《生物化学工程》课程设计
柠檬酸发酵生产及其生物反应器的设计
目录
一、引言 (3)
1.1柠檬酸简介 (3)
1.2柠檬酸生产的发展历史 (3)
1.3柠檬酸的应用 (4)
1.4柠檬酸的发酵方法 (5)
二、柠檬酸的生产 (5)
2.1原料 (5)
2.2菌种 (5)
2.3生产发酵机理 (6)
2.4生化过程 (7)
2.5工艺流程 (9)
2.6工艺流程图 (10)
三、生物反应器 (11)
3.1生物反应器构造图 (11)
3.2生物反应器的应用 (12)
3.3发酵生产中的条件控制 (16)
四、柠檬酸生产的后提取技术 (17)
4.1提取技术 (17)
五、深层液体柠檬酸发酵技术需改进方面 (19)
六、参考文献 (19)
一、引言
1.1柠檬酸简介
柠檬酸又名枸橼酸，学名2-羟基-丙烷-1，
2，3羧酸，英文名称： citric acid，分子量：
192.14檬酸是一种含羟基的三元梭酸, 其化学
式为, 学名为一羟基一羧基戊二酸, 为无色半
透明晶体, 或白色颗粒, 或白色结晶粉末, 它
的结晶形态因结晶条件不同而不同, 虽有强烈酸味但令人愉快, 稍有一点后涩味。商品柠檬酸主要有无水柠檬酸C6H8O7和一水柠檬酸C6H8O72H2O 。柠檬酸易溶于水, 能溶于乙醉, 而不溶于醚、苯、甲苯、氯仿等有机溶剂。
1.2柠檬酸的发展简史
随着生物技术的进步，柠檬酸工业有了突飞猛进的发展,全世界柠檬酸产量已达0.4Mt。在柠檬酸发酵技术领域，由于高产菌株的应用和新技术的不断开拓，柠檬酸发酵和提取收率都有明显提高，每生产1t柠檬酸分别消耗2.5～2.8t糖蜜,2.2～2.3t薯干粉或1.2～1.3t蔗糖。人们正在大力开发固定化细胞循环生物反应器发酵技术
1.3柠檬酸的应用
柠檬酸由于具有无毒、安全、溶解性好、酸味可口、以及调节pH 值和对金属离子的鳌合作用等特点，传统用途以食用为主，作为酸味剂和抗氧化剂应用于食品与饮料工业。70 年代以后，柠檬酸在其他工业领域也得到了广泛应用，特别是在洗涤剂中代替磷酸盐作为增效助剂，在生产无磷洗涤剂中担任了重要角色。
1.3.1 用于食品与饮料
柠檬酸及其钠盐、钾盐，广泛地应用于各种饮料与食品中，作为酸味剂加入果酱、果冻、蜜饯、糖果、糕点和各种饮料中。在海产品、罐头水果和蔬菜中加
入柠檬酸，可降低其pH 值，从而抑制微生物的生长，延长保存时间。
1.3.2 用于医药和化妆品
柠檬酸是生产多种药品的原料，如柠檬酸铁铵可作为补血剂，柠檬酸钠用作输血剂等。另外，柠檬酸及其盐类可作为酸化剂，加入许多药品中，使pH 值控制在最佳条件，同时鳌合金属离子，以保持药品的性能稳定，防止有效成分氧化。在各种化妆品中，如洗发剂、染发液、洗涤剂、牙膏中加入柠檬酸，可以作为缓冲剂调节pH 值，以防止产品分解和变质。
1.3.3 在工业中的应用
柠檬酸钠可代替磷酸盐作为增效剂，应用于各种日用和工业洗涤剂生产中。由于磷酸盐在水中富集会使藻类迅速生长繁殖，严重影响生态平衡。因此，许多国家都已经禁用或限用含磷洗涤剂。柠檬酸钠能够螯合硬水离子，使斑点分散，去污效果很好，而且柠檬酸可被生物降解，不会造成环境污染。所以，柠檬酸钠可用于生产无磷洗涤剂。
1.3.4 在农业生产中的应用
柠檬酸及其钱盐可以和液体肥料中的铁、铜、锌等微量营养元素整合，形成可
溶性整合物，使肥效增加。在动物饲料中加入柠檬酸及其盐类，可增强饲料的效力。
1.3.5 在塑料工业中的应用
柠檬酸和碳酸氢盐可代替氯氟化碳，在聚苯乙烯泡沫塑料中用作发泡剂。柠檬酸钠可用作无毒增塑剂，生产聚氯乙烯薄膜。此外，柠檬酸及其盐类还广泛应用于锅炉清洗业、无氰电镀、石油工业以及水泥缓凝、织物、纸张、陶瓷等的加工过程中。
1.4柠檬酸的发酵方法
发酵有固态发酵、液态浅盘发酵和深层发酵 3种方法
固态发酵：以薯干粉、淀粉粕以及含淀粉的农副产品为原料，配好培养基后，在常压下蒸煮，冷却至接种温度，接入种曲，装入曲盘，在一定温度和湿度条件下发酵。
液态浅盘发酵：以糖蜜为原料，其生产方法是将灭菌的培养液通过管道转入一个个发酵盘中，接入菌种，待菌体繁殖形成菌膜后添加糖液发酵。发酵时要求在发酵室内通入无菌空气。
深层发酵：产柠檬酸的主体设备是发酵罐。微生物在这个密闭容器内繁殖与发酵。
二、柠檬酸的生产
2.1原料
柠檬酸发酵生产可使用的原料品种很多, 但共可划分为两类, 即糖质原料和石油原料。糖质原料包括薯干、薯渣、淀粉、淀粉渣及玉米粉, 各种粗制糖粗蔗搪, 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烃。以石油为原料柠檬酸发酵的研究以日本、美国的研究报道占多数。虽然用于柠檬酸生产的菌种可采用多种碳源, 但以蔗糖和葡萄糖为佳, 许多原料需进行纯化, 因为有些微量元素会影响柠檬酸的产生。
本设计主要以薯干为原料。
2.2菌种
常用菌种为产黑曲霉（Aspergillus niger）。本设计使用黑曲霉CO827。
2.3生产发酵机理
2.3.1柠檬酸生物合成的代谢调节
薯干内含有淀粉，经过粉碎打浆后，在黑曲霉分泌的淀粉酶的作用下，氧化分解
+和呼吸活性提高，使通过糖酵解途径的为葡萄糖，此时黑曲霉的大量的胞内NH
4
代谢得到加强，葡萄糖经EMP通络分解成为丙酮酸，进入三羧酸循环，在丙酮酸脱氢酶复合物的作用下氧化成为乙酰CoA以及CO
，然后在柠檬酸合成酶作用下与
2
草酰乙酸缩合而形成柠檬酸，而异柠檬酸脱氢酶、乌头酸酶因受抑制，而使柠檬酸得以积累如下图：
柠檬酸合成途径
糖酵解及丙酮酸代谢的调节：
正常情况下，柠檬酸、ATP对磷酸果糖激酶有抑制作用，而AMP、无机磷、铵离子对该酶则有激活作用，特别是还能解除柠檬酸、ATP对磷酸果糖激酶的抑制作用。铵离子浓度与柠檬酸生成速度有密切关系，正是由于细胞内浓度升高，使磷酸果糖激酶对细胞内积累的大量柠檬酸不敏感。
合成代谢中酶的作用：
TCA环的起始酶：柠檬酸合成酶是一种调节酶。但在黑曲霉中，柠檬酸合成酶没有调节作用，这是黑曲霉TCA环的第一个特点。
顺乌头酸酶：顺乌头酸酶会将糖酵解途径所积累的柠檬酸进一步转化，从而使柠檬酸无法积累，因此顺乌头酸酶失活，阻断TCA环是柠檬酸积累的必要条件，顺乌头酸水合酶需要Fe2＋。顺乌头酸酶、异柠檬酸酶在pH2.0时失活，线粒体顺乌头酸酶在催化时有柠檬酸：顺乌头酸：异柠檬酸=90：3：7的平衡，这个平衡可能就是造成柠檬酸的最初积累而使pH值降低。
2.4生化过程
1.薯干内含丰富淀粉，经粉碎打浆后，淀粉由黑曲霉分泌的淀粉酶水解为葡萄糖：
(C6H10O5)n(淀粉)+nH2O
?
?→
?淀粉酶 nC6H12O6(葡萄糖)
2.葡萄糖经EMP途径生成丙酮酸：EMP反应式：
葡萄糖 + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 磷酸→ 2 NADH + 2 丙酮酸 + 2 ATP + 2 H2O +
2 H+
3. EMP途径：
4. TCA循环途径：
TCA循环反应式：
乙酰CoA+3NAD+FAD+GDP+Pi+2H2O?→
?2O2+3NADH+3H++FADH2+GTP+CoASH
其详细过程如下：
(1)乙酰-CoA进入三羧酸循环
乙酰CoA具有硫酯键，乙酰基有足够能量与草酰乙酸的羧基进行醛醇型缩合。首先柠檬酸合酶的组氨酸残基作为碱基与乙酰CoA作用，使乙酰CoA的甲基上失去一个h+，生成的碳阴离子对草酰乙酸的羰基碳进行亲核攻击，生成柠檬酰CoA
中间体，然后高能硫酯键水解放出游离的柠檬酸，使反应不可逆地向右进行。该反应由柠檬酸合成酶催化，是很强的放能反应。由草酰乙酸和乙酰CoA合成柠檬酸是三羧酸循环的重要调节点，柠檬酸合成酶是一个变构酶，ATP是柠檬酸合成酶的变构抑制剂，此外，α-酮戊二酸、NADH能变构抑制其活性，长链脂酰CoA也可抑制它的活性，AMP可对抗ATP的抑制而起激活作用。
(2)异柠檬酸形成
柠檬酸的叔醇基不易氧化，转变成异柠檬酸而使叔醇变成仲醇，就易于氧化，此反应由顺乌头酸酶催化，为一可逆反应。
(3)第一次氧化脱羧
在异柠檬酸脱氢酶作用下，异柠檬酸的仲醇氧化成羰基，生成草酰琥珀酸的中间产物，后者在同一酶表面，快速脱羧生成α-酮戊二酸、NADH和co2，此反应为β-氧化脱羧，此酶需要Mg2+作为激活剂。此反应是不可逆的，是三羧酸循环中的限速步骤，ADP是异柠檬酸脱氢酶的激活剂，而ATP，NADH是此酶的抑制剂。
(4)第二次氧化脱羧
在α-酮戊二酸脱氢酶系作用下，α-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA、NADH2H+和CO2，反应过程完全类似于丙酮酸脱氢酶系催化的氧化脱羧，属于α 氧化脱羧，氧化产生的能量中一部分储存于琥珀酰CoA的高能硫酯键中。α-酮戊二酸脱氢酶系也由三个酶(α-酮戊二酸脱羧酶、硫辛酸琥珀酰基转移酶、二氢硫辛酸脱氢酶)和五个辅酶(tpp、硫辛酸、hscoa、NAD+、FAD)组成。此反应也是不可逆的。α-酮戊二酸脱氢酶复合体受ATP、GTP、NADH和琥珀酰CoA 抑制，但其不受磷酸化/去磷酸化的调控。
(5)底物磷酸化生成ATP
在琥珀酸硫激酶的作用下，琥珀酰CoA的硫酯键水解，释放的自由能用于合成GTP(三磷酸鸟苷）在细菌和高等生物可直接生成ATP，在哺乳动物中，先生成GTP，再生成ATP，此时，琥珀酰CoA生成琥珀酸和辅酶A。
(6)琥珀酸脱氢
琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸氧化成为延胡索酸。该酶结合在线粒体内膜上，而其他三羧酸循环的酶则都是存在线粒体基质中的，这酶含有铁硫中心和共价结合的FAD，来自琥珀酸的电子通过FAD和铁硫中心，然后进入电子传递链到O2，丙二酸是琥珀酸的类似物，是琥珀酸脱氢酶强有力的竞争性抑制物，所以可以阻断三羧酸循环。
(7)延胡索酸的水化
延胡索酸酶仅对延胡索酸的反式(反丁烯二酸) 双键起作用，而对顺丁烯二酸(马来酸)则无催化作用，因而是高度立体特异性的。
(8)生成苹果酸
(9)草酰乙酸再生
在苹果酸脱氢酶(malic dehydrogenase)作用下，苹果酸仲醇基脱氢氧化成羰基，生成草酰乙酸(oxalocetate)，NAD+是脱氢酶的辅酶，接受氢成为NADH 2H+
5.代谢合成柠檬酸的总生化反应方程式：
葡萄糖EMP ?????→途径丙酮酸????????→丙酮酸脱氢酶复合物CO 2 +乙酰CoA ??????????????→草酰乙酸柠檬酸合成酶
柠檬酸
2.5.工艺流程
1.原料的预处理：
将薯干粉碎打浆后，用淀粉酶在80～105℃的条件下将淀粉水解，当料液与典反应不呈蓝色即为液化终点。
2灭菌：
将上述水解后的浆液在121℃下灭菌30分钟，之后至于发酵罐内进行发酵，陈皮50克，糖蜜大于500毫升，置于三角瓶→121℃、30分钟灭菌→接种孢子接种体（约3310-6孢子/瓶）→加50倍的蒸馏水抽提→过滤→加碳酸钙→过滤后的固形物→加硫酸处理→过滤除去硫酸钙→滤液浓缩→结晶→成品。
3、加碳酸钙：
待发酵结束后，加入2%的活性炭吸附过滤，滤液中加入碳酸钙，边加边搅拌。柠檬酸与碳酸钙形成难溶性的柠檬酸钙。从发酵液中分离沉淀出来，过滤除去滤液。
4、酸解：
把柠檬酸钙用水稀释成糊状物，加热到85℃，慢慢加入硫酸（一般根据投入碳酸钙的用量来计算硫酸用量, 以碳酸钙用量的92-95%为宜），在加入计算量的80%以后，即要开始测定终点，方法如下：
取甲、乙两支试管，甲管吸取20%硫酸1毫升，乙管吸取20%氯化钙1毫升，分别加入过滤后的酸解液，水浴内加热至沸，冷却后观察两管溶液，如果不产生混浊，再分别加入1毫升95%的酒精，如甲乙两管仍不呈混浊，即认为达到终点。甲管有混浊，说明硫酸加量不足，需要补加硫酸。如果乙管有混浊，说明硫酸过量，应再补加一些柠檬酸钙。
5、浓缩、结晶：
将脱色后过滤所得清液，加热浓缩到36.5-37Be°时即可出罐。冷却至柠檬酸结晶成品体后，用离心机将母液脱净，然后用冷水洗涤晶体，放在阴凉处除去表面的水即为成品。
2.6工艺流程图
三、生物反应器
众所周知 , 柠檬酸发酵是黑曲酶素代谢过程失调的一种特殊过程 , 这种失调来源于营养条件(原材料的质量、数量) ,环境条件 (生产工艺条件和设备的合理性)以及细胞化学组成、结构和酶系的一系列复杂变化 , 在这一复杂的生化反应过程中 , 通气和搅拌是整个柠檬酸发酵过程中的两个重要参数 ,它
不仅影响到溶氧水平 ,而且影响到发酵体系的传质和菌体的形态 , 最终必将影响到产酸水平。由于柠檬酸菌体是好氧性微生物 , 在其菌体生长发育和生物成过程中需要氧 , 菌体长得愈旺盛 , 氧的需要量就愈大 , 但氧气是难溶于水的。因此，选择机械搅拌通氧型的发酵罐较为适合。
3.1生物反应器构造图
根据所查阅的资料【1】，采用喷环式好氧发酵罐：
3.1.1反应器构造图示如下：
喷环式好氧发酵罐
3.1.2发酵罐参数：
罐体容积：70m3
罐体尺寸：￠3600 310000，径高比1:2:5
筒体高度:9000mm ;
传热面积:140 m3
搅拌转速:125 转/分;
设计功率:135kW;
传动:减速机。
3.1.3发酵罐主要构造：
罐体 ,换热装置、 机械密封和传动装置、气 — 液型喷射混合搅拌装置、环流反应器、二级弯叶涡轮式搅拌器和稳定器
3.1.4喷环式好氧发酵罐的特点：
1 、利用低能实现乳化传质:充分利 用 通 入 罐 内0. 005 - 0. 015MPa 压缩空气的释放能量 ,通过气— 液型喷射混合搅拌装置引射发酵液进行能量与质量的传递转换并实现乳化操作 , 使气泡上升
速度降低 , 容量传质系数 K L a 提高。
2、 氧利用率高: 利用环流反应器导流筒内、外发酵液的重度差和静压力差 , 实现气液二相轴向环流运动和气— 液喷射混合搅拌装置中乳化操作 ,使深层发酵液中的氧得到充分利用。
3 、无中间轴承和底轴承: 利用稳定器在机械搅拌过程中对流体产生的阻尼作用抵消搅拌器的部分径向力 , 使搅拌轴的运转挠度和摆动量在允许范围内 , 从而取消发酵罐任何型式的中间轴承和底轴承 ,消除染菌隐患 ,节省设备制造费和日常维修费用。
4 、低罐压操作: 仅需 0. 015～0. 025MPa 的操作罐压 ,比传统发酵罐降低 50 %以上 ,既可降低搅拌功率 ,又可减轻空压机的运行负荷与能耗。
5 、气液夹带量少: 从液面均匀逸出的小气泡群不易带液且操作液面平稳 , 使气液夹带量减少 ,放罐体积增加。
3.2生物反应器的应用
3.2.1生化反应中的动力学
（1） 描述微生物增长的动力学方程
Monod 方程： μ=μm
连续培养达到稳定状态时：μ= = D
（5）描述酶催化反应的动力学方程
米氏方程： υ=
3.2.2生物反应器的选型：
以年处理量1500吨的柠檬酸为例，进行生物反应器的选型： 设分立工段损失率为5%，则：
发酵工段须产生半成品 ：1500/95% = 1579t
本设计以木薯为原料，干木薯粉淀粉含量为70%，产酸率：14±1%，转化率：95c s K s + c s F υmax c s K m + c s
±2%，发酵：≤70小时。设发酵工段其他操作（包括灭菌，洗罐等）为一天，一周期定为4天，一年300天计算，共75个周期，温度35℃，PH = 2～3
每个周期产量为：21.1t ，产酸率为14%。每周期料液为150.38t ，圆整为151t 。设料液的密度近似为1000kg/3m ，发酵液体积为1513m 。发酵的总反应式： 木薯→淀粉→2O H O H C O O H C 278626126423+=+
6126O H C 分子量为180
786O H C 分子量为192
所以每周期生产21.1t 料设葡萄糖的转化率为80%则需要葡萄糖约为26.4t 培养基组分（据文献所查）：
培养基组分
培养基中浓度 所需质量 葡萄糖 160L g 26.4t 硝酸铵 2.5L g 0.41t 磷酸二氢钾 2.5L g
0.41t O H MgSO 247? 0.25L g
0.041t +2Cu 0.00006L g
9.9t 610-? +2Zn 0.00025L g
4.1t 510-? +2Fe 0.0013
2.1t 410-? +2Mn
0.001 1.6t 410-? 料液总重为150.38，葡萄糖含量为38.1504.26=18%
可得水量约为216.64t
糖化率为95%，则须淀粉：43.4t
木薯的淀粉含量为70%，则木薯62t
总发酵液为258t,则需加水194.7t
发酵料液总重
258t 水
194.7t 木薯干粉
62t 其他 约1.3t
柠檬酸
21.1t
1.发酵罐选型 物料系数0η=0V V =0.6-0.75，取η=0.75，则0V =151/0.63=2003m
选用3个1003m 的发酵罐，2个做发酵用，1个备用，则总体积为2003m 。 D H =1.7～3，取D H =2.5
32
013.04D h H D V b ++=π b h 取25mm
32013.04D h H D V b ++=π
=1003m
D =3.6m H =9m
封头选型
查《有机酸生产与应用手册》，由发酵罐公称直径可得封头尺寸如下
公称直径 曲面直度 直边高度 内表面积 容积
3.6m 0.90m 0.05m 1
4.62m 6.623m
2.搅拌器的选型 已知31
~21
=D d
取d=0.4D=1.44m ，圆整到1.5m 已知121~81
=D W
,取W=101
D=0.36m ，圆整到0.4m 已知0.1~8.0=d B
，取B=1.0d=1.5m 已知5.2~5.1=d S
, 取S=1.6d=2.4m
3213.04D h D V b b +=π
（b h 取25mm ）
326.313.0025.06.34
?+??=π
b V =6.323m
发酵液的圆柱体积V 柱=151/3－6.32=44.683m
发酵液的柱体高h =
=?2)2
(68.44π 4.4m 假设用两层搅拌器，所以S 1=4.4－2.4=2.0m 检验：S 1/d =2.0/1.5=1.333在1~2范围内。
d –搅拌器直径
W –挡板宽度
S –两搅拌器间隔
B –下搅拌器距离底间距
S 1-上搅拌器距离液面距离
3.搅拌器的轴功率计算
据《化工工艺设计手册》查得，所选用的搅拌器轴功率为110kW
搅拌轴转速为100r/min
4.发酵时产热计算
发酵阶段的热量主要来自于两部分，即为生物热和搅拌热
搅拌热51035.28.4186510110J/h .84186510P ?=??=??=搅拌Q kJ
由文献查得柠檬酸发酵过程最大产热为12500kJ/(3m 2h)
发酵时间约为70h ，共513m 发酵液，得发酵产热：
71046.4517012500?=??=Q kJ
总Q =71049.4?kJ
循环水温度：27℃～32℃ 冷凝水用量：t t c Q q m 2.21365
2.41049.47
=??=?= 循环水流量：W=
70
2.2136h t =30.52h t 检验传热面积： 3521==T T ℃, 271=t ℃, 322=t ℃,
1.5ln )()(2
1122112=-----=?t T t T t T t T t m ℃ 62.10070
1.512501049.47
=???=?=m t K Q A 2m <116.342m 满足要求。
3.3发酵生产中的条件控制
3.3.1柠檬酸发酵过程的控制要点
（1）控制Mn2+、NH4+浓度，解除柠檬酸对PFK 的抑制，使EMP 畅通无阻。
（2） 控制溶氧，防止侧系呼吸链失活。
（3）控制培养基中的Fe2+ 的浓度，使顺乌头酸水合酶失活。
3.3.2生产中条件控制：
1. 温度控制：
工业生产上，所用的大发酵罐在发酵过程中一般不需要加热，因发酵中释放了大量的发酵热，需要冷却的情况较多。利用自动控制或手动调整的阀门，将冷却水 通入发酵罐的夹层，通过热交换来降温，保持恒温发酵。
2. PH 的控制：
微生物发酵的最适PH 值范围一般是5～8之间，最适PH 值是通过实验结果确定的。可将发酵培养基调节程不同PH 值，进行发酵，在发酵过程中测定和调节PH 值，分别观察菌体的生长情况，以菌体生长达到最高的PH 值为菌体生长适合的PH 值。 在发酵过程中直接不加酸或碱和补料的方式控制PH 值，补充生理酸性物质如硫酸铵，生理碱性物质如硝酸钠。
3溶氧量的控制：
调节搅拌转速或通气速率来控制供氧，采用调节温度（减低培养温度可提高溶氧浓度）、液化培养基、中间补水、添加表面活性剂等工艺措施，来改善溶氧水平。
3. 发酵通风控制：
柠檬酸发酵是典型的好氧发酵，对氧十分敏感，当发酵进入产酸期，只要有几分钟缺氧就会对发酵造成严重影响，因此要注意通风搅拌。
四、柠檬酸生产的后提取技术
柠檬酸成熟发酵液呈黄褐色至深褐色，发酵液除含有主要产物柠檬酸之外，
还含有纤维、菌体、有机杂酸、糖、蛋白质胶体物质、色素、矿物质及其他代谢产物等杂质，其来源于原材料、未消耗的营养盐和发酵的副产物等。通过各种物理化学方法，清除这些杂质，得到符合各级质量标准的柠檬酸产品的全过程，即为柠檬酸的分离提取技术，是一个确保柠檬酸生产丰产又“丰收”，提高企业效益的生产系统工程。
4.1提取技术
目前柠檬酸生产中后提取工艺基本上都是采用“钙盐沉淀”法，此法的优点在于操作简便、易于掌握、产品安全、费用较低等，但产生大量的石膏渣和二氧化碳，则是此工艺的最大缺陷。其次则是工序较多，化工原料用量较大。
钙盐-离交提取柠檬酸工艺流程：
此工艺从柠檬酸生产实现工业化开始，一直沿用至今，已经几十年。其工艺经典、成熟、投资少、特别在硫酸价格低下时的生产成本上有明显的优势等。近年来我国吸取国内外的先进技术和经验对钙盐法进行较大改进，如连续中和与连续酸解新工艺的推广，极大地降低化工原料、水、能源的消耗。但钙盐法工艺路线长，提取收率较低，每吨柠檬酸成品要消耗1t硫酸和1t碳酸钙，且产生大量的废气、废水、废渣（生产1t柠檬酸将产生480kg二氧化碳，40m3废水和2t硫酸钙废渣）成为企业的沉重包袱，三废处理费用占生产成本的10%~15%。
为解决以上难题，国内外进行了萃取分离技术研究来
替代钙盐沉淀法生产工艺。其中萃取分离技术以色列已研究成功，并在美国某公司组织生产。但由于生产中萃取溶剂的乳化及产品中萃取溶剂的残留，使产品在食品、医药行业中的使用受到影响，因此技术至今无法推广使用。目前具有工业化生产潜力的是（1）吸交法；（2）色谱法：（3）在此基础上提出的变温色谱法和吸交法相组合法。
4.1.1吸交法
该方法是利用特定的有机高分子树脂的高选择离子交换性，通过寻找、使用
合适的树脂，直接从处理后的发酵滤液中提取柠檬酸或其盐类。其流程是发酵液经过滤后用离子交换柱交换吸附，氨水洗脱后过阳离子交换柱转型，再经活性炭脱色、除杂后浓缩、结晶，最后得到柠檬酸产品，其生产工艺流程：
4.1.2 色谱法
色谱工艺的原理与高压液相色谱仪的原理一样，根据固定相对流动相具有不同的亲和力导致料液中各组分通过树脂床的速度的快慢得到分离，在固定相中分配系数大的组分迁艺速率慢，分配系数小的组分迁移速率快，因迁移的速率不同而使发酵液中的各成分得到分离。
3.3.3 变温色谱法和吸交法
变温色谱法采用弱酸强碱两性专用合成树脂（热再生树脂）吸附柠檬酸，该树脂对柠檬酸有很强的专一吸附能力，对其他杂质几乎不产生吸附。其工艺流程：
五、深层液体柠檬酸发酵技术需改进方面
进一步提高原料的综合利用和原料的利用率。
5.1提高原料的综合利用：
原料一般采用液化后，过滤除渣的清液发酵工艺，所得的蛋白渣均作为饲料出售，由于渣中蛋白质含量很高，十分畅销。但从资源综合利用的角度看，是极大的浪费。目前我国柠檬酸企业大多沿用天津工业微生物所、上海工业微生物所选育的黑曲霉菌种，发酵生产柠檬酸；虽然产酸水平、发酵指数等居世界领先，菌种也出口国外，但仍存在酸性糖化酶的活性不够高，发酵液中的残总糖与残还原糖含量居高不下，还副产草酸类有机杂酸等弊端。
5.2进一步提高原料的利用率
改进现有的原料液化工艺和设备，（包括添加一些廉价的纤维素酶、果胶酶等）使原料充分液化。
持续不断进行分离、驯化和选育耐高酸、高糖的高产菌株的工作。选育或构建高产和高发酵指数的超级菌株。目前我国生产中使用的是10多年前选育的耐高糖、耐高柠檬酸并具抗金属离子的黑曲霉高产柠檬酸菌株，尽管各厂家都不间断地进行菌种的纯化工作，但长时间的传代使用，难免会发生发酵性能的退化。所以当前急需选育或构建高产和高发酵指数的超级菌株，满足柠檬酸生产的需求。
六、参考文献：
[1].方明，薛才利，何德员.浙江化工.喷环式好氧发酵罐在柠檬酸生产中的开发与应用.2000.04（03）
[2].石荣华，虞军.医药工程设计杂志.大型发酵罐设计实例.2002.23（1）
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[6]彭奇均，徐玲.现代化工.柠檬酸生产新工艺的研究.1997.3
[7]朱亦仁，王锦化，张振超等.技术进展（精细与专用化学品）.发酵柠檬酸提
取方法的研究进展.2003.14
柠檬酸生产工艺简介第一节概述 一、柠檬酸的用途 （一）在食品工业的应用 1、饮料 据统计75%～80%的柠檬酸用于饮料工业。 2、果酱与果冻 3、糖果 4、冷冻食品 5、酿造酒 6、冰淇淋和酸奶 7、脂肪与油 8、腌制品 9、罐头食品和水果加工 10、豆制品和调味品 （二）柠檬酸在药物、美容品、化妆品上应用 1、药物 “999胃泰” 2、发蜡与化妆品 （三）柠檬酸在工业上应用 1、金属净化
2、去垢剂 3、无土栽培农艺 4、矿物 5、…… 二、乳酸的用途 L-乳酸聚合成聚乳酸（PLA） 三、L-苹果酸的用途 三、葡萄糖酸的用途 四、琥珀酸的用途 我国柠檬酸发展简史 1968年我国第一家以淀粉为原料深层发酵柠檬酸成功投产的厂是上海酵母厂。同期，天津工微所开展了以适合我国国情的薯干原料深层发酵柠檬酸的研究工作。之后，上海工微所用该所的“东酒2号”黑曲霉为出发菌株，用薯干粉做培养基，很快选出了我国第一代深层发酵柠檬酸生产菌种AL558，由原轻工业部立项，组织上海、天津两个工微所、上海复旦大学生物系、上海新型发酵厂(筹)、上海酵母厂、天津柠檬酸厂(筹)、南通油洒厂(南通发酵厂前身)等单位，在南通油酒厂展开了善于深层发酵、全离交提取工艺的中、大型试验工作，并取得了成功，因而推动了我国柠檬酸工业于20世纪70年代初形成了工业体系。70年代中期到80年代是我国柠檬酸菌种选育的高峰期，先后选育出5代薯干原料高产菌株和适应淀粉、木薯、葡萄糖母液、糖蜜等原料的优良菌株。上海、天津两工微所和上海复旦大学生物系为此做出了很大贡献。各生产厂的广大科技人员和生产工人通过不懈地努力，提高了柠檬酸行业的整体水平，特别在缩短发酵周期、提高单产方面成绩突出，使我国柠檬酸发酵技术处于世界领先地位。无锡轻工业学院和天津轻工业学院为柠檬酸行业培养了一大批科技力量，已成为行业发展的骨干。1995年金其荣与蚌埠柠檬酸厂共同开发了玉米去渣发酵新工艺。同年黑龙江甘南柠檬酸厂于脱胚玉米去渣发酵工艺也成功投产。玉米新工艺的成功，使我国的柠檬酸工业进入一个
实验三柠檬酸发酵实验 一、目的要求 1.了解利用黑曲霉生产柠檬酸的原理与流程，掌握柠檬酸的发酵生产工艺与发酵分析方法。 2. 通过本实验能较熟练地掌握真菌发酵的接种、培养与发酵产物的分析测定等技术。 二、基本原理 CH2—COOH ｜ 1.柠檬酸结构式：HO—C—COOH ｜ CH2—COOH 柠檬酸分子式：C6H8O7 2. 黑曲霉产柠檬酸多，耐酸力强；pH1.6~1.7时尚能生长，且酸度大时产生葡萄糖酸、草酸等副产物较少，故进行柠檬酸发酵时，培养液以pH2~3为宜。 用于柠檬酸生产的原料有淀粉、废糖蜜等；本实验以糖等为发酵原料，黑曲霉为产生菌（合成途径见图1）。在一般发酵中，均产生多种酸，其中，低碳链的直链脂肪酸如甲酸、乙酸等称为挥发酸，而乳酸、柠檬酸等称为非挥发酸。挥发酸和非挥发酸的总和称总酸。酸的测定方法常采用中和法、电位滴定法及比色法等；若待测液色泽很深，可采用外指示剂法。本试验用中柠檬酸的定性检验用Deniges试剂。 2C6H12O6+3O2→2C6H8O7+4H2O HOOCCH2C(OH)(COOH)CH2COOH+3NaOH———NaOOCCH2C(OH)(COONa)CH2COONa+3H2O 三、实验材料 1．菌种黑曲霉斜面菌种。 2．实验器材 0.1mol/L标准NaOH；0.1mol/L H2S04； Deniges试剂(HgO 1g溶于20ml 0.2L/L H2S04中)（有毒）； 酒精灯；滤纸，漏斗；烧杯：200ml，500ml；18X180试管；吸管10ml、5ml，150ml三角瓶；碱滴定管，铁台、蝴蝶夹：酚酞指示剂：200ml量筒；广范pH试纸；玻璃棒；布氏漏斗，抽滤纸，滴管，天平。 3. 柠檬酸发酵培养基：硫酸铵2.0g，KH2P04 1.0g，MgS04 ·7H2O 0.25g，蔗糖150g，水1000ml；pH控制在5.5~6.5左右，加1mol／L NaOH约2滴。取50ml上述培养液，加入250 mL三角瓶中，包扎灭菌，待用。 四、实验步骤（实验内容） 1．菌种活化：
柠檬酸及生产工艺 一.柠檬酸的简介 1. 柠檬酸的理化性质 柠檬酸（Citric acid），又称枸椽酸，是一种三元羧酸,其学名为3-羟基-3-羧基戊二酸，分子式C6H8O7(无水物)，在自然界中存在于柠檬、柑桔、梅、子、梨、桃、无花果等水果中。柠檬酸具有无毒，无色，无臭特性，一般为半透明结晶或白色粉末，易溶于水、乙醇、乙腈、乙醚等[1]，不溶于苯，微溶于氯仿。相对密度1.542g/cm3，熔点153℃(失水)。柠檬酸结晶形态因结晶条件不同而不同，有无水柠檬酸，也有含结晶水的柠檬酸。在干燥空气中微有风化性，在潮湿空气中有潮解性，175℃以上分解放出水及二氧化碳。柠檬酸是一种较强的有机酸，有3个H＋可以电离；水溶液呈酸性，加热可以分解成多种产物，与酸、碱、甘油等发生反应。 2. 柠檬酸的用途 柠檬酸具有令人愉悦的酸味，入口爽快，无后酸味，安全无毒，被广泛用作食品和饮料的酸味剂；能与二价或三价的阳离子形成络合物，被用作金属加工的鳌合剂和洗净剂（起软化水作用的洗净力补充剂）；还能衍生形成许多衍生物，可用作有机化学工业的原料。因此被广泛用于食品饮料、医药化工、清洗与化装品、有机材料等领域，是目前世界需求量最大的一种有机酸[2]，到目前还没有一种可以取代柠檬酸的酸味剂。 二.生产技术 柠檬酸的生产方法共可分为 3 种: 水果提取法,化学合成法, 生物发酵法三种[17]，目前以发酵法生产柠檬酸为主[18]。发酵法又分为固体发酵法和液体深
层发酵法。固态发酵能耗小但劳动力大，占地面积大，不适合大规模的生产应用。深层通风发酵法采用不锈钢罐体，机械搅拌通风，微生物在液体相中分布均匀，发酵时不生成孢子，全部菌体细胞用于代柠檬酸，发酵速度高，实现了机械化或自动化操作，利于大规模生产。 三.生物发酵法制取柠檬酸 1.本工艺选择的原料及生产方法 本次生产工艺设计以薯干为原料，采用直接粉碎、调浆、液化，进行好气液体深层发酵，钙盐法提取，最后结晶、干燥得到柠檬酸 2.工艺流程 接收糖浆后，根据糖浆组成作适当的处理或配制，配成发酵原料，进行连续杀菌并冷却后，进入发酵罐，加入菌种和净化压缩空气后进行发酵；发酵液经升温、过滤处理后，进入中和罐，用中和处理；再经过过滤洗涤，得到柠檬酸钙固体，送入酸解罐，再添加酸解，并加入活性炭进行脱色；然后，通过带式过滤机过滤、酸解过滤，除去及废炭；酸解过滤液经离子交换处理后，进行蒸发、浓缩，再进行结晶；结晶后，用离心机进行固液分离，对得到的湿柠檬酸晶体进行干燥与筛选，最后得到成品柠檬酸。
柠檬酸液态发酵及提取工艺 0802班生物科学饶慧 （指导教师：胡远亮） 0前言 柠檬酸(citric acid）又名枸橼酸，学名2-羟基丙烷三羧酸(2-hydroxytricarboxylic acid)或2-羟基丙烷-l，2，3-三羧酸(2-hydroxy propane-1，2，3-triearboxylic acid)是生物体主要代谢产物之一，在自然界中分布很广，主要存在于柠檬、柑橘、菠萝、梅、李、梨、桃、无花果等果实中，尤以未成熟者含量居多。分子式：C6H8O7（相对分子质量：192.13），无色透明或半透明晶体，或粒状、微粒状粉末，虽有强烈酸味，但令人愉快，稍有涩味。极易溶于水，溶解度随温度的升高而增大；从结构上讲柠檬酸是一种三羧酸类化合物，并因此而与其他羧酸有相似的物理和化学性质，加热至175°C时它会分解产生二氧化碳和水，剩余一些白色晶体。柠檬酸是一种较强的有机酸，有3个H+可以电离；加热可以分解成多种产物，与酸、碱、甘油等发生反应。 柠檬酸被称为第一食用酸味剂，极广泛地用作酸味剂、增溶剂、缓冲剂、抗氧化剂等，用于饮料、糖果、酿造酒、冰淇淋、酸奶、罐头食品、豆制品与调味品等的生产中。另外，在药物、美容品、化妆品工业上也有着重要的应用。它是香料和饮料的酸化剂，在食品和医学上用作多价螯合剂，同时是化学中间体，用于制造药物，也可用于金属清洁剂、媒染剂等。柠檬酸的盐类、酯类和衍生物也各具特点，用途极为广泛而有良好的发展前景。 柠檬酸循环(citric acid cycle)又称三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle)，克雷布斯循环(Krebs cycle)。体内物质糖、脂肪或氨基酸有氧氧化的主要过程。通过生成的乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合生成三羧酸（柠檬酸）开始，再通过一系列氧化步骤产生CO2、NADH及FADH2，最后仍生成草酰乙酸，进行再循环，从而为细胞提供了降解乙酰基而提供产生能量的基础。 实验发酵机理： 1）以薯干粉、玉米粉或淀粉等糖类为原料经黑曲霉柠檬酸产生菌（我们采用黑曲霉M288）糖化后产生高浓度的葡萄糖。 2）黑曲霉利用糖类发酵产生柠檬酸：葡萄糖以EMP（糖酵解途径或者）、HMP
柠檬酸及生产工艺 摘要：柠檬酸广泛应用于食品工业、医药工业和化学工业等方面。它可利用糖质原料如土豆、地瓜中的淀粉等，在多种霉菌及黑曲菌的作用下，控制较低的温度和pH值、较高的通气量和糖浓度，用发酵法制得。 关键词：柠檬酸化工产品发酵法 1 产品说明 柠檬酸又名枸橼酸，学名3-羟基-3-羧基戊二酸，分子式C6H8O7为无色、无臭、半透明结晶或白色粉未，易溶于水及酒精。加热可以分解成多种产物，与酸、碱、甘油等发生反应。 柠檬酸主要应用于食品工业，因为柠檬酸有温和爽快的酸味，普遍用于各种饮料、汽水、葡萄酒、糖果、点心、饼干、罐头果汁、乳制品等食品的制造。柠檬酸在化学工业上可作化学分析用试剂，用作实验试剂、色谱分析试剂及生化试剂，用作络合剂，掩蔽剂，配制缓冲溶液。采用柠檬酸或柠檬酸盐类作助洗剂，可改善洗涤产品的性能，可以迅速和沉淀金属离子，防止污染物重新附着在织物上，保持洗涤必要的碱性，使污垢和灰分散和悬浮，提高表面活性剂的性能，是一种优良的鳌合剂。 2 生产原理 2.1 生产方法简介 中国现有柠檬酸生产厂近百家，总年产能力约80万吨，是全球最大的柠檬酸生产国和出口国。目前，柠檬酸生产方法有水果提取法，
化学合成法和生物发酵法三种。水果提取法是指柠檬酸从柠檬、橘子、苹果等柠檬酸含量较高的水果中提取，此法提取的成本较高，不利于工业化生产。化学合成法的原料是丙酮，二氯丙酮或乙烯酮，此法工艺复杂，成本高，安全性低。而发酵法发酵周期短，产率高，节省劳动力，占地面积小，便于实现仪表控制和连续化，现已成为柠檬酸生产的主要方法。 2.2 反应方程式 C12H22011 +H20+302→2C6H8O7+4H2O (蔗糖) （柠檬酸） 3 工艺过程及流程图 3.1工艺过程 3.1.1菌种培养 在4～6波美度的麦芽汁内加入25％至30％的琼脂，然后接入黑曲霉菌种（无茵操作），在30～32℃条件下培养4天左右。这种培养方法称为“斜面培养”。将麸皮和水以1：1的比例掺拌，再加入10％的碳酸钙、0．5％的硫酸铵，拌匀后装入容量为250毫升的三角瓶中，用1．5公斤压力灭菌60分钟。接人斜面培养法培养出的菌种，培养96～120小时后即可使用。 3.1.2原料处理 湿粉渣必须经过压榨脱水，使含水量在60%左右；干粉渣含水量低，应按60％的比例补足水分；结块的粉渣需粉碎成二至四毫米颗粒。然后加入2%碳酸钙、10％至11％的米糠，掺匀后，堆放2小时，
《生物化学工程》课程设计 柠檬酸发酵生产及其生物反应器的设计 目录 一、引言 (3) 1.1柠檬酸简介 (3) 1.2柠檬酸生产的发展历史 (3) 1.3柠檬酸的应用 (4) 1.4柠檬酸的发酵方法 (5) 二、柠檬酸的生产 (5) 2.1原料 (5) 2.2菌种 (5) 2.3生产发酵机理 (6) 2.4生化过程 (7) 2.5工艺流程 (9) 2.6工艺流程图 (10) 三、生物反应器 (11) 3.1生物反应器构造图 (11)
3.2生物反应器的应用 (12) 3.3发酵生产中的条件控制 (16) 四、柠檬酸生产的后提取技术 (17) 4.1提取技术 (17) 五、深层液体柠檬酸发酵技术需改进方面 (19) 六、参考文献 (19) 一、引言 1.1柠檬酸简介 柠檬酸又名枸橼酸，学名2-羟基-丙烷-1， 2，3羧酸，英文名称： citric acid，分子量： 192.14檬酸是一种含羟基的三元梭酸, 其化学 式为, 学名为一羟基一羧基戊二酸, 为无色半 透明晶体, 或白色颗粒, 或白色结晶粉末, 它 的结晶形态因结晶条件不同而不同, 虽有强烈酸味但令人愉快, 稍有一点后涩味。商品柠檬酸主要有无水柠檬酸C6H8O7和一水柠檬酸C6H8O72H2O 。柠檬酸易溶于水, 能溶于乙醉, 而不溶于醚、苯、甲苯、氯仿等有机溶剂。 1.2柠檬酸的发展简史
随着生物技术的进步，柠檬酸工业有了突飞猛进的发展,全世界柠檬酸产量已达0.4Mt。在柠檬酸发酵技术领域，由于高产菌株的应用和新技术的不断开拓，柠檬酸发酵和提取收率都有明显提高，每生产1t柠檬酸分别消耗2.5～2.8t糖蜜,2.2～2.3t薯干粉或1.2～1.3t蔗糖。人们正在大力开发固定化细胞循环生物反应器发酵技术 1.3柠檬酸的应用 柠檬酸由于具有无毒、安全、溶解性好、酸味可口、以及调节pH 值和对金属离子的鳌合作用等特点，传统用途以食用为主，作为酸味剂和抗氧化剂应用于食品与饮料工业。70 年代以后，柠檬酸在其他工业领域也得到了广泛应用，特别是在洗涤剂中代替磷酸盐作为增效助剂，在生产无磷洗涤剂中担任了重要角色。 1.3.1 用于食品与饮料 柠檬酸及其钠盐、钾盐，广泛地应用于各种饮料与食品中，作为酸味剂加入果酱、果冻、蜜饯、糖果、糕点和各种饮料中。在海产品、罐头水果和蔬菜中加
第十章发酵过程的工艺控制 ●知识要点和教学要求 （1）、理解微生物发酵的动力学 （2）、掌握补料分批培养 （3）、掌握连续培养 （4）、掌握发酵工艺控制最优化 （5）、掌握温度对发酵过程的影响及其控制 （6）、掌握PH值对发酵过程的影响和控制 （7）、掌握泡沫对发酵过程的影响和控制 ●能力培养要求 通过本章节的学习，学生能理解微生物发酵的分类及温度、PH值、泡沫等对发酵过程的影响和控制。 ●教案内容 10.1 微生物发酵的动力学 一般来说，微生物学的生长和培养方式可以分为分批培养、连续培养和补料分批培养等三种类型。 1. 分批培养 分批培养又称分批发酵，是指在一个密闭系统内投入有限数量的营养物质后，接入少量的微生物菌种进行培养，使微生物生长繁殖，在特定的条件下只完成一个生长周期的微生物培养方法。 在分批培养过程中，随着微生长细胞和底物、代谢物的浓度等的不断变化，微生物垢生长可分为停滞期、对数生长期、稳定期和死亡期等四个阶段，图10-1为典型的细胞菌生长曲线。 2. 停滞期 停滞期是微生物细胞适应新环境的过程。
实际上，接种物的生理状态和浓度是停滞期长短的关键。如果接种物处于对数生长期，那么就很有可能不存在停滞期，微生物细胞立即开始生长。反过来，如果接种物本身已经停止生长，那么微生物细胞就需要有更长的停滞期，以适应新的环境。 3. 对数生长期 处于对数生长期的微生物细胞的生长速度大大加快，单位时间内细胞的数目或重量的增加维持恒定，并达到最大值。其生长速度可用数学方程表示： 式中，x---细胞浓度（g/l）；t---培养时间（hr）；---细胞的比生长速度（1/h）。如果当t=0时，细胞的浓度为x0(g/l)，上式积分后就为：于是，用微生物细胞浓度的自然对数对时间作图，就可得到一条直线，该直线的斜率就等于。 微生物的生长有时也可用“倍增时间”(td)来表示，“倍增时间”(td)定义为微生物细胞浓度增加一倍所需要的时间，即： 3. 稳定期 由于细胞的溶解作用，一些新的营养物质，诸如细胞内的一些糖类、蛋白质等被释放出来，又作为细胞的营养物质，从而使存活的细胞继续缓慢地生长，出现通常所称的二次或隐性生长。 4. 死亡期 当发酵过程处惊天动地死亡期时，微生物细胞内所储存的能量已经基本耗尽，细胞开始在自身所含的酶的作用下死亡。 5. 微生物分批培养生长速度的动力学方程
柠檬酸生产工艺介绍 摘要：柠檬酸应用广泛，在食品、医药等方面都占有重要位置。制取所用材料价格低廉，条件要求适中，且采用的深层发酵法具有普遍、经济的特点。 关键词：柠檬酸发酵 1.柠檬酸简介 柠檬酸又名枸橼酸，学名2-羟基丙烷-1，2，3-三羧酸。柠檬酸是无色透明或半透明晶体，或粒状、微粒状粉末，无臭，虽有强烈酸味，但令人愉快，稍有后涩味。柠檬酸是生物体主要代谢产物之一，它在植物体内常与酒石酸、苹果酸、草酸等有机酸共存，在动物组织中柠檬酸以游离状态或以金属盐的形式存在。商品柠檬酸主要有一水化合物和无水物。 柠檬酸用途极其广泛，在食品工业广泛用于酸味剂、增溶剂、抗氧化剂、缓冲剂、除腥脱臭剂等。在其他工业中，可作金属净化剂、去垢剂、分散剂、电镀缓冲剂和配位剂、胶粘剂，并可用于治理工业废气、废水、回收金属等。在药物中可产生泡腾，使药物中活性配料迅速溶解并提高味觉能力。 制取柠檬酸可以从水果中提取、化学合成法和生物发酵。其中发酵是最常用和最有经济价值的方法。 2.柠檬酸发酵菌种及原材料。 2.1菌种及原材料 柠檬酸发酵工艺中，具有工业生产价值的微生物有黑曲霉、棒曲霉、文氏曲霉、芬曲霉、丁烯二酸曲霉、橘青霉、解脂假丝酵母等，其中黑曲霉和文氏曲霉在深层液态发酵生产柠檬酸最具有商品竞争优势。 凡能通过微生物代谢而产生柠檬酸的物质，都可以作为柠檬酸的发酵原料。如乙醇、木质素、纤维素、淀粉、蔗糖、乳糖、正烷烃和脂肪等。黑曲霉生产菌可以在薯干粉、玉米粉、可溶性淀粉、乳糖、葡萄糖、麦芽糖、糖蜜等多种培养基中生长、产酸，而且产量在微生物中最高。 2.2黑曲霉 在米曲汁或麦芽汁培养基上菌丝白色，不是绒球状，凸起。边缘整齐，菌落较小，带皱折。在麦芽汁培养基上生长4d成熟的孢子呈黑褐色。在察氏培养基上生长较慢，菌落边缘整齐，分生孢子梗短，分生孢子着生较密。菌丝顶端着生稀疏的大型的黑褐色孢子德，成熟后呈开花状而崩裂。分生孢子是串珠状着生，黑褐色，表面粗糙且有明显的刺状突起，4.7-5.2μm，成熟后遇振动易散落。黑曲霉具有多种活力较强的酶系，能利用淀粉质物质，并且对蛋白质、单宁、纤维素、果胶等具有一定的分解能力。所以黑曲霉可以边生长、边糖化、边发酵产酸的方式生产柠檬酸。 3.设备 发酵生产过程中主要的设备有发酵罐、种母罐、抽滤桶、脱色柱、结晶锅、浓缩锅等。 其中发酵罐是用来对微生物进行发酵之用，罐中有搅拌浆，罐身有传感器，用来控制发酵中各条件的变化。种母罐用来串培养种母醪。抽虑桶采用真空和加压过滤，用于固液分离。 4.柠檬酸深层液态发酵工艺 4.1工艺流程：培菌--发酵--中和--酸解--浓缩结晶 原料粉碎培养基制备实罐液化原始菌种环境空气 实罐灭菌试管斜面过滤 麸取菌种空气机
柠檬酸生产工艺技术及进展
柠檬酸生产工艺技术及进展 周明 （辽宁科技大学化学工程学院化工08·5） [ 摘要 ]介绍了水果提取法、化学合成法、生物发酵法3种柠檬酸的生产方法以及传统生产工艺。详细阐述了目前国内外在开发柠檬酸生产的新原料、改进生产工艺及提取工艺等方面的进展情况,并对各种技术的原理、优缺点、应用等方面进行了论述和比较。 [ 关键词 ]柠檬酸；发酵；提取 Abstract : Three methods of citric acid-production are introduced, such as separating from fruit, chemical synthesis, biological ferment .The tradition technology of citric acid-production is reviewed. The exploitation of new material, some progresses of production technology and separation technology are presented. In addition, the principles, technique development , advantages and application are described and compared. Key words: citric acid; ferment ; separation 柠檬酸,又名枸橼酸,分子式C6H8O7(无水物),是世界产量较大的一种有机酸。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。传统的柠檬酸生产是以薯干为原料,经生物发酵工艺和钙盐法提取工艺制得。传统工艺存在环境污染严重,生产成本高,产品质量不高等问题。近年来,在生产新原料方面,研究出了以玉米粉、稻米、秸杆等为原料的生产方法[1-4],使生产成本大大降低,废物排放减少。采用工业离子色谱法、母液净化处理、循环利用废糖液等技术[5-7]对生产工艺进行了改进,降低了生产成本、能耗及污染物的排放。为保护环境,使用了离子交换树脂法、电渗析、膜分离和吸交法等提取技术[8-12] ,基本实现了清洁的生产工艺。通过这些改进,使柠檬酸的生产提高了产品质量,降低了生产成本,减少了对环境的污染等。本文介绍了柠檬酸的生产方法及传统的生产工艺, 阐述了国内外在新原料,生产工艺改进及新提取技术等方面的进展,并对其原理、优缺点、应用等方面进行了论述和比较。 1 柠檬酸的生产方法 柠檬酸的生产方法共可分为3种：水果提取法,化学合成法，生物发酵法。1.1 水果提取法 柠檬酸可以从柠檬、橙、橘子、苹果等柠檬酸含量较高的水果中提取。当今，水果的生产已经产业化,水果产量也随之增加,并且比较集中,在考虑生态果园和综合利用时,可以利用这种方法来提取柠檬酸。但此法成本较高,不利于投入工业化生产[12,13] 。
生物工程设备课程设计 年产30000吨柠檬酸发酵设计学院：化工与材料学院 专业：姓名：指导老师： 生物工程 学号： 职称：高级工程师 中国·珠海 二○一五年十一月
北京理工大学珠海学院课程设计 诚信承诺书 本人郑重承诺：我所呈交的课程设计《年产30000吨柠檬酸发酵设计》是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。 承诺人签名： 日期：年月日
北京理工大学珠海学院12级生化工程设备课程设计 任务书 题目：年产30000吨柠檬酸发酵设计 专业学院：化工与材料学院 专业：生物工程 学生姓名： 指导教师：
一、主要研究内容： 1、设备所担负的工艺操作任务和工作性质，工作参数的确定。 2、容积的计算，主要尺寸的确定，传热方式的选择及传热面积的确定。 3、动力消耗、设备结构的工艺设计。 二、主要任务及目标： 1、工艺设计和计算 根据选定的方案和规定的任务进行物料衡算，热量衡算，主体设备工艺尺寸计算和简单的机械设计计算，汇总工艺计算结果。主要包括： （1）工艺设计 ①设备结构及主要尺寸的确定（D，H，H L ，V，V L ，Di等） ②通风量的计算 ③搅拌功率计算及电机选择 ④传热面积及冷却水用量的计算 （2）设备设计 ①壁厚设计（包括筒体、封头和夹套） ②搅拌器及搅拌轴的设计 ③局部尺寸的确定（包括挡板、人孔及进出口接管等） ④冷却装置的设计(包括冷却面积、列管规格、总长及布置等) 2、设计说明书的编制 设计说明书应包括设计任务书，目录、前言、设计方案论述，工艺设计和计算，设计结果汇总、符号说明，设计结果的自我总结评价和参考资料等。 3、绘制设备图一张 设备图绘制，应标明设备的主要结构与尺寸。 指导教师签字：年月日 工作小组组长签字：年月日
柠檬酸的工艺生产流程 摘要 柠檬酸广泛应用于食品行业、医药工业和化学工业等方面。它可利用糖质原料如土豆、地瓜中的淀粉等，在多种霉菌及黑曲霉的作用下，控制较低的温度及PH值、较高的通气量和糖浓度，用发酵法制得。 柠檬酸又名枸橼酸，学名3-羟基-3-羧基戊二酸，分子式C6H8O7为无色、无臭、半透明结晶或白色粉末，易溶于水及酒精。加热可以分解成多种产物，与酸、碱、甘油发生反应。柠檬酸主要用于食品工业，因为柠檬酸有温和爽快的酸味，普遍用于各种饮料、汽水、葡萄酒、糖果、点心、饼干、罐头果汁、乳制品等食品的制造。柠檬酸在化学工业上可做化学分析用试剂，用作实验试剂，色谱分析试剂及生化试剂，用作络合剂，掩蔽剂，配制缓冲溶液。采用柠檬酸或柠檬酸盐类做助洗剂，可改善洗剂产品的性能，可以迅速和沉淀金属离子，防止污染物重新附着在织物上，保持洗剂必要的碱性使污垢和灰分散和悬浮，提高表面活性剂的性能，是一种优良的螯合剂。 关键词:柠檬酸,黑曲霉,发酵法
Citric Acid In The Process Of The Production Process ABSTRACT citric acid is widely used in food industry, pharmaceutical industry and chemical industry, etc. It can use sugar in the raw materials such as potato, sweet potato starch, etc., under the action of a variety of mold and aspergillus Niger, control of low temperature and PH value, high ventilation and sugar concentration, using fermentation method. Citric acid or citrate, scientific name 3 - hydroxy - 3 - carboxylic glutaric acid, molecular formula C6H8O7 is colourless, odourless, translucent crystals or white powder, soluble in water and alcohol. Heating can be decomposed into a variety of products, react with acid, alkali, glycerin. Citric acid is mainly used in food industry, because of citric acid has a mild and refreshing acidity, widely used in all kinds of drinks, soft drinks, wine, candy, snacks, biscuits, canned fruit juices, dairy products, such as food manufacturing. Citric acid in the chemical industry to do chemical analysis reagent, used as laboratory reagents, chromatography analytical reagent and biochemical reagents, used as complexing agent and masking agent, buffer solution. Using citric acid or citric acid salts do help lotion, can improve the performance of detergent product, can quickly and precipitation of metal ions, and prevent pollutants are attached to the fabric again, keep the lotion, alkaline necessary make the dirt and dust dispersion and suspension, improve the performance of the surfactant is a kind of excellent chelating agent. Keywords: citric acid, aspergillus Niger, fermentation
综合实验1：柠檬酸发酵及产物提取 （一）柠檬酸发酵 一、实验原理 柠檬酸发酵为典型的有机酸发酵，淀粉质原料经淀粉酶作用水解为葡萄糖，葡萄糖经EMP途径氧化为丙酮酸，丙酮酸进一步被氧化脱羧生成乙酰CoA，就一般能量代谢过程而言，生成的乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸后进入三羟酸循环，通过三羟酸循环进行有氧呼吸的能量代谢。但就柠檬酸产生菌而言，由于其顺乌头酸水合酶和异柠檬酸脱氢酶活性很低，而柠檬酸合成酶的活性很高，因而大量积累柠檬酸，草酰乙酸的提供则仍通过丙酮酸羧化而成，柠檬酸的生成途径如下式： 2 C6H12O6 + 3 O2→2 C6H8O7 + 4 H2O 国内目前柠檬酸发酵所采用的原料主要是山芋干及废糖蜜。 二、实验器材 （一）材料 1．菌种：黑曲霉2．蔗糖、硫酸铵等 （二）主要仪器设备 1．旋转式摇床、超净工作台、15L发酵罐等 三、操作步骤 1．种子培养基制备： 马铃薯培养基配方:(1000ml) 马铃薯（去皮）200g 葡萄糖（或蔗糖）20g 琼脂15~25g 水1000ml 自然pH 2．种子液培养：将已灭菌的种子培养基接入一环斜面孢子于35℃±1℃、250r.p.m条件下培养24~36h。 3．种子培养液质量要求：镜检菌丝生长健壮，结成菊花形小球，球直径不超过100μm，每毫升含菌球数在1~2万之间，无异味、无杂菌污染；pH2~2.5；酸度1.5~2.0%。 4．发酵培养基制备：蔗糖15%，硫酸铵0.4%，磷酸二氢钾0.1%，7水合硫酸镁0.025%。 5. 上罐灭菌（操作同实验一） 5．发酵：将培养好的种子液按发酵培养液体积的5%接入到已灭菌的发酵培养基中，于35℃±1℃、200r/min条件下发酵4天。 6.分别在0，24，48，72，96小时测定一下参数。 四、实验结果 1．对种子液进行镜检，画下菌丝形态，并测定菌球直径及粗略估算每ml种子液中的菌球数。 2．测定成熟发酵液的酸度，并就发酵结束后的菌体形态作出描述。 3．计算柠檬酸发酵的转化率，即每100克葡萄糖经转化所能生成的柠檬酸克数，柠檬酸酵的理论转化率按下列反应计算应为106.7%。 总反应式：2C6H12O6+3O2→2C6H8O7+4H2O 180 192 理论转化率=192/180=106.7%
艺工及生产柠檬酸柠檬酸的简介.一 1. 柠檬酸的理化性质 柠檬酸（Citric acid），又称枸椽酸，是一种三元羧酸,其学名为3-羟基-3-羧基戊二酸，分子式C6H8O7(无水物)，在自然界中存在于柠檬、柑桔、梅、李子、梨、桃、无花果等水果中。柠檬酸具有无毒，无色，无臭特性，一般为半透明结晶或白色粉末，易溶于水、乙醇、乙腈、乙醚等[1]，不溶于苯，微溶于氯仿。相对密度cm3，熔点153℃(失水)。柠檬酸结晶形态因结晶条件不同而不同，有无水柠檬酸，也有含结晶水的柠檬酸。在干燥空气中微有风化性，在潮湿空气中有潮解性，175℃以上分解放出水及二氧化碳。柠檬酸是一种较强的有机酸，有3个H＋可以电离；水溶液呈酸性，加热可以分解成多种产物，与酸、碱、甘油等发生反应。 2. 柠檬酸的用途 柠檬酸具有令人愉悦的酸味，入口爽快，无后酸味，安全无毒，被广泛用作食品和饮料的酸味剂；能与二价或三价的阳离子形成络合物，被用作金属加工的鳌合剂和洗净剂（起软化水作用的洗净力补充剂）；还能衍生形成许多衍生物，可用作有机化学工业的原料。因此被广泛用于食品饮料、医药化工、清洗与化装品、 有机材料等领域，是目前世界需求量最大的一种有机酸[2]，到目前还没有一种可以取代柠檬酸的酸味剂。 二.生产技术 柠檬酸的生产方法共可分为3 种: 水果提取法,化学合成法, 生物发酵法
三。发酵法又分为固体发酵法和液体深[18]，目前以发酵法生产柠檬酸为主[17]种 不适合大规模的生产应用。固态发酵能耗小但劳动力大，占地面积大，层发酵法。深层通风发酵法采用不锈钢罐体，机械搅拌通风，微生物在液体相中分布均匀，发酵时不生成孢子，全部菌体细胞用于代谢柠檬酸，发酵速度高，实现了机械化或自动化操作，利于大规模生产。 生物发酵法制取柠檬酸.三 本工艺选择的原料及生产方法1. 本次生产工艺设计以薯干为原料，采用直接粉碎、调浆、液化，进行好气液体深层发酵，钙盐法提取，最后结晶、干燥得到柠檬酸 工艺流程2. 接收糖浆后，根据糖浆组成作适当的处理或配制，配成发酵原料，进行连续杀菌并冷却后，进入发酵罐，加入菌种和净化压缩空气后进行发酵；发酵液经升中和处理；再经过过滤洗涤，得到柠檬酸钙固温、过滤处理后，进入中和罐，用酸解，并加入活性炭进行脱色；然后，通过带式过滤机体，送入酸解罐，再添加浓缩，酸解过滤液经离子交换处理后，及废炭；进行蒸发、过滤、酸解过滤，除去 再进行结晶；结晶后，用离心机进行固液分离，对得到的湿柠檬酸晶体进行干燥与筛选，最后得到成品柠檬酸。 淀粉筛配 酸
第七章发酵工艺过程控制 教学目的: 1、熟悉发酵过程的主要控制参数; 2、掌握各因素对发酵过程的影响、过程控制方法和原理; 3、熟悉几种发酵操作类型。 教学方法: 讲授 教学手段: 使用多媒体课件 教学内容: 第一节发酵过程中的代谢变化与控制参数 一、发酵工艺过程控制的重要性 从产物形成来说, 代谢变化就是反映发酵中的菌体生长、发酵参数的变化( 培养基和培养条件) 和产物形成速率这三者之间的关系。 二、发酵过程的代谢变化规律 这里介绍分批发酵、补料分批发酵、半连续发酵及连续发酵四种类型的操作方式下的代谢特征。 1、分批发酵 指在一个封闭的培养系统内含有初始限制量的基质的发酵方式。即一次性投料, 一次性收获产品的发酵方式。 在分批培养过程中根据产物生成是否与菌体生长同步的关系, 将微生物产物形成动力学分为 ( 1) 生长关联型 产物的生成速率与菌体生长速率成正比。这种产物一般是微生物分解基质的直接产物, 如酒精, 但也有某些酶类, 如脂肪酶和葡萄糖异构酶 对于生长关联型产品, 可采用有利于细胞生长的培养条件, 延长与产物合成有关的对数生长期。 ( 2) 非生长关联型 产物的生成速率与菌体生长速率成无关, 而与菌体量的多少有关。
对于非生长关联型产品, 则宜缩短菌体的对数生长期, 并迅速获得足够量的菌体细胞后, 延长稳定期, 从而提高产量。 2、补料-分批发酵 是指分批培养过程中, 间歇或连续地补加新鲜培养基的培养方法。 与传统的分批发酵相比, 优点在于使发酵系统中维持很低的基质浓度。低基质浓度的优点: ( 1) 能够除去快速利用碳源的阻遏效应, 并维持适当的菌体浓度, 使不至于加剧供氧的矛盾; ( 2) 克服养分的不足, 避免发酵过早结束。 ３、半连续发酵 是指在补料－分批发酵的基础上, 间歇地放掉部分发酵液的培养方法。 优点: ( 1) 能够除去快速利用碳源的阻遏效应, 并维持适当的菌体浓度, 使不至于加剧供氧的矛盾; ( 2) 克服养分的不足, 避免发酵过早结束; ( 3) 缓解有害代谢产物的积累。 ４、连续发酵 又称连续流动培养或开放型培养, 即培养基料液连续输入发酵罐, 并同时放出含有产品的发酵液的培养方法。在这样的环境中培养, 所提供的基质对菌的生长就受到限制, 培养液中的菌体浓度能保持一定的稳定状态。 与传统的分批发酵相比, 连续培养有以下优点: ( 1) 维持低基质浓度: 能够除去快速利用碳源的阻遏效应, 并维持适当的菌体浓度, 使不至于加剧供氧的矛盾; ( 2) 避免培养基积累有毒代谢物; ( 3) 能够提高设备利用率和单位时间的产量, 节省发酵罐的非生产时间; ( 4) 便于自动控制。 但连续培养也有缺点:
实验五黑曲霉发酵生产柠檬酸 柠檬酸(citric acid)又名枸橼酸，学名2-羟基丙烷三羧酸(2-hydroxytricarboxylic acid)或2-羟基丙烷-l，2，3-三羧酸(2一hydroxy propane-1，2，3一triearboxylic acid)。商品柠檬酸 有两种形式：一种为无色透明，有光泽的含一个结晶水的晶体，其分子式为C 6H 8 O 7 ·H 2 O，相对分子 质量为210.14。另一种为无色半透明全对称晶体的无水柠檬酸，分子式为C 6H 8 O 7 ，相对分子质量 192.13。柠檬酸因无毒、水溶性好、酸味适度、易被吸收和价格低廉等优点，被广泛应用于食品、 医药、化工、化妆品、清洗(洗涤)、建筑等工业部门。其中食品和饮料业占56％，清洗(洗涤剂)业占20％，医药和化妆品占11％，其他工业占13％。 1893年前，人们主要从柑橘、菠萝和柠檬等果实中制取柠檬酸。．1893年后发现微生物可产生柠檬酸，1951年美国Miles公司首先采用深层发酵法生产柠檬酸。我国在20世纪40年代初期开始浅盘发酵生产柠檬酸，60年代开始采用薯干粉直接深层发酵法生产柠檬酸。 能够产生柠檬酸的微生物很多，青霉、毛霉、木霉、曲霉、葡萄孢菌及酵母中的一些菌株都能够利用淀粉质原料或烃类大量积累柠檬酸。最具商业竞争优势的是采用黑曲霉、文氏曲霉和解脂假丝酵母等菌种的深层液体发酵。目前国内外普遍采用黑曲霉的糖质原料发酵生产柠檬酸。 本实验以薯干粉或玉米粉为原料，采用黑曲霉，通过深层液体(摇瓶)发酵产生柠檬酸。柠檬酸发酵液经过滤除去菌丝体和残存杂质，过滤液中加入碳酸钙中和，生成柠檬酸钙沉淀。将获得柠檬酸钙再用稀硫酸酸解生成柠檬酸和硫酸钙沉淀而制得粗制柠檬酸液，粗制柠檬酸液再经活性炭脱色、离子交换脱盐制得精制柠檬酸液。精制柠檬酸液经真空浓缩、结晶制得符合英国药典BP－98版标准的无水或一水柠檬酸。 一、实验目的 了解柠檬酸发酵原理及过程，掌握柠檬酸深层液体发酵及中间分析方法。 二、实验原理 黑曲霉发酵法生产柠檬酸的代谢途径被认为：黑曲霉生长繁殖时产生的淀粉酶、糖化酶首先将薯干粉或玉米粉中的淀粉转变为葡萄糖；葡萄糖经过糖酵解途径（EMP）和HMP途径转变为丙酮酸； 丙酮酸由丙酮酸氧化酶氧化生成乙酸和CO 2 ，继而经乙酰磷酸形成乙酰辅酶A，然后在柠檬酸合成酶（柠檬酸缩合酶）的作用下生成柠檬酸。黑曲霉在限制氮源和锰等金属离子条件下，同时在高浓度葡萄糖和充分供氧的条件下，TCA循环中的α－酮戊二酸脱氢酶受阻遏，TCA循环变成“马蹄形”，代谢流汇集于柠檬酸处，使柠檬酸大量积累并排出菌体外。其理论反应式为： C 6H 12 O 6 +1.5O 2 C 6 H 8 O 7 +2H 2 O 柠檬酸理论得率为106.7％，若以含一个结晶水的柠檬酸计为116.7％。
柠檬酸液态发酵及提取工艺综述 摘要:发酵有固态发酵、液态浅盘发酵和深层发酵3种方法。液态浅盘发酵多以糖蜜为原料，其生产方法是将灭菌的培养液通过管道转入一个个发酵盘中，接入菌种，待菌体繁殖形成菌膜后添加糖液发酵。发酵时要求在发酵室内通入无菌空气。国内目前有很多人研究了MgCl2、普鲁兰酶、植酸钠、磷浓度、菌种、木薯原料、纤维素糖化液、玉米粉淀粉混合原料、接种量和碳氮比、溶解氧、发酵罐搅拌系统、尿素、乙醇等添加剂、初始含糖量、温度、pH、发酵时间等等对黑曲霉发酵产酸的影响，从而改良提取工艺。 关键词：柠檬酸液态发酵提取工艺 一、前言 柠檬酸(citric acid）又名枸橼酸，学名2-羟基丙烷三羧酸(2-hydroxytricarboxylic acid)或2-羟基丙烷-l，2，3-三羧酸(2-hydroxy propane-1，2，3-triearboxylic acid)是生物体主要代谢产物之一，在自然界中分布很广，主要存在于柠檬、柑橘、菠萝、梅、李、梨、桃、无花果等果实中，尤以未成熟者含量居多。分子式：C6H8O7（相对分子质量：192.13），无色透明或半透明晶体，或粒状、微粒状粉末，虽有强烈酸味，但令人愉快，稍有涩味。极易溶于水，溶解度随温度的升高而增大；从结构上讲柠檬酸是一种三羧酸类化合物，并因此而与其他羧酸有相似的物理和化学性质，加热至175°C时它会分解产生二氧化碳和水，剩余一些白色晶体。柠檬酸是一种较强的有机酸，有3个H+可以电离；加热可以分解成多种产物，与酸、碱、甘油等发生反应。 柠檬酸被称为第一食用酸味剂，极广泛地用作酸味剂、增溶剂、缓冲剂、抗氧化剂等，用于饮料、糖果、酿造酒、冰淇淋、酸奶、罐头食品、豆制品与调味品等的生产中。另外，在药物、美容品、化妆品工业上也有着重要的应用。它是香料和饮料的酸化剂，在食品和医学上用作多价螯合剂，同时是化学中间体，用于制造药物，也可用于金属清洁剂、媒染剂等。柠檬酸的盐类、酯类和衍生物也各具特点，用途极为广泛而有良好的发展前景。 二、柠檬酸液态发酵 1、柠檬酸发酵机理 柠檬酸循环(citric acid cycle)又称三羧酸循环[5］(tricarboxylic acid cycle)，克雷
发酵工艺控制 2.1概述 一. 发酵体系的主要特征 1. 细胞内部结构和代谢反应的复杂性 2. 细胞所处环境的复杂性 3. 过程系统状态的时变性及参数的多样性和复杂性 影响因素多，有的因素未知，主要影响因素变化。 发酵水平主要取决于：生产菌种的特性；对工艺条件的控制（适合程度） 必须了解：菌体的生理代谢规律工艺条件对发酵过程的影响及其控制发酵过程的有关变化规律 常规发酵的工艺控制参数：温度、pH、搅拌转速与功率、空气流量、罐压、液位、补料速率及补料量等。 二. 发酵过程的参数检测 1.直接状态参数 指能直接反映发酵过程中微生物生理代谢状况的参数 包括：pH、DO、溶解CO2、尾气O2、尾气CO2 、黏度、基质和产物浓度、菌体浓度（OD、DCW、湿重）等 参数的检测 在线检测各种传感器：pH电极、DO电极、温度电极、液位电极、泡沫电极尾气分析仪：测尾气O2和CO2含量 离线检测分光光度计、pH 计、温度计、气相色谱（GC)、液相色谱（HPLC)、色质连用（GC-MS)等 2.间接状态参数 指利用直接状态参数计算求得的参数 包括：比生长速率μ、摄氧率OUR、CO2释放率CER、呼吸商RQ、氧的得率系数YX/O 、氧体积传质系数KLa、基质比消耗速率QS、产物比生成速率Qp等 综合各种状态参数，获得代谢过程的各种信息，从而对发酵过程做出相应的调整和控制，以获得最经济的发酵生产。 三. 发酵过程的代谢调控和优化 1. 代谢调控 以代谢（流）的调节最重要 调节酶的合成量，称为“粗调”调节酶的催化活性，称为“细调” 工艺控制和过程优化的实质，就是利用各种方法和手段，使细胞的外部和内部环境最适合基质和能量流向产物合成的生物途径，以获得最大的产量。 2. 发酵过程优化的一般步骤 确定反映发酵过程的各种理化参数及其检测方法 研究这些参数的变化对发酵过程的影响及其机制，获得最佳的范围和最适的水平 建立数学模型定量描述个参数间随时间的变化关系，为过程优化控制提供依据 通过计算机实施在线自动检测和控制，验证各种控制模型的可行性及其适用范围，实现发酵过程的最优控制 2.2基质浓度对发酵的影响及其控制 先进的培养基组成是充分支持高产、稳产和经济的发酵过程的关键因素之一。 一. 基质种类 一般包括：碳源、氮源和无机盐 前体