Производство лимонной кислоты

 

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………….3

1. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ………………………………………………………..4

    1.1. Основанные способы производства и сырье…………………….…....4

    1.2. Культура Aspergillus niger – продуцент лимонной кислоты..…..…...6

   1.2.1. Требование к продуцентам лимонной кислоты……………………..7

    1.3. Выбор способа ферментации…………………………………………...7

    1.3.1. Поверхностный способ ферментации ………..……………………...9

    1.3.2. Глубинная ферментация………………..……………………………12

    1.3.3. Сравнение глубинного и поверхностного способа ферментации...16

    1.4. Выпуск ………………………….……………………………………....17

    1.5. Применение  лимонной кислоты……………………………………....18

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………..20

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ………………...………...21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

            В природе лимонная кислота встречается довольно часто, главным образом в незрелых плодах цитрусовых, ананасов, груш, инжира, брусники, клюквы и др. Лимоны и апельсины были главными источниками естественной (растительной) лимонной кислоты, которую производили преимущественно в Италии, где в середине XIX в. начали действовать первые заводы по производству кристаллической лимонной кислоты. Затем аналогичные заводы начали действовать в Калифорнии (США), на Гавайских островах и в Вест-Индии.

Для получения лимонной кислоты путем микробного синтеза в лабораторных условиях использовали микромицеты (Aspergillus clavatus, Penicillium luteum, P. citricum, Mucor piriformis, Ustina vulgaris и др.), но для промышленного биосинтеза наиболее подходящим оказался Aspergillus niger. Впоследствии из него было селекционировано множество производственных штаммов для биосинтеза лимонной кислоты из сахарозы.

Многие органические вещества сбраживаются микромицетами  и могут быть трансформированы в  лимонную кислоту, но максимальный выход получается при биосинтезе из сахарозы или фруктозы. В последнее время успешно завершены эксперименты по биосинтезу лимонной кислоты дрожжами (Candida lipolytica и др.) из парафинов и низших спиртов (этанола) с высоким выходом (80—140%).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

          1.1. Основанные способы производства  и сырье

          Общепризнано, что производство лимонной кислоты химическими способами экономически нецелесообразно: стоимость сырья значительно выше стоимости мелассы; технология многостадийна, требует применения сильно токсичных реагентов и дает относительно низкий выход целевого продукта. Поэтому не удивительно, что, несмотря на большой прогресс в области химического синтеза различных органических соединений, такие сравнительно простые вещества, как лимонная, молочная и некоторые другие кислоты, до сих пор вырабатывают из сахаросодержащегося сырья с помощью микроорганизмов. Преимущества микробного способа в последовательном ферментативном осуществлении в клетке даже значительно большего числа химических реакций в одну производственную стадию – ферментацию. Это упрощает технологию, увеличивает выход кислот и снижает их себестоимость.

           В качестве сырья для ферментативного получения лимонной кислоты в большинстве стран используют мелассу – побочный продукт производства сахара из сахарной свеклы или сахарного тростника.

          В США «Miles Laboratories, Inc.» перерабатывает глюкозные сиропы, получаемые ферменативным гидролизом кукурузного крахмала, во Франции завод фирмы «Melle – Bezons» - кристаллический сахар (сахарозу).

         Исследована возможность применения и других видов сырья. Еще в начале ХХ века В.С. Буткевич показал, сто лимонная кислота может образовываться при культивировании Aspergillus niger на растворах уксусной кислоты, ацетатов, метилового и этилового спирта как единственных источников углерода. Позднее другими исследователями предложены н-парафины, а в качестве продуцента – дрожжи рода Candida.

         В расчете на дешевую арабскую нефть в ряде стран большая надежда возлагалась на н-парафины – один из продуктов ее переработки. Однако ввиду истощения запасов и повышения цен на нефть, относительно небольшого выход парафинов и необходимости их использования в других направлениях они вскоре перестали быть перспективным сырьем.

        Синтетические спирты уксусную кислоту получают на основе переработки попутных газов нефти и собственно природных газов; источники их не безграничны, к тому же эти виды сырья, как н-парафины, широко используются в отраслях народного хозяйства. При ферментации парафинов, спиртов и уксусной кислоты дрожжами одновременно с лимонной кислотой в значительных количествах образуется изолимонная, чем снижается выход целевого продукта и возникает дополнительная проблема их разделения. Экономическое сравнение использования некоторых источников углерода в биосинтезе лимонной кислоты (рис. 1.)

 

Рис. 1. Экономическая эффективность использования различных источников углерода в биосинтезе лимонной кислоты

           Ясно видно преимущество использования в качестве источника углерода жидких парафинов (цена 80 руб/т, расхода на 1 т целевого продукта в стадии ферментации 0,9 т. Для сравнения: меласса – 125 руб/т при расходе 4,6 т на 1 т готового продукта.).

           Как источник сырья гораздо надежнее и дешевле побочные продукты переработки растительного сырья, ежегодно возобновляемого в больших количествах. Это прежде всего относится к сахароносам (сахарная свекла и сахарный тростник), дающим сахарный сок, или, при переработки его на кристаллический сахар, мелассу, и в некоторой мере – к крахмалоносам (кукуруза, картофель), к растительным отходам сельского хозяйства и механической переработки древесины.

          1.2. Культура Aspergillus niger – продуцент лимонной кислоты

          В настоящее время для ферментации сахарсодержащих сред используют специальные штаммы A. niger. Имеются патенты на применение других видов Aspergillus и других родов, принадлежащих к различным классам микроскопических грибов: A. wentii, A. lichinensis, A. clavatus, A. foetidus, A. awamori, A. carbonarius, A. glaucus, A. fumaricus, A. cinnamoneus, A. aureus, A. lanosus, A. melleus, A. ochraceus, A. gorakphurensis; Penicillium luteum, P. janthinellum, P. restricum, P. adamentzii, P. arenarium, P. olivaceum, P. divaricatum, P. sunguiflaus, P. glaucum; Mucor piriformis; Trichoderma viride; Botrytis sp.; Nematospora corily и др.

         С производственной точки зрения A. niger и другие мицелиальные грибы имеют существенные недостатки: медленно растут, вследствие чего процесс накопления необходимого количества биомассы продолжителен; большая вязкость культуральной жид­кости, переходящая в неньютоновскую область, затрудняет массообмен, в частности снабжение гриба кислородом воздуха, увеличивает расход энергии на перемешивание. Перспективным является поиск и селекция немицелиальных микроорганизмов — дрожжей, бактерий, которые не имеют отмеченных недостатков. Это особенно желательно для перевода процесса ферментации на непрерывно-проточный.

           1.2.1. Требование к продуцентам лимонной кислоты

           При использовании любого вида сырья наряду с оптимальными составом питательной среды и режимом ферментации эффективность производства определяется применяемым штаммом A. niger. Штаммы для производства лимонной кислоты должны отвечать следующим основным требованиям: 1) давать возможно больший выход лимонной кислоты к массе введенного в производство сахара и быстро его ферментировать; 2) быть генетически однородными; 3) обладать устойчивостью к внешним воздействиям; 4) иметь обильное конидиеношение.

           Выход лимонной кислоты зависит от относительных затрат сахара на образование лимонной кислоты, побочных кислот, синтез биомассы гриба и дыхание, а также от полноты ассимиляции сахара. Очевидно, чем меньше остается сахара в культуральной жидкости в конце процесса ферментации и чем больше его идет на образование лимонной кислоты, при уменьшении других затрат, тем выше продуктивность штамма. Немаловажное значение имеет и повышение скорости ферментации.

           1.3. Выбор способа ферментации

            Процесс производства лимонной  кислоты включает все основные  стадии микробиологической технологии (рис. 2): получение посевного материала; подготовка сырья-мелассы к ферментации; подготовка и стерилизация воздуха; ферментация; отделение биомассы продуцента — мицелия; выделение из культурной жидкости лимонной кислоты и получение ее в кристаллическом виде.

 

         

 

 

 

 

 

Рис.2 Технологическая схема производства лимонной кислот

В промышленном производстве лимонной кислоты применяется несколько вариантов процесса.

          1.3.1. Поверхностный способ ферментации

           Приготовление питательной среды при поверхностном способе культивирования осуществляют в варочном котле. Мелассу разбавляют кипящей водой в соотношении 1:1 и, добавляя серную кислоту, доводят рН раствора до значения 6,7 – 7,2. Для осаждения солей железа и тяжелых металлов водят при кипячении определенное количество раствора желтой кровяной соли. В раствор мелассы при температуре 60 – 70 0С последовательно добавляют источники азота, фосфора, макро- и микроэлементов. Содержание сахаров в среде должно составлять 12 – 16%.

           Основная  ферментация осуществляется в  специальных камерах, представляющих  собой закрытые помещения, в  которых на стеллажах расположены  кюветы. Кюветы прямоугольной формы изготавливают из алюминия или нержавеющей стали. Заполнение кювет питательной средой и слив из них культуральной жидкости осуществляется через щтуцеры в дне кювет. Камеры оборудованы системой для подачи нагретого стерильного воздуха.

           Перед  началом нового цикла ферментации  камеры и кюветы тщательно  моют и стерилизуют параформалиновой  смесью с последующей дегазацией  пароаммиачной смесью. После стерилизации  и охлаждения камер в кюветы  наливают питательную среду слоем  от 12 до 18 см. с помощью специального устройства для распыления в питательную среду вносят посевной материал – конидии гриба A.niger. (рис. 3.)

       

  Рис. 3. Технологическая схема получения лимонной кислоты из мелассы поверхностным способом (жидкофазная ферментация): 1 - цистерна для мелассы, 2 - центробежные насосы, 3 - реактор для разбавления мелассы, 4 - стерилизатор, 5 - бродильная камера, 6 - сборник сбраживаемых растворов, 7 - нейтрализатор, 8, 10 - нутчфильтры, 9 - расщепитель, 11 - сборник-монтежю, 12 - вакуум-аппарат, 13-дисольвер, 14 - фильтр-пресс, 15 - кристаллизатор, 16 - приемник, 17 - сушилка, 18 - готовая продукция, 19 - сборник фильтрата.

            Через сутки после засева образуется тонкая серовато-белая пленка мицелия, которая по истечении трех суток сильно утолщается и приобретает складчатую структуру. Температуру в период активного роста мицелия гриба поддерживают в предела 34 – 36 0С при умеренной аэрации. В период активного кислотообразования температуру снижают до 32 – 34 0С, а подачу воздуха увеличивают в 3 – 4 раза. По мере снижения интенсивности кислотообразования и уменьшения количества выделяемой теплоты подачу воздуха в камеру постепенно уменьшают. Процесс ферментации прекращают, когда в растворе остается 1 – 2% сахаров, а содержание кислот в культуральной жидкости достигает 12 – 20%.

         Культуральную жидкость сливают из кювет в сборник, откуда ее подают в химический цех для выделения лимонной кислоты. Содержание лимонной кислоты в культуральной жидкости составляет 12 – 20%.

          Мицелий  отмывают от кислоты горячей  водой и используют как корм  для скота.

          Изложенный  выше способ называют бессменным. По сменному способу после  сливания культуральной жидкости  под пленку A.niger вводят немного воды температурой 30 – 32 0С, выдерживают 0,5 часов, промывную жидкость сливают, вводят свежую мелассную среду и ферментируют. По доливному способу ферментации на 4-5 сутки под пленку A.niger доливают свежую питательную среду в количестве, компенсирующем уменьшения объема вследствие испарения влаги. При работе этими способами экономится расход конидий, реже перезаряжаются камеры и появляется возможность ферментировать низкокачественные мелассы, не пригодные для выращивания грибной пленки.

           Периодические  способы имеют ряд недостатков: ферментация происходит с небольшой скоростью; мицелий по окончании цикла выбрасывают, хотя он еще активен, а получение нового мицелия связано с затратой конидий, мелассы и времени на его выращивание; во всех кюветах трудно поддерживать заданную температуру, поэтому ферментация происходит неравномерно.

           Предложенные  непрерывные способы предусматривают  протекание мелассной среды по  каскаду кювет под предварительно  выращенной пленкой мицелия A.niger или под секциями его, движущимися на транспортере в одном направлении со средой в плоском ферментаторе туннельного типа.

           Наряду  с поверхностным способом ферментации  на жидких средах за рубежом  известны способы ферментации  на твердых средах. Твердофазная  ферментация предусматривает использование импрегнированного средой пористого твердого материала, как багасса, картофель, пульпа сахарной свеклы др. в определенных пропорциях. Материал стерилизуют и инокулируют суспензией спор. Инкубируют в лотках при 25 – 30 0С в течение 6 – 7 дней. После инкубирования содержимое экстрагируют водой, концентрируют, цитрат осаждают и очищают.

           В Японии в процессе Коджи  получают пятую часть выпускаемой  в стране лимонной кислоты.  Это твердофазное культивирование  специальных штаммов A.niger на пшеничных отрубях. Перед стерилизацией значение рН отрубей доводят до 5,5, увлажняют отруби горячим паром так, чтобы их влажность составляла 70 – 80%. Далее субстрат охлаждают до 30 – 36 0С и инокулируют спорами штамма, малочувствительного к присутствию Fe3+. Температура не должна быть выше 28 0С. Крахмал отрубей осахаривается ферментами гриба, но добавление готовых ?-амилаз к субстрату увеличивает выход продукта. Инокулированные отруби размещают в лотках на глубину 3 – 5 см. через 5 – 8 дней Коджи собирают и переносят в инокулятор для экстракции лимонной кислоты водой. Загрязнение субстрата следовыми металлами является проблемой в процессе Коджи, так как их труднее удалять, чем в других вариантах процесса. Поэтому проводят селекцию и используют штаммы, устойчивые к следовым металлам. К субстрату также добавляют HCF или Сu+2