Культура Aspergillus niger – продуцент лимонной кислоты

В настоящее время для ферментации сахарсодержащих сред используют специальные штаммы A. niger. Имеются патенты на применение других видов Aspergillus и других родов, принадлежащих к различным классам микроскопических грибов.

С производственной точки зрения A. niger и другие мицелиальные грибы имеют существенные недостатки: медленно растут, вследствие чего процесс накопления необходимого количества биомассы продолжителен; большая вязкость культуральной жид­кости, переходящая в неньютоновскую область, затрудняет массообмен, в частности снабжение гриба кислородом воздуха, увеличивает расход энергии на перемешивание. Перспективным является поиск и селекция немицелиальных микроорганизмов — дрожжей, бактерий, которые не имеют отмеченных недостатков. Это особенно желательно для перевода процесса ферментации на непрерывно-проточный.

 

Выбор способа ферментации

Процесс производства лимонной кислоты включает все основ­ные стадии микробиологической технологии (рис. 6):

1. получение посевного материала;

2. подготовка сырья-мелассы к ферментации;

3. подготовка и стерилизация воздуха;

4. ферментация;

5. отделение биомассы продуцента — мицелия;

6. выделение из культурной жидкости лимонной кислоты и получение ее в кристаллическом виде.

 

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА

Рис. 6 Технологическая схема производства лимонной кислоты

Общую схему производства лимонной кислоты можно представить следующей схемой:

 

1 -, 2-, 3-

 

Рисунок – Назв

 

В промышленном производстве лимонной кислоты применяется несколько вариантов процесса.

· Поверхностный способ

· Глубинная ферментация

 

Поверхностный способ

Жидкофазнойферментации A.niger. 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. Для осаждения солей железа и тяжелых металлов водят при кипячении определенное количество раствора желтой кровяной соли. В раствор мелассы при температуре 60 – 70 С 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 параформалиновой 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 – 36 С при умеренной аэрации. В период активного кислотообразования температуру снижают до 32 – 34 С, 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. По сменному способу после сливания культуральной жидкости под пленку A.niger вводят немного воды температурой 30 – 32 0С, выдерживают 0,5 часов, промывную жидкость сливают, вводят свежую мелассную среду и ферментируют. По доливному способу ферментации на 4-5 сутки под пленку A.niger доливают свежую питательную среду в количестве, компенсирующем уменьшения объема вследствие испарения влаги. 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, а 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 ферментаторе туннельного типа.

Наряду с поверхностным способом ферментации на жидких средах за рубежом известны способы ферментации на твердых средах. Твердофазная ферментация предусматривает использование импрегнированного средой пористого твердого материала, как багасса, картофель, пульпа сахарной свеклы др. в определенных пропорциях. Материал стерилизуют и инокулируют суспензией спор. Инкубируют в лотках при 25 – 30 0С в течение 6 – 7 дней. После инкубирования содержимое экстрагируют водой, концентрируют, цитрат осаждают и очищают.

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-фильтры, 9 - расщепитель, 11 - сбор-ник-монтежю,
12 - вакуум-аппарат, 13-дисольвер, 14 - фильтр-пресс, 15 - кристаллизатор, 16 - приемник,
17 - сушилка, 18 - готовая продукция, 19 - сборник фильтрата

Рис. 6.1 Технологическая схема получения лимонной кислоты из мелассы поверхностным способом (жидкофазная ферментация)

 

Мицелий продуцента либо используют для выделения фермента пектиназы, либо высушивают и поставляют на корм скоту и домашней птице (желательно - в обезвреженном - убитом виде); наконец, он может быть использован, как источник флавинов.

6.2.Глубинный способпроизводства

На современных заводах принято глубинное культивирование гриба, характеризующее более высокой продуктивностью, чем первый процесс. При этом инокулированная среда наливается 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 ферментаторах 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—32 0С. 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. (Поменять тире)

После окончания процесса ферментации культуральную жидкость нагревают острым паром до 60—65 ⁰С 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.

Общая технологическая схема получения лимонной кислоты при глубинной ферментации A.niger приведена на рис. 6.3

1 - емкость с мелассой, 2 - приемник мелассы, 3 - весы, 4 - варочный котел, 5 - центробежный насос, 6 - промежуточная емкость, 7 - стерилизующая колонка, 8 - выдерживатель,
9-холодильник, 10 - посевной аппарат, 11 - головной ферментатор, 12 - стерилизующие фильтры, 13 - емкость для хранения мелассы, 14 - промежуточный сборник, 15 - барабанный вакуум-фильтр, 16 - приемник для мицелия, 17 - вакуум-сборник для мицелия, 18 - вакуум-сборник фильтрата культуральной жидкости

 

Рис. 6.2. Технологическая схема получения лимонной кислоты при глубинной ферментации продуцента

Согласно подсчетам глубинный метод экономически выгоден в тех случаях, когда мощность завода превышает 2,5 тыс. тонн лимонной кислоты в год, в противном случае поверхностный метод оказывается предпочтительнее из-за меньших энергозатрат и себестоимости продукции

Отделение мицелия и отмывку от него лимонной кислоты проводят на барабанных вакуум-фильтрах 15 непрерывного действия. Культуральную жидкость из приемного сборника 14 центробежным насосом 5 передают в корыто вакуум-фильтра, где мицелий отделяют. Культуральный раствор собирают в сборнике 18, а мицелий – в сборнике 17. Фильтрат из сборника 14 подают на химическую обработку, а промытый мицелий удаляют. Содержание кислоты в отмытом мицелии не должно превышать 0,2.

В собранной культуральной жидкости содержится смесь органических кислот – лимонная, глюконовая, щавелевая и неиспользованный сахар в примерном соотношении 45-50:3:1:7, то есть лимонная кислота составляет от 80 до 90%. Ее выделяют химическим путем – добавляют к нагретой до 100 ⁰С культуральной жидкости известковое молоко – Са(ОН)₂ или мел – СаСО₃, доводя рН до 6,8-7,0; это количество составляет примерно 2,5-3%; трехзамещённый кальция цитрат, хуже растворимый в горячей воде, чем в холодной, выпадает в осадок вместе с оксалатом кальция (кальция глюконат остается в растворе); осадок отфильтровывают, промывают горячей водой и гидролизуют серной кислотой. Свободная лимонная кислота остается в растворе, а негидролизованный оксалат кальция и образовавшийся гипс – CaSO4 остаются в осадке. Раствор лимонной кислоты очищают, подвергают вакуум-упариванию и кристаллизуют. Кристаллы кислоты высушивают и фасуют.

 

Выпуск

 

Выше было описано получение лимонной кислоты из углеводосодержащего сырья в результате микробиологического синтеза (ферментации) с использованием нетоксикогенных штаммов гриба Aspergillus niger, предназначенную для применения в пищевой промышленности при производстве пищевых продуктов в качестве пищевой добавки Е 330.

Лимонная кислота должна соответствовать показателям, предусмотренным ГОСТ 908 – 2004 (взамен ГОСТ 908 – 79). Это должны быть бесцветные кристаллы или белый порошок, без комков, для кислоты I сорта допускается желтоватый оттенок, вкус кислый, без постороннего привкуса, 2%-ный раствор кислоты в дистиллированной воде должен не иметь запаха, быть прозрачным и не содержать механических примесей, структура – сыпучая, сухая, на ощупь не липкая, без посторонних примесей.

Лимонная кислота выпускается только в упакованном виде: реализуемая через розничную сеть – в мелкой фасовке массой нетто 10 – 100 г; предназначенная для предприятий пищевой и других отраслей промышленности – в крупной фасовке массой нетто 10 – 40 кг. При фасовке допускаются отклонения по массе нетто, не превышающие при массе до 50 г ± 4%, от 50 до 110 г ± 3%. При упаковки кислоты в ящики и мешки допускаются отклонения, не превышающие ± 0,5%.

 

СОДЕРЖАНИЕ

1. Общие сведения и технологические свойства лимонной кислоты

2. Физико-химические свойства

2.1. Физические свойства

2.2. Теплофизические свойства

2.3. Растворимость в воде и органических растворителях

3. Основанные способы производства и сырье

4. Меласса как исходное сырье

4.1. Химический состав свекловичной мелассы

4.2. Заготовка мелассных сред

4.3. Стерилизация мелассных сред

5. Культура Aspergillus niger – продуцент лимонной кислоты

6. Технологическая схема

6.1. Поверхностный способ

6.2. Глубинный способ

7. Выпуск

Список используемой литературы

 

 

 

 

СЕВАСТОПОЛЬСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ И ПРОМЫШЛЕННОСТИ

 

Реферат

по дисциплине: общая химическая технология
на тему: «Технология получения лимонной кислоты»

 

 

Выполнила: студентка 341 класса

Ткачивская А.С.

Проверила: преподаватель

Храброва Е.А.

 

Севастополь

Список используемой литературы:

1. В.А. Смирнов “Пищевые кислоты (Лимонная, молочная, уксусная)” Москва “Лёгкая пищевая промышленность” 1983

2. Г.К. Лиепиньш,М.Э. Дунце «Сырье и питательные субстраты для промышленной биотехнологии», Рига «ЗИНАТНЕ»1986

3. Р.Я. Карклиньш, Г.К. Лиепиньш «Микробиологический синтерз лимонной кислоты», Рига «ЗИНАТНЕ» 1993

4. К.П.Гапонов «Процессы и аппараты микробиологических производств». Москва, «Легкая и пищевая промышленность», 1981