О.В. Мосин
Лимонную кислоту широко используют в пищевой, медицинской, фармацевтической, лакокрасочной промышленности и в некоторых других отраслях народного хозяйства.
Около 60 лет назад лимонную кислоту выделяли преимущественно из плодов цитрусовых растений. Теперь же основную массу ее производят с помощью определенных штаммов плесневого гриба Aspergillus niger. В настоящее время ведущими производителями лимонной кислоты являются КНР, США, Франция, Россия и некоторые другие страны. Ранее, начиная с 1917 г., производство лимонной кислоты было основано на поверхностном культивировании микроба-продуцента; в 1938-1942 гг. освоено также глубинное культивирование в герметичных ферментаторах. Благодаря этому удалось механизировать и автоматизировать процесс, эффективнее использовать производственные площади и снизить себестоимость целевого продукта, сократить общую продолжительность технологического цикла, облегчить поддержание асептичности в производственных условиях.
Ныне в производстве применяют селекционированные штаммы A. niger, дающие выход лимонной кислоты 98-99% в расчете на потребленную сахарозу и обладающие повышенной осмотолерантностью (при начальных концентрациях сахара в питательной среде порядка 12%).
Лимонная кислота, как трехосновная оксикарбоковая кислота, наряду с глюконовой, фумаровой и другими, является интермедиатом метаболизма в цикле трикарбоновых кислот, когда имеет место неполное окисление соединений углерода в аэробных условиях. Ее сверхсинтез возможен при лимитировании гриба — продуцента по железу и фосфору, при одновременном избытке в среде источника углерода и при низких значениях рН. Лимонная кислота накапливается вначале в клетках продуцента, а затем выделяется в культуральную среду.
Вышеперечисленные факторы ингибируют такие ферменты, как аконитат-гидратазу, изоцитратдегидрогеназу и, возможно, -кетоглутаратдегидрогеназу. Поэтому не происходит полного метаболизма лимонной кислоты в ЦТК и ее можно получать в достаточно больших количествах с коммерческими целями.
Поскольку основным сырьем для производства лимонной кислоты является меласса, в которой содержится много железа, то на стадии предферментации необходимо его осадить с помощью желтой кровяной соли — Kd [Fe(CN6)J. К тому же доказано, что эта соль и лимонная кислота в клетках выступают ингибиторами изоцитратдегидрогеназы.
Известны два способа ферментации Aniger — поверхностный и глубинный. Первый из них реализуют на предприятиях малой и средней мощности в виде жидкофазной ферментации на жидкой среде (например, в ряде стран Европы и Америки) и в виде твердофазной ферментации (например, в Японии) на уплотненной среде. Технологическая схема жидкофазной ферментации представлена по Р. Я. Карклиныпу и А. К. Пробоку (1972) на рис. 1.
В отдельном цехе осуществляют наработку спор (конидий) гриба в виде трехстадийной схемы. В первую стадию A.niger выращивают на скошенной агаризованной среде (например, на сусло-агаре) в пробирках, во вторую и третью стадии его размножают на плотной или жидкой среде соответственно в колбах Эрленмейера или в алюминиевых кюветах площадью 8,5-12 дм2 и с высотой бортиков от 7 до 20 см. Продолжительность каждой стадии — от 2 до 4 суток при температуре 32?С. При образовании и созревании конидий вначале бесцветный мицелий становится затем черным; конидии собирают по принципу аспирации (по лат. aspiratio — вдыхание, надувание) специальным вакуумным насосом, подсушивают в термокамере при 28-30?С, смешивают со стерильным активированным углем (1:2), фасуют в стерильные флаконы (колбы) и хранят в течение от полутора до двух лет. С 10 дм2 питательной среды в кюветах можно получить до 4-5 г сухих конидий. Подобный посевной материал может быть самостоятельным коммерческим продуктом, поставляемым на заводы лимонной кислоты.
Поверхностный, способ жидкофазной ферментации A.niger для промышленного производства лимонной кислоты реализуют в «бродильных камерах», где размещают на стеллажах названные выше кюветы (8-10 штук на один стеллаж) одну над другой. На дне каждой кюветы имеется сливной штуцер. «Бродильные камеры» оборудованы приточно-вытяжной вентиляцией, обеспечивающей равномерный приток стерильного воздуха заданной температуры и влажности (3-4 м3/м2 мицелия x ч -1). Температура в камерах поддерживается на уровне 34-36?С, высота питающего слоя жидкой мелассной среды 6-12 см. Максимальное тепловыделение (500-550 кДж/м2 x ч) имеет место к 5 суткам; исходная концентрация Сахаров в питательной среде в среднем порядка 12%; начальное значение рН 6,8—7,0 снижается до 4,5 в течение первых трех суток и до 3,0 — к концу процесса (8-9 сутки). Максимальное кислото-образование в таких условиях происходит на 5-6 сутки (100-105 г/м2 пленки гриба-ч -1, а затем стабильно удерживается на уровне 50-60 г/м2x ч1.
Из трех вариантов проведения технологического процесса (периодический, или бессменный; сменный и доливной) наилучшим оценивают доливной, когда через б-7 суток от начала процесса ферментации (концентрация сахара снижается до 3-4%) подливают стерильный раствор мелассы без питательных солей — 30-35% начального объема (не забывать рационально использовать объем кювет при первоначальном заполнении питательной средой с учетом ее испарения). Таким путем добиваются продления цикла ферментации до 12 суток, а с этим на 30-35% возрастает количество перерабатываемой среды для получения целевого продукта. При сменном (одно- и многосменном) методе кулътуралъную жидкость в конце ферментации сливают из-под пленки, пленку снизу промывают стерильной водой и под нее же заливают свежую стерильную питательную среду, содержащую только углевод и лишенную минеральных солей. Ферментацию продолжают еще 4-6 суток.
В собранной культуральной жидкости содержится смесь органических кислот — лимонная, глюконовая, щавелевая и неиспользованный сахар в примерном соотношении 45-50:3:1:7, то есть лимонная кислота составляет от 80 до 90%. Ее выделяют химическим путем — добавляют к нагретой до 100?С культуральной жидкости известковое молоко — Са(ОН)2 или мел — СаСО3, доводя рН до 6,8-7,0; это количество составляет примерно 2,5-3%; трехзамещённый кальция цитрат, хуже растворимый в горячей воде, чем в холодной, выпадает в осадок вместе с кальция оксалатом (кальция глюконат остается в растворе); осадок отфильтровывают, промывают горячей водой и гидролизуют серной кислотой. Свободная лимонная кислота остается в растворе, а негидролизованный кальция оксалат и образовавшийся гипс — CaSO4 остаются в осадке. Раствор лимонной кислоты очищают, подвергают вакуум-упариванию и кристаллизуют. Кристаллы кислоты высушивают и фасуют (Рис.1).
Рис. 1. 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 — нутч-филь-тры, 9 — расщепитель, 11 — сбор-ник-монтежю, 12 — вакуум-аппарат, 13-дисольвер, 14 — фильтр-пресс, 15 — кристаллизатор, 16 — приемник, 17 — сушилка, 18 — готовая продукция, 19 — сборник фильтрата.
Мицелий продуцента либо используют для выделения фермента пектиназы, либо высушивают и поставляют на корм скоту и домашней птице (желательно — в обезвреженном — убитом виде); наконец, он может быть использован, как источник флавинов.
Твердофазная ферментация на уплотненных средах для получения лимонной кислоты — наиболее простой способ из всех известных, ферментацию определенного штамма A.niger, резистентного к высоким концентрациям металлов (особенно — железа), содержащихся в семенах злаковых растений, проводят на увлажненных отрубях риса или пшеницы, находящихся в кюветах. Условия биосинтеза кислот при этом аналогичны условиям на агаризованных или в жидких питательных средах. После окончания процесса отруби экстрагируют водой, куда переходят кислоты, а затем выделяют цитрат кальция и чистую лимонную кислоту согласно схеме, изложенной выше.
Общая технологическая схема получения лимонной кислоты при глубинной ферментации A.niger приведена на рис. 2.
Рис. 2. Технологическая схема получения лимонной кислоты при глубинной ферментации продуцента: 1 — емкость с мелассой, 2 — приемник мелассы, 3 — весы, 4 — варочный котел, 5 — центробежный насос, 6 — промежуточная емкость, 7 — стерилизующая колонка, 8 — выдержива-тель,9—холодильник, 10 — посевной аппарат, 11 — головной ферментатор, 12 — стерилизующие фильтры, 13 — емкость для хранения мелассы, 14 — промежуточный сборник, 15 — барабанный вакуум-фильтр, 16 — приемник для мицелия, 17 — вакуум-сборник для мицелия, 18 — вакуум-сборник фильтрата культуральной жидкости,
Согласно подсчетам глубинный метод экономически выгоден в тех случаях, когда мощность завода превышает 2,5 тыс. тонн лимонной кислоты в год, в противном случае поверхностный метод оказывается предпочтительнее из-за меньших энергозатрат и себестоимости продукции.
Лимонную кислоту можно получать из н-парафинов с помощью дрожжевых организмов рода Candida — C.lipolytica, C.tropicalis, C.parapsilosis, C.oleophila, C.guilliermondii, C.zeylanoides. Наиболее активными из них являются дрожжи C.lipolytica. К тому же другие виды (кроме C.oleophila) относят к разряду условно патогенных.
Кроме лимонной дрожжи образуют на н-алканах Tpeo-Ds-изо-лимонную, представляющую собою геометрический изомер лимонной кислоты.
При лимитировании продуцента в азоте, фосфоре, сере и магнии, но при избытке в среде парафина, можно наблюдать сверхсинтез равных количеств обоих изомеров. Методами генетики и селекции получены мутанты, синтезирующие лишь один какой-либо изомер лимонной кислоты. Накопление целевого продукта может достигать 200 г/л и выше при выходе кислоты от использованного парафина более чем 140%.
Культивирование C.lipolytica проводят в ферментаторах при интенсивных перемешивании и аэрации среды. В нашей стране отработаны методы получения лимонной и изолимонной кислот на н-алканах. Большая заслуга в этом принадлежит Т. В. финогеновой. Получаемые технические соли цитраты и изоцитраты имеют важное значение при изготовлении, например, моющих и других веществ.
Биотехнология/под ред. И. Хиггинса, Д. Беста, Дж. Джонса/перевод с английского/под ред. А. А. Баева. — М.: Мир, 1988. — 479 с.
Биотехнология микробного синтеза/под ред. М. Е. Бекера — Рига: Зинатне, 1980. — 350 с.
Воробьев Л. И. Техническая микробиология. — М.: Высшая школа, 1987. — 94 с.
Д е б а б о в В. Г., Лившиц В. А. Биотехнология. — М.: Высшая школа, 1988.
Кн. 2. Современные методы создания промышленных штаммов микроорганизмов. 1988. — 208 с.
Промышленная микробиология и успехи генетической инженерии. Сборник: перевод с английского под ред. Г. К- Скрябина. — М.: Мир, 1984. — 172 с.
Смирнов В. А. Пищевые кислоты. — М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983. — 240 с.
Basic biotechnology Ed. by John Bu’Lock and Bjern Kristiansen.- Acad. Press, London, Orlando San Diego, New York, Austin, Boston, Sydney Tokio, Toronto, 1987. — 561 p.
Источник
Поверхностный способ получения лимонной кислоты
Завод лимонной кислоты состоит из трех основных цехов: спорового, бродильного и химического. В споровом цехе происходит размножение чистой культуры плесневого гриба Аспергиллюс нигер. В бродильном цехе готовят сахарный сироп и сбраживают его в лимонную кислоту. В химическом цехе сброженный раствор подвергают химической обработке для выделения из него кристаллической лимонной кислоты.
Бродильный цех состоит из варочного, стерилизационного, бродильного, мицельного отделений и отделения сборников. В варочном отделении готовят концентрированный 40-50%-ный сахарный сироп. Для этого служит варочный котел, изготовленный из нержавеющей стали и имеющий мешалку и барботер острого пара. В варочный котел набирают водопроводную воду и нагревают ее до 80-90° С пропусканием пара через барботер. В горячую воду засыпают такое количество сахара, чтобы получить 40-50%-ный раствор, и кипятят его в течение 5 мин, после чего перекачивают центробежным насосом в стерилизационное отделение.
В стерилизатор поступают вместе с сиропом питательные соли. В качестве питания применяют водные растворы хлористого аммония, сернокислых солей и фосфорнокислого калия. После размешивания растворы кипятят 3-5 мин. После кипячения в стерилизатор добавляется холодная вода, которая разбавляет сироп до заданного объема и охлаждает его. Температура сиропа после разбавления должна быть 35-38°С. Затем добавляют крепкую соляную кислоту для подкисления и раствор тщательно перемешивают.
После приготовления питательного раствора его засевают спорами плесневого гриба, выращенного в споровом цехе, из расчета 350- 400 тыс. спор на 1 см 3 среды. После засева питательный раствор тщательно перемешивают и направляют в бродильное отделение, где разливают по кюветам. Кюветы устанавливают в специальных бродильных камерах, в которых поддерживают температуру 34-36°С.-При этой температуре на питательном растворе вырастает пленка гриба. Рост пленки идет 36-48 ч. Когда питательная среда покроется достаточно зрелой пленкой, раствор из-под нее сливают и заменяют бродильным раствором. Последний отличается от питательного тем, что почти не содержит питательных солей. Сахара в нем 13,5-15%. Из питательных солей в нем содержится только хлористый аммоний, который способствует процессу образования лимонной кислоты.
Под действием плесневого гриба сахар бродильного раствора превращается в лимонную кислоту. Сброженный раствор время от времени сливают из-под пленки в сборники и заменяют свежим бродильным раствором. Такой способ лимоннокислого брожения называют сменным. Он применяется при сбраживании растворов, приготовленных из сахара. Брожение идет при 32°С в течение 14-16 сут. Бродильные растворы меняют 8-12 раз. По окончании брожения сброженный раствор из-под пленки сливают, пленку удаляют с кювет, а камеру моют и стерилизуют.
Сброженные растворы из отделения сборников поступают в химический цех для выделения кристаллической лимонной кислоты. В химическом цехе раствор подается насосом в нейтрализатор и нагревается острым паром до кипения. Кипящий раствор нейтрализуют мелом, и лимонная кислота в виде цитрата кальция выпадает в осадок:
Нерастворимый осадок цитрата кальция отделяется от маточного раствора фильтрацией через нутч-фильтр. В фильтрате остается 5-7% сахара. Фильтрат сгущают и направляют в бродильное отделение. Цитрат кальция обрабатывают серной кислотой. В результате реакции образуется гипс и лимонная кислота
Для осветления полученного раствора, содержащего красящие вещества, в него добавляют активированный уголь в количестве 2% от массы лимонной кислоты. Активный уголь загружают после введения в раствор 95% расчетного количества серной кислоты. После этого реакционную массу нагревают до кипения и кипятят 15 мин. При этом образуется раствор лимонной кислоты и осадок гипса.
Раствор лимонной кислоты отделяют от гипса и других побочных продуктов на фильтрах. После фильтрации раствор упаривают в вакуум-аппарате до концентрации лимонной кислоты 80% вес. Упаренный раствор поступает в кристаллизатор, где после охлаждения до 8-12°С выкристаллизовывается лимонная кислота. После удаления маточного раствора кристаллы на центрифугах промывают холодной водой и сушат. Сушка производится в камерных сушилках при 35°С. Высушенные кристаллы просеивают на механических ситах и расфасовывают.
Схема производства лимонной кислоты:
Приготовление сахарного сиропа → стерилизация → охлаждение → лимоннокислое брожение → нейтрализация сброженных растворов → фильтрация → разложение цитрата кальция → осветление лимонной кислоты → фильтрация → упаривание в вакуум-аппарате → кристаллизация лимонной кислоты → центрифугирование → сушка → расфасовка
Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ — конструкции, предназначенные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.
Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.
Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.
Источник
