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1、第四节第四节 柠檬酸生产的上游工程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。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
2、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、发酵原料及其处理淀粉原料预处理课件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、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；淀粉原料预处理课件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。淀粉原料预处理课件木薯木薯是亚热带高产经济产物
3、，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。淀粉原料预处理课件糖蜜一原料糖蜜一原料 糖蜜是制糖工业上的副产品，其中含有大量的可发酵性糖。糖蜜是制糖工业上的副产品，其中含有大量的可发酵性糖。（1 1） 甜菜糖蜜甜菜糖蜜 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、味。其成分相当复杂，而且变化较大，
4、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。有关资料。 甜菜糖蜜平均干物质甜菜糖蜜平均干物质80%80%，水分，水分20%20%。甜菜糖蜜含转化糖。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（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（占增加。甜菜糖蜜的有机成分包括含氮物质（占0.6-0.8%0.6-0.8%，主要，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
5、，转移到糖蜜中的主要是丙二酸、丁二酸、戊二酸等）、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。在发酵过程中会消失、芳香族化合物质。淀粉原料预处理课件（2 甘糖糖蜜 甘糖糖蜜是甘蔗制糖工业的副产品，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； 淀粉原料预处理课件（一） 原料预处理 在发酵与
6、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。淀粉原料预处理课件粉碎的方法，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
7、点上，产生局部的应力，破碎后应力分散，作用点发生变化。淀粉原料预处理课件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。淀粉原料预处理课件 淀粉原料预处理课件锤式粉碎机如上图主轴上有钢质圆盘或方盘转子，盘
8、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%。淀粉原料预处理课件2.辊
9、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。淀粉原料预处理课件淀粉原料预处理课件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，
10、使大块或硬的物料得以通过，以免使辊筒表面受到损伤。淀粉原料预处理课件（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 淀粉颗粒淀粉原料预处理课件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
11、。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。淀粉原料预处理课件CH2OHOHOOHCH2OHOHOOHCH2OHOHOOHCH2OHOHOOHCH2OHOHOOHCH2OHOHOOHCH2OHOHOOHCH2OHOHOOHCH2OHOOHOCH2OHOHOOH淀粉原料预处理课件淀粉种类及其结构淀粉种类及其结构 NRERE直链淀粉直链淀粉支链淀粉或糖原
12、分支点的结构支链淀粉或糖原分支点的结构RENRE (16)分支点分支点支链淀粉或糖原分子示意图支链淀粉或糖原分子示意图直链淀粉的螺旋结构直链淀粉的螺旋结构0.8nm1.4nm6个残基个残基淀粉原料预处理课件淀粉的分枝结构淀粉的分枝结构开始分枝的残基开始分枝的残基非还原端非还原端残基残基两个葡萄糖单位之两个葡萄糖单位之间的间的1，6-糖苷键糖苷键两个葡萄糖单位之两个葡萄糖单位之间的间的1，4-糖苷键糖苷键淀粉原料预处理课件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
13、目的。（3）淀粉的膨胀和溶解膨胀膨胀：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，这种现象称为膨胀膨胀。 糊化糊化：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，称为淀粉的糊化糊化。此时的温度称为糊糊化温度化温度。淀粉原料预处理课件淀粉原料预处理课件溶解或液化溶解或液化：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。淀粉的溶解或液化。淀粉原料预处理课件淀粉原料预处理课件2.4 淀粉液化的方法（1）按水解动力的不同分为：酸法、酶法、
14、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、精制淀粉液化淀粉原料预处理课件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
15、淀粉原料预处理课件2.4.1酶解法液化、糖化淀粉常用的酶-淀粉酶淀粉酶：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)糖化酶糖化酶：作用于淀粉的l，4键结合，能从葡萄糖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： -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
16、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。淀粉原料预处理课件淀粉的酶分解淀粉的酶分解 淀粉的酶促水解解淀粉的酶促水解解 淀粉酶：在淀粉淀粉酶：在淀粉分子内部任意水解分子内部任意水解-1.4-1.4糖苷键。（内切酶）糖苷键。（内切酶） 淀淀粉粉酶酶: :从从非非还还原原端端开开始始，水水解解.4.4糖糖苷苷键键，依依次次水水解解下下一一个个麦芽糖单位（外切酶）麦芽糖单位（外切酶） 脱脱支支酶酶（R R酶酶）: :水水解解淀淀粉粉酶酶和和淀淀粉粉酶酶作作用用后后留留下下的的极极限限糊糊精精中中的的1.6 1.6 糖苷键糖苷键。淀粉酶淀粉酶淀粉酶淀粉酶淀粉原料预处理课件淀粉酶的
17、作用方式酶名称作用键主要生成产物酶 特 性最适温度/最适pH钝化温度/-淀粉酶E.C.3.2.1.11，4（内切）糊精为主少量G1、G2、G36570658085955.86.05.87.06.57.08080以上116-淀粉酶E.C.3.2.1.21，4(非还原末端)以G2为主少量G1、G3和-界限糊精60654560655.45.66.55.56.0705070异淀粉酶E.C.3.2.1.91，6直链糊精和少量的G2直链糊精G3为主，少量G240504050556050555.35.35.15.15.560606565葡萄糖酶（糖化酶）E.C.3.2.1.31，4(非还原末端)1，6以G1
18、为主506050554.05.54.55.070淀粉原料预处理课件2.4.2 酶法液化方法(1) (1) 间歇（升温）液化法间歇（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。 淀粉原料预处理课件（2 2）半连续（高温）液化法（喷淋连续进出料液化）半连续（高温）液化法（喷淋连续进出料液化法）法）工艺：将淀粉乳调整到适当pH和Ca2+浓度，加
19、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：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。淀粉原料预处理课件（3 3）连续（喷射）液化法）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 淀粉原料预处理课件喷射液化的几种流程：喷射液化的几
20、种流程：连续出料连续出料多段液化：多次加酶，多次加热，适用各种多段液化：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）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一段高温喷射液化工艺单罐维持淀粉原料预处理课件工艺控制要点：淀粉乳浓度30%左右喷射器出口温度（1053）C，保温97100 C，3060min。淀粉原料预处理课件淀粉原料预处理课件淀粉原料预处理课件淀粉原料预处理课件淀粉原料预处理课件两次加酶喷射液化工艺两次加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95-97145二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-
21、高温维持-二次液化-冷却-（糖化） 淀粉原料预处理课件酶淀粉+水+酶蒸汽蒸汽蒸汽蒸汽配料罐喷射液化器保温罐95-97145二次液化罐 在配料罐内，将淀粉加水调浆成淀粉乳，用在配料罐内，将淀粉加水调浆成淀粉乳，用Na2CO3Na2CO3调调PHPH，使，使PHPH值处在值处在5.0-5.0-7.07.0之间，加入之间，加入0.15%0.15%的氯化钙作为淀粉酶的保护剂和激活剂，最后加入耐高的氯化钙作为淀粉酶的保护剂和激活剂，最后加入耐高温温-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
22、时间内升温至液和高温蒸汽直接接触，料液在很短时间内升温至95-9795-97，此后料液进入保，此后料液进入保温罐保温温罐保温60min60min，温度维持在，温度维持在95-9795-97，然后进行二次喷射，在第二只喷射器，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，使温度迅速升至内料液和蒸汽直接接触，使温度迅速升至145145以上，并在维持罐内维持该温以上，并在维持罐内维持该温度度3-5min3-5min左右，彻底杀死耐高温左右，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，将温度降低到入二次液化罐，将温度降低到95-9795
23、-97，在二次液化罐内加入耐高温，在二次液化罐内加入耐高温-淀粉淀粉酶，液化约酶，液化约30min30min，用碘呈色试验合格后，结束液化。，用碘呈色试验合格后，结束液化。 淀粉原料预处理课件工艺的特点： 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淀粉原料预处理课件（三）糖化 100 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
24、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。 淀粉原料预处理课件酸水解糖化工艺流程酸水解糖化工艺流程12345678910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-水力喷射器 10-水槽针对工艺提问淀粉原料预处理课件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
25、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淀粉原料预处理课件17532蒸汽淀粉碱液氯化钙-淀粉酶糖化酶双酶法制糖工艺流程双酶法制糖工艺流程水回流14656117108 91213141516181-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-压滤机 16-糖化暂贮槽 18-贮糖槽淀粉原料预处理课件说说酸水解法、酸酶法和酶水解法三种不同水解工艺的优劣？20050温度（C）粘度(pas)不同水解工艺与糖化液的粘度
26、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。 淀粉原料预处理课件间歇式与连续式糖化方式比较间歇式与连续式糖化方式比较间歇式间歇式连续式连续式设备投资对淀粉质量要求操作糖化温度糖化时间蒸汽量产品质量糖化罐较贵可用不同质量的淀粉简单134-144度15-30 min较多糖化不均匀，易产生分解反应蛇管加热器及计量器较贵要求淀粉质量较稳定操作条件确定后，比较简单144-151度10-15 min比
27、间歇式少一半产品质量均匀，分解产物少淀粉原料预处理课件二、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，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 淀粉原料预处理课件发酵罐的培养基间歇灭菌 淀粉原料预处理课件淀粉原料预处理课件上图所示为培养液连续灭菌
28、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。淀粉原料预处理课件淀粉原料预处理课件上图为喷射加热连续灭菌流程。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。淀粉原料预处理课件淀粉原料预处理课件
