Производство лимонной кислоты

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

 

УЧРЕЖДЕНИЕ  ОБРАЗОВАНИЯ

«ГРОДНЕНСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ  ЯНКИ КУПАЛЫ»

 

Факультет биологии и экологии

Кафедра химии и химической технологии

 

 

Курсовая  работа

 

Производство  лимонной кислоты

 

 

 

 

Исполнитель:

студентка 3 курса

специальности  Биология 1-310101

(Биотехнология)

Борисевич Наталья Александровна

 

Научный руководитель:

к.х.н. Бурдь В.Н.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Гродно 2013 

Оглавление

 

 

Введение

 

 

Лимонная  кислота является важным соединением, как в метаболизме живых организмов, так и в промышленности. В природе это вещество встречается довольно часто, главным образом в незрелых плодах цитрусовых, ананасов, груш, инжира, брусники, клюквы и др.

Сама кислота, как и ее соли, широко используется как вкусовая добавка, регулятор кислотности и консервант в пищевой промышленности, для производства сухих шипучих напитков. Она содержится, по крайней мере, в половине всех пищевых продуктов. Применяется в медицине, в том числе в составе средств, улучшающих энергетический обмен. В косметике используется, как регулятор кислотности, буфер, хелатирующий агент, для шипучих композиций.

Лимонную кислоту широко используют в кулинарии и в пищевой промышленности для приготовления мармелада, вафель, пастилы и др. Лимонная кислота включена в рецептуры некоторых сортов колбас и сыра, ее применяют в виноделии, для рафинирования растительных масел, для производства сгущенного молока. С помощью лимонной кислоты сохраняются естественные вкус и аромат при длительном хранении в замороженном состоянии мяса и рыбы.

Лимонная  кислота, являясь главным промежуточным  продуктом метаболического цикла  трикарбоновых кислот, играет важную роль в системе биохимических  реакций клеточного дыхания множества  организмов.

По объему производства лимонная кислота является одним из главных продуктов микробного синтеза, и мировой объем ее производства достигает 400 тыс. тонн в год.

Цель работы - изучение способов производства лимонной кислоты.

Задачи:

• изучение промышленного производства лимонной кислоты;
• изучение биохимического синтеза лимонной кислоты;
• ознакомление с технологической схемой и параметрами стадий производства лимонной кислоты;
• использование продуцентов в производстве;
• рассмотреть отрасли применения лимонной кислот

 

Объектом  

ГЛАВА 1. Общая информация

 

 

1. Характеристика лимонной кислоты

 

Лимонная  кислота (2-гидрокси-1,2,3-пропантрикарбоновая  кислота, 3-гидрокси-3-карбоксипентандиовая) (C₆H₈O₇) — кристаллическое вещество белого цвета, температура плавления 153 °C, хорошо растворима в воде, растворима в этиловом спирте, малорастворима в диэтиловом эфире. Слабая трёхосновная кислота. Соли и эфиры лимонной кислоты называются цитратами.

Лимонную  кислоту выделяют в виде лимоннокислого кальция из продуктов переработки  листьев хлопчатника, плодов лимонов, хвои ели.

Благодаря своим  вкусовым качествам и физико-химическим свойствам ее широко применяют в  ряде отраслей пищевой промышленности: кондитерской, винодельческой, консервной, пищеконцентратов.

Лимонная  кислота – прекрасный комплексообразующий  агент, который используется в процессах  электрогальванизации, дубления кож, приготовления  чернил и синтетических моющих средств. В химической промышленности ее эфиры  служат пластификаторами при производстве лаков.

 

 

2. История создания производства лимонной кислоты

 

 

В 1891 г. немецкий ученый Вемер установил способность  плесневых грибов продуцировать  органические кислоты. При выращивании Aspergillus niger на среде с сахаром им было констатировано выделение щавелевой кислоты. Через два года Вемер обнаружил лимонную кислоту, накапливающуюся в среде при выращивании грибов, названных им Citromyces. Также  он пытался осуществить производство лимонной кислоты с помощью гриба из сахара, но работа окончилась неудачей.

В 1917 г. американский ученый Кэрри сообщил о способности  ряда штаммов А. nigerпродуцировать лимонную кислоту наряду со щавелевой и охарактеризовал условия ведения процесса. В дальнейшем это было использовано американской фирмой Пфайзер для организации в 1923 г. первого микробиологического процесса производства лимонной кислоты.

Работы Вемера и Кэрри вызвали большой интерес к изучению некоторых грибов и в первую очередь продукции ими лимонной и других кислот. Развернулись широкие исследования в различных странах. Советские ученые В.С.Буткевич и С.П.Костычев показали, что, изменяя условия культивирования грибов, можно изменить их биохимическую активность и получить разные продукты. Так, при культивировании А. niger в присутствии СаСО₃при рН среды близком к 7,0 происходило преимущественное накопление глюконовой и щавелевой кислот, а в условиях высокой кислотности среды без СаСО₃образовывалась практически одна лимонная кислота. Впоследствии этот факт был применен для организации промышленного производства глюконовой и лимонной кислот.

 

 

3. Продуценты лимонной кислоты

 

 

Способность образовывать лимонную кислоту при  росте на средах с углеводами –  свойство, широко распространенное среди  мицелиальных грибов. Для получения лимонной кислоты в лабораторном и промышленном масштабе используются патенты разных родов микроскопических грибов, принадлежащих к различным классам:

• Aspergillus niger, A. wentii, A. lichinеnsis, 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.

В настоящее  время основную массу производят с помощью определенных штаммов плесневого гриба A niger.

При использовании  любого вида сырья наряду с оптимальным составом питательной среды и режимом ферментации эффективность производства определяется применяемым штаммом A. niger. Штаммы для производства лимонной кислоты должны отвечать следующим основным требованиям:

• давать возможно больший выход лимонной кислоты к массе введенного в производство сахара и быстро его ферментировать;
• быть генетически однородными;
• обладать устойчивостью к внешним воздействиям;
• 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. Так, например, 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.

 

 

4. Сырье для производства лимонной кислоты

 

 

Меласса - побочный продукт производства сахара из сахарной свеклы или сахарного тросника. Получается при отделении кристаллов сахарозы на центрифугах от последней кристаллизации. В мелассе содержатся не сахара сока сахарной свеклы или сахарного тростника, не удаляемые при его химической очистке, и сахароза, которую методом кристаллизации выделять уже экономически невыгодно. При выработке сахара выход мелассы в расчете на безводную колеблется от 3 до 6% к массе сахарной свеклы. С мелассой отходит от 10 до 15% всего сахара, содержащегося в перерабатываемой свекле.

В соответствии с видом исходного сырья для  производства сахара различают свекловичную и тростниковую мелассу. По внешнему виду свекловичная меласса представляет собой густую вязкую жидкость темно-коричневого  цвета со специфическим запахом, обусловленным в основном присутствием триметиламина и диметилсульфида. Это — лучшее сырье для производства лимонной кислоты. Ценность его заключается в том, что наряду с высоким содержанием сахара в мелассе содержатся все вещества, необходимые для нормальной жизнедеятельности гриба. Выход лимонной кислоты при использовании ее — наибольший.

В мелассе  присутствуют микроэлементы, количество которых сильно колеблется, что может  отражаться как на росте гриба, так  и на выходе лимонной кислоты.

Меласса, пригодная  для производства лимонной кислоты, должна удовлетворять следующим  требованиям: содержать сухих веществ  не менее 75%; сахара по прямой поляризации  не менее 46%; инвертного сахара не более 1%; окиси кальция не более 0,7%; диоксида серы не более 0,03%; Р₂О₅ не более 0,05%; жироподобных веществ не более 0,5%. Величина рН должна быть на ниже 6,5. Перечисленные показатели технологического качества мелассы, однако, еще не могут служить надежным критерием ее пригодности для производства лимонной кислоты, и окончательное заключение об этом может быть сделано только по результатам биохимического испытания.

 

ГЛАВА 2. Способы производства лимонной кислоты

 

 

2.1 Микробиологический метод получения лимонной кислоты

 

 

При производстве лимонной кислоты применяются два  микробиологических способа: поверхностное  (на твердой и жидкой средах) и глубинное культивирование. 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.

 

 

2.1.1 Культивирование на поверхности твердой среды

 

 

Штаммы  грибов (например A. niger) выращивают в неглубоких лотках на поверхности влажных отрубей риса или пшеницы. Во время ферментации рН массы отрубей падает до 1,8 – 2,0. Материал стерилизуют и инокулируют суспензией спор. Инкубируют в лотках при 25–30 ⁰С в течение 6–7 дней. После окончания процесса лимонная кислота вместе с небольшим количеством одновременно образующихся глюконовой и щавелевой кислот экстрагируется водой, а затем осаждается в виде соли кальция.

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 – 36⁰С и инокулируют спорами штамма, малочувствительного к присутствию Fe³⁺. Температура не должна быть выше 28⁰С. 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.

Твердофазная  поверхностная ферментация является наиболее простым методом получения лимонной кислоты, но широкого применения в промышленном производстве не нашла.

 

 

2.1.2 Поверхностное культивирование  на жидкой среде.

 

 

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. В раствор мелассы при температуре 60–70⁰С 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 штуцеры в дне кювет. Камеры оборудованы системой для  подачи нагретого стерильного воздуха.

Перед началом  нового цикла ферментации камеры и кюветы тщательно моют и стерилизуют  пароформалиновой 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.

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 34–36⁰С при умеренной аэрации. В период активного кислотообразования температуру снижают до 32–34⁰С, 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. Способ называется бессменным.

Сменный способ культивирования часто называют методом готовых пленок. Пленку гриба  выращивают на питательной среде, содержащей минеральные соли и углевод. По окончании  роста гриба питательный раствор  из-под пленки сливают, пленку промывают  стерильной водой и под нее  подводят новую среду для кислотообразования, содержащую углевод, но лишенную минеральных  соединений. Такой способ культивирования  может быть одно- и многосменным. В первом случае после удаления питательного раствора под готовую пленку еще  раз подливают новый раствор  для кислотообразования. Доливаемый раствор имеет повышенную концентрацию сахара и находится под пленкой 4-6 суток. При многосменном методе переработанные растворы несколько раз в течении цикла сливают из-под пленки и заменяют новыми. Частота смены зависит от активности грибной пленки.