檸檬酸發(fā)酵課程設(shè)計(jì)

《生物化學(xué)工程》課程設(shè)計(jì)檸檬酸發(fā)酵生產(chǎn)及其生物反響器的設(shè)計(jì)目錄一、引言………………31.1檸檬酸簡(jiǎn)介………31.2檸檬酸生產(chǎn)的開(kāi)展歷史…………31.3檸檬酸的應(yīng)用……………………41.4檸檬酸的發(fā)酵方法………………5二、檸檬酸的生產(chǎn) ……………………52.1原料 ……………52.2菌種………………52.3生產(chǎn)發(fā)酵機(jī)理……………………62.4生化過(guò)程…………72.5工藝流程…………92.6工藝流程圖………10三、生物反響器…………113.1生物反響器構(gòu)造圖 …………113.2生物反響器的應(yīng)用………………123.3發(fā)酵生產(chǎn)中的條件控制…………16四、檸檬酸生產(chǎn)的后提取技術(shù)…………174.1提取技術(shù)…………17五、深層液體檸檬酸發(fā)酵技術(shù)需改良方面……………19六、參考文獻(xiàn)……………19一、引言1.1檸檬酸簡(jiǎn)介檸檬酸又名枸櫞酸，學(xué)名2-羥基-丙烷-1，2，3羧酸，英文名稱(chēng)：citricacid，分子量：192.14檬酸是一種含羥基的三元梭酸,其化學(xué)式為,學(xué)名為一羥基一羧基戊二酸,為無(wú)色半透明晶體,或白色顆粒,或白色結(jié)晶粉末,它的結(jié)晶形態(tài)因結(jié)晶條件不同而不同,雖有強(qiáng)烈酸味但令人愉快,稍有一點(diǎn)后澀味。商品檸檬酸主要有無(wú)水檸檬酸C6H8O7和一水檸檬酸C6H8O7·H2O。檸檬酸易溶于水,能溶于乙醉,而不溶于醚、苯、甲苯、氯仿等有機(jī)溶劑。1.2檸檬酸的開(kāi)展簡(jiǎn)史1784年C.W.舍勒首先從柑橘中提取檸檬酸。他是通過(guò)在水果榨汁中參加石灰乳以形成檸檬酸鈣沉淀的方法制取檸檬酸的。天然檸檬酸最初產(chǎn)于美國(guó)加利福尼亞州、意大利和西印度群島。意大利的產(chǎn)量居首位。1922年，世界檸檬酸的總銷(xiāo)售額的90％由美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)等壟斷。發(fā)酵法制取檸檬酸始于19世紀(jì)末。1893年C.韋默爾發(fā)現(xiàn)青霉〔屬〕菌能積累檸檬酸。1913年B.扎霍斯基報(bào)道黑曲霉能生成檸檬酸。1916年湯姆和柯里以曲霉屬菌進(jìn)行試驗(yàn)，證實(shí)大多數(shù)曲霉菌如泡盛曲霉、米曲霉、溫氏曲霉、綠色木霉和黑曲霉都具有產(chǎn)檸檬酸的能力，而黑曲霉的產(chǎn)酸能力更強(qiáng)。如柯里以黑曲霉為供試菌株，在15％蔗糖培養(yǎng)液中發(fā)酵，對(duì)糖的吸收率達(dá)55％。1923年美國(guó)菲澤公司建造了世界上第一家以黑曲霉淺盤(pán)發(fā)酵法生產(chǎn)檸檬酸的工廠(chǎng)。隨后比利時(shí)、英國(guó)、德國(guó)、蘇聯(lián)等相繼研究成功發(fā)酵法生產(chǎn)檸檬酸。這樣，依靠從柑橘中提取天然檸檬酸的方法逐漸為發(fā)酵檸檬酸所取代。1950年前，檸檬酸采用淺盤(pán)發(fā)酵法生產(chǎn)。1952年美國(guó)邁爾斯試驗(yàn)室采用深層發(fā)酵法大規(guī)模生產(chǎn)檸檬酸。此后，深層發(fā)酵法逐漸建立起來(lái)。深層發(fā)酵周期短，產(chǎn)率高，節(jié)省勞動(dòng)力，占地面積小，便于實(shí)現(xiàn)儀表控制和連續(xù)化，現(xiàn)已成為檸檬酸生產(chǎn)的主要方法。中國(guó)用發(fā)酵法制取檸檬酸以1942年湯騰漢等報(bào)告為最早。1952年陳聲等開(kāi)始用黑曲霉淺盤(pán)發(fā)酵制取檸檬酸。輕工業(yè)部發(fā)酵工業(yè)科學(xué)研究所于1959年完成了200l規(guī)模深層發(fā)酵制檸檬酸試驗(yàn)，1965年進(jìn)行了生產(chǎn)100t甜菜糖蜜原料淺盤(pán)發(fā)酵制取檸檬酸的中間試驗(yàn)，并于1968年投入生產(chǎn)。1966年后，天津市工業(yè)微生物研究所、上海市工業(yè)微生物研究所相繼開(kāi)展用黑曲霉進(jìn)行薯干粉原料深層發(fā)酵檸檬酸的試驗(yàn)研究，并獲得成功，從而確定了中國(guó)檸檬酸生產(chǎn)的這一主要工藝路線(xiàn)。薯干粉深層發(fā)酵檸檬酸，原料豐富，工藝簡(jiǎn)單，不需添加營(yíng)養(yǎng)鹽，產(chǎn)率高，是中國(guó)獨(dú)特的先進(jìn)工藝。中國(guó)石油發(fā)酵檸檬酸的研究起步較早。1970年，天津、上海、沈陽(yáng)、常州等地研究單位利用解脂假絲酵母(candidalipolytica)進(jìn)行石蠟油〔正構(gòu)烷烴〕發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸的試驗(yàn)。1979年徐子淵等篩選出一株對(duì)氟乙酸敏感的變異株解脂假絲酵母，其烏頭酸水合酶的活性很低，檸檬酸的生成比例從原來(lái)的50％提高至80％，從而提高了石油發(fā)酵檸檬酸的產(chǎn)率。隨著生物技術(shù)的進(jìn)步，檸檬酸工業(yè)有了突飛猛進(jìn)的開(kāi)展,全世界檸檬酸產(chǎn)量已達(dá)0.4Mt。在檸檬酸發(fā)酵技術(shù)領(lǐng)域，由于高產(chǎn)菌株的應(yīng)用和新技術(shù)的不斷開(kāi)拓，檸檬酸發(fā)酵和提取收率都有明顯提高，每生產(chǎn)1t檸檬酸分別消耗2.5～2.8t糖蜜,2.2～2.3t薯干粉或1.2～1.3t蔗糖。人們正在大力開(kāi)發(fā)固定化細(xì)胞循環(huán)生物反響器發(fā)酵技術(shù)1.3檸檬酸的應(yīng)用檸檬酸由于具有無(wú)毒、平安、溶解性好、酸味可口、以及調(diào)節(jié)pH值和對(duì)金屬離子的鰲合作用等特點(diǎn)，傳統(tǒng)用途以食用為主，作為酸味劑和抗氧化劑應(yīng)用于食品與飲料工業(yè)。70年代以后，檸檬酸在其他工業(yè)領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用，特別是在洗滌劑中代替磷酸鹽作為增效助劑，在生產(chǎn)無(wú)磷洗滌劑中擔(dān)任了重要角色。用于食品與飲料檸檬酸及其鈉鹽、鉀鹽，廣泛地應(yīng)用于各種飲料與食品中，作為酸味劑參加果醬、果凍、蜜餞、糖果、糕點(diǎn)和各種飲料中。在海產(chǎn)品、罐頭水果和蔬菜中參加檸檬酸，可降低其pH值，從而抑制微生物的生長(zhǎng)，延長(zhǎng)保存時(shí)間。用于醫(yī)藥和化裝品檸檬酸是生產(chǎn)多種藥品的原料，如檸檬酸鐵銨可作為補(bǔ)血?jiǎng)?，檸檬酸鈉用作輸血?jiǎng)┑取Ａ硗猓瑱幟仕峒捌潲}類(lèi)可作為酸化劑，參加許多藥品中，使pH值控制在最正確條件，同時(shí)鰲合金屬離子，以保持藥品的性能穩(wěn)定，防止有效成分氧化。在各種化裝品中，如洗發(fā)劑、染發(fā)液、洗滌劑、牙膏中參加檸檬酸，可以作為緩沖劑調(diào)節(jié)pH值，以防止產(chǎn)品分解和變質(zhì)。在工業(yè)中的應(yīng)用檸檬酸鈉可代替磷酸鹽作為增效劑，應(yīng)用于各種日用和工業(yè)洗滌劑生產(chǎn)中。由于磷酸鹽在水中富集會(huì)使藻類(lèi)迅速生長(zhǎng)繁殖，嚴(yán)重影響生態(tài)平衡。因此，許多國(guó)家都已經(jīng)禁用或限用含磷洗滌劑。檸檬酸鈉能夠螯合硬水離子，使斑點(diǎn)分散，去污效果很好，而且檸檬酸可被生物降解，不會(huì)造成環(huán)境污染。所以，檸檬酸鈉可用于生產(chǎn)無(wú)磷洗滌劑。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用檸檬酸及其錢(qián)鹽可以和液體肥料中的鐵、銅、鋅等微量營(yíng)養(yǎng)元素整合，形成可溶性整合物，使肥效增加。在動(dòng)物飼料中參加檸檬酸及其鹽類(lèi)，可增強(qiáng)飼料的效力。在塑料工業(yè)中的應(yīng)用檸檬酸和碳酸氫鹽可代替氯氟化碳，在聚苯乙烯泡沫塑料中用作發(fā)泡劑。檸檬酸鈉可用作無(wú)毒增塑劑，生產(chǎn)聚氯乙烯薄膜。此外，檸檬酸及其鹽類(lèi)還廣泛應(yīng)用于鍋爐清洗業(yè)、無(wú)氰電鍍、石油工業(yè)以及水泥緩凝、織物、紙張、陶瓷等的加工過(guò)程中。1.4檸檬酸的發(fā)酵方法發(fā)酵有固態(tài)發(fā)酵、液態(tài)淺盤(pán)發(fā)酵和深層發(fā)酵3種方法固態(tài)發(fā)酵：以薯干粉、淀粉粕以及含淀粉的農(nóng)副產(chǎn)品為原料，配好培養(yǎng)基后，在常壓下蒸煮，冷卻至接種溫度，接入種曲，裝入曲盤(pán)，在一定溫度和濕度條件下發(fā)酵。液態(tài)淺盤(pán)發(fā)酵：以糖蜜為原料，其生產(chǎn)方法是將滅菌的培養(yǎng)液通過(guò)管道轉(zhuǎn)入一個(gè)個(gè)發(fā)酵盤(pán)中，接入菌種，待菌體繁殖形成菌膜后添加糖液發(fā)酵。發(fā)酵時(shí)要求在發(fā)酵室內(nèi)通入無(wú)菌空氣。深層發(fā)酵：產(chǎn)檸檬酸的主體設(shè)備是發(fā)酵罐。微生物在這個(gè)密閉容器內(nèi)繁殖與發(fā)酵。二、檸檬酸的生產(chǎn)2.1原料檸檬酸發(fā)酵生產(chǎn)可使用的原料品種很多,但共可劃分為兩類(lèi),即糖質(zhì)原料和石油原料。糖質(zhì)原料包括薯干、薯渣、淀粉、淀粉渣及玉米粉,各種粗制糖粗蔗搪,怡糖等、甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜,葡萄糖母液等。石油原料主要包括一的正烷烴。以石油為原料檸檬酸發(fā)酵的研究以日本、美國(guó)的研究報(bào)道占多數(shù)。雖然用于檸檬酸生產(chǎn)的菌種可采用多種碳源,但以蔗糖和葡萄糖為佳,許多原料需進(jìn)行純化,因?yàn)橛行┪⒘吭貢?huì)影響檸檬酸的產(chǎn)生。本設(shè)計(jì)主要以薯干為原料。2.2菌種常用菌種為產(chǎn)黑曲霉〔Aspergillusniger〕。本設(shè)計(jì)使用黑曲霉CO827。2.3生產(chǎn)發(fā)酵機(jī)理 檸檬酸生物合成的代謝調(diào)節(jié)薯干內(nèi)含有淀粉，經(jīng)過(guò)粉碎打漿后，在黑曲霉分泌的淀粉酶的作用下，氧化分解為葡萄糖，此時(shí)黑曲霉的大量的胞內(nèi)NH4+和呼吸活性提高，使通過(guò)糖酵解途徑的代謝得到加強(qiáng)，葡萄糖經(jīng)EMP通絡(luò)分解成為丙酮酸，進(jìn)入三羧酸循環(huán)，在丙酮酸脫氫酶復(fù)合物的作用下氧化成為乙酰CoA以及CO2，然后在檸檬酸合成酶作用下與草酰乙酸縮合而形成檸檬酸，而異檸檬酸脫氫酶、烏頭酸酶因受抑制，而使檸檬酸得以積累如下列圖：檸檬酸合成途徑糖酵解及丙酮酸代謝的調(diào)節(jié)：正常情況下，檸檬酸、ATP對(duì)磷酸果糖激酶有抑制作用，而AMP、無(wú)機(jī)磷、銨離子對(duì)該酶那么有激活作用，特別是還能解除檸檬酸、ATP對(duì)磷酸果糖激酶的抑制作用。銨離子濃度與檸檬酸生成速度有密切關(guān)系，正是由于細(xì)胞內(nèi)濃度升高，使磷酸果糖激酶對(duì)細(xì)胞內(nèi)積累的大量檸檬酸不敏感。合成代謝中酶的作用：TCA環(huán)的起始酶：檸檬酸合成酶是一種調(diào)節(jié)酶。但在黑曲霉中，檸檬酸合成酶沒(méi)有調(diào)節(jié)作用，這是黑曲霉TCA環(huán)的第一個(gè)特點(diǎn)。順烏頭酸酶：順烏頭酸酶會(huì)將糖酵解途徑所積累的檸檬酸進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，從而使檸檬酸無(wú)法積累，因此順烏頭酸酶失活，阻斷TCA環(huán)是檸檬酸積累的必要條件，順烏頭酸水合酶需要Fe2＋。順烏頭酸酶、異檸檬酸酶在pH2.0時(shí)失活，線(xiàn)粒體順烏頭酸酶在催化時(shí)有檸檬酸：順烏頭酸：異檸檬酸=90：3：7的平衡，這個(gè)平衡可能就是造成檸檬酸的最初積累而使pH值降低。2.4生化過(guò)程 1.薯干內(nèi)含豐富淀粉，經(jīng)粉碎打漿后，淀粉由黑曲霉分泌的淀粉酶水解為葡萄糖：(C6H10O5)n(淀粉)+nH2OnC6H12O6(葡萄糖)2.葡萄糖經(jīng)EMP途徑生成丙酮酸：EMP反響式：葡萄糖+2NAD++2ADP+2磷酸→2NADH+2丙酮酸+2ATP+2H2O+2H+3.EMP途徑：4.TCA循環(huán)途徑：TCA循環(huán)反響式：乙酰CoA+3NAD+FAD+GDP+Pi+2H2O2O2+3NADH+3H++FADH2+GTP+CoASH其詳細(xì)過(guò)程如下：(1)乙酰-CoA進(jìn)入三羧酸循環(huán)乙酰CoA具有硫酯鍵，乙?；凶銐蚰芰颗c草酰乙酸的羧基進(jìn)行醛醇型縮合。首先檸檬酸合酶的組氨酸殘基作為堿基與乙酰CoA作用，使乙酰CoA的甲基上失去一個(gè)h+，生成的碳陰離子對(duì)草酰乙酸的羰基碳進(jìn)行親核攻擊，生成檸檬酰CoA中間體，然后高能硫酯鍵水解放出游離的檸檬酸，使反響不可逆地向右進(jìn)行。該反響由檸檬酸合成酶催化，是很強(qiáng)的放能反響。由草酰乙酸和乙酰CoA合成檸檬酸是三羧酸循環(huán)的重要調(diào)節(jié)點(diǎn)，檸檬酸合成酶是一個(gè)變構(gòu)酶，ATP是檸檬酸合成酶的變構(gòu)抑制劑，此外，α-酮戊二酸、NADH能變構(gòu)抑制其活性，長(zhǎng)鏈脂酰CoA也可抑制它的活性，AMP可對(duì)抗ATP的抑制而起激活作用。(2)異檸檬酸形成檸檬酸的叔醇基不易氧化，轉(zhuǎn)變成異檸檬酸而使叔醇變成仲醇，就易于氧化，此反響由順烏頭酸酶催化，為一可逆反響。(3)第一次氧化脫羧在異檸檬酸脫氫酶作用下，異檸檬酸的仲醇氧化成羰基，生成草酰琥珀酸的中間產(chǎn)物，后者在同一酶外表，快速脫羧生成α-酮戊二酸、NADH和co2，此反響為β-氧化脫羧，此酶需要Mg2+作為激活劑。此反響是不可逆的，是三羧酸循環(huán)中的限速步驟，ADP是異檸檬酸脫氫酶的激活劑，而ATP，NADH是此酶的抑制劑。(4)第二次氧化脫羧在α-酮戊二酸脫氫酶系作用下，α-酮戊二酸氧化脫羧生成琥珀酰CoA、NADH·H+和CO2，反響過(guò)程完全類(lèi)似于丙酮酸脫氫酶系催化的氧化脫羧，屬于α氧化脫羧，氧化產(chǎn)生的能量中一局部?jī)?chǔ)存于琥珀酰CoA的高能硫酯鍵中。α-酮戊二酸脫氫酶系也由三個(gè)酶(α-酮戊二酸脫羧酶、硫辛酸琥珀?；D(zhuǎn)移酶、二氫硫辛酸脫氫酶)和五個(gè)輔酶(tpp、硫辛酸、hscoa、NAD+、FAD)組成。此反響也是不可逆的。α-酮戊二酸脫氫酶復(fù)合體受ATP、GTP、NADH和琥珀酰CoA抑制，但其不受磷酸化/去磷酸化的調(diào)控。(5)底物磷酸化生成ATP在琥珀酸硫激酶的作用下，琥珀酰CoA的硫酯鍵水解，釋放的自由能用于合成GTP(三磷酸鳥(niǎo)苷〕在細(xì)菌和高等生物可直接生成ATP，在哺乳動(dòng)物中，先生成GTP，再生成ATP，此時(shí)，琥珀酰CoA生成琥珀酸和輔酶A。(6)琥珀酸脫氫琥珀酸脫氫酶催化琥珀酸氧化成為延胡索酸。該酶結(jié)合在線(xiàn)粒體內(nèi)膜上，而其他三羧酸循環(huán)的酶那么都是存在線(xiàn)粒體基質(zhì)中的，這酶含有鐵硫中心和共價(jià)結(jié)合的FAD，來(lái)自琥珀酸的電子通過(guò)FAD和鐵硫中心，然后進(jìn)入電子傳遞鏈到O2，丙二酸是琥珀酸的類(lèi)似物，是琥珀酸脫氫酶強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)性抑制物，所以可以阻斷三羧酸循環(huán)。(7)延胡索酸的水化延胡索酸酶僅對(duì)延胡索酸的反式(反丁烯二酸)雙鍵起作用，而對(duì)順丁烯二酸(馬來(lái)酸)那么無(wú)催化作用，因而是高度立體特異性的。(8)生成蘋(píng)果酸(9)草酰乙酸再生在蘋(píng)果酸脫氫酶(malicdehydrogenase)作用下，蘋(píng)果酸仲醇基脫氫氧化成羰基，生成草酰乙酸(oxalocetate)，NAD+是脫氫酶的輔酶，接受氫成為NADH·H+5.代謝合成檸檬酸的總生化反響方程式：葡萄糖丙酮酸CO2+乙酰CoA檸檬酸2.5.工藝流程1.原料的預(yù)處理：將薯干粉碎打漿后，用淀粉酶在80～105℃的條件下將淀粉水解，當(dāng)料液與典反響不呈藍(lán)色即為液化終點(diǎn)。2滅菌：將上述水解后的漿液在121℃下滅菌30分鐘，之后至于發(fā)酵罐內(nèi)進(jìn)行發(fā)酵，陳皮50克，糖蜜大于500毫升，置于三角瓶→121℃、30分鐘滅菌→接種孢子接種體〔約3×10-6孢子/瓶〕→加50倍的蒸餾水抽提→過(guò)濾→加碳酸鈣→過(guò)濾后的固形物→加硫酸處理→過(guò)濾除去硫酸鈣→濾液濃縮→結(jié)晶→成品。3、加碳酸鈣：待發(fā)酵結(jié)束后，參加2%的活性炭吸附過(guò)濾，濾液中參加碳酸鈣，邊加邊攪拌。檸檬酸與碳酸鈣形成難溶性的檸檬酸鈣。從發(fā)酵液中別離沉淀出來(lái)，過(guò)濾除去濾液。4、酸解：把檸檬酸鈣用水稀釋成糊狀物，加熱到85℃，慢慢參加硫酸〔一般根據(jù)投入碳酸鈣的用量來(lái)計(jì)算硫酸用量,以碳酸鈣用量的92-95%為宜〕，在參加計(jì)算量的80%以后，即要開(kāi)始測(cè)定終點(diǎn)，方法如下：取甲、乙兩支試管，甲管吸取20%硫酸1毫升，乙管吸取20%氯化鈣1毫升，分別參加過(guò)濾后的酸解液，水浴內(nèi)加熱至沸，冷卻后觀(guān)察兩管溶液，如果不產(chǎn)生混濁，再分別參加1毫升95%的酒精，如甲乙兩管仍不呈混濁，即認(rèn)為到達(dá)終點(diǎn)。甲管有混濁，說(shuō)明硫酸加量缺乏，需要補(bǔ)加硫酸。如果乙管有混濁，說(shuō)明硫酸過(guò)量，應(yīng)再補(bǔ)加一些檸檬酸鈣。5、濃縮、結(jié)晶：將脫色后過(guò)濾所得清液，加熱濃縮到36.5-37Be°時(shí)即可出罐。冷卻至檸檬酸結(jié)晶成品體后，用離心機(jī)將母液脫凈，然后用冷水洗滌晶體，放在陰涼處除去外表的水即為成品。2.6工藝流程圖三、生物反響器眾所周知,檸檬酸發(fā)酵是黑曲酶素代謝過(guò)程失調(diào)的一種特殊過(guò)程,這種失調(diào)來(lái)源于營(yíng)養(yǎng)條件(原材料的質(zhì)量、數(shù)量),環(huán)境條件(生產(chǎn)工藝條件和設(shè)備的合理性)以及細(xì)胞化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)和酶系的一系列復(fù)雜變化,在這一復(fù)雜的生化反響過(guò)程中,通氣和攪拌是整個(gè)檸檬酸發(fā)酵過(guò)程中的兩個(gè)重要參數(shù),它不僅影響到溶氧水平,而且影響到發(fā)酵體系的傳質(zhì)和菌體的形態(tài),最終必將影響到產(chǎn)酸水平。由于檸檬酸菌體是好氧性微生物,在其菌體生長(zhǎng)發(fā)育和生物成過(guò)程中需要氧,菌體長(zhǎng)得愈旺盛,氧的需要量就愈大,但氧氣是難溶于水的。因此，選擇機(jī)械攪拌通氧型的發(fā)酵罐較為適合。3.1生物反響器構(gòu)造圖根據(jù)所查閱的資料【1】，采用噴環(huán)式好氧發(fā)酵罐：反響器構(gòu)造圖示如下：噴環(huán)式好氧發(fā)酵罐發(fā)酵罐參數(shù)：罐體容積：70m3罐體尺寸：￠3600×10000，徑高比1:2:5筒體高度:9000mm;傳熱面積:140m3攪拌轉(zhuǎn)速:125轉(zhuǎn)/分;設(shè)計(jì)功率:135kW;傳動(dòng):減速機(jī)。發(fā)酵罐主要構(gòu)造：罐體,換熱裝置、機(jī)械密封和傳動(dòng)裝置、氣—液型噴射混合攪拌裝置、環(huán)流反響器、二級(jí)彎葉渦輪式攪拌器和穩(wěn)定器噴環(huán)式好氧發(fā)酵罐的特點(diǎn)：1、利用低能實(shí)現(xiàn)乳化傳質(zhì):充分利用通入罐內(nèi)0.005-0.015MPa壓縮空氣的釋放能量,通過(guò)氣—液型噴射混合攪拌裝置引射發(fā)酵液進(jìn)行能量與質(zhì)量的傳遞轉(zhuǎn)換并實(shí)現(xiàn)乳化操作,使氣泡上升速度降低,容量傳質(zhì)系數(shù)KLa提高。2、氧利用率高:利用環(huán)流反響器導(dǎo)流筒內(nèi)、外發(fā)酵液的重度差和靜壓力差,實(shí)現(xiàn)氣液二相軸向環(huán)流運(yùn)動(dòng)和氣—液噴射混合攪拌裝置中乳化操作,使深層發(fā)酵液中的氧得到充分利用。3、無(wú)中間軸承和底軸承:利用穩(wěn)定器在機(jī)械攪拌過(guò)程中對(duì)流體產(chǎn)生的阻尼作用抵消攪拌器的局部徑向力,使攪拌軸的運(yùn)轉(zhuǎn)撓度和擺動(dòng)量在允許范圍內(nèi),從而取消發(fā)酵罐任何型式的中間軸承和底軸承,消除染菌隱患,節(jié)省設(shè)備制造費(fèi)和日常維修費(fèi)用。4、低罐壓操作:僅需0.015～0.025MPa的操作罐壓,比傳統(tǒng)發(fā)酵罐降低50%以上,既可降低攪拌功率,又可減輕空壓機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷與能耗。5、氣液夾帶量少:從液面均勻逸出的小氣泡群不易帶液且操作液面平穩(wěn),使氣液夾帶量減少,放罐體積增加。3.2生物反響器的應(yīng)用生化反響中的動(dòng)力學(xué)cscsKs+csMonod方程：μ=μmFFV連續(xù)培養(yǎng)到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)：μ==DυmaxυmaxcsKm+cs米氏方程：υ=生物反響器的選型：以年處理量1500噸的檸檬酸為例，進(jìn)行生物反響器的選型：設(shè)分立工段損失率為5%，那么：發(fā)酵工段須產(chǎn)生半成品：1500/95%=1579t本設(shè)計(jì)以木薯為原料，干木薯粉淀粉含量為70%，產(chǎn)酸率：14±1%，轉(zhuǎn)化率：95±2%，發(fā)酵：≤70小時(shí)。設(shè)發(fā)酵工段其他操作〔包括滅菌，洗罐等〕為一天，一周期定為4天，一年300天計(jì)算，共75個(gè)周期，溫度35℃，PH=2～3每個(gè)周期產(chǎn)量為：21.1t，產(chǎn)酸率為14%。每周期料液為150.38t，圓整為151t。設(shè)料液的密度近似為1000kg/，發(fā)酵液體積為151。發(fā)酵的總反響式：木薯→淀粉→2分子量為180分子量為192所以每周期生產(chǎn)21.1t料設(shè)葡萄糖的轉(zhuǎn)化率為80%那么需要葡萄糖約為26.4t培養(yǎng)基組分〔據(jù)文獻(xiàn)所查〕：培養(yǎng)基組分培養(yǎng)基中濃度所需質(zhì)量葡萄糖16026.4t硝酸銨2.50.41t磷酸二氫鉀2.50.41t0.250.041t0.000069.90.000254.10.00132.10.0011.6料液總重為150.38，葡萄糖含量為=18%可得水量約為216.64t糖化率為95%，那么須淀粉：43.4t木薯的淀粉含量為70%，那么木薯62t總發(fā)酵液為258t,那么需加水194.7t發(fā)酵料液總重258t水194.7t木薯干粉62t其他約1.3t檸檬酸21.1t1.發(fā)酵罐選型物料系數(shù)==0.6-0.75，取=0.75，那么=151/0.63=200選用3個(gè)100的發(fā)酵罐，2個(gè)做發(fā)酵用，1個(gè)備用，那么總體積為200。=1.7～3，取=2.5取25mm=100D=3.6mH=9m封頭選型查《有機(jī)酸生產(chǎn)與應(yīng)用手冊(cè)》，由發(fā)酵罐公稱(chēng)直徑可得封頭尺寸如下公稱(chēng)直徑曲面直度直邊高度內(nèi)外表積容積3.6m0.90m0.05m14.66.622.攪拌器的選型取d=0.4D=1.44m，圓整到1.5m,取W=D=0.36m，圓整到0.4m，取B=1.0d=1.5m,取S=1.6d=2.4m〔取25mm〕=6.32發(fā)酵液的圓柱體積V柱=151/3－6.32=44.68發(fā)酵液的柱體高h(yuǎn)=4.4m假設(shè)用兩層攪拌器，所以S1=4.4－2.4=2.0m檢驗(yàn)：S1/d=2.0/1.5=1.333在1~2范圍內(nèi)。d–攪拌器直徑W–擋板寬度S–兩攪拌器間隔B–下攪拌器距離底間距S-上攪拌器距離液面距離3.攪拌器的軸功率計(jì)算據(jù)《化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》查得，所選用的攪拌器軸功率為110kW攪拌軸轉(zhuǎn)速為100r/min4.發(fā)酵時(shí)產(chǎn)熱計(jì)算發(fā)酵階段的熱量主要來(lái)自于兩局部，即為生物熱和攪拌熱攪拌熱kJ由文獻(xiàn)查得檸檬酸發(fā)酵過(guò)程最大產(chǎn)熱為12500kJ/(·h)發(fā)酵時(shí)間約為70h，共51發(fā)酵液，得發(fā)酵產(chǎn)熱：kJ=kJ循環(huán)水溫度：27℃～32℃冷凝水用量：循環(huán)水流量：W==30.52檢驗(yàn)傳熱面積：℃,℃,℃,℃<116.34滿(mǎn)足要求。3.3發(fā)酵生產(chǎn)中的條件控制檸檬酸發(fā)酵過(guò)程的控制要點(diǎn)〔1〕控制Mn2+、NH4+濃度，解除檸檬酸對(duì)PFK的抑制，使EMP暢通無(wú)阻。〔2〕控制溶氧，防止側(cè)系呼吸鏈?zhǔn)Щ睢！?〕控制培養(yǎng)基中的Fe2+的濃度，使順烏頭酸水合酶失活。生產(chǎn)中條件控制：溫度控制：工業(yè)生產(chǎn)上，所用的大發(fā)酵罐在發(fā)酵過(guò)程中一般不需要加熱，因發(fā)酵中釋放了大量的發(fā)酵熱，需要冷卻的情況較多。利用自動(dòng)控制或手動(dòng)調(diào)整的閥門(mén)，將冷卻水通入發(fā)酵罐的夾層，通過(guò)熱交換來(lái)降溫，保持恒溫發(fā)酵。PH的控制：微生物發(fā)酵的最適PH值范圍一般是5～8之間，最適PH值是通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定的。可將發(fā)酵培養(yǎng)基調(diào)節(jié)程不同PH值，進(jìn)行發(fā)酵，在發(fā)酵過(guò)程中測(cè)定和調(diào)節(jié)PH值，分別觀(guān)察菌體的生長(zhǎng)情況，以菌體生長(zhǎng)到達(dá)最高的PH值為菌體生長(zhǎng)適合的PH值。在發(fā)酵過(guò)程中直接不加酸或堿和補(bǔ)料的方式控制PH值，補(bǔ)充生理酸性物質(zhì)如硫酸銨，生理堿性物質(zhì)如硝酸鈉。3溶氧量的控制：調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速或通氣速率來(lái)控制供氧，采用調(diào)節(jié)溫度〔減低培養(yǎng)溫度可提高溶氧濃度〕、液化培養(yǎng)基、中間補(bǔ)水、添加外表活性劑等工藝措施，來(lái)改善溶氧水平。發(fā)酵通風(fēng)控制：檸檬酸發(fā)酵是典型的好氧發(fā)酵，對(duì)氧十分敏感，當(dāng)發(fā)酵進(jìn)入產(chǎn)酸期，只要有幾分鐘缺氧就會(huì)對(duì)發(fā)酵造成嚴(yán)重影響，因此要注意通風(fēng)攪拌。四、檸檬酸生產(chǎn)的后提取技術(shù)檸檬酸成熟發(fā)酵液呈黃褐色至深褐色，發(fā)酵液除含有主要產(chǎn)物檸檬酸之外，還含有纖維、菌體、有機(jī)雜酸、糖、蛋白質(zhì)膠體物質(zhì)、色素、礦物質(zhì)及其他代謝產(chǎn)物等雜質(zhì)，其來(lái)源于原材料、未消耗的營(yíng)養(yǎng)鹽和發(fā)酵的副產(chǎn)物等。通過(guò)各種物理化學(xué)方法，去除這些雜質(zhì)，得到符合各級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的檸檬酸產(chǎn)品的全過(guò)程，即為檸檬酸的別離提取技術(shù)，是一個(gè)確保檸檬酸生產(chǎn)豐產(chǎn)又“豐收”，提高企業(yè)效益的生產(chǎn)系統(tǒng)工程。4.1提取技術(shù)目前檸檬酸生產(chǎn)中后提取工藝根本上都是采用“鈣鹽沉淀”法，此法的優(yōu)點(diǎn)在于操作簡(jiǎn)便、易于掌握、產(chǎn)品平安、費(fèi)用較低等，但產(chǎn)生大量的石膏渣和二氧化碳，那么是此工藝的最大缺陷。其次那么是工序較多，化工原料用量較大。鈣鹽-離交提取檸檬酸工藝流程：此工藝從檸檬酸生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化開(kāi)始，一直沿用至今，已經(jīng)幾十年。其工藝經(jīng)典、成熟、投資少、特別在硫酸價(jià)格低下時(shí)的生產(chǎn)本錢(qián)上有明顯的優(yōu)勢(shì)等。近年來(lái)我國(guó)吸取國(guó)內(nèi)外的先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)對(duì)鈣鹽法進(jìn)行較大改良，如連續(xù)中和與連續(xù)酸解新工藝的推廣，極大地降低化工原料、水、能源的消耗。但鈣鹽法工藝路線(xiàn)長(zhǎng)，提取收率較低，每噸檸檬酸成品要消耗1t硫酸和1t碳酸鈣，且產(chǎn)生大量的廢氣、廢水、廢渣〔生產(chǎn)1t檸檬酸將產(chǎn)生480kg二氧化碳，40m3廢水和2t硫酸鈣廢渣〕成為企業(yè)的沉重包袱，三廢處理費(fèi)用占生產(chǎn)本錢(qián)的10%~15%。為解決以上難題，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了萃取別離技術(shù)研究來(lái)替代鈣鹽沉淀法生產(chǎn)工藝。其中萃取別離技術(shù)以色列已研究成功，并在美國(guó)某公司組織生產(chǎn)。但由于生產(chǎn)中萃取溶劑的乳化及產(chǎn)品中萃取溶劑的殘留，使產(chǎn)品在食品、醫(yī)藥行業(yè)中的使用受到影響，因此技術(shù)至今無(wú)法推廣使用。目前具有工業(yè)化生產(chǎn)潛力的是〔1〕吸交法；〔2〕色譜法：〔3〕在此根底上提出的變溫色譜法和吸交法相組合法。吸交法該方法是利用特定的有機(jī)高分子樹(shù)脂的高選擇離子交換性，通過(guò)尋找、