Уксусная кислота
Уксусная кислота СН3СООН - бесцветная жидкость с резким, запахом. В результате перегонки перебродившего спиртового раствора получают 70-80%-ный раствор уксусной кислоты, известный под названием уксусной эссенции. Из товарных форм уксусной кислоты известны чистая пищевая (70-80%-ная), чистая уксусная (70-80%-ная), безводная, или ледяная (98-99,8%-ная), уксусная кислота, выпадающая в осадок при охлаждении в виде кристаллов.
Уксусная кислота широко используется в пищевой, химической, микробиологической промышленности, в медицине.
Уксуснокислое брожение
Уксуснокислое брожение основано на способности уксуснокислых бактерий рода Acetobacter окислять этиловый спирт в уксусную кислоту. Реакцию образования уксусной кислоты катализирует окислительный фермент алкогольоксидаза. Окисление этанола в уксусную кислоту можно представить уравнением
Для этого процесса благоприятны температуры 28 °С для культуры Bact. schiitzenbachii и 35 °С для культуры Bact. curvum, а также кислая реакция среды. Уксуснокислые бактерии хорошо развиваются при pH 3.
В промышленных условиях уксуснокислое брожение проводят непрерывным способом при глубинном проточном культивировании уксуснокислых бактерий в батарее последовательно соединенных аппаратов (рис. 4.4). Схема производства включает следующие основные технологические стадии: получение посевного материала, подготовку сырья, уксуснокислое брожение, розлив готового продукта.
Способностью превращать этиловый спирт в уксусную кислоту обладают различные виды уксуснокислых бактерий. В уксуснокислом брожении используют в основном два вида бактерий: Bact. schiitzenbachii и Bact. curvum. Это грамотрицательные спорообразующие палочки, снабженные жгутиками, размером 0,4-0,8 мкм.
Культуру уксуснокислых бактерий поддерживают наагаризованной среде Лайценской, содержащей (NH4)3PO4-ЗН2O, MgHPO4-ЗН2O, КН2РO4.
Для получения посевной культуры уксуснокислые бактерии выращивают в колбах на жидкой питательной среде, а затем в 30-литровом лабораторном аппарате.
Наилучшим сырьем для уксуснокислого брожения является этиловый спирт, полученный из зерно-картофельного сырья. Для переработки используют как ректификат, так и спирт-сырец. Но при повышенном содержании сивушного масла в спирте-сырце производственный процесс нарушается, так как высшие спирты угнетают развитие уксуснокислых бактерий.
На жизнедеятельность уксуснокислых бактерий большое влияние оказывает реакция среды. Принято считать, что оптимальный pH для их развития находится в пределах 3-3,2, однако избыток уксусной кислоты в сбраживаемой среде угнетает жизнедеятельность бактерий-продуцентов. После накопления 8% уксусной кислоты развитие бактерий замедляется и при содержании 12-14% кислоты полностью прекращается. Для сохранения естественной чистоты бактериальной популяции оптимальной считается концентрация кислоты около 10%. Важным показателем является и предельная концентрация спирта в сбраживаемой среде. Для Bact. schiitzenbachii она составляет 6-7 об.%, для Bact. curvum - 9-14 об.%. В промышленности уксуснокислое брожение проводят в батарее, состоящей из пяти последовательно соединенных ферментаторов.
Все аппараты выполнены из нержавеющей стали Х18Н10Т и снабжены мешалкой, барботером и змеевиковым теплообменником. Первый аппарат батареи является генератором уксуснокислых бактерий и непрерывно снабжает все последующие аппараты активной культурой. В нем создаются условия, способствующие быстрому размножению уксуснокислых бактерий. Кроме того, в аппарате происходит интенсивное окисление этанола в уксусную кислоту. Для осуществления этих процессов в первый аппарат непрерывно подается среда, суммарная концентрация этанола и уксусной кислоты в которой 6,4-6,7%.
Культуральная жидкость из аппарата в аппарат передается воздухом. В каждом аппарате системы поддерживаются свой постоянный температурный режим и оптимальные условия аэрации. Температура от 6 до 10 °С является минимальной, ниже ее прекращается жизнедеятельность всех уксуснокислых бактерий. При температуре 12-15 °С у уксуснокислых бактерий размножение замедляется, нормальное развитие происходит в интервале температур 15-34 °С. В производственных условиях температуру брожения поддерживают на уровне 28-25 °С. Следует отметить, что окисление спирта в уксусную кислоту происходит только при интенсивной аэрации - теоретически необходимое количество кислорода составляет 32 части на 46 частей безводного спирта по массе, или 2,3 м3 воздуха на 1 кг безводного спирта.
В процессе уксуснокислого брожения температура от ферментатора к ферментатору снижается. Если в первом она равна 28 °С, то в последнем - 25 °С. Уменьшается также и аэрация с 0,35-0,40 м3/(м3-мин) в первом ферментаторе до 0,1-0,15 м3/(м3-мин) в последнем ферментаторе. В каждом ферментаторе создаются условия, способствующие интенсивному окислению этанола в уксусную кислоту. Для поддержания во втором, третьем и четвертом аппаратах заданной концентрации спирта в них подают среду с 40%-ным этанолом. Процесс ведут таким образом, чтобы из пятого аппарата выводилась культуральная жидкость с концентрацией уксусной кислоты не ниже 9 % и не выше 9,2-9,3%. Из 100 л безводного спирта получают 75-90 кг уксусной кислоты.
Розлив готового продукта
Перед розливом 9%-ной уксусной кислоты (столового уксуса) ее осветляют бентонитом с добавлением небольшого количества лимонной кислоты. После перемешивания раствор уксусной кислоты подают на фильтр-пресс. Отфильтрованный раствор поступает в сборник готового продукта, а затем на розлив.