После рассмотрения методов получения уксусной кислоты, и после того как был определен основной метод. Можно представить принципиальную технологическую схему получения уксусной кислоты применяемую, непосредственно в процессе получения.
Как, уже было сказано раннее, ферментацию проводят в батарее, состоящей из пяти последовательно соединенных ферментаторов. Каждый аппарат снабжен мешалкой, барботером и змеевиковым теплообменником. Но, при этом нужно учитывать, что процесс начинается не в ферментаторах, а в лаборатории, где получают посевной материал, выращивая уксуснокислые бактерии на жидкой питательной среде в колбах на качалках. А затем в лабораторном ферментаторе вместимостью 30 л [4, 6].
Из выше сказанного можно сделать соответствующие выводы о виде принципиальной схемы.
2
1
3.2
3.1
3.3 3.4 3.5 3.6 4
3
Схема 1. 1 - колба, 2 - лабораторный ферментатор (30 л.), 3 - батарея: 3.1 - напорный бак для исходной питательной среды, 3.2 - бак напорный для этанола, 3.3 , 3.4, 3.5, 3.6 - ферментаторы, 4 - сборник готового уксуса.
Можно сказать, что данная схема не ограничивается тем, что на ней изображено, это связано с различными применяемыми стадиями очистки и стадиями доведения продукта до товарных форм.
1.8 Очистка и подготовка полученного продукта к применению
1.8.1 Обработка сырого уксуса
При стоянии качества уксуса улучшаются (это не относится к «белому» уксусу). Улучшение качества может быть обусловлено образованием эфиров с этанолом, который остается после ферментации. При стоянии преципитирующий материал осаждается, что облегчает последующие операции [2].
1.8.2 Осветление
Для осветления в раствор уксусной кислоты добавляют бентонит и небольшое количество лимонной кислоты. После перемешивания осветленный раствор уксусной кислоты подают на фильтр-пресс. Фильтрацию осуществляют через фильтры с диатомовой землей. Можно применять ультрафильтрацию, которая удобна для проточного культивирования. Фильтрат, представляющий собой 9%-ную уксусную кислоту (столовый уксус), подают в сборник готового продукта, из которого осуществляют розлив [2, 4].
1.8.3 Концентрирование уксусной кислоты
В столовом уксусе содержится 5--9% кислоты (в СССР) или 4% (США), получаемой из 10--13%-го уксуса. Уксус с концентрацией 20--30% кислоты получают путем вымораживания исходного раствора. Лед, который образуется в этом процессе, отбрасывается. Процесс концентрирования довольно дорог. Путем перегонки получают 70--80%-ю уксусную кислоту, называемую уксусной эссенцией. Ледяная уксусная кислота содержит 98--99,8% кислоты [2].
Чтобы обеспечить длительную стойкость, уксус пастеризуется до или после розлива. Для этого достаточно короткого нагревания до 60 - 65 єС. Иногда применяют химическое консервирование, например ионами серебра [5].
1.9 Применение
Уксус применяют в значительном количестве в домашнем хозяйстве и в промышленности пищевых продуктов для заквашивания и в качестве приправы к кушаньям, особенно салатам, а также для консервирования овощей, таких, как цветная капуста и огурцы (маринованные овощи), а также грибов и рыбных продуктов, для изготовления горчицы и майонеза. Уксус, полученный с помощью уксуснокислых бактерий, называется спиртовым уксусом, однако для пищевых целей применяют и уксус, полученный синтетическим путем. Также уксус (уксусную кислоту) используют для растворения органических красителей, при получении медикаментов, пластмасс, синтетических волокон [2, 5].
1.10 Вредители уксуса
1.10.1 Микробные поражения
Микробные поражения вызываются, прежде всего, вследствие образования слизистых веществ и расщепления уксусной кислоты. Хотя различные виды уксусных бактерий могут образовывать слизистые вещества, наибольшие трудности вызываются, по-видимому, только видом Acetobacter. В чанах для окисления, например в генераторе Frings, из-за слизи может нарушаться аэрация и сильно сокращаться образование уксуса.
Многие микроорганизмы и среди них гифомицеты, мицелиальные дрожжи и сами уксуснокислые бактерии могут расщеплять разведенную уксусную кислоту на углекислый газ и воду:
СН3СООН + 2О2 > СО2 + 2Н2О
Во время изготовления уксуса расщепление уксусной кислоты наступает тогда, когда недостает спирта или имеется избыток воздуха [2, 5].
1.10.2 Немикробные вредители
На уксусных предприятиях и в округе встречаются в массовом количестве различные виды клещей и дрозофилы обыкновенной (Drosophila). С ними можно относительно легко бороться, применяя инсектициды. Уксусная угрица (Anguillula aceti) (рис. 6)
Рис. 6. - Женская особь с приплодом в различных стадиях развития (увеличено в 120 раз).
Может проникать в уксусные чаны, исключая глубинные установки, размножаться в них и вызывать существенные трудности и потери. Живородящие нематоды длиной 2 мм и толщиной 0,04 мм для человека безвредны, однако вызывают помутнение, а также вкусовой брак и неприятный запах уксуса. Их можно уничтожить нагреванием до 54°С или обработкой сернистым газом, а затем относительно легко отфильтровать [2, 5].
В литературном обзоре было проведено исследование основных способов микробиологического синтеза уксусной кислоты, выбран метод получения, который рассматривается как основной.
В ходе исследования синтеза было рассмотрено несколько методов получения, из которых один уже не используется это «Орлеанский метод», так как он морально устарел. Следующий метод, который был рассмотрен это «быстрый способ уксусного брожения», этот метод достаточно производителен в особенности по непрерывной схеме, но он также вытесняется более современными методами. На данный момент широкое распространение имеют «глубинные методы». «Глубинный метод с использованием ацетатора», «двустадийный глубинный полупроточный процесс» и «проточное культивирование» эти три метода имеют свои преимущества и недостатки, но все они сейчас используются в промышленном синтезе уксусной кислоты, как наиболее современные методы. Метод «проточного культивирования» был выбран как основной метод получения уксусной кислоты в данной работе.
Так же в литературном обзоре были рассмотрены продуценты уксусной кислоты, стадии подготовки исходного сырья, подготовки питательной среды, получения посевного материала, очистки полученного продукта и подготовки к применению, применение уксуса и вредители уксуса. Была рассмотрена химия получения уксусной кислоты.
2. Технологическая схема микробиологического синтеза уксусной кислоты
На рис. 7 изображена технологическая схема микробиологического синтеза уксусной кислоты. Римскими цифрами обозначены основные материальные потоки, арабскими цифрами обозначено технологическое оборудование.
I. - посевной материал;
II. - исходное сырье для приготовления питательной среды;
III. - питательная среда;
IV. - этанол;
V. - атмосферный воздух;
VI. - воздух на выходе из батареи реакторов;
VII. - уксусная кислота после синтеза;
VIII. - бентонит;
IX. - лимонная кислота;
X. - отходы (биомасса, бентонит);
XI. - очищенный продукт готовый к расфасовке.
1. - инокулятор для получения посевного материала; 2. - реактор для приготовления питательной среды; 3. - напорный бак для питательной среды; 4. - напорный бак для этанола; 5. - вихревой насос; 6. - паровая колона для подогрева питательной среды до температуры стерилизации; 7. - выдерживатель питательных сред при температуре стерилизации; 8. - теплообменник для охлаждения стерильных питательных сред; 9. - ферментатор; 10. - компрессор; 11. - осветлитель; 12. - фильтр пресс; 13. - сборник готового очищенного продукта; 14. - фасовочный аппарат.
Ферментацию проводят в батарее, состоящей из пяти последовательно соединенных ферментаторов. Каждый аппарат снабжен мешалкой, барботером и змеевиковым теплообменником. В первый ферментатор загружается посевной материал, и непрерывно подаются питательная среда, а также стерильный воздух. При этом создаются оптимальные условия для быстрого размножения уксуснокислых бактерий. Первый ферментатор является генератором уксуснокислых бактерий для всех последующих аппаратов; в нем также происходит окисление этилового спирта в уксусную кислоту.
Культуральная жидкость передается из ферментатора в ферментатор за счет давления, создаваемого воздухом. В каждом ферментаторе обеспечиваются условия, способствующие интенсивному окислению этилового спирта в уксусную кислоту. Для поддержания нужной концентрации спирта во второй, третий, четвертый и пятый аппараты добавляют 40%-ный этиловый спирт. Температура и интенсивность аэрации от ферментатора к ферментатору снижаются. Но при всем этом для процесса окисления требуется достаточно большие количества кислорода, который поступает с помощью компрессора, вместе с атмосферным воздухом, в каждый аппарат батареи, через барботер.
Посевную культуру уксуснокислых бактерий выращивают в лаборатории, в колбах на качалках, а затем в инокуляторе на жидкой питательной среде, после чего полученный посевной материал подают в первый ферментатор, где происходит генерация уксуснокислых бактерий.
Так же, в первый ферментатор подается питательная среда, которая проходит стадию стерилизации, данная стадия заключается в том, что питательную среду нагревают в паровой колоне до температуры стерилизации, затем подают в выдерживатель, где питательная среда находится заданное время при температуре стерилизации, после чего ее подают в теплообменник, где происходит охлаждение уже стерильной питательной среды, затем в напорный бак и после этого среда подается в ферментатор.
После того как культуральная жидкость пройдет через все пять аппаратов, она выходит из последнего с концентрацией уксусной кислоты не ниже 9 % и не выше 9,2 - 9,3 %. Воздух, который также выводиться из последнего аппарата уходит в атмосферу, не нуждаясь в какой - либо очистке, а культуральная жидкость попадает на стадию осветления. Ее осветляют бентонитом с добавлением небольшого количества лимонной кислоты. После перемешивания раствор уксуса подают на фильтр пресс, где из него отдельно выводятся отходы - это биомасса и бентонит, а так же отфильтрованный раствор уксуса, который поступает в сборник готового продукта, а затем на фасовочный аппарат (розлив).
Рис. 7. Технологическая схема микробиологического синтеза уксусной кислоты.
3. Расчет модели реактора на ЭВМ
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
