全 文 ：第 ! 卷第 # 期
$%&% 年 && 月
生"物"加"工"过"程
*cF/3! 8F3#
8FM3$%&%
DFC"&%37#7 ,^3C11L3$ ?#6!3$%&%3%#3%&0
收稿日期"$%&% ?%! ?&$
基金项目"工信部.节能减排/项目
作者简介"周永生$&7(6%#男#山东潍坊人#工程师#研究方向"生物化工#Z-J@C/";我国柠檬酸行业的产业化现状及可持续发展
周永生#满"云
$安徽丰原生物化学股份有限公司#蚌埠 $%&%%
摘"要"综述了我国在柠檬酸发酵工艺中菌种选育和原料开发方面取得的进展&在提取工艺中#重点介绍了在万吨
级规模应用中获得成功的柠檬酸氢钙法和模拟移动床色谱法( 针对我国柠檬酸产业发展中存在的问题提出了相
应的策略#以期实现柠檬酸工业的可持续发展(
关键词"柠檬酸&清洁生产&提取
中图分类号"9!&""""文献标志码".""""文章编号"$ ?#6!$$%&%%%# ?%%6 ?%(
X01054:-942;4011./942:01127./G31F4.56.L5F.2/5/G131F5./5J60
G0A0629I0/F27:.F4.:5:.G./G31F4K
RS+TUFLX-1$.L*J1F45:F"5_HEH1GJJ@EC;HD3YGEBBFXE@2L@/K#1HMHE@/@DMC1H1_HEHCLBEFDGAHD @CJHD @BB@AM0K N24G1"ACBECA@ACD&A/H@L 2EFDGABCFL&HbBE@ABCFL
""柠檬酸#又名枸橼酸#化学名称是 $ 羟基丙烷
三羧酸( 因其具有令人愉悦的酸味#入口爽快#无
后酸味#安全无毒#已成为当前世界上生产量和消
费量最大的食用有机酸( 世界上柠檬酸行业的集
约化程度非常高#生产重心已转移至中国#我国柠
檬酸产量和出口量已连续多年居世界第一( $%%!
年#我国柠檬酸产能达到& p&%# B#占世界总量的
6%f左右#其中 6%f i!%f用于生产饮料)食品#其
余用于医药)化工)环保)化妆品)纺织)印染)建筑
等各个领域*& ?+ (
目前#国内柠檬酸生产企业主要集中在安徽)
江苏)山东等地( 其中#生产规模较大的企业有六
七家#如安徽丰原)潍坊英轩)山东柠檬)日照金禾)
宜兴协联等#产量合计共占全国的 !%f左右( 骨干
企业的生产规模高达$ p&%( B#单条生产线的最大产
能超过! p&%0 B,@( 经过多年的技术革新#国内生产
的柠檬酸品质大为改观#生产技术水准)原料)能耗
和水耗指标都取得了巨大进步( 但与发达国家相
比#国内柠檬酸生产企业自动化程度不高#劳动生
产率较低#废弃物排放高#资源综合利用和清洁生
产水平不够#这些问题严重制约着柠檬酸行业的可
持续发展(
本文从发酵工艺上游的菌种改造到下游的原
料利用和分离提取#总结我国柠檬酸行业产业化进
程中取得的成绩#重点介绍氢钙法和模拟移动床色
谱法清洁生产技术在节能降耗)节水减排)降低生
产成本方面的成功经验#从中提炼出我国柠檬酸产
业发展中存在的问题及策略(
D?柠檬酸生产菌种
我国柠檬酸行业经过 0% 多年的不懈努力#尤其
是近 $% 年来的高速发展#在技术和管理上都取得了
长足进步#全行业经济技术指标大幅度提高#创造
了前所未有的好成绩#特别是菌种选育及发酵工艺
长期处于世界领先地位(
黑曲霉产生柠檬酸的能力最强#且能利用多样
化*源#故常作为生产上使用的菌种( 我国在菌种
选育方面的研究非常活跃#近 $% 年来不断有新的菌
种面世#使我国的柠檬酸发酵达到世界先进水平#
对总糖转化率最高已达 76g$!f*0+ ( 目前工业菌株
以#%*F
!
辐射诱变菌株为主(
我国自 &7#7年开创了具有中国特色的柠檬酸发
酵工业以来#先后选育出了 ( 代薯干原料高产菌株
$表 &%( 上海市工业微生物研究所从土壤中经酸性
平板分离)#%*F
!
线和硫酸二乙酯诱变#获得了高产
柠檬酸菌株*F!$6( 该菌株可直接利用薯干粉发酵#
产酸率达 &$fi&f#平均转化率为 7(f#发酵周期
(0 i#0 <#发酵指数 &g! i$g% aX,$J!<%*0+ ( 在突变
株*F!$6 的基础上#朱享政等*(+利用#%*F
)
线反复
处理#获得另一性能优异的突变株*F! #% 6#实验
室摇瓶产酸率达 $f以上#转化率 &%%f#发酵周期
&$% <( 经过连续 ( 批# J发酵罐中间试验#*F!
#% 6 平均产酸率 &7g%(f#转化率 7(f#发酵周期
&&6g! <#大生产产酸稳定在 &!f以上#发酵周期
67 <#转化率 76g$f( 杨庆文等*#+从 7& 株黑曲霉中
筛选出菌株. 00#经#%*F
!
线诱变#获得了 &株利
用马铃薯精淀粉下脚料深层发酵柠檬酸的变异株
!
&&(( 当发酵培养基中含质量分数 &f马铃薯渣)
&%f黑淀粉时#摇瓶产酸达&$ i&07 JX,JN#对淀粉
的转化率达 !g(%fi70g%f&当发酵培养基中马铃
薯渣 &%f)黑淀粉 #f时# % N发酵罐产酸达
6$ i!0 JX,JN#对淀粉的转化率达 !&g0%fi70g$f(
""此后#离子注入诱变育种)激光诱变育种等新型
诱变方式逐渐成为柠檬酸菌种改造的新方法( 虞龙
等*6+采用8k注入对柠檬酸生产菌进行诱变选育#获
得 株高产突变菌株&其中#以木薯为底物的突变菌
株柠檬酸产率提高 &0g$f#以玉米粉为底物的 $株突
变菌株的柠檬酸产率分别提高 &(g7f和 &6g%f(
经过几代人的不懈努力#我国科学家已选育出
了多株具有底物粗放$原料无需预处理%)适应性强
$能采用山芋干)玉米)木薯)大米等多种淀粉质原
料进行发酵%)遗传性能稳定)产酸纯度高等优良特
性的菌种( 但目前用于工业化生产柠檬酸的黑曲
霉菌种大多经过物理和化学诱变剂的处理#不同程
度地增加了黑曲霉对一些诱变剂的抗性#若再使用
同样的方法则很难对现有菌种进行改良(
表 D?我国部分柠檬酸生产菌株选育进程一览表
E5J60D?!:-0G36027F-0J400G./; 942:01127:.F4.:5:.G942G3:./; 1F45./1
年份 单位 选育方法 选育原料 菌种名称
&7#% 上海市工业微生物研究所 *F
!
线诱变 薯粉 沪轻研 $ 号
&7#( 上海市工业微生物研究所 氮芥诱变 薯干 8((!
&760 上海市工业微生物研究所 *F
!
线诱变 薯干 \(
&766 上海市工业微生物研究所 筛选 薯干 (%#&
&767 上海市工业微生物研究所 筛选 薯干 %%!
&7!$ 上海市工业微生物研究所 筛选 薯干 *F!$6
&77% 上海市工业微生物研究所 筛选 精淀粉 *F!#%
&76! 天津工业微生物研究所
!
线诱变 薯干
!
&00
&7!7 天津工业微生物研究所
!
线诱变 精淀粉
!
&00 &&
06 生"物"加"工"过"程"" 第 ! 卷"
""基因工程技术给微生物育种带来了革命#但与
黑曲霉产酸直接相关的基因研究还不够深入#因此
在很大程度上限制了基因工程技术在黑曲霉育种
中的应用( 黑曲霉积累柠檬酸的代谢调控较为复
杂#普遍认为黑曲霉柠檬酸发酵受到多个基因的控
制*!+ ( 随着黑曲霉柠檬酸生物合成途径限速酶和
关键酶基因的深入研究#生物技术育种必将在黑曲
霉的定向育种中发挥重要作用*7+ (
B?柠檬酸生产工艺及发酵原料
传统的柠檬酸生产工艺是将玉米)木薯等农作
物带渣发酵#成本高)质量不稳定而且污染环境#
&77( 年#丰原公司发明了清液发酵的柠檬酸生产技
术( 该技术是将玉米经干法处理#将淀粉温液化
后#过滤去糖渣#用液化后的清液进行同步糖化发
酵#这种方式减少了通风#降低了搅拌能力及电耗#
大幅减少了生产成本#产品质量得到很大提高#具
体工艺如图 & 所示*&%+ ( 此后#我国大部分大型柠檬
酸生产厂家采用此工艺(
""在.不与人争粮#不与粮争地/的前提下#采用
秸秆*&&+ )糖蜜等农副产品制备柠檬酸亦成为研究热
点( 糖蜜是制糖工业的一种副产品#富含金属离子
及营养物质#能够促进菌体的过度生长#阻碍酸的
产生#所以在利用糖蜜发酵时#一般均先将糖蜜进
行稀释( 我国自 &7#% 年建立第一个以糖蜜为原料
的柠檬酸工厂后#发展缓慢#尤其是广东湛江引进
的以糖蜜为原料的工厂失败后#国内已基本没有以
糖蜜为原料生产柠檬酸的工厂(
图 D?我国当前柠檬酸生产工艺
Q.;=D?,.F4.:5:.G942G3:F.2/942:011
O?柠檬酸的提取工艺
柠檬酸发酵液的成分比较复杂#除产物柠檬酸
外#还包括残糖)菌体)蛋白质)色素)胶体)无机盐)
有机杂酸等多种杂质#这些均来源于原材料和底物
中未消耗的营养盐以及发酵过程中产生的副产物
等( 所以#发酵工艺和原材料的不同均影响着发酵
液的组成#这也增加了柠檬酸提取工艺的难度( 目
前#我国柠檬酸生产厂家主要采用的提取工艺仍是
传统的钙盐法( 但该法工艺复杂#收率低#能耗)料
耗大#且产生大量难处理的废水)废渣#这些缺点已
严重制约了我国柠檬酸行业的发展( 因此#柠檬酸
产业的清洁生产技术不仅对降低成本具有重要意
义#还事关行业的持续发展&高效)低污染的提取方
法如氢钙法)色谱法)离子交换吸附法*&$ ?&0+ )溶液萃
取法*&( ?&#+ )膜分离法*&6 ?&7+等得到了广泛的研究#其
中柠檬酸氢钙法和模拟移动床色谱法在万吨级规
模柠檬酸生产中获得了成功(
O=D?柠檬酸氢钙法
在钙盐法传统工艺中#柠檬酸发酵液先和
*@*+

反应生产柠檬酸钙#同时放出大量 *+
$
#由
于柠檬酸钙的溶解度很低#从而和发酵液中的其
他杂质分离( 产生的柠檬酸钙再与 S
$
]+
0
反应生
成柠檬酸和 *@]+
0
废渣( 氢钙法生产柠檬酸工艺
理论上可减少 &, 的 S
$
]+
0
和 *@*+

消耗#同时也
可减少 &, 的 *@]+
0
和 *+
$
排放量#降低生产成
本#提高产品市场竞争力#同时达到减少废渣)废
气排放的目的( 近年来#丰原生化股份公司在柠
檬酸氢钙工艺研究中取得了长足的进步#已完成
$ p&%
0
B,@柠檬酸的中试试验#生产每吨柠檬酸降
低 *@*+

和浓 S
$
]+
0
的使用量分别达到%g$$ B#减
排 *+
$
%g%76 B#减排 *@]+
0
废渣%g$77 B#每吨柠檬
酸降低成本逾百元#推广至全部产能将新增效益
达$ %%% 万元,@(
OWB?模拟移动床色谱法
模拟移动床$]Q` %色谱分离技术是 $% 世纪 #%
年代由 E`FGX操作)真实移动床$5Q` %色谱分离技术的基础上发
展起来的一种新型分离技术( 模拟移动床色谱分
离柠檬酸提取工艺的流程如图 $ 所示*$%+ (
(6"第 # 期 周永生等"我国柠檬酸行业的产业化现状及可持续发展
图 B?模拟移动床色谱分离柠檬酸提取工艺
Q.;=B?#VF45:F.2/27:.F4.:5:.G./704I0/F5F.2/6.^3.G
""采用模拟移动床工艺后#柠檬酸提取过程不
再使用钙盐#减排*+
$
的效果非常显著( 据宜兴协
联生化有限公司的报道*$&+ #使用模拟移动床工艺
后#与传统钙盐法工艺相比#柠檬酸收率提高了
g#f&工艺水消耗降低了 (,##同时由于废糖水温
度较高#配套热泵余热回收效果更好&该工艺缩短
生产流程#减少了化学品消耗#节省生产场地#使
得生产成本降低了 &%f i&(f&消除了 *+
$
)
*@]+
0
等废弃物的排放#废糖水等到了全面综合利
用#实现了柠檬酸的清洁生产( 模拟移动床色谱
法与钙盐法工艺的能耗对比如表 $ 所示#提取收
率分别为 !#g#f和 !(f( ]Q` 分离技术从根本
上改变了提取工艺先污染后治理的现状#能大幅
度降低原材料消耗#解决原工艺造成的环境污染(
据悉#宜兴协联生化有限公司将于近年筹备
( p&%
0
B,@柠檬酸色谱法提取工艺改造项目( 该项
目建成后#每年 *+
$
排放量将减少 $g0 p&%0 B#
*@]+
0
产生量减少&g& p&%( B#废水排放量减少
&g%! p&%
#
J

#这必将带动整个柠檬酸行业水平的
提高#为我国柠檬酸产业的可持续发展和产品结
构的优化调整发挥巨大的作用(
表 B?模拟移动床色谱法和钙盐法工艺比较*BD+
E5J60B?,2I954.12/27!\85/GF45G.F.2/56,5 I0F-2G
物耗和能耗 钙盐法 移动床色谱法
)$S
$
]+
0
%,B
%g7# i&g&% %g%&# i%g%$%
)$石灰%,B &g%0 i&g&% %
)$液碱%,aX #% &%
)$S*/%,aX (( &%
)$蒸汽%,B #g% #g(
)$水%,B $0g# 0g&
电耗,$a[!< ?&% & $%% & %(%
>$*+
$
%,J

&%% %
"注"各能耗均以生产& B柠檬酸为准(
P?柠檬酸产业发展中存在的问题及
策略
PWD?开发绿色工艺
""柠檬酸作为食品添加剂)医药原料)金属清洗
剂等领域的重要精细化学品#其应用领域日益广
泛( 我国的柠檬酸产品几乎销售到了世界的每一
个角落#出口量不断增加#生产规模不断扩大#但随
着人们环境意识的提高#环保压力日益加大#柠檬
酸生产中的环境问题越来越引起人们的关注(
柠檬酸的提取现在较多的仍是采用钙盐法#而钙
盐法产生的*@]+
0
对环境有很大的污染( 目前国家
已经颁布了相关文件#禁止钙盐法的使用#这对柠檬
酸的生产提出了巨大挑战( 柠檬酸工业要继续发展
下去必须开发出能够取代现有钙盐法的新技术(
PWB?持续发展
目前资源日益紧缺#我国政府提出了循环经济
的理念#号召开发新的可再生替代能源#发展生物
质产业#从根本上打破中国经济发展的能源瓶颈(
我国虽然是柠檬酸生产大国#柠檬酸生产过程中使
用的原料主要还是玉米等粮食作物#柠檬酸的发展
受到一定的限制( 而我国有着丰富的秸秆资源#每
年的总资源不低于 &% 亿B干物质#以秸秆为原材料
将是柠檬酸的生产新机遇(
PWO?开发新产品
我国柠檬酸生产主要还是集中在一水柠檬酸
等少数几个产品上#产品层次单一#而对于如无水
柠檬酸等市场急需产品的相关生产却比较少( 国
内的柠檬酸企业应该抓住机遇#不断改进技术工
艺#开发新产品#满足国内外市场对无水柠檬酸等
的需求(
参考文献"
*&+"满云3无毒增塑剂柠檬酸三丁酯的工艺优化研究*\+3天津"
天津大学#$%%!3
#6 生"物"加"工"过"程"" 第 ! 卷"
*$+"]@GHEQ#=FEF\#Q@B@LFMCA< \#HB@/3QCAEF:C@/2EFDGABCFL FIFE-
X@LCA@ACD1"Hb2@LDCLXB$%%!#$#$$%"&%%-&%!3
*+"]FAAF/*4#c@LDHL:HEX12HABCMH1IFEACBECA@ACD 2EFDGABCFL @LD @22/CA@BCFL *W+3YFFD
5HA*0+"王博彦#金其荣3发酵有机酸生产与应用手册*Q+3北京"中
国轻工业出版社#$%%%3
*(+"朱享政3我所柠檬酸发酵研究的进展**+
"
上海市工业微生
物研究的建所二十五周年纪念文集3上海"*出版者不详+#
&77&"#%-#73
*#+"杨庆文#孙文敬#谢红#等3利用马铃薯渣和黑淀粉发酵柠檬酸
的菌种选育*W+3山西农业科学#$%%0#$$0%"(6-(73
U@LX9CLX_HL#]GL [HL C^LX#PCHSFLX#HB@/3 E`HHDCLXFIB@ACD 2EFDGACLX1BE@CL1GBC/C;CLX2FB@BFEH1CDGH@LD :/@Aa 2FB@BF1B@EA<
*W+3WFGEL@/FI]<@LXbC.XECAG/BGE@/]ACHLAH1#$%%0#$$0%"(6-(73
*6+"虞龙#潘涛#周剑3氮离子注入柠檬酸生产菌的诱变选育*W+3
辐射研究与辐射工艺学报#$%%(#$$0%"$-$#3
UG NFLX#=@L 5@F#R:@ABHEC@:K&( aHc8
k
CFL CJ2/@LB@BCFL*W+3WFGEL@/FI4@DC@BCFL
4H1H@EA< @LD 4@DC@BCFL =EFAH11CLX#$%%(#$$0%"$-$#3
*!+")@E@I@N#)G:CAHa *=3@-6,&0$/-20,&ACBECA@ACD @AAGJG/@BCFL"
DF_HGLDHE1B@LD B:CF/FXK@LD C`FBHA*7+".LDHE1HL Q4#8CH/1HL W3*GEHLB1B@BG1FI1K1BHJ1:CF/FXKCL @-<
6,&0$*W+3YGLX@/VHLHBCA1@LD C`F/FXK#$%%7#0#"]&!%-]&7%3
*&%+ 武国庆#罗虎#邓立康3中粮生产企业对工业生物技术发展的
若干思考*W+3中国基础科学#$%%7#&&$(%"&%%-&%03
[G VGFdCLX#NGFSG#\HLXNCa@LX3\HJ@LD1@LD 1GXXH1BCFL1IFE
CLDG1BEC@/:CF-BHA@`1CA]ACHLAH#$%%7#&&$(%"&%%-&%03
*&&+ 张金生#李忠兴#焦旭东3以秸秆为原料生产柠檬酸的方法"中
国#&&$767*=+3&77#-%!-$!3
*&$+ 韩德新#高年发#丁鑫#等3减少*+
$
排放的柠檬酸生产新工艺
*W+3发酵科技通讯#$%%7#!$%"&-03
S@L \HbCL#V@F8C@LI@#\CLXPCL#HB@/38H_2EFAH11FIACBECA@ACD
2EFDGABCFL _CB< EHDGAHD *+
$
4H/H@1CLX*W+3YHEJHLB@BCFL 5HAFXK*FJJGLCA@BCFL#$%%7#!$%"&-03
*&+ )G/2E@B@ACD IEFJIHEJHLB@BCFL :EFB< _CB< @_H@a/K:@1CA@LCFLCAHbA<@LXH
EH1CL @D1FE:HLB" T]#0!(&(6*=+3&7!7-%6-$(3
*&0+ \GI/FB=#NH/HG W` 3QHB/CdGFEAFLB@CLCLXB*&(+ 彭跃莲#姚仕仲#纪树兰#等3从柠檬酸发酵液中提取柠檬酸的
方法*W+3北京工业大学学报#$%%$#$!$&%"0#-(&3
=HLXUGH/C@L#U@F]FIACBECA@ACD IEFJIHEJHLB@BCFL :EFB<*W+3WFGEL@/FI` HC^CLX=F/K-
BHA*&#+ @`LCH/.Q#ZK@/.Q3*CBECA@ACD HbBE@ABCFL"T]#(0$#$$%*=+3
&77(-%#-$%3
*&6+ 单学敏3膜生物反应器处理柠檬酸酸洗废液的研究*\+3大
连"大连交通大学#$%%(3
*&!+ @`1G 4#]CEa@E))3SF/F_IC:HEAFLB@CLHD /CdGCD JHJ:E@LH1H2@-
E@BCFL FIACBECA@ACD*W+3.O**&7+ 8FM@/CA]#)G/:H)\3]H2@E@BFL @LD AFLAHLBE@BCFL FIACBECA@ACD
:KJH@L1FIH/HABEFDC@/KBCA:C2F/@EJHJ:EH@LHBHAYFFD 5HA*$%+ E`FGXKCLXICbHD :HD FI1FE:HLB@LD JFMCLXCL/HB1@LD FGB/HB1"T]#
$7!((!7*=+3&7#&-%(-$3
*$&+ 蒋小东3柠檬酸行业现状及协联柠檬酸发展愿望**+
"
第四届
中国工业生物技术发展高峰论坛3湖州"*出版者不详+#$%&%3
66"第 # 期 周永生等"我国柠檬酸行业的产业化现状及可持续发展