5. Технологический процесс производства продукции

Процесс производства лимонной кислоты включает все основные стадии микробиологической технологии: 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.

Посевной

материал

Питательная

среда

Стерильный

воздух

Ферментация t = 31-32°С

Мицелий

(на корм скоту)

Ф ильтрование

Известковое

молоко (рН = 6)

Нейтрализация культуральной жидкости t = 90°С

Фильтрат

Ф ильтрование

Горячая вода

t = 90°С

П ромывка кристаллов цитрата и оскалата кальция

Серная кислота

5 – 10 г/л

Активированный уголь

Р азложение цитрата кальция

Гипсовый шлам

Ф ильтрование

Пар

Первое упаривание раствора лимонной кислоты ρ = 1260-1280 кг/м3, Р = 80 кПа

Гипс

Ф ильтрование

В Пар торое упаривание раствора лимонной кислоты ρ = 1370 - 1380 кг/м3, Р = 80 кПа, концентрация 69 – 71 %

Маточный раствор

Холодная вода

К ристаллизация τ = 30 мин

Фугат

Ц ентрифугирование Вкр = 2 – 3 %

Холодная вода

Горячий воздух

t = 35 °С

П ромывка и сушка кристаллов

Упаковывание и хранение лимонной кислоты М = 10 – 100 г

Подготовка питательной среды. В состав питательных сред, используемых для ферментации, входят растворы мелассы и минеральных веществ. Все компоненты питательных сред подвергаются стерилизации.

Приготовление мелассных сред различной концентрации заключается в растворении мелассы в воде. Затем величину рН полученного раствора доводят до 6,8−7,2 путем добавления серной кислоты или раствора карбоната натрия, после обработки раствор кипятят. Для удаления солей тяжелых металлов в мелассную среду вносят растворы трилона Б и др. Далее добавляют растворы солей (КН₂РО₄, ZnSО₄) и стерильную воду для доведения концентрации среды до необходимой величины.

Получение посевного материала. Посевной материал для глубинной или поверхностной ферментации готовят централизованно. Он пред- ставляет собой конидии производственного штамма А. niger, обладающие высокими всхожестью, продуктивностью, не содержащие посторонней микрофлоры.

Посевной материал получают размножением конидий на сусло-агаровых средах в стерильных условиях.

Ферментация. Ферментация мелассных сред в процессе производства лимонной кислоты может быть осуществлена глубинным или поверхностным способом.

Глубинная ферментация. Способ глубинной ферментации включает выращивание мицелия и основную ферментацию.

Ферментатор представляет собой стальной вертикальный цилиндрический сосуд, снабженный водяной рубашкой, устройствами для подачи воздуха и перемешивания культуральной жидкости.

Мицелий выращивают в посевном ферментаторе, объем которого составляет 10 % объема основного ферментатора. При этом к 3 %-й мелассной питательной среде температурой 35−36 °С добавляют суспензию конидий, которую готовят предварительно за 5−6 ч, смешивая сухие конидии с мелассной средой и выдерживая в термостате при 32 °С. Мицелий выращивают при непрерывном перемешивании и аэрации среды. Температура выращивания составляет 34−35 °С. Количество воздуха, подаваемого для аэрации среды, увеличивают в процессе роста мицелия. В процессе выращивания периодически осуществляют контроль чистоты культуры. Продолжительность выращивания мицелия может составлять до 36 ч.

Основную ферментацию проводят в ферментаторах вместимостью 50 или 100 м³. Готовят стерильную мелассную питательную среду 3 %-й концентрации температурой 32−33 °С, из посевного ферментатора поступает подросший мицелий. В течение первых трех суток после засева мицелий разрастается, начинается интенсивное брожение, что приводит к снижению содержания сахара в среде. Когда содержание сахара составит 0,4−0,8 %, в ферментатор подливают концентрированную мелассную среду, содержащую 20−25 % сахара. Обычно в процессе ферментации делают 3−4 подлива. Суммарную концентрацию сахара в исходном объеме среды доводят до 12−13 %.

В процессе глубинной ферментации большое внимание уделяют аэрации культуральной жидкости, так как гриб нуждается в постоянном поступлении кислорода и удалении образующегося диоксида углерода.

Температуру среды в процессе ферментации поддерживают в пределах 31−32 °С.

О завершении процесса брожения судят по изменению величины титруемой кислотности культуральной жидкости. Если титруемая кислотность практически не изменяется в течение 4−8 ч, то брожение заканчивают. При этом культуральную жидкость в ферментаторе нагревают паром до 65−70 °С, а затем перекачивают в сборник.

Съем лимонной кислоты, т. е. количество, полученное с 1 м³ объема ферментатора за сутки, составляет 8−10 кг.

Мицелий отделяют и промывают на вакуум-фильтрах. После отделения культуральной жидкости мицелий промывают горячей водой температурой около 100 °С. Содержание кислоты в отмытом мицелии не должно превышать 0,2 %.

Поверхностная ферментация. Ферментацию проводят в закрытых камерах, на стеллажах которых установлены плоские кюветы прямоугольного сечения. Размеры кюветы: длина 7 м, ширина 1,8 м, высота 0,2 м. Кюветы изготовляют из алюминия или нержавеющей стали.

Необходимую температуру в камере поддерживает приточно-вытяжная вентиляция.

Кюветы заполняют мелассной питательной средой, содержание сахара в которой составляет 13−16 %, высота слоя среды 12−18 см. Затем проводят посев сухими спорами гриба А. niger.

Начальный период процесса, продолжающийся около трех суток, включает рост гриба и формирование пленки мицелия на поверхности среды в кювете. При этом поддерживают температуру 33−34 °С.

Ферментацию завершают, когда в среде остается 2−3 % сахара от введенного, кислотность достигает около 20 %. После окончания брожения сливают культуральную жидкость, под пленку мицелия подливают горячую воду для удаления лимонной кислоты. После промывания мицелий снимают с кювет, а культуральную жидкость и промывную воду направляют на выделение лимонной кислоты.

Способ поверхностной ферментации устарел и значительно уступает глубинному способу. Способ глубинной ферментации позволяет обеспечить более высокую скорость брожения, стерильные условия процесса, сокращает затраты ручного труда.

Получение цитрата кальция. Культуральная жидкость содержит лимонную, глюконовую и щавелевую кислоты. Содержание лимонной кислоты от общего содержания кислот составляет при глубинном способе 80−85 %, при поверхностном 97−99 %.

В процессе выделения лимонной кислоты из культуральной жидкости ее осаждают в виде малорастворимого цитрата кальция. Культуральную жидкость обрабатывают известковым молоком до рН выше 6 при температуре 90 °С. Происходит реакция нейтрализации лимонной, глюконовой и щавелевой кислот, в результате образуется осадок цитрата и оксалата кальция. Отделение осадка осуществляют на вакуум-фильтрах. Полученный на фильтре осадок промывают водой температурой не ниже 90 ºС.

Разложение цитрата кальция. Промытый осадок обрабатывают серной кислотой в реакторе из кислотоупорной стали.

В реакторе из осадка готовят суспензию, концентрация которой обеспечит получение 25 %-го раствора лимонной кислоты. Температуру суспензии доводят до 75 °С и добавляют техническую серную кислоту в количестве, обеспечивающим ее избыток в растворе 5−10 г/л. При этом происходит экзотермическая реакция разложения цитрата кальция с образованием лимонной кислоты и осадка сульфата кальция, температура реакционной смеси возрастает примерно до 90 °С.

При поддержании таких условий процесса оксалат кальция остается в осадке, так как для его разложения требуется больший избыток серной кислоты.

После разложения цитрата кальция в реактор добавляют 10 % -й раствор гексациано-(II)-феррата калия или кальция для осаждения ионов трехвалентного железа, в результате чего образуется осадок берлинской лазури. Для осветления раствора лимонной кислоты вносят активированный уголь. Осаждение тяжелых металлов и мышьяка проводят сульфидом бария.

Очистка и выпаривание раствора лимонной кислоты. Осадок отделяют на вакуум-фильтрах, промывают его водой температурой около 90 ºС до содержания лимонной кислоты в промывной жидкости не более 0,1 %. Промывную воду смешивают с фильтратом, среднее содержание лимонной кислоты в смеси должно быть не ниже 16 %.

Полученный раствор лимонной кислоты выпаривают до плотности 1260−1280 кг/м³ в вакуум-аппарате при остаточном давлении около 80 кПа. В процессе выпаривания раствора выпадает осадок сульфата цинка. После выпаривания раствор лимонной кислоты осветляют активированным углем в количестве 1,5−2 % к массе лимонной кислоты в растворе. Активированный уголь и сульфат цинка отделяют фильтрованием.

Осветленный раствор лимонной кислоты поступает на второе выпаривание при остаточном давлении около 80 кПа. Раствор концентрируют до плотности 1370−1380 кг/м³, при этом содержание кислоты в растворе составит 69−71%. Концентрированный раствор фильтруют и подают в кристаллизатор.

Кристаллизация лимонной кислоты. Проводят с охлаждением горячего раствора в кристаллизаторе при непрерывном перемешивании. Пересыщение, необходимое для образования центров кристаллизации, достигается при снижении температуры концентрированного раствора. При температуре около 37°С вносят затравку кристаллов лимонной кислоты в количестве 0,05% к массе раствора. Образование и рост кристаллов происходят при снижении температуры до 8°С. При этой температуре смесь кристаллов и маточного раствора выдерживают 30 мин.

Отделение кристаллов кислоты. Кристаллы отделяют от маточного раствора на центрифугах. Полученные кристаллы опрыскивают водой температурой не выше 35°С для удаления пленки маточного раствора на их поверхности. После центрифугирования влажность кристаллов лимонной кислоты составляет 2−3 %.

Сушка кристаллов. Кристаллы лимонной кислоты сушат в условиях, обеспечивающих удаление поверхностной влаги и сохранение кристаллизационной воды, для чего используют барабанные или ленточные пневматические сушилки, в которых кристаллы высушивают воздухом температурой 35 °С.

Упаковывание и хранение лимонной кислоты. После сушки кристаллы кислоты охлаждают, просеивают и упаковывают. Лимонную кислоту выпускают в упакованном виде, для реализации через розничную торговлю кислоту фасуют по 10−100 г в пакеты из полиэтиленовой пленки или этикетировочной бумаги, ламинированной полиэтиленом, или пакеты из бумаги с вкладышем.

Для поставок на предприятия лимонную кислоту фасуют в льняные продуктовые мешки вместимостью до 40 кг с вкладышем из полиэтиленовой пленки, а также в ящики из гофрированного картона, выстланные под пергаментом.

Лимонную кислоту хранят в закрытых помещениях при относительной влажности воздуха не выше 70 %. Срок хранения лимонной кислоты составляет 6 мес со дня изготовления.