柠檬酸生产中的质量控制
柠檬酸生产中的质量控制
本文介绍了工业发酵生产柠檬酸过程中，光学氧在线检测系统的重要作用。该系统可对发酵过程中的溶解氧浓度进行在线实时测量，根据发酵不同时期溶氧的需求不同进行有效调节控制，避免了因溶氧低出现的发酵异常情况和能源的浪费。同时，能够达到优化生产、提高生产效率的目的。
柠檬酸是一种有机弱酸，其总产量约60%用于食品工业，可作为酸味剂、增溶剂、抗氧化剂、除腥脱臭剂。同时，柠檬酸还是许多化学产品的合成原料，如柠檬酸的酯类，作为无毒增塑剂用来制造食品包装用薄膜；在医药行业，柠檬酸常作为药品的合成原料、补血剂、输血剂和酸化剂等；在化工领域中，柠檬酸钠常用作无公害洗涤剂的助剂，以代替造成公害的三聚磷酸钠；柠檬酸铵盐则大量应用于染料工业。当前，柠檬酸主要是通过微生物发酵来生产，其总产量近百万t。
发酵过程中的溶解氧
工业发酵生产柠檬酸的主要菌种为黑曲霉。黑曲霉是利用糖类发酵生成柠檬酸，其生物合成途径普遍认为是：葡萄糖经EMP、HMP途径降解生成丙酮酸，丙酮酸一方面氧化脱羧生成乙酰CoA，另一方面CO2固定化反应生成草酰乙酸，草酰乙酸与CoA缩合生成柠檬酸。因此，溶解氧是黑曲霉发酵生产柠檬酸过程控制中的重要参数之一，溶解氧的大小对菌体生长和产物的形成及产量都会产生不同的影响，在发酵过程中溶解氧的变化和过程操作直接相关。
图1. 梅特勒-托利多光学溶氧电极InPro 6860i。
由于氧在水、发酵液的溶解度都很小,黑曲霉发酵柠檬酸的过程中,氧的需求量先增大后减小；随着发酵的进行,营养物质消耗,黑曲霉的代谢逐渐变慢，氧需求量也减小；在产酸期则需注意不能断氧,因为即便是断氧时间很短也会造成产量大幅降低；而在产酸后期，过高的通风量又会造成能源浪费且会降低发酵液中CO2的浓度，影响CO2固定反应。因此柠檬酸发酵与其他好氧性发酵一样,控制发酵液中的溶解氧浓度至关重要,由此，对溶解氧的在线测量就显得尤为重要，这也是在发酵过程中实现自动控制的前提条件之一。
发酵中的光学氧在线检测
过去溶氧的控制方法比较传统，即在通风管道上安装气体流量计，根据经验对发酵过程中的不同阶段通过改变通风量、搅拌转速等进行模糊控制。
由于流量计自身的误差大且不稳定性等因素，很难对发酵罐中溶解氧进行有效控制。因此，工作中为保证溶解氧浓度而增大通风量、提高搅拌转速和罐压等操作，会造成能源的浪费，同时也难以保证最终的发酵效果。
自2008年起，鲁信金禾生化有限公司在发酵工段安装使用梅特勒-托利多在线溶解氧检测系统，对发酵过程中的溶解氧浓度进行在线实时测量，并根据发酵不同时期溶氧的需求不同进行有效调控，避免了因溶氧低出现的发酵异常情况和能源浪费。
通常情况下，通风量、搅拌转速及罐压是决定培养基内溶解氧浓度的最基本条件，这些过程变量的操作和溶解氧实时监测息息相关。如增大通风量可以使溶氧在一定范围增大,但也会造成动力的浪费；增大转速能使溶氧增大,但随之增大的剪切力对菌种的影响也不容忽视,同时也造成能源的浪费；增大罐压也可使溶氧增大,但也会导致CO2分压增大,影响有氧呼吸。应用在线溶解氧检测设备帮助调节上述过程操作，可达到优化生产提高生产效率的目的。
图2. 梅特勒-托利多溶氧变送器M 400。
目前，鲁信金禾生化有限公司已先后使用了梅特勒-托利多光学氧系统InPro 6880i及InPro 6860i，结果均令人满意。其光学氧探头经过FDA认证，具有可耐受多次高温灭菌和定期CIP处理等性能，另一个突出优点是减少了原来InPro 6800溶氧探头的极化时间，使培养前的准备时间缩短到最少。
由于光学氧传感器漂移小，其稳定性远远优于极谱氧探头。对规模化生产的生物发酵企业来说，批次间的准备时间越少，意味着产量越大，经济效益越高。使用在线溶氧检测系统，能对因溶氧浓度导致的异常发酵罐批次做到提前预防，最大限度地降低了异常罐批次的出现，适时调整通风量，在保证生产正常的情况下节约能源。
生产过程的溶氧测量
光学溶氧电极InPro 6860i
InPro6860i 传感器设定了生物过程控制的新标准：测量精度高，信号稳定，响应时间短。同时，光学原理及卫生型设计降低了污染风险并且无需进行预先极化。
多溶氧变送器M 400
M 400多溶氧变送器系列可提供全套ISM功能，即高级诊断和“即插即测”功能。M 400是一种单通道(混合模式输入)设备，可接入常规模拟传感器或ISM传感器。性能优异的M 400变送器可以满足严格的应用要求。
固定式护套InFit761e
InFit761e系列护套因其配置和过程连接的选择多样性，是INGOLD产品系列中使用最多的护套之一，针对制药行业极高的卫生要求，InFit761e可提供316L不锈钢配置(符合EHEDG和3-A标准)，并具有N5/Ra16的表面光洁度，可满足最严格的法规准则。
小结
本文介绍了光学氧在线检测系统在柠檬酸发酵中的应用，应用该系统，可对发酵过程中的溶解氧浓度进行在线实时测量，并根据发酵不同时期溶氧的需求不同进行有效调节控制，达到优化生产、提高生产效率的目的。
日照鲁信金禾生化有限公司 梅特勒-托利多有限公司
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