有機(jī)酸工藝學(xué)-乳酸發(fā)酵工藝2

3.3發(fā)酵工藝及控制條件

3.1細(xì)菌乳酸發(fā)酵工藝及技術(shù)細(xì)菌乳酸發(fā)酵因所采用的菌種和原料不同，工藝路線稍有差別。淀粉質(zhì)原料：水解糖乳酸發(fā)酵技術(shù)、大米乳酸發(fā)酵技術(shù)、薯干粉乳酸發(fā)酵技術(shù)、玉米乳酸發(fā)酵技術(shù)、糖質(zhì)原料：蔗糖和糖蜜乳酸發(fā)酵技術(shù)、葡萄糖乳酸發(fā)酵技術(shù)、乳清乳酸發(fā)酵技術(shù)國內(nèi)外生產(chǎn)乳酸的主要原料原料上采用廉價(jià)的來源廣泛的玉米粉，采用“雙酶”糖化或除渣清液發(fā)酵生產(chǎn)乳酸。以玉米原料雙酶水解糖乳酸發(fā)酵技術(shù)為代表，介紹細(xì)菌DL-乳酸發(fā)酵。（一）玉米原料發(fā)酵生產(chǎn)乳酸工藝流程乳酸（二）細(xì)菌乳酸發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)1．DL-乳酸發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)⑴培養(yǎng)基種子與發(fā)酵培養(yǎng)基相同。即：水解糖（水解糖）15%；麥根0.375%；(NH4)2HPO40.25%；CaCO3

過量添加。⑵發(fā)酵接種物的制備：在種子罐中裝入按上述配方的種子培養(yǎng)基，填充系數(shù)為80%，若是剛從60℃降溫至50℃的培養(yǎng)基不必滅菌，直接接入錐形瓶中培養(yǎng)合格的德氏乳桿菌種子液，接種量為5～10%，在50

1℃培養(yǎng)24h。⑶發(fā)酵操作發(fā)酵罐用溫水(40～60℃)洗凈，在發(fā)酵罐內(nèi)按上述配方配置發(fā)酵培養(yǎng)基，填充系數(shù)為80%左右。一般液面離罐頂為30～40cm，防止發(fā)酵過程中泡沫溢出。培養(yǎng)基中的CaCO3是中和劑，可以分批添加。培養(yǎng)基無需滅菌，直接接入上述培養(yǎng)好的種子液，培養(yǎng)物接種量為10%,溫度控制在50

1℃發(fā)酵。如采用分批添加CaCO3的工藝，應(yīng)注意不要使pH值降到5.0以下。否則會(huì)影響發(fā)酵速度。發(fā)酵過程中，每個(gè)班次要檢查2～3次pH值和殘?zhí)?，觀察發(fā)酵過程是否正常。發(fā)酵溫度控制在50℃，高于一般微生物的生長發(fā)育溫度。發(fā)酵罐口敞開，以利CO2自由逸出。當(dāng)殘?zhí)墙抵?g/L時(shí)就視為分解完成。整個(gè)過程大約需3～4d

水解糖發(fā)酵過程曲線發(fā)酵結(jié)束時(shí)，乳酸菌活力降低，料液溫度開始下降，發(fā)酵醪帶有一種黏性，同時(shí)丙酸菌可能開始活動(dòng)，從而影響產(chǎn)品的純度和產(chǎn)率。因此應(yīng)及時(shí)加入石灰乳，將pH值提高到10左右。同時(shí)升高溫度至90℃,使菌體和其他懸浮物下沉，澄清后將上清液和沉淀物分別放出，進(jìn)入提取工序。發(fā)酵罐用熱水洗凈后再使用。⑴菌種：細(xì)菌TL-2(Lactobacilluscasei，乳酸乳桿菌干酪亞種)、嗜熱脂肪芽孢桿菌(B.stearothermophilus)等培養(yǎng)基：①種子培養(yǎng)基（單位：g/L)：葡萄糖40（玉米糖化液），小肽-230，玉米漿5，豆粕水解液10，KH2PO41，(NH4)2SO45，碳酸鈣50，pH6.0～6.5。滅菌條件：115℃，15min。

②發(fā)酵培養(yǎng)基（單位：g/L)：葡萄糖120～140（玉米糖化液），豆粕水解液為34.07，蛋白胨為24.40，玉米漿為10。碳酸鈣量為糖量的45%，pH6.0～6.5；發(fā)酵條件控制：初糖濃度為146g/L，小肽-3為14.2(g/L)；搖床培養(yǎng)時(shí)間24(h)后進(jìn)行靜止培養(yǎng)，培養(yǎng)溫度為42℃，維持初糖濃度與小肽-3的比值為15.5：1，發(fā)酵周期為60h，乳酸產(chǎn)量為142.5g/L，轉(zhuǎn)化率為97.52%。3．細(xì)菌乳酸發(fā)酵技術(shù)要點(diǎn)3．細(xì)菌乳酸發(fā)酵技術(shù)要點(diǎn)（2）營養(yǎng)物質(zhì)的控制：乳酸細(xì)菌大多數(shù)缺乏合成代謝途徑，它們的生長和發(fā)酵都需要復(fù)雜的外源營養(yǎng)物質(zhì)。必須供給各種氨基酸、維生素、核酸堿基等營養(yǎng)因子.發(fā)酵過程中營養(yǎng)物質(zhì)必須控制在生長的亞適量水平。（3）

雜菌污染的控制：乳酸細(xì)菌的乳酸發(fā)酵控制溫度較高，為50℃左右，一般雜菌難以在此環(huán)境中生存，而使乳酸發(fā)酵安全進(jìn)行。①加強(qiáng)發(fā)酵罐(池)的清潔與滅菌。②嚴(yán)格控制發(fā)酵溫度，③加大接種量，在發(fā)酵時(shí)加大接種量以使生產(chǎn)菌株生長旺盛，占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì).3.4乳酸的提取和精制生產(chǎn)技術(shù)

從發(fā)酵液中提取和精制乳酸的主要生產(chǎn)過程為3.4.1發(fā)酵液的預(yù)處理

（1）細(xì)菌乳酸發(fā)酵液特點(diǎn)及其處理

乳酸菌一般不耐酸，通常乳酸是在過剩CaCO3存在的條件下進(jìn)行的。乳酸和CaCO3反應(yīng)，生成五個(gè)水的水合型乳酸鈣。發(fā)酵醪變粘稠。尤其當(dāng)初糖濃度高時(shí)，甚至?xí)拐麄€(gè)發(fā)酵醪固化，給后續(xù)操作帶來麻煩。

細(xì)菌乳酸發(fā)酵液預(yù)處理策略要及時(shí)升溫至90～100℃，并同時(shí)加入石灰乳，將pH調(diào)高至9.5～10，攪勻后，靜止4～6h，使菌體、麥根等懸浮物下沉。避免乳酸鈣結(jié)晶析出，澄清過程中需保溫55℃，然后將上清液放出，沉渣單獨(dú)處理。（2）發(fā)酵液過濾加入助濾劑CaSO4板框過濾機(jī)預(yù)熱70~80℃，過濾，濾液1濾餅用，70~80℃水洗，過濾，濾液2濾液1+濾液2，加活性炭1.5~2.0%，60~70℃脫色過濾，乳酸，乳酸鈣清液3.4.2乳酸提取工藝與技術(shù)一、乳酸鈣前結(jié)晶工藝發(fā)酵濾液→濃縮→冷卻結(jié)晶→洗晶→分離→干燥→乳酸鈣↓粗乳酸←脫色←過濾←酸解←加熱溶解↑↓↑

活性炭

硫酸鈣

濃硫酸

濃縮——減壓

蒸發(fā)70℃乳酸鈣濃度26%~28%結(jié)晶——30℃，加入6%~7%的晶種30℃~23℃1h23℃~18℃1.5h18℃~10℃4h10℃3~5h洗晶——打碎晶體直徑≥5mm

離心→冷水洗滌→白晶體→純水洗滌→粗乳酸鈣溶晶——石膏洗水+蒸汽，溶解粗乳酸鈣酸解——50%濃硫酸，≤80℃，產(chǎn)生硫酸鈣，乳酸過濾——石膏渣洗滌，脫色——0.3%~0.5%粉狀活性炭，70～80℃30min

得20%粗乳酸二、乳酸鈣直接酸解“一步法”工藝（1）工藝流程（2）乳酸鈣直接酸解(一步法)工藝的生產(chǎn)技術(shù)①乳酸鈣濾液的濃縮將預(yù)處理過的澄清無濁的過濾液，打入一效蒸發(fā)器內(nèi)，液面蓋過加熱管時(shí)關(guān)閉進(jìn)料閥門，通蒸汽。一次蒸汽保持在0.2～0.3MPa，當(dāng)一效乳酸鈣濃度達(dá)13～15％時(shí)，將一效乳酸鈣打入二效一部分。每隔15～20min，一、二效之間串料一次。不斷補(bǔ)充新的乳酸鈣料液。二效的真空度控制在0.08MPa以上蒸發(fā)。當(dāng)乳酸鈣含量達(dá)30～35%時(shí)，關(guān)閉蒸汽和真空閥，打開放料閥放料。

乳酸鈣溶解度②酸解與過濾：酸解、酸解終點(diǎn)控制、酸解液的抽濾A.酸解

酸解鍋中打入適量的淡乳酸及適量的硫酸(濃度控制45～50%)。酸解溫度控制在80

1℃。B.酸解終點(diǎn)控制酸水解2～3h至終點(diǎn)后取樣檢測(cè)。其方法是將樣品經(jīng)濾紙分別滴入比色板上兩穴內(nèi)數(shù)滴，一穴內(nèi)加入草酸銨一滴，若混濁表明硫酸加量不足；另一穴加入氯化鋇一滴，若混濁說明硫酸過量。如兩穴皆混，說明反應(yīng)未進(jìn)行完全。C.酸解液的抽濾將保溫于80℃的酸解液迅速注入抽濾槽中，打開抽濾及真空閥，趁熱抽濾。一般洗滌3～5次。

3.4.3乳酸精制工藝

3.4.3.1乳酸精制工藝流程

3.4.3.2乳酸精制生產(chǎn)技術(shù)（1）活性脫色活性炭脫色是最常使用的乳酸凈化除雜方法。粗乳酸的活性炭脫色可在兩種情況下進(jìn)行。①在酸解過程中未除去石膏渣的溶液中，添加約2%的活性炭，在硫酸鈣結(jié)晶溫度下，與結(jié)晶同時(shí)進(jìn)行脫色1小時(shí)，活性炭隨石膏渣一起濾去。酸解同時(shí)脫色②在除去石膏渣的乳酸溶液中，視顏色的深淺，添加一定量的活性炭，維持溫度70～80℃、30min，進(jìn)行脫色。（2）一次濃縮及脫色

將酸轉(zhuǎn)入一次濃縮罐內(nèi)，打開蒸汽閥加熱濃縮，真空度不低于0.08MPa，溫度不得高于80℃。料液濃度達(dá)45%～50%時(shí)，趁熱放入脫色罐中脫色。視色度情況加入0.5%～1.0%的活性炭，啟動(dòng)攪拌，脫色30分鐘。檢查色度合格后進(jìn)行過濾。（3）碳柱脫色與離子交換

經(jīng)過一次濃縮脫色后的乳酸溶液仍含有少量的無機(jī)或有機(jī)雜質(zhì)，可采用碳柱脫色和離子交換法，使溶液流過顆粒活性炭柱、H＋型陽離子交換柱、OH-型陰離子交換柱，去除無機(jī)物質(zhì)、部分色素物質(zhì)和部分含氮物質(zhì)。1)．陽離子交換樹脂(732)交換將經(jīng)碳柱脫色合格的40%～50%乳酸溶液以一定的速度通過樹脂，進(jìn)行陽離子交換。pH3.0以上的乳酸液供酸解工序做洗水，pH3.0以下開始收集。每隔2h檢測(cè)一次鐵的含量，嚴(yán)格控制鐵離子的濃度小于3mg/L。當(dāng)流出料液鐵離子含量達(dá)3mg/L時(shí)，轉(zhuǎn)入另一再生好的陽離子交換柱，繼續(xù)進(jìn)行交換。

2)．陰離子交換樹脂(331)交換將去除陽離子的乳酸溶液以一定的流速通過樹脂。pH3以上的淡乳酸回收入淡乳酸貯槽，以作洗水之用。pH3.0開始接收，每隔2h檢測(cè)一次氯化物，嚴(yán)格控制氯化物含量在5mg/L以下。樹脂吸飽后將料液放至樹脂層，注入蒸餾水將乳酸壓出至pH3.0，回收淡乳酸。3)．碳柱、331陰離子交換樹脂、732陽離子交換樹脂經(jīng)多次反復(fù)使用后，會(huì)吸附部分有機(jī)物和有害離子，使交換當(dāng)量明顯下降，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行活化，再生后方可使用。（4）膜（納米）過濾將去離子的乳酸液，再經(jīng)過膜（納米）過濾裝置，除去大分子量的蛋白、膠體等，使乳酸質(zhì)量由５～３號(hào)色提高到１號(hào)色。（5）二次濃縮將經(jīng)過離子交換處理過的乳酸溶液吸入二次濃縮罐中，控制溫度70℃以下蒸發(fā)濃縮。不斷添加新料，并視料液的顏色情況添加少量活性炭，濃縮至乳酸含量82%～85%時(shí)，趁熱放料，通過板框過濾，獲得純凈的乳酸成品。二次濃縮獲得的乳酸液達(dá)到乳酸含量82%～85%；Fe離子≤5.mg/L；Cl離子≤10mg/L；色度3～5號(hào)色。3.5乳酸的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及新工藝新技術(shù)

3.5.1乳酸的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB2023--2003規(guī)定作為食品添加劑的乳酸質(zhì)量應(yīng)符合以下要求:1．性狀:油狀液體。2．氣味：無刺激，無異味。3．理化指標(biāo)3.5.2新工藝新技術(shù)在乳酸發(fā)酵生產(chǎn)中的應(yīng)用近年來，美國、日本、西歐及我國等許多國家競(jìng)相研究發(fā)酵法生產(chǎn)L－乳酸，不斷開發(fā)出新菌種、新工藝、新技術(shù)和新設(shè)備。其科技進(jìn)步主要有：

1.菌種方面2.工藝方面

3.設(shè)備方面1.菌種方面：國內(nèi)外紛紛開展米根霉L－乳酸發(fā)酵的研究，主攻方向是選育產(chǎn)L-乳酸純度為95％以上的高產(chǎn)菌種，進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)化率，縮短發(fā)酵周期，由50小時(shí)縮短到34小時(shí)。積極開發(fā)嗜熱芽孢桿菌、鼠李糖乳桿菌等乳酸細(xì)菌的L－乳酸發(fā)酵研究，其優(yōu)點(diǎn)是發(fā)酵溫度高，無需提供無菌空氣和機(jī)械攪拌。江蘇省微生物研究所曹本昌等篩選獲得一株干酪乳桿菌鼠李糖亞種（L·caseiSubsprhamnosus）此菌在50℃厭氣發(fā)酵，產(chǎn)酸率達(dá)90g/L。梁大芳等篩選分離獲得鼠李乳桿菌IFFI—422，此菌在40℃下發(fā)酵48小時(shí)，產(chǎn)L-乳酸達(dá)88g/L，轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)酸率分別為95.6%和1.83g/L。西歐、比利時(shí)采用基因工程技術(shù)，構(gòu)建工程細(xì)菌可產(chǎn)L-乳酸180g/L。2.工藝方面

（1）原料上采用廉價(jià)的來源廣泛的玉米粉，生產(chǎn)原料的予處理過程中，吸收檸檬酸行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，采用罐外噴射液化技術(shù)，能耗和原料消耗明顯降低，發(fā)酵設(shè)備利用率不斷提高。（2）2006年天津科技大學(xué)與河南金丹乳酸廠共同開發(fā)了玉米去渣清液發(fā)酵新工藝，經(jīng)過多年的生產(chǎn)應(yīng)用和完善，現(xiàn)已在全行業(yè)中推廣普及。由粗料改為細(xì)料發(fā)酵，為高糖高酸發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用奠定技術(shù)支撐。提高了發(fā)酵產(chǎn)酸和轉(zhuǎn)化率。（3）采用固定化活細(xì)胞技術(shù)，提高產(chǎn)酸速率。將生長的乳酸細(xì)菌和根霉菌固定于海藻酸鈉、卡拉膠、聚丙酰胺和聚氨酯泡沫顆粒中，進(jìn)行L－乳酸發(fā)酵，產(chǎn)酸率顯著提高。（4）在乳酸鈣直接酸解(一步法)，乳酸提取中，采用等當(dāng)量連續(xù)酸解新工藝，縮短酸解時(shí)間，減少酸解設(shè)備噸位和負(fù)荷，提高生產(chǎn)環(huán)境的衛(wèi)生條件。硫酸鈣的過濾由間歇板框過濾→移動(dòng)盤式水平真空過濾機(jī)→連續(xù)膠帶過濾機(jī)，過濾和節(jié)能效果顯著。開發(fā)新的分離、精制乳酸技術(shù)，如吸交法或色譜分離技術(shù)、分子蒸餾等技術(shù)，不斷提高我國L－乳酸的純度和提取率。（5）在乳酸提取中，采用高濃度連續(xù)酸解冼濾技術(shù)以及水和淡酸循環(huán)回收技術(shù)，提高了提取收率，極大地降低水耗（6）在乳酸精制工藝中采用膜過濾技術(shù)和裝置、分子蒸餾技術(shù)與設(shè)備和“吸交法”分離提純技術(shù)，極大地提高了產(chǎn)品質(zhì)量。3.設(shè)備方面（1）開展節(jié)能、低耗的反應(yīng)器研究，例如在米根霉L－乳酸發(fā)酵中，開發(fā)無攪拌的氣升式發(fā)酵罐替代目前的標(biāo)準(zhǔn)式發(fā)酵罐，以降低動(dòng)力消耗。（2）乳酸發(fā)酵罐由50M3→100M3→200M3→300M3以上，輔之先進(jìn)的攪拌和通風(fēng)裝置，節(jié)能效果顯著，土建和人工大為減少。為了消除硫酸鈣和CO2排放對(duì)大氣污染、減少原料消耗，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)，提高提取收率，降低生產(chǎn)成本。正開展原位分離發(fā)酵技術(shù)的研究，在乳酸發(fā)酵過程中，組合進(jìn)電滲析、離子交換、膜分離等分離技術(shù)，減少產(chǎn)物乳酸對(duì)發(fā)酵的抑制作用。由于上述新技術(shù)、新工藝和新裝備的應(yīng)用，使我國乳酸生產(chǎn)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都有了很大改善，進(jìn)一步提高與國行業(yè)的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，致使我國乳酸產(chǎn)量和出口量的持續(xù)增長，而國外發(fā)達(dá)國家產(chǎn)量大幅度減。202004-22思考題1、乳酸精制工藝有哪些新的技術(shù)進(jìn)展，請(qǐng)查閱文獻(xiàn)進(jìn)行評(píng)述。蘇理,蘭文忠,吉武科,等.發(fā)酵L-乳酸提取新工藝的研究[J].山東輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2001(4):56-60.結(jié)晶法、酯化法、吸附法由于吸附材料對(duì)特定分子具有較好選擇性吸附功能，因此吸附法也可用來從發(fā)酵液體系中分離乳酸。通常采用離子交換樹脂將乳酸從體系中分離出來。提取工藝的核心部分——有機(jī)溶劑洗滌純化L-乳酸鈣晶體具有一定的創(chuàng)新性，它不同于以往的鈣鹽法,避免因L-乳酸鈣在水中有較大溶解度而造成的產(chǎn)品損失,能大大提高L-乳酸的提取率,提取收率在76%以上。流程如下：李劍.原位分離乳酸發(fā)酵新工藝的研究[D].天津輕工業(yè)學(xué)院,2000.吸附法利用離子交換樹脂進(jìn)行原位分離乳酸發(fā)酵作為乳酸發(fā)酵的一種手段，無論在及時(shí)移走乳酸，還是提取精制乳酸，在乳酸工業(yè)中都有廣泛的應(yīng)用前景，與傳統(tǒng)的乳酸發(fā)酵和提取相比較具有許多優(yōu)點(diǎn)。利用離子交換樹脂進(jìn)行原位分離乳酸發(fā)酵工藝操作簡單，僅只包括9個(gè)部分，與現(xiàn)有工藝相比減小了3個(gè)工藝部分，且自動(dòng)化程度高。其中僅有1次脫色，活性炭和硫酸用量比較少。不生成CaSO4，消除環(huán)境污染。本工藝能及時(shí)移走乳酸，使發(fā)酵液中乳酸濃度很低，以避免乳酸對(duì)乳酸發(fā)酵的反饋抑制，縮短了發(fā)酵周期，且乳酸收率高。李衛(wèi)星,邢衛(wèi)紅.發(fā)酵法乳酸精制技術(shù)研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展,2009(03):136-140.膜分離法普通電滲析法是利用選擇性的離子交換膜在電場(chǎng)作用下使離子發(fā)展定向運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到離子的濃縮。已有學(xué)者結(jié)合了超濾和普通電滲析過程從乳酸發(fā)酵液提取出乳酸鈉；有學(xué)者僅采用陽離子交換膜結(jié)合硫酸酸化的方法處理乳酸鈉溶液，電滲析去除了反應(yīng)生成的硫酸鈉而得到乳酸，由于存在擴(kuò)散產(chǎn)品中仍然存在部分鈉離子，約5％左右。雙極膜電滲析是新型的技術(shù)，與普通電滲析的區(qū)別在于雙極膜層能使水發(fā)生解離，在發(fā)酵液有機(jī)酸鹽的資源化處理方面有了初步應(yīng)用，因此在從乳酸鹽制