Производство лимонной кислоты: подготовка, процесс и получение продукта

Лимонная кислота была открыта несколько сотен лет назад, но об истории ее полноценного производства на промышленных мощностях можно говорить лишь начиная с 1919 года. С этого момента технологи стали применять микробиологические процессы, развитие которых не останавливается по сей день. При этом современное производство лимонной кислоты неоднородно и предполагает разные способы изготовления конечного продукта. Выбор того или иного метода определяется не только характеристиками сырьевых ресурсов конкретного предприятия, но и требованиями целевого рынка потребления.

Общие сведения о лимонной кислоте

Вам будет интересно:Чиллер с воздушным охлаждением конденсатора: устройство, применение, виды, фото

В качестве регулятора кислотности данный продукт активно применяется в пищевой промышленности. Но лимонную кислоту задействуют не только в целях коррекции вкуса. В зависимости от технологии изготовления она может увеличивать срок годности целевого продукта. С этой точки зрения производство лимонной кислоты в России можно ставить в один ряд с технологиями изготовления аскорбиновой, уксусной и молочной кислотами, а также с их производными.

Как отмечают специалисты, благодаря своим качествам антиокислителя и синергиста антиокислителей, лимонная кислота сегодня используется едва ли не в половине всех выпускаемых продуктов пищевой промышленности. Популярности данного подкислителя способствуют и ее гастрономические свойства. У этой кислоты приятный и мягкий вкус – во всяком случае, если сравнивать с альтернативными продуктами данного типа. Особенно эти качества проявляются в напитках и кондитерских изделиях. Существует и широкая группа солей, которые получают в условиях микробиологического производства лимонной кислоты – в частности, цитрат натрия далее может использоваться как соль-плавитель. К преимуществам лимоннокислого натрия относят возможность его получения в твердой форме, а также исключение раздражающего эффекта при воздействии на слизистые оболочки систем пищеварения и дыхания.

Промышленное производство продукта

Вам будет интересно:Нефть WTI - это...?

Название лимонной кислоты обращает внимание на цитрусовые, однако, эта кислота в разной степени присутствует во всех фруктах, хлопчатнике и хвое. И все же первые производства были организованы именно на базе переработки лимонного сока. В 1920-х годах таким образом получали примерно 25% всей продукции. При этом сама технология изготовления была нерациональной, так как из 1 т лимонов получалось около 25 кг чистого продукта. Сегодня же производство пищевой лимонной кислоты организуется на более технологичных и ресурсоемких методах, предполагающих использование и принципиально новых добавок наподобие патоки и плесневых грибков. Этим, к слову, обуславливаются и логистические решения о расположении производств лимоннокислого натрия рядом с заводами по изготовлению сахара.

Вам будет интересно:Хлористый винил (винилхлорид): свойства, формула, промышленное производство в России

В то же время нельзя сказать, что такого рода производства оправдывают себя по определению в условиях высокого спроса. Дело в том, что по мере повышения технологичности производственного процесса усложняется и оборудование, а это означает увеличение расходов на техническое оснащение и содержание мощностей. Поэтому без продуманного бизнес-плана по производству лимонной кислоты, в котором бы указывались все аспекты организационно-хозяйственной деятельности предприятия не обойтись. Наряду с проектным решением по оснащению производственным оборудованием и разработкой логистических моделей с экономическим обоснованием также потребуется определение оптимальной рецептуры конечного продукта, чтобы он мог конкурировать в определенной нише на рынке. К этому стоит добавить и поправку на жестких санитарно-гигиенических нормативах, которые регулируют практически все технологические нюансы получения данной кислоты.

Физико-химическое представление технологии

Современные процессы производства лимонной кислоты в основном строятся на гидролизе крахмальной суспензии, включающей до 30% массы сухих элементов с амилолитической способностью. К ним может добавляться крахмал минеральных солей с сульфатами меди, цинка и железа. Данная основа в последующем проходит ферментацию в питательной среде плесневым грибом.

В результате ферментации и выделения грибковой биомассы формируется культуральный раствор, в котором изначально содержится до 85% лимонной кислоты. Характерной особенностью полученных на этом этапе кислотоустойчивых ферментов является повышенная амилолитическая активность. Прежде всего, это касается глюкоамилазы и амилазы.

Технический результат производства лимонной кислоты после прохождения вспомогательных операций оценивается в лабораторных условиях широким спектром показателей качества, среди которых амилолитическая активность культурального раствора.

Технологии изготовления "лимонки"

Процесс производства выполняется в несколько технологических этапов на разном оборудовании. Хотя существуют разные конфигурации обустройства заводских мощностей – в том числе моноблочные и сборные модульные. Среди основных же процессов, на которых строится современная технология производства лимонной кислоты, можно выделить следующие:

Оборудование для производственного процесса

Вам будет интересно:Оборудование для газлифтной эксплуатации скважин

Оптимизированный формат технического обустройства современных заводов по выпуску лимонной кислоты предусматривает использование биотехнологических установок. В среднем мощности такого решения по расчету объема выпуска составляют 200-250 т/год, при этом оставляя широкие возможности для получения модифицированных продуктов на основе разных источников сырья. В базовый состав данного оборудования для производства лимонной кислоты входят следующие реакторные и емкостные устройства:

Реализация проекта биотехнологической установки позволяет обеспечивать полный производственный цикл, локально снабжая региональных потребителей в полном объеме с минимальным привлечением теплоэнергетических ресурсов.

Аппаратурно-технологическое решение такого типа отличается использованием штаммов-продуцентов, что обуславливает изначально низкую себестоимость продукта. Данная технология производства лимонной кислоты также характеризуется приемлемым уровнем экологической чистоты для окружающей среды и токсической безопасностью для рабочего персонала.

Что касается качества выпускаемого продукта, то оно соответствует мировым стандартам пищевой промышленности. Другое дело, что возможен и выпуск технического продукта, предназначенного, в частности, для моющих средств.

Подготовка сырья для производства лимонной кислоты

Исходные материалы поступают в производственный процесс после специальной обработки. Ее способ и параметры проведения определяются не только свойствами сырья, но и требованиями к продукту. Также берется во внимание возможность изготовления производных продуктов из лимоннокислого натрия.

Так или иначе, основным сырьем для производства лимонной кислоты является меласса, содержащая оптимальный коэффициент железа. Что касается ее переработки, то главным этапом в этом процессе является предферментация, необходимая для осаждения состава посредством желтой кровяной соли. Без переработки в дальнейшем эта соль в кислоте может выступать ингибитором изоцитратдегидрогеназов.

Еще одним компонентом, который может использоваться в качестве сырьевой основы, является грибок Аспергиллиус Нигер. Возникает вопрос – почему в условиях современных технологий для производства лимонной кислоты используют гриб из плесени? Чаще всего его применение требуется для обеспечения функции продуцента. Его химическая формула оптимально подходит для проведения сразу нескольких процессов, которые невозможны или технологически неоправданны при использовании синтетических заменителей. В частности, речь идет о растворении, солификации и последующих процедурах сепарации и очистки.

Специальная подготовка сырья требуется и в процессах выпуска модифицированных производных из лимонной кислоты. В данном случае также могут применяться дополнительные включения, среди которых этиловый спирт, технические и этанолсодержащие полупродукты с отходами спиртовых заводов. В свою очередь, производство лимонной кислоты из мелассы будет дополняться процессами осветления гексацианоферратом, стерилизацией и кипением.

При использовании гидрализатов крахмала с умеренным содержанием примесей подготовка сырья должна будет включать процедуру декатионизации и операцию стерилизации в непрерывном режиме.

Организация процесса размножения спор

Для эффективного проведения микробиологических процессов требуется качественно подготовленный посевной материал. При синтезе кислоты данный материал в виде спор вносится в бродильный чан в самом начале производственного процесса. В оптимизированном виде технология производства лимонной кислоты на основе мелассы отдельно предусматривает этапы подготовки спор для разведения, в рамках которой также выполняется тестирование. Если планируется долгосрочное производство, то споры сушатся. Это необходимо и для длительного сохранения их функциональных качеств, и для успешного проведения дозации.

На следующем этапе подготавливаются субстраты, включающие сахарозу, глюкозу или крахмал. Материалы с содержанием крахмала сначала проходят процедуру осахаривания в целях последующего преобразования в глюкозу, которую используют как производственный штамм.

Поскольку уровень примесей на всех этапах переработки сырья и субстратов может быть чрезмерно высоким, многие производители разрабатывают и специальные методики для первичной очистки данных материалов. Например, глубокая переработка гидролизата крахмала для лимонной кислоты в пищевом производстве может включать операции обессоливания. К универсальным и наиболее доступным методикам очистки от примесей можно отнести те же процедуры стерилизации и кипения с механической фильтрацией.

Процесс брожения и выделение кислоты

В современных технологиях обеспечения процесса брожения применяются специальные барботажные ферментеры, которые отбирают по подготовленным штаммам рассмотренного выше плесневого грибка. Подбор осуществляется вместе с тестированием по определенным параметрам, что позволяет организовывать брожение по индивидуальным конфигурациям с учетом особенностей применяемого сырья. В наиболее технологичных процессах производства лимонной кислоты также задействуются инструменты регуляции метаболической активности барботажных микроорганизмов.

На этапе выделения кислоты стоит задача получить раствор из ферментационной среды с начальным уровнем очистки. В целях повышения степени очистки генерирующая смесь должна быть соответствующим образом подготовлена. В частности, она подвергается следующим процессам предварительной обработки:

Вам будет интересно:Синтетические смолы: производство, состав, структура и область применения

Для сепарации сухих остатков на современных производствах применяются ленточные фильтры с автоматическим управлением. Также и для организации процессов фильтрации осадка задействуются специальные центрифуги и сепараторы с электронными системами регуляции, что повышает точность переработки материала.

Очистка полученной лимонной кислоты

Завершающая стадия производства, включающая в себя комплексную обработку уже полученного продукта. В этом процессе применяется активированный уголь с анионо- и катионообменными смолами. Технология такой очистки реализуется в реакторах с неподвижным слоем в несколько этапов:

Выпаривание производится в выпарном многоступенчатом агрегате с падающей жидкостной пленкой. В результате этого процесса происходит достижение необходимого коэффициента выпарки без снижения потребительских свойств лимонной кислоты. Расход энергетических ресурсов на этом этапе может значительно сокращаться благодаря обеспечению тепловой компрессии на парах.

Что касается кристаллизации, то данный процесс производства лимонной кислоты выполняется с принудительной циркуляцией. В некоторых технических конфигурациях заводов пищевой промышленности вакуум-кристаллизаторы проектируются на одной конструкционной базе вместе с аппаратами для получения модифицированных и производных лимоннокислого натрия. К примеру, аналогичное оборудование используется при получении обезвоженных продуктов и моногидрата лимонной кислоты.

Не последнее значение на этапе очистки имеет и операция рециркуляции ферментационного раствора, при которой происходит отделение маточных ферментов от кристаллосодержащей суспензии. Технически данную процедуру реализует центрифуга с непрерывным действием, что дает возможность тонкого контроля характеристик конечной продукции.

Заключительные процессы осушки и просеивания требуют деликатности в обращении с полученным и очищенным продуктом. На данном этапе будут играть роль и требования к форме выпуска лимонной кислоты – например, фракционирование выполняется в соответствии с проектным размером частиц.

Отечественный рынок лимонной кислоты

К основным участникам данного сегмента на российском рынке пищевой промышленности можно отнести производителей из Китая, контролирующих практически половину всех объемов выпуска. Но существенная доля приходится и на российские заводы по производству лимонной кислоты, особое место среди которых занимает предприятие «Цитробел», расположенное в Белгороде. Собственно, это едва ли не единственный отечественный комбинат с мощностями мирового масштаба. Активно сотрудничают коммерческие организации пищевого сектора и с заводами ближнего зарубежья. В этом направлении выделяются украинские и белорусские сахарные заводы, расположенные в Смеле и Скиделе соответственно.

По словам специалистов, российская лимонная кислота отвечает нормативным требованиям ГОСТа и стандартам оформления тары. Это одно из преимуществ, которое позволяет успешно конкурировать отечественным заводам по производству лимонной кислоты в России с китайскими предприятиями. Так, по сравнению с «Цитробелом», который обеспечивает поставки лимонной кислоты стабильно высокого качества, производители из Поднебесной далеко не всегда гарантируют соответствие продукции жестким стандартам, что отражается и на ценах. Разница определяется уровнем производителя и торговой сети. При этом даже в поставках от крупных компаний характеристики лимонной кислоты в одной партии неоднородны и могут варьироваться. Это подтверждается и в отзывах потребителей, где отмечаются претензии к растворимости и влажности продукта.

Заключение

На сегодняшний день объем производства мировых изготовителей лимонной кислоты составляет порядка 800 000 т/год. Столь высокая отдача данного сектора обуславливается тем, что в применении подкислителей заинтересован целый ряд отраслей, среди которых и традиционные сегменты пищевой промышленности, и химико-фармацевтическая сфера. Более того, производные подобных кислот сегодня находят применение даже в оборонной и электронной отраслях, не говоря о сельском хозяйстве и других направлениях промышленности, где востребована техническая функция лимоннокислотных ферментов. В этом отношении можно отметить практику использования цитрата натрия в качестве заменителя активных технологических добавок и синтетических моющих средств.

Если же говорить о производстве лимонной кислоты в России, то на уровне правительства последние годы были предприняты шаги по защите отечественного рынка с целью стимуляции предприятий, работающих в данной сфере. Но поскольку Белгородский комбинат остается единственным крупным поставщиком лимонной кислоты, временами наблюдается и нехватка продукта. В качестве выхода специалисты предложили изменение таможенных правил, в рамках которых приоритет на ввоз иностранных подкислителей отдавался европейским компаниям, гарантирующим надлежащее качество продукта. Лимонная кислота от крупных производителей биохимии из Японии, Швейцарии и Германии по качеству превосходит отечественные продукты, но цены на нее слишком высоки, поэтому завод «Цитробел» по-прежнему сохраняет конкурентоспособность без ущерба для нужд потребителей.

Источник