深层发酵法生产柠檬酸钠的工艺
因为该工艺有劳动强度小、生产效率高以及利用较少的生产空间的优点,深层发酵工艺已成为工业化国家生产柠檬酸钠的主要方法。各种不同设计形式的反应罐已得到应用,特别是在实验工厂。尽管比搅拌罐具有更大体积的气升式反应罐也有应用,但搅拌罐应用更为普及。反应器(罐)由高品质不锈钢制造,从低pH值酸液溶解金属离子以及不锈钢中的镁存在的事实着想,选择优质钢材是至关重要的。劣质钢材在过去的生产实践中已引起很多问题,诸如渗漏、砂眼和一般性腐蚀,尽管设计上没什么问题,但工业上仍然认为这些问题可能发生。经验表明,最优生产水平达到之前要进行几个批次运转才能使反应罐状态达到正常可能与上述问题有关。
有关柠檬酸钠生产反应器的其他要求是空气供应系统,该系统能够保持高的溶解氧水平。对于罐式和塔式反应器,无菌空气自底部喷入,尽管塔式反应器经常输入额外的空气。反应器内压力保持高于大气压以增加发酵醪液中溶解氧。要检查溶解氧对柠檬酸钠生成的影响,并且溶解氧的水平要进行常规监测。氧的水平也受到醪液流变学影响。
典型的柠檬酸钠工厂由四个工段组成:发酵培养基准备、发酵、醪液分离和产品回收。培养基配制包括糖蜜稀释,或其他原料配制溶液,加入营养盐。其他诸如铁氰化钾处理、灭菌(连续灭菌或实消),原料连消工艺与反应器实消分别进行。通常以种子罐制备接种物再转接入发酵罐,种子罐的发酵条件可改进以快速生产种子培养物为目的而不是生产产品。孢子初期接种和生长的初级阶段要求严格,需小心控制。
当用种子接种时,合适的转种时间是种子生长18-30d、时,可根据种子液pH值来判断转种时间。发酵温度和接种物温度相同,都是约30℃。发酵过程一直进行到柠檬酸钠的生产率下降到预定值,整个过程需持续许多小时。
许多报告指出,菌丝体形态对于最终产率是至关重要的,这里所说的形态,不仅指菌丝的形状,而且包括它们的聚集状态。某些研究指出,菌丝应该不正常的短向生长,球型而且有较多的分枝。人们认同菌丝如此生长的原因是由于缺乏锰或者和铁氰化物加入有关。菌丝也应该长成平滑的、硬表面的小球(小于O.5mm),保证这种球形生长需要控制很多因素,如铁氰化物浓度、锰浓度、铁浓度(小于lmg/L),还有诸如低pH、通气和搅拌控制以及孢子接种量。
现在已经弄清楚,上述生长特征(球形生长)并非是高产率本身所必须的,而是正确控制发酵参数的结果。球形菌丝生成不是必须的,但这种生长对于醪液混合来说耗能较低。当丝状生长发生时,溶解氧的水平比正常情况下下降50%。已证实丝状生长也能产生满意的产率。考虑到球状菌对丝状菌的扩散特征,可推测出当产率相似情况下,因没有额外的限制菌球扩散因素,生产效率应该更高。
通气对于发酵工艺成本来说是重要因素,虽然在许多实验室研究中采用恒定通气速率,但在工业实践中则采用不同速率通气,如初始以0.1vvm起动,在发酵过程中升至0.5~1vvm。这样的通气速率将导致泡沫形成,因此不得不采用消泡装置和化学消泡剂以便把泡沫问题控制到最低。虽然获得高产率的柠檬酸钠是可能的,但从工业生产原则考虑生产效率更为重要,很少有工厂为了追求更高的产率而无限延长发酵时间。
今天运转的生产工艺很大程度上归功于加拿大北部研究所的D.S.Clark和他的合作者在20世纪五、六十年代的开拓性工作。那里,黑曲霉发酵糖蜜原料大规模生产柠檬酸钠工艺技术已确立。在完成了对发酵特性研究之后,发酵过程控受到关注已发表了许多特别是有关金属离子对柠檬酸钠循环的作用的报告。在学术界经过10年讨论之后,关于调节发酵并在工业上获得高产率的因素已有一般性的一致意见(Mattey,1992)。