Технологія виробництва лимонної кислоти

Размещено на http://www.allbest.ru

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІНСТИТУТ ЕКОЛОГІЧНОЇ БЕЗПЕКИ

КАФЕДРА БІОТЕХНОЛОГІЇ

КУРСОВА РОБОТА

з дисципліни "Загальна біотехнологія"

на тему: "Технологія виробництва лимонної кислоти"

Виконала: студентка ІЕБ 303 групи,

Гирич Я. А.

Викладач: к.с.-г.н., доцент кафедри

біотехнології Косоголова Л.О.

Київ 2015

Зміст

ВСТУП

РОЗДІЛ 1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ЛИМОННОЇ КИСЛОТИ

1.1 Хімічні та фізичні властивості лимонної кислоти

1.2 Біохімічні основи процесу утворення лимонної кислоти

РОЗДІЛ 2. ТЕХНОЛОГІЯ ВИРОБНИЦТВА ЛИМОННОЇ КИСЛОТИ

2.1 Продуценти лимонної кислоти

2.2 Властивості сировини для біосинтезу лимонної кислоти

2.3 Одержання лимонної кислоти

2.4 Способи виробництва лимонної кислоти

2.5 Технологічна схема виробництва лимонної кислоти

РОЗДІЛ 3. ХАРАКТЕРИСТИКА ГОТОВОЇ ЛИМОННОЇ КИСЛОТИ ТА ЇЇ ЗАСТОСУВАННЯ

3.1 Характеристика готової продукції

3.2 Застосування лимонної кислоти у промисловості

Висновки

Список використаної літератури

ДОДАТОК

ВСТУП

Біотехнологія є однією з найбільш перспективних і прогресуючих галузей науково-технічної і промислової діяльності. З її розвитком пов?язано вирішення ряду важливих соціальних, сировинних, продовольчих і екологічних проблем. Світовий бізнес в біотехнологічній галузі переживає період підвищення інвестиційної активності в науковій, освітянській та промисловій сферах, стрімко зростає ринок біотехнологічної продукції медичного, сільськогосподарського та харчового призначення.

Органічні кислоти, зокрема, лимонна є одним з основних підкислювачів у харчовій промисловості. Її частка становить близько 75% обсягу з всіх вироблених підкислювачів. Особливо широко вона використовується у виробництві безалкогольних напоїв, яким надає фруктові і ягідні запахи і смак.

Лимонна кислота за обсягом виробництва є одним з головних продуктів мікробного синтезу. Її загальний випуск у різних країнах сягає 400 тис. т на рік. Лимонну кислоту отримують в основному з меляси. Заводи невеликої або середньої потужності виробляють лимонну кислоту поверхневим методом культивування. Глибинний метод економічно вигідний тоді, коли потужність заводу перевищує 2500 т лимонної кислоти в рік.

Лимонну кислоту широко використовують у кулінарії і в харчовій промисловості для приготування безалкогольних напоїв, мармеладу, вафель, пастили і ін. Лимонна кислота включена до рецептури деяких сортів ковбас і сиру, її застосовують у виноробстві, для рафінування рослинних олій, для виробництва згущеного молока. За допомогою лимонної кислоти зберігаються природні смак і аромат при тривалому зберіганні в замороженому стані м'яса і риби. Розширюється сфера застосування лимонної кислоти в технічних цілях - в хімічній, текстильній, шкіряній, металургійній та інших галузях промисловості. Попит на лимонну кислоту безперервно зростає.

Натрієві солі лимонної кислоти стимулюють спінювання і механічну стійкість пін, тому лимонну кислоту цінують кулінари, її також застосовують для виготовлення шампунів і миючих засобів. Останнє має важливе екологічне значення, оскільки лимонна кислота і її солі легко піддаються мікробіологічній деградації при очищенні каналізаційних вод.

Лимонну кислоту виробляють головним чином шляхом мікробного синтезу, який є важливою галуззю біотехнології. Для одержання лимонної кислоти шляхом мікробного синтезу в лабораторних умовах використовували мікроміцети (Aspergillus clavatus, Penicillium luteum, P. citricum, Mucor piriformis, Ustina vulgaris та ін.), але для промислового біосинтезу найбільш підходящим виявився Aspergillus niger. Згодом з нього було селекціоновано безліч виробничих штамів для біосинтезу лимонної кислоти з сахарози.

лимонний кислота виробництво продукція промисловість



РОЗДІЛ 1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ЛИМОННОЇ КИСЛОТИ

1.1 Хімічні та фізичні властивості лимонної кислоти

Лимонна кислота НООС-СН₂С(ОН)-СООН-СН₂-СООН є моноокситрикарбоновою кислотою, яка кристалізується з водних розчинів з однією молекулою води (моногідрат лимонної кислоти). Моногідратна лимонна кислота має молекулярну масу 210,щільність 1,540 г/см³ і температуру плавлення 70-75С. Кристалізаційна вода втрачається при зберіганні та інтенсивно виділяється при температурах, що перевищують 40-50С. При 100С вода втрачається повністю (мал. 1.1.).

Мал.1.1. Структурна формула лимонної кислоти.

При температурі кристалізації 36,6С і вище виділяється безводна лимонна кислота з молекулярної масою 192 і температурою плавлення 153°С. При нагріванні до 175°С лимонна кислота розкладається.

Солі лимонної кислоти - цитрати - мають низьку водорозчинність.

Лимонна кислота - це органічна кислота, розчинна у воді, спирті і ефірі. У воді лимонна кислота дисоціює, її аніон називають цитратом. Лимонна кислота є трьохосновною оксикислотою, яка кристалізується з водних розчинів з однією молекулою води у вигляді безбарвних прозорих ромбічних призм (мал. 1.2.).



а б

Рис. 1.2. Кристали лимонної кислоти: а - гідратної; б - безводної

Лимонна кислота широко поширена в природі. Особливо багато її в незрілих фруктах і ягодах (лимони, журавлина, яблука, виноград, та ін), де лимонна кислота є природним консервуючим агентом. Широко використовується у харчовій промисловості при виробництві кондитерських виробів і напоїв, в фармацевтичній, хімічній і текстильній промисловості.

1.2 Біохімічні основи процесу утворення лимонної кислоти

Хімізм процесу утворення лимонної кислоти пов1язаний з реакціями циклу три карбонових кислот ( цикл Кребса).

Цикл Кребса -- це ключовий етап дихання всіх клітин, що використовують кисень (аеробне дихання), центр перетину безлічі метаболічних шляхів в організмі. Окрім значної енергетичної ролі циклу відводиться також і істотна пластична функція, тобто це важливе джерело молекул-попередників, з яких в ході інших біохімічних перетворень синтезуються такі важливі для життєдіяльності клітини з'єднання як амінокислоти, вуглеводи, жирні кислоти та ін.

Цикл перетворення лимонної кислоти в живих клітинах був відкритий і вивчений німецьким біохіміком Гансом Кребсом, за цю свою роботу він (спільно з Фріцем Ліпманом) був удостоєний Нобелівської премії з фізіології та медицини 1953 року.

У мікроорганізмів синтез лимонної кислоти реалізується в циклі трикарбоновых кислот у результаті конденсації оксалоацетату і ацетил КоА за участю ферменту цитрат-синтетази.

Необхідні для реакції оксалоацетат і ацетил КоА утворюються із двох молекул пірувату: одна молекула пірувату піддається декарбоксилюванню з утворенням ацетил КоА, інша - карбоксилюється, перетворюючись в оксалоацетат. Піруват утворюється за фруктозо-біфосфатномим шляхом (гліколіз, шлях Эмбдена-Майергофа-Парнаса). Всі ферменти цього шляху, а також піруватдегідрогеназа, піруваткарбоксилаза і цитрат-синтетаза виявлені у A.niger. В результаті цієї реакції одна молекула цукру (С₆Н₁₂О₆) перетворюється в одну молекулу лимонної кислоти (С₆Н₈О₇) (мал. 1.2.).

У еукаріотів всі реакції циклу Кребса протікають усередині мітохондрій, причому ферменти, що їх каталізують, окрім одного, знаходяться у вільному стані в мітохондріальному матриксі, виняток складає сукцинатдегідрогеназа, яка локалізується на внутрішній мітохондріальній мембрані, вбудовуючись в ліпідний бішар. У прокаріотів реакції циклу протікають в цитоплазмі.

Мал.1.2. Схема синтезу лимонної кислоти.

Надсинтез лимонної кислоти відбувається за умови лімітування росту грибів-продуцентів мінеральними компонентами середовища і одночасним надлишковим вмістом джерела вуглеводу. В умовах лімітування росту гриба нестачею заліза і марганцю після повного поглинання із середовища дефіцитного елементу ріст припиняється, однак продовжується споживання джерела вуглецю, що наявний у середовищі. При цьому у клітинах гриба починає накопичуватися лимонна кислота, яка в подальшому виділяється в середовище. В якості основи середовища зазвичай використовують глюкозний сироп, гідролізати крохмалю і мелясу[6].



РОЗДІЛ 2. ТЕХНОЛОГІЯ ВИРОБНИЦТВА ЛИМОННОЇ КИСЛОТИ

2.1 Продуценти лимонної кислоти

Технологія виробництва кислоти застосовує різні джерела вуглецю та способи культивування мікроорганізмів. Багато мікроорганізмів нагромаджує лимонну кислоту, зокрема види Aspergillus awamori, A. fenicis, A. fonsecaeus, A. luchensis, A. fumaricus, A. wentii, A. saitoi, A. usami, A. phoenicus, A. lanosus, A. foetidus, A. flavus [2]. У промисловому виробництві лимонної кислоти широко застосовують гриби A. niger, оскільки цей вид дає високий вихід цільового продукту, з ним легко працювати, він відносно недорогий і цим самим робить виробничий процес економічно вигідним [5]. Проте необхідно взяти до уваги, що до A. niger належить багато штамів, що відрізняються один від одного за своєю морфологією та біохімічними характеристиками: кольору спор та міцелію, розміру та кількістю спор, розміру міцелію, утилізації субстрату, ферментаційному часу, здатності продукувати лимонну кислоту на різних субстратах .

Продуцент лимонної кислоти має мати певні характеристики, а саме:

? високу швидкість кислотоутворення;

? високий ступінь трансформації джерела вуглецю у лимонну кислоту;

? генетичну однорідність та стабільність;

? толерантність до зміни температури та контамінантів середовища, зокрема до високих концентрацій вуглеводів [4].

Під час культивування продуценту має бути низький вихід побічних продуктів (щавлевої, глюконової кислот, невикористаних вуглеводів) [11]. Перерахованим критеріям, крім Aspergillus niger, відповідають гриби Trihoderma viride, Penicillium janthinellum, дріжджі Candida tropicalis, C. olephila, C. citroformans, Yarrowia lipolytica, бактерії Corynebactreium, Arthrobacterium, Brevibacterium, Bacillus licheniformis [ 6].

2.2 Властивості сировини для біосинтезу лимонної кислоти

В даний час для біосинтезу лимонної кислоти в якості основної сировини широко використовують мелясу (відходи цукрової промисловості), завдяки її низькій вартості та високому вмісту цукру (40-55%), достатньої кількості мікроелементів, амінокислот та вітамінів, необхідних для нормальної життєдіяльності продуцента. [5].

У залежності від вихідного матеріалу розрізняють бурякову, очеретяну, цитрусову та інші види меляси. На міжнародному ринку щорічно продається 30-35 млн. тонн цієї сировини. Хоча меляса в основному використовується для кормових цілей, її широко застосовують також у мікробіологічній промисловості.

Меляса переважно (на 65-80%) складається з сухих речовин, а 20-25% становить вода. Якісний та кількісний склад меляси значно варіює, тому не всі види меляси придатні для виробництва лимонної кислоти. Склад меляси залежить від різновиду цукрових буряків, технології виробництва цукру, умов зберігання та транспортування (виду транспорту, температури).

Бурякова меляса характеризується високим вмістом цукрів (46-55%), з яких переважає сахароза. Меляса має складний та непостійний хімічний склад. Вона містить колоїди, органічні кислоти, вітаміни, білки і вільні амінокислоти, складний спектр мінеральних речовин. З нелетких органічних кислот в мелясі можуть присутні,%: лимонна - 0,01-0,5; глюконова - 0,5-1,0; яблучна - 0,1-0,5; бурштинова - 0,1-0,7.

Добре зброджувана меляса повинна містити не більше 1% інвертного цукру і не більше 1% СаО і 0,06,% сірчистого газу (додається в мелясу в якості консервуючого агента) при загальному вмісті сухих речовин не менше 75% і цукрів не менше 46,% при невисокому вмісті живих мікроорганізмів.

У золі бурякової меляси багато калію, магнію, заліза, але відносно мало фосфору.

Хімічний склад меляси залежить від кліматичних і грунтових умов вирощування цукрових буряків, застосовуваних мінеральних добрив, часу збирання врожаю (пізні терміни збирання негативно впливають на якість меляси), технологічних нюансів переробки цукрових буряків, умов транспортування та зберігання меляси.

Виробництво меляси пов'язано з сезонними доставками сировини. У виробництві лимонної кислоти найкращі результати дає зріла, витримана меляса. Важливе значення мають тривалість зберігання меляси та наявність герметично закритих ємностей - мелясо-сховищ з пневматичним перемішуванням (для запобігання розшарування), насосами, пристроями для подачі і забору меляси з різних горизонтальних сховищ.

В останнє десятиліття якість меляси погіршується під впливом ряду додаткових чинників, пов'язаних з технічним прогресом. Широко застосовувані в сільському господарстві отрутохімікати і мінеральні добрива можуть залишати певні негативні сліди в сільськогосподарській продукції, зокрема в мелясі, де виявлені інсектициди, наприклад фосфорорганічний інсектицид малатілон (до 90 мг на 1 кг меляси), який надає інгібуючий вплив на біосинтез лимонної кислоти.

У мелясі виявлено присутність деяких фунгіцидів (трилон, мертрілан та ін). Дані про вплив фунгіцидів на біосинтез лимонної кислоти неоднозначні. Деякі автори стверждують, що ряд фунгіцидів пригнічує активність ферментів ізоцітрат-і сукцинатдегідрогенази і тим самим сприяє біосинтезу лимонної кислоти, в усякому разі у диких культур Aspergillus niger. За даними інших авторів, фунгціди негативно впливають на ацидогенез.

Виявлено пригнічення синтезу білка в клітинах Aspergillus niger під дією ртутьорганічного фунгіциду мертрілана. У результаті його впливу на ферменти циклу трикарбонових кислот (зокрема на малат-, ізоцітрат- і сукцинатдегідрогенази) різко знижуються інтенсивність дихання клітин та активність термінальних оксидоредуктаз, особливо цитохромоксидази. Фунгіцид трілан (4,5,6-тріхлорбензоксазолідон) також негативно впливає на метаболізм мікроміцета Aspergillus niger, але механізм його впливу інший.

Всі досліджені фунгіциди пригнічують інтенсивність дихання, гальмують синтез білка, порушують проникність цитоплазматичних мембран.

У мелясі нерідко виявляється присутність детергентів. Їх вплив на мікроорганізми не досить добре вивчено. Встановлено зміну проникності клітинної мембрани Aspergillus niger і як наслідок - підвищена гідроксилазна активність культури.

У мелясі є мікроелементи, кількість яких сильно коливається, що може впливати як на ріст продуцента, так і на вихід лимонної кислоти. Вміст мікроелементів у мелясі залежить від різновиду цукрових буряків (табл. 2.1.). Алюміній, залізо та стронцій можуть міститися як в макро-, так і мікрокількостях.

Таблиця 2.1.

Вміст мікроелементів у мелясі

Мікроелементи	Вміст (мг/100 г меляси)
Алюміній	9,3-60,0
Стронцій	4,6-59,4
Хром	6,6-54,7
Залізо	8,3-26,6
Мідь	0,0-9,8
Магній	5,7-8,6
Марганець	1,4-7,6
Цинк	2,0-3,3
Титан	0,21-0,70
Нікель	0,16-0,76
Кобальт	0,10-0,76
Молібден	0,10-0,12
Свинець	0,21-0,61
Бор	0,20-0,42

Вітаміни важливі для біосинтезу лимонної кислоти.

Вміст амінокислот у мелясі залежить від клімату, типу ґрунтів, умов культивації цукрового буряку ( табл. 2.2.).

Таблиця 2.2.

Вміст амінокислот у мелясі

Амінокислоти	Вміст (% меляси)
Лейцин + ізолейцин	1,7-2,9
Фенілаланін	незначна кількість
Валін + метіонін + триптофан	0,4-1,3
Тирозин	0,6-0,8
Пролін	незначна кількість
Аланін	1,2-2,3
Треонін + гліцин	0,2-0,8
Глутамінова кислота	1,3-1,8
Серин	1,7-2,5
Аспарагінова кислота	0,3-0,5
Аргінін + гістидин + лізин	незначна кількість
Цистеїн	незначна кількість

У мелясі є також інші речовини, що містяться в малих кількостях, але достатніх для того, щоб мати негативний вплив на синтез кислоти. Це пестициди, фунгіциди та гербіциди, що використовуються у вирощуванні цукрових буряків, а також речовини, які застосовуються як піногасник у процесі виробництва цукру. Ці речовини є токсичними, тому перед використанням меляси як сировини її очищують хімічним шляхом.

Використання відходів сільського господарства є економічно вигідним та дає змогу вирішувати екологічні проблеми. У табл. 1 наведено вихід лимонної кислоти різними штамами Aspergillus niger з використанням відходів сільського господарства та харчової промисловості [8].



Таблиця. 2.3.

Біосинтез лимонної кислоти з використанням відходів сільського господарства та харчової промисловості

Субстрат	Продуцент	Вихід лимонної кислоти
Харчові відходи	A. niger UV 60	45,5 г/л
Пшеничні висівки	A. niger CFTRI 30	85 г/кг
Меляса	A. niger ATCC 942	35 г/л
Жом цукрової тростини	A. niger CFTRI 30	174 г/кг
Рисові висівки	A. niger CFTRI 30	127 г/кг

У разі використання меляси, потреба в додаванні азоту до середовища відпадає, оскільки меляса містить достатню кількість органічних і неорганічних сполук азоту. Азот меляси існує у вигляді бетаїну (близько 60-70% від загального азоту), амінокислот (20-30% азоту), білків (3-4% азоту), а також у вигляді нітрату амонію та аміду. Оптимальна концентрація азоту в середовищі, необхідного для синтезу лимонної кислоти, становить 0,1-0,4 г/л [8].

Доцільніше використовувати солі амонію у вигляді (NH4)2SO4. Його утилізація супроводжується зниженням рН середовища нижче 2,0, що є необхідним для продукування лимонної кислоти.

Високий вихід лимонної кислоти (89,64 г/л) можна отримати за концентрації NH4NO3 у середовищі 0,2%. У разі збільшення або зменшення цієї концентрації відбувалося пригнічення росту гриба і, як наслідок - низький вихід лимонної кислоти [8].

Фосфор відіграє важливу роль у метаболізмі мікроорганізму. Він входить до складу нуклеїнових кислот, фосфопротеїнів, фосфоліпідів, коферментів, що беруть участь у синтезі АДФ та АТФ, у розмноженні клітин і продукуванні первинних та вторинних метаболітів. Джерелом фосфору може бути ортофосфорна кислота, її солі та фосфоровмісні сполуки. Під час виробництва лимонної кислоти до поживних середовищ зазвичай додають гідрофосфат калію у концентрації 0,06-0,32 г/л, що, своєю чергою, слугує ще й джерелом калію. За нестачі фосфору в середовищі порушується засвоєння грибом азоту та сповільнюється синтез вітамінів (тіаміну, рибофлавіну та нікотинової кислоти). Надлишок фосфору зумовлює посилення газообміну та зниження активності кислотоутворення. Оптимальна концентрація фосфору в середовищі для гриба становить від 0,5 до 5,0 г/л [1].

2.3 Одержання лимонної кислоти

До початку двадцятих років минулого століття лимонну кислоту отримували з соку лимонів, таким чином задовольнялося близько трьох чвертей світової потреби в ній (вихід лимонної кислоти з однієї тонни лимонів становить 25 кг). Виробництво лимонної кислоти методом ферментації за участю грибів - давно відомий (з 1893 р.) біотехнологічний процес. Як продукт ферментації лимонна кислота займає друге місце за об'ємом виробництва у світі (400 тис. тонн на рік, що в грошовому еквіваленті становить близько 325 млн євро), поступаючись лише промисловому спирту [6].

Незважаючи на значний прогрес у сфері органічного синтезу, на сьогодні лимонну кислоту отримують мікробіологічним синтезом, а саме шляхом лимонно-кислого бродіння солодких відходів цукрового виробництва - патоки (меляси), спричиненого пліснявими грибами роду Aspergillus niger, тому виробництво часто розташовують спільно з виробництвом цукру. Харчова промисловість традиційно є основним споживачем виробленої таким чином кислоти, оскільки продукти природного бродіння мають переваги порівняно з хімічно синтезованими та не містять токсичних для організму людини домішок. Лимонна кислота є широко-вживаною нешкідливою харчовою добавкою (Е330), крім того, її застосовують у медицині, кондитерській промисловості, друкарській справі тощо [1].

Одним з головних завдань у виробництві лимонної кислоти є досягнення її високого виходу.

Технологія виробництва кислоти застосовує різні джерела вуглецю та способи культивування мікроорганізмів (поверхневий та глибинний, періодичний та неперіодичний). Багато мікроорганізмів нагромаджує лимонну кислоту, зокрема види Aspergillus awamori, A. fenicis, A. fonsecaeus, A. luchensis, A. fumaricus, A. wentii, A. saitoi, A. usami, A. phoenicus, A. lanosus, A. foetidus, A. flavus. У промисловому виробництві лимонної кислоти широко застосовують гриби A. niger, оскільки цей вид дає високий вихід цільового продукту, з ним легко працювати, він відносно недорогий і цим самим робить виробничий процес економічно вигідним. Проте необхідно взяти до уваги, що до A. niger належить багато штамів, що відрізняються один від одного за своєю морфологією та біохімічними характеристиками: кольору спор та міцелію, розміру та кількістю спор, розміру міцелію, утилізації субстрату, ферментаційному часу, здатності продукувати лимонну кислоту на різних субстратах [5].

Промислове виробництво лимонної кислоти можна розглядати як процес, що складається з двох етапів - росту міцелію гриба та синтезу лимонної кислоти. На кожному з етапів культура чутлива до різних фізико-хімічних факторів, таких як склад та співвідношення компонентів середовища, аерація, pH середовища, температура тощо. Ефективний вплив тих або інших факторів, що стимулюють утворення лимонної кислоти грибом А.niger, значною мірою визначається фізіолого-біохімічними особливостями самої культури, а також технологічними параметрами процесу культивування .

Пригнічення синтезу в повноцінних поживних середовищах, що містять всі необхідні для росту і розвитку культури компоненти мінерального живлення, та активування синтезу в умовах лімітації середовища за певними компонентами свідчать про великі можливості культури до саморегуляції метаболізму залежно від умов культивування.

Біотехнологія отримання лимонної кислоти за участю мікроорганізмів охоплює такі основні етапи:

1) отримання посівного матеріалу;

2) підготовка сировини до ферментації;

3) підготовка та стерилізація повітря;

4) ферментація;

5) відокремлення біомаси продуцента від культуральної рідини;

6) екстракція лимонної кислоти з культуральної рідини та отримання її у вигляді кристалів [9].

2.4 Способи виробництва лимонної кислоти

Промислове виробництво лимонної кислоти можна здійснювати трьома різними способами: поверхневим культивуванням грибів, глибинним культивуванням і твердофазною ферментацією, що має назву «процес Коджі».

Поверхневий спосіб культивування є найпростішим. Він передбачає застосування стерильного рідкого середовища. Приготування середовища відбувається у спеціальних чанах. Після стерилізації та охолодження середовище подається насосами до кювет завтовшки 12-18 см. Кювети розташовуються на стійках в асептичних ферментаційних камерах, де контролюються такі параметри: температура, початкове та кінцеве значення рН, час проростання спор, час ферментації, вологість повітря. За допомогою спеціального обладнання шляхом розпилювання до середовища додають посівний матеріал - спори A. niger. Спори проростають і утворюють плівку міцелію. Через добу тонка плівка міцелію набуває сіро-білого кольору. За декілька днів вона стає товстішою. Початкова температура підтримується в діапазоні 28-30°С, відносна вологість становить 40-60 %. У період активного росту міцелію температура повинна бути в діапазоні 34-35°С за помірної аерації. У період активного утворення лимонної кислоти температура знижуєть-ся до 32-34 °С, а подача кисню збільшується в 3-4 рази. Початкове значення рН середовища становить 5,0-6,0, а кінцеве - 1,0-2,0. Процес ферментації становить 8-12 днів, після чого культуральна рідина відділяється від біомаси гриба та використовується для екстракції лимонної кислоти [10].

За глибинного культивування процес ферментації відбувається у спеціальних біореакторах з мішалкою (ферментерах). Низьке значення рН під час ферментації та сама лимонна кислота спричинюють корозію, тому внутрішня частина біореактора виготовляється з матеріалу, стійкого до корозії.

Важливою умовою у виборі біореактора для виробництва лимонної кислоти є забезпечення системою аерації, що здатна підтримувати високий рівень роз-чинного кисню

Процес отримання лимонної кислоти з використанням A. niger проводиться в ферментерах об'ємом 100 м3. Як посівний матеріал використовують конідії гриба в об'ємі 10 м3. Попередньо до ферментера подають стерильне та охолоджене поживне середовище. Після проростання спор підсилюють аерацію. За оптимальних умов процес ферментації становить 5-10 днів за постійної аерації та температури 31-32°С. Необхідним є додавання піногасника, оскільки під час перемішування утворюється піна.

Твердофазну ферментацію, або процес Коджі, було розроблено в Японії і вона є найпростішим способом у виробництві лимонної кислоти порівняно з іншими методами. Як сировину використовують рисові та пшеничні висівки, фруктові та овочеві відходи. Зволожений субстрат стерилізується, розливається у кювети та інокулюється спорами гриба. На початку ферментації рН становить 5,5. Ферментація триває 4-5 днів .

Поверхневий та глибинний методи продовжують співіснувати, але на сьогодні значну увагу надають глибинному методу. Глибинний метод дає змогу застосовувати широкий набір вуглецевмісної сировини. До того ж ферментація ведеться в стерильних умовах, що є важливою передумовою для переходу на безперервний, повністю механізований процес.

За глибинного методу швидкість ферментації є високою - в одному апараті (біореакторі) одразу утворюється велика кількість культуральної рідини, а за поверхневого - вона збирається по численних кюветах. Поверхневий спосіб має такі переваги: висока концентрація лимонної кислоти у культуральній рідині; значно менше утворюється побічних кислот, внаслідок чого зменшуються затрати меляси на ферментацію та легше виділити лимонну кислоту в чистому вигляді, і як наслідок - низька собівартість лимонної кислоти, низькі затрати енергії на виробничий процес .

Витрати на обслуговуючий персонал більші за поверхневого способу, оскільки підготовка камер і зняття міцелію з кювет потребує значних затрат ручної праці. Перевагами твердофазної ферментації є низькі затрати на утилізацію відходів та низькі енергозатрати, високий вихід продукту, низький рівень контамінації через високий рівень вологості в біореакторі, використання поживного середовища спрощеного складу.

Вадами такого методу ферментації є труднощі, які виникають під час контролю рН та складу поживного середовища, високі затрати на виділення кислоти в чистому вигляді через високий вміст домішок у продукті.

Поживне середовище для біосинтезу лимонної кислоти має містити джерела вуглецю, азоту, фосфору та мікроелементів, що є необхідними для росту продуцента-мікроорганізму та для самого процесу нагромадження лимонної кислоти.

Вид джерела вуглецю та його концентрація мають великий вплив на вихід лимонної кислоти. Зазвичай, лимонну кислоту виготовляють шляхом ферментації з використанням дешевої та неочищеної природної сировини, такої як гідролізат крохмалю, бульйон цукрової тростини, меляси, рослинних відходів сільського господарства і механічного перероблення деревини.

2.5 Технологічна схема виробництва лимонної кислоти

Загальна технологічна схема виробництва лимонної кислоти включає наступні етапи:

1. Підготовка поживного середовища. Мелясу завантажують у варильний котел, розбавляють водою до певної концентрації вуглеводів (16 %), додають джерела азоту, фосфору і мікроелементи. Встановлюють необхідне значення рН середовища (6,8-7,2) додаванням кислоти або лугу. Для осадження солей важких металів (заліза, магнію і т.д.), що знаходяться в мелясі, розчин обробляють жовтою кров'яною сіллю. Потім середовище стерилізують і охолоджують до температури ферментації. В окремому цеху вирощують посівний матеріал у вигляді спор (конідій) Aspergillus niger.

2. Потім розмножують продуцент у три стадії: у пробірках, колбах і алюмінієвих кюветах. Тривалість кожної стадії - 2-4 доби при 32 °С. Для вирощування у пробірках використовують агаризоване поживне середовище, а в колбах і кюветах - рідке.

3. Ферментація (поверхневим або глибинним способом). Заводи невеликої або середньої потужності використовують поверхневий спосіб. Глибинний спосіб економічно вигідний тоді, коли потужність підприємства перевищує 2500 т лимонної кислоти в рік.

3.1. При поверхневому способі ферментація проводиться на відкритих металевих кислотостійких кюветах заввишки 7-20 см, в яких міцелій продуцента розвивається на поверхні середовища. Кювети розміщують на багатоярусних стелажах у спеціальних камерах при температурі 34-36 °С. У камери подають стерильне кондиціоноване повітря. Цикл бродіння закінчується через 8-9 діб.

3.2. При глибинному способі міцелій гриба занурений у поживне середовище в ферментерах, туди ж подається стерильне повітря. Тривалість культивування - 5-9 діб.

Оптимум рН на стадії кислотоутворення складає 1,7-2,0. В більш лужному середовищі процес зміщується в напрямку утворення щавлевої і глюконової кислот.

4. Після закінчення ферментації міцелій відокремлюють від культуральної рідини. При глибинній ферментації - фільтруванням на фільтрах, при поверхневій - вручну, заздалегідь зливши рідину з кювет. Міцелій промивають, висушують і направляють для використання в якості добавки до корму тварин. Профільтрована культуральна рідина (фільтрат) являє собою водний розчин лимонної кислоти. В 1 л фільтрату міститься 40-50 г лимонної кислоти.

У зброджених розчинах містяться, крім цільової кислоти, також глюконова і щавлева кислоти, залишки незброжених цукрів і мінеральні солі. Для видалення лимонної кислоти із даного розчину її зв'язують гідроксидом кальцію з утворенням важкорозчинного цитрату кальцію. Кальцієві солі лимонної і щавлевої кислот випадають в осад, а глюконат кальцію і основна частина органічних і мінеральних компонентів меляси залишаються в розчині. Осад відділяється на вакуум-фільтрі, промивається і висушується.

Лимонну кислоту виділяють із культуральної рідини у вигляді погано розчинної солі - цитрату кальцію, який утворюється при додаванні крейди. Переведення лимонної кислоти у вільний стан досягається при додаванні певної кількості Н₂SO₄ .

Розчин лимонної кислоти фільтрують для видалення гіпсу, концентрують вакуум-випарюванням і потім кристалізують при повільному охолодженні до 8-10 ?С. Кристали, що виділилися, центрифугують, промивають водою, сушать, фасують.

Апаратурно-технологічна схема виробництва лимонної кислоти представлена в додатку 1.

Готовий продукт містить не менше 99,5 % лимонної кислоти (в перерахунку на моногідрат), зольність - не вище 0,10-0,35 %.



РОЗДІЛ 3. ХАРАКТЕРИСТИКА ГОТОВОЇ ЛИМОННОЇ КИСЛОТИ ТА ЇЇ ЗАСТОСУВАННЯ

3.1 Характеристика готової продукції

Лимонна кислота повинна випускатися у відповідності до вимог ГОСТ 908: 2006 та відповідати вимогам відповідно до сорту (табл. 2.2.).

Таблиця.3.1.

Хімічні показники готової продукції - лимонної кислоти

Хімічні показники лимонної кислоти
Показники	Норми для сортів
	екстра	вищий	перший
Масовая частка лимонної кислоти в перерахунку на моногідрат,%
не менше	99,5	99,5 99,5	99,5
не більше	101,0	Не нормується
Одиниці кольоровості за йодною шкалою	<4	<6	<10
Масова частка,%, не більше
золів	0,07	0,10 0,35	0,35
вільної сірчаної кислоти	0,01	0,01	0,03
миш'яку	0,00007	0,00007	0,00007
Проби
на свинець, мідь, цинк, станум з сірководнем	Витримує аналіз
на оксалати с ацетатом кальцію
на барій з сірчаною кислотою
на фероціаніди с хлористим залізом
Масова частка сульфатних золів,%,	<0,1	Не нормується
Проба на легкообуглювані речовини з сірчаною кислотою	Витримує аналіз	Не нормується

Лимонна кислота за якістю має відповідати певним показниками. Це повинні бути безбарвні кристали або білий порошок, без грудок, для кислоти I сорту допускається жовтуватий відтінок, смак кислий, без стороннього присмаку, 2% -ний розчин кислоти в дистильованій воді повинен не мати запаху, бути прозорим і не містити механічних домішок, структура - сипка, суха, на дотик не липка, без сторонніх домішок.

За кордоном лимонну кислоту класифікують за величиною кристалів на ситових апаратах. Велику увагу звертають на легкообуглювані речовини, що дають забарвлення при нагріванні протягом певного часу з концентрованою сірчаною кислотою при температурі 90°С. Вони викликаються слідами органічних сполук - цукру, оксиметилфурфурола, інших альдегідів і спиртів, за винятком цис-і трансаконітової, ізолимонної, щавлевої, янтарної і олеїнової кислот, ерітріту, ксиліту і сорбіту.

Для видалення легкообуглюваних речовин запропоновано багато способів: виділення цитрату кальцію в присутності 10% пероксиду водню до кількості лимонної кислоти; нагрівання до кипіння розчинів лимонної кислоти після відділення гіпсу в поєднанні з обробкою пероксидом водню; додавання до розчину лимонної кислоти перед кристалізацією борної кислоти в кількості 0,1-0,3% за масою розчину, екстракція фреоном та ін

Найбільш ефективним способом очищення кристалів лимонної кислоти від всіх домішок є перекристалізація. Лимонна кислота сорту екстра за всіма показниками і нормам відповідає даним Британської фармакопеї 1968 Лимонна кислота випускається тільки в упакованому вигляді: реалізована через роздрібну мережу у дрібній фасовці масою нетто 10-100 г; призначена для підприємств харчової та інших галузей промисловості - у великій фасовці масою нетто 10-40 кг.

3.2 Застосування лимонної кислоти

Значний розвиток в останні десятиліття отримала галузь біотехнології - мікробіологічний синтез [3]. Це дало можливість отримувати цінні продукти практичного плану, такі, як лимонна кислота, з найменшими затратами, за рахунок життєдіяльності мікробних популяцій. З усіх органічних кислот по об'єму виробництва у світі лимонна кислота займає перше місце.

Лимонна кислота широко використовується в харчовій, медичній, хімічній та інших видах промисловості. У харчовій промисловості лимонна кислота на 70% виконує роль підкислювача і антиоксиданту головним чином завдяки її гарній розчинності, низькому рівні токсичності, нешкідливості для оточуючого середовища та здатності змішуватись з іншими хімічними речовинами. Може також використовуватись в якості диспергуючої та подрібнюючої добавки. Має приємний смак.

Лимонна кислота використовується як харчова добавка, антиоксидант і стабілізатор в легкій промисловості; випускається трьох ґатунків: екстра, вищий, перший. Кожний ґатунок характеризується певними хімічними показниками за ГОСТ 908-79.

Основні галузі промисловості, які використовують лимонну кислоту:

- Кондитерська промисловість - 29,1%. Лимонна кислота використовується як підкислювач і підсилювач смаку. На кондитерські вироби: карамель - 3,44%;драже - 2,1%; пастило-мармеладні вироби - 3,69%; глазуровані цукерки -0,4%; вафлі - 2,5%; ірис - 0,74%; солодощі, печиво - 0,10%.

Середня витрата лимонної кислоти на 1т кондитерських виробів складає 1,25 кг.

- Виробництво напоїв - 21,6%. Лимонна кислота додається в алкогольні та прохолодні газовані і негазовані напої для додання їм відчуття свіжості, підкислення лікерів, солодких і гірких напоїв, десертних напоїв, наливок, плодово-ягідних виноградних вин і виноматеріалів. Крім того, вона є синергистом, речовиною, що підсилює дію антиоксидантів, таких, наприклад, як аскорбінова кислота. При цьому, рекомендуються наступні норми закладки лимонної кислоти у відсотках від маси готової продукції:

- безалкогольні напої - 0,3 - 0,5 %,

- соки - 0,1 -0,3 %,

- вина - 0,1 - 0,2 %,

- лікери - 0,3 - 0,5 %.

На 1 л напоїв витрачається в середньому 15 г кислоти.

- Консервна промисловість. Лимонна кислота використовується як консервант замість оцту, що визнаний канцерогеном і застосування якого в більшості країн у харчовій промисловості різко обмежено. Рекомендуються наступні норми її закладки у відсотках від маси готової продукції:

- м'ясні консерви - 0,05 - 0,1 %,

- рибні консерви - 0,1 - 0,25 %,

- овочеві й фруктові консерви - 0,1 - 0,3 %.

На 1 млн. умовних банок витрачається в середньому 121 кг лимонної кислоти.

- Жирова промисловість. Лимонна кислота зберігає продукцію від розкладання важких металів, що перебувають у ній в певних кількостях, шляхом утворення з металами комплексних сполук. Таким чином значно знижується ймовірність прогірклості жирів, маргаринів і тваринного масла. Норма закладки, що рекомендується, лимонної кислоти складає 0,05-0,1 % від маси готового продукту.

- Косметична промисловість. Лимонна кислота є частиною багатьох косметичних препаратів: еліксирів, лосьйонів, кремів, шампунів, фіксаторів волосся і т.д. Тут вона використовується, в основному, як регулятор рН. Широка гама кислотності косметичних виробів допускає досить великий обсяг норми її закладки - від 0,05 % до 0,15 % від маси готового продукту.

- Хімічна промисловість - 2,4%. Лимонна кислота використовується для виробництва хімічних реактивів і фотопаперу.

- Медична промисловість - 1,0%.

- Оборонна промисловість, суднобудівна промисловість, морфлот - близько 2,6 - 4,4%.

- Роздрібна торгівля - 5,4%.

Також виробляють реактивну лимонну кислоту, за ГОСТ 3652-69 - це безбарвні кристали або білий порошок. Реактивна лимонна кислота використовується, в основному, для аналітичних цілей в науково-дослідних та промислових лабораторіях. У невеликих кількостях вона використовується також при виробництві напівпровідників та у медицині для отримання фармакологічно чистих речовин .

Лимонна кислота випускається тільки в упакованому вигляді: в паперових багатошарових або поліпропіленових мішках з поліетиленовим вкладишем.

Для поставок на підприємства харчової та інших галузей промисловості лимонну кислоту фасують у льняні продуктові мішки місткістю 10 - 40 кг із вкладишем з поліетиленової плівки. Допускається пакування кислоти у ящики з гофрованого картону, викладені пергаментом. При упакуванні кислоти у ящики і мішки допускаються відхилення, що не перевищують ±0,5 % [8].

Для роздрібного споживання лимона кислота фасується у пакетики із фольги чи паперу з поліетиленовим вкладишем всередині масою нетто 10-100 г. При фасовці допускаються відхилення по масі нетто: при масі до 50 г - ±3 %, при масі від 50 до 110 г - ±4%. Упаковка має не допустити потрапляння вологого повітря всередину, оскільки це призводить до утворення грудок. На упаковці вказується ґатунок, умови зберігання і термін придатності, дата випуску та ГОСТ за яким вироблено.

Лимонну кислоту зберігають у закритих приміщеннях при температурі не вище 20°С та відносній вологості повітря не вище 70%. Термін придатності лимонної кислоти - 1 рік з дня виготовлення; при пакуванні лимонної кислоти в ящики з гофрованого картону з внутрішнім вкладишем з пергаменту - не більше 6 місяців [8].



ВИСНОВКИ

У природі лимонна кислота зустрічається досить часто, головним чином у незрілих плодах цитрусових, ананасів, груш, інжиру, брусниці, журавлини та ін. До початку двадцятих років минулого століття цей важливий продукт отримували віджимаючи сік з лимонів, таким чином задовольнялося близько трьох чвертей світової потреби в лимонній кислоті (з однієї тонни лимонів виходить 25 кг лимонної кислоти).

В даний час лимонну кислоту отримують шляхом лимоннокислого бродіння солодких відходів цукрового виробництва - патоки (меляси), викликаного пліснявими грибами роду Aspergillius niger, тому виробництво часто розташовується спільно з виробництвом цукру. Сучасна технологія виробництва лимонної кислоти досить складна, енерго- і водоємна та вимагає не тільки спеціального устаткування, а й дотримання високих санітарно-гігієнічних нормативів. Як наслідок, на підприємствах невеликої та середньої потужності виробляють лимонну кислоту поверхневим методом культивування, при цьому немає ніякої гарантії стабільної якості отриманого продукту. Глибинний метод економічно вигідний тоді, коли потужність заводу перевищує 2500 тонн лимонної кислоти в рік, великі виробництва, як правило, забезпечують стабільно високу якість лимонної кислоти.

Для одержання лимонної кислоти шляхом мікробного синтезу в лабораторних умовах використовували мікроміцети (Aspergillus clavatus, Penicillium luteum, P. citricum, Mucor piriformis, Ustina vulgaris та ін.), але для промислового біосинтезу найбільш підходящим виявився Aspergillus niger. Згодом з нього було селекціоновано безліч виробничих штамів для біосинтезу лимонної кислоти з сахарози.



СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. Аналіз виробництва та застосування лимонної кислоти / В.М. Фалес, О.В. Хіврич, А.М. Литвиненко // Харч. пром-сть. - 2009. - N 8. - С. 91-94.

2. Бекер М.Е. Введение в биотехнологию: Пер. с латыш. - Рига: Пищевая промышленность, 1978. - 230 с.

3. Биотехнология / Под ред. акад. А. А. Баева. - М.: Наука, 1984. - 310 с.

4. Біологічна хімія: підруч. для студ. ВНЗ / Л. Ф. Павлоцька, Н. В. Дуденко, Є. Я. Левітін. - Суми: Унів. кн., 2011. - 509 с.

5. Божков А. И. Биотехнология. Фундаментальные и промышленные аспекты. - Харьков: Федорко, 2008. - 364 с.

6. Быков В.А., Крылов, Манаков М.Н., Марквичев Н.С., Орлова Л.М., Биотехнология: Учеб. пособие. Микробиологическое производство биологи-чески активных веществ и препаратов. - М.: Высш. шк., 1988. - 208 с.

7. Васильченко О.А., П'янкова О.О. Біотехнологічні аспекти отримання лимонної кислоти // Науковий вісник НЛТУ України. - 2012. - Вип. 22.1. - С. 100-110.

8. Смирнов В.А. Пищевые кислоты - М.: Агропромиздат, 1988 - 423 с.

9. К.А. Калунянц, Л.И. Голгер Балашов В.Е. "Оборудование микробиологических производств" - М.: Агропромиздат, 1987. - 398с.

10. Карклиньш Р.Я., Пробок A.K. Биосинтез органических кислот. - Рига, 1972. - 200 с.

11. Яворська Г.В., Ґудзь С.П., Гнатуш С.О. Промислова мікробіологія. - Львів, вид. центр Львів. нац. ун-ту ім. І Франка, 2008. - 256 c.



ДОДАТОК

Апаратурно-технологічна схема виробництва лимонної кислоти



Позначення	Найменування	Кількість одиниць
М ПМ РЗ ПР СК ВТ ТО ЗП ПА Ф ІПФ ЗБ БВФ ЗБФ	Сховище меляси Проміжна ємність для меляси Реактор - змішувач Проміжна ємність Стерилізаційна колона Витримувач Теплообмінник Збірник поживного середовища Посівний апарат Ферментер Індивідуальний повітряний фільтр Збірник культуральної рідини Барабанний вакуум-фільтр Збірник фільтрату	1 1 1 1 1 1 1 1 2 7 9 2 1 2

Размещено на Allbest.ru

...