способ получения лимонной кислоты из растворов щелочных цитратов

Формула изобретения

1. Способ выделения лимонной кислоты из нативных растворов щелочных цитратов, согласно которому нативный раствор обесцвечивают, с помощью электродиализа осуществляют частичную конверсию цитратного раствора в лимонную кислоту и кристаллизацией получают целевой продукт, отличающийся тем, что до кристаллизации после частичной конверсии проводят полную конверсию остаточных цитратов и обессоливание раствора, пропуская жидкость через сильнокислотный катионит в Н⁺-форме и средне- или слабоосновной анионит в ОН^--форме.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обесцвечивание нативного раствора осуществляют ионосорбентом ИА-1р в Cl^--форме.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к биотехнологии, а именно к способу выделения лимонной кислоты из растворов щелочных цитратов.

Лимонная кислота широко используется в пищевой, парфюмерной, фармацевтической, медицинской и химической промышленностях.

Традиционный способ выделения лимонной кислоты из нативных растворов микробиологического синтеза включает ее осаждение известковым молоком с последующим растворением цитрата кальция серной кислотой, отделение сульфата кальция из раствора фильтрацией и выделение лимонной кислоты из раствора обесцвечиванием, обессоливанием, выпаркой, кристаллизацией и сушкой [1].

При таком способе получения лимонной кислоты в производстве образуется большое количество жидких стоков, содержащих минеральные кислоты и соли, и одновременно накапливается большое количество твердых отходов (гипс, отработанный уголь и т.д.). В результате этого технология становится громоздкой и трудоемкой.

Известны способы выделения лимонной кислоты из нативного раствора экстракцией органическими растворителями, содержащими третичный амин. Из полученного экстракта лимонную кислоту реэкстрагируют водой при более высокой температуре [2, 3].

В работе [4] выделение лимонной кислоты из нативного раствора культуральной жидкости (КЖ) от ферментации сахаров осуществляют экстракцией октаном, содержащим тридодециллуриламин.

Так как при эстракционном способе выделения вещества предъявляют слишком большие требования к органическим растворителям, которые должны быть высокоселективными, малорастворимыми в воде, иметь плотность, отличающуюся от плотности раствора целевого продукта, быть нетоксичными, недефицитными, недорогими и легкорегенерируемыми, то этот способ является сложнореализуемым и дорогим.

В последнее время значительное внимание уделялось сорбционному способу выделения как лимонной кислоты, так и цитратов.

Типичный сорбционный способ выделения лимонной кислоты и цитрата натрия описан в работе [5]. Согласно предложенной технологии из нативного раствора для получения лимонной кислоты раствор вначале пропускают через сильнокислотный катионит в Н⁺-форме, а затем из раствора лимонной кислоты анионы минеральных кислот (НСl, Н₂SO₄, H₃РО₄) отделяют пропусканием раствора через среднеосновной анионит в ОН^--форме.

В этом цикле через 1 объем катионита можно пропускать 3 объема нативного раствора, а через анионит - 15-17 объемов выходящего из катионитовой колонны раствора лимонной кислоты.

Далее обессоленный раствор подвергают обесцвечианию на ионосорбенте и осветлению пропусканием раствора через слой угля. Выделение кристаллов лимонной кислоты из осветленного раствора проводят известным способом путем вакуум-упаривания, кристаллизации, центрифугирования и сушки.

Основным недостатком использования сорбционного способа получения лимонной кислоты из цитрата является то, что при использовании дрожжей Candida lipolytica оптимальная величина рН ферментации находится в интервале от 4,0 до 5,5, а в этом диапазоне так как цитрат в растворе находится в форме одно- и двузамещенной соли (фиг.1), то для полной трансформации цитрата в лимонную кислоту приходится использовать в Н⁺-форме большой объем катионита.

Если учитывать, что применение большого объема смолы приводит к значительному разбавлению исходного раствора на стадии трансформации (в 1,5-2,0 раза), расходу большого количества соляной кислоты и деминерализованной воды для регенерации ионообменных смол и образованию больших объемов кислых регенерационных и сорбционных стоков, то сорбционный способ трансформации цитратов становится очень трудоемким и дорогим.

Известны электродиализные способы трансформации цитрата в лимонную кислоту.

Способ производства лимонной кислоты с использованием электродиализа впервые исследован и запатентован фирмой "Бенкизер", ФРГ [6,7].

По известному способу [8] в трех- или четырехкамерных электродиализаторах из щелочного цитрата лимонную кислоту можно получить частичным превращением цитрата в кислоту (90-99%) с последующим концентрированием, горячей фракционной кристаллизацией, центрифугированием и рециркуляцией маточных растворов на стадии электродиализа и кристаллизации. Работа, в основном, посвящена процессам и аппаратам получения лимонной кислоты из цитратов, предложенные в нем технологические решения не подтверждены экспериментальными данными. Однако без отделения из раствора лимонной кислоты сопутствующих цитрату анионов минеральных кислот указанными технологическими подходами трудно получить чистые кристаллы лимонной кислоты, что экспериментально доказано в следующих приведенных работах.

Известен способ получения лимонной кислоты из тринатриевого цитрата [9].

В этом способе конверсию щелочного цитрата из нативного раствора, полученного ферментацией н-алканов дрожжами проводили электродиализом. Для обесцвечивания нативный раствор перед электродиализом предварительно кипятили с активированным углем и фильтровали. При этом электродиализ ферментационных растворов проводили в четырехкамерном аппарате с использованием 3-х катионообменных мембран (марки МК-40). Одновременно с конверсией в электродиализаторе протекает концентрирование растворов.

Процесс электродиализа продолжали до 100% конверсии тринатриевого цитрата натрия (52,7 г/л) в лимонную кислоту (39,2 г/л).

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ, описанный в публикации [10].

В этом способе конверсию щелочного цитрата из нативного раствора, полученного ферментацией н-алканов дрожжами, проводили электродиализом. Для обесцвечивания нативный раствор предварительно кипятили с активированным углем и фильтровали. При этом электродиализ ферментационных растворов проводили в четырехкамерном аппарате с использованием 2-х катионообменных мембран (марки МК-40) и одной анионообменной мембраны (МА-40).

Одновременно с конверсией в электродиализаторе протекает концентрирование.

Экспериментальные данные показали, что камера, в которой накапливается конверсированный из цитратов раствор содержит 53% лимонной кислоты и 47% примесей в виде других органических и минеральных кислот.

Исходя из приведенных в вышеуказанных работах технических решений по электродиализной трансформации цитратов, можно сказать, что основным недостатком электродиализного способа получения лимонной кислоты во всех работах является то, что при этом нативный раствор очищается лишь от катионов, а присутствующие в растворе все анионы вместе с цитратом переходят в кислотную форму. Если учитывать, что на последующих стадиях выделения раствор лимонной кислоты после электродиализа приходится концентрировать в 13-15 раза (СВ около 72-75%), то освобождение от анионов (Сl^-, SO₄ ^2-, РO₄ ^3- и т.д. ) из таких вязких растворов с помощью кристаллизации становится трудно реализуемым и целевой продукт получается низкого качества. Перекристаллизация полученных технических кристаллов приводит к значительному снижению выхода конечного продукта.

Одним из существенных недостатков электродиализной трансформации цитратов является то, что в случае проведения полной конверсии цитрата расходуется большое количество электроэнергии, что следует из экспериментальных результатов, приведенных в работах [9 и 10].

Как указано в работе [8], удельный расход энергии на превращение цитрата в лимонную кислоту значительно повышается, когда достигнутая степень конверсии увеличивается, и становится очень высоким при приближении к полному превращению цитрата.

Для преодоления трудности, связанной с использованием большого количества энергии, авторы работы [8] предлагают частичное превращение электродиализом щелочного цитрата в лимонную кислоту. Далее для отделения непревращенного цитрата от лимонной кислоты предлагают осуществлять фракционную кристаллизацию. Необходимо отметить, что, если фракционная кристаллизация обеспечивает очистку раствора лимонной кислоты от остаточных щелочных цитратов, то о возможности очистки раствора целевого продукта от неорганических анионов, из вязкого раствора в работе [8] не упоминается.

Кроме того, использование на стадии электродиализа неочищенного от многозарядных катионов нативного раствора приводит к загрязнению катионообменных мембран и уменьшению срока их службы [9].

К недостаткам электродиализной конверсии цитратов в вышеуказанных работах относится и то, что в качестве исходной соли авторы использовали трехзамещенный цитрат натрия, а не те соли (одно- и двузамещенные цитраты натрия), которые в реальности получаются при ферментации с использованием дрожжей.

Так как значение рН трехзамещенного цитрата по сравнению с одно- и двузамещенными примерно в 2 раза меньше, то, следовательно, последние две соли в растворе сравнительно хорошо диссоциированы и их транформация в кислоту протекает легче. Кроме того, и количество диффундировавшего через катионообменную мембрану ионов натрия при этом меньше.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа получения лимонной кислоты из растворов щелочных цитратов.

Технический результат, который может быть получен при использовании предлагаемого способа заключается в том, что предложенный технологический подход обеспечивает с меньшим расходом электроэнергии на стадии электродиализа и химикатов и деминерализованной воды на стадии ионитового обессоливания трансформацию цитрата в лимонную кислоту и получение раствора лимонной кислоты, не содержащей посторонних ионов.

Сущность предлагаемого способа состоит в том, что раствор цитратов подвергают электродиализу, полную конверсию остаточного цитрата и обессоливание раствора после электродиализа осуществляют сильнокислотным катионитом в Н⁺-форме и средне- или слабоосновным анионитом в ОН^--форме. При этом в трехкамерном электродиализаторе конверсию цитратов осуществляют на 85-88%.

Для отделения окрашеннных компонентов нативный раствор перед электродиализом пропускают через ионосорбент в Сl^-- форме или слой активированного угля.

Перед электродиализом непосредственно до или после обесцвечивания многозарядные катионы из нативного раствора удаляют пропусканием его через карбоксильный катионит в Na⁺ -форме.

Одно из преимуществ предложенного способа заключается в том, что при электродиализе значительно (в 1,5-1,8 раза) уменьшается расход электроэнергии. Это обусловлено тем, что на начальных стадиях, когда концентрация катионов в центральной камере наибольшая для поддержания постоянной плотности тока не приходится увеличивать напряжение в цепи. Расход электроэнергии особенно на последней стадии увеличивается (когда конверсия в растворе осуществлена более чем на 85-88%), так как при этом с уменьшением концентрации ионов натрия возрастает концентрация лимонной кислоты, которая менее диссоциирована, чем ее соль, и повышается электрическое сопротивление раствора. Для полной трансформации цитрата в кислоту приходится повышать падение напряжения, чтобы поддержать плотность тока постоянной. На этой стадии резко возрастают удельные затраты электроэнергии.

По предлагаемому способу количество катионообменной смолы, необходимой для завершения полной трансформации остаточного цитрата, по сравнению с сорбционным способом уменьшается примерно в 8-9 раз. Это приводит к уменьшению в столько же раз количества кислоты и деминерализованной воды, необходимой для регенерации сульфокатионита и уменьшению объема образовавшихся регенерационных и сорбционных стоков. Снижение объема используемого сульфокатионита приводит одновременно и к уменьшению степени разбавления лимоннокислого раствора.

При электродиализе помимо конверсии и освобождения от катионов при протекании электрического тока через мембрану вместе с противоионами и катионами переносится и растворитель, что приводит к концентрированию раствора лимонной кислоты.

Одно из преимуществ электродиализного способа обессоливания заключается в том, что в катодной секции образуется раствор едкого натра, который можно использовать как на стадии ферментации (для подтитровки ферментационного раствора), так и на стадии регенерации ионообменных смол.

При электролизе трансформацию цитрата в лимонную кислоту в растворе определяют тремя способами:

- определением рН раствора (в начале процесса);

- определением концентрации иона натрия атомно-абсорбционной спектроскопией;

- определением концентрации цитрата комплексометрическим титрованием [9] .

Лимонную кислоту в растворе определяли химическим методом [11], а изолимонную кислоту - энзиматическим методом [12].

Выбор карбоксильного катионита, например КБ-4П2, для удаления многозарядных катионов из нативного раствора обусловлен тем, что вследствие попарного расположения карбоксильных групп в матрице смола обладает повышенной селективностью по отношению к многозарядным катионам. Кроме того, катионит обладает значительно большей обменной емкостью и легче регенерируется. Так как рН нативного раствора лежит в пределах 4-6, а это соответствует рабочему диапазону смолы, то тип смолы выбран правильно.

При электродиализе выбор степени конверсии (от 85 до 88%) цитратов в лимонную кислоту обусловлен тем, что в случае проведения конверсии ниже 85% в последующей стадии ионитовой трансформации приходится использовать сравнительно больше объема смолы, который, как указано выше, приводит к осложнению технологического процесса.

В случае же проведения конверсии выше 88% расход электроэнергии резко начинает увеличиваться.

Выбор типа смол, в частности КУ-2-8 и ЭДЭ-10П, для проведения ионитовой конверсии остаточных цитратов и обессоливания раствора лимонной кислоты обусловлен тем, что обе смолы химически прочны, имеют хорошую обменную емкость, легко отмываются от растворов кислот и щелочи и удовлетворяют как технологическим, так и токсикологическим требованиям.

Выбор обесцвечивающей смолы, например ИА-1р, обусловлен тем, что смола обладает хорошей обесцвечивающей способностью и механически прочна.

Выбор ионообменной мембраны, например МК-40, обусловлен тем, что мембрана обладает хорошей селективностью, имеет высокие электрохимические показатели, обладает удовлетворительной прочностью по отношению к растворам кислоты и щелочи, механически прочна.

Возможность осуществления способа иллюстрируется следующими примерами, но не исчерпывается ими.

Пример 1. Трансформацию соли щелочного цитрата в лимонную кислоту из нативного раствора проводят в трехкамерном диализаторе, ячейка которого была собрана из 2-х катионообменных мембран марки МК-40 с межмембранным растоянием 4 мм.

В анодной камере циркулирует 0,3 н. раствор серной кислоты, в катодной - 0,25 н. раствор гидроксида натрия, а в центральной - нативный раствор щелочного цитрата, полученный культивированием штамма дрожжей Yarrowla lipolytica на питательной среде, где в качестве источника углерода использован этиловый спирт или отходы его производства. Концентрация цитрата натрия (одно- и двузамещенный при весовом соотношении 1:1) в нативном растворе составляет 95 г/л, рН раствора - 4,7, сухие вещества (СВ) - 10,2%. Затем нативный раствор перед электродиализом под вакуумом пропускают через активированный уголь с толщиной слоя 0,6 см.

Плотность тока при электродиализе поддерживают в пределах 120-140 мА/см², а рабочая площадь мембран составляет 56 см².

Электроды были изготовлены из платинированного титана. Объем всех растворов (гидроксид натрия, серная кислота, нативный раствор) одинаков и составлял 0,75 л.

Растворы во всех камерах циркулируют при помощи насоса со скоростью 9 см/сек.

Проведение электродиализной конверсии цитрата по вышеуказанному режиму показывает, что в течение 2 часов - 88,1% общего цитрата превращается в лимонную кислоту.

После 88%-ной конверсии цитрата процесс электродиализа останавливают, концентрат заменяют на осветленный нативный раствор и процесс электродиализа продолжается.

Для проведения последующих стадий очистки с помощью электродиализа по вышеуказанному режиму до 85-88% конверсии цитрата получено 10,5 л (14 циклов) технического раствора лимонной кислоты.

С учетом содержания катионов и сопутствующих цитрату анионов в конверсированном растворе и обменной емкости применяемых ионообменных смол для полной коверсии цитрата и обессоливания, раствор после электродиализа в количестве 10,5 л пропускают через последовательно соединенные две ионообменные колонны, заполненные сульфокатионитом КУ-2-8 в ⁺-форме и среднеосновным анионитом ЭДЭ-10П в ОН^--форме соответственно. После окончания подачи раствора лимонной кислоты колонны промывают дистиллированной водой до снижения концентрации лимонной кислоты в выходящей из анионита жидкости до 2,0-2,5 г/л.

Собранный обессоленный раствор лимонной кислоты подвергают вакуум-упариванию при температуре 50-55^oС и разряжении 90 кПа до СВ 69-72% и из упаренного раствора двуступенчатой кристаллизацией выделяют чистые кристаллы лимонной кислоты.

Первую и вторую порции кристаллов лимонной кислоты смешивают и высушивают.

Выход конечного продукта из нативного раствора с учетом возврата маточных растворов в технологический цикл составляет 72%.

Содержание основного продукта - кислота лимонная моногидрат - в полученных кристаллах составляет не менее 99,8%, что соответствет требованиям ГОСТ 3652-69 на реактивную лимонную кислоту.

Ввиду того, что растворимость изолимонной кислоты намного больше, чем лимонной, то она накапливается в маточном растворе. Сорбированная на кристаллах лимонной кислоты изолимонная кислота при центрифугировании и водной промывке кристаллов лимонной кислоты переходит в маточный раствор.

Исходя из того, что соотношение изолимонная кислота - лимонная кислота в маточном растворе составляет 2,5: 1 соответственно, то из него с помощью титрования гидроксидом калия изолимонную кислоту выделяют в виде монокалиевой соли.

После водной перекристаллизации технических кристаллов монокалиевой соли изолимонной кислоты получают кристаллический продукт с 98,5%-ной чистотой.

Выход монокалиевой соли изолимонной кислоты из нативного раствора составляет 35%.

Пример 2. Выделение лимонной кислоты из нативного раствора осуществляют аналогично описанному в примере 1, за исключением того, что для выделения целевого продукта был использован раствор, полученный при ферментации, в которой в качестве источника углерода использовались жидкие парафины. При этом минеральный состав ферментационного раствора усложнен. В частности, в нативном растворе увеличилось содержание двухзарядных катионов (Са²⁺ Mg²⁺), от которых перед электродиализом освобождаются путем пропускания обесцвеченного нативного раствора через карбоксильный катионит КБ-4-2П в Na⁺-форме. Далее смолу промывают водой и собранный раствор вместе с промывными водами передают на стадию электродиализа.

Проведение электродиализной конверсии цитрата по вышеуказанному режиму показывает, что в течение 1,8 часа 84,6% общего цитрата превращается в лимонную кислоту.

Пример 3. Выделение лимонной кислоты из нативного раствора проводят, как описано в примере 1, за исключением того, что обесцвечивание нативного раствора перед электродиализом проводят его пропусканием через ионосорбент ИА-1р в Сl^--форме.

Пример 4. Выделение лимонной кислоты из нативного раствора проводят, как описано в примере 1, за исключением того, что на стадии обессоливания используют слабоосновной анионит, например АН-31.

Таким образом предложенный способ позволяет из цитратного раствора разного минерального состава с меньшим расходом электроэнергии и химикатов получать очищенные кристаллы лимонной кислоты.

Использование ионитового способа обесцвечивания нативного раствора позволяет повысить степень обесцвечивания раствора, при этом в технологическом цикле исключается образование твердого отхода.

За счет использования карбоксильного катионита для сорбции многозарядных катионов из нативного раствора увеличивается срок работы ионообменных мембран в 3,5 раза.

Благодаря использованию слабо- или среднеосновного анионита лимоннокислый раствор очищается от сопутствующих неорганических анионов. При этом в производстве образуется сравнительно меньше регенерационных стоков.

Кроме того, получение побочного продукта - монокалиевой соли изолимонной кислоты, которая является ценным препаратом, обеспечивает снижение себестоимости основного продукта.

На чертеже приведено равновесное состояние лимонной кислоты в растворе в зависимости от величины рН, где СА - лимонная кислота; CANa - однозамещенный лимоннокислый натрий; CANa₂ - двузамещенный лимоннокислый натрий; CANa₃ - трехзамещенный лимоннокислый натрий.

Источники информации

1. В.А. Смирнов. Пищевые кислоты, 1983, с. 151-193.

2. Патент ЕР 0460854.

3. Патент Чехословакии 277812.

4. Патент США 5426220.

5. Патент России 2090611.

6. Патент США 3086928.

7. Патент Франции 2260558.

8. Патент США 3968017, 1976, 204-180.Р.

9. Я.К. Лэмба, И.Р. Крамзака, А.А. Колесников. Выделение лимонной кислоты из ферментационных растворов методом электродиализа. В сб. "Биосинтез оксикислот и кетокислот микроорганизмами". Рига: Зинатне, 1984, с. 59-66.

10. Я.К. Лэмба, И.Р. Карклиня, O.А. Маркунас. Исследование процесса электродиализа тринатриевого цитрата и ферментационных растворов в ячейках с межмембранным расстоянием 3 и 4 мм. В сб. "Биосинтез оксикислот и кетокислот микроорганизмами". Рига: Зинатне, 1984, с. 67-72.

11. Жаболовская Н.А. и др. Хлебопекарная и кондитерская промышленность, 1968, 5, c. 22-24.

12. Methods of enzymatic food analysis. Boehnger Mannheim, 1984, p.13-14.