CC BY
2УДК 663.18:664.154
doi.org/10.24412/2413-5518-2024-6-16-22
Производство лимонной кислоты
о S
из свекловичной мелассы
С.М. ПЕТРОВ, д-р техн. наук, профессор (e-mail: [email protected])
ФГБОУ ВО «Московский государственный университет технологий и управления имени К.Г. Разумовского (ПКУ)» Н.М. ПОДГОРНОВА, д-р техн. наук, профессор ООО «НТ-Пром», г. Москва
Введение
Лимонная кислота (2-гидро-ксипропан-1,2,3-трикарбоновая кислота, C6H8O7) — это природная трёхосновная карбоновая окси-кислота, которая содержится во всех цитрусовых и представляет собой кристаллическое вещество белого цвета, легко растворяющееся в воде. Она имеет температуру плавления 153 °C и разлагается при более высоких температурах, обладает тремя различными pKa при рН 3,1, 4,7 и 6,4, её молекулярная масса составляет 210,14 г/моль. Эта органическая кислота — важный продукт обмена веществ в живых организмах, она участвует в цикле трикарбоновых кислот и глиоксилатном цикле. Растения способны накапливать её в пределах до 14 %.
Лимонная кислота (Citric acid, CA) обычно содержится в различных фруктах, таких как лаймы, лимоны, апельсины, ананасы и грейпфруты. Это натуральный ингредиент, обладающий антиок-сидантными свойствами, который помогает в детоксикации, поддерживает уровень энергии, здоровое пищеварение и работу почек. CA применяется в основном в качестве подкислителя, консерванта, эмульгатора, секвестранта, а также как буферный агент. Она имеет слегка терпкий, освежающий вкус, используется в целях усиления вкусовых качеств и аромата фруктовых соков, мороженого и мармелада, при корректировке сладости безалкогольных и других напитков. В фармацевтической промышленности лимонной кислоте отво-
дится роль антиоксиданта для сохранения витаминов, консерванта крови, таблеток цитрата железа, мазей и косметических препаратов, корректировки рН. В химической промышленности она служит пенообразователем при размягчении и обработке текстиля. Около 15—17 % выпускаемой в мире СА потребляется при производстве моющих средств в качестве замены полифосфатов, и её доля в этом секторе будет только возрастать. В количестве 6—8 % она находит применение в других отраслях: нефтедобыче, животноводстве, металлургии, строительстве; производстве красок, текстиля, фотографических реагентов, бетона, гипса, адгезивов, бумаги, полимеров, табака; при утилизации отходов, активации минеральных удобрений и т. д. Кроме того, СА часто включают в состав масок для лица, поскольку она естественным образом осветляет тон кожи, а также регенерирует омертвевшие клетки кожи. Лимонная кислота признана во всём мире как GRAS (безопасная) в соответствии с решением Объединённого комитета экспертов ФАО и ВОЗ по пищевым добавкам [1, 2].
В настоящее время мировой объём производства лимонной кислоты составляет более 1,5 млн т в год. Движущим фактором роста мирового рынка СА является расширяющееся применение в различных отраслях промышленности. По оценкам BusinesStat, в 2019— 2023 гг. продажи лимонной кислоты в России выросли на 35 %, или с 48,6 до 65,7 тыс. т.
Производство лимонной кислоты
В течение многих десятилетий лимонная кислота изготавливается путём ферментации [3, 4]. Развитие её производства значительно выросло в последнее время благодаря достижениям современной науки, а именно:
— биотехнологии, которая предоставляет информацию о методах ферментации и рекуперации продукта;
— биохимии, дающей знания о различных факторах влияния на синтез лимонной кислоты;
— молекулярным регуляторным механизмам, которые улучшают её производство.
В качестве продуцентов для получения лимонной кислоты можно использовать большое количество бактерий, грибков и дрожжей (см. табл.). Однако не все они подходят для эффективного применения в промышленных масштабах. Это обусловлено предъявляемыми требованиями к микроорганизмам-продуцентам. Важнейшие из них — высокая скорость роста биомассы и высокий выход целевого продукта, максимальное усвоение веществ из доступных питательных сред, устойчивость к посторонней микрофлоре, безопасность для людей и окружающей среды. К примеру, одним из недостатков дрожжевого брожения считается то, что при нём вырабатывается значительное количество изоли-монной кислоты — нежелательного побочного продукта.
Самым распространённым выбором для промышленного производства лимонной кислоты оста-
% к
^ Е
^ о с <о * га
I S °
Ш т I ^
га
га
о s
¥ s
о ¡5
с га
° Ъ
о- £ о
VO и
2 Ф
16 САХАР № 6 • 2024
20 лет интенсивного развития
^ -"^л/м/и/ nt-nrsim ги .
Микроорганизмы, продуцирующие лимонную кислоту [1]
Бактерии Грибы Дрожжи
Bacillus licheniformis Aspergillus niger Saccahromicopsis lipolitica
Arthrobacter paraffinens A. aculeatus Saccharomyces
Corynebacterium sp. A. awamori Candida tropicalis
Bacillus subtilis A. carbonarius C. oleophila
Bacillus licheniformis A. clavatus C. guilliermondii
Brevibacterium flavum A. nidulans C. parapsilosis
Corynebacterium sp. A. fonsecaeus C. citroformans
A. luchensis Hansenula anamola
A. phoenicus Yarrowia lipolitica
A. wentii Torulopsis
A. saitoi Hansenula
A. flavus Debaromyces
A. foetidus Torula
Absidia sp. Pichia
Acremonium sp. Kloekera
Botrytis sp. Yarrowia
Eupenicillium sp. Zygosaccharomyces
Mucor piriformis
Penicillium citrinum
Penicillium janthinelum
P. luteum
P. restrictum
Talaromyces sp.
Trichoderma viride
Ustulina vulgaris
ются Aspergillus niger и некоторые дрожжи, например Saccharomi-copsis sp. Это связано со способностью A. niger обеспечить высокий выход CA на основе доступного недорогого сырья, каковым является свекловичная патока, и незначительным выделением побочных продуктов.
Один из способов увеличения производства лимонной кислоты — селекция штаммов-продуцентов CA. Мутагенез с химическими и физическими агентами позволяет получать гиперпродуктивные штаммы, такие как 2-дезокси^-глюкозорезистентные мутантные штаммы. Среди мутантных штаммов часто применяют микроорганизмы, полученные с помощью УФ-облучения и радиации. Эффективность УФ-облучения с высокой частотой мутаций достигается за счёт низкой выживаемости клеток. Кроме того, такие мутанты хорошо восстанавливаются репарационными механизмами клеток благодаря особым ферментным комплексам, которые устраняют
повреждения в последовательностях ДНК, восстанавливая их правильную структуру. Рентгеновское излучение и техника быстрых нейтронов приводят к разрывам хромосом, вызывая делеции и инверсии с высоким мутагенным эффектом. Однако для их реализации необходимо специальное оборудование.
В настоящее время исследуются более сложные методы, например корректирование генома. В дополнение к способности генерировать сверхпродуцентные мутанты метаболическая инженерия продемонстрировала большой потенциал, позволив сократить образование побочных продуктов, уменьшить остаточный сахар, использовать новые субстраты и регулировать морфологию грибов. Применение инструментов генетической манипуляции у дрожжей облегчается, поскольку они имеют менее сложный генетический фон, чем нитчатые грибы [5].
Для биосинтеза лимонной кислоты определены следующие кри-
терии выбора сырья: содержание необходимого количества углеводов в доступной для штаммов-продуцентов форме, определённое количество минеральных компонентов, необходимых для биосинтеза CA, дешевизна, доступность, принадлежность к категории возобновляемых, простота технологии подготовки к ферментации и утилизации отходов. В целях снижения себестоимости продукции в производство идут отходы сельского хозяйства и побочные продукты: кофейная шелуха, рисовые и пшеничные отруби, морковные отходы, жмых маниоки, банановая кожура, жмых сахарного тростника, тапиока, подсырная сыворотка, рисовая солома, кокосовая шелуха, отходы пивоварения, разлагающиеся фрукты, кукурузный початок, цедра апельсина, кожура киви, ананаса, жмых винограда и яблоки [6, 7, 9].
Вышеуказанным критериям в достаточной степени соответствует свекловичная меласса — один из самых распространённых и хорошо изученных видов сырья для получения лимонной кислоты.
Меласса отличается низкой стоимостью и высоким содержанием сахара (40—55 %) в виде фруктозы, глюкозы и сахарозы. Качество мелассы варьируется в зависимости от её источника. Эта изменчивость обычно является результатом различных сортов сахарной свёклы, методов выращивания и условий хранения.
Подготовка питательной среды для культивирования микроорганизма — продуцента лимонной кислоты гриба Aspergillus niger состоит в приготовлении раствора сырья определённой концентрации (считая по сахару) и добавлении в него источников азота, фосфора и в микроколичествах других элементов, необходимых для жизнедеятельности микроорганизмов.
Увеличение выхода продукта и сокращение времени фермента-
№ 6 • 2024 САХАР
17
ШЕШ
www. nt-prom. ru
ции напрямую зависят от чистоты субстрата. Применяемый при ферментации CA субстрат требует предварительной обработки для удаления следов металлов. Свекловичная меласса, используемая при брожении, содержит кальций, магний, марганец, железо и цинк, которые оказывают замедляющее действие на синтез СА. С целью оптимизировать состав питательной среды мелассные растворы предварительно обрабатывают гексацианоферроатом калия (ГЦФК, или жёлтой кровяной солью) при рН 4,5 и 90 °С в течение 15 мин. с последующим удалением осадка тяжёлых металлов путём фильтрования, чтобы сделать их пригодными для брожения. Также известно, что увеличить выход лимонной кислоты из мелассы можно путём добавления фитатов (солей фитиновой кислоты), тем самым утроив накопление лимонной кислоты.
Начальная величина рН готовой питательной среды устанавливается добавлением кислоты или щёлочи. К подготовке питательной среды относится также её стерилизация и охлаждение до температуры, оптимальной для ферментации.
Лимонная кислота является основным продуктом метаболизма (первичного метаболизма), который образуется в цикле трикар-боновых кислот (Кребс). Глюкоза выступает основным источником углерода для выработки лимонной кислоты. Биосинтетический путь производства продукта включает в себя гликолиз, при котором глюкоза превращается в две молекулы пирувата. Последний, в свою очередь, окисляется с образованием ацетил-СоА (ацетил-кофермент А), СО2 и НАДН (ни-котинамидадениндинуклеотид + + водород). Пируват, образующийся при гликолизе, также может быть карбоксилирован пируваткарбоксилазой (РС) с образованием оксалоацетата, который также является ключевым
Глюкоза
\
Фруктозо-6-фосфат
\
PFK
PC
Г
I I I
I
Фруктозо-1,6-дифосфат
I
Щавелевоуксусная кислота
Пировиноградная кислота — СоА
Лимонная кислота
\
ЦИКЛ КРЕБСА
I
ACO
Изолимонная кислота
цис-Аконитовая кислота
Схема основных метаболических реакций при получении лимонной кислоты с применением Aspergillus niger
ферментом в производстве лимонной кислоты. Образующийся аце-тил-СоА соединяется с оксалоаце-татом с образованием цитрата. Основные этапы биосинтеза лимонной кислоты по гликолитическому пути показаны на рисунке [8].
Процесс ферментации фактически состоит из двух стадий: формирования биомассы и кислото-образования.
Лимонная кислота, полученная комбинацией ацетил-СоА и оксалоацетата, затем преобразуется через реакционную последовательность, в результате которой получаются две молекулы С02 и снова четырёхуглеродный окса-лоацетат (цикл Кребса — серия последовательных ферментативных превращений трикарбоновых кислот, протекающих в матриксе митохондрий клеток аэробных организмов) (см. рис.).
Известно, что цитрат является ингибитором процесса гликолиза [8]. При определённых условиях это ингибирование может быть
ограничено в результате накопления различных положительных эффекторов гена фосфофрук-токиназы (PFK). Одним из объяснений этого эффекта является следующее. За счёт дефицита марганца происходит расщепление белка, что приводит к увеличению концентрации внутриклеточного NH4+. Это явление известно как «аммониевый пул», и оно ингиби-рует фермент фосфофруктокина-зу, который жизненно важен для преобразования фруктозы и глюкозы в пируват. Высокий уровень глюкозы и концентрации NH4+ сильно ограничивает образование 2-оксоглутаратдегидрогеназы и в конечном итоге ингибирует катаболизм лимонной кислоты, присутствующей в цикле трикарбоно-вых кислот (Кребса). Однако большинство исследований сводится к тому, что накопление лимонной кислоты является результатом усиленного (дерегулированного) биосинтеза, а не ингибированной деградации.
18 САХАР № 6 • 2024
^¿рЩт^Ш!! 20 лет интенсивного развития
^ -"^л/м/и/ пф-птт ги .
Способы ферментации
Промышленная ферментация может проводиться тремя различными способами, такими как поверхностная, погружная (глубинная) и твердофазная [1].
Поверхностная ферментация — это стационарный периодический процесс, который завершается в течение 8—12 дней. Она проводится в ферментационных камерах, где ряд лотков расположен на полках из нержавеющей стали. Лотки изготавливаются из алюминия высокой чистоты или специальной стали. Грибной мицелий развивается на поверхности среды на этих лотках. Ферментационные камеры снабжены системой для подачи нагретого стерильного воздуха с эффективной циркуляцией, который проходит по поверхности, чтобы контролировать влажность и температуру с помощью испарительного охлаждения. Этот воздух фильтруется через бактериологический фильтр и камеры, которые всегда должны быть в асептических условиях, в основном в течение первых двух дней, когда споры прорастают. Воздух удовлетворяет потребность микроорганизмов в кислороде благодаря высокоаэробному характеру процесса, а также служит для удаления углекислого газа, который является ингибитором производства лимонной кислоты в концентрациях выше 10 %. Прорастание спор начинается при падении рН среды от 6,0—6,5 до 1,5—2,0. Частое заражение вызвано в основном РетсШа, другими аспергиллами, дрожжами и молочными бактериями. В качестве источников углерода обычно служит рафинированная или сырая сахароза, тростниковый сироп либо свекольная патока. Перед использованием свекловичную патоку разводят до 15—20 % и обрабатывают гексацианоферратом (ГФУ). Подготовленную питательную среду заливают в стерилизованные и охлаждённые кюветы слоем 12—18 см, затем в неё
распыляют посевной материал — конидии гриба A. niger. Через сутки после засева образуется тонкая серовато-белая плёнка мицелия, которая по истечении трёх суток сильно утолщается и приобретает складчатую структуру. По мере снижения интенсивности кисло-тообразования и уменьшения количества выделяемой теплоты подачу воздуха в камеру постепенно уменьшают. Процесс ферментации прекращают, когда в растворе остаётся 1—2 % Сахаров, а содержание кислот в культуральной жидкости достигает 12—20 %. Куль-туральная жидкость поступает в химический цех для выделения лимонной кислоты. Мицелий отмывают от кислоты горячей водой и направляют на корм скоту.
Существует также доливной способ поверхностной ферментации, согласно которому на 4—5 суток под плёнку А. niger доливают свежую питательную среду в количестве, компенсирующем уменьшение объёма из-за испарения влаги. При этом экономится расход конидий, реже перезаряжаются камеры и появляется возможность ферментировать низкокачественные мелассы, непригодные для выращивания грибной плёнки.
Глубинная ферментация — наиболее распространённый способ на сегодняшний день. Более 80 % мирового производства СА приходится на погружной метод. Он требует более сложной установки, увеличения затрат на электроэнергию и строгого контроля, но обеспечивает более высокие производительность и выход продукции, снижает капитальные затраты, затраты на техническое обслуживание и рабочую силу, а также несёт меньший риск загрязнения. Кроме того, он менее чувствителен к изменению состава среды. Это преимущество делает свекловичную мелассу наиболее пригодной в качестве среды при производстве лимонной кислоты.
В процессе погружного брожения ферментационная среда на-
ходится в жидкой форме и мицелий может расти по всему объёму. Посев проводят путём добавления либо суспензии спор, либо предварительно культивированного мицелия. При использовании спор добавляется поверхностно-активное вещество, чтобы диспергировать их в среде. Для предварительно культивируемого мицелия обычно требуется внесение ино-кулюма в количестве 10 % от объёма свежей среды. Ферментация проводится в биореакторах, снабжённых системой аэрации, которая поддерживает высокий уровень растворённого кислорода и завершается в течение 5—12 дней. Процесс сопровождается выделением теплоты, которая отводится из ферментаторов через «рубашку» холодной водой, а из камер — продуванием воздуха с поддержанием температуры питательной среды 30—32 °С. Через один-два дня после посева гриб разрастается в виде гранул диаметром около 0,5 см и находится во взвешенном состоянии. Конструкционные материалы для погружного ферментатора (например, аустенитная нержавеющая сталь) должны выдерживать условия с низким рН (кислые среды). Воздушный поток подаётся в аппарат с высокой скоростью, а перемешивающее устройство смешивает и разбивает пузырьки воздуха для повышения содержания кислорода. Недостатком погружного брожения является образование пены, которого можно избежать, используя антипенные агенты, такие как животные или растительные жиры, и камеры с объёмом до одной трети от общего объёма ферментера.
Твердофазная ферментация (Код-жи) — культивирование микроорганизмов на влажных твёрдых материалах, которые являются основанием и источником питательных веществ для их развития. Для этого пригодны отруби, багасса, картофель, пульпа сахарной свёклы и другие агропромышленные
№ 6 • 2024 САХАР
19
ШЕШ
мчми. п-ргот. ги
отходы. Материал стерилизуют и вводят суспензию спор. Часто к субстрату добавляют гексациано-феррат (HCF) для нейтрализации и удаления ингибиторов ферментации. Субстрат доводится до 70%-ной влажности в зависимости от впитывающей способности основания. Исходный рН регулируется в интервале 4,5—6,0, а температура инкубации поддерживается от 28 до 30 °С. Наиболее широко применяемым микроорганизмом является A. niger. После инкубирования содержимое экстрагируется водой, концентрируется, цитрат осаждается и очищается.
Основные преимущества твердофазной ферментации — высокая производительность и возможность использовать недорогие и широкодоступные агропромышленные отходы в качестве субстратов для биопроизводства, что делает её более экологичной, чем погружная ферментация. Этот процесс нуждается в меньших эксплуатационных расходах, образует меньше сточных вод, а также не требует сложного оборудования. Система менее чувствительна к присутствию микроэлементов по сравнению с другими способами.
Одним из ограничений данного способа является то, что он не полностью реализует доступные питательные вещества из-за недостаточного переноса теплоты и кислорода в субстрате.
Выделение и очистка лимонной кислоты
В конце ферментации лимонная кислота содержит различные нежелательные побочные продукты:мицелий, органические кислоты, минеральные соли, белки и иные примеси. Извлечение её из ферментированного бульона обычно осуществляется с помощью трёх основных процедур: осаждения, экстракции и очистки [4, 5].
Выработка товарной лимонной кислоты включает в себя следующие операции: получение цитрата
кальция и его разложение, очистка и выпаривание раствора CA, кристаллизация лимонной кислоты, сушка и упаковка готового продукта.
Щавелевая кислота, которая образуется во время ферментации CA, удаляется путём повышения рН до 3,0 с помощью гидроксида кальция при 72—75 °С. Формирующийся при этом оксалат кальция осаждается и удаляется с помощью центрифугирования или фильтрования. CA, оставшаяся в виде соли кальция (цитрата кальция) в исходном растворе, может быть восстановлена путём осаждения при добавлении оксида кальция при температуре 90 °С и рН ~ 7,0. В результате образуется тетраги-драт трицитрата кальция, который затем обрабатывается 70%-ной серной кислотой с образованием лимонной кислоты и нерастворимого сульфата кальция (гипса). После отфильтровывания гипса получается раствор с содержанием 25—30 % CA. Этот метод включает в себя несколько трудоёмких этапов, требует значительного количества реагентов и генерирует огромное количество отходов, утилизация которых может составлять до 85 % от общих экологических затрат.
Для удаления остаточных примесей фильтрат обрабатывается активированным углём или очищается в ионообменных колоннах. Затем его концентрируют путём выпаривания под вакуумом при 40 °С с последующим образованием кристаллов моногидрата СА в вакуумном кристаллизаторе при температуре 20—25 °С или безводной СА при температурах кристаллизации выше 36,5 °С. Отходы этого процесса — сульфат кальция и остатки микроорганизмов, содержащие аминокислоты, сахар, коллоиды, пигменты и неорганические вещества, которые можно поставлять на цементные заводы и высушивать для последующего производства комбикормов.
В качестве альтернативы очистка и кристаллизация СА из ферментационного бульона может быть осуществлена методом экстракции органическим растворителем. В отличие от метода осаждения при экстракции растворителем не происходит изменения агрегатного состояния продукта, поэтому нет необходимости в ступенях фазы разделения и повторном растворении, и гипс не образуется. Хотя в качестве растворителей при экстракции подходят различные соединения, в целях эффективности процесса необходимо учитывать некоторые характеристики. Идеальный растворитель для восстановления органических кислот должен извлекать максимальное количество продукта и минимум примесей. Каждый растворитель характеризуется коэффициентом равновесного распределения, который определяется как отношение между концентрацией кислоты в экстракте и концентрацией кислоты в водной фазе в равновесном состоянии. Обычные органические растворители, например длинноцепочеч-ные спирты и кетоны, дают низкие коэффициенты распределения из-за высокого сродства кислоты к воде. Тем не менее некоторые растворители, такие как бутанол, имеют высокий коэффициент распределения, но они смешиваются с водой и требуют дополнительной стадии восстановления. При низких концентрациях ^А < 15 %) коэффициент распределения сильно зависит от типа растворителя и перед экстракцией требуется дополнительный этап концентрирования.
Из-за низкой эффективности экстракции обычными растворителями предложены альтернативные методы, которые являются экономически целесообразными для восстановления органических кислот из ферментационных бульонов, скажем, реактивная экстракция, при которой происходят
20 САХАР № 6 • 2024
20 лет интенсивного развития
^ -"^л/м/и/ пф-птт ги .
химические (реакция между растворённым веществом и экстра-гентом) и физические (диффузия и солюбилизация образовавшегося соединения) взаимодействия. Этот процесс состоит из двух основных этапов: прямой и обратной экстракции [5].
Различные экстрагенты, которые могут быть использованы в реактивной экстракции, делятся на три категории: кислородосо-держащие с углеродной связью, кислородосодержащие с фосфорной связью и алифатические амины. Среди них наиболее эффективные результаты в восстановлении СА из разбавленных водных растворов показывают алифатические амины, в основном третичные. Как правило, на практике применяют комбинации экс-трагентов или экстрагенты смешивают с растворителями (разбавителями) для снижения затрат и изменения физико-химических свойств. Разбавители делятся на две категории: активные и неактивные. Активные являются полярными с несколькими функциональными группами, которые увеличивают растворимость комплексов «экстрагент-раство-рённое» вещество, такие как хлорированные углеводороды, растительные масла и керосин, а неактивные разбавители, к которым относятся алканы, бензолы и ароматические углеводороды, замещённые алкилом, являются неполярными и обеспечивают очень низкую растворимость комплекса. Количество примесей, концентрация кислоты, экстрагента и разбавителя, а также их физико-химические свойства являются одними из факторов, влияющих на эффективность экстракции.
Выбор растворителя является чрезвычайно важным фактором для осуществления жизнеспособного процесса экстракции. Многие из них токсичны, поскольку могут ингибировать ферменты, изменять проницаемость клеточ-
ных мембран и препятствовать диффузии питательных веществ. Для получения пищевой лимонной кислоты варианты растворителей ограничены.
Предложена реактивная экстракция водного раствора СА с применением сверхкритического углекислого газа и три-н-окти-ламина. Эффективность этого метода достигает 96,9 %.
По сравнению с классическим методом осаждения реактивная экстракция оказывает меньшее воздействие на окружающую среду за счёт возможности повторно использовать реагенты, уменьшить образование твёрдых отходов, снизить энергозатраты, а также задействовать природные и нетоксичные разбавители.
Для восстановления и очистки биомолекул CA может быть применён процесс адсорбции. В зависимости от физико-химических свойств, таких как заряд и полярность, материал адсорбента может сильно взаимодействовать с целевой биомолекулой и адсорбировать её. Затем адсорбированное соединение десорбируют путём пропускания через него десор-бента (элюента) для получения раствора биомолекулы с меньшей концентрацией примесей. Метод адсорбции может быть реализован непрерывно с использованием колонок с фиксированным слоем, соединённых с биореакторами. В качестве адсорбентов можно рекомендовать смолы основного анионного обмена, пропитанные третичными и четвертичными аминами или пиридином. Важными факторами для повышения эффективности процесса являются высокая ёмкость и селективность адсорбции по отношению к биомолекулам СА , а также лёгкая регенерация с помощью зелёных растворителей, таких как вода и этанол. Несмотря на то что адсорбционный метод снижает расход энергии и реагентов, из-за ограниченного срока эксплуата-
ции необходимы затраты на регенерацию и периодическую замену смол.
Для извлечения СА из водных растворов или ферментационных бульонов перспективными являются методы мембранного разделения: ультрафильтрация, электродиализ и электродеионизация, а также пертракция. Например, их разделение с помощью электродиализа осуществляется посредством электрически заряженных мембран за счёт разности потенциалов между ионным и водным растворами. Этот метод доказал свою экономичность при работе с прозрачными средами брожения. Тем не менее он на 50 % дороже, чем другие процессы восстановления, такие как осаждение. Процессы электродиализа позволяют отделять примеси и концентрировать лимонную кислоту из водного раствора на основе электромиграции ионов через ионообменные мембраны. Биполярные мембраны состоят из слоя анионита и слоя катионита. На границе раздела биполярных мембран вода диссоциирует с образованием кислот и оснований из солей. Таким образом, из раствора, содержащего цитрат натрия, можно получить СА и свободное основание, которое может быть повторно использовано в процессе.
Концентрация и состав сырья напрямую влияют на эффективность электродиализа, поэтому необходима адекватная обработка ферментированного бульона для удаления взвешенных твёрдых частиц и ионов металлов — микрофильтрация, адсорбция активированным углём или смолами. На процесс электродиализа также влияет рН исходного раствора: при высоком рН (выше 7) эффективность повышается. К преимуществам метода электродиализа относятся: высокая чистота восстановленных продуктов, короткое время процесса, снижение образования побочных продуктов,
№ 6 • 2024 САХАР 21
ШЕШ
www.nt-prom.ru
компактность производства, простота и гибкость в эксплуатации, а также возможность непрерывной работы.
Заключение
В настоящее время лимонная кислота является самой производимой органической кислотой в мире, что обусловлено широким спектром её применения в различных отраслях промышленности. Ожидается, что мировое производство будет увеличиваться и далее по мере роста спроса. Для удовлетворения растущей глобальной потребности в лимонной кислоте остро необходим экономически эффективный промышленный производственный процесс, который является очень сложным, чувствительным и зависит от многих критериев, таких как выбор микроорганизмов, сырья, методов ферментации; проектирование соответствующих биореакторов с точным контролем параметров процесса; биохимические пути; факторы, влияющие на производство СА; методы количественной оценки, восстановления и т. д. Переработка многотоннажной свекловичной мелассы для производства лимонной кислоты представляется подходящей перспективой.
Внедрение передовых технологий и метаболической инженерии также может помочь преодолеть некоторые критические параметры, повышающиеся во время ферментации. Несмотря на то что производство лимонной кислоты с использованием A. niger в настоящее время обеспечивает удовлетворительные результаты, всё ещё существуют возможности для увеличения выхода СА и минимизации отходов за счёт разработки новых методов ферментации и оптимизации микроорганизмов с помощью генетических манипуляций. Экстракция растворителем и адсорбция являются потенциальными альтернативами
традиционному методу восстановления СА осаждением.
Список литературы
1. Behera,B.C. Microbial citric acid: Production, properties, application, and future perspectives / B.C. Behera, R. Mishra, S. Mohapatra // Food Frontiers. - 2021. - Т. 2. - № 1. -С. 62-76.
2. Ghai, M. Global organic acids production and their industrial applications / М. Ghai [et al.] // Physical Sciences Reviews. - 2024. -V. 9. - № 10. - Р. 3097-3115.
3. Kumar, A. Solid state fermentation studies of citric acid production / A. Kumar, V.K. Jain // African Journal of Biotechnology. -2008. - Т. 7. - № 5. - Р. 644-650.
4. Lende, S.KReview on production of citric acid by fermentation technology / S.V. Lende, H. Karemore, M.J. Umekar // GSC Biological and Pharmaceutical Sciences. - 2021. - Т. 17. - № 3. -Р. 085-093.
5. Mores, S. Citric acid bioproduction and downstream processing:
Status, opportunities, and challenges / S. Mores [et al.] // Bioresource Technology. - 2021. - Т. 320. -Р. 124426.
6. Palmonari, A. Characterization of molasses chemical composition / A. Palmonari [et al.] // Journal of dairy science. — 2020. — Т. 103. — № 7. - Р. 6244-6249.
7. Sawant, O. Fungal citric acid production using waste materials: a mini-review / O. Sawant [et al.] // The Journal of Microbiology, Biotechnology and Food Sciences. -2018. - Т. 8. - № 2. - Р. 821-828.
8. Show, P.L. Overview of citric acid production from Aspergillus niger / P.L. Show // Frontiers in Life Science. - 2015. - Т. 8. - № 3. -Р. 271-283.
9. Совершенствование технологии производства лимонной кислоты на основе углеводсодержа-щего сырья путём оптимизации процесса ферментации / Г.Н. Мусина, Б. Оспанов, А.А. Жора-бек, Ж.Б. Рахимберлинова // Colloquium-journal. - 2023. - № 13 (172). - С. 15-19.
Аннотация. Лимонная кислота (Citric acid, CA) является одним из наиболее ценных продуктов современной биотехнологии и обладает высоким экономическим потенциалом благодаря широкому и растущему применению в различных отраслях промышленности. Поэтому важно, чтобы процесс её производства был экологически чистым и осуществлялся за счёт утилизации легкодоступных и недорогих отходов агропромышленного комплекса, сохраняя при этом высокую производительность. Использование свекловичной мелассы для производства лимонной кислоты представляется перспективным.
В основном CA производится путём микробной погружной ферментации с использованием Aspergillus niger. Методы выделения лимонной кислоты, такие как адсорбция, экстракция и мембранная сепарация оказывают меньшее негативное воздействие на окружающую среду, чем осаждение, и имеют большой потенциал для промышленного применения.
Ключевые слова: лимонная кислота, Aspergillus niger, ферментация, свекловичная меласса, метаболизм, глюкоза, пируват, цитрат, погружное брожение, выделение CA. Summary. Citric acid (CA) is one of the most valuable products of modern biotechnology and has a high economic potential due to its wide and growing application in various industries. It is important that the production process is environmentally friendly and carried out by utilizing readily available and inexpensive waste from the agroindustrial complex, while maintaining high productivity. The use of beet molasses for the production of citric acid seems to be a real possibility and prospect. CA is mainly produced by microbial submerged fermentation using Aspergillus niger. Methods for the isolation of citric acid, such as adsorption, extraction and membrane separation have less negative impact on the environment than precipitation and have great potential for industrial application.
Keywords: citric acid, Aspergillus niger, fermentation, beet molasses, metabolism, glucose, pyruvate, citrate, submerged fermentation, CA release.
22 САХАР № 6 • 2024
20 лет интенсивного развития
^ -"^л/м/и/ пф-птт rfi . —
