Кондитерская промышленность

Производство пищевых органических кислот

Пищевые органические кислоты используются в ряде отраслей пищевой промышленности (кондитерской, консервной, при производстве безалкогольных напитков и др.) для придания изделиям определенного вкуса. Кроме того, они широко применяются в фармацевтической, химической, текстильной, кожевенной и других отраслях промышленности. В пищевой промышленности наибольшее применение находят лимонная, уксусная и молочная кислоты.

Производство уксусной кислоты

Уксусную кислоту можно получить брожением и химической обработкой продуктов сухой перегонки дерева. Пищевую уксусную кислоту получают главным образом брожением.

Возбудителем брожения являются уксуснокислые бактерии, которые окисляют этиловый спирт в уксусную кислоту. Процесс окисления этилового спирта в уксусную кислоту проходит в две стадии. Вначале этиловый спирт окисляется в уксусный альдегид, который при дальнейшем окислении превращается в уксусную кислоту:

Внача- ле этиловый спирт окисляется в уксусный альдегид, который при даль- нейшем окислении превращается в уксусную кислоту:

или суммарно: 2СН3СН2ОН + О2 → СН3СООН + Н2О + 117 ккал

При производстве используют из многих видов бактерий бактерии Шюценбаха и бактерии курвум.

Для уксуснокислых бактерий благоприятна кислая среда (pH 3,0). Оптимальная температура для бактерий курвум 35-37°С, для бактерий Шюценбаха — 28°С. Уксуснокислое брожение является аэробным процессом, для этого среда продувается воздухом. Для нормальной жизнедеятельности уксуснокислых бактерий и нормального брожения сбраживаемое сусло должно содержать воду, этиловый спирт, уксусную кислоту, а также питательные вещества: сахар, сернокислый аммоний, суперфосфат.

Сырьем для производства уксуса является спирт, получаемый из зерно-картофельного сырья. Уксус, полученный из спирта-сырца, более ароматичный, чем из ректификата, однако непостоянное количество сивушного масла в спирте-сырце приводит к нарушению технологического процесса.

Уксус можно производить двумя основными способами: медленным и скорым; последний может быть периодическим или непрерывным, который и применяется в большинстве случаев.

Непрерывный способ производства уксуса

Брожение протекает в окислительных генераторах (рисунок 1), которые изготавливаются из дубовой клепки и имеют форму усеченного конуса, обращенного широким основанием вверх. Внутренняя поверхность генератора покрыта пивной смолкой или парафином. На расстоянии 20 см от крышки внутри чана имеется деревянное сито с отверстиями диаметром 3-5 см. Это сито равномерно распределяет вводимое в генератор сусло. На высоте 20-25 см от дна находится дырчатое (ложное) дно, через отверстия которого стекает готовый уксус. В нижней части по окружности чана, непосредственно под ложным дном, находятся отверстия для доступа свежего воздуха. В настоящее время вместо деревянных генераторов применяют стеклянные, эмалированные, керамические, железобетонные с кислотостойким покрытием.

1 - корпус; 2 - дренажные перегородки; 3 - верхняя крышка; 4 - дно; 5 - люк и отверстие для ввода сырья; 6 - отверстие для подачи воздуха; 7 - отверстие для слива кислоты; 8 - люк-лаз; 9 - стружка Рисунок 1 - Окислительный генератор
1 — корпус; 2 — дренажные перегородки; 3 — верхняя крышка; 4 — дно; 5 — люк и отверстие для ввода сырья; 6 — отверстие для подачи воздуха; 7 — отверстие для слива кислоты; 8 — люк-лаз; 9 — стружка
Рисунок 1 — Окислительный генератор

Внутреннее пространство генератора заполняется буковыми стружками. Стружки сверху орошаются суслом, а снизу продуваются воздухом. Свежие стружки, загруженные в генератор, подкисляются уксусной кислотой, чтобы устранить возможность развития посторонних микроорганизмов. Для этого через стружку пропускают уксус концентрацией 9% до тех пор, пока концентрация уксуса в стекающей из генератора кислоты не будет равной концентрации заливаемого уксуса. Вместе с уксусом в чан вводят уксуснокислые бактерии. Продолжительность процесса подкисления составляет 8-10 сут. При этом на подкисление 1 м3 стружки расходуется около 400 л уксуса. После окончания подкисления открывают воздушные отверстия в чане и начинают заливку сусла. В состав сусла входит 3-4%-ный раствор этилового спирта и 6-7%-ный раствор уксусной кислоты. Кроме того, для нормального развития бактерий сусло должно содержать необходимые питательные вещества (углеводы, азотистые, минеральные вещества). Сусло поступает в верхнюю часть генератора и по стружке медленно стекает вниз. Снизу вверх продувается воздух. Уксусные бактерии окисляют спирт в уксусную кислоту и из нижней части чана стекает 9-10%-ный раствор уксуса. В начале брожения заливают сусло, подогретое до необходимой температуры ( 25-30°С).

Уксуснокислое брожение является экзотермическим процессом: 1 кг безводного спирта при окислении в уксусную кислоту выделяет 2490 ккал тепла. При этом температура сусла повышается и может прекратиться жизнедеятельность уксуснокислых бактерий и брожение. Тепло отводится охлаждением поверхности чанов. Температура для этого в помещении должна быть 18-20°С.

Скорый способ производства уксусной кислоты — типичный непрерывный процесс, при котором один раз заряженный генератор может работать много лет без перемены стружек. Теоретический выход уксусной кислоты составляет 103 кг из 100л безводного спирта. Практический выход — 73-75 кг из 100л безводного спирта.

Циркуляционный способ производства уксуса

При производстве уксуса непрерывным способом сусло через генератор проходит один раз. При этом количество уксусной кислоты в исходном продукте повышается на 3%. При циркуляционном способе сусло опять после первого прохода через генератор возвращается несколько раз до тех пор, пока не будет окислен весь спирт. При этом способе сусло состоит из смеси воды, спирта и питательных веществ без добавления уксуса. Количество питательных веществ увеличивается в два раза по сравнению с непрерывным способом.

Процесс окисления длится 5-6 сут. После окончания окисления спирта весь уксус выкачивается из генератора, а в генератор задается свежее сусло. Между напорным чаном сусла и генератором устанавливается теплообменник, что позволяет поддерживать температуру брожения около 30°С в верхней части генератора, и — 33-34°С в нижней.

При циркуляционном способе генератор не связан с атмосферой, так как воздух нагнетается компрессором. Это улучшает санитарные условия и уменьшает потери уксуса на испарение. Выход уксуса увеличивается до 85-90 кг из 100 л спирта.

Обработка и розлив уксуса

Полученный уксус осветляют и фильтруют. Осветляют уксус с помощью желатина, рыбьего клея или активного угля. Обработанный уксус отстаивают в течение нескольких суток, затем осветленный уксус осторожно сливают, а оставшийся осадок фильтруют.

Осветленный уксус разливают в дубовые бочки и выдерживают в лагерном отделении не менее двух месяцев. Разливают уксус в бутылки и бочки.

Уксус, полученный в результате брожения, можно сконцентрировать до 70-80%-ной уксусной кислоты. Такая кислота применяется в производстве органических красителей и растворителей, пластических масс, искусственного и синтетичекого волокна, медикаментов. Производство уксуса непрерывным способом протекает по схеме:

Произ- водство уксуса непрерывным способом

Производство молочной кислоты

Биохимический процесс получения молочной кислоты основан на способности молочнокислых бактерий превращать сахар в молочную кислоту:

С6Н12О6 → 2СН3СНОНСООН + 22,5 ккал

Возбудителями молочно-кислого брожения являются молочно-кислые бактерии. Для промышленного получения молочной кислоты используют термофильные бактерии Дельбрука. Оптимальная температура для этих бактерий 48-50°С и pH среды 6,3-6,5. Эти бактерии очень чувствительны к высокому содержанию кислоты. При накоплении в бродящей среде молочной кислоты они прекращают брожение и в заторе остается несброженный сахар. Поэтому образующуюся при брожении молочную кислоту нейтрализуют мелом или гашенной известью.

Молочнокислые бактерии хорошо сбраживают глюкозу, фруктозу, сахарозу, мальтозу, галактозу. Основным сырьем для получения молочной кислоты служит сахар или крахмал, который предварительно осахаривают амилазой или гидролизуют минеральной кислотой, а также меласса и рафинадная патока.

Технологический процесс производства молочной кислоты

Производство молочной кислоты состоит из следующих операций: приготовление затора, молочнокислое брожение, обработка сброженного затора и фильтрация, кристаллизация и расщепление лактата кальция, упаривание молочной кислоты. Если в качестве сырья применяют крахмал, то из него готовят крахмальное молоко концентрацией 11-12%. Приготовленную суспензию перекачивают в гидролизатор, где
гидролизуют крахмал до глюкозы при помощи серной кислоты. Можно производить также ферментативный гидролиз крахмала. Для этого применяют ячменный солод или ферментный препарат плесневого гриба Aspergillus oryzae.

Кислотный гидролиз крахмала более распространенный. Конец осахаривания контролируется йодной пробой. После осахаривания крахмальный гидролизат нейтрализуют мелом и отстаивают 3-4ч. При работе на сахаре или мелассе сахарозу предварительно разлагают при помощи серной кислоты до глюкозы и фруктозы, которые лучше усваиваются молочнокислыми бактериями.

В качестве дополнительного питания для молочнокислых бактерий к гидролизату, полученному после гидролиза крахмала или сахарозы, добавляют водную вытяжку из солодовых ростков. Готовое сусло после смешивания с солодовой вытяжкой должно иметь концентрацию сахара 10-12% и слабокислую реакцию. Дополнительно в сусло вносят еще 2% (по отношению к сахару) мела для связывания молочной кислоты, так как молочнокислые бактерии погибают в присутствии даже небольшого количества молочной кислоты.

Готовое сусло нагревают до 70°С и при этой температуре выдерживают 1-1,5ч для пастеризации, затем охлаждают до 50°С и засевают чистой культурой молочнокислых бактерий. После засева сусло перекачивают в бродильные чаны (рисунок 2), где проводится брожение при 50°С в течение 7-10 сут. Для поддержания этой температуры бродильные чаны снабжены медными змеевиками, через которые пропускают холодную воду. Образующуюся в результате брожения молочную кислоту необходимо нейтрализовать, для этого в бродильный чан три-четыре раза в сутки вносят тонкоразмолотый мел и размешивают. Мел во взаимодействии с молочной кислотой образует молочнокислый кальций (лактат кальция): 2СН3СНОНСООН + СаСО3 = Са(СН3СНОНСОО)2 + СО2 = Н2О

Рисунок 2 - Бродильный чан для молочнокислого брожения
Рисунок 2 — Бродильный чан для молочнокислого брожения

Брожение продолжается 8-9 сут. При нормальном брожении поверхность сусла покрывается мелкой пеной, отсутствует запах летучих кислот, спирта и эфиров. По окончанию брожения в сброженной среде содержится 11-14% лактата кальция. Сброженное сусло нагревают в бродильном чане до 80-90°С для умертвления бактерий и сверты вания белков и обрабатывают гашеной известью до слабощелочной реакции.

При этом бактерии, свернувшиеся белки, различные соли и другие примеси оседают.

Сусло отстаивают 3-5ч и в горячем состоянии фильтруют на рамном фильтр-прессе. Прозрачный фильтрат, содержащий 10-15% лактата кальция, поступает в чаны для кристаллизации. Чаны-кристаллизаторы снабжены змеевиками для охлаждения и мешалками. В кристаллизаторах раствор охлаждают до 11-12°С, за 10-16 ч в осадок выпадает молочнокислый кальций. Из кристаллизатора масса подается насосом на фильтр-пресс для отделения кристаллов от маточного раствора.

Кристаллизацию проводят также из концентрированных растворов. Для этого полученный после фильтрации раствор лактата кальция упаривают до концентрации 27-30%, а затем охлаждают до 27-30°С, заливают в кристаллизаторы и выдерживают 36-48 ч. Образовавшиеся кристаллы лактата кальция отделяют от маточного раствора на центрифуге. Маточные и промывные воды после фильтрации и центрифугирования собирают и используют для получения технической молочной кислоты. Кристаллический лактат расплавляют и передают центробежным насосом в расщепительный чан. Здесь под действием серной кислоты при 60-70°С лактат кальция разлагается с образованием молочной кислоты: Са(СН3СНОНСОО)2 + Н2SO4 = СаSO4 + 2СН3СНОНСООН

В результате разложения лактата кальция образуется так называемая сырая молочная кислота. Она содержит различные примеси и красящие вещества. Для освобождения от примесей (железа, тяжелых металлов) ее обрабатывают желтой кровяной солью и сернистым натрием или сернистым барием, для адсорбции красящих веществ сырую молочную кислоту обрабатывают активным углем. Затем массу фильтруют на фильтр-прессе и получают сырую молочную кислоту 18-20%-ной концентрации. Для повышения концентрации ее упаривают на вакуум-аппарате. Упаривание производят в две ступени: до 50%-ной с последующей очисткой от примесей осветлением активным углем и фильтрацией; упариванием до 80%-ной концентрации с последующей фильтрацией в горячем состоянии. Концентрированная молочная кислота сливается в сборник и поступает на розлив.

Схема производства молочной кислоты:

Схема производства молочной кислоты

Молочная кислота находит широкое применение не только в пищевой, но и в других отраслях промышленности. Она применяется при изготовлении некоторых пластмасс, применяется в кожевенном производстве, в фармацевтической промышленности, медицине. Большое применение находят соли и эфиры молочной кислоты.

Производство лимонной кислоты

Лимонная кислота является трехосновной кислотой

Лимонная кислота является трехосновной кислотой

Впервые лимонная кислота была получена в 1784 г. Шеелем из сока лимонов. Лимонная кислота содержится также в апельсинах, мандаринах, клюкве, шиповнике, черной смородине и в листьях махорки. Долгое время лимонную кислоту получали из лимонов, затем начали получать из листьев махорки, содержание которой соответственно 9% и 7-8% в пересчете на сухое вещество. Наиболее целесообразным является способ получения лимонной кислоты при помощи плесневых грибов Аспергиллюс нигер, которые являются возбудителем лимонно-кислого брожения сахара. Общую реакцию лимоннокислого брожения можно представить так:

С6Н12О6 + 3О → С6Н8О7 + 2Н2О

Применяют для выращивания гриба штамм 6/5 гриба Аспергиллюс нигер. Оптимальная температура для этого гриба 31 -37°С. Он устойчив в кислотной среде. Питательный раствор подкисляют соляной кислотой до pH 3-4. В период роста гриба и брожения должен быть обеспечен достаточный доступ воздуха.

Питательная среда для выращивания гриба должна содержать сахара, из которых наилучше усваиваются сахароза и глюкоза. Кроме сахаров в среде должны содержаться азот, калий, фосфор, сера, цинк, железо и магний в виде минеральных солей. Эти вещества необходимы для нормального роста мицелия и активного кислотообразования.

Процесс промышленного получения лимонной кислоты может осуществляться двумя способами: поверхностным и глубинным. При поверхностном способе питательный раствор располагается тонким слоем, и плесневый гриб развивается на поверхности жидкости. При глубинном способе брожение ведется в глубоких бродильных чанах, плесневый гриб развивается по всей толщине питательного раствора. Для создания аэробных условий питательная среда энергично аэрируется.

Глубинный способ имеет ряд преимуществ перед поверхностным. Он позволяет более рационально использовать производственную площадь, предохранить производство от инфекции, механизировать и  автоматизировать производственный процесс.

Поверхностный способ получения лимонной кислоты

Завод лимонной кислоты состоит из трех основных цехов: спорового, бродильного и химического. В споровом цехе происходит размножение чистой культуры плесневого гриба Аспергиллюс нигер. В бродильном цехе готовят сахарный сироп и сбраживают его в лимонную кислоту. В химическом цехе сброженный раствор подвергают химической обработке для выделения из него кристаллической лимонной кислоты.

Бродильный цех состоит из варочного, стерилизационного, бродильного, мицельного отделений и отделения сборников. В варочном отделении готовят концентрированный 40-50%-ный сахарный сироп. Для этого служит варочный котел, изготовленный из нержавеющей стали и имеющий мешалку и барботер острого пара. В варочный котел набирают водопроводную воду и нагревают ее до 80-90° С пропусканием пара через барботер. В горячую воду засыпают такое количество сахара, чтобы получить 40-50%-ный раствор, и кипятят его в течение 5 мин, после чего перекачивают центробежным насосом в стерилизационное
отделение.

В стерилизатор поступают вместе с сиропом питательные соли. В качестве питания применяют водные растворы хлористого аммония, сернокислых солей и фосфорнокислого калия. После размешивания растворы кипятят 3-5 мин. После кипячения в стерилизатор добавляется холодная вода, которая разбавляет сироп до заданного объема и охлаждает его. Температура сиропа после разбавления должна быть 35-38°С. Затем добавляют крепкую соляную кислоту для подкисления и раствор тщательно перемешивают.

После приготовления питательного раствора его засевают спорами плесневого гриба, выращенного в споровом цехе, из расчета 350-400 тыс. спор на 1 см3 среды. После засева питательный раствор тщательно перемешивают и направляют в бродильное отделение, где разливают по кюветам. Кюветы устанавливают в специальных бродильных камерах, в которых поддерживают температуру 34-36°С.-При этой температуре на питательном растворе вырастает пленка гриба. Рост пленки идет 36-48 ч. Когда питательная среда покроется достаточно зрелой пленкой, раствор из-под нее сливают и заменяют бродильным раствором. Последний отличается от питательного тем, что почти не содержит питательных солей. Сахара в нем 13,5-15%. Из питательных солей в нем содержится только хлористый аммоний, который способствует процессу образования лимонной кислоты.

Под действием плесневого гриба сахар бродильного раствора превращается в лимонную кислоту. Сброженный раствор время от времени сливают из-под пленки в сборники и заменяют свежим бродильным раствором. Такой способ лимоннокислого брожения называют сменным. Он применяется при сбраживании растворов, приготовленных из сахара. Брожение идет при 32°С в течение 14-16 сут. Бродильные растворы меняют 8-12 раз. По окончании брожения сброженный раствор из-под пленки сливают, пленку удаляют с кювет, а камеру моют и стерилизуют.

Сброженные растворы из отделения сборников поступают в химический цех для выделения кристаллической лимонной кислоты. В химическом цехе раствор подается насосом в нейтрализатор и нагревается острым паром до кипения. Кипящий раствор нейтрализуют мелом, и лимонная кислота в виде цитрата кальция выпадает в осадок:

6Н8О7 + ЗСаСО3 = Са36Н5О7)2 + ЗСО2 + ЗН2О

Нерастворимый осадок цитрата кальция отделяется от маточного раствора фильтрацией через нутч-фильтр. В фильтрате остается 5-7% сахара. Фильтрат сгущают и направляют в бродильное отделение. Цитрат кальция обрабатывают серной кислотой. В результате реакции образуется гипс и лимонная кислота

Са36Н5О7)2 + 3Н2SO4 = 2С6Н8О7 + 3СаSO4

Для осветления полученного раствора, содержащего красящие вещества, в него добавляют активированный уголь в количестве 2% от массы лимонной кислоты. Активный уголь загружают после введения в раствор 95% расчетного количества серной кислоты. После этого реакционную массу нагревают до кипения и кипятят 15 мин. При этом образуется раствор лимонной кислоты и осадок гипса.

Раствор лимонной кислоты отделяют от гипса и других побочных продуктов на фильтрах. После фильтрации раствор упаривают в вакуум-аппарате до концентрации лимонной кислоты 80% вес. Упаренный раствор поступает в кристаллизатор, где после охлаждения до 8-12°С выкристаллизовывается лимонная кислота. После удаления маточного раствора кристаллы на центрифугах промывают холодной водой и сушат. Сушка производится в камерных сушилках при 35°С. Высушенные кристаллы просеивают на механических ситах и расфасовывают.

Схема производства лимонной кислоты:

Схема производства лимонной кислоты:

Получение лимонной кислоты из мелассы

При поверхностном способе получения лимонной кислоты из мелассы процесс можно вести сменным или бессменным методами. При сменном методе плесневый гриб выращивают на обычной питательной среде. Процесс кислотообразования ведут на растворе из мелассы. Для приготовления бродильного раствора мелассу разбавляют до концентрации сахара 13-15%, осветляют активным углем, подкисляют серной кислотой и обрабатывают желтой кровяной солью для осаждения солей железа, которые вредно влияют на процесс кислотообразования. Бродильные растворы поступают в кюветы после выращивания пленки плесневого гриба. Через 2,5-3 суток сброженные мелассные растворы сливаются и заменяются свежеприготовленными.

При бессменном методе ведения процесса рост гриба и кислотообразование происходит в одной и той же среде. Мелассу разбавляют до концентрации сахара 15%. Перед розливом в кюветы в раствор добавляют необходимое количество фосфорной кислоты. Для сбраживания мелассовых заторов применяется специальный штамм гриба Аспаргиллюс нигер. Продолжительность брожения 8-10 сут. Сброженные растворы поступают в химический цех для выделения лимонной кислоты.

Глубинный способ получения лимонной кислоты

При получении лимонной кислоты методом глубинных культур выращивание плесневого гриба и лимоннокислое брожение производится в специальных аппаратах — ферментаторах. Ферментатор (рисунок 3) представляет собой вертикальный цилиндрический сосуд со сферическими дном и крышкой. Внутри ферментатора вмонтированы воздушный барботер, мешалка и змеевик.

1 - барботер; 2 - мешалка; 3 - змеевик; 4 - пеногаситель; 5 - привод; 6 - люк; 7 - штуцер засева; 8 - выхлопная труба; 9 - штуцер для термометра; 10 - пробный кран; 11 - сливной штуцер Рисунок 3 - Ферментатор
1 — барботер; 2 — мешалка; 3 — змеевик; 4 — пеногаситель; 5 — привод; 6 — люк; 7 — штуцер засева; 8 — выхлопная труба; 9 — штуцер для термометра; 10 — пробный кран; 11 — сливной штуцер
Рисунок 3 — Ферментатор

Приготовленный мелассный затор после стерилизации и охлажденный до 32-33° С вместе с растворами питательных солей поступает в ферментатор. В ферментаторе затор засевается спорами плесневого гриба и тщательно перемешивается. После этого сразу начинается аэрация среды обеспложенным и кондиционированным воздухом. Перед подачей в ферментатор воздух проходит через угольный фильтр, камеры кондиционирования и бактериальные фильтры. Количество продуваемого воздуха составляет 0,25-0,5 дм3/мин на один дм3 производственного раствора.

В ферментаторе гриб растет не в виде сплошной пленки, а в виде небольших частичек, равномерно распределенных в жидкости. Брожение ведется при непрерывном перемешивании и аэрации раствора. Этим создаются условия для хорошего контакта мицелия со средой и для аэробного процесса сбраживания сахара. Брожение ведется при 31-32°С. Эта температура поддерживается подачей холодной воды в змеевик ферментатора.

Через 30-36 ч после засева в ферментатор подают постепенно, порциями стерильный раствор мелассы в таком количестве, чтобы общая концентрация сахара составляла 12,5-15% в пересчете на исходный объем питательной среды. Длительность процесса брожения составляет 6-7 сут. Конец брожения определяется по уменьшению титруемой кислотности за последние сутки и по содержанию сахара в сбраживаемом растворе.

Сброженный раствор вместе с мицелием плесневого гриба переводится в запарник, где доводится до кипения при работающей мешалке. Затем жидкость поступает на барабанный вакуум-фильтр для отделения и отмывки мицелия от кислого сброженного раствора. Освобожденный от мицелия кислый раствор вместе с промывными водами поступает в химический цех для выделения лимонной кислоты.