Технология лимонной кислоты

Пищевую лимонную кислоту получают в процессе ферментации сахарсодержащих сред грибом Aspergillus niger.

Для приготовления сахарсодержащих сред используют мелассу – отход свеклосахарного производства. Свекловичная меласса содержит около 80 % сухих веществ, в том числе 46−51 % сахарозы, 0,4−1,5 % инвертного сахара и др. Кроме свекловичной мелассы используют мелассу, получаемую при переработке импортного тростникового сахара-сырца.

Ферментация сахара осуществляется плесневым грибом Aspergillus niger, который хорошо усваивает глюкозу, фруктозу, сахарозу, плохо – галактозу, лактозу. Однако наибольшее количество лимонной кислоты образуется при сбраживании сред, содержащих сахарозу. Оптимальная концентрация сахара в среде составляет 10−15 %.

Процесс образования лимонной кислоты при ферментации сахара может быть представлен следующим уравнением:

С₁₂Н₂₂О₁₁ + 3О₂ → 2С₆Н₈О₇ + 3Н₂О.

При лимоннокислом брожении часть сахара расходуется на процессы роста и дыхания гриба.

Одним из важнейших факторов эффективности производства лимонной кислоты является использование соответствующего штамма гриба A. niger. Штаммы гриба должны давать наибольший выход лимонной кислоты, быть устойчивыми к внешним воздействиям.

A. niger – аэроб, т. е. не может существовать без кислорода, поэтому ему свойствен поверхностный стелющийся рост, однако в условиях достаточной аэрации размножение может происходить глубинным способом.

К числу важных факторов, влияющих на жизнедеятельность A. niger, относятся также величина рН, температура, влажность, наличие минеральных веществ. Оптимальная температура для образования лимонной кислоты составляет 31−32 ºС, для роста и развития гриба 35−37 ºС. Величина рН может находиться в пределах от 3,0 до 7,0, в процессе роста гриба и ферментации значение рН культуральной жидкости меняется. В качестве минеральных веществ, необходимых для роста гриба и его лимоннокислого брожения, применяют гидрофосфат калия КН₂РО₄ (источник калия и фосфора), сульфат цинка, а в ряде случаев – соли меди и кобальта.

Операционная схема производства лимонной кислоты приведена на рис. 1.15. Основные стадии процесса производства лимонной кислоты происходят в специальных производственных помещениях.

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 представляет 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.

Подготовка питательной среды

Получение посевного материала

Ферментация

Получение цитрата кальция

Разложение цитрата кальция

Очистка раствора лимонной кислоты

Выпаривание раствора

Кристаллизация лимонной кислоты

Отделение кристаллов кислоты

Сушка кристаллов

Упаковка и хранение лимонной кислоты

Рис.1.15. Операционная схема технологического процесса производства

лимонной кислоты

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 в течение 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.

В соответствии с требованиями ГОСТ 908 лимонную кислоту вырабатывают следующих сортов: «Экстра», высший, I сорт содержанием не менее 99,5 % лимонной кислоты в пересчете на моногидрат. Лимонная кислота представляет собой бесцветные кристаллы или белый порошок без комков, для кислоты I сорта допускается желтоватый оттенок. Вкус кислый, без постороннего привкуса, 2 %-й раствор кислоты в дистиллированной воде не должен иметь запаха.

Контрольные вопросы:

1. Какие пищевые кислоты Вам известны?

2. Какие микроорганизмы используют при производстве лимонной и молочной кислот?

3. Назовите основные операции технологического процесса производства лимонной кислоты.

4. Где применяют пищевые кислоты?