15.7.10.5. Производство молочной кислоты

Молочная (2-гидроксипропионовая, α-гидроксипропионовая) кислота является простейшей гидроксикислотой, имеющей асимметричный атом углерода, обеспечивающей существование двух оптических изомеров, т. е. D (или R) и L (или S) форм. L-Молочная кислота усваивается организмом, а D-изомер — нет.

Молочная кислота в промышленности производится химическим (50 %) и ферментативным (50 %) синтезами [179].

Химический синтез основан на реакции ацетальдегида с цианистым водородом, приводящим к получению лактонитрила, гидролиз которого дает молочную кислоту.

При получении молочной кислоты с помощью молочнокислых бактерий и химическим синтезом образуется оптически недеятельная D,L-молочная кислота.

L(+)-Молочную кислоту образуют молочнокислые стрептококки (S. termophilus, S. lactis, Leuconostoc cremoris), а Lb. lactis и Lb. bukgaricus продуцируют около 90 % D(–)-молочной кислоты [104].

Возбудителем молочнокислого брожения в производстве молочной кислоты является культура Lactobacillus delbrukii.


Свойства молочнокислых бактерий [104]

Lactobacillus delbrüeckii — термофильная зерносусловая бактерия. Эти бактерии хорошо сбраживают глюкозу, мальтозу, фруктозу, галактозу и сахарозу.

Молочнокислые бактерии являются грамположительными, неподвижными, факультативными анаэробами. Они имеют форму крупных палочек длиной  7–8 мкм, толщиной 0,5–0,8 мкм и образуют, как правило, короткие цепочки из 2–4 клеток.

Молочнокислым бактериям необходимы следующие аминокислоты: аргинин, цистеин, глутаминовая кислота, лейцин, фенилаланин, триптофан, тирозин, лизин  и, возможно, некоторые другие.

Из витаминов продуцент нуждается в рибофлавине, никотиновой и фолиевой кислотах; тиамин ингибирует образование молочной кислоты.

Из минерального питания для молочнокислых бактерий нужны: натрий, калий, фосфор, медь, железо, сера, магний и, особенно, марганец. Поэтому к сахаросодержащим средам необходимо добавлять сухие ростки ячменного, ржаного или пшеничного солода, солодовый экстракт, осадочные винные или спиртовые дрожжи, дрожжевой автолизат, пшеничные зародыши.

Оптимальной температурой для развития продуцента является 48–50 °С; брожение осуществляется в слабокислой среде (рН»5,5), но при рН = 3,0 развитие бактерий прекращается. При рН выше 7 питательная среда легко инфицируется.

Вследствие чувствительности к кислотности среды образующуюся молочную кислоту нейтрализуют мелом, поддерживая кислотность на уровне 0,3–0,4 %:

                 2С3Н6О3 + СаСО3 = Са(С3Н5О3)2 + СО2 + Н2О

Растворимость лактата кальция при 50 °С составляет 15–16 %.


Сырье для производства молочной кислоты  [104, 173]

В отечественном производстве молочной кислоты сырьем служит смесь тростникового сахара-сырца, рафинадной патоки и свекловичной мелассы. Источником необходимых органических и минеральных веществ служат солодовые ростки.

Тростниковый сахар-сырец содержит, %: СВ — 99,4–99,6 (в том числе сахарозы — 96,5–98), РВ — 0,6–0,9, органических несахаров — 0,7–1.

Применение мелассы позволяет ускорить процесс брожения из-за наличия в ней необходимых для молочнокислого брожения веществ. Однако из-за интенсивной окраски мелассы применение большого ее количества приводит к затруднениям при очистке молочной кислоты.

Рафинадная патока представляет собой вязкую коричневую жидкость, содержащую не менее 72 % СВ,  в том числе 49 % сахарозы, величина рН не ниже 5,5.

По сравнению с мелассой она имеет большую доброкачественность, примерно вдвое меньшую цветность, содержит меньше коллоидов (1,3–3,0 %), золы (3–5 %) и азота (0,25 %), больше инвертного сахара (10–20 %), но в ней отсутствуют витамины.

Солодовые ростки содержат до 30 % азотистых веществ, около половины которых растворяются в воде. В ростках заключена основная масса витаминов и биостимуляторов проросшего зерна: рибофлавин, пиридоксин, цианокобаламин, никотиновая кислота, пантотеновая кислота, токоферол, инозит, биотин. Ростки должны быть желтого или коричневого цвета; допускается присутствие 5–6 % зерновой примеси; минеральных веществ — не более 0,5 %.

Для получения молочной кислоты можно использовать ультрафильтраты молока и сыворотки, отходы производства фруктового сока.

Однако лучшим субстратом является D-глюкоза (выход молочной кислоты 86 %), которую можно заменить, например, гидролизатами древесины, осуществляя конверсию с помощью иммобилизованных в альгинате кальция клеток Lb. plantarum ETH B-4258.


Технология производства молочной кислоты  [15, 173]

Основные стадии процесса производства молочной кислоты показаны на рис. 15.7.55 [66].


Рис. 15.7.55. Технологическая схема производства  молочной кислоты

Получение посевного материала производится также в несколько стадий.

Чистую культуру рассевают в три пробирки со свежеприготовленной питательной средой. Культуру из одной пробирки (другие являются «музейной» и запасной) пересевают в колбу (500 мл), а затем в бутыль (10 л) и наконец — в культиватор. Объем засевной культуры должен быть до 30 об. % от вместимости бродильного аппарата.

Первые две стадии проводят на питательной среде из солодового сусла, третью — на среде из сусла и производственной среды (1:1) и последнюю — на производственной среде. Продолжительность каждой стадии — 20–24 ч (48–50 °С).

Показателем зрелости и активности культуры бактерий в каждой стадии размножения является плотность популяции, которая должна составлять  700–800 клеток/мл. Активная культура через 10–15 ч накапливает до 0,5 % молочной кислоты.

При подготовке инокулята бактерии пассируют несколько раз в среде с небольшим избытком мела, выдерживая при 45–55 °С; каждая стадия длится 16–18 ч.

Питательную среду готовят непосредственно  в бродильном аппарате. Бродильный аппарат наполняют водой и промывными водами на 2/3 вместимости, нагревают до 70 °С, подают в него мелассу, рафинадную патоку и растворенный сахар-сырец. В среду вносят (NH4)2SO4 и NH4HPO4, а также солод или кукурузный экстракт. Массовая доля сахара в растворе должна быть 3–4 масс. %. Раствор нагревают до 70 °С и пастеризуют при этой температуре в течение 1 ч. После охлаждения до температуры 48–50 °С в раствор добавляют 15 масс. % от массы сахара солодовых ростков.

Молочнокислое брожение — образование молочной кислоты — может быть описано уравнением:

                                       С6Н12О6 → 2С3Н6О3

В соответствии с уравнением из 100 г глюкозы получается 100 г молочной кислоты; практический выход составляет 90–91 масс. % от массы сахара.

Поскольку при температуре ниже 45 °С развивается посторонняя микрофлора, брожение проводят при температуре 48–50 °С. Повышение температуры выше 55 °С снижает активность молочнокислых бактерий.

Сбраживание ведут в аппаратах (чанах) вместимостью 25–45 м3.

После приготовления питательной среды в аппарат вносят КЖ (20 об. % от его вместимости) с молочнокислыми бактериями. Через 6 ч начинают перемешивание смеси барботированием воздуха. По достижении массовой доли молочной кислоты 0,5–0,6 масс. % (примерно через сутки после засева) начинают добавлять меловое молоко, поддерживая массовую долю кислоты в растворе на уровне 0,3–0,4 масс. %.

Для нейтрализации 1 кг молочной кислоты требуется 0,55 кг карбоната кальция. В результате нейтрализации образуется 120 масс. % лактата кальция от массы сброженной гексозы или 125 масс. % от массы дисахарида.

При нормальном брожении за сутки сбраживается до 2 % сахара, убыль которого компенсируют внесением 50% раствора сахара-сырца с добавлением в него рафинадной патоки, поддерживая массовую долю сахара в среде на уровне 3–4 %. Брожение осуществляют до концентрации лактата кальция около 15 % (6–8 суток).

Для очистки культуральную жидкость, в которой находятся твердые примеси — мел, солодовые ростки, а также коллоидные частицы, обрабатывают известковым молоком температурой 70–80 °С, при этом осаждаются ионы железа, коагулируют белки, разрушается несброженный сахар. Для отделения взвешенных частиц культуральную жидкость отстаивают в течение  6–12 ч при температуре выше 48 °С. После отстаивания (6–12 ч) смесь фильтруют, и фильтрат с первой порцией промывной воды направляют на кристаллизацию лактата.

При кристаллизации лактата кальция около 2/3 соли остается в маточном растворе, поэтому, наряду  с очисткой молочной кислоты кристаллизацией лактата, используется очистка и ионообменными смолами.

Растворимость лактата кальция (у) описывается следующими уравнениями [28]:

в области температур 12–35 °С:  y = 1,9 exp(0,035T),

в диапазоне 40–80 °С:  y = 1,4exp(0,0435T).

При кристаллизации лактата кальция начальная концентрация его в растворе составляет 14,5–15,5 %; при большей концентрации затрудняется отделение кристаллов из-за их малых размеров. Оптимальная начальная температура раствора составляет 30 °С. После заполнения кристаллизатора вносят затравку (6–7 масс. % от массы лактата) в виде сырых кристаллов от предыдущей кристаллизации. Конечная температура раствора не должна превышать 10 °С; общая продолжительность кристаллизации — 10–12 ч.

В процессе кристаллизации температуру снижают за первый час с 30 до 23 °С, за последующие 1,5 ч — с 23 до 16 °С (начинается массовая кристаллизация). Далее температуру снижают со скоростью 2 град./ч, и затем смесь выдерживают 3 ч при 10 °С. После отделения кристаллов фильтрованием или центрифугированием  и их промывки выход лактата составляет 80 масс. %  от массы кристаллов, содержащихся в утфеле, при доброкачественности 96 %.

Из маточного раствора после разложения лактата, отделения гипса и осветления раствора активным углем получают молочную кислоту второго сорта.

Зная содержание лактата в начальном (Сн) и конечном (См) растворах (масс. %), можно вычислить его выход в процентах к массе раствора (K, безводное вещество) или в процентах к содержанию лактата в начальном растворе (А):

Очищенный раствор лакатата кальция разлагается серной кислотой:

                     Ca(C3H5O3)2 + H2SO4 = 2C3H6O3 + CaSO4

Сульфат кальция выделяется из раствора в виде осадка (гипса). Для получения крупнокристаллического осадка гипса необходимы следующие условия: коэффициент пересыщения 1,3–1,4; массовая доля лактата кальция не выше 18 масс. %; температура 80 °С; избыток серной кислоты 0,5 %; продолжительность созревания кристаллов гипса 1 ч.

Полноту разложения лактата кальция контролируют с помощью цветной реакции с 0,1% раствором метилового фиолетового, который должен иметь васильковый цвет, при избытке серной кислоты — зеленый, лактата кальция — фиолетовый.

Соединения железа осаждают желтой или красной кровяной солью, причем применение последней предпочтительней, поскольку образующийся лактат кальция разлагается далее с образованием нерастворимого сульфата кальция:

4Fe(C3H5O3)3 + 3Ca[Fe(CN)6] = Fe4[Fe(CN)6]3 + 6Ca(C3H5O3)2

Соединения тяжелых металлов и мышьяка осаждают сульфидом бария. Для осветления раствора его обрабатывают активным углем, осадок отделяют фильтрованием.

Осветление и упаривание раствора молочной кислоты проводят с помощью активного угля (ОУ-А) либо до отделения гипса, либо после отделения шлама. Осветленный раствор подвергают концентрированию до массовой доли молочной кислоты 40 масс. % на выпарных вакуумных аппаратах (80 кПа). После выпаривания раствор снова обрабатывают активным углем (исправление) и после фильтрования разливают в тару.


Свойства молочной кислоты [173]

Пищевая молочная кислота выпускается в виде водного раствора концентрацией 40 %, качество которой регламентируется ГОСТ 490–79 (табл. 15.7.143).


Таблица 15.7.143

Химические показатели пищевой  молочной кислоты [173]

Показатели Сорт
высший первый второй
Массовая доля общей молочной кислоты, масс. % 40±1
Массовая доля прямо титруемой молочной кислоты, масс. %,  не менее 37,5 35,0
Массовая доля,  масс. %, не более    
ангидридов 2,5 5,0
золы 0,6 1,0 4,0
железа 0,007 0,014 0,020
сульфатов 0,3 Не нормируется
хлоридов 0,1
редуцирующих веществ 0,1
Цветность, град,  не более 6,5 10 30
Массовая доля мышьяка, мг/кг,  не более 0,3
Соли тяжелых металлов Должна выдерживать  испытание
Ферроцианиды
Цианистоводородная кислота
Свободная серная кислота
Барий Не допускается

Молочную кислоту получают также и 70% концентрации, для чего проводят вторичное упаривание в вакуум-аппаратах с последующим фильтрованием на фильтр-прессах. Продукт выпускается в жидком виде или в виде пасты, которую получают добавлением  к концентрированной кислоте небольшого количества мела.

D-Молочная кислота имеет Тплав 53 °С, Ткип 103 °С (2 мм рт. ст.); D,L-молочная кислота — 18 и 85 °С (1 мм рт. ст.) соответственно [155] (см. разд. 15.7.10).

Динамическая вязкость растворов молочной кислоты при температуре 25 °С приведена в табл. 15.7.144.


Таблица 15.7.144

Динамическая вязкость водных растворов  молочной кислоты [28]

Концентрация, масс. % Вязкость, мПа × с Концентрация, масс. % Вязкость, мПа × с
6,29 1,04 54,94 4,68
9,16 1,15 64,89 6,96
12,19 1,21 75,33 13,03
24,35 1,67 85,32 28,50
37,50 2,45 88,60 36,90
45,48 3,09    

Применение молочной кислоты [28, 155]

Молочную кислоту применяют в пищевой промышленности [102], в медицине и ветеринарии [173] и для разнообразных технических целей.

Молочная кислота сдерживает развитие гнилостных бактерий, но не действует на микроскопические грибы и дрожжи. Молочная кислота и ее соли в присутствии воды являются сильными пластификаторами почти всех белков. В хлебопечении молочная кислота и лактаты увеличивают объем мякиша и улучшают корочку хлеба.

Молочную кислоту добавляют в затор в пивоварении для снижения жесткости воды и достижения величины рН, близкой к оптимальной для действия амилолитических и протеолитических ферментов. Молочную кислоту применяют при производстве пекарных дрожжей для очистки засевных дрожжей от посторонней микрофлоры, в том числе от лактобацилл, а также для очистки мелассы, стимулируя размножение дрожжей.

Для использования в пищевых продуктах разрешены лактаты натрия (Е325), калия (Е326), кальция (Е327), аммония (Е328) и магния (Е329). Используются они в производстве безалкогольных напитков, карамельных масс, кисломолочных продуктов.

Лактат натрия повышает объем и стабильность пены в белково-сбивных массах кондитерских изделий, мороженого.

Эфиры молочной кислоты — лактилаты [102] (Е481, Е482) — относятся к группе анионоактивных ПАВ.

В эту подгруппу пищевых ПАВ входят производные молочной кислоты с высшими жирными кислотами (стеариновой или олеиновой) в виде натриевых или кальциевых солей. Структуру вещества можно описать следующей формулой:

,

где R — ацил стеариновой или олеиновой кислоты; Me — Na или Ca; n — степень полимеризации молочной кислоты (от 1 до 4).

Критерии чистоты лактилатов представлены в табл. 15.7.145.


Таблица 15.7.145

Характеристика лактилатов [102]

Критерий Е 481 Е 482
Содержание, масс. %:    
натрия 2–5
кальция 1–5
Эфирное число, мг KОН/г:    
не менее 90 125
не более 190 190
Общее содержание молочной кислоты (свободной и связанной), масс. %:    
не менее 15 15
не более 40 40
Кислотное число, мг KОН/г:    
не менее 60 50
не более 130 130
ГЛБ 10–12 5–6

Лактат кальция [173] — важный терапевтический препарат при лечении кальциевой недостаточности (рахит) в медицине и ветеринарии.

Применяется он как кровеостанавливающее средство при легочных, желудочно-кишечных, носовых  и других кровотечениях, в хирургической практике — для повышения свертываемости крови, для снятия зуда при аллергических заболеваниях.

Лактат магния обладает послабляющим действием, лактат закисного железа применяют при остром и хроническом малокровии.

В ветеринарии молочную кислоту используют для подавления развития вредных кишечных микробов  у поросят, только что отнятых от материнского молока; при воспалении желудка, кишечника; при гинекологических заболеваниях; при язвенных поражениях кожи.

Добавление 1% раствора лактата кальция в корм кур повышает яйценоскость на 15 % вследствие уменьшения в кишечнике птиц количества микробов, разрушающих белок.

Молочная кислота находит применение в кожевенной промышленности для декальцинации голья и пушнины; в текстильной промышленности молочная кислота и ее сурьмяная соль применяются в протравном крашении и отделке тканей (аппретуре). Лактаты используют в качестве антикоррозионных агентов в растворах антифризов.

Этил- и бутиллактаты (табл. 15.7.146) [155] применяют в качестве растворителей эфиров целлюлозы, олиф, растительных масел; бутиллактат используется также как растворитель некоторых синтетических полимеров. Важное значение молочная кислота приобретает и как мономер при получении биоразлагаемых полимеров.


Таблица 15.7.146

Свойства некоторых лактатов [155]

Показатель Метиллактат Этиллактат Бутиллактат
Тплав, °С –66 –28
Ткип, °С 144,8 154 187
1,0939 1,0348 0,9837
1,4139 1,4132 1,4217
h, МПа × с 2,92 (25 °С) 2,681 (20 °С)
g, мН/м 29,2 28,8

Получение полилактидов [180–182]

Полилактиды являются алифатическими полиэфирами, синтезируемыми из молочной (2-гидроксипропионовой) кислоты.

Полилактид является поликристаллическим полимером с температурой стеклования (Тс), равной 55±5 °С, и температурой размягчения (Тр) 170±10 °С. Типичные значения предела прочности и относительного удлинения равны 50 МПа и 2 % соответственно.

Полилактиды используются главным образом в медицине, где не требуются высокие прочность и жесткость. Промышленный полилактид называется EcoPla.

Низкомолекулярные полилактиды можно рассматривать как продукты поликонденсации молочной кислоты. Более высокая степень полимеризации достигается при использовании в качестве мономера циклического димера (лактида, 121, — 3,6-диметил-1,4-диоксан-2,5-диона), изображенного на рис. 15.7.56.  Поэтому для получения полимеров (122) в основном используется лактид.


Рис. 15.7.56. Строение L-лактида (121)  и поли-L-лактида (122)


Получение лактида. Циклический димер имеет два стереоцентра и, следовательно, три стереоизомера (два энантиомера и мезоформу). Энантиомеры называют  L-лактид (получают из L-молочной кислоты) и  D-лактид (из D-молочной кислоты). мезо-Лактид содержит один атом в L-форме, а другой в D-форме.

Производство лактида заключается в дистилляции молочной кислоты. Сначала отгоняется вода, а затем лактид. Процесс протекает в две стадии. На первой стадии образуется олигомерный линейный лактид при  дегидратации молочной кислоты (СП 10–30). На второй стадии олигомер деполимеризуется и при пониженном давлении дает лактид. Лактид отгоняется при  200–240 °С и давлении 5 мм рт. ст.

Из 200 г молочной кислоты получается 125 г лактида, Тплав 128 °С.

Выход можно повысить добавлением катализатора: порошок цинка, оксид цинка, титанаты, порошок олова.

Оптически чистые L- или D-лактид (Тплав 96–98 °С) можно получить из чистых энантиомеров.

Синтез полилактида

Поликонденсация молочной кислоты является наиболее простым способом получения полилактида. При удалении воды из раствора молочной кислоты образуется полимер с увеличивающейся СП. Таким образом можно получить полимер с молекулярной массой в несколько тысяч.

При использовании твердых кислотных катализаторов, подобных силикату алюминия или иониту, можно получить полимер с М 30 000 Да.

Используя дегидратирующие агенты, можно получить полимер с М до 36 000 Да. В качестве таких агентов предлагаются: бис-(трихлорметил)-карбонат {(Cl3CO)2CO}; N,N'-карбонилдиимидазол {(C3H3N2)2CO} и дициклогексилкарбодиимид {DCC, (C6H11N)2C}.

Из лактида могут быть получены полимеры с различной молекулярной массой. Наибольшая молекулярная масса полимера получается при блочной полимеризации, проводимой при низкой температуре с использованием очень чистого лактида и небольшой концентрации катализатора [бис(2-этилгексаноат) олова(II)]. Контролировать молекулярную массу можно добавлением инициатора, в качестве которого используются вода, спирты или амины.

В качестве катализатора предлагается также использовать бис(2,2-диметил-3,5-гептандионато-О,О')цинка [(Zn(DMH)2], бис(2,4-пентандионато-О,О')олова [(Sn(Acac)2].

Физические свойства полилактидов сильно зависят от стереохимического состава или тактичности.

Температура размягчения Тр изотактического L-полилактида и D-полилактида сильно зависит от молекулярной массы и степени кристалличности и может колебаться в диапазоне от 131 до 207 °С. Наиболее часто Тр находится в области 180 °С. Атактические полилактиды являются аморфными веществами. Для полимера, содержащего 85 мол. % L-лактида и 15 мол. % D-лактида, Тр составляет 125 °С.

Подобно температуре размягчения температура стеклования Тс увеличивается с повышением степени кристалличности и молекулярной массы. В большинстве случаев Тс как для изотактического, так и для атактического полимера лежит в области 60 °С.