Как получают лимонную кислоту биотехнологическим способом

Способ биосинтеза лимонной кислоты

Изобретение относится к биотехнологическому производству пищевых кислот. Биосинтез лимонной кислоты проводят при условии циклической подачи источника углерода в питательную среду, содержащую источники азота и минеральных веществ в условиях аэрации. Объем подачи источника углерода в цикле зависит от скорости роста биомассы и/или скорости биосинтеза лимонной кислоты. Длительность одного цикла 0,5-2 ч. В первом цикле обычно вводят 10-15% источника углерода, далее — в зависимости от вышеуказанных параметров процесса. Технический результат заключается в уменьшении удельного расхода питательной среды при уменьшении ее себестоимости. 5 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области биотехнологического производства пищевых кислот, в частности лимонной кислоты, и может быть применено на биотехнологических предприятиях.

Лимонная кислота в настоящее время является одной из наиболее используемых оксикислот. Она широко используется в пищевой, легкой, электронной, радиотехнической и других видах промышленности. Лимонная кислота может быть получена как химическим, так и биохимическим путем. Общеизвестно, что химический синтез лимонной кислоты (как из органического, так и неорганического сырья) экономически не целесообразен как из-за высокой стоимости и сезонности сырья, так и из-за нетехнологичности способов синтеза. В настоящее время практически всю лимонную кислоту получают биотехнологическим способом, используя в качестве сырья отходы сахарного производства и продукты переработки нефти. Известен, в частности, способ синтеза лимонной кислоты (US, патент N 4389484, кл. C 12 P 7/48, 1983), согласно которому на питательной среде, содержащей источники углерода, азота и минеральных веществ, выращивают дрожжи Candida в условиях аэрации и перемешивания с последующим выделением лимонной кислоты традиционным путем. Недостатком известного способа следует признать излишний расход питательной среды, в частности источника углерода, и, следовательно, повышение себестоимости лимонной кислоты при уменьшении процента выхода лимонной кислоты.

Техническая задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, состоит в повышении удельного выхода лимонной кислоты.

Технический результат, получаемый в результате реализации изобретения, состоит в уменьшении удельного расхода питательной среды при уменьшении ее себестоимости.

Способ биосинтеза лимонной кислоты согласно предлагаемому изобретению включает в себя выращивание микроорганизмов на питательной среде, содержащей источники углерода, азота и минеральных веществ в условиях аэрации и перемешивания с последующим выделением лимонной кислоты, причем источники азота и минеральных веществ вводят в зону реакции единовременно, а источник углерода вводят в зону реакции циклически, при этом количество источника углерода, подаваемое в течение одного цикла зависит от скорости образования биомассы и/или скорости синтеза лимонной кислоты. Предпочтительно биосинтез лимонной кислоты проводят при содержании репродуцирующих веществ примерно 1,0%. Время цикла зависит от используемой культуры микроорганизмов, вида источников углерода и обычно составляет 1 — 2 ч. Как следует из опыта работы на первых циклах предпочтительно при определении объема подаваемого источника углерода учитывать скорость роста биомассы, а для последующих циклов предпочтительно учитывать скорость синтеза лимонной кислоты. Преимущественно скорость роста биомассы следует учитывать на первых трех циклах. Предпочтительно в первом цикле ввести 5 — 10% от необходимого объема источника углерода.

Заявитель отмечает, что совокупность признаков, введенная им в независимый пункт формулы изобретения, необходима и достаточна для получения указанного технического результата. Признаки, введенные заявителем в зависимые пункты формулы изобретения, развивают и дополняют признаки, введенные в независимый пункт формулы, незначительно усиливая технический результат. Признаки, введенные заявителем в зависимые пункты формулы изобретения, характеризуют некоторые варианты реализации изобретения, не исчерпывая при этом всех возможных вариантов.

Пример 1. В посевном ферментере обычным образом выращивают культуру мицелия Aspergillus Niger. В основной ферментатор подают стерилизованный концентрат минеральных веществ в виде концентрированных растворов FeSO₄, ZnSO₄, (NH₄)₂SO₄, KH₂PO₄, MgSO₄ 7H₂O. Концентрат разбавляют водой до содержания солей, г/л: (NH₄)₂SO₄ — 2,0, KH₂PO₄ — 2,0, MgSO₄ 7H₂O — 0,5, FeSO₄ — 0,001. Затем в ферментатор вводят подготовленный раствор сахара в количестве 30% от необходимого количества. В ферментатор вводят посевной материал грибов Aspergillus niger ВКПМ F-722 и ведут выращивание при T = 30 o C, аэрации 0,6 м 3 /ч, перемешивании, далее сахар вводят циклически с длительностью цикла 1,5 ч, в течение первых 3-х циклов было подано 20% сахара от общего количества так, чтобы остаточное количество сахара не превышало 1%, далее сахар вносили циклически, амплитуда цикла зависела от скорости биосинтеза лимонной кислоты. В результате была синтезирована лимонная кислота с выходом 120% от поданного углеродного субстрата.

Пример 2. В посевном ферментере обычным образом выращивают культуру дрожжей Candida lipolytica ВКПМ — 2706 и при этом время цикла составляло 0,5 ч, остаточное количество сахара не превышало 0,5%. Выход лимонной кислоты составил 92%.

Приведенные примеры не ограничивают область применения способа.

1. Способ биосинтеза лимонной кислоты, включающий проведение ферментации на питательной среде, содержащей источники углерода, азота и питательных минеральных веществ, в условиях аэрации и перемешивания с последующим выделением лимонной кислоты, отличающийся тем, что источник углерода подают в процесс ферментации циклически, причем количество источника углерода, подаваемое за каждый цикл, меняют в зависимости от скорости образования биомассы и/или от скорости биосинтеза лимонной кислоты.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс ведут при остаточной концентрации редуцирующих веществ в среде 0,5 — 1,0%.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что длительность цикла составляет 0,5 — 2 ч.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что расход источника определяют в первых циклах по скорости образования биомассы.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что расход источника углерода по скорости образования биомассы определяют на первых трех циклах.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в первом цикле вводят 10 — 15% источника углерода.

Источник

Производство лимонной кислоты: подготовка, процесс и получение продукта

Лимонная кислота была открыта несколько сотен лет назад, но об истории ее полноценного производства на промышленных мощностях можно говорить лишь начиная с 1919 года. С этого момента технологи стали применять микробиологические процессы, развитие которых не останавливается по сей день. При этом современное производство лимонной кислоты неоднородно и предполагает разные способы изготовления конечного продукта. Выбор того или иного метода определяется не только характеристиками сырьевых ресурсов конкретного предприятия, но и требованиями целевого рынка потребления.

Общие сведения о лимонной кислоте

В качестве регулятора кислотности данный продукт активно применяется в пищевой промышленности. Но лимонную кислоту задействуют не только в целях коррекции вкуса. В зависимости от технологии изготовления она может увеличивать срок годности целевого продукта. С этой точки зрения производство лимонной кислоты в России можно ставить в один ряд с технологиями изготовления аскорбиновой, уксусной и молочной кислотами, а также с их производными.

Как отмечают специалисты, благодаря своим качествам антиокислителя и синергиста антиокислителей, лимонная кислота сегодня используется едва ли не в половине всех выпускаемых продуктов пищевой промышленности. Популярности данного подкислителя способствуют и ее гастрономические свойства. У этой кислоты приятный и мягкий вкус – во всяком случае, если сравнивать с альтернативными продуктами данного типа. Особенно эти качества проявляются в напитках и кондитерских изделиях. Существует и широкая группа солей, которые получают в условиях микробиологического производства лимонной кислоты – в частности, цитрат натрия далее может использоваться как соль-плавитель. К преимуществам лимоннокислого натрия относят возможность его получения в твердой форме, а также исключение раздражающего эффекта при воздействии на слизистые оболочки систем пищеварения и дыхания.

Промышленное производство продукта

Название лимонной кислоты обращает внимание на цитрусовые, однако, эта кислота в разной степени присутствует во всех фруктах, хлопчатнике и хвое. И все же первые производства были организованы именно на базе переработки лимонного сока. В 1920-х годах таким образом получали примерно 25% всей продукции. При этом сама технология изготовления была нерациональной, так как из 1 т лимонов получалось около 25 кг чистого продукта. Сегодня же производство пищевой лимонной кислоты организуется на более технологичных и ресурсоемких методах, предполагающих использование и принципиально новых добавок наподобие патоки и плесневых грибков. Этим, к слову, обуславливаются и логистические решения о расположении производств лимоннокислого натрия рядом с заводами по изготовлению сахара.

В то же время нельзя сказать, что такого рода производства оправдывают себя по определению в условиях высокого спроса. Дело в том, что по мере повышения технологичности производственного процесса усложняется и оборудование, а это означает увеличение расходов на техническое оснащение и содержание мощностей. Поэтому без продуманного бизнес-плана по производству лимонной кислоты, в котором бы указывались все аспекты организационно-хозяйственной деятельности предприятия не обойтись. Наряду с проектным решением по оснащению производственным оборудованием и разработкой логистических моделей с экономическим обоснованием также потребуется определение оптимальной рецептуры конечного продукта, чтобы он мог конкурировать в определенной нише на рынке. К этому стоит добавить и поправку на жестких санитарно-гигиенических нормативах, которые регулируют практически все технологические нюансы получения данной кислоты.

Физико-химическое представление технологии

Современные процессы производства лимонной кислоты в основном строятся на гидролизе крахмальной суспензии, включающей до 30% массы сухих элементов с амилолитической способностью. К ним может добавляться крахмал минеральных солей с сульфатами меди, цинка и железа. Данная основа в последующем проходит ферментацию в питательной среде плесневым грибом.

В результате ферментации и выделения грибковой биомассы формируется культуральный раствор, в котором изначально содержится до 85% лимонной кислоты. Характерной особенностью полученных на этом этапе кислотоустойчивых ферментов является повышенная амилолитическая активность. Прежде всего, это касается глюкоамилазы и амилазы.

Технический результат производства лимонной кислоты после прохождения вспомогательных операций оценивается в лабораторных условиях широким спектром показателей качества, среди которых амилолитическая активность культурального раствора.

Технологии изготовления «лимонки»

Процесс производства выполняется в несколько технологических этапов на разном оборудовании. Хотя существуют разные конфигурации обустройства заводских мощностей – в том числе моноблочные и сборные модульные. Среди основных же процессов, на которых строится современная технология производства лимонной кислоты, можно выделить следующие:

1. Оптимизированные процессы технологической подготовки сырьевых материалов для обеспечения необходимых условий для кислотной среды брожения.
2. Размножение спор в специально организованных условиях.
3. Процесс брожения в соответствии с характеристиками конкретных сырьевых материалов.
4. При необходимости выполнение адаптации всех или отдельных сырьевых материалов для процессов брожения.
5. Отделение кислоты от ферментационных растворов. К слову, методы сепарации в значительной степени определяют конечное качество продукта.
6. Очистка и кристаллизация полученной кислоты. На этом этапе открываются возможности для модификации продукта и производства других версий кислоты в разных конфигурациях. Например, в рамках общего производства лимонной кислоты могут выпускаться сиропы, моногидрат, обезвоженные составы и дигидрат цитрата натрия. Также может регулироваться содержание химикатов.

Оборудование для производственного процесса

Оптимизированный формат технического обустройства современных заводов по выпуску лимонной кислоты предусматривает использование биотехнологических установок. В среднем мощности такого решения по расчету объема выпуска составляют 200-250 т/год, при этом оставляя широкие возможности для получения модифицированных продуктов на основе разных источников сырья. В базовый состав данного оборудования для производства лимонной кислоты входят следующие реакторные и емкостные устройства:

1. Ферментеры.
2. Выпарные аппараты.
3. Фильтры.
4. Сушилки.
5. Кристаллизаторы.
6. Инфраструктура для обеспечения логистических операций.

Реализация проекта биотехнологической установки позволяет обеспечивать полный производственный цикл, локально снабжая региональных потребителей в полном объеме с минимальным привлечением теплоэнергетических ресурсов.

Аппаратурно-технологическое решение такого типа отличается использованием штаммов-продуцентов, что обуславливает изначально низкую себестоимость продукта. Данная технология производства лимонной кислоты также характеризуется приемлемым уровнем экологической чистоты для окружающей среды и токсической безопасностью для рабочего персонала.

Что касается качества выпускаемого продукта, то оно соответствует мировым стандартам пищевой промышленности. Другое дело, что возможен и выпуск технического продукта, предназначенного, в частности, для моющих средств.

Подготовка сырья для производства лимонной кислоты

Исходные материалы поступают в производственный процесс после специальной обработки. Ее способ и параметры проведения определяются не только свойствами сырья, но и требованиями к продукту. Также берется во внимание возможность изготовления производных продуктов из лимоннокислого натрия.

Так или иначе, основным сырьем для производства лимонной кислоты является меласса, содержащая оптимальный коэффициент железа. Что касается ее переработки, то главным этапом в этом процессе является предферментация, необходимая для осаждения состава посредством желтой кровяной соли. Без переработки в дальнейшем эта соль в кислоте может выступать ингибитором изоцитратдегидрогеназов.

Еще одним компонентом, который может использоваться в качестве сырьевой основы, является грибок Аспергиллиус Нигер. Возникает вопрос – почему в условиях современных технологий для производства лимонной кислоты используют гриб из плесени? Чаще всего его применение требуется для обеспечения функции продуцента. Его химическая формула оптимально подходит для проведения сразу нескольких процессов, которые невозможны или технологически неоправданны при использовании синтетических заменителей. В частности, речь идет о растворении, солификации и последующих процедурах сепарации и очистки.

Специальная подготовка сырья требуется и в процессах выпуска модифицированных производных из лимонной кислоты. В данном случае также могут применяться дополнительные включения, среди которых этиловый спирт, технические и этанолсодержащие полупродукты с отходами спиртовых заводов. В свою очередь, производство лимонной кислоты из мелассы будет дополняться процессами осветления гексацианоферратом, стерилизацией и кипением.

При использовании гидрализатов крахмала с умеренным содержанием примесей подготовка сырья должна будет включать процедуру декатионизации и операцию стерилизации в непрерывном режиме.

Организация процесса размножения спор

Для эффективного проведения микробиологических процессов требуется качественно подготовленный посевной материал. При синтезе кислоты данный материал в виде спор вносится в бродильный чан в самом начале производственного процесса. В оптимизированном виде технология производства лимонной кислоты на основе мелассы отдельно предусматривает этапы подготовки спор для разведения, в рамках которой также выполняется тестирование. Если планируется долгосрочное производство, то споры сушатся. Это необходимо и для длительного сохранения их функциональных качеств, и для успешного проведения дозации.

На следующем этапе подготавливаются субстраты, включающие сахарозу, глюкозу или крахмал. Материалы с содержанием крахмала сначала проходят процедуру осахаривания в целях последующего преобразования в глюкозу, которую используют как производственный штамм.

Поскольку уровень примесей на всех этапах переработки сырья и субстратов может быть чрезмерно высоким, многие производители разрабатывают и специальные методики для первичной очистки данных материалов. Например, глубокая переработка гидролизата крахмала для лимонной кислоты в пищевом производстве может включать операции обессоливания. К универсальным и наиболее доступным методикам очистки от примесей можно отнести те же процедуры стерилизации и кипения с механической фильтрацией.

Процесс брожения и выделение кислоты

В современных технологиях обеспечения процесса брожения применяются специальные барботажные ферментеры, которые отбирают по подготовленным штаммам рассмотренного выше плесневого грибка. Подбор осуществляется вместе с тестированием по определенным параметрам, что позволяет организовывать брожение по индивидуальным конфигурациям с учетом особенностей применяемого сырья. В наиболее технологичных процессах производства лимонной кислоты также задействуются инструменты регуляции метаболической активности барботажных микроорганизмов.

На этапе выделения кислоты стоит задача получить раствор из ферментационной среды с начальным уровнем очистки. В целях повышения степени очистки генерирующая смесь должна быть соответствующим образом подготовлена. В частности, она подвергается следующим процессам предварительной обработки:

1. Процедура сепарации и осаждения.
2. Операция отделения мицелия.
3. Отделение сульфата кальция и разложение ферментационной массы.

Для сепарации сухих остатков на современных производствах применяются ленточные фильтры с автоматическим управлением. Также и для организации процессов фильтрации осадка задействуются специальные центрифуги и сепараторы с электронными системами регуляции, что повышает точность переработки материала.

Очистка полученной лимонной кислоты

Завершающая стадия производства, включающая в себя комплексную обработку уже полученного продукта. В этом процессе применяется активированный уголь с анионо- и катионообменными смолами. Технология такой очистки реализуется в реакторах с неподвижным слоем в несколько этапов:

1. Процесс выпаривания под определенной температурой.
2. Кристаллизация в вакууме.
3. Отсев кристаллов в установке центрифуги.
4. Сушка с применением псевдоожиженных слоев.
5. Процедура просеивания.

Выпаривание производится в выпарном многоступенчатом агрегате с падающей жидкостной пленкой. В результате этого процесса происходит достижение необходимого коэффициента выпарки без снижения потребительских свойств лимонной кислоты. Расход энергетических ресурсов на этом этапе может значительно сокращаться благодаря обеспечению тепловой компрессии на парах.

Что касается кристаллизации, то данный процесс производства лимонной кислоты выполняется с принудительной циркуляцией. В некоторых технических конфигурациях заводов пищевой промышленности вакуум-кристаллизаторы проектируются на одной конструкционной базе вместе с аппаратами для получения модифицированных и производных лимоннокислого натрия. К примеру, аналогичное оборудование используется при получении обезвоженных продуктов и моногидрата лимонной кислоты.

Не последнее значение на этапе очистки имеет и операция рециркуляции ферментационного раствора, при которой происходит отделение маточных ферментов от кристаллосодержащей суспензии. Технически данную процедуру реализует центрифуга с непрерывным действием, что дает возможность тонкого контроля характеристик конечной продукции.

Заключительные процессы осушки и просеивания требуют деликатности в обращении с полученным и очищенным продуктом. На данном этапе будут играть роль и требования к форме выпуска лимонной кислоты – например, фракционирование выполняется в соответствии с проектным размером частиц.

Отечественный рынок лимонной кислоты

К основным участникам данного сегмента на российском рынке пищевой промышленности можно отнести производителей из Китая, контролирующих практически половину всех объемов выпуска. Но существенная доля приходится и на российские заводы по производству лимонной кислоты, особое место среди которых занимает предприятие «Цитробел», расположенное в Белгороде. Собственно, это едва ли не единственный отечественный комбинат с мощностями мирового масштаба. Активно сотрудничают коммерческие организации пищевого сектора и с заводами ближнего зарубежья. В этом направлении выделяются украинские и белорусские сахарные заводы, расположенные в Смеле и Скиделе соответственно.

По словам специалистов, российская лимонная кислота отвечает нормативным требованиям ГОСТа и стандартам оформления тары. Это одно из преимуществ, которое позволяет успешно конкурировать отечественным заводам по производству лимонной кислоты в России с китайскими предприятиями. Так, по сравнению с «Цитробелом», который обеспечивает поставки лимонной кислоты стабильно высокого качества, производители из Поднебесной далеко не всегда гарантируют соответствие продукции жестким стандартам, что отражается и на ценах. Разница определяется уровнем производителя и торговой сети. При этом даже в поставках от крупных компаний характеристики лимонной кислоты в одной партии неоднородны и могут варьироваться. Это подтверждается и в отзывах потребителей, где отмечаются претензии к растворимости и влажности продукта.

Заключение

На сегодняшний день объем производства мировых изготовителей лимонной кислоты составляет порядка 800 000 т/год. Столь высокая отдача данного сектора обуславливается тем, что в применении подкислителей заинтересован целый ряд отраслей, среди которых и традиционные сегменты пищевой промышленности, и химико-фармацевтическая сфера. Более того, производные подобных кислот сегодня находят применение даже в оборонной и электронной отраслях, не говоря о сельском хозяйстве и других направлениях промышленности, где востребована техническая функция лимоннокислотных ферментов. В этом отношении можно отметить практику использования цитрата натрия в качестве заменителя активных технологических добавок и синтетических моющих средств.

Если же говорить о производстве лимонной кислоты в России, то на уровне правительства последние годы были предприняты шаги по защите отечественного рынка с целью стимуляции предприятий, работающих в данной сфере. Но поскольку Белгородский комбинат остается единственным крупным поставщиком лимонной кислоты, временами наблюдается и нехватка продукта. В качестве выхода специалисты предложили изменение таможенных правил, в рамках которых приоритет на ввоз иностранных подкислителей отдавался европейским компаниям, гарантирующим надлежащее качество продукта. Лимонная кислота от крупных производителей биохимии из Японии, Швейцарии и Германии по качеству превосходит отечественные продукты, но цены на нее слишком высоки, поэтому завод «Цитробел» по-прежнему сохраняет конкурентоспособность без ущерба для нужд потребителей.

Источник