Производство органических кислот из молочной сыворотки.

Органические кислоты можно получать как на основе брожения лактозы, так и на основе окисления лактозы в молочной сыворотке.

Молочная кислота может иметь оптические формы: D (-); L (+) или DL (-+). Форма образуемой кислоты характерна для различных видов микроорганизмов и служит одним из признаков при их идентификации. Так, молочнокислые палочки L. bulgaricus, L. lactis при брожении лактозы образуют D (-) молочную кислоту; L. сasei var casei – L (+), а L. plantarum, L. helveticus, L. acidophilus, L. jogurt – DL (-+) форму.

Для промышленного производства молочной кислоты в качестве продуцента используют L. bulgaricus и L. acidophilus. Эти микроорганизмы могут превращать более 90 % лактозы в молочную кислоту. Кроме того L. bulgaricus может развиваться при сравнительно высокой температуре 45-50 ⁰С, когда затруднено развитие посторонней микрофлоры.

Процесс получения молочной кислоты из молочной сыворотки состоит из следующих операций: приемка и оценка качества сырья; подготовка посевного материала микроорганизма-продуцента; подготовка питательной среды для брожения; проведение брожения; обработка сброженного сусла; получение чистой молочной кислоты из лактата кальция.

Сырьем для производства молочной кислоты служит молочная сыворотка всех видов. Посевной материал или закваску готовят на пастеризованной молочной сыворотке в несколько этапов. Вначале стерилизованное обезжиренное молоко в колбе засевают чистой культурой микроорганизма-продуцента. Сквашивание длится 24 ч при температуре 40-43 ⁰С. приготовленную культуру используют для засева большей порции пастеризованного обезжиренного молока. Режимы выращивания культуры те же. Вновь полученная культура используется для засева пастеризованной молочной сыворотки (маточник), которая и служит посевным материалом и вносится в производственный ферментер в количестве 10 % от объема производственной питательной среды. Температура культивирования 40-43 ⁰С, продолжительность – 24 ч.

Молочную сыворотку, очищенную от казеиновой пыли и жира, пастеризуют при температуре 70-75 ⁰С с выдержкой в течение 60 мин, нейтрализую молочную кислоту (если сыворотка кислая) и охлаждают до 45 ⁰С, В подготовленную питательную среду (затор) добавляют мел в количестве 2 % к массе лактозы, содержащейся в питательной среде. В подготовленную смесь вносится посевной материал из расчета 5-10 %. Количество посевного материала зависит от активности штаммов и запрограммированной продолжительности брожения. Процесс брожения проводят в ферментерах, имеющих паровую рубашку и мешалку. Температуру брожения поддерживают в пределах 40-43 ⁰С. Через каждые 6 ч к бродящему суслу добавляют болтушку из гашеной извести для связывания излишней молочной кислоты. Свободная молочная кислота не должна превышать 0,6 % (65-70 ⁰Т). Нейтрализация позволяет сократить продолжительность брожения и увеличивает выход молочной кислоты. В конце брожения содержание молочной кислоты не должно превышать 0,1 % (10-12 ⁰Т). При проведении нейтрализации необходимо учитывать, что для проведения нейтрализации каждых 18 частей молочной кислоты требуется 10 частей химически чистого мела. Используют для этих целей обычно технический мел, который содержит 60-65 % карбоната кальция, что необходимо учитывать при расчетах. Для расчета количества молочной кислоты считают, что каждый 1 ⁰Т эквивалентен 0,009 % молочной кислоты. При проведении нейтрализации среда тщательно перемешивается.

После окончания процесса брожения среда, содержащая лактат кальция, нагревается до температуры 95-97 ⁰С для денатурации сывороточных белков и микробных клеток. Денатурированные белковые соединения отделяют, а прозрачную жидкость пропускают через фильтр-пресс. Фильтрат собирают в специальную емкость, добавляют известь, доводя щелочность до 0,1 %. В эту же емкость добавляют активированный уголь, смесь тщательно перемешивается и отстаивается. Надосадочную жидкость снова пропускают через фильтр-пресс и прозрачный раствор собирают в резервуар. В этот же резервуар к жидкости добавляют молочную кислоту с таким расчетом, чтобы содержание свободной молочной кислоты в растворе составляло 0,05 % (6 ⁰Т). После этого к раствору добавляют активированный уголь и диатомит или перлит для улучшения процесса фильтрации. Смесь перемешивают и дают отстояться. Прозрачную жидкость сливают и фильтруют, а осадок используют для очистки свежей порции лактата кальция. Полученный очищенный раствор лактата кальция направляют на вакуум-выпарную установку для концентрации и последующей кристаллизации. Начальная концентрация лактата должна составлять 14,5-15,5 %. Процесс кристаллизации длится в течение 10-12 ч при температуре 10-15 ⁰С. Кристаллы лактата отделяют центрифугированием и промывают. Фугат и промывные воды от кристаллов смешивают с лактатом кальция, поступающем на вакуум-выпарную установку.

Тщательно промытые и высушенные кристаллы лактата кальция используют в медицине, отмытые, но невысушенные кристаллы лактата кальция направляют для получения молочной кислоты.

Выпускаемая молочная кислота подразделяется на 4 сорта: химически чистая, фармакопейная, пищевая и техническая. Для каждого вида кислоты нормируются: степень очистки и концентрация. Достигается это различной технологией получения кислоты. Химически чистая кислота выпускается 90 %-ной концентрации плотностью 1240 кг/м³. Применяют такую кислоту в чистом виде, в виде солей или эфиров. Фармакопейная кислота выпускается 72 %-ной концентрации. Используют её в медицине в чистом виде, в виде солей кальция, железа, магния. Пищевая кислота выпускается 68 %-ной концентрации или более слабая. Такая кислота не должна содержать ядовитых примесей, солей тяжелых металлов, пропионовой и масляной кислот. Техническая кислота выпускается 42-50 %-ной концентрации. Используют её только для технических целей.

Для производства технической молочной кислоты используют неочищенный раствор лактата кальция. После осаждения белковых соединений и фильтрации раствор лактата концентрируют и направляют в глазурованную емкость. К раствору добавляют активированный уголь и реактивы для осаждения железа и тяжелых металлов. Смесь подкисляют чистой серной кислотой до слегка кислой реакции, фильтруют через вакуум-фильтр из пористого фарфора, осадок на фильтре промывают и выбрасывают. Фильтрат и промывную воду соединяют вместе и получают неочищенный раствор молочной кислоты 20-22 %-ной концентрации. Раствор подвергается дальнейшей очистке и концентрации до 42-50 %.

Исходным сырьем для других сортов молочной кислоты служит отмытые кристаллы лактата кальция. Для разложения 1 массовой части лактата кальция расходуется 0,449 массовой части моногидрата серной кислоты. Процесс разложения лактата кальция ведут при температуре не выше 40-45 ⁰С. в противном случае может произойти обугливание молочной кислоты.

Пропионовая и уксусная кислоты образуются при сбраживании углеводов пропионокислыми батериями. Пропионовую кислоту и её производные применяют в различных отраслях народного хозяйства: пропионат кальция – для предохранения хлеба от плесневения и картофельной болезни (фунгицидные свойства); эфиры пропионовой кислоты – в парфюмерии; амилпропионат – высококипящий растворитель нитроцеллюлозы; фенилпропионат – пластификатор для ацетата и целлюлозы. Для производства пропионовой кислоты используют все виды молочной сыворотки. Сыворотку не очищают от сывороточных белков, т.к. пропионовокислые бактерии активно сбраживают белки. Технологический процесс производства кислоты осуществляют в следующей последовательности: подготовка молочной сыворотки к переработке; подготовка чистой культуры пропионовокислых бактерий; заквашивание и сквашивание молочной сыворотки; сгущение сброженной сыворотки; выделение пропионовой кислоты.

Молочную сыворотку пастеризуют, охлаждают до температуры 30 ⁰С (температура заквашивания), вносят 5 % карбоната кальция и 1 % сухих дрожжей или 10 % дрожжевого автолизата. Чистую культуру пропионовокислых бактерий готовят на водной среде, содержащей 5 % лактата кальция, 1 % пептона, 5 % карбоната кальция. Активная кислотность среды (рН) – 7,0, температура культивирования – 30 ⁰С.

В подготовленную сыворотку вносят 5-10 % чистой культуры пропионовокислых бактерий. Одновременно с внесением пропионовокислых бактерий вносится 2 об% культуры Lactobacillus casei, выращенных на обезжиренном молоке. Это активизирует протекание пропионовокислого брожения. Возможно это связано с более легким усвоением молочной кислоты и её солей, чем непосредственно лактозы, специфическим действием продуктов метаболизма молочнокислых бактерий. Брожение проводят при температуре 30 ⁰С и рН среды 7,0. Процесс брожения протекает в течение двух недель. На протяжении всего периода брожения поддерживают первоначальное значение рН и температуры. При смешанном брожении пропионовокислых и молочнокислых бактерий их 1 т сыворотки можно получить 24 кг пропионовой и около 10 кг уксусной кислот. За этот период общий выход кислот составляет 85 об% от сахара среды. Сброженную сыворотку сгущают, подкисляют серной кислотой и отгоняют летучие кислоты с водяным паром. Смесь уксусной и пропионовой кислот в дальнейшем разделяют перегонкой.

Органические кислоты можно получать и на основе аэробной ферментации лактозы. Наиболее важное значение среди таких кислот имеет лимонная.

Лимонная кислота вырабатывается на основе окисления лактозы. Получать лимонную кислоту можно двумя способами: поверхностным и глубинным. Технологический процесс производства лимонной кислоты включает следующие операции: приемка сырья, оценка его качества, сортировка; подготовка сыворотки к ферментации; ферментация сыворотки и получение сброженного раствора; обработка сброженного раствора и получение лимонной кислоты.

В качестве сырья используют подсырную сыворотку с рН 4,0-5,0. отобранную сыворотку стерилизуют при давлении 0,106-0,108 МПа в течение 30 мин, охлаждают до температуры 25-28 ⁰С, устанавливают рН 4,5 и инокулируют суспензией спор гриба A.niger. Качество посевного материала определяют по количеству спор в 1 мл. Их должно быть не менее 3*10⁶ спор/мл. Количество посевного материала должно быть 5-10 -%. Процесс ферментации ведут при температуре 25-28 ⁰С в течение 6 суток. Конец процесса определяют по количеству оставшейся лактозы (0,5 %). По окончании процесса ферментации удаляют мицелий гриба фильтрацией или центрифугированием и направляют на кормопроизводство. Сброженный раствор (субстрат) направляют на обработку. Для этого готовят известковое молоко (40 %-й раствор), вносят его в субстрат из расчета 43,5 л на 1 т, смесь перемешивают, выдерживают два часа для завершения реакции и выделяют кальциевую соль лимонной кислоты фильтрацией или центрифугированием. Фильтрат идет на переработку (кормопроизводство), цитрат кальция на получение водного раствора лимонной кислоты. Разложение цитрата кальция проводят серной кислотой 20 %-ной концентрации. Количество серной кислоты берут из расчета 75 л/т. Раствор перемешивают и выдерживают 1,5 ч для завершения реакции. После чего осадок удаляют фильтрацией или ценрифугированием, а водный раствор лимонной кислоты упаривают до нужной концентрации. Выход лимонной кислоты составляет 19,8 кг из 1 т сыворотки.

Глубинный способ получения лимонной кислоты считается более эффективным. Технологический процесс производства этим способом включает следующие операции: подготовка молочной сыворотки к ферментации; инокуляция среды суспензией спор гриба-продуцента и ферментация; обработка сброженной сыворотки и получение водного раствора лимонной кислоты; концентрация водного раствора кислоты; кристаллизация лимонной кислоты; отделение и сушка кристаллов лимонной кислоты.

Для выработки лимонной кислоты этим способом пригодны все виды молочной сыворотки. Сыворотку очищают от сывороточных белков тепловым методом, денатурированные белки отделяют, а безбелковую фракцию раскисляют до рН 6,25-6,50 и повторно фильтруют или центрифугируют для отделения дополнительно денатурированных белковых соединений. После этого очищенную сыворотку сгущают на вакуум-выпарном аппарате в 2-4 раза, сгущенную сыворотку подкисляют до рН 4,5 серной или соляной кислотой и направляют на стерилизацию. Стерилизуют подготовленную сгущенную сыворотку при давлении 0,106-0,108 МПа в течение 30 мин и охлаждают до 35-39 ⁰С. На этом этап подготовки молочной сыворотки к ферментации считают законченным.

Засев подготовленной сгущенной сыворотки спорами гриба аналогичен поверхностному способу. Количество посевного материала колеблется в пределах 5-10 %. Процесс ферментации протекает при температуре 32-35 ⁰С в течение 2,5-3,5 суток. В процессе ферментации в среду вносят минеральные соли и обильное количество стерильного воздуха. Конец ферментации определяют по количеству оставшейся лактозы (0,5 %). По окончании ферментации мицелий гриба отделяют фильтрацией и направляют на кормопроизводство, а сброженный раствор на дальнейшую переработку. Лимонную кислоту с помощью известкового молока переводят в соль – цитрат кальция. Лимонную кислоту в виде соли отделяют ценрифугированием или фильтрацией, а фильтрат используют в кормопроизводстве. Цитрат кальция разлагают серной кислотой 96 %-й концентрации. Осадок сернокислого кальция удаляют центрифугированием или фильтрацией, а водный раствор лимонной кислоты направляют на упаривание. Для получения пересыщенного раствора лимонной кислоты используют вакуум-выпарные аппараты. Температуру сгущения поддерживают в пределах 65-70 ⁰С, а концентрация пересыщенного раствора составляет 71-72 %. Кристаллизацию лимонной кислоты из пересыщенного раствора осуществляют в несколько этапов, изменяя скорость охлаждения раствора:

В конце кристаллизации раствор выдерживают в течение 30 мин для созревания кристаллов. Выкристаллизовавшуюся молочную кислоту отделяют от маточного раствора центрифугированием. Влажные кристаллы с массовой долей влаги 2-3 % направляют на сушку. Сушат продукт на барабанных сушилках из кислотоустойчивой стали. Температура воздуха на входе в сушилку не должна превышать 70 ⁰С, а на выходе – 35 ⁰С.

Маточные растворы, после отделения из них кристаллов, не смешивают между собой и основным раствором лимонной кислоты, чтобы не снизить качество готового продукта. Первый маточный раствор сгущают и кристаллизуют, получая второй маточный раствор (может быть и третий). Для повышения качества лимонной кислоты вторичные маточные растворы обрабатывают активированным углем (1…2 %) при температуре 70 ⁰С в течение 30 мин.

В зависимости от химических показателей лимонная кислота подразделяется на сорта: экстра, высший и первый.