Основанные способы производства и сырье
Общепризнано, сто производство лимонной кислоты химическими способами экономически нецелесообразно: стоимость сырья значительно выше стоимости мелассы; технология многостадийна, требует применения сильно токсичных реагентов и дает относительно низкий выход целевого продукта. Поэтому не удивительно, что, несмотря на большой прогресс в области химического синтеза различных органических соединений, такие сравнительно простые вещества, как лимонная, молочная и некоторые другие кислоты, до сих пор вырабатывают из сахаросодержащегося сырья с помощью микроорганизмов. Преимущества микробного способа в последовательном ферментативном осуществлении в клетке даже значительно большего числа химических реакций в одну производственную стадию – ферментацию. Это упрощает технологию, увеличивает выход кислот и снижает их себестоимость.
В качестве сырья для ферментативного получения лимонной кислоты в большинстве стран используют мелассу – побочный продукт производства сахара из сахарной свеклы или сахарного тростника.
В США «Miles Laboratories, Inc.» перерабатывает глюкозные сиропы, получаемые ферменативным гидролизом кукурузного крахмала, во Франции завод фирмы «Melle – Bezons» - кристаллический сахар (сахарозу). Исследована возможность применения и других видов сырья. Еще в начале ХХ века В.С. Буткевич показал, сто лимонная кислота может образовываться при культивировании Aspergillus niger на растворах уксусной кислоты, ацетатов, метилового и этилового спирта как единственных источников углерода. Позднее другими исследователями предложены н-парафины, а в качестве продуцента – дрожжи рода Candida.
В расчете на дешевую арабскую нефть в ряде стран большая надежда возлагалась на н-парафины – один из продуктов ее переработки. Однако ввиду истощения запасов и повышения цен на нефть, относительно небольшого выход парафинов и необходимости их использования в других направлениях они вскоре перестали быть перспективным сырьем. Синтетические спирты уксусную кислоту получают на основе переработки попутных газов нефти и собственно природных газов; источники их не безграничны, к тому же эти виды сырья, как н-парафины, широко используются в отраслях народного хозяйства. При ферментации парафинов, спиртов и уксусной кислоты дрожжами одновременно с лимонной кислотой в значительных количествах образуется изолимонная, чем снижается выход целевого продукта и возникает дополнительная проблема их разделения.
Экономическое сравнение использования некоторых источников углерода в биосинтезе лимонной кислоты дано на рис. 3. Ясно видно преимущество использования в качестве источника углерода жидких парафинов (цена 80 руб/т, расхода на 1 т целевого продукта в стадии ферментации 0,9 т. Для сравнения: меласса – 125 руб/т при расходе 4,6 т на 1 т готового продукта.).
Как источник сырья гораздо надежнее и дешевле побочные продукты переработки растительного сырья, ежегодно возобновляемого в больших количествах. Это прежде всего относится к сахароносам (сахарная свекла и сахарный тростник), дающим сахарный сок, или, при переработки его на кристаллический сахар, мелассу, и в некоторой мере – к крахмалоносам (кукуруза, картофель), к растительным отходам сельского хозяйства и механической переработки древесины.
МЕЛАССА КАК ИСХОДНОЕ СЫРЬЕ
Для промышленного производства лимонной кислоты в качестве субстрата применяют мелассу – отход сахарного произваодства.
Меласса — оттек (маточный раствор), получающийся при отделении кристаллов сахарозы на центрифугах от последней кристаллизации. В мелассе содержатся несахара сока сахарной свеклы или сахарного тростника, не удаляемые при его химической очистке, и сахароза, которую методом кристаллизации выделять уже экономически невыгодно. При выработке сахара выход мелассы в расчете на безводную колеблется от 3 до 6% к массе сахарной свеклы. С мелассой отходит от 10 до 15% всего сахара, содержащегося в перерабатываемой свекле.
В соответствии с видом исходного сырья для производства сахара различают свекловичную и тростниковую мелассу. В России сахарный тростник не произрастает, но на свеклосахарных и сахарорафинадных заводах перерабатывают импортный тростниковый сахар-сырец на белый сахар-песок и сахар-рафинад. В первом случае получаемую мелассу называют сырцовой; во втором случае, независимо от исходного сырья,— рафинадной патокой. Производство мелассы в России составляет около 4,5 млн. т в год.