CN103789361B - 一种柠檬酸提取方法及生产柠檬酸的膜生物反应器 - Google Patents

Abstract

一种柠檬酸提取方法及生产柠檬酸的膜生物反应器，利用带有可移动内胆的膜生物反应器，在膜生物反应器集发酵与膜分离于一体，发酵过程与膜分离过程在膜生物反应器内交替进行，经三次发酵与膜分离，制备并分离柠檬酸；将选育好了的菌株投入装有已经灭菌的薯渣熟料和合适比例的氮源米糠（尿素或硫酸铵）和碳酸钙辅料中，第一次发酵达到60~70%的发酵深度，第二轮发酵可达到80~85%左右的发酵深度，第三轮发酵可达到约90~95%的发酵深度。

Description

一种柠檬酸提取方法及生产柠檬酸的膜生物反应器

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。

超滤法只是简单的物理操作过程，属筛分机理，工艺简便易控制，不会产生污染。由于发酵液中含有大量蛋白质、糖、色素、霉菌等杂质，必须选择合适孔隙的耐酸超滤膜，如聚砜类膜，不宜选用使用寿命短的CA膜。由于膜组件通量一般较小，且易堵塞，使滤速下降，故如何使膜在反复清洗后分离效果不会下降及开发出耐酸、不被生物降解的高效超滤膜，是该法能否实现工业化的关键。但该方法要求柠檬酸发酵液残糖含量≤1 g·L^{－ 1}，柠檬酸产率与残糖含量之比≥275，方能得到较好的效果。

因此很有必要对现有的柠檬酸生产工艺及其装备进一步加以改进。

通过国内专利文献检索，发现有关于柠檬酸生产工艺及其装备的文献报道，与本发明相关的主要有如下一些：

1、中国专利申请号为CN02111343.2，名称为“利用膜分离提取柠檬酸的方法”的发明专利，该专利公开了一种用膜分离系统对发酵液中柠檬酸进行提取分离的方法；用以解决现有技术中存在的产品质量差、提取收率低、过滤滤液质量差、树脂交换容量低、使用寿命短、滤渣作为饲料品级低、污染重、经济效果差等问题；其利用微滤膜或超滤膜分离系统分离柠檬酸发酵液、得到的澄清滤液进一步经过树脂交换或树脂吸附，或常规钙盐法处理，得到柠檬酸成品，微滤或超滤膜过滤孔径为0.01～1μm，材质为有机或无机材质，采用的操作压力为0.2～1.5MPa，操作温度为10～90℃，浓缩至发酵液体积的1/5～1/2，加入透析水量为发酵液总体积的1/5～1。

2、中国专利申请号为CN201020212570.4，名称为“用于柠檬酸生产的膜过滤装置和水处理系统”的实用新型专利，该专利公开了一种菱镁胶凝材料减水抗返卤改性剂的制备方法，采用水、苯酚、苯磺酸钠、工业甲醛、有机硅防水剂为原料，其特征在于各原料在总重量中的重量百分比分别为：水18～22%、苯酚10～14%、苯磺酸钠6～10%、工业甲醛8～12%、有机硅防水剂45～55%。将其加入菱镁水泥中，具有可有效的提高其制品的抗吸潮返卤而又提高强度的特点。

3、中国专利申请号为CN201220224489.7，名称为“应用于柠檬酸发酵的多组搅拌生化反应器”的实用新型专利，该专利公开了一种用于柠檬酸发酵的多组搅拌生化反应器，反应器容积可以达到1000m³以上，反应器内可以不装备挡板也能使液相易于混合均匀，避免物料发生整体转动现象，减少了反应器内部件的数量，减少了设备内部死角，从而大大增加了反应器的搅拌混合能力，本实用新型应用于柠檬酸发酵的多组搅拌生化反应器，其装备有n组机械搅拌装置，其中n＝2-9，n组机械搅拌装置平均分布在反应器内。

上述专利文献1和文献2还是采用传统的发酵罐和菌株，单纯涉及柠檬酸的膜分离提取工艺，与柠檬酸发酵无关；而专利文献3只是涉及发酵罐中搅拌装置的改进。柠檬酸生产工艺所存在的工艺流程复杂，环境污染严重，成本高等系列问题仍然没有解决。

发明内容

本发明的发明目的在于针对柠檬酸制备所存在的系列问题，提供一种独特创新的膜生物反应器，柠檬酸选择性高且产酸量大的菌株，使柠檬酸生产工艺流程更加简单、环境污染小、产品质量稳定、生产成本更低的柠檬酸制备装置及其柠檬酸提取工艺。

本发明采用的技术方案是：一种生产柠檬酸的膜生物反应器及柠檬酸提取工艺方法，利用带有可移动内胆的膜生物反应器，在膜生物反应器集发酵与膜分离于一体，发酵过程与膜分离过程在膜生物反应器内交替进行，经三次发酵与膜分离，制备并分离柠檬酸；将选育好了的菌株投入装有已经灭菌的薯渣熟料和合适比例的氮源米糠（尿素或硫酸铵）和碳酸钙辅料中，第一次发酵达到60~70%的发酵深度，第二轮发酵可达到80~85%左右的发酵深度，第三轮发酵可达到约90~95%的发酵深度。

进一步地，所述的膜生物反应器内的可移动内胆为聚砜超滤膜装置，是可升降并离心旋转的超滤膜装置；在发酵过程中超滤膜装置与膜生物反应器的发酵罐体是紧密相挨（几乎没有缝隙），当第一轮发酵结束时，超滤膜装置提起，使超滤膜装置与发酵罐体之间出现10~15cm的缝隙，然后开动旋转离心装置，内胆中发酵液的柠檬酸和水分会迅速穿透超滤膜进入缝隙空间，直到柠檬酸分离完毕，将所得发酵液放出发酵罐后，超滤膜装置重新下降到与发酵罐体紧密相挨；然后补充水分和必要的辅料后继续进行第二轮和第三轮发酵分离过程。

进一步地，所述的聚砜超滤膜具有良好的分离过滤性能，其过滤精度为0.01~1.0μm，发酵液中几乎不含任何固体杂质和大分子蛋白质等杂质，同时，由于菌株的高选择性和高柠檬酸产率，使发酵液中残糖含量极低，因此，新工艺无需通过钙盐提取工艺和浓硫酸酸解工艺。在三轮发酵分离后将所得的发酵液收集起来，直接经过活性炭和离子交换脱色处理，再将经过脱色后的发酵液进行浓缩、结晶、离心脱水、干燥处理便可得到最终产品柠檬酸晶体。

进一步地，所述的柠檬酸发酵菌株是以一株黑曲霉为出发菌株，采用紫外线与硫酸二乙酯复合诱变而成。其产酸量达到16%，较原始菌株提高了约30%。突变株经斜面传代培养5代，产酸遗传特性稳定。柠檬酸发酵液中残糖含量仅为0.8~0.9 g·L^{－ 1}，柠檬酸产率与残糖含量之比平均为280，具有选择性高的特点。

进一步地，所述的柠檬酸生产步骤为：

步骤1：选育高产柠檬酸菌种。以一株黑曲霉为出发菌株，先后进行紫外线与硫酸二乙酯（DES）复合诱变，得到了一株稳定高效的目的菌株，该菌株的产酸量高、产酸遗传特性稳定等特点。

步骤2：设计、制作、安装好膜生物反应器。膜生物反应器是一个集多轮深度发酵、多轮固液超滤膜分离于一体、且超滤膜分离装置可以升降和旋转的生化反应器。发酵过程中该超滤装置与发酵罐体是紧密相挨（几乎没有缝隙），当第一轮发酵结束时，该超滤膜装置提起，使超滤膜装置与发酵罐体之间出现10~15cm的缝隙，内胆快速离心旋转过程时发酵液中的柠檬酸和水分能够穿透超滤膜进入缝隙空间，直到柠檬酸分离完毕，将所得发酵液放出发酵罐后，超滤膜装置重新下降到与发酵罐体紧密相挨；然后补充水分和必要的辅料后继续进行第二轮和第三轮发酵分离过程。

步骤3：原料的准备和处理。采用精选的干薯渣，每100份薯渣加水85份，加入米糠（尿素或硫酸铵，但用量不同）氮源辅料，其用量为薯渣的10%，并加人1%~2%的碳酸钙作为生酸促进剂。

步骤４：种曲制备。曲料经搅匀后口即上蒸锅，上料时应均匀撒开，然后加盖蒸1h，以杀死杂菌。菌种黑曲霉种子先从斜面种到一级种，再到二级种逐级扩大培养。种子扩大培养基以米糠︰碳酸钙︰水＝10︰1~2︰10的比例配制后，均匀装入广口瓶或三角瓶中，用纱布、牛皮纸封口，于0.15MPa下灭菌1h。冷却摇匀后接入斜面黑曲霉，置于30~32℃的温室内培养，12~15h后摇动l次，过7~8h后再摇动l次。培养3~4d后待瓶中曲料全呈棕黑色（黑曲抱子），即可扩大到二级培养。二级种培养条件与一级种相似，仅扩大种子瓶的数量。按此法配制的种曲，孢子应密集、粗壮、呈棕黑色，镜检无杂菌，即可作为发酵种子用。

步骤５：制曲。原料按上述要求准备好后，按100份干薯渣、11份米糠或19份麸皮（尿素或硫酸铵，但比例不同）、2份碳酸钙、4.5份乙醇、80份水的比例混合，洒水量灵活掌握，以生料蒸熟后疏松、呈浅棕褐色、不黏为宜。蒸料灭菌是生产成败的关键，蒸料使生料变成熟料，并使原料中淀粉膨胀、糊化、蛋白质变性，为生酸菌黑曲霉提供便于利用的碳源和氮源。料蒸好后要出锅摊晾，待温度降至37℃以下时立即补水接入黑曲菌种。

步骤６：保温发酵与膜分离。空气相对湿度保持85%~90%，发酵前18h，温度以28~32℃为宜；18~36 h以35~40℃为宜；36~56h以35℃为宜。培养36h后每隔6h测定酸度1次，48h后每隔1h测定酸度1次，培养56h左右时柠檬酸生成量达到最高，此时必须停止发酵。发酵结束时曲面孢子密集，呈棕褐色。同时，停止通风，并将膜分离装置提起，此时，发酵罐中的柠檬酸和水分等小分子渗透穿过超滤膜进入膜分离装置与发酵罐之间的空隙空间，约5min分离完毕，第一轮发酵分离结束，并用少量清水清洗（透析）发酵渣，清洗液并入发酵液中。然后将膜分离装置降落到发酵罐体紧密相挨，补充适量的灭菌水，并启动通风和开动搅拌，开始第二轮发酵与分离过程，本轮发酵时间约为48h，膜分离时间为3min，湿度与第一轮相同，发酵温度比第一轮发酵为35~40℃。第三轮发酵与分离过程，发酵温度可再提高38~43℃，发酵时间约为24h，膜分离时间为3min。

步骤7：将步骤６三轮发酵所产的发酵液收集合并起来，经过活性炭和离子交换树脂进行脱色处理。然后将脱色后的发酵液进行加热浓缩、冷却结晶、离心脱水、干燥，最终得到柠檬酸结晶产品。

一种实现上述生产柠檬酸的膜生物反应器，包括一个罐体，在罐体内设有内胆，其特点在于，所述的内胆为可以在罐体内上下移动并旋转的活动内胆。

进一步地，所述的活动内胆为与罐体内面相同的形状的超滤膜内胆，内胆侧面大小与罐体内面相配，内胆底面与罐体的底面形状相配。

进一步地，所述的活动内胆与提升装置相连，通过提升装置带动活动内胆在罐体内上下移动。

进一步地，所述的提升装置为手动提升装置，或机械提升装置，或电动提升装置。

进一步地，所述的罐体外包有控温夹套，控温夹套安装有冷却水装置。

进一步地，所述的罐体上安装有罐盖，罐盖上安装有搅拌装置，并设有通风口、辅料加入口、发酵渣出口和检测口。

本发明的优点在于：本发明与传统发酵罐相比增加了一个可以升降并旋转的聚砜超滤膜装置内胆，使得发酵罐成为了一个集多轮深度发酵、多轮固液超滤膜分离于一体的膜生物反应器，且超滤膜分离装置是可以升降旋转的生化反应器，其发酵过程与膜分离过程在同一个发酵罐内交替进行，经多轮发酵与膜分离，达到提高发酵深度、提高原料利用率和简化柠檬酸生产工艺流程的目的。其发酵过程是第一轮发酵可达到约60~70%的发酵深度，第二轮发酵可达到80~85%左右的发酵深度，第三轮发酵可达到约90~95%的发酵深度，与传统的柠檬酸发酵设备相比，其总的原料利用率和总的发酵深度约提高了20~25%。而且本发明省去了浸曲、钙盐提取和浓硫酸酸解等复杂的物理化学过程，直接经活性炭和离子交换树脂进行脱色处理。然后将脱色后的发酵液进行加热浓缩、冷却结晶、离心脱水、干燥，最终得到柠檬酸结晶产品。使柠檬酸的提取过程比传统方法缩短了一半工艺环节与设备，显著降低了柠檬酸的投资与生产成本。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图；

图2为本发明生产柠檬酸的膜生物反应器内胆落下的结构示意图；

图3为本发明生产柠檬酸的膜生物反应器内胆提起的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明做进一步的描述。

实施例一

一种生产柠檬酸的方法，生产柠檬酸的膜生物反应器及柠檬酸提取工艺。该膜生物反应器是带有内衬抗氧化性和耐酸性皆佳的聚砜超滤膜，有效容积为100L，该装置集发酵与膜分离于一体，发酵过程与膜分离过程交替进行，经三次发酵与膜分离，制备并提取柠檬酸。将选育好了的菌株投入装有已经灭菌的薯渣熟料（干薯渣40kg）和合适比例的氮源米糠和碳酸钙辅料中，第一次发酵达到60~70%的发酵深度，第二轮发酵可达到80~85%左右的发酵深度，第三轮发酵可达到约90~95%的发酵深度。

所述的膜生物反应器内的聚砜超滤膜装置为可升降并旋转的超滤膜装置；在发酵过程中超滤膜装置与膜生物反应器的发酵罐体是紧密相挨（几乎没有缝隙），当第一轮发酵结束时，超滤膜装置提起，使超滤膜装置与发酵罐体之间出现10~15cm的缝隙，然后开动旋转离心装置，内胆中发酵液的柠檬酸和水分会迅速穿透超滤膜进入缝隙空间，直到柠檬酸分离完毕，将所得发酵液放出发酵罐后，超滤膜装置重新下降到与发酵罐体紧密相挨；然后补充水分和必要的辅料后继续进行第二轮和第三轮发酵分离过程。

所述的在三轮发酵分离后将所得的发酵液收集起来，直接经过活性炭和离子交换脱色处理，再将经过脱色后的发酵液进行浓缩、结晶、离心脱水、干燥处理便可得到最终产品柠檬酸晶体。由于聚砜超滤膜具有良好的分离过滤性能，其过滤精度为0.01~1.0μm，发酵液中几乎不含任何固体杂质和大分子蛋白质等杂质，同时，由于菌株的高选择性和高柠檬酸产率，使发酵液中残糖含量极低，因此，新工艺无需通过钙盐提取工艺和浓硫酸酸解工艺。

所述的柠檬酸发酵菌株是以一株黑曲霉为出发菌株，采用紫外线与硫酸二乙酯复合诱变而成。其产酸量达到16%左右，较原始菌株提高了约30%。突变株经斜面传代培养5代，产酸遗传特性稳定。柠檬酸发酵液中残糖含量仅为0.8~0.9 g·L^{－ 1}，柠檬酸产率与残糖含量之比平均为280，具有选择性高的特点。

所述的柠檬酸生产步骤如附图1所示：

步骤1：选育高产柠檬酸菌种。以一株黑曲霉为出发菌株，先后进行紫外线与硫酸二乙酯（DES）复合诱变，得到了一株稳定高效的目的菌株，该菌株的产酸量高、产酸遗传特性稳定等特点。

步骤2：设计、制作、安装好膜生物反应器。膜生物反应器是一个集多轮深度发酵、多轮固液超滤膜分离于一体、且超滤膜分离装置可以升降和旋转的生化反应器，其有效容积可为100L。发酵过程中该超滤装置与发酵罐体是紧密相挨（几乎没有缝隙），当第一轮发酵结束时，该超滤膜装置提起，使超滤膜装置与发酵罐体之间出现10~15cm的缝隙，内胆快速离心旋转过程时发酵液中的柠檬酸和水分能够穿透超滤膜进入缝隙空间，直到柠檬酸分离完毕，将所得发酵液放出发酵罐后，超滤膜装置重新下降到与发酵罐体紧密相挨；然后补充水分和必要的辅料后继续进行第二轮和第三轮发酵分离过程。

步骤3：原料的准备和处理。采用通过精选的干薯渣，每100份薯渣加水85份，加入米糠（尿素或硫酸铵，但用量不同）氮源辅料，其用量为薯渣的10%，并加人1%~2%的碳酸钙作为生酸促进剂。

步骤４：种曲制备。曲料经搅匀后口即上蒸锅，上料时应均匀撒开，然后加盖蒸1h，以杀死杂菌。菌种黑曲霉种子先从斜面种到一级种，再到二级种逐级扩大培养。种子扩大培养基以米糠︰碳酸钙︰水＝10︰1~2︰10的比例配制后，均匀装入广口瓶或三角瓶中，用纱布、牛皮纸封口，于0.15MPa下灭菌1h。冷却摇匀后接入斜面黑曲霉，置于30~32℃的温室内培养，12~15h后摇动l次，过7~8h后再摇动l次。培养3~4d后待瓶中曲料全呈棕黑色(黑曲抱子)，即可扩大到二级培养。二级种培养条件与一级种相似，仅扩大种子瓶的数量。按此法配制的种曲，孢子应密集、粗壮、呈棕黑色，镜检无杂菌，即可作为发酵种子用。

步骤５：制曲。原料按上述要求准备好后，按100份干薯渣、11份米糠或19份麸皮（尿素或硫酸铵，但比例不同）、2份碳酸钙、4.5份乙醇、80份水的比例混合，洒水量灵活掌握，以生料蒸熟后疏松、呈浅棕褐色、不黏为宜。蒸料灭菌是生产成败的关键，蒸料使生料变成熟料，并使原料中淀粉膨胀、糊化、蛋白质变性，为生酸菌黑曲霉提供便于利用的碳源和氮源。料蒸好后要出锅摊晾，待温度降至37℃以下时立即补水接入黑曲菌种。

步骤６：保温发酵与膜分离。曲室应保持一定的温度与湿度才能有利于黑曲霉的生长和发酵产酸。空气相对湿度保持85%~90%，发酵前18h，温度以28~32℃为宜；18~36 h以35~40℃为宜；36~56h以35℃为宜。培养36h后每隔6h测定酸度1次，48h后每隔1h测定酸度1次，培养56h左右时柠檬酸生成量达到最高，此时必须停止发酵。发酵结束时曲面孢子密集，呈棕褐色。同时，停止通风，并将膜分离装置提起，此时，发酵罐中的柠檬酸和水分等小分子渗透穿过超滤膜进入膜分离装置与发酵罐之间的空隙空间，约5min分离完毕，第一轮发酵分离结束，并用少量清水清洗（透析）发酵渣，清洗液并入发酵液中。然后将膜分离装置降落到发酵罐体紧密相挨，补充适量的灭菌水，并启动通风和开动搅拌，开始第二轮发酵与分离过程，本轮发酵时间约为48h，膜分离时间为3min，湿度与第一轮相同，发酵温度比第一轮发酵为35~40℃。第三轮发酵与分离过程，发酵温度可再提高38~43℃，发酵时间约为24h，膜分离时间为3min。

步骤7：将步骤６三轮发酵所产的发酵液收集合并起来，经过活性炭和离子交换树脂进行脱色处理。然后将脱色后的发酵液进行加热浓缩、冷却结晶、离心脱水、干燥，最终得到柠檬酸结晶产品。

实施例二

一种生产柠檬酸的方法，生产柠檬酸的膜生物反应器及柠檬酸提取工艺。该膜生物反应器是带有内衬抗氧化性和耐酸性皆佳的聚砜超滤膜，有效容积为100L，该装置集发酵与膜分离于一体，发酵过程与膜分离过程交替进行，经三次发酵与膜分离，制备并分离柠檬酸；将选育好了的菌株投入装有已经灭菌的薯渣熟料（干薯渣40kg）和0.7%的氮源硫酸铵和2%的碳酸钙辅料中，第一次发酵达到70%的发酵深度，第二轮发酵可达到85%的发酵深度，第三轮发酵可达到95%的发酵深度。实施步骤与实施例一是一样的。

实施例三

一种生产柠檬酸的方法，生产柠檬酸的膜生物反应器及柠檬酸提取工艺，该膜生物反应器是带有内衬抗氧化性和耐酸性皆佳的聚砜超滤膜，有效容积为100L，该装置集发酵与膜分离于一体，发酵过程与膜分离过程交替进行，经三次发酵与膜分离，制备并分离柠檬酸；将选育好了的菌株投入装有已经灭菌的薯渣熟料（干薯渣40kg）和0.4%的氮源尿素和2%的碳酸钙辅料中，第一次发酵达到67%的发酵深度，第二轮发酵可达到82%左右的发酵深度，第三轮发酵可达到约95%的发酵深度。这样分配三级发酵深度更为有利提高25%。

通过上述实施例可以看出，本发明涉及一种利用上述膜生物反应器的柠檬酸提取工艺方法，其所采用的生产柠檬酸的膜生物反应器如附图2和3所示，包括一个罐体5，在罐体内设有内胆8，其特点在于，所述的内胆8为可以在罐体内上下移动的活动内胆。

进一步地，所述的活动内胆为与罐体内面相同的形状的超滤膜内胆，内胆侧面大小与罐体内面相配，内胆底面与罐体的底面形状相配。

进一步地，所述的活动内胆与提升装置11相连，通过提升装置11带动活动内胆在罐体内上下移动，并在上提后形成缝隙空间10。

进一步地，所述的提升装置为手动提升装置，或机械提升装置，或电动提升装置。

进一步地，所述的罐体5外包有控温夹套6，控温夹套6安装有冷却水控温装置。

进一步地，所述的罐体上安装有罐盖，罐盖上安装有搅拌装置2，并设有通风口1、辅料加入口3、出渣口9和检测口4。通风口1通过气体分布器7向罐内输送气体。

本发明的优点在于：本发明与传统发酵罐相比增加了一个可以升降并旋转的聚砜超滤膜装置内胆，使得发酵罐成为了一个集多轮深度发酵、多轮固液超滤膜分离于一体的膜生物反应器，且超滤膜分离装置是可以升降旋转的生化反应器，其发酵过程与膜分离过程在同一个发酵罐内交替进行，经多轮发酵与膜分离，达到提高发酵深度、提高原料利用率和简化柠檬酸生产工艺流程的目的。其发酵过程是第一轮发酵可达到约60~70%的发酵深度，第二轮发酵可达到80~85%左右的发酵深度，第三轮发酵可达到约90~95%的发酵深度，与传统的柠檬酸发酵设备相比，其总的原料利用率和总的发酵深度约提高了20~25%。而且本发明省去了浸曲、钙盐提取和浓硫酸酸解等复杂的物理化学过程，直接经活性炭和离子交换树脂进行脱色处理。然后将脱色后的发酵液进行加热浓缩、冷却结晶、离心脱水、干燥，最终得到柠檬酸结晶产品。使柠檬酸的提取过程比传统方法缩短了一半工艺环节与设备，显著降低了柠檬酸的投资与生产成本。

当然，这种膜生物反应器及其生产方法也可用于其它发酵过程，如只要改变发酵菌种和适当调整工艺参数就可以用于生产各种好气发酵产品，如生产抗生素、氨基酸、有机酸、维生素等。

作为对本发明的进一步改进，这种膜生物反应器可采用机械搅拌式发酵罐，也可采用鼓泡式发酵罐和气升式发酵罐。

作为对本发明的进一步改进，这种膜生物反应器及其生产方法也可采用加压发酵与加压分离操作。加压操作和分离可加快发酵反应速度和分离速度，提高生产效率。

Claims (6)

1.一种柠檬酸提取方法，其特征在于，利用带有可移动内胆的膜生物反应器，在膜生物反应器集发酵与膜分离于一体，发酵过程与膜分离过程在膜生物反应器内交替进行，经三次发酵与膜分离，制备并分离柠檬酸；所述的膜生物反应器内的可移动内胆为聚砜超滤膜装置，聚砜超滤膜装置是可升降并离心旋转的超滤膜装置；在发酵过程中超滤膜装置与膜生物反应器的发酵罐体是紧密相挨，当第一轮发酵结束时，将超滤膜装置提起，使超滤膜装置与发酵罐体之间出现10~15cm的缝隙，然后开动旋转离心装置，内胆中发酵液的柠檬酸和水分会迅速穿透超滤膜进入缝隙空间，直到柠檬酸分离完毕，将所得发酵液放出发酵罐后，超滤膜装置重新下降到与发酵罐体紧密相挨；然后补充水分和必要的辅料后继续进行第二轮和第三轮发酵分离过程；将选育好了的菌株投入装有已经灭菌的薯渣熟料和合适比例的氮源米糠和碳酸钙辅料中，第一次发酵达到60~70%的发酵深度，第二轮发酵达到80~85%的发酵深度，第三轮发酵达到90~95%的发酵深度。

2.如权利要求1所述的柠檬酸提取方法，其特征在于，所述的聚砜超滤膜具有分离过滤性能，其过滤精度为0.01~1.0μm，发酵液中不含任何固体杂质和大分子蛋白质杂质；在三轮发酵分离后将所得的发酵液收集起来，直接经过活性炭和离子交换脱色处理，再将经过脱色后的发酵液进行浓缩、结晶、离心脱水、干燥处理便可得到最终产品柠檬酸晶体。

3.一种实现权利要求1所述柠檬酸提取方法的生产柠檬酸的膜生物反应器，包括一个罐体，在罐体内设有内胆，其特征在于，所述的内胆为可在罐体内上下移动并旋转的活动内胆；所述的活动内胆为与罐体内面相同的形状的超滤膜内胆，内胆侧面大小与罐体内面相配，内胆底面与罐体的底面形状相配，发酵过程在内胆中进行。

4.权利要求3所述的生产柠檬酸的膜生物反应器，其特征在于，所述的活动内胆与提升装置相连，通过提升装置带动活动内胆在罐体内上下移动。

5.权利要求4所述的生产柠檬酸的膜生物反应器，其特征在于，所述的提升装置为手动提升装置，或机械提升装置，或电动提升装置。

6.权利要求3所述的生产柠檬酸的膜生物反应器，其特征在于，所述的罐体外包有控温夹套，控温夹套安装有冷却水控温装置。