​工业柠檬酸主要通过微生物发酵法 生产，以含淀粉或糖类的原料（如薯类、谷物、糖蜜）为基础，结合生物发酵和化学提纯工艺。以下是详细生产流程及关键环节解析：
一、核心生产工艺：微生物发酵法
1. 原料预处理
原料选择：
淀粉质原料：玉米、木薯、红薯等（需先将淀粉转化为葡萄糖）。
糖质原料：糖蜜（甘蔗或甜菜制糖副产品，直接含可发酵糖）。
处理步骤：
粉碎与蒸煮：淀粉质原料需粉碎后高温蒸煮（120-140℃），破坏细胞壁并糊化淀粉，便于后续酶解。
酶解糖化：添加 α- 淀粉酶 和 糖化酶，将淀粉逐步水解为葡萄糖（糖液浓度通常控制在 12%-18%）。
过滤除杂：通过板框过滤或离心，去除原料中的纤维、蛋白质等不溶性杂质，得到澄清糖液。
2. 发酵过程
菌种选择：
黑曲霉（Aspergillus niger） 是最常用菌种，具有产酸能力强、耐高糖等特性，可通过基因工程优化菌种以提高产率。
发酵条件控制：
温度：初期维持 30-32℃促进菌体生长，产酸期升温至 35-37℃（需严格控温，避免杂菌污染）。
pH 值：发酵初期 pH 调至 4.5-5.0，产酸阶段降至 2.0-2.5（酸性环境抑制杂菌，促进柠檬酸积累）。
通气与搅拌：需持续通入无菌空气并搅拌，保证菌体有氧呼吸（黑曲霉为好氧菌），同时均匀散热。
发酵周期：通常为 50-72 小时，终点时发酵液中柠檬酸浓度可达 120-150 g/L。
3. 提取与纯化
发酵结束后，需从发酵液中分离并提纯柠檬酸，具体步骤如下：
（1）中和与沉淀
中和剂：加入 碳酸钙（CaCO₃） 或 石灰乳（Ca (OH)₂），与柠檬酸反应生成 柠檬酸钙沉淀。
操作：调节 pH 至 6.0-7.0，使柠檬酸钙充分沉淀，过滤分离沉淀（滤渣为含菌体、杂质的 “滤泥”，滤液含可溶性杂质）。
（2）酸解与过滤
酸解剂：向柠檬酸钙沉淀中加入 硫酸（H₂SO₄），置换出柠檬酸，生成 硫酸钙（石膏）沉淀、
操作：控制硫酸过量 5%-10%，加热至 60-80℃促进反应，过滤后得到 粗柠檬酸溶液（含硫酸钙微粒、色素、胶体等杂质）。
（3）脱色与除杂
脱色：向粗溶液中加入 活性炭，在 60-80℃下搅拌 30-60 分钟，吸附色素和异味物质，过滤去除活性炭。
离子交换：通过 阳离子交换树脂（如 Na⁺型树脂）去除 Ca²⁺、Fe³⁺等金属离子，再用 阴离子交换树脂 去除 SO₄²⁻、Cl⁻等阴离子杂质。
（4）浓缩与结晶
真空浓缩：将净化后的溶液在减压条件下（真空度约 80kPa）加热浓缩至柠檬酸浓度达 80%-85%（沸点约 100-105℃）。
结晶方式：
一水柠檬酸：浓缩液冷却至 30-35℃，析出含 1 分子结晶水的晶体（需控制搅拌速度防止颗粒过细）。
无水柠檬酸：进一步加热至 40-50℃，减压蒸发除去结晶水，或在较高温度（如 60℃）下直接结晶。
离心分离：通过离心机分离晶体与母液，母液可循环回浓缩步骤以提高收率。
4. 干燥与包装
干燥：
一水柠檬酸：晶体经流化床干燥或气流干燥，控制温度 50-60℃，避免失去结晶水。
无水柠檬酸：需在更高温度（80-100℃）下干燥，确保水分含量＜0.5%。
包装：
采用内衬食品级塑料袋的编织袋或纸板桶，规格多为 25kg / 袋，需密封防潮（尤其无水柠檬酸吸湿性强）。
二、关键技术要点
菌种优化：
通过诱变育种或基因编辑（如 CRISPR 技术）改良黑曲霉，提高葡萄糖转化率（目标＞90%）和耐高酸能力。
发酵控制：
实时监测溶氧量（DO）、pH 值和有机酸浓度，通过补料系统（如流加葡萄糖溶液）维持稳定代谢。
环保处理：
滤泥与石膏处理：滤泥可用于生产有机肥，石膏（硫酸钙）可作为建筑材料或土壤改良剂。
废水处理：发酵废水需经厌氧消化（如 UASB 反应器）和好氧处理（如活性污泥法），降低 COD（化学需氧量）至排放标准。
三、其他生产方法（非主流）
化学合成法：
以乙醛、丙酮等为原料，经多步化学反应合成，成本高且工艺复杂，仅用于特殊领域（如实验室制备）。
提取法：
从柠檬、柑橘等水果中直接提取，因原料成本高，仅用于食品添加剂等高附加值场景。