离子交换法提取柠檬酸概述
制备色谱技术在柠檬酸生产中的应用
制备色谱技术在柠檬酸生产中的应用1 柠檬酸的发展历史上, 欧洲人从柠檬果汁中用钙中和法得到了结晶的柠檬酸, 但产量受资源条件限制。
20世纪初, 发酵法生产柠檬酸技术得到发展, 该方法以糖类为原料, 采用黑曲霉发酵过程, 于50年代实现了工业化生产。
1951年, 国外柠檬酸的产量为2.5万吨。
我国柠檬酸的工业化生产始于20世纪70年代, 1980年的产量为8374吨。
由于当时粮食短缺, 我国科技人员培育了粗料发酵的黑曲霉菌株, 开发了以地瓜干为原料的生产工艺。
这一技术在当时的国际市场上有一定优势, 产品在价格上有竞争力, 并较早地出口到了国外。
由于当时国内的食品工业还欠发达, 国内生产的柠檬酸主要用来出口, 且发展较快。
1990年柠檬酸的产量为6.13万, 2000年达到32万吨, 预计2001年的产量可达到38万吨。
在产品出口方面, 增速也较大。
20世纪70年代, 出口量只有几百吨, 而1980、1990、2000年的出口量分别达到了5017吨、4万吨和26万吨。
中国已成为世界上最大的柠檬酸生产国和出口国, 年创汇额超过2亿美元。
2 传统的柠檬酸分离技术传统的“钙盐法”柠檬酸生产技术是从含柠檬酸的发酵液中除去菌体后，加入钙，使柠檬酸以钙盐的形式析出, 过滤, 洗涤, 硫酸酸析, 得到粗柠檬酸钙溶液, 再脱色、交换、浓缩、结晶而得到成品。
这一技术从柠檬酸实现工业化生产开始一直沿用至今。
然而, “钙盐法”存在着严重的污染问题, 每生产一吨柠檬酸要消耗一吨硫酸和一吨碳酸钙, 同时排放2.5吨的湿硫酸钙。
处理大量的湿硫酸钙已成为企业的沉重负担, 并对环境造成了污染。
为此, 国内外专家和领导一直没有停止过研究开发从发酵液中提取柠檬酸的方法, 以代替“钙盐法”。
我国曾先后进行过溶剂萃取、离子交换等分离柠檬酸的工业试验, 但均因技术不成熟而未能在行业中推广。
近年来, 国内外大量开展了用特殊的吸附树脂从发酵液中色谱分离柠檬酸的研究工作。
柠檬酸发酵及产物提取
综合实验：柠檬酸发酵及产物提取（一）柠檬酸发酵一、实验原理柠檬酸发酵为典型的有机酸发酵，淀粉质原料经淀粉酶作用水解为葡萄糖，葡萄糖经EMP途径氧化为丙酮酸，丙酮酸进一步被氧化脱羟生成乙酰CoA，就一般能量代谢过程而言，生成的乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸后进入三羟酸循环，通过三羟酸循环进行有氧呼吸的能量代谢。
但就柠檬酸产生菌而言，由于其乌头酸流水作业事酶和异柠檬酸脱氢酶活性很低，而柠檬酸合成酶的活性很高，因而大量积累柠檬酸，草酰乙酸的提供则仍通过丙酮酸羧化而成，柠檬酸的生成途径如下式：2 C6H12O6 +3 O2→2 C6H8O7 +4 H2O国内目前柠檬酸发酵所采用的原料主要是山芋干及废糖蜜。
二、实验器材（一）材料1．菌种：黑曲霉2．蔗糖、硫酸铵等（二）主要仪器设备1．旋转式摇床、超净工作台、15L发酵罐等三、操作步骤1．种子培养基制备：马铃薯培养基配方:(1000ml)马铃薯（去皮）200g葡萄糖（或蔗糖）20g琼脂15~25g水1000ml自然pH2．种子液培养：将已灭菌的种子培养基接入一环斜面孢子于35℃±1℃、250r.p.m条件下培养24~36h。
3．种子培养液质量要求：镜检菌丝生长健壮，结成菊花形小球，球直径不超过100μm，每毫升含菌球数在1~2万之间，无异味、无杂菌污染；pH2~2.5；酸度1.5~2.0%。
4．发酵培养基制备：蔗糖15%，硫酸铵0.4%，磷酸二氢钾0.1%，硫酸镁7水0.025%。
5. 上罐灭菌（操作同实验一）5．发酵：将培养好的种子液按发酵培养液体积的5%接入到已灭菌的发酵培养基中，于35℃±1℃、500转条件下发酵4天。
6.分别在0,24,48,72,96小时测定一下参数。
四、实验结果1．对种子液进行镜检，画下菌丝形态，并测定菌球直径及粗略估算每ml种子液中的菌球数。
2．测定成熟发酵液的酸度，并就发酵结束后的菌体形态作出描述。
3．计算柠檬酸发酵的转化率，即每100克葡萄糖经转化所能生成的柠檬酸克数，柠檬酸酵的理论转化率按下列反应计算应为106.7%。
柠檬酸综述
柠檬酸测定综述摘要：柠檬酸作为一大有机酸，广泛应用于有关行业，为此对于其量的测定至关重要。
例如在食品中，柠檬酸作为添加剂，其含量是检测食品质量的一项重要指标。
本综述简述了柠檬酸测定的方法，如高效液相色谱法、反相高效液相色谱法、离子色谱法、气相色谱法、毛细管电泳法等。
关键词：柠檬酸；测定方法；高效液相色谱法；反相高效液相色谱法；离子色谱法；气相色谱法1．前言柠檬酸是一种广泛存在于动植物组织和各种水果、蔬菜中的有机酸，与人类的健康密切相关，可增强人体的正常代谢[1]。
由于其物理性能、化学性能、衍生物的性能,被广泛应用于一些食品加工领域。
如用于各种饮料、汽水、葡萄酒、糖果、饼干、罐头果汁、乳制品等食品的制造 [2]。
在食品上，柠檬酸的含量对其味道的影响很大，并且在某些食品的品质指标测定的一大指标。
但是柠檬酸的使用范围是受到严格限制的[2]，不能无限制的添加。
为此，如何定性和定量的测定柠檬酸的含量有重要的意义。
目前，测定柠檬酸的方法有高效液相色谱法[3]、反相高效液相色谱法[4]、离子色谱法[5]、气相色谱法[6]、微分电位溶出法[7]、毛细管电泳法[8]、动力学法[9]、酶法[10]等。
现将各种测定方法在柠檬酸测定中的使用逐一介绍。
2．分析方法2．1 高效液相色谱法（HPLC）高效液相色谱法是目前应用最多的色谱分析方法,高效液相色谱系统由流动相储液体瓶、输液泵、进样器、色谱柱、检测器和记录器组成. 与经典液相色谱相比有以下优点:速度快、分辨率高、灵敏度高、色谱柱可反复使用、样品量少且易回收等。
利用高效液相色谱法测定柠檬酸有以下优点：能够直接进行检测，避免杂质等的影响；测定方法简便，时间短，结果准确。
特别是对于芳香族有机酸和多元酸,已被广泛用于各种食品和天然物中有机酸的测定[2]。
王永军等[3]在利用HPLC 检测方法时，建立了一种准确对发酵液中柠檬酸含量测定的仪器方法,在检测范围6～16mg/ mL 之间呈线性, R = 0. 999 7 , RSD 为±0. 8 %～1. 2 %( n = 6) ,最低检测浓度为0. 02mg/mL。
离子交换法脱除柠檬酸中的硫酸根离子和氯离子
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２ ． ２ 实验方 法
＿ ＿ 罔
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本 实验装 置 见 图 １ ， 玻璃 柱 规格 为 ￣１ ０ ｍｍｘ ２ ０ ０ ｍｍ， 柱 内装 填 ４ ｇ 经５ ％ ＨＣ Ｉ Ｓ Ｈ ５ ％Ｎａ ＯＨ
树脂法 适合 分离柠 檬酸 中 Ｓ ０ ４ ２ 和Ｃ １ 。 目前 ，纯 化柠 檬酸 的离 子交换 技术采 用单 柱工 艺 ，该工 艺存在 树 脂利用 率低 、再 生试 剂消耗 量大 、产 生废液 量 大等 问题 。樊 文澄 ｆ １ 刚 、高年发［ １ ¨ 、孙 钦廉 【 １ 】 等 采用 单柱 工艺研 究 了进料 液 的温度 、流 速及 组成对 树脂 脱 除 ９ ０ ４ ２ － 和ｃ ｌ 。 的影响 ，但未 能解 决树 脂利用 率低 的
Ｆ ｉ ｇ ． １ Ｅｘ ｐ ｅ ｉ ｒ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｌ Ｄｅ ｖ ｉ ｃ ｅ ｏ ｆ Ｄｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ Ａｄ ｓ ｏ ｒ ｐ ｉ ｔ ｏ ｎ
２ ． ２ ． １ 单柱 吸 附
５ ０ ０ ｍｇ ／ Ｌ的 ＨＣ Ｉ 、１ ０ ０ ０ ｍｇ ／ Ｌ的 Ｈ ２ Ｓ Ｏ ４ 和 １ ０ ％的柠檬 酸混 合进 料 液 以 ５ ｅ ａ／ ｒ ａｉ ｒ ｎ的流 速 进 入离 子 交换 柱 ，在 离 子交 换柱 出 口处每 ２ ５ ｍ Ｌ 接取 流 出液 ，分别 测 定其 中柠 檬酸 、Ｃ Ｉ ＂ 和Ｓ Ｏ ４ ２ － 的浓 度 ，记 录 Ｃ １ 的穿透 体积 Ｖ Ａ ，直 至树 脂对 Ｃ １ 。 和 Ｓ Ｏ４ ‘ 均 吸 附饱和 。 Ｑ＝ ｃ ｏ ｘ ｖ ， ，
柠檬酸工艺
柠檬酸的提取、分离、鉴定生物111 201100606027 何远升一、钙盐法提取柠檬酸钙盐法生产柠檬酸工艺流程为：发酵液→过滤(除去菌体和残渣)→中和过滤(中和剂石灰乳)→柠檬酸钙盐→硫酸酸解、过滤→粗酸液→净化→浓缩结晶→离心→干燥→柠檬酸晶体。
1. 发酵液热处理将发酵液煮沸5min,然后搅拌降温至80℃。
80℃下,发酵液用两层医用纱布过滤,除去其中的菌丝体、薯干粉渣等较大的固体杂质。
然后用80℃热水洗涤滤饼,使菌体中的柠檬酸释放出来。
离心取上清液。
量筒计量出上清液的体积V0准确量取5mL上清液，量取5mL清液、5mL蒸馏水于锥形瓶中，再滴入2～3滴酚酞指示剂，用标准NaOH 溶液滴定，滴定终点为淡红色，30s内不褪色，记下消耗的NaOH 溶液体积V1；M柠檬酸（g）＝V1(mL)×c(NaoH)×0.001×1/3×210×V0 /52. 碳酸钙中和沉淀钙盐法主要的化学反应步骤有两步:中和与酸解。
其中,中和又可以采用两种方法: 中和:2C6H8O7·H2O+ 3CaCO3→Ca3(C6H5O7)2·4H2O↓+ 3CO2↑+H2O 酸解:Ca3(C6H5O7)2·4H2O↓+ 3H2SO4+H2O→2C6H8O7·H2O+ 3CaSO4·H2O柠檬酸与碳酸钙发生中和反应，形成难溶的柠檬酸钙沉淀，碳酸钙的添加量根据滤液中柠檬酸的重量添加，比例约为柠檬酸：碳酸钙=2.1：1。
边搅拌边缓慢加入碳酸钙，以防止产生大量气泡。
碳酸钙加完后放置90℃恒温水浴中加热，保温搅拌30分钟，趁热过滤，并用沸水洗涤柠檬酸钙沉淀。
3. 酸解将柠檬酸钙沉淀物取出，称量，加入2倍量的水，调匀，加入浓硫酸溶液，硫酸的添加量根据碳酸钙的量计算，碳酸钙与硫酸的摩尔比为1：1.5。
加完硫酸后，搅拌30分钟，过滤，得清亮的棕黄色液体，取样测定柠檬酸的含量，并准确计量柠檬酸液体积。
柠檬酸提取工艺..
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酸解停止加酸后仍要继续作用一段时间、 使硫酸钙结晶成熟，然后真空抽滤。为了提高 收率，滤渣需用70-80℃水洗涤。
FRIENDS
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5.净化
净化工艺包括脱色和离子交换树脂除去杂质离 子。
FRIENDS 粗柠檬酸液-炭柱-阳离子柱 -阴离子柱-精液
酸解液中含有色素物质，可用活性炭脱色去 除。若用粉末活性炭，可直接加到酸解液中，用 量为柠檬酸的1％一3％，然后随抽滤时除去活性 炭。但是目前多数工厂都用颗粒活性炭柱进行脱 色，炭柱可再生重复使用。
杨 花
概 述 传统提取方法 新型提取方法 展望
概述
成熟的柠檬酸发酵液中，除含有主产物柠 檬酸之外，还含有纤维、菌体、有机杂酸、糖、 蛋白类胶体物质、色素、矿物质及其他代谢产 FRIENDS 物等杂质，它们或来自发酵原料、或在发酵过 程中生产，或溶存或悬浮于发酵液中。通过各 种理化方法，清除这些杂质，得到符合各级质 量标准的柠檬酸产品的全过程，即为柠檬酸生 产的下游工程。它是一个确保产物“丰收”， 提高企业效益的生产系统工程。
22
8．干燥、筛分、包装
结晶后的晶体需离心机甩水。除去结晶 母液。然后把结晶放入流化床进行气流干 燥。气流温度要注意，对有水柠檬酸。温 度太高有可能导致失去结晶水，所以干燥 FRIENDS 品温度在36 ℃以下，而无水柠檬酸结晶的 干燥品温度则应在40℃以上；
干燥后应进行过筛；
除去巨大颗粒和细小颗粒。取符合成品 要求的部分包装、入库；
3
要制备结晶柠檬酸必须设法除去这些杂 质，因此用发酵法生产柠檬酸都需经过反复 分离纯化才能得到结晶成品，这些过程包括：
过滤除去发酵液中菌丝体，原料残渣及其
他各种固形物质；
FRIENDS
钙盐沉淀法提取柠檬酸[整理]
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钙盐沉淀法提取柠檬酸摘要：利用黑曲霉进行分离复壮，然后利用改良的马丁培养基进行发酵，再通过离心发酵液，利用两种不同的方法钙盐沉淀法和离子交换法进行分离柠檬酸，比较两种方法分离柠檬酸的产量，及两种方法的优缺点，同时还要注意发酵过程中，菌种的产量。
关键字；黑曲霉钙盐沉淀离子树脂交换引言：生产史;1784年C.W.舍勒首先从柑橘中提取柠檬酸。
他是通过在水果榨汁中加入石灰乳以形成柠檬酸钙沉淀的方法制取柠檬酸的。
天然柠檬酸最初产于美国加利福尼亚州、意大利和西印度群岛。
意大利的产量居首位。
到1922年，世界柠檬酸的总销售额的90％由美国、英国、法国等垄断。
发酵法制取柠檬酸始于19世纪末。
1893年C.韦默尔发现青霉（属）菌能积累柠檬酸。
1913年B.扎霍斯基报道黑曲霉能生成柠檬酸。
1916年汤姆和柯里以曲霉属菌进行试验，证实大多数曲霉菌如泡盛曲霉、米曲霉、温氏曲霉、绿色木霉和黑曲霉都具有产柠檬酸的能力，而黑曲霉的产酸能力更强。
如柯里以黑曲霉为供试菌株，在15％蔗糖培养液中发酵，对糖的吸收率达55％。
1923年美国菲泽公司建造了世界上第一家以黑曲霉浅盘发酵法生产柠檬酸的工厂。
随后比利时、英国、德国、苏联等相继研究成功发酵法生产柠檬酸。
这样，依靠从柑橘中提取天然柠檬酸的方法逐渐为发酵柠檬酸所取代。
1950年前，柠檬酸采用浅盘发酵法生产。
1952年美国迈尔斯试验室采用深层发酵法大规模生产柠檬酸。
此后，深层发酵法逐渐建立起来。
深层发酵周期短，产率高，节省劳动力，占地面积小，便于实现仪表控制和连续化，现已成为柠檬酸生产的主要方法。
中国用发酵法制取柠檬酸以1942年汤腾汉等报告为最早。
1952年陈声等开始用黑曲霉浅盘发酵制取柠檬酸。
轻工业部发酵工业科学研究所于1959年完成了200l规模深层发酵制柠檬酸试验，1965年进行了生产100t甜菜糖蜜原料浅盘发酵制取柠檬酸的中间试验，并于1968年投入生产。
1966年后，天津市工业微生物研究所、上海市工业微生物研究所相继开展用黑曲霉进行薯干粉原料深层发酵柠檬酸的试验研究，并获得成功，从而确定了中国柠檬酸生产的这一主要工艺路线。
柠檬酸的提取工艺
5.影响过滤速度的主要因素
（1）发酵醪的性质 （2）温度 （3）过滤的推动力 （4）过滤介质
（5）助滤剂
（1）培养基液化不良、发酵质量不佳、
染菌后的发酵醪和被杂菌污染了的 “陈发酵醪”以及醪中悬浮颗粒的大 小、含纤维量的多寡、保持良好的菌 球体或菌球体被破坏都影响过滤速度。 （2）温度对过滤速度影响很大。 （3）柠檬酸发酵醪中的固体颗粒所形 成的滤饼属可压缩性滤饼，注意压力 要逐渐增加，特别开始过滤时。
（2）pH的控制
中和终点pH对柠檬酸 钙的质量有决定性的影响， pH在偏酸 性范围时，柠檬酸钙的质量比偏碱性条 件下纯的多，但溶解度也相应增加，在 接近和达到碱性范围时，发酵醪中固有 的可溶性有机杂质（主要是蛋白质和碳 水化合物），会形成胶黏性物质而析出， 许多弱酸络合物也会变成不溶性化合物， 这些杂质都会混入钙盐沉淀中。因而造 成与因素（1）中所述的同样后果。
V Vh = t(过滤+洗涤+装拆+准备) = 式中
V
∑ t
Vh----生产能力，即每1h平均所得的滤液量（m3） V ----一循环操作（四个阶段）周期所的滤液量（m3） ∑ t----整个循环周期的总时间（h）
过滤机的生产能力主要受过滤速度
所控制。由上式求得的Vh的量，除 以该过滤机的总面积，即该机的平 均过滤速度。
（5）在固体颗粒细小、胶体较多、粘度大 的物料中加助滤剂是提高过滤速度的较好 方法。助滤剂本身必须是颗粒均匀、性质 坚硬、理化性能稳定的不可压缩性物质。 助滤剂可以在过滤机上形成预涂层，作为 过滤介质使用，也可以按一定比例均匀地 混于被滤液中，然后一起被送入过滤机中， 可形成较疏松的滤饼，降低其可压缩性， 使滤液能顺畅通过。过滤结束后被除去。 需要回收利用的滤饼，不能加助滤剂。
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离子交换法提取柠檬酸概述
应富祥
(安徽省皖东化工厂,天长 239300)
柠檬酸生产工艺,目前均采用钙盐法,劳动强度大,所产生的硫酸钙废渣,污染环境,而且提取收率低,能耗大,往往由于水解和分离不彻底,使柠檬酸混杂于废渣中废弃,严重影响收率。
离子交换法是提取柠檬酸的新工艺,值得推广。
过去曾有人用离子交换膜、电渗析法生产柠檬酸,由于种种原因,没能成功,以后有人采用离子交换法,但因当时国产离子交换树脂品种少,价格高,物化性能也满足不了工艺要求,造成提取收率低,成本高,母液中残留其它有机杂酸和色素,结果仍需采用“钙盐法”进行净化,故无明显优势,没有得到发展。
离子交换法新工艺,工艺简单,容易操作,连续化管道化生产,自动化操作,大大减轻劳动强度,不产生硫酸钙废渣,提取收率可由旧工艺的70%提高到90%以上。
新工艺简单易行。
将发酵液过滤后用颗粒活性炭脱色除杂,经特制的高强度高交换容量的弱碱性阴离子交换树脂交换吸附,饱和后用氢氧化钠或氢氧化铵进行洗脱,洗脱液再经特制的大孔强酸性阳离子交换树脂除杂,用氢离子交换使柠檬酸钠(铵)转化为柠檬酸,经浓缩结晶可获得质量优良的柠檬酸产品。
结晶母液再经阴离子交换树脂除杂,再浓缩结晶,也获得合格产品。
离子交换法提取柠檬酸工艺流程如下
:
1 离子交换法提取柠檬酸交换洗脱原理
1.1 吸附
阴离子交换树脂以OH 型进行交换与吸
附
3R OH+C 6H 8O 7→R CHO+3H 2O 1.2 洗脱
采用氢氧化钠或氢氧化铵为洗脱剂
R 3C 6H 5O 7+3NaOH →Na 3C 6H 5O 7+3R OH
如用氨水洗脱:
R 3C 6H 5O 7+3NH 3・H 2O →(NH 4)3C 6H 5O 7+3R OH
1.3 利用大孔阳离子交换树脂
以氢离子交换除阳离子,使柠檬酸盐成为柠檬酸,阳离子交换树脂经酸再生后仍成为氢型。
Na 3C 6H 5O 7+3RSO 3H →3RSO 3N a +C 6H 8O 7(NH 4)3C 6H 5O 7+3RSO 3H →3RSO 3(NH 4)3+C 6H 8O 7 再生:
RSO 3Na +HCl →RSO 3H+NaCl RSO 3(NH 4)3+HCl →RSO 3H+NH 4Cl 注:R 为阳树脂骨架,R 为阴树脂骨架。
2 离子交换树脂型号的选择
2.1 专用阴树脂与一般的201×7比较其体积交换量m mol/ml 为2.7,而201×7为1.4,所用专用的阴树脂比较优越,体积几乎高出一倍。
2.2 专用的大孔强酸阳树脂与一般的001×7比较
其体积交换量(mmol/ml)为1.57,0.01×7为1.8,但大孔强酸树脂不易破碎寿命
24总第95期1998年第5期 安 徽 化 工
长,而且脱色效果好,所以应该选择大孔强酸树脂为宜。
2.3 选用颗粒活性炭
活性炭选用粉状,将给工艺操作带来很多不便,为便于管道生产,选用K -15颗粒活性炭,装于交换柱可反复使用,脱色效果也比较理想。
3
钙盐法和离子交换法提取工艺比较
4 离子交换法提取柠檬酸新工艺优越
性
4.1 工艺简单,科学合理
钙盐法产生大量的柠檬酸钙,需板框过滤,再用硫酸水解成为粗酸液,但反应生成的硫酸钙会造成环境污染,石膏也需板框过滤,操作繁杂,劳动强度大,而新工艺利用阳树脂直接中和,不产生钙盐沉淀。
洗脱液经氢型大孔强酸性阳离子交换树脂起到转型作用,直接可以得到精酸液。
而旧工艺经硫酸酸水解,产生硫酸钙后得到粗酸液,仍需阴离子交换树脂及活性炭脱色、除杂等一系列反应,比较繁琐。
4.2 新工艺所用树脂可充分发挥作用
高强度阴树脂既中和又吸附,然后经氢氧化钠或氢氧化铵(氨水)洗脱,得到柠檬酸盐,经大孔强酸阳离子交换树脂氢离子可直接得到精酸液。
而钙盐法,粗酸液照样需用一系列的净化过程,工艺繁杂,设备多,投资大。
4.3 离子交换树脂品种质量不断增加与提高
国外的品牌型号树脂,国产树脂大部分都能与之媲美。
柠檬酸工艺所用的树脂,随着
柠檬酸工业的科研不断进步,相信所匹配的离子交换树脂也会相应地有所改进与提高,会对柠檬酸工业的发展做出更大的贡献。
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总第95期1998年第5期 安 徽 化 工。