Производство молочной кислоты

3.ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА МОЛОЧНОЙ КИСЛОТЫ.

Рис. 3. Принципиальная схема промышленного производства молочной кислоты
РЕЖИМ СБРАЖИВАНИЯ.
Сбраживание проводят в аппаратах (чанах) цилиндрической формы со сферическими днищем и крышкой вместимостью 25-45 м³, изготовленных из алюминия или нержавеющей стали. Хотя молочнокислое брожение - экзотермический процесс, удельное тепловыделение небольшое. Чтобы поддержи­вать заданную довольно высокую для брожения температуру, культуральную жидкость подогревают через змеевики. Во время брожения в них лучше подавать не пар, а горячую воду, не вызы­вающую сильного нагрева теплообменной поверхности. Бродиль­ный аппарат снабжен барботером для подачи воздуха при перемешивании.
При переработке сахарного сырья питательную среду готовят непосредственно в бродильном аппарате, поэтому мелассу и рафи­надную патоку после взвешивания направляют в него по трубо­проводу самотеком. Сахар-сырец и часть рафинадной патоки растворяют в выше расположенной емкости и также сливают в бродильный аппарат. К нему подведена коммуникация мелового молока (относительной плотностью 1,13—1,16), которое готовят в отдельной емкости. Кроме того, аппарат снабжен коммуника­циями холодной воды и промывной воды от промывки меловых осадков и гипсового шлама. В нижней части бродильного аппа­рата установлены трубопроводы - для слива культуральной жидко­сти и канализационный.
Аппарат наполняют на 2/3 рабочей вместимости водопроводной водой или промывными жидкостями и в них растворяют мелассу и рафинадную патоку, исходя из необходимости получения кон­центрации сахара в растворе 3—4%. Раствор нагревают до 70°С и пастеризуют при этой температуре 1 ч. Затем раствор охлаж­дают до 48—50 °С, добавляют в него 15% солодовых ростков к суммарной массе вводимого сахара, 20 % по вместимости бро­дильного аппарата засевной культуры молочнокислых бактерий, отобранной на вторые-третьи сутки из хорошо бродящей питатель­ной среды в предыдущем или другом бродильном аппарате. Аппа­рат, из которого проведен отъем, доливают свежим сахарным раствором и продолжают брожение. Так как величина отъема довольно значительна, то начинающееся вскоре размножение резко сокращает продолжительность лаг-фазы.
Через 6 ч питательную среду начинают размешивать периоди­ческим барботированием воздуха. Когда кислотность достигнет 0,5—0,6 %, считая на молочную кислоту (примерно через 1 сутки), добавляют меловое молоко. Обычно при ручной дозировке мел подают каждые 1,5—2 ч небольшими порциями. Перед подачей в бродильный аппарат мел должен быть хорошо измельчен, отсеян от комков и стерилизован. Проще сте­рилизовать меловое молоко острым паром (кипячение 20 мин). Количество воды, которое вводят с меловым молоком, учитывают при приготовлении питательной среды.
При отсутствии на заводе мела нейтрализацию молочной кис­лоты можно вести известковым молоком, но при этом нужно строго контролировать кислотность, так как раствор легко под­щелочить, тогда как при нейтрализации мелом рН раствора уста­навливается в слабокислой области независимо от количества заданного мела. При расчете ко­личества добавляемого мела учитывают его чистоту, которая составляет 60—65 %. В результате нейтрализации образуется 120% лактата кальция к массе сброженной гексозы, или 125% к массе сброженного дисахарида.
При нормальном брожении за 1 сутки сбраживается до 2 % сахара. Убыль его компенсируют добавлением в бродильный аппа­рат в несколько приемов 50%-ного раствора сахара-сырца или с добавкой в него рафинадной патоки, поддерживая концентрацию сахара в бродящей среде на уровне 3—4%. Вводят такое сум­марное количество сахара, чтобы содержание лактата в культуральной жидкости в конце брожения было не более 15%, а со­держание несброженного сахара 0,2—0,5 %, Брожение продол­жается 6—8 суток.
По окончании брожения аппараты моют горячей водой со щет­кой, хлорной известью натирают внутреннюю и наружную по­верхность аппарата, тщательно моют змеевик, хорошо ополаски­вают аппарат холодной водой (несколько раз), затем набирают в него воды, нагревают ее до кипения и оставляют с нагретой водой 2—3 ч, после чего воду спускают. Моют также и комму­никации.
Во время брожения контролируют все основные параметры процесса. Если температура в бродильном аппарате упадет ниже 45 °С, неминуемо разовьется посторонняя микрофлора. В этом случае культуральную жидкость нагревают до 75 °С, пастеризуют 1 ч, снижают температуру до 50 °С и снова задают в нее чистую культуру или отъем из другого бродильного аппарата. При кратко­временном повышении температуры сверх 55 °С резко снизится активность молочнокислых бактерий, поэтому в бродящую жидкость необходимо внести дополнительное количество активной культуры.
ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОЧИСТКА КУЛЬТУРАЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ.
Культуральная жидкость содержит взвешенные частицы - мел, не вступивший в реакцию с молочной кислотой, нерастворимые примеси его, солодовые ростки и коллоиды. Отделить осадки, называемые в производстве меловыми, на фильтрующих аппаратах не удается из-за липкости шлама и небольшой скорости фильтрования. Поэтому культуральную жидкость в бродильном аппарате нагревают до 70 °С и нейтрализуют известковым молоком до слабо-розового окрашивания по фенолфталеину. При нейтрализации коагулируют белки, осаждается железо и разрушаются следы оставшегося сахара. Затем культуральную жидкость отстаивают 6—12 ч при температуре не ниже 48 °С и, не взмучивая осадка, по прогретой паром коммуникации направляют на фильтр пресс или вакуум-фильтр, также прогретые паром, а фильтрат - в кристаллизатор лактата.
Меловой осадок заливают горячей водой (1:3) и тщательно перемешивают. После трехчасового отстаивания, не взмучивая осадка, первую промывную жидкость отделяют и добавляют к первому лактатному маточному раствору, К осадку в отстойнике присоединяют гипсовый шлам и также заливают горячей водой. Хорошо перемешанную суспензию фильтруют. Осадок выбрасывают, а вторую промывную жидкость используют для приготовления сахарсодержащей среды.
Фильтрование отстоявшейся культуральной жидкости не полностью освобождает ее от взвешенных примесей. Поэтому сначала на фильтре нарабатывают слой гипсового шлама, а в конце фильтрования оставшийся в нем раствор лактата отмывают водой и вытесняют воздухом.
КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ЛАКТАТА КАЛЬЦИЯ.
Для очистки лактата кальция от примесей при получении молочной кислоты высшего сорта проводят кристаллизацию. Кристаллизация - мощный фактор очистки, поэтому во всех производствах, где она возможна, ею обязательно пользуются
В кристаллизаторе отфильтрованную культуральную жидкость доводят до температуры 30 ^оС и вносят затравку в виде кристаллов лактата кальция предыдущей кристаллизации в количестве 6…7% к массе раствора. В процессе образования центров кристаллизации и роста кристаллов смесь постепенно охлаждают. Конечная температура утфеля не должна превышать 10 ^оС. Продолжительность процесса кристаллизации 10…12ч. При получении молочной кислоты высшего сорта кристаллы лактата кальция обычно не пробеливают. Из маточного раствора после разложения лактата, отделения гипса и осветления раствора активным углем вырабатывают молочную кислоту второго сорта.
РАЗЛОЖЕНИЕ ЛАКТАТА КАЛЬЦИЯ И ОТДЕЛЕНИЕ ГИПСОВОГО ШЛАМА.
Лактат, выделенный из культуральной жидкости кристаллизацией или находящийся в ней в растворенном состоя­нии, разлагают серной кислотой. Разложение идет по реакции:

Сульфат кальция выделяется из раствора в виде бигидрата (гипса). С увеличением концентрации молоч­ной кислоты растворимость гипса возрастает, при 10%-ной кон­центрации достигает максимума, затем снижается и при концен­трации молочной кислоты около 40 % стабилизируется.
Для получения крупнокристаллического хорошо фильтрующего осадка гипса необходимы следующие условия: коэффициент пере­сыщения им раствора 1,30—1,40; концентрация лактата каль­ция не выше 18%, температура 80 °С, избыток серной кислоты 0,5%, созревание кристаллов гипса 1 ч. При увеличении концентрации лактата возрастает коэффициент пересыщения гип­са, что приводит к возникновению многочисленных центров кри­сталлизации и получению мелких кристаллов, росту которых препятствует повышающаяся вязкость растворов. Повышение и понижение температуры уменьшает средний проектируемый радиус кристаллов гипса. Так как получающиеся в оптимальных усло­виях кристаллы гипса сравнительно крупны, то скорость фильтрования будет больше (в среднем в два раза), и вследствие меньшей удельной поверхности - меньше раствора молочной кислоты будет удерживаться осадком и сни­зится расход воды на промывку гипса на 40%. Избыток серной кислоты затем нейтрализуют.
Концентрация лактата кальция в растворе после расплавления его кристаллов в ванне паром с добавлением жидкости от про­мывки гипса составляет 20—25 %, Полноту разложения лактата кальция контролируют с помощью цветной реакции с 0,1%-ным раствором метилового фиолетового (при правильно проведенном разложении васильковое окрашивание, при избытке серной кис­лоты — зеленоватое, при избытке лактата — фиолетовое), Избы­ток серной кислоты или лактата устраняют добавлением соответ­ственно лактата или серной кислоты.
После разложения лактата калия серной кислотой образуется растворимый сульфат калия, увеличивающий зольность молочной кислоты на 0,3—0,4%. Кроме того, сульфат калия имеет горький вкус и обладает послабляющим действием. Поэтому осаждение железа рекомендуется вести гексацианоферроатом кальция:

Как и в предыдущей реакции, в лактат связывается 12 молекул молочной кислоты, но образующийся после разложения лактата кальция гипс мало растворим и отделяется от раствора при фильтровании. Полноту осаждения ионов железа проверяют с помощью того же реактива, избыток гексацианоферроата — с хло­ридом железа. Тяжелые металлы и мышьяк осаждают сульфидом бария.
При расщеплении лактата непо­средственно в культуральной жидкости процесс ведут так же - гипсовый шлам отделяют и промывают на ба­рабанных вакуум-фильтрах.
ОСВЕТЛЕНИЕ РАСТВОРА МОЛОЧНОЙ КИСЛОТЫ.
Раствор молочной кис­лоты, полученный без кристаллиза­ции лактата кальция, осветляют после отделения гипсового шлама или в его присутствии.
Если раствор осветляют после отде­ления гипсового шлама, то оптимальными являются следующие условия: температура 80 °С, про­должительность контакта раствора молочной кислоты с активным углем 30 мин. При отсутствии кристаллизации лактата оптимальной считается доза 3—4 % свежего угля к массе 40%-ной молочной кислоты.
При осветлении раствора молочной кислоты в присутствии гипса в конце разложения лактата в реактор добавляют весь активный уголь, частично отработавший на исправлении выпарен­ной молочной кислоты, и 0,5 % свежего активного угля (также к массе 40%-ной молочной кислоты). Уголь удаляют вместе с гип­совым шламом.
Цветность растворов молочной кислоты в основном зависит от цветности сырья, но в производстве во время выпаривания про­исходит и новообразование красящих веществ за счет протекания меланоидиновой реакции. Решающую роль при этом играет со­держание азота (вид и количество аминокислоты). Растворы мо­лочной кислоты, полученные из мелассных сред, осветляются хуже, чем из паточных. Еще хуже осветляются растворы молочной кис­лоты, выпаренные до 40% -ной концентрации.
ИОНИТОВАЯ ОЧИСТКА И ВЫПАРИВАНИЕ РАСТВОРА МОЛОЧНОЙ КИСЛОТЫ.
Ионитовую очистку раствора молочной кислоты обычно применяют при отсутствии в схеме производства кристал­лизации лактата, а также при получении кислоты, содержащей минимальную примесь минеральных веществ или их отдельных ионов. Для очистки молочной кислоты на отечественных заводах иониты были применены в 1950 г. При фильтрации через катионит в Н-форме и анионит в ОН-форме в результате ионообмена из раствора удаляются не только минеральные вещества, но частично молекулярно сорбируются красящие и азотистые веще­ства.
Ионирование растворов молочной кислоты и регенерацию ионитов в принципе ведут аналогично обработке растворов лимонной кислоты.
Растворы молочной кислоты концентрируют в горизонтальных вакуум-выпарных аппаратах. По-видимому, лучшим аппаратом: следует признать «Центрнтерм», который очень быстро (за не­сколько секунд) выпаривает молочную кислоту без увеличения ее цветности. В горизонтальных вакуум-аппаратах выпаривание ве­дут при разрежении не менее 80 кПа и избыточном давлении греющего пара в пределах 100—150 кПа. Выпаривают кислоту с подкачиванием раствора до концентрации, несколько большей 40%, в течение нескольких часов. При этом удаляется и значи­тельная часть летучих кислот.
ИСПРАВЛЕНИЕ И РОЗЛИВ МОЛОЧНОЙ КИСЛОТЫ.
Качество выпаренной молочной кислоты коррек­тируют. Если кристаллизацию лактата не проводят, процессы разложения лактата и осветления раствора молочной кислоты не разделяют, то при исправлении добавляют 5,5 % свежего активного угля по массе 40%-ной молочной кислоты. Уголь добавляют в горячую кислоту, продолжительность контакта — 30 мин. Если лактат кристаллизуют, уголь добавляют в раствор молочной кис­лоты, освобожденный от гипсового шлама, или в кислоту второго-сорта, и количество угля для осветления устанавливают с таким расчетом, чтобы обеспечить нормы цветности для каждого сорта молочной кислоты.
Молочную кислоту еще раз проверяют на полноту разложения: лактата, на содержание железа, тяжелых металлов и мышьяка. Затем кислоту фильтруют на фильтрпрессе с деревянными фильтрующими элементами, покрытыми пищевой резиной, на за­рубежных заводах — с фильтрующими элементами, выполненными из высокомолекулярных полиолефинов, и на фаянсовых нутч-фильтрах.