Производство лимонной кислоты

По доливному  способу ферментации на 4-5 сутки  под пленку A. niger доливают свежую питательную среду (мелассу без питательных солей) в количестве, компенсирующем уменьшения объема, вследствие испарения влаги. В результате продолжительность цикла ферментации увеличивается с 8-9 дней до 12.

При работе этими способами экономится расход конидий, реже перезаряжаются камеры и появляется возможность ферментировать низкокачественные мелассы, не пригодные для выращивания грибной пленки.

Периодические способы имеют ряд недостатков:

• ферментация происходит с небольшой скоростью;
• мицелий по окончании цикла выбрасывают(хотя он еще активен);
• получение нового мицелия связано с затратой конидий, мелассы и времени на его выращивание;
• во всех кюветах трудно поддерживать заданную температуру, поэтому ферментация происходит неравномерно.

Предложенные  непрерывные способы предусматривают  протекание мелассной среды по каскаду  кювет под предварительно выращенной пленкой мицелия A. niger или под секциями его, движущимися на транспортере в одном направлении со средой в плоском ферментере туннельного типа.

При получении  лимонной кислоты поверхностным  способом одним из важнейших факторов является воздушный режим в камерах, т. е. аэрация, температура и влажность.

На стадии роста мицелия считается необходимым  подавать 3-4 м³ воздуха в час на 1 м² мицелия. Количество воздуха увеличивается по мере развития мицелия. Когда гриб усиленно продуцирует кислоту и выделяет много тепла, объем воздуха, подаваемого в камеру, увеличивают до 15-18 м³ в час.

После окончания  ферментации культуральную жидкость из-под мицелия сливают и переводят  для выделения лимонной кислоты. В собранной культуральной жидкости содержится смесь органических кислот - лимонная, глюконовая и щавелевая в примерном соотношении 45-50:3:1:7, т. е. лимонная кислота составляет от 80 до 90% и выделяют ее химическим путем. Добавляют к нагретой до 100⁰С культуральной жидкости известковое молоко - Са(ОН)₂ или мел - СаСО₃, доводя рН до 6,8-7,0. 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.

Мицелий продуцента либо используют для выделения фермента пектиназы, либо высушивают и поставляют на корм скоту и домашней птице.

Рис. 2. 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 - сборник-монтежю, 12 - вакуум-аппарат, 13-дисольвер, 14 - фильтр-пресс, 15 - кристаллизатор, 16 - приемник, 17 - сушилка, 18 - готовая продукция, 19 - сборник фильтрата. 

2.1.3 Глубинное культивирование

Глубинное культивирование – это относительно молодой метод промышленного производства лимонной кислоты, который обладает многими преимуществами по сравнению с более ранним методом поверхностного культивирования:

• позволяет повысить эффективность использования производственных площадей;
• увеличивает масштабы производства;
• механизация трудоемкой работы и автоматизация технологического процесса получения кислоты.

На современных  заводах принято глубинное культивирование  гриба, характеризующее более высокой  продуктивностью, чем поверхностное культивирование. При этом инокулированная среда наливается в хорошо аэрируемые ферментеры с перемешиванием и контролем аэрации. Глубинная ферментация возможна в разных вариантах: периодическом с подпиткой и непрерывном.

Процесс получения  лимонной кислоты при глубинном  культивировании гриба A. niger проводят в ферментерах объемом 100 м³. В качестве посевного материала используют подросший мицелий, полученный в посевных аппаратах объемом 10 м³.

Раствор мелассы  и для посевного, и для производственного ферментаторов готовят также, как и при поверхностном культивировании, только исходный раствор мелассы для глубиной ферментации должен содержать не более 4% сахаров. По ходу ферментации, когда концентрация сахара резко снижается, проводят дробное добавление стерильного мелассного раствора, содержащего 25 – 28% сахаров. Добавляют этот раствор в таком количестве, чтобы концентрация сахаров в ферментаторе составляла 12 – 15%.

В посевной аппарат, заполненный питательной  средой, засевают суспензию конидий, которую предварительно выдерживают 5 – 6 часов в термостате при 32 С. Культуру выращивают при 34 – 35 С при постоянном перемешивании и аэрации. В процессе культивирования строго контролируют режим подачи воздуха в ферментатор, расход которого увеличивают к концу ферментации почти в 10 раз. О₂ должен находиться как минимум в концентрации 20 – 25% от насыщения. В период интенсивного вспенивания среды небольшими порциями вводят химический пеногаситель (олеиновую кислоту). Процесс подращивания мицелия заканчивают через 30—36 ч, когда содержание кислот в культуральной жидкости достигает 1—2%. Подросший мицелий передают для засева питательной среды в производственный ферментатор.

Процесс кислотообразования в ферментаторе продолжается 5—7 сут при непрерывной аэрации и температуре 31—32⁰С. Расход воздуха постепенно увеличивают с 400 м³/ч в начале процесса до 2200 м³/ч к концу ферментации. Дробную добавку подливного раствора проводят 2—3 раза, поддерживая концентрацию Сахаров, в растворе в пределах 12—15%. Конец процесса определяют по общей кислотности и концентрации сахаров.

После окончания  процесса ферментации культуральную  жидкость нагревают острым паром до 60—65⁰С и сливают в сборник, а оттуда подают на вакуум-фильтр для отделения и промывки биомассы мицелия. Промытый мицелий используется как корм для скота. Основной раствор лимонной кислоты вместе с промывными водами передается в химический цех для выделения лимонной кислоты.

Отъемно-долевной способ ферментации заключается в том, что при активно протекающем процессе продолжают подливать мелассную среду с соответствующими предварительными отъемами жидкости. В начале ферментацию ведут по режиму, обычно для периодического способа, затем в 3–4 приема или непрерывно подливают дополнительное количество среды. Подлив прекращают за 36 часов до конца процесса ферментации, продолжающийся 12 суток. Суммарное количество сахара за цикл составляет около 30% в пересчете на исходный объем (при начальной 3%-ной концентрации). В период дополнительных подливов поддерживают 1,2–1,5%-ную концентрацию сахара. Перед каждым подливом добавляют столько воды, сколько ее увлечено отработавшим сжатым воздухом, и небольшого количества азота.

При ферментации  отъемно-долевным способом увеличивается среднесуточный съем лимонной кислоты с 1 м³ ферментатора за счет уменьшения частоты его зарядок при том же выходе кислоты по массе сахара.

В процессе непрерывной ферментации A. niger изменяет морфологию и проявляет большую кислотообразующую способность, чем в периодическом. Недостатком непрерывной ферментации в одном аппарате является проскок неферментированного сахара и невозможность осуществления профилактической стерилизации без прерывания процесса. Проведение ферментации в нескольких последовательно соединенных аппаратах не имеет этих недостатков и более перспективно, о чем свидетельствует опыт непрерывного спиртового брожения.