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1、第四节 柠檬酸生产的上游工程,可用于柠檬酸发酵的原料很多，含淀粉的农产品及其副产品，某些有机化合物以及石油中某些成分都可以用作发酵原料，但工业生产上，不但要考虑发酵工艺上的要求，还要考虑生产管理和经济上的可行，大规模工业化生产中，选择原料一般从以下几个方面考虑。（1）因地制宜，就近取材，价格低廉；（2）原料中可利用的成分高，未严重污染，抑制生长和产酸的物质较少，或能够除去，能满足生产工艺的要求；（3）原料资源丰富，便于运输；,一、发酵原料及其处理,目前工业上使用的发酵原料主要有以下几种：（1）淀粉原料：甘薯、木薯、马铃薯等；（2）粗制糖类：粗蔗糖、水解糖（葡萄糖）；（3）制糖工业副产品：糖蜜、
2、葡萄糖母液等；（4）含正烷烃较多的石油馏分；（5）副原料：米糠、麦芽等；,淀粉质原料甘薯类甘薯又名甜薯、红薯、白薯或番薯是高产作物，鲜甘薯含有大量水分和糖份，营养充足，但容易受到微生物的污染而腐烂，鲜薯难以贮藏，柠檬酸生产上一般用干粉或薯干片。化学成分查看有关资料。,木薯木薯是亚热带高产经济产物，与甘薯一样，木薯可以制成粉状，片装、薯淀粉等加工产品。木薯中含有氰的配糖体，经酶水解可释放出HCN，对人体有害，但晒干制成薯干后大部分消失，另外在发酵前的蒸煮和液化也基本被除去，不致危害到发酵。马铃薯马铃薯的含氮量高，是天然的良好培养。,糖蜜一原料 糖蜜是制糖工业上的副产品，其中含有大量的可发酵性糖。
3、（1）甜菜糖蜜 甜菜糖蜜外观是稠厚、黑褐色、带有三甲胺和甲硫醚的气味。其成分相当复杂，而且变化较大，它与甜菜的生长环境、栽培和收获方法、保藏条件、制糖工艺等因素有关。成分查看有关资料。甜菜糖蜜平均干物质80%，水分20%。甜菜糖蜜含转化糖（还原糖）较少，但如果贮藏条件不好，转化糖含量就会大幅增加。甜菜糖蜜的有机成分包括含氮物质（占0.6-0.8%，主要成分是甜菜碱），有机酸（甜菜中的有机酸在制糖中被钙盐沉淀掉，转移到糖蜜中的主要是丙二酸、丁二酸、戊二酸等）、糖的分解产物（主要包括脂肪醛是拟制柠檬酸发酵的物质，但在发酵过程中会消失、芳香族化合物质。,（2 甘糖糖蜜 甘糖糖蜜是甘蔗制糖工业的副产品
4、，在我国南方产量很高，它的成分与甜菜糖蜜相差较大，主要在几个方面：（1）蔗糖少，转化糖含量高；（2）总氮低，不含甜菜碱和谷氨酸；（3）胶体多，色度高；（4）灰分中Fe、Mn含量较低，Cu、Zn含量较低；,（一）原料预处理,在发酵与酿造过程中，为了加速蒸煮、糖化、发酵的反应速度，对于使用的固体原料，常需将其粉碎。使大块固体物料破碎成小块物料的操作，通常称为粉碎，而使小块物料进一步粉碎为粉末状物料，则称为磨碎或研磨。在生产过程中，粉碎的效果好坏，不仅直接反映出粉碎操作的合理性和经济性，而且会间接影响到蒸煮、糖化、发酵的效果。,粉碎的方法，根据操作作用力的不同可区分为四种：挤压；冲击；磨碎；劈碎。无
5、论是哪一种作用力，假如所施加的外力没有超过物料的弹性强度，则物料产生弹性变形，外力除掉后，物料恢复到原来情况。加入施加的外力稍超过物料的破碎强度，则物料即被粉碎。物料表面通常具有不规则的形状，因此外力首先作用在突出点上，产生局部的应力，破碎后应力分散，作用点发生变化。,选择粉碎物料的方法，必须根据物料的物理性质、大小、粉碎的程度等，应特别注意物料的硬度和破裂性。对坚硬和脆性的物料，挤压和冲击很有效；对韧性物料剪切力作用较好；对方向性物料则以劈碎为宜。但不论哪一种粉碎，很少单独使用其中的一种方法，而是几种方法的组合，使粉碎更加有效。（1）锤式粉碎机 锤式粉碎机是利用快速旋转的锤刀对物料进行冲击粉
6、碎，广泛用于各种中等硬度物料的中碎与细碎作业。由于各种脆性物料的抗冲击性较差。因此，这种粉碎机特别适用于脆性物料。,锤式粉碎机筛网 2.轴 3.锤刀 4.冲击板 5.机壳,锤式粉碎机如上图主轴上有钢质圆盘或方盘转子，盘上装有可拆换的锤刀。锤刀可以自由摆动。当主轴经8002500r/min在密封的机壳内旋转时，刀片在各个不同的位置上，能够以很大的冲击力将物料粉碎。加入到粉碎机中的物料，首先与锯齿形的冲击板撞击，已经被粉碎的物料，通过机壳上的格栅网孔排出。未被粉碎的物料，被筛网阻截，再次受锤力冲击粉碎。如遇有坚硬不能粉碎的物料，由于锤刀是活动地悬挂在盘上，可以摇动而让开，可避免损伤机器，当然锤刀要
7、受到较大的磨损，甚至损坏筛网。如遇有坚硬的物料，可再次或多次冲击粉碎。粉碎的物料，连续穿过机内的筛网排出。为了避免堵塞，除将筛网孔做成上小下大的锥形孔外，被粉碎的物料含水量不应超过10%15%。,2.辊式粉碎机 辊式粉碎机广泛应用于粉碎颗状物料的中碎或细碎的作业，主要工作机件是两个直径相同的圆柱状辊筒。,二辊式粉碎机1.弹簧 2.物料 3.滚筒 4.机座,两个辊筒以相反的方向旋转，产生挤压力和剪力将物料粉碎。辊筒表面有光面和带波纹的两种，物料从辊筒间的空隙加入。两辊筒间的距离称为开度。凡物料颗粒小于开度的，可经空隙漏出。当要求产品较细时，可提高辊筒表面的圆周速度，达810r/min，也可使两辊
8、筒间有15%20%的转速差，这样可增加粉碎度。两个辊筒，有一个辊筒的轴承是固定的，另一个辊筒是可以移动的，这样可调节辊筒的开度。另外在可移动的轴承上，还装有弹簧。因此，当物料中混有较大块或硬的物料时，弹簧能稍微移动一点，使大块或硬的物料得以通过，以免使辊筒表面受到损伤。,（二）淀粉液化处理工艺,2.1 淀粉的颗粒的外观淀粉颗粒呈白色，不溶于冷水和有机溶剂，其内部呈复杂的结晶组织。随原料品种和种类的不同，淀粉颗粒具有不同的形状和大小。形状不规则，大致上可分为圆形、椭圆形和多角形。一般说来，水份含量高，蛋白少的植物，颗粒较大，形状较整齐，大多为圆形或卵形，如马铃薯、甘薯的淀粉。颗粒较大的薯类淀粉较
9、易糊化，颗粒较小的谷物淀粉相对较难糊化。淀粉颗粒的构成如下图：氢键 聚集 淀粉分子链 针状晶体 淀粉颗粒,2.2 淀粉的分子结构淀粉可分为直链和支链淀粉两类。直链淀粉通过-1，4键连接。支链淀粉的直链部分通过-1，4键连接，分支点则有-1，6键连接，支链平均有25个葡萄糖基团，因而还原性末端数量较少。一般植物中直链淀粉含量为2025%，支链淀粉占7580%。直链淀粉在7080的水中可溶，溶液的粘度较小，遇I2呈纯蓝色；支链淀粉在高温水中可溶，溶液的粘度大，遇I2呈兰紫色。,CH2OH,OH,O,OH,CH2OH,OH,O,OH,CH2OH,OH,O,OH,CH2OH,OH,O,OH,CH2OH
10、,OH,O,OH,CH2OH,OH,O,OH,CH2OH,OH,O,OH,CH2OH,OH,O,OH,CH2,OH,O,OH,O,CH2OH,OH,O,OH,淀粉种类及其结构,支链淀粉或糖原分支点的结构,淀粉的分枝结构,2.3 淀粉在水-热处理过程的中变化（1）水-热处理的目的淀粉原料经过水热处理，使淀粉从细胞中游离出来，并转化为溶解状态，以便淀粉酶系统进行糖化作用，这就是原料水-热处理的主要目的。（3）淀粉的膨胀和溶解膨胀：淀粉是一种亲水胶体，遇水加热后，水分子渗入淀粉颗粒的内部，使淀粉分子的体积和重量增加，这种现象称为膨胀。糊化：在温水中，当淀粉颗粒无限膨胀形成均一的粘稠液体的现象，称为淀
11、粉的糊化。此时的温度称为糊化温度。,溶解或液化：淀粉糊化后，如果提高温度至 130，由于支链淀粉的全部（几乎）溶解，网状结构彻底破坏，淀粉溶液的粘度迅速下降，变为流动性较好的醪液，这种现象称为淀粉的溶解或液化。,2.4 淀粉液化的方法（1）按水解动力的不同分为：酸法、酶法、酸酶法、机械液化法（2）按工艺的不同分为：间歇式、半连续式、连续式（3）按设备的不同分为：管式、罐式、喷射式（4）按加酶方式的不同分为：一次加酶、两次加酶、三次加酶（5）按原料的精粗不同分为：淀粉质原料直接液化、精制淀粉液化,水解动力,催化剂,机械力,机械液化法,酸酶催化,酶催化,酸解,酸酶法,酸法,酶法,升温方式不同,加酶
12、方法不同,酶耐温性不同,原料粗细不同,精制淀粉液化法,淀粉原料直接液化法,中温酶法,高温-中温酶法,高温酶法,三次加酶液化法,两次加酶液化法,一次加酶液化法,喷射液化法,半连续液化法（高温液化法、喷淋法）,间歇液化法（直接升温法）,喷射器型式,高压蒸汽喷射液化法,低压蒸汽喷射液化法,2.4.1 液化的方法与选择,2.4.1酶解法液化、糖化淀粉常用的酶-淀粉酶：其作用是将淀粉迅速水解为糊精及少量麦芽糖，对淀粉的作用，可将长链从内部分裂成若干短链的糊精，所以也称内切淀粉酶。淀粉受到-淀粉酶的作用后，遇碘呈色很快反应，如下表现：蓝紫红浅红不显色(即碘原色)糖化酶：作用于淀粉的l，4键结合，能从葡萄糖
13、键的非还原性末端起将葡萄糖单位一个一个的切断，因为是从链的一端逐渐地一个个地切断为葡萄糖，所以称为外切淀粉酶。-淀粉酶：-淀粉酶能水解-1，4糖苷键，不能水解-1，6糖苷键，遇此键水解停止，也不能越过继续水解。水解由淀粉分子的非还原末端开始，水解相隔的-1，4键麦芽糖，届于-构型。故叫-淀粉酶，-淀粉酶届于外切酶，水解产物只有麦芽糖。,淀粉的酶分解,淀粉的酶促水解解 淀粉酶：在淀粉分子内部任意水解-1.4糖苷键。（内切酶）淀粉酶:从非还原端开始，水解.4糖苷键，依次水解下一个麦芽糖单位（外切酶）脱支酶（R酶）:水解淀粉酶和淀粉酶作用后留下的极限糊精中的1.6 糖苷键。,淀粉酶的作用方式,2.4
14、.2 酶法液化方法(1)间歇（升温）液化法工艺：将浓度3040%淀粉乳调整pH到6.5，加入CaCl2(0.01mol/L)和一定量淀粉酶(58u/克淀粉)，剧烈搅拌，加热到8590，保持3060分钟，达到液化程度(DE 1518)，升温到100，灭酶10分钟。优点：此方法简便缺点：效果较差，能耗大，原料利用率低，过滤性能差。,（2）半连续（高温）液化法（喷淋连续进出料液化法）工艺：将淀粉乳调整到适当pH和Ca2+浓度，加入一定量的液化酶，用泵打给喷淋头引入液化罐中（其中已有90热水），淀粉糊化后，立即液化，至保温罐90保温40分钟，达到液化的程度。优点：设备和操作简单，效果比间歇液化好。缺点
15、：不安全，蒸汽耗量大，温度无法达到最佳温度，液化效果差，糖液过滤性能也差。,（3）连续（喷射）液化法利用喷射器将蒸汽直接喷射至淀粉薄层，以在短时间内达到要求的温度，完成糊化和液化。喷射后，进入保温罐，8590保温45分钟。优点：设备小，便于连续操作，原料利用率高，转化率高，蛋白质凝聚好。缺点：但要求一定压力的蒸汽，进出料的速度要稳定,喷射液化的几种流程：,连续出料,多段液化：多次加酶，多次加热，适用各种原料（特别是难液化的小麦，玉米淀粉）,一段高温喷射液化工艺,单罐维持,工艺控制要点：淀粉乳浓度30%左右pH6.06.5喷射器出口温度（1053）C，保温97100 C，3060min。,两次加
16、酶喷射液化工艺,酶,淀粉+水+酶,蒸汽,蒸汽,蒸汽,蒸汽,配料罐,喷射液化器,保温罐,95-97,145,二次液化罐,工艺流程调浆-配料-一次喷射液化-液化保温-二次喷射-高温维持-二次液化-冷却-（糖化）,酶,淀粉+水+酶,蒸汽,蒸汽,蒸汽,蒸汽,配料罐,喷射液化器,保温罐,95-97,145,二次液化罐,在配料罐内，将淀粉加水调浆成淀粉乳，用Na2CO3调PH，使PH值处在5.0-7.0之间，加入0.15%的氯化钙作为淀粉酶的保护剂和激活剂，最后加入耐高温-淀粉酶，料液经搅拌均匀后用泵打入喷射液化器，在喷射器中出来的料液和高温蒸汽直接接触，料液在很短时间内升温至95-97，此后料液进入保温
17、罐保温60min，温度维持在95-97，然后进行二次喷射，在第二只喷射器内料液和蒸汽直接接触，使温度迅速升至145以上，并在维持罐内维持该温度3-5min左右，彻底杀死耐高温-淀粉酶，然后料液经真空闪急冷却系统进入二次液化罐，将温度降低到95-97，在二次液化罐内加入耐高温-淀粉酶，液化约30min，用碘呈色试验合格后，结束液化。,工艺的特点：利用喷射器将蒸汽喷射入淀粉乳薄膜，在短时间内通过喷射器快速升温145，完成糊化、液化，使形成的“不溶性淀粉颗粒”在高温下分散，数量也大为减少，从而使所得的液化液既透明又易于过滤，淀粉的出糖率也高，同时采用了真空闪急冷却，增高了液化液的浓度,（三）糖化,1
18、00,糖化是利用糖化酶（也称葡萄糖淀粉酶）将淀粉液化产物糊精及低聚糖进一步水解成葡萄糖的过程。,酶 水解位置 水解次序 水解产物液化 淀粉酶 1，4糖苷键 无先后次序 葡萄糖、麦芽糖、麦芽三糖 糖化 糖化酶 1，4和1，6 从非还原性 异麦芽糖、低聚糖、葡萄糖 糖苷键 末端开始,原则：酶活力低，液化液浓度高，用量则多，反之则少。生产用量：30%淀粉，80-100单位/克淀粉。,酸水解糖化工艺流程,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,水,纯碱水活性炭,排气,排气,冷却水,蒸汽,淀粉,1，4-调浆槽 2-糖化锅炉 3-冷却罐 5-过滤机 6-糖液暂贮罐,7-糖液贮罐 8-盐酸计量器 9-水力
19、喷射器 10-水槽,针对工艺提问,而日本和欧美一些国家的很多工厂已采用连续糖化法,软水,排气,蒸汽,淀粉,硫酸,水,淀粉乳贮罐,淀粉乳调节槽,硫酸稀释罐,粗滤器,定量泵,蒸汽喷射加热器,维持罐,蛇管,控制阀,分离器,分离器,贮罐,等压管,流量计,压力表,温度计,17,5,3,2,蒸汽,淀粉碱液氯化钙-淀粉酶,糖化酶,双酶法制糖工艺流程,水,回流,1,4,6,5,6,11,7,10,8 9,12,13,14,15,16,18,1-调浆配料槽 2，8-过滤器 3，9，14，17-泵 4，10-喷射加热器 5-缓冲器 6-液化层流罐,7-液化液贮罐 11-灭酶罐 12-板式换热器 13-糖化罐 15
20、-压滤机 16-糖化暂贮槽 18-贮糖槽,说说酸水解法、酸酶法和酶水解法三种不同水解工艺的优劣？,20,0,50,温度（C）,粘度(pas),不同水解工艺与糖化液的粘度的关系,全酶,酸酶,酸,从制得的水解糖液的粘度来看，以酶解法为最低，酸解法最高，如图所示。从水解糖液的质量、原料利用率、糖收得率、耗能及对粗淀粉原料的适应情况来看，以酶解法最好，其次是酸酶法，酸法最差。从淀粉水解的整个过程所需的时间来看，酸法最短，酶法最长。,间歇式与连续式糖化方式比较,二、培养基灭菌系统,发酵生产要求纯种培养，不仅斜面、种子和培养基以及发酵罐、管道须经灭菌除去各种杂菌，而且在需氧发酵中通入的空气也须经除菌处理，
21、只有这样才能确保生产不受杂菌污染。因此，生产前对设备管道要进行严格的清洗、灭菌，发酵生产中使用的培养基和通入的空气，也必须预先严格灭菌。培养基灭菌的方法有加压蒸汽灭菌、常压湿热灭菌、干热灭菌、辐射灭菌、细菌滤器过滤除菌、化学试剂消毒等法。但大规模工来最常用的是加热蒸汽灭菌，此法又分为间歇法和连续法,发酵罐的培养基间歇灭菌,上图所示为培养液连续灭菌流程。糖液经配料后由调浆缸放出，加入约0.01%消泡剂，用连消泵送入连消塔底端，料液被加热到灭菌温度383403K，由顶部注出，进入维持罐，维持825min，由维持罐上部侧面流出，维持罐内最后的培养液由底部排尽，经喷淋冷器冷却到发酵温度。,上图为喷射加
22、热连续灭菌流程。蒸汽直接喷入培养液，因此培养液急速上升到预定灭菌温度，在此温度下的保温时间由保温段管子的长度来保证。灭菌后培养液通过一膨胀阀进入真空冷却器急速冷却。由喷射加热、管道维持、真空冷却组成的连续灭菌流程，由于受热时间短，所以可把温度升高到413K而不引起培养液的严重破坏。此流程能保证培养液先进先出，避免过热或灭菌不透现象。真空系统要求严格密封，以免重新污染。,上图为薄板换热器连续灭菌流程。培养基在设备中同时完成预热，、灭菌及冷却过程，蒸汽加热使培养液的温度升高，经维持段保温一段时间，然后在薄板换热器的另一段冷却。虽然加热和冷却生培养液所需时间比使用喷射式连续灭菌稍长，但灭菌周期则比间歇灭菌小很多，由于生培养基的预热过程即灭菌培养基的冷却过程，所以节约了蒸汽及冷却水量。,
