[发明专利]一种柠檬酸提取方法及生产柠檬酸的膜生物反应器

说明书

技术领域

本发明涉及一种化工装置及其使用方法，具体涉及一种生产柠檬酸的膜生物反应器及柠檬酸提取工艺。

背景技术

柠檬酸又名枸橼酸，为无色、无臭、半透明结晶或白色粉末，易溶于水及酒精。主要用于食品工业、医药工业、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用途。到2010年，我国柠檬酸的产量已达100万吨，占世界总产量的53 %左右，出口85万吨，超过世界贸易总量的一半，产量和贸易量均居世界第一位。

传统的柠檬酸生产工艺通常采用玉米、薯类等富含淀粉的农作物为原料，以黑曲霉为菌种，通过发酵法、钙盐提取和浓硫酸酸解工艺来生产柠檬酸。生产过程具有工艺流程复杂、环境污染严重、产品质量不稳定、生产成本较高等问题。传统生产工艺流程存在一些问题，首先，发酵过程是柠檬酸生产工艺的核心环节，发酵是发酵罐中进行的，传统发酵过程具有以下缺点：传统发酵所用菌株的柠檬酸选择性较差，发酵液中糖类和蛋白质等杂质含量较高，造成柠檬酸分离工艺技术复杂、且柠檬酸产量较低、原料利用率不高、产品收率低，综合经济效益较差。

其次，柠檬酸提取工艺采用钙盐中和提取结合浓硫酸酸解工艺，具有工艺流程复杂，需要消耗碳酸钙和浓硫酸，废水处理任务繁重等问题。

再有柠檬酸生产虽然原理比较简单，工艺成熟，但是劳动强度极大，使用了强酸且有废弃物的排出，无论是对操作者还是对环境都造成了极大的危害； 同时此方法得到的柠檬酸收率也不高，一般只能达到70 %左右，产酸量仅为12-13%。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。虽然通过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，但仍然没有根本性的提高。

近来对柠檬酸生产工艺有很多改进，主要有以下几种方法：

采用溶剂萃取法、离子交换树脂法、电渗析、膜分离和吸交法等提取技术，基本实现了清洁的生产工艺，提高了产品质量，降低了生产成本，减少了对环境的污染等。但大多停留在实验室阶段，难以实现工业化。

溶剂萃取法提取柠檬酸与钙盐法相比，萃取法提纯柠檬酸具有萃取剂可反复使用、节约大量化工原料、节约热能、劳动强度低等优点。但迄今为止，它的工业化应用还难以得到推广，主要原因是柠檬酸发酵液的组成复杂，要求萃取剂有高度的选择性（能有效萃取柠檬酸而不萃取糖、色素、蛋白质等杂质）、无毒、化学性质稳定、价廉、易回收。

离子交换法提取柠檬酸法工艺简单，采用强酸型阳离子树脂转型直接可得纯柠檬酸清液，提取率可由旧工艺的70 %提高到90 %以上，随着与柠檬酸工艺相匹配的离子交换树脂的改进与提高，该方法将会得到进一步的推广和应用。目前该法在高效离子交换柱方面的研究还不多，另外废弃物的处理及碱液再生也是一个值得考虑的问题。由于在产品质量和生产成本上还存在一些问题，一时还难以得到推广。

吸附法提取柠檬酸可大大简化提取工艺，节约能源和原材料，也无污染物产生，如今已有生产厂家采取该方法。但是由于吸附性能良好的吸附剂和吸附条件的选择上还存在不足以及与之相配套的设备尚无较成熟的设计方案，从而限制了它的工业化应用。

液膜分离技术集萃取和反萃取于一体，它具有高效、节能、适用范围广的优点，在发酵产物分离中引起人们的关注，在柠檬酸、氨基酸、谷氨酸等有机酸的提取分离方面都做了大量研究工作。液膜法提取发酵液中柠檬酸具有十分明显的优点，如工艺简单，有较高的传质速率和选择性，可在常温下进行使能耗大大降低，膜相回收破乳后将油相回用可降低生产成本且不产生二次污染等。由于这一方法对乳液的稳定性和破乳技术要求严格，而影响乳液的稳定性和破乳难易的因素又错综复杂且相互影响，过程的连续化还有不少难度。同时，目前采用的载体、表面活性剂或多或少都有一定毒性，达不到生产食用或医用产品的要求。因而迄今为止用液膜法提取柠檬酸都还停留在实验研究阶段。

电渗析法提取柠檬酸的研究起步较早。其原理是利用正负电极实现发酵液中阴阳离子的分离，但使用该方法前必须对发酵液预处理干净，否则电极的清洗就比较困难。该法能耗大，极板上的污垢容易堆积，给操作带来很大的不便。我国20世纪70年代就开展过电渗析法提取柠檬酸的研究，但因提取率低，产品纯度不高（只符合食用标准）， 耗电大而难以实现工业化生产。