У харчовій промисловості лимонну кислоту використовують у виробництві кондитерських виробів, безалкогольних напоїв і харчових концентратів. Харчову лимонну кислоту отримують в процесі культивування на цукровмісних середовищах гриба Aspergillus niger.
Лимонна кислота – це безбарвні кристали або білий порошок без грудок. Смак кислий, без стороннього присмаку, 25%-й розчин кислоти у дистильованій воді не повинен мати запаху. Вміст лимонної кислоти в товарному продукті повинен бути не менше 99,5% в перерахунку на моногідрат. Вміст золи повинен становити не більше 0,07-0,35%.
Як основу цукровмісних середовищ використовують мелясу. Бурякова меляса, що застосовується у виробництві лимонної кислоти, повинна містити не менше 75% СР, зокрема 46% сахарози, не більше 1% інвертного цукру, 0,7% оксиду кальцію, 0,03% діоксиду сірки, 0,05% фосфорного ангідриду; рН повинне бути не нижче 6,5.
Крім бурякової меляси як сировину для приготування цукровмісних середовищ можна використовувати тростинну мелясу. Така меляса повинна містити близько 80% СР, зокрема 44% зброджуваних цукрів, рН її повинно становити приблизно 6,5.
Плісеневий гриб A. niger добре засвоює глюкозу, фруктозу, сахарозу, погано – галактозу, лактозу. Проте найбільша кількість лимонної кислоти утворюється при зброджуванні середовищ, що містять сахарозу. Оптимальна концентрація цукру в середовищі становить 10-15%.
Процес отримання лимонної кислоти при зброджуванні цукру може бути представлений таким рівнянням:
С12Н22О11 + 3О2 → 2С6Н8О7 + 3Н2О
Штами гриба повинні давати найбільший вихід лимонної кислоти і бути стійкими до дії зовнішніх чинників. A. niger – аероб, який не може існувати без кисню, тому йому властивий поверхневий ріст, проте в умовах достатньої аерації розмноження може відбуватися і глибинним способом. В умовах поверхневого і глибинного способів культивування використовують різні штами гриба.
До важливих чинників, що впливають на життєдіяльність A. niger, відносяться також рН, температура, вологість, наявність мінеральних речовин. Оптимальна температура для утворення лимонної кислоти становить 31-32оС, для росту і розвитку гриба - 35-37оС. рН може знаходитися в межах від 3,0 до 7,0, в процесі росту гриба і культивування значення рН живильного середовища змінюється. Як додаткове мінеральне живлення застосовують гідрофосфат калію, сульфат цинку, а у ряді випадків – солі міді і кобальту.
Виробництво лимонної кислоти складається із таких стадій:
o підготовка живильного середовища;
o отримання посівного матеріалу;
o культивування;
o отримання цитрату кальцію;
o розклад цитрату кальцію;
o очищення і випарювання розчину лимонної кислоти;
o кристалізація лимонної кислоти;
o відділення кристалів лимонної кислоти;
o висушування кристалів лимонної кислоти;
o фасування лимонної кислоти.
Приготування живильного середовища.Приготування мелясних середовищ різної концентрації полягає в розбавленні меляси водою. Потім рН отриманого розчину доводять до значення 6,8-7,2 шляхом додавання сірчаної кислоти або розчину карбонату натрію, після цього розчин кип’ятять. Для видалення іонів важких металів в живильне середовище вносять розчини гексаціано-(ІІ)-ферату калію і Трилону Б. Потім додають розчини солей (ZnSO4, KH2PО4) і стерильну воду для доведення концентрації середовища до необхідного значення. Всі компоненти живильних середовищ стерилізують.
Отримання посівного матеріалу.Посівний матеріал для глибинної і поверхневої ферментації готують централізовано. Посівним матеріалом є конідії виробничого штаму A. niger. Посівний матеріал отримують розмноженням конідій на сусло-агарових середовищах в стерильних умовах.
Культивування. На сьогодні в промисловості найчастіше застосовують глибинне культивування, яке включає вирощування міцелію і основне культивування.
Міцелій вирощують в посівному ферментаторі, об’єм якого складає 10% від об’єму основного ферментатора. Ферментатор є стальною вертикальною циліндричною ємністю, обладнаною кожухом, пристроями для подачі повітря і перемішування культуральної рідини. До мелясного живильного середовища з концентрацією 3% і температурою 35-36оС додають суспензію конідій, яку готують заздалегідь за 5-6 год, змішуючи сухі конідії з мелясним середовищем і витримуючи в термостаті при 32оС. Міцелій вирощують при температурі 34-35оС, безперервному перемішуванні і аерації середовища. Кількість повітря, збільшують в процесі росту міцелію: після 24-30 год і до закінчення культивування подають 90-100 м3/год. В процесі вирощування періодично здійснюють контроль чистоти культури. Тривалість вирощування міцелію 18-28 або 28-36 год.
Основне культивування проводять у ферментаторах об’ємом 50 або 100 м3, куди вносять стерильне мелясне живильне середовище з концентрацією 3% і температурою 32-33оС, з посівного ферментатора надходить міцелій. Протягом першої доби після засіву міцелій розростається, починається інтенсивне бродіння, що призводить до зниження вмісту цукру в середовищі. Коли вміст цукру досягає 0,4-0,8%, у ферментатор підливають концентроване мелясне ЖС, що містить 20-25% цукру. Зазвичай в процесі культивування роблять 3-4 підливи. Сумарну концентрацію цукру в початковому об’ємі середовища доводять до 12-13%. Подачу повітря протягом першої доби збільшують з 1 до 22 м3/(м3*год) і підтримують на такому рівні до закінчення культивування. Температура середовища в процесі культивування повинна становити 31-32оС.
Про завершення процесу культивування свідчить постійність значення титрованої кислотності протягом 4-8 год. При цьому культуральну рідину у ферментаторі нагрівають парою до 65-70оС, а потім перекачують в збірник. Міцелій відокремлюють і промивають на вакуум-фільтрах. Після відділення культуральної рідини міцелій промивають гарячою водою з температурою 100оС. Вміст кислоти у відмитому міцелії не повинен перевищувати 0,2%. Питома продуктивність ферментатора за лимонною кислотою становить 8-10 кг/(м3*добу).
Поверхневе культивування застаріле і значно поступається глибинному способу. При глибинному культивуванні забезпечується вища швидкість бродіння, стерильні умови процесу, скорочуються витрати ручної праці.
Отримання цитрату кальцію.Культуральна рідина містить лимонну, глюконову і щавлеву кислоти. Вміст лимонної кислоти від загального вмісту кислот складає при глибинному способі 80-85%, при поверхневому – 97-99%.
В процесі виділення з культуральної рідини лимонну кислоту осаджують у вигляді малорозчинного цитрату кальцію. Культуральну рідину обробляють вапняним молоком до рН > 6 при температурі близько 90оС. Відбувається нейтралізація лимонної, глюконової і щавлевої кислот, в результаті утворюється осад цитрату і оксалату кальцію. Відділення осаду здійснюють на вакуум-фільтрах. Отриманий осад промивають на фільтрі водою з температурою не нижче 90оС.
Розклад цитрату кальцію.Промитий осад обробляють сірчаною кислотою в реакторі з кислотостійкої сталі. У реакторі з осаду готують суспензію, концентрація якої забезпечить отримання 25%-го розчину лимонної кислоти. Температуру суспензії доводять до 75оС і додають технічну сірчану кислоту в кількості 5-10 г/л, що забезпечує її надлишок в розчині. При цьому відбувається екзотермічна реакція розкладу цитрату кальцію з утворенням лимонної кислоти і осаду сульфату кальцію, температура реакційної суміші зростає приблизно до 90оС.
За таких умов оксалат кальцію залишається в осаді, оскільки для його розкладу потрібний значний надлишок сірчаної кислоти.
Після розкладу цитрату кальцію в реактор додають 10%-й розчин гексаціано-(ІІ)-ферату калію або кальцію для осадження іонів тривалентного заліза. Для освітлення розчину лимонної кислоти вносять активоване вугілля. Осадження важких металів і миш’яку проводять сульфідом барію.
Очищення і випарювання розчину лимонної кислоти.Осад відокремлюють на вакуум-фільтрах, промивають його водою з температурою приблизно 90оС до вмісту лимонної кислоти в промивній рідині не більше 0,1%. Промивну воду змішують з фільтратом, середній вміст лимонної кислоти в суміші повинен бути не нижче 16%.
Отриманий розчин лимонної кислоти випарюють у при залишковому тиску близько 80 кПа, що дозволяє зменшити колірність розчину. Кінцева густина розчину складає 1,26-1,28 г/см3. В процесі випарювання розчину випадає осад сульфату цинку. Після випарювання розчин лимонної кислоти освітлюють активованим вугіллям в кількості 1,5-2% від маси лимонної кислоти в розчині. Активоване вугілля і сульфат цинку відокремлюють фільтруванням.
Освітлений розчин лимонної кислоти надходить у другий випарник. Розчин концентрують до густини 1,37-1,38 г/см3, при цьому вміст кислоти в розчині складає 69-71%. Концентрований розчин фільтрують і подають в кристалізатор.
Кристалізація лимонної кислоти.Охолодження гарячого розчину проводять в кристалізаторі при безперервному перемішуванні. Пересичення, необхідне для утворення центрів кристалізації, досягається при зниженні температури розчину. При температурі близько 37оС вносять затравку кристалів лимонної кислоти в кількості 0,05% від маси розчину. Утворення і ріст кристалів відбуваються при зниженні температури до 8оС. При цій температурі утфель, який є сумішшю кристалів і маточного розчину, витримують протягом 30 хв.
Відділення кристалів лимонної кислоти.Кристали відокремлюють від маточного розчину на центрифугах. Отримані кристали пробілюють – обприскують водою з температурою не вище 35оС для видалення плівки маточного розчину на їх поверхні. Після центрифугування вологість кристалів лимонної кислоти складає 2-3%.
Висушування кристалів лимонної кислоти.Кристали лимонної кислоти сушать в умовах, які забезпечують видалення поверхневої вологи і збереження кристалізаційної води, для чого використовують барабанні або стрічкові пневматичні сушарки, в яких кристали висушують повітрям при температурі 35оС
Фасування лимонної кислоти.Після висушування кристали кислоти охолоджують, просівають і упаковують. Лимонну кислоту випускають в упакованому вигляді. Для реалізації через роздрібну торгівлю кислоту фасують по 10-100 г в пакети з поліетиленової плівки або етикетувального паперу, ламінованого поліетиленом, або пачки з паперу з вкладишем. Для постачання на підприємства лимонну кислоту фасують в льняні продуктові мішки масою до 40 кг з вкладишем з поліетиленової плівки.