CC BY
107
О
ХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Повышение
экологической безопасности
производства пищевой лимонной кислоты
Л.В. Новинюк, Д.Х. Кулев
Всероссийский научно-исследовательский институт пищевых ароматизаторов, кислот и красителей, Санкт-Петербург
Пищевую лимонную кислоту в России получают путем биосинтеза, используя в качестве сырья свекловичную мелассу и классический цитратный способ выделения кристаллической кислоты из ферментированных растворов (см. рисунок). Недостаток этой технологии -образование значительных объемов отходов производства, сточных вод и газовых выбросов, которые при использовании гексацианоферрата калия могут быть загрязнены цианидами.
На 1 т кристаллической лимонной кислоты образуется от 1,0 до 1,2 т мицелия влажностью 75-80 %, от 2,5 до 3,0 т гипсового шлама влажностью 4050 % и до 15 м3 фильтрата цитрата кальция с содержанием сухих веществ 5-6 %.
Мицелий гриба-продуцента накапливается в процессе ферментации уг-леводсодержащего сырья в лимонную кислоту. В мицелии содержится «сырой протеин», в котором присутствуют практически все незаменимые аминокислоты, углеводы, ферменты, витамины, в том числе группы В и провитамин Р2, а также минеральные вещества.
Схема образования, переработки и использования отходов производства лимонной кислоты цитратным способом
Использование мицелия связано с получением кормового продукта в сухом виде, так как в «нативном» влажном состоянии он подвержен микробиологической порче и не может храниться длительное время. В связи с этим влажную мицелиальную массу сушат до остаточной влажности 10-12 %.
Один из разработанных способов производства сухого мицелия предусматривает высушивание мицелиаль-ной биомассы в горизонтальных вакуум-котлах. Общая продолжительность процесса составляет 7-8 ч, за это время происходит полное удаление свободных цианидов. Возможно получение сухого гранулированного мицелия совместно с наполнителем - свекловичным жомом. Сушку производят горячим воздухом на конвективной ленточной сушилке в течение 2,0 - 2,5 ч. Перспективно использование для сушки гранулированного мицелия установок с виброкипящим слоем. При температуре воздуха 120...140 °С время сушки (с 6 до 10 % влажности) составляет всего 8-10 мин. Но с учетом удаления свободных цианидов сушка мицелия в установках с виброкипящим слоем должна быть не менее 1,5 ч.
Питательная ценность 1 кг сухого мицелия - 0,9-1,1 корм. ед., что позволяет использовать его в качестве эффективной белково-витаминной добавки к кормам животным.
Фильтрат цитрата кальция (ФЦК) и гипсовый шлам (ГШ) образуются на стадии цитратного выделения кристаллической лимонной кислоты. ФЦК -наиболее многотоннажный отход производства лимонной кислоты. Большие объемы этого жидкого отхода сбрасываются на поля фильтрации или направляются на очистные сооружения совместно со сточными водами. В то же время фильтрат содержит ценные азотистые соединения, бетаин и другие питательные компоненты. Хранение и транспортирование ФЦК в «нативном» виде, так же как и мицелия, недопустимо, поэтому его упаривают до содержания сухих веществ 50-60 % и используют как кормовую добавку. Кон-
центрирование ФЦК осуществляют в двухкорпусной вакуум-выпарной установке непрерывного действия фирмы «Виганд». Режим выпаривания определяют, исходя из необходимости сохранения питательной ценности фильтрата как белкового продукта.
Третий отход производства лимонной кислоты - гипсовый шлам, который образуется в процессе химического разложения цитрата кальция серной кислотой. ГШ представляет собой пастообразную массу с содержанием дву-водного сульфата кальция от 82 до 90 %, не обладает вяжущими свойствами.
Одно из основных направлений использования гипсового шлама - его применение в производстве строительных материалов. Для этого необходима предварительная сушка шлама с целью снижения влажности, уменьшения содержания примесей, в том числе цианидов, и придания сыпучих свойств для дальнейшей его переработки. Однако из-за невысокой стоимости строительных изделий и больших энергозатрат на получение цитрогипса на действующих предприятиях не было организовано его производство, и ГШ, как правило, направляют в отвал, что создает дополнительную экологическую нагрузку на окружающую среду.
Все раздельные способы утилизации отходов связаны с необходимостью их предварительной подготовки, удаления избыточной влаги и содержащихся примесей, а следовательно, и с серьезными энергозатратами. В связи с этим разработан достаточно рациональный способ комплексной переработки отходов производства лимонной кислоты в их «нативном» виде в гипсоволокни-стые плиты, не требующий предварительного упаривания ФЦК, сушки мицелия и ГШ [1, 2].
Важный вопрос в производстве лимонной кислоты - очистка сточных вод, в которые поступают промывные воды от мойки оборудования - аппаратов приготовления питательных растворов, посевных и основных ферментаторов, коммуникаций, а также после промывки цитрата кальция. Объем сточных вод от замывов оборудования достигает 24-25 м3, от промывки цитрата кальция - 25-26 м3 на 1 т кристаллической кислоты. Такие стоки имеют кислый характер, содержат мицелиальные остатки, значительное количество взвешенных веществ органического и минерального происхождения. Химический состав сточных вод зависит не только от исходного сырья, но и используемых при ферментации питательных солей и реагентов, применяемых для очистки мелассы и растворов лимонной кислоты. В стоках
присутствуют редуцирующие сахара, аммонийные соединения, сульфаты, нитраты и ферроцианиды. Высокое содержание органических соединений в стоках позволяет использовать биологические методы их очистки.
Газовые выбросы в небольших объемах образуются в отделении ферментации от варочных котлов, посевных и основных ферментаторов. В их составе содержатся лимитируемые по токсичности аммиак, хлор и цианид водорода. Продолжительность максимального выброса этих соединений, образующихся во время внесения реагентов, невелико и составляет примерно 10-20 мин. В химическом отделении имеют место выбросы от нейтрализаторов, реакторов разложения цитрата кальция, участков приготовления известкового молока, сушки и фасовки готовой продукции, помещений и емкостей хранения реагентов. В составе их могут быть сернистый ангидрид, циановодо-род, аэрозоль серной и лимонной кислот, угольная пыль.
Среднесуточные концентрации веществ, загрязняющих промвыбросы производства лимонной кислоты, в целом не превышают среднесуточных предельно допустимых значений (ПДК) для воздуха населенных мест. Для ликвидации атмосферных загрязнений в местах образования промвыб-росов предусмотрены локальные очистные системы.
Вместе с тем до сих пор наиболее проблемной остается полная утилизация отходов производства лимонной кислоты. Несмотря на имеющиеся решения по переработке отходов и переходу на безотходное производство, они в настоящее время практически не реализуются. Объясняется это прежде всего тем, что организация производств по переработке отходов требует высоких материальных и энергетических затрат, приобретения и установки комплектов оборудования, включающих смесители, грануляторы, сушилки, вакуум-выпарные аппараты и другое оборудование. Для размещения производств по переработке отходов необходимы значительные производственные площади. В этом случае предприятию нецелесообразно идти на высокие капитальные затраты и снижение рентабельности производства основной продукции.
Наиболее эффективный путь улучшения экологического состояния производства - переход на принципиально новую технологию лимонной кислоты, позволяющую сократить объемы образования отходов, сточных вод и газовых выбросов. Такая технология разработана специалистами ГУ ВНИИ пищевых ароматизаторов, кислот и красителей. Основные принципы ее
PROTECTION OF THE ENVIRONMENT
базируются на использовании потенциально более чистого по сравнению с мелассой сырья, современных мембранных и сорбционных методов очистки ферментированных растворов и бесцитратного способа выделения из них кристаллической кислоты [3].
В качестве углеводсодержащего сырья можно применять сахар-песок, сахар-сырец, полупродукты сахарного производства, крахмал, концентрированные соки сахаросодержащих растений, в частности, сок сорго и другие перспективные в этом отношении источники углерода [4]. При бес-цитратном способе выделение лимонной кислоты осуществляется без стадии нейтрализации и разложения цитрата кальция. При этом исключается образование многотоннажных отходов производства - ФЦК и ГШ (табл. 1).
Использование новой технологии позволяет эффективно решить комплекс технологических и экологических задач. Помимо исключения образования ФЦК и ГШ, снижения выхода мицелия, технология не предусматривает применения токсичных и агрессивных химических реагентов, таких как гекса-цианоферрат калия, концентрированные серная и соляная кислоты, известь, а также позволяет сократить количество стоков и газовых выбросов, снизить степень их загрязнения. Сравнительный анализ данных, представленных в табл. 1 и 2, показывает, что при бесцитратном способе на чистом сырье объем стоков сокращается практически вдвое, исключается загрязнение газовых выбросов сернистыми газами и, что особенно важно, цианидами, повышается безопасность использования мицелия и белкового концентрата, образующегося при ультрафильтрации, в качестве кормовой добавки.
В этом случае, как показывают расчеты, коэффициент экологичности, характеризующий степень безопасности такого производства по отношению к окружающей среде, близок к 1:
К = 1 - К ,
э о'
где Ко - коэффициент отходоемкос-ти (для данной технологии в первом приближении Ко = 0).
С точки зрения соответствия современным требованиям рационального природопользования разработанная технология обеспечивает высокий уровень безотходности, что, согласно существующей классификации, позволяет отнести ее к категории безотходных технологий [5]. Внедрение данной технологии - один из эффективных направлений повышения экологической безопасности производства пищевой лимонной кислоты.
Таблица 1
Объемы образования отходов производства и сточных вод при различных способах получения пищевой лимонной кислоты
Объемы образования
Отход цитратный способ на бесцитратный способ на
мелассе сахаре-песке
Мицелий, т/т 1,0-1,2 0,5-0,6
Белковый - 0,30-0,31
концентрат, т/т
Фильтрат цитрата кальция, м3/т 14-15
Гипсовый шлам, т/т 2,5-3,0 -
Сточные воды, м3/т 50-55 24-25
Таблица 2
Состав газовых выбросов при получении лимонной кислоты на мелассе и сахаре-песке
Показатель Пределы значений показателей (среднесуточные) ПДК (среднесуточная)
цитратный способ на мелассе, мг/м3 бесцитратный способ на сахаре-песке, мг/м3 в воздухе населенных мест, мг/м3
Аммиак 0,06-0,08 0,03-0,04 0,04
Цианиды 0,001-0,005 - 0,01
Хлор 0,005-0,01 - 0,03
Сернистый 0,01-0,03 - 0,05
ангидрид
Аэрозоль 0,01-0,05 - 0,01
серной кислоты
Угольная 0,01-0,04 0,01-0,04 2,0
пыль
ЛИТЕРАТУРА
1. НовинюкЛ.В., Гуревич М.А. Исследование комплексной переработки отходов производства лимонной кислоты в гипсоволокнистые плиты//Хранение и переработка сельхозсырья. 1997. № 9. С. 28-29.
2. Новинюк Л.В., Гуревич М.А., Лер-нер Р.Б. Сравнительная оценка эффективности раздельной и комплексной переработки отходов производства пищевой лимонной кислоты//Хранение и переработка сельхозсырья. 1998. № 6. С. 35-36.
3. Новинюк Л.В., Новицкая И.Б., Ку-лев Д.Х. Особенности мембранной очистки ферментированных растворов лимонной кислоты//Хранение и переработка сельхозсырья. 2005. № 12. С.23-25.
4. Никифорова Т.А., Мушникова Л.Н., Львова Е.Б. Основы микробного синтеза лимонной кислоты. - СПб., 2005.
5. Вторичные сырьевые ресурсы пищевой и перерабатывающей промышленности АПК России и охрана окружающей среды/Справочник под. ред. Е.И. Сизенко. - М., 1999.
