有機酸工藝學-乳酸發(fā)酵工藝2

3.3發(fā)酵工藝及控制條件

3.1細菌乳酸發(fā)酵工藝及技術(shù)細菌乳酸發(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，應注意不要使pH值降到5.0以下。否則會影響發(fā)酵速度。發(fā)酵過程中，每個班次要檢查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。當殘?zhí)墙抵?g/L時就視為分解完成。整個過程大約需3～4d

水解糖發(fā)酵過程曲線發(fā)酵結(jié)束時，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，同時丙酸菌可能開始活動，從而影響產(chǎn)品的純度和產(chǎn)率。因此應及時加入石灰乳，將pH值提高到10左右。同時升高溫度至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，進入提取工序。發(fā)酵罐用熱水洗凈后再使用。⑴菌種：細菌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)時間24(h)后進行靜止培養(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．細菌乳酸發(fā)酵技術(shù)要點3．細菌乳酸發(fā)酵技術(shù)要點（2）營養(yǎng)物質(zhì)的控制：乳酸細菌大多數(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)酵安全進行。①加強發(fā)酵罐(池)的清潔與滅菌。②嚴格控制發(fā)酵溫度，③加大接種量，在發(fā)酵時加大接種量以使生產(chǎn)菌株生長旺盛，占據(jù)絕對優(yōu)勢.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)酵液的預處理

（1）細菌乳酸發(fā)酵液特點及其處理

乳酸菌一般不耐酸，通常乳酸是在過剩CaCO3存在的條件下進行的。乳酸和CaCO3反應，生成五個水的水合型乳酸鈣。發(fā)酵醪變粘稠。尤其當初糖濃度高時，甚至會使整個發(fā)酵醪固化，給后續(xù)操作帶來麻煩。

細菌乳酸發(fā)酵液預處理策略要及時升溫至90～100℃，并同時加入石灰乳，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，沉渣單獨處理。（2）發(fā)酵液過濾加入助濾劑CaSO4板框過濾機預熱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)，液面蓋過加熱管時關(guān)閉進料閥門，通蒸汽。一次蒸汽保持在0.2～0.3MPa，當一效乳酸鈣濃度達13～15％時，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)。當乳酸鈣含量達30～35%時，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.酸解終點控制酸水解2～3h至終點后取樣檢測。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，說明反應未進行完全。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)晶同時進行脫色1小時，活性炭隨石膏渣一起濾去。酸解同時脫色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45%～50%時，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，啟動攪拌，脫色30分鐘。檢查色度合格后進行過濾。（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或有機雜質(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檢測一次鐵的含量，嚴格控制鐵離子的濃度小于3mg/L。當流出料液鐵離子含量達3mg/L時，轉(zhuǎn)入另一再生好的陽離子交換柱，繼續(xù)進行交換。

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檢測一次氯化物，嚴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)多次反復使用后，會吸附部分有機物和有害離子，使交換當量明顯下降，應及時進行活化，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號色提高到１號色。（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，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到乳酸含量82%～85%；Fe離子≤5.mg/L；Cl離子≤10mg/L；色度3～5號色。3.5乳酸的質(zhì)量標準及新工藝新技術(shù)

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

1.菌種方面2.工藝方面

3.設備方面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，進一步提高轉(zhuǎn)化率，縮短發(fā)酵周期，由50小時縮短到34小時。積極開發(fā)嗜熱芽孢桿菌、鼠李糖乳桿菌等乳酸細菌的L－乳酸發(fā)酵研究，其優(yōu)點是發(fā)酵溫度高，無需提供無菌空氣和機械攪拌。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，產(chǎn)L-乳酸達88g/L，轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)酸率分別為95.6%和1.83g/L。西歐、比利時采用基因工程技術(shù)，構(gòu)建工程細菌可產(chǎn)L-乳酸180g/L。2.工藝方面

（1）原料上采用廉價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，采用罐外噴射液化技術(shù)，能耗和原料消耗明顯降低，發(fā)酵設備利用率不斷提高。（2）2006年天津科技大學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)應用和完善，現(xiàn)已在全行業(yè)中推廣普及。由粗料改為細料發(fā)酵，為高糖高酸發(fā)酵技術(shù)的應用奠定技術(shù)支撐。提高了發(fā)酵產(chǎn)酸和轉(zhuǎn)化率。（3）采用固定化活細胞技術(shù)，提高產(chǎn)酸速率。將生長的乳酸細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，采用等當量連續(xù)酸解新工藝，縮短酸解時間，減少酸解設備噸位和負荷，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→移動盤式水平真空過濾機→連續(xù)膠帶過濾機，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.設備方面（1）開展節(jié)能、低耗的反應器研究，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)酵罐替代目前的標準式發(fā)酵罐，以降低動力消耗。（2）乳酸發(fā)酵罐由50M3→100M3→200M3→300M3以上，輔之先進的攪拌和通風裝置，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排放對大氣污染、減少原料消耗，實現(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，組合進電滲析、離子交換、膜分離等分離技術(shù)，減少產(chǎn)物乳酸對發(fā)酵的抑制作用。由于上述新技術(shù)、新工藝和新裝備的應用，使我國乳酸生產(chǎn)的各項技術(shù)指標都有了很大改善，進一步提高與國行業(yè)的產(chǎn)品競爭力，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)進展，請查閱文獻進行評述。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)學院學報：自然科學版,2001(4):56-60.結(jié)晶法、酯化法、吸附法由于吸附材料對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)學院,2000.吸附法利用離子交換樹脂進行原位分離乳酸發(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。利用離子交換樹脂進行原位分離乳酸發(fā)酵工藝操作簡單，僅只包括9個部分，與現(xiàn)有工藝相比減小了3個工藝部分，且自動化程度高。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。本工藝能及時移走乳酸，使發(fā)酵液中乳酸濃度很低，以避免乳酸對乳酸發(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)研究進展[J].化工進展,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作用下使離子發(fā)展定向運動，從而達到離子的濃縮。已有學者結(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，電滲析去除了反應生成的硫酸鈉而得到乳酸，由于存在擴散產(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)酵液有機酸鹽的資源化處理方面有了初步應用，因此在從乳酸鹽制