精细化工品柠檬酸钠的综合研究
2009级化学工程与工艺专业徐永学号：2009301093
摘要：综述了柠檬酸钠的性质与性能，简单介绍了它的应用以及生产工艺，主要介绍了柠檬酸钠的精细化生产的发酵工艺和提取工艺及其工艺特点。
关键词：柠檬酸钠性质与性能应用生产工艺
一、柠檬酸钠的性质及性能
柠檬酸钠, 别名枸橼酸钠，化学名为2- 羟基丙三羧酸三钠，分子式：C6H5O7Na3·2H2O，相对分子质量：294.10，含有两个分子的结晶水，白色晶体或粒状粉末。
无臭，有清凉咸辣味。
常温及空气中稳定，在湿空气中微有溶解性，在热空气中产生风化现象。
加热至150 ℃ 失去结晶水。
溶于水，不溶于乙醇。
水溶液为弱碱性。
市售商品有无水柠檬酸钠、二水柠檬酸钠和五水柠檬酸钠。
联合国粮农与世界卫生组织对其每日允许摄入量不作任何限制，被认为无毒品。
自从1923 年柠檬酸发酵工艺在美国开发成功并工业化生产，最早进行深加工的柠檬酸盐类就是柠檬酸钠。
柠檬酸钠是目前最重要的柠檬酸盐，主要由淀粉类物质经发酵生成柠檬酸, 再跟碱类物质中和而产生,具有多种独特的优良性能：
( 1) 柠檬酸钠具有安全无毒性能。
由于制备柠檬酸钠的原料基本来源于粮食，因而绝对安全可靠，对人类健康不会产生危害。
联合国粮农与世界卫生组织对其每日摄入量不作任何限制，可认为该品属于无毒品。
( 2) 柠檬酸钠具有生物降解性。
柠檬酸钠经自然界大量的水稀释后，部分变成柠檬酸，两者共存于同一体系中。
柠檬酸在水中经氧、热、光、细菌以及微生物的作用，很容易发生生物降解。
其分解途径一般是经乌头酸、衣康酸、柠康酸酐，转变为二氧化碳和水。
( 3) 柠檬酸钠具有金属离子络合能力。
柠檬酸钠对Ca2+、Mg2+等金属离子具有良好的络合能力，对其他金属离子，如Fe2+等离子也有很好的络合能力。
( 4) 柠檬酸钠具有极好的溶解性能，并且溶解性随水温升高而增加。
( 5) 柠檬酸钠具有良好的pH调节及缓冲性能。
柠檬酸钠是一种弱酸强碱盐，与柠檬酸配伍可组成较强的pH缓冲剂，因此在某些不适宜pH大范围变化的场合有其重要用处。
另外，柠檬酸钠还具有优良的缓凝性能及稳定性能。
二、柠檬酸钠的应用
1.柠檬酸钠用作食品添加剂，需求量最大。
主要用作为调味品、缓冲剂、乳化剂和稳定剂(使用量0. 2 % ~ 0. 3 % ) ；常与柠檬酸配伍共用于各种果酱、果冻、果汁、饮料、冷饮、奶制品、糕点、乳酪和熟火腿的营养增补剂、风味剂，用量约2 g/ kg。
在用于食品加工时，应正确调节其pH值( pH= 3~ 3. 5)。
2.在医药方面，柠檬酸钠的应用亦广泛。
利用用柠檬酸根与钙离子能形成可溶性络合物的特性，可用作抗凝血剂和输血剂，保存和加工血制品。
柠檬酸钠作为防腐剂，用于保存糖浆等药物。
柠檬酸钠注射时和甲盐一样，用于矫正血液、
体液及尿液的酸度，作为利尿剂、化痰剂等。
柠檬酸钠与别的试剂配伍，可用于提取、纯化动物肝脏核糖核酸。
3.柠檬酸钠水溶性好，分散污垢能力和抗再沉积能力强，软化水质效果好等特点，被选作磷酸三钠替代品，生产无磷洗衣粉。
尤其适宜制造液体洗涤助剂。
随着环保工业发展，世界范围内无磷洗衣剂的大量使用，无疑促进柠檬酸钠生产发展。
4.柠檬酸钠具有很好的络合性能，因此被广泛应用于电镀工业；在建筑工业上，柠檬酸钠可作为缓凝剂加入混凝土中，以提高水泥制品的抗拉、抗压及抗冻性能；在环境保护方面，柠檬酸钠可用来脱除工业尾气中的硫化物。
在陶瓷工业上，柠檬酸钠可作为助磨添加剂。
此外，柠檬酸钠在酿造及照相业也有新的用途，从而进一步拓宽了柠檬酸钠的应用领域。
由此可见柠檬酸钠性能优良, 用途极其广泛，特别是全球洗涤剂行业的无磷化趋势，使得柠檬酸钠的需求量正急剧上升。
三、柠檬酸钠的几种简单生产工艺
依据生产原料的不同, 柠檬酸钠的制备方法主要有:
1、柠檬酸+ 氢氰化钠
这也是最早研究开发的生产工艺。
将柠檬酸溶于水，加入烧碱液中，发生中和反应并产生大量的热，经过滤浓缩结晶干燥等工序处理，获以成品。
本法工艺简单, 产品纯度好；缺点是生产成品高。
现仅用于制备实验室用品。
其反应式为： C6H8 O7·H2O + 3NaOH →C6H5O7Na3·2H2O + 2H2O
2、 柠檬酸+ 纯碱
中和法改良工艺，作为原料的纯碱有易采购好保存生产成本低的优势;是目前各工业企业普遍采用的生产方法。
反应式为：
2C6H8O7·H2O + 3Na2CO3→2C6H5O7Na3·2H2O + 3CO2 + 4H2O
3、 柠檬酸+ 小苏打
本法是针对纯碱法产品不适用医药业而改进的制备方法。
本法采用高品质的小苏打，按计算量溶于水后与柠檬酸中和，经浓缩结晶等工序处理，制备药品级柠檬酸钠。
其特点是反应条件温和,产品质量好,工艺操作性好。
目前本法主要在药剂厂使用。
其化学方程式为：
C6H8 O7·H2O + 3NaHCO3 →C6H5O7Na3·2H2O + 3CO2 + 2H2O
4、柠檬酸+ 纯碱
本法是利用柠檬酸生产企业中和工序产品柠檬酸钙与纯碱混合发生复分解反应，滤除不溶物而获取柠檬酸钠的。
产品纯度差且操作流程长。
前些年有报道通过调整混合条件pH值，从而简化了该工艺流程，降低了生产成本，获得品质较好产品。
其反应原理为：
Ca3 ( C6H5O7 ) 2· 4H2O + 3Na2CO3 →2C6H5O7Na3·2H2O + 3CaCO3
近来，有人采用树脂交换法生产柠檬酸钠。
将发酵清液经过离子树脂交换，再用氢氧化钠溶液洗脱吸附的柠檬酸，所得钠盐溶液经浓缩结晶等获得柠檬酸钠产品。
此法无污染，成本低，是柠檬酸发酵厂家应开发之路。
四、钙盐法柠檬酸钠的清洁化生产工艺
国内生产柠檬酸钠的工艺一般是用发酵法生产出柠檬酸，然后用钙盐或钙碱中和柠檬酸得到柠檬酸钙，生成柠檬酸钙再用碱进行复分解反应得到柠檬酸钠。
整个生产过程由上、下游两个部分组成，上游为柠檬酸发酵过程，下游为柠檬酸钠的提取过程。
就上游过程而言，采用木薯做原料，目前国内的柠檬酸的发酵主要采用深层通风发酵法。
该法发酵速度快、生产率高、原料消耗低、可实现自动化操作控制。
就下游过程而言，当今世界上普遍采用钙盐离子交换法。
该法工艺成熟、技术简单，但操作单元多、劳动强度大、提取率低、腐蚀严重、污染物产生量大。
（一）柠檬酸钠生产中发酵过程的清洁化工艺
1、发酵的传统工艺流程
传统工艺的特点: 木薯作为柠檬酸发酵的原料,直接粉碎后, 进行配料,发酵后形成菌渣因含有大量的纤维等物质,菌渣只能做饲料等用途, 不能作为高附加值产品开发利用。
2、发酵过程清洁化生产新工艺
3、新工艺特点
( 1)根据清洁生产的特点，从原料入手将有害物质首先原料中除去，并将废弃物变成可利用的资源。
( 2)将木薯首先制成淀粉，利用淀粉进行发酵，由于淀粉中不含纤维等物质，发酵过程中溶氧水平得到提高，提高柠檬酸的收率，同时降低了搅拌的功率。
( 3)木薯首先经过除沙清洗和破碎的过程，将有毒的表皮除去，对后续发酵有明显的帮助，洗水可用来进行沼气发酵，达到废水综合利用的目的。
( 4) 粉碎后的木薯，经分离后将纤维和淀粉分开，得到的纤维物质可以用来发酵生产酒精。
( 5) 由于采用淀粉的清液发酵，发酵后固液分离得到的菌渣不再含有纤维等物
质，菌渣主要以黑曲霉菌体为主，利用黑曲霉菌体提取甲壳素，得到附加值较高的产品。
( 6) 该工艺充分将生产过程中的各种废液，废渣充分利用，并且资源化，工艺过程完全符合清洁生产的宗旨和要求。
（二）柠檬酸钠提取的清洁化生产
1、提取传统工艺
传统工艺特点: 由于重钙成分复杂, 中和后形成的柠檬酸钙质量较差,复分解时形成的碳酸钙不能回用, 或只能经过处理后部分回用。
有相当一部分钙盐会被排放掉, 对环境会造成一定的危害。
2、柠檬酸钠提取新工艺
3、新工艺特点
该流程的最大特点是复分解后形成的碳酸钙可以用来副产轻质碳酸钙，根据实际情况可以做成各种规格的轻质碳酸钙,对减少成本，改善环境非常有利。
五、总结
通过以上几方面柠檬酸钠生产工艺的改进，将会使柠檬酸钠的生产工艺水平达到了一个新的高度，整个工艺基本上实现了无害化、资源化，改善了现有工艺的生产水平,明显减少污水的排放量，降低环保处理的负荷,基本上达到原料资源充分利用、节能降耗的目的。
使最终的生产成本有明显降低,提高企业的竟争力。
参考文献
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