黄原胶生产工艺.docx
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黄原胶生产工艺
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黄原胶生产工艺
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黄原胶，它是以碳水化合物为主要原料，用野油菜黄单胞杆菌，经微生物有氧发酵制取的胞外多糖，其水溶液具有独特的流变特性—“剪切稀化”，剪切速率增加,溶液的表观粘度明显下降；剪切速率减小，表观粘度恢复原状，是一种典型的假塑性流体。
1961年美国Kelco公司首先采用野油菜黄单胞杆菌NRRLB-1459开始黄原胶的半工业化生产。
其产品主要用于油田的钻井泥桨配制及采油工艺过程。
1963年正式工业化生产。
1969年食品与药物管理局（FDA）批准黄原胶作为食品添加剂，其后欧洲各国相继批准黄原胶在食品工业中的应用。
1975年黄原胶载入美国药典，并公布了质量标准。
1983年联合国世界卫生组织（WHO）和粮农组织（FAO）也批准黄原胶作为食品工业稳定剂、乳化剂、增稠剂。
我国黄原胶研究起步于20世纪70年代末，1988年8月卫生部批准了食品级黄原胶的卫生标准，并被列入食品添加剂名单。
目前，国内大约有45%的黄原胶用于食品加工，40%用于石油工业，15%用于农药、饲料、日化、环保等行业。
我国黄原胶50%以上用于出口，国际市场非常广阔，国内市场潜力很大。
黄原胶是人类研究最深、商业化应用程度最高的微生物胞外多糖。
由于其独特的剪切稀释性质，良好的增稠性，理想的乳化稳定性，对酸、碱、热、反复冻融的高度稳定性以及对人体的完全无毒害等许多优良的特性，而在食品、石油、医药、日用化工等十几个领域有着极其广泛的应用。
超乎寻常的稳定性极大地扩展了黄原胶的应用范围，但同时也引起了一些应用问题。
我国黄原胶研究起步晚，但发展迅速。
我国黄原胶行业在高速发展同时也受到自身条件的制约。
我国黄原胶企业技术不过关，资金缺乏，生产人员素质低，直接影响着我国黄原胶的产品质量与色泽；食品级黄原胶的成本较高，降低成本的关键因素是降低发酵过程中的染菌率，降低电能的消耗，降低乙醇的损失，食品级黄原胶的成本直接影响着食品生产企业的使用；而工业级黄原胶的产品附加值较低，与其它化学助剂相比，价格又偏高，造成我国工业级产品较少企业生产，限制了其在非食品工业的发展。
这些因素，阻碍了我国黄原胶行业的发展。
黄原胶（XanthanGum）的特性、生产及应用
黄原胶的生产和应用
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1前言
黄原胶（Xanthangum）,又称黄胶、汉生胶、黄单细胞多糖,是野油菜黄单孢杆菌（Xanthomonascampestris）以碳水化合物为主要原料,经发酵工程生产的一种作用广泛的微生物胞外多糖,简称XC。
黄原胶是50年代美国农业部北部地区研究所（NRRL）首先发现。
普通商品黄原胶是含有K、Na、Ca等盐的混合物,其它类型有:
脱乙酰胺的黄原胶、丙酮酸232黄原胶和与铬盐交联的高触变性黄原胶等。
它具有如下特性:
在热水和冷水中有很好的溶解性;有良好的增粘性和悬浮能力,在低浓度下具有较高的粘度;有很高的稳定性,耐酸碱、高盐环境,抗高温、低温冷冻,易生物降解,抗污染能力强,在-4~93e范围内反复加热、冷冻,其粘度基本不变;可同多种物质（酸、碱、盐、表面活性剂、生物胶等）互配,具有令人满意的兼容性;有良好的触变性（剪切稀释能力）和假塑性（恢复能力）;有良好的分散作用、乳化稳定作用。
黄原胶和刺槐豆胶、瓜尔豆胶等半乳甘露聚糖配合使用时有极为显著的协同增效作用,可显著提高粘度和耐盐稳定性,达到用量少、成本低和提高使用效果的目的。
黄原胶可广泛用于食品、石油、陶瓷、纺织、印染、医药、造纸、地矿、灭火、涂料、牙膏、化妆品等20多个行业。
近年来,世界黄原胶生产国家经过不断的技术改造,其生产能力已达5万余t/a,工业级黄原胶价格在3.5万~4.5万元/t范围内波动,食品级则根据质量、供需双方情况波动幅度更大,为5万~10万元/t,从外国进口的工业级黄原胶约为6万~7万元/t,食品级则为15万元/t左右,可见黄原胶的市场广阔,前景看好,是目前世界上生产规模最大且用途极为广泛的微生物多糖。
2黄原胶的生产
2.1培养基
黄单孢杆菌产生黄原胶常用的培养基是:
以葡萄糖、蔗糖或淀粉等为碳源,以蛋白质、鱼粉、豆粉或硝酸盐为氮源,加KH2PO4、MgSO4、CaCO3等无机盐和Fe2+、Mn2+、Zn2+等微量元素,以及生成促进剂谷氨酸、柠檬酸等。
2.2生产工艺
黄原胶的生产包括发酵和提取两部分。
发酵工艺有连续法和间歇法,但真正工业化的是间歇法。
实际过程是:
种子培养、种子扩大和发酵。
黄单孢杆菌在生长过程中吸收氧气,放出二氧化碳。
其生长温度为2~35e,40e黄单孢杆菌就停止生长。
提取工艺包括
（1）发酵液处理。
经离心法、过滤法、酶处理法、次氯酸盐氧化法、过滤及超滤浓缩法预处理除去菌体细胞和各种不溶性杂质,使黄原胶中不再含活性的菌体细胞、影响产品质量的不溶性杂质和色素等,并对发酵液进行浓缩。
（2）沉淀反应:
用钙盐、铝盐、季铵盐或酸沉淀法制取工业级精制品;用有机溶剂沉淀法制取食品级精制品。
（3）过滤沉淀物并进行洗涤。
（4）干燥、粉碎、筛分、成品包装。
2.2.1工业级黄原胶的生产
工业级黄原胶的提取方法一般是先将发酵液进行灭菌处理,杀死活菌细胞,直接经喷雾干燥或滚筒干燥而制得,但这种方法因发酵液含水量太高而消耗大量的能量,产品纯度较低,且成品颜色较深,成本较高;另一种方法是用钙盐、铵盐等沉淀黄原胶,见图1。
因其产品附加值低,市场用受到限制,因此国内一般发展食品级黄原胶。
2.2.2食品级黄原胶的生产
食品级黄原胶的提取方法,一般用醇作为沉淀剂,常用的有甲醇、异丙醇、乙醇等低级醇。
由于后提取选用乙醇,成本高,生产和应用受到限制。
非醇法生产黄原胶有效地解决了这一问题。
其工艺流程为:
菌种在种子罐内经分级培养后,接种到发酵罐中,在30e条件下,通气、搅拌,发酵时为48~60h,放罐后用稀盐酸调pH值为2,黄原胶即沉淀下来,经脱水干燥后得淡黄色成品。
但此方法对提取设备及管道提出了苛刻的要求,同时需对含盐酸废水进行处理。
因此,国内食品级对黄原胶生产中,沉淀剂的选择仍是有待解决的问题。
3黄原胶的应用
3.1黄原胶在食品工业中的应用
黄原胶在食品工业中主要作为增稠剂、悬浮剂、乳化剂和稳定剂,在某些苛刻条例下（如pH值为3~9,温度80~130e）,它的性能能基本稳定,明胶、CMC、海藻胶、果胶等优越。
在食品工业中把它应用于奶制品,如奶酪、果奶饮料、冰淇淋、酸奶等中,可起到改善品质、增加稳定性、易香味释放、口感细腻清爽的作用;用于果汁饮料时能保持液体均匀、不分层;加入啤酒,产泡丰富;在沙拉调汁中加入黄原胶,乳化稳定可达一年以上;点心馅中加入黄原胶因其假塑性而大大方便了加工过程,使产品不发生胶体脱水收缩现象,保持松软润口。
许多食品添加剂不耐高温,使其消毒成了大问题,而黄原胶没有这种缺陷。
在一些副食品加工时,用黄原胶水溶液预处理后对成品的失水起着特殊的保护作用,能达到保湿保鲜效果。
3.2黄原胶在石油工业中的应用
黄原胶用于油田开发方面较之聚丙烯酰胺、CMC（羧甲基纤维素）、变性淀粉及一些植物多糖（如瓜尔胶、四菁胶等）有明显的技术优势,它的增粘、增稠、抗盐、抗污染能力较强。
尤其在海洋、海滩、高卤层和永冻土层钻井,防止井喷等有明显作用,低浓度的黄原胶水溶液就可保持水基井液的粘度、使钻井液有好的悬浮性能,这可防止井壁坍塌、抑制地层井喷、便于将切削下的碎石排出井外,其性能远好于聚丙烯酰胺;黄原胶的假塑使处于钻头附近的黄原胶液由于高速旋转引起的强剪切而表现出极低的粘度,具有低磨阻特性,有利于节省能耗;由于黄原胶的抗盐性、耐高温性,黄原胶液用于三次采油的流变控制液可提高10%以上的采收率。
目前国外约有30%~40%的黄原胶用于钻井泥浆和三次采油。
3.3黄原胶在其它工业中的应用
黄原胶在其它行业中也有广大的市场,用它作为釉浆悬浮剂和粘结剂,被称为陶瓷工业的重大技术革新,并解决了烧制各种异型陶瓷的技术难题。
用黄原胶作原料生产的凝胶泡沫灭火剂,已用于森林扑火、有机溶剂及其它化学品的灭火中。
黄原胶能用作灭虫剂、肥料的悬浮剂。
在喷洒期间能很好的控制其漂流和粘附,延长有效期,是农用化学物质的良好稳定剂。
黄原胶可作为水基油墨和乳化油墨的悬浮剂和稳定剂,控制水的渗透性和失水而保持均匀的光泽。
黄原胶还可用于胶体炸药、水溶性涂料、工业擦亮剂、除锈剂、湿法冶金的增稠剂,药物、化妆品的润滑剂,牙膏增稠剂,印染工业的载色剂等。
黄原胶的市场状况与技术经济分析
2006-09-1716:
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黄原胶又称黄胶、汉生胶，分子量200～600万，浅黄色至白色可流动粉末，稍带臭味。
黄原胶是由黄单胞杆菌（Xanthomonascampestris）发酵产生的细胞外酸性杂多糖，是以碳水化合物为主要原料（如玉米、淀粉等），经生物发酵工程培养、乙醇提取、干燥、粉碎而得到的一种高分子微生物聚合物，它是由葡萄糖、甘露糖、葡萄糖醛酸、乙酸和丙酮酸组成﹝1﹞。
黄原胶是新型多糖类发酵产品，1961年首先由美国Kelco公司投入工业化生产，目前被广泛应用于石油、地矿、食品、医药、纺织等20多个行业。
1、黄原胶的性能
黄原胶是目前国际上性能较为优越的生物胶，具有独特的理化性质，集增稠、悬浮以及乳化稳定等功能于一身，主要表现为：
a、突出的高粘性和水溶性
黄原胶易溶于冷水和热水，它是具有多侧链线性结构的多羟基化合物，其羟基能与水分子相结合，形成较稳定的网状结构，而且在很低的浓度下仍具有较高的粘度，如l％浓度的粘度相当于明胶的100倍左右，增稠效果显著。
b、独特的流变学特性
黄原胶具有独特的剪切稀释性能，当施加一定的剪切力时，流体粘度迅速下降，而除去剪切力后，流体又恢复原有粘度，且这种变化是可逆的。
这种流变性能，使黄原胶具有独特的乳化稳定性能（所谓乳化性是指在一个悬乳体中，将油滴分散并悬浮到已增稠了的水溶液中），从而使黄原胶成为一种高效的乳化稳定剂。
c、优良的温度稳定性
大多数高分子化合物，如羟甲基纤维素、海藻胶、淀粉等一经加热，粘度即明显下降，而温度低至零度左右时，分子结构和性能即发生变化，而黄原胶在一个相当大的温度范围内（-18℃～80℃）基本保持原有的粘度及性能，具有稳定可靠的增稠效果和冻融稳定效果。
d、PH稳定性
黄原胶溶液的粘度基本不受酸、碱的影响，在PH1～13范围内，能保持原有性能。
e、令人满意的兼容性
黄原胶与各种盐类有着良好的兼容性，黄原胶与高浓度的糖或盐类共存时能形成稳定的增稠系统，并保持原有的流变性，与其他化学物质（酸、碱、表面活性剂、防腐剂等）均有令人满意的兼容性。
f、黄原胶的安全性
黄原胶是采用天然物质为原料，经发酵精制而成的生物高聚物，1983年联合国粮农组织的世界卫生组织（FAO/WHO）所属食品添加剂专家委员会已正式批准其为安全食品添加剂，而且对添加量不作任何限制。
此外，黄原胶还有较强的抗酶降、良好的润滑性等特点，这些优良的性能大大扩展了黄原胶的应用范围。
2、国内外生产状况
2、1国外生产状况
50年代中期美国农业部北部研究中心在制定开发有用的微生物调查中，Jeanes等人发现了黄原胶，它的生产菌是野油菜黄单孢杆菌X．CampestrisNRRLB-1459，可使淀粉转化为水溶性多糖。
1961年，美国Kelco公司首先采用野油菜黄单孢菌NRRLB-1459开始了黄原胶半工业化生产，主要用于油井的钻井泥浆及采油技术，1963年正式工业化生产。
此后研究发现甘蓝黑腐病黄单孢杆菌、锦葵黄单孢杆菌、胡萝卜黄单孢杆菌、木薯萎蔫病黄孢菌、美人蕉枯叶黄单孢杆菌等都能产黄原胶。
美国经过多年毒理学实验，1969年美国食品与药物管理局（FDA）批准黄原胶作为食品添加剂，其后欧洲各国相继批准黄原胶在食品工业中应用。
1975年，黄原胶载入美国药典，并公布了质量标准。
1983年联合国世界卫生组织（WHO）和粮农组织（FAO）也批准黄原胶作为食品工业用稳定剂、乳化剂、增稠剂。
目前已有十多个国家和地区生产黄原胶，主要有美国、英国、法国、日本、俄罗斯、德国和中国等，国外主要生产厂家有美国的Kelco公司、Pfizer公司，法国的Rhone-Poulene公司、Nero-Rousselotsatia公司，另有Miles公司、CecaSA公司、ADM公司等。
黄原胶工业化生产技术日趋完善，尤其是生物技术的发展使黄原胶的发酵产率、糖转化率、发酵液胶浓度等指标大大提高，发酵周期大大缩短。
目前世界上黄原胶生产最高水平已达到：
50m3单罐发酵年产量200～240吨；淀粉投料浓度由4％～5％提高到8％～9％；发酵黄原胶浓度已达到5％左右；原料多糖转化率接近80％；发酵周期由72～96h缩短为48～52h。
1979年全世界黄原胶年产量为18000吨，1990年世界黄原胶产量已超过5万吨，1996年世界黄原胶产量已超过6万吨，2000年达到10万吨。
2、2国内生产情况
我国黄原胶研究起步于70年代末，主要研究单位有：
南开大学、山东省食品发酵设计研究院、无锡轻工大学、山东大学、中科院微生物所、四川省抗菌工业研究所、郑州工业大学生化中心和河南省科学院生物所等。
1979年南开大学生物系首次分离得到一批黄原胶菌株，并提纯鉴定了这种酸性多糖，1985年率先在国内研究食品级黄原胶，并于1986年通过了食品级黄原胶产品和生产菌株的毒理学安全性试验。
经国家有关部新门病理学试验与毒性试验后，1988年8月卫生部批准了食品级黄原胶的卫生标准，并被列入食品添加剂名单。
黄原胶发酵液属于高粘度的非牛顿型流体，国内前期试产黄原胶的几家工厂由于发酵设备（主要是溶氧问题）和后提取工艺的问题，都没能形成规模生产。
1992年全国产量不足100t，1993年以后由于国内市场不断扩大，黄原胶价格持续上扬，一些科研、生产单位联手合作加强对生产工艺及设备的攻关，生产技术有所突破，陆续建设和扩建了几家300～500t/a的生产装置，1998年全国产量在1500t左右，到2000年底，我国已有十多家黄原胶生产企业，如江苏金湖制药厂、河北新河生物化工有限公司、河南天冠生物工程股份有限公司、山东淄博金丰润、陕西宝鸡富阳工业有限公司生物厂、上海国润生物技术有限公司、淄博顺达生化公司、山东金粟生物制品有限公司、河南沁阳市生物化学厂、淄博中轩集团等，其中很多企业因多种原因难以达到设计产量。
此后随着山东省食品发酵工业设计研究院在黄原胶生产技术上的突破，陆续在省内转让了几家企业，山东省已经成为黄原胶的主要生产基地，其中淄博中轩集团产能已达10000吨/年。
到2003年国内总生产能力约为20000吨/年。
在产品质量方面，主要分为食品级和工业级，食品级中外产品质量标准基本相同，工业级产品质量标准一般由生产厂家和用户商定。
由于黄原胶的市场前景看好，不少单位正在建设或筹建黄原胶生产装置：
安徽省凤台酿酒有限责任公司正招商年产500吨食品级黄原胶项目，项目建设总投资2700万元，其中固定资产2090万元；湖南永顺招商300吨黄原胶生产线项目；肥城市焦化厂招商500吨／年黄原胶项目；河南沁阳市生物化学厂招商从1000吨扩大为5000吨；河北新河生物化工有限公司拟从1200吨扩大为2200吨；河南濮阳黄原胶厂500吨/年招商重新投产。
随着黄原胶市场竞争的加剧，价格竞争已经不可避免，由于动力成本在总成本中占有很大比例，因此与热电项目相结合已经成为发展趋势，否则企业很难生存，同时热电公司作为热电平衡项目上马黄原胶，具有很强的成本优势，因此新上黄原胶项目必须慎重。
3、市场状况
由于黄原胶性能优越，用途广泛，黄原胶的消费主要主要集中在食品、石油工业及日用品工业等领域。
国内大约有45%的黄原胶作为食品级销售，40%作为石油级销售，15%用于农药、饲料、日化、环保等行业。
根据有关预测，到2005年，国内黄原胶的需求量将增至1万吨。
食品工业：
黄原胶是食品工业中理想的增稠剂、悬浮剂、乳化剂和成型剂，在某些苛刻条件下黄原胶的性能比明胶、CMC（羧甲基纤维素）、海藻等现行食品添加剂更具优越性。
应用于奶制品（如奶酪、果奶饮料、冰淇淋、酸奶等）中可改进质量、增加稳定性、易于香味释放、口感细腻清爽等作用。
用于果汁饮料，与其他添加剂具有良好的配伍性，能有效悬浮果肉和释放风味，保持液体均匀不分层。
加入啤酒中，产泡效果极佳。
在沙拉酱或沙司等典型油包水体系中，黄原胶能够改善粘附性，增强口感和风味释放，对固体颗粒持久的悬浮性能，在强酸或高盐调味料中更能显示其优越稳定性，沙拉中乳化稳定可达一年以上。
在烘焙食品中，黄原胶能够使其增加蜂窝气泡含量，提高保水性能，增强口感，方便加工过程，不发生胶体脱水收缩现象，保持松软润口。
在冷冻食品中，多次冷冻解冻后，仍具有良好稳定性能和保水性能，减少冰冻晶，使食品口感滑爽。
黄原胶可耐高温，解决了酒类、罐头、方便面等食品的消毒问题。
在副食品加工中，用黄原胶水溶液预处理，对制品的失水能起特殊的保护作用。
用于方便面类快餐食品可防止断碎、干裂。
据中国科技促进发展研究中心在“黄原胶的技术报告”中指出：
仅食品行业的5个龙头产品和糕点、食品香精等，若黄原胶的添加量平均按0.1%计，就需黄原胶8000t/a，若其中即使只有1／2添加，也有4000t/a，加上啤酒和奶制品的需要，数量十分可观。
石油行业：
由于黄原胶的流变学特性、耐盐性能、增稠效果，使其应用于油田开发方面较之聚丙烯酰胺、CMC、变性淀粉及一些多糖植物（瓜尔胶等）有明显的技术优势。
黄原胶作为一种卓越的油田钻井泥浆添加剂，它的应用被称为70年代泥浆技术的最新成就之一，其所独有的在低剪切情况下的高粘度，使低浓度的钻井液可以悬浮固体物质，即使在高温、高浓度酸碱盐溶液中仍保持其性能，这一点尤其在海洋钻井或其他苛刻条件下更为重要，适用于三次采油和提高采率法采油，它的极强的耐温性能使其成为可靠的驱油剂和良好的移动控制剂。
在美国和西欧，约有30%～40%的黄原胶用于钻井泥浆和三次采油，在近几年发展起来的“聚合物驱油”新技术中，黄原胶用量占聚合物的30%～40%左右。
占我国生产量60%左右的老油田，含水量达到80%以上，三次采油问题已被提到战略高度，但是由于价格因素，我国石油行业的黄原胶用量很少，只有南海、渤海油田及内陆的中原、胜利、塔里木油田等一些中外合资钻井泥浆公司，因外方要求而采用黄原胶作为泥浆处理剂打井。
虽然国内油田的目前实际使用量有限，但随着经济发展，市场潜力很大。
日用品工业：
黄原胶所独具的特性使其用在牙膏中可改善膏体状态和便于灌装以及赋予良好口感。
黄原胶有持久的粘度，易水解性和优越的乳化稳定性，可使牙膏易于成型，分散性好，提高牙膏附刷。
黄原胶用在化妆品和洗涤剂中，有助于迅速扩散和吸收，使皮肤倍感滑爽。
在洗发液和护发产品中，有悬浮稳定作用并能增加泡沫。
在面膜中，其良好粘附性和高度静止粘度，使面膜容易粘附在皮肤上，并且容易剥去。
其他方面应用：
在医药工业中黄原胶用于多种悬浮剂、乳化剂和增稠剂中，如用在维生素乳化剂中可以避免因温度升降引起的分层，另外黄原胶易溶于冷水，使溶液易于配置。
在悬浮固体和陶瓷上釉方面，黄原胶赋予产品良好的流动性，防止上釉的压陷和走型。
用于水印中，可赋予产品合适粘度，控制渗透性，提高稳定性。
用于乳胶漆及不漏水水基涂料中，可改善产品流动性，同时黄原胶可悬浮颜料，在垂直平面的粉刷中，使粉刷外表光滑均匀，黄原胶还可有效控制油漆或涂料，在粉刷或喷洒时的扩散性，并有效预防流陷。
在造纸工业中，黄原胶在特殊工序下可很好控制流变性，在温度变化或剪切变化下有效稳定外层覆盖物，并有效悬浮上浆和避免凝集。
黄原胶的剪切性能可用于悬浮研磨物质，使产品易于应用和磨擦，提高产品的粘附性。
4、2000吨/年黄原胶项目的技术经济分析
对黄原胶的生产来说，2000～3000吨是比较经济的规模，现选取2000吨/年装置进行分析。
生产黄原胶的主要原材料淀粉、酒精、辅料等外购，由于黄原胶的生产与热电紧密相关，电和蒸汽价格按自备热电的成本价计算。
A成本指标表：
B主要技术经济指标表：
按照以上计算，对于有自备热电的企业来说，本项目的税后内部收益率为19.6%，投资利润率为31.9%，经济效益非常可观。
6、结论
（1）黄原胶的生产增长很快，投资收益率比较高。
由于黄原胶功能性好，悬浮性及耐酸碱性能都优良，是理想的添加剂、增稠剂，近几年增长很快，国内总的生产能力已达20000吨/年，国内黄原胶生产主要集中在山东省，最大的黄原胶企业中轩集团产量已达万吨，世界黄原胶总产量1990年5万吨，1996年6万吨，2000年已达10万吨。
（2）目前我国黄原胶产量50%以上靠出口，黄原胶的国际市场非常广阔（10万吨以上），国内市场潜力很大，根据有关资料，国产黄原胶和国际产品差价较大，目前中国货在国际市场供不应求，目前国内市场需求量约为7000吨，今后国内市场需求量将稳步增长，增长率约为7%
（3）在黄原胶的生产成本中，电和蒸气成本约占总成本的40%，因此自备热电可以有效的降低成本，增强产品竞争力。
现有的黄原胶企业有建设自备热电的趋势，并且由于黄原胶利润可观，热电企业也有介入黄原胶生产的趋势，因此黄原胶市场将会发生整和，没有热电优势的中小企业将会退出，也可以说黄原胶行业已进入成长期，并且随着我国黄原胶生产技术的进步，国内黄原胶生产成本逐渐降低，我国黄原胶产品在国际市场上有比较强的竞争力，中国的黄原胶将会对国际市场造成很大影响，国际市场份额将会不断扩大。
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