将玉米粉碎制备玉米粉，玉米粉60目的透过率在75％以上；将玉米粉加入水进行调浆，使其质量浓度达到28％，调节pH在5.87，按每克玉米粉20个单位加入耐高温α-淀粉酶；采用连续喷射液化工艺进行液化，一次喷射液化温度控制在95℃，二次喷射液化温度控制在125℃，在液化层流罐中维持1.5小时，得到玉米液化液，液化DE值为22％；玉米液化液碘试合格后，种子罐中打入占发酵液总体积7％的玉米液化液，再添加占发酵液总体积0.015％的硫酸铵和占发酵液总体积0.005％的磷酸铵作为无机氮源，玉米液化液自身作为有机氮源，随后升温至115℃消毒30分钟，降温至37℃后接入孢子进行种子液培养；发酵罐中打入占发酵液总体积15％的玉米液化液，将剩余的玉米液化液采用板框过滤机过滤，玉米液化液的过滤清液打入发酵罐，过滤的玉米糖渣用来生产高蛋白饲料，再向发酵罐中添加占发酵液总体积0.1％的丙酮酸和占发酵液总体积0.35％的草酰乙酸作为柠檬酸合成促进剂，发酵罐培养基制备完成，开启搅拌使培养基混合均匀，升温至90℃消毒20分钟后降温至36.7℃；将培养成熟的种子液移至发酵罐中，使发酵液中菌球浓度达到2.8*104个/mL,并保证通风，直至发酵终了。
在此条件下，发酵53小时，产酸20.3％，转化率103.68％，发酵指数为3.83g/L·h；发酵液送至提取车间采用色谱法提取发酵液中的柠檬酸。
实施例3
首先将玉米粉碎制备玉米粉，玉米粉60目的透过率在70％以上；将玉米粉加入水进行调浆，使其质量浓度达到30％，调节pH在5.95，按每克玉米粉7个单位加入耐高温α-淀粉酶；采用连续喷射液化工艺进行液化，一次喷射液化温度控制在95℃，二次喷射液化温度控制在129℃，在液化层流罐中维持2.5小时，得到玉米液化液，液化DE值为23％；玉米液化液碘试合格后，种子罐中打入占发酵液总体积10％的玉米液化液，添加占发酵液总体积0.05％的硫酸铵作为无机氮源，玉米液化液自身作为有机氮源，随后升温至121℃消毒30分钟，降温至34℃后接入孢子进行种子液培养；发酵罐中打入占发酵液总体积12％的玉米液化液，将剩余的玉米液化液采用板框过滤机过滤，玉米液化液的过滤清液打入发酵罐，过滤的玉米糖渣用来生产高蛋白饲料，再向发酵罐中添加占发酵液总体积0.25％的草酰乙酸作为柠檬酸合成促进剂，发酵罐培养基制备完成，开启搅拌使培养基混合均匀，升温至85℃消毒30分钟后降温至38℃；将培养成熟的种子液移至发酵罐中，使发酵液中菌球浓度达到3.5*104个/mL，并保证通风，直至发酵终了。
在此条件下，发酵55小时，产酸20.3％，转化率102.57％，发酵指数为3.69g/L·h；发酵液送至提取车间采用氢钙法提取发酵液中的柠檬酸。
实施例4
首先将玉米粉碎制备玉米粉，玉米粉60目的透过率在70％以上；将玉米粉加入水进行调浆，使其质量浓度达到30％，调节pH在5.95，按每克玉米粉7个单位加入耐高温α-淀粉酶；采用连续喷射液化工艺进行液化，一次喷射液化温度控制在95℃，二次喷射液化温度控制在129℃，在液化层流罐中维持2.5小时，得到玉米液化液，液化DE值为20％；玉米液化液碘试合格后，种子罐中打入占发酵液总体积12％的玉米液化液，添加占发酵液总体积0.015％的硫酸铵和0.01％氯化铵作为无机氮源，玉米液化液自身作为有机氮源，随后升温至121℃消毒30分钟，降温至34℃后接入孢子进行种子液培养；发酵罐中打入占发酵液总体积8％的玉米液化液，玉米液化液采用板框过滤机过滤，玉米液化液的过滤清液打入发酵罐，过滤的玉米糖渣用来生产高蛋白饲料，再向发酵罐中添加占发酵液总体积0.5％的丙酮酸和占发酵液总体积的0.3％草酰乙酸作为柠檬酸合成促进剂，发酵罐培养基制备完成，开启搅拌使培养基混合均匀，升温至85℃消毒30分钟后降温至37℃；将培养成熟的种子液移至发酵罐中，使发酵液中菌球浓度达到3.2*104个/mL，并保证通风，直至发酵终了。
在此条件下，发酵50小时，产酸18.6％，转化率102.76％，发酵指数为3.72g/L·h；发酵液送至提取车间采用色谱法提取发酵液中的柠檬酸。
实施例5
首先将玉米粉碎制备玉米粉，玉米粉60目的透过率在63％以上；将玉米粉加入水进行调浆，使其质量浓度达到28％，调节pH在6.12，按每克玉米粉15个单位加入耐高温α-淀粉酶；采用连续喷射液化工艺进行液化，一次喷射液化温度控制在90℃，二次喷射液化温度控制在125℃，在液化层流罐中维持6小时，得到玉米液化液，液化DE值为25％；玉米液化液碘试合格后，种子罐中打入占发酵液总体积6％的玉米液化液，添加占发酵液总体积0.02％的柠檬酸铵和占发酵液总体积0.01％的硫酸铵作为无机氮源，玉米液化液自身作为有机氮源，随后升温至105℃消毒30分钟，降温至36℃后接入孢子进行种子液培养；发酵罐中打入占发酵液总体积20％的玉米液化液，将剩余玉米液化液采用板框过滤机过滤，玉米液化液的过滤清液打入发酵罐，过滤的玉米糖渣用来生产高蛋白饲料，再向发酵罐中添加占发酵液总体积0.2％的丙酮酸和占发酵液总体积的0.2％草酰乙酸作为柠檬酸合成促进剂，发酵罐培养基制备完成，开启搅拌使培养基混合均匀，升温至110℃消毒20分钟后降温至36.7℃；将培养成熟的种子液移至发酵罐中，使发酵液中菌球浓度达到3.0*104个/mL，并保证通风，直至发酵终了。
在此条件下，发酵52小时，产酸19.1％，转化率102.69％，发酵指数为3.67g/L·h；发酵液送至提取车间采用色谱法提取发酵液中的柠檬酸。
实施例6
首先将玉米粉碎制备玉米粉，玉米粉60目的透过率在75％以上；将玉米粉加入水进行调浆，使其质量浓度达到31％，调节pH在6.05，按每克玉米粉10个单位加入耐高温α-淀粉酶；采用连续喷射液化工艺进行液化，一次喷射液化温度控制在97℃，二次喷射液化温度控制在130℃，在液化层流罐中维持1.5小时，得到玉米液化液，液化DE值为30％；玉米液化液碘试合格后，种子罐中打入占发酵液总体积15％的玉米液化液，添加占发酵液总体积0.015％的磷酸铵和占发酵液总体积0.01％的硫酸铵作为无机氮源，玉米液化液自身作为有机氮源，随后升温至110℃消毒30分钟，降温至34℃后接入孢子进行种子液培养；发酵罐中打入占发酵液总体积15％的玉米液化液，剩余的玉米液化液采用板框过滤机过滤，玉米液化液的过滤清液打入发酵罐，过滤的玉米糖渣用来生产高蛋白饲料，再向发酵罐中添加占发酵液总体积0.1％的丙酮酸和占发酵液总体积的0.5％的草酰乙酸作为柠檬酸合成促进剂，发酵罐培养基制备完成，开启搅拌使培养基混合均匀，升温至105℃消毒30分钟后降温至36.5℃；将培养成熟的种子液移至发酵罐中，使发酵液中菌球浓度达到3.8*104个/mL，并保证通风，直至发酵终了。
在此条件下，发酵52小时，产酸19.8％，转化率102.59％，发酵指数为3.81g/L·h；发酵液送至提取车间采用色谱法提取发酵液中的柠檬酸。
实施例7
首先将玉米粉碎制备玉米粉，玉米粉60目的透过率在70％以上；将玉米粉加入水进行调浆，使其质量浓度达到27％，调节pH在5.90，按每克玉米粉15个单位加入耐高温α-淀粉酶；采用连续喷射液化工艺进行液化，一次喷射液化温度控制在95℃，二次喷射液化温度控制在127℃，在液化层流罐中维持2小时，得到玉米液化液，液化DE值为25％；玉米液化液碘试合格后，种子罐中打入占发酵液总体积6％的玉米液化液，添加占发酵液总体积0.01％硫酸铵和0.015％磷酸铵作为无机氮源，玉米液化液自身作为有机氮源，随后升温至110℃消毒30分钟，降温至32℃后接入孢子进行种子液培养；发酵罐中打入占发酵液总体积14％的玉米液化液，将剩余的玉米液化液采用板框过滤机过滤，玉米液化液的过滤清液打入发酵罐，过滤的玉米糖渣用来生产高蛋白饲料，再向发酵罐中添加占发酵液总体积0.5％的草酰乙酸作为柠檬酸合成促进剂，发酵罐培养基制备完成，开启搅拌使培养基混合均匀，升温至85℃消毒30分钟后降温至36.5℃；将培养成熟的种子液移至发酵罐中，使发酵液中菌球浓度达到3.0*104个/mL，并保证通风，直至发酵终了。
在此条件下，发酵52小时，产酸18.7％，转化率102.19％，发酵指数为3.60g/L·h；发酵液送至提取车间采用色谱法提取发酵液中的柠檬酸。
对比例
首先将玉米粉碎制备玉米粉，玉米粉40目的透过率在50％以上；将玉米粉加入水进行调浆，使其质量浓度达到27％，调节pH在6.05，按每克玉米粉20个单位加入耐高温α-淀粉酶；采用连续喷射液化工艺进行液化，一次喷射液化温度控制在95℃，二次喷射液化温度控制在125℃，在液化层流罐中维持3小时，得到玉米液化液，液化DE值为20％；玉米液化液碘试合格后，种子罐中打入占发酵液总体积8％的玉米液化液，添加占发酵液总体积0.025％硫酸铵作为无机氮源，玉米液化液自身作为有机氮源，随后升温至118℃消毒30分钟，降温至36℃后接入孢子进行种子液培养；发酵罐中打入占发酵液总体积15％的玉米液化液，剩余的玉米液化液采用板框过滤机过滤，过滤后的清液打入发酵罐，发酵罐培养基制备完成，开启搅拌使培养基混合均匀，升温至105℃消毒30分钟后降温至36.5℃；将培养成熟的种子液移至发酵罐中，使发酵液中菌球浓度达到3.5*104个/mL，并保证通风，直至发酵终了。
在此条件下，发酵56小时，产酸18.6％，转化率101.63％，发酵指数为3.32g/L·h；发酵液送至提取车间采用氢钙法提取发酵液中的柠檬酸。
实施效果对比表
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本发明以玉米为原料发酵生产柠檬酸，与目前的玉米粉发酵生产柠檬酸相比发酵指数提高了5～10％，即在相同的产酸水平上，缩短发酵周期3小时以上，在相同的发酵周期上，产酸水平提高了3～5％，从而大大提高了设备的利用率；在不增加其他发酵设备的情况下，采用本发明的技术方案可以使生产企业的年产量提高约8％，发酵电耗降低5％。本发明的技术方案，不仅能提高柠檬酸合成效率，加快发酵产酸，有效提高糖酸转化效率，并能显著缩短发酵周期和提高设备利用率。从上表的实施效果对比可以看出，添加柠檬酸合成促进剂对比不添加柠檬酸合成促进剂的柠檬酸生产方法，从产酸量、发酵指数、发酵周期和糖酸转化率上看，添加柠檬酸促进剂对柠檬酸合成及发酵生产都有明显的提升和优化，减少了能源消耗，提升了生产效率，减少了成本，适用于工业化的生产。可见本发明提供的一种法发酵生产柠檬酸的方法对柠檬酸发酵行业制造水平提升有很大的促进作用，提高企业的经济效益和企业的行业竞争力。

Claims (6)

1.一种发酵生产柠檬酸的方法，其特征在于，主要步骤包括：培养基制备工序：将无机氮源和玉米液化液打入种子罐中；将玉米液化液、草酰乙酸或草酰乙酸和丙酮酸的组合物、玉米液化液的过滤清液打入发酵罐中；
按照发酵液总体积的百分比计，丙酮酸为0～0.5％，草酰乙酸为0.1～0.5％；打入种子罐中的玉米液化液为5～15％；打入发酵罐中玉米液化液为0～30％；无机氮源为0.02～0.05％；余量为玉米液化液的过滤清液；
种子罐和发酵罐的发酵温度控制在32℃～40℃。
2.根据权利要求1所述的一种发酵生产柠檬酸的方法，其特征在于，将玉米粉碎制备玉米粉，粉碎后的玉米粉60目的透过率在60％以上，然后加水调浆，加入每克玉米粉5～25个酶单位的耐高温α-淀粉酶后，将玉米粉浆输送至喷射液化装置采用连续喷射液化工艺进行液化，得到玉米液化液。
3.根据权利要求2所述的一种发酵生产柠檬酸的方法，其特征在于，玉米粉调浆后质量浓度为20～35％，玉米粉调浆后pH为5.4～6.5。
4.根据权利要求2所述的一种发酵生产柠檬酸的方法，其特征在于，所述液化工艺的液化温度控制在80～130℃，在液化层流罐中维持1～6个小时，液化DE值在15～30％。
5.根据权利要求1所述的一种发酵生产柠檬酸的方法，其特征在于，所述的种子罐和发酵罐培养基调配好后，在80℃～121℃进行15～30分钟的高温消毒。
6.根据权利要求1所述的一种发酵生产柠檬酸的方法，其特征在于，将制备好的孢子接入种子罐至成熟后，将成熟的种子液移至发酵罐中，发酵液中控制菌球浓度为2～4*104个/mL，并通风搅拌至发酵终了。
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