مقاله بررسی اسید لاكتیك

مقاله بررسي اسيد لاكتيك درس بيوفيزيك مهندسي پزشکي در 38 صفحه ورد قابل ويرايش

* معرفي

- چشم انداز تاريخي

- خصوصيات فيزيكي و شيميائي

* تكنولوژي تهيه و توليد

- ميكروارگانيسم‌ها و مواد خام

· ميكروارگانيسم‌ها

· مواد خام

- فرآيند تخمير

· محفظه بلند و پيوسته غلظت و جمع‌آوري در راكتورها

- فرآيند بهبود

· فليتراسيون، رفتار كربني و تبخير

· كريستال كردن Caleium Lactate

· تقطير مايع

· تقطير استرهاي شير

· فرآيندهاي ديگر بهبود

- تهيه به صورت تركيبي

* اقتصاد

- سايز بازاري، توليد كنندگان، قيمت‌ها

- استفاده و كاركردها

* خلاصه


* معرفي

چشم انداز تاريخي:

اسيد لاكتيك (2 تا هيدوركسي پروپانيك اسيد+ 2 تا هيدوركسي پروپيونيك اسيد) به لحاظ ساختاري يك هيدوركسي اسيد است كه به وفور در طبيعت يافت مي‌شود. اولين بار به صورت تجاري در سال 1894 توسط چارلز اي آوري[1] در ليتون[2] ماساچوست[3] امريكا تهيه و توليد شد. اين توليد در نيل به هدف فروش Calcium Lactate به عنوان جانشيني براي خامه‌ي تارتار در پودر نان پزي موفق نبود.

اولين كاركردهاي موفق آن در صنعت چرم و منسوجات در سال 1894 آغاز شد (گريت[4] و 1930) توليد سالانه در آن دوره حدود 5000 كيلوگرم بود. در سال 1942 حدود نيمي از توليد سالانه‌‌ي آمريكا كه حدود 106* 7/2 كيلوگرم بود به مصرف صنعت چرم مي‌رسيد و 20% آن به مصرف صنايع غذائي (فيلاچيون[5] و 1952).

توليد آمريكا طي جنگ جهاني دوم به اوج خود يعني 106* 1/4 كيلوگرم در سال رسيد اما پس از آن به 106* 3/2 كيلوگرم تنزل كرد. يك بازار سالانه‌ي 106* 90 كيلوگرمي (يندل[6] و آريز[7]) در صنعت پلاستيك در اواخر دهه پنجم و اوايل دهه‌ي ششم قرن نوزدهم پيش‌بيني شد كه اين پيش‌بيني منجر به يك تحقيق و بررسي وسيع اما ناموفق در جهت كاهش هزينه و افزايش خلوص توليد شد.

يك دهه بعد، نياز به يك حرارت ثابت براي اسيد لاكتيك در جهت توليد Stearoy 1-2- lactylates در صنعت شيريني‌پزي دري به سوي توليد تركيبي اسيد لاكتيك گشود. (آنون[8]، 1963).

توليد جهاني سال 1982 به سرعت به 106* 28-24 كيلوگرم رسيد. بيش از 50% اسيد لاكتيك توليدي در صنايع غذائي به عنوان ماده جلوگيري از فساد غذائي استفاده مي‌شد، توليد Stearoyl –2- lacty lates نيز 20% توليد اصلي را در برمي‌گرفت و بقيه‌ي توليد سالانه در صنعت داروسازي و يا ساير كاربردهاي منتوع صنعتي به مصرف مي‌رسيد. تخمير نيز به سرعت براي توليد نيمي از كل توليد جهاني استفاده شد.
خصوصيات فيزيكي و شيميائي

نخستين بار اسيد لاكتيك توسط اسكيل[9] در سال 1780 از شير ترش گرفته شد (لاك وود[10]، 1965). خصوصيات فيزيكي و شيميائي اسيد لاكتيك به طور وسيعي توسط هالتون[11] مورد بررسي قرار گرفته است. اسيدلاكتيك به دوفرم فعال قابل نمايش وجود دارد. لاك وود بيان كرد اگر چه شكل (+)L دكسوترو روتاتوري[12] به نظر مي‌رسد، اما ممكن است واقعاً به صورت لوروتاتوري[13] باشد يعني همانگونه كه در نمكها و استرهاست واژگوني آشكار در چرخش قابل نمايش ممكن است به واسطه شكل‌گيري پل اكسيداتلين بين اتم‌هاي كربن 1و2 به وسيله‌ي جابه‌جائي تاتومريك گروه هيدوركسيل روي اتم كربن 2 به گروه راديكال كربوكسيل كربن 1 باشد. نمك‌ها و استرهاي +L اسيدلاكتيك نمي‌توانند اين حلقه‌ي اپوكسيد را تشكيل دهند ولذا لوروتاتوري هستند ايزومر (+)L (ساركولاكتيك اسيد، پارالاكتيك اسيد) در انسانها وجود دارد اما هر دو ايزومر (+)L و (-)D در سيستم‌هاي بيولوژيكي يافت مي‌شود. برخي از خصوصيات عمومي اسيدلاكتيك در جدول 1 آمده است:
مراحل تخمير

تخمير ناپيوسته، شيوه‌اي است كه در صنعت مورد استفاده قرار مي‌گيرد. مخمرها از چوب يا 316 فولاد رنگ نشده ساخته شده است و با انتقال مارپيچي گرما براي كنترل حرارت مجهز مي‌شوند. آميختگي جزئي ازطريق همزدن به منظور نگه داشتن مخلوط ايجاد مي شود. مخمرها به طور كلي بخار ميشود، يا آب جوش گرم شده (Inskeepila 52) و يا از نظر شيميائي استريل مي‌شوند (قبل از تكميل ميانگين پاستوريز شدگي) (Buertonila37) غالباً‌ مخمرها فضاهاي كمي را پوشش مي‌دهند. ناخالصي و آلودگي مشكل بزرگي نمي‌باشد: جدي‌ترين مسئله ناخالصي به دليل رشد باكتري بوبتريك اسيد در پايان تخمير مي‌‌باشد. تجمع محصول نهايي كمتر از 15-12 درصد بستگي به شرايط ديگر تخمير به منظور جلوگيري از لاكتيك شدن كلسيم دارد. (1944، Peckham). شرايط تخمير براي هر توليد كننده صنعتي متفاوت مي‌باشد اما به طور كلي در گستره 60-45 درجه سانتيگراد با PM 5/6-5/5 براي L.delbreuckii (1944 Peckham، 1952، ديگران و Inskeep)؛ 34 درجه سانتيگراد و Ply 7-6 براي L.bulgaricus (1937، Burton)؛ و 50-30 درجه سانتيگراد و PH پايين تر از 6 براي Rhizopus مي‌باشد. (1964 Snell 8 Lowerg)

معمولاً اندازه inoculum 10-5 درصد از حجم مايع در مخمر مي‌باشد.

Inoculum مي‌تواند در دانه در نظر گرفته شده براي كامل تخمير مورد استفاده قرار بگيرد تركيب اسيد از طريق كربونات كلسيم و يا هيدروكسيدكلسيم تغذيه مي‌شود. عامل تغذيه مي‌تواند در گسترش ماده آبكي در آغاز تخمير اضافه شود ويا در طول تخمير بر اساس PH يا اندازه‌گيري تيترات اسيد اضافه شود. زمان تخمير 2-1 روز براي 5 درصد منبع شكر مي‌باشد مانند آب پنير و يا 2 تا 6 روز براي 15 درصد شكر مانند گلوكز يا ساكاروز و بازده راكتور در گستره 1-n –3-kg m 3-1 مي‌باشد. تحت شرايط آزمايشگاهي مناسب مرحله تخمير 1 تا 2 روز طول مي‌كشد. محصول اسيدلاكتيك بعد از مرحله تخمير WT95-90% بر اساس شكر اوليه و يا تجمع نيشكر مي‌باشد. به طور كلي تجمع شكر باقي مانده كمتر از 1/0 درصد مي‌باشد. بازده توده سلولي مي‌تواند به بزرگي WT30% باشد اما به طور كلي بر اساس تجمع اوليه شكر WT15% مي‌باشد. محصول وبازده توده سلولي بستگي به اندازه تغذيه نيتروژني استفاده شده دارد. اندازه تخمير بستگي به حرارت اوليه PH، تجمع تغذيه نيتروژني و تجمع اسيدلاكتيك دارد. كنترل PH تخمير ناپيوسته را ابتدا به سرعت دنبال مي‌شود. دو برابر شدن زمان توده سلولي كوچك در حدود يك ساعت مي‌باشد اما اين ميزان تحت شرايط كارهاي صنعتي هنگاميكه اندازه نيتروژن مناسب نمي‌باشد، ايجاد نمي‌شود. بايستي توجه شود كه آميختگي كرنش‌ها ممكن است روابط سيمبوتيك داشته باشد كه ميزان تخمير را سريعتر مي‌كند.

(1966، Childs 8 welsby، 1983، viniegra – Gonzalez 8 Geomez) هنگاميكه مراحل تخمير دنبال مي‌شود ميزان اوليه كم مي‌شود، كه دليل كاهش رشد مواد غير ضروري و تجمع اسيدلاكتيك مي‌باشد.(1975) Tsao 8 Hanson تاثير رشد مواد محرك‌ها الگوبرداري كردند. اسيد لاكتيك خنثي شده الكتريكي و غيرقابل تجزيه نسبت به لاكتات به نظر مي‌رسد گونه‌اي از تخمير باشد. (1983، Viniegra – Gonzales 8 Gomez ، 1984، Blanch و ديگران). مدل‌هاي رياضي براي تخمير اسيدلاكتيك بوسيله Piret 8 Leudeking درسال (a)1959، (1972) Toao 8 Hanson (1975) Tsao 8 Hanso، (1975) Keller 8 Gerhardt، (1977) Aborhey 8 Willian son، (1980) Samuel ارائه شده است. اين مدل‌ها بر اساس بررسي ‌ها و مطالعات آزمايشگاهي در ميزان بزرگي از تغذيه‌هاي نيتروژني مورد استفاده قرار مي‌گيرد.

تخمير تجاري پاستوريزه شدن شير بوسيله (1937)Burton و (1936) Olive مورد بررسي قرار گرفته است و كشت خالص L. bulgaricus در زمان فعلي مورد استفاده قرار گرفته است. تخمير دي اكستروس از ذرت از طريق (1952) Insleep و (1944)Peckham فهرست بندي شده است. تخمير گلوكز از طريق بخشي بوسيله Snell Rhizopus و بخشي ديگر بوسيله (1964)Lowery بررسي شده است Cordon و ديگران در سال 1950 تخمير هيدورلسيات سيب‌زميني را مورد بررسي قرار داد و (1948) Leonard تخمير سولفات مايع را بررسي كرد. تخمير سورگام خام استخراج شده L. Plantauraml بوسيله Samuel و ديگران در سال 1980 مورد مطالعه و بررسي قرار گرفت. اطلاعات موجود مطالعات آزمايشگاهي از تخمير L. delbreuckii بر روي گلوكز از طريق Kempe و ديگران در سال (1950)، (1950) Finn، (1959)Leudeking 8 Piret ،(1973) Hanson و (1975) Tsao 8 Hanson ارائه داده شده است.
تصفيه سازي، عملكرد و تبخير

يكي از شيوه‌هايي كه از نظر اقتصادي مناسب بوده و اسيدلاكتيك توليد مي‌كند به تخمير شكرهاي خالص با حداقل اندازه تغذيه نيتروژن تاكيد دارد. از اين رو بوسيله استفاده از ذخائر غذايي خالص، مراحل بازيافت آسان مي‌شود. جزئيات بيشتر اين مراحل بوسيله (1952)Insleep و ديگران ارائه شده است و مراحل مشابه كه بوسيله شركت Clintin استفاده شده است از طريق (1944) Peckham بررسي شده است. ممكن است مراحل براي توليد فني يا درجه غذايي اسيد استفاده شود. بعد از تخمير فعاليت‌هاي كربني سبزي براي سفيد كردن لاكتات كلسيم براي توليد درجه غذايي اسيد به كار برده مي‌شود. هيچگونه عملكرد كربن براي درجه فني استفاده نمي‌شود. سپس لاكتات كلسيم به 37% تجمع در Cْ70 و atm57/0 تبخير مي‌‌شود. سپس تجمع لاكتات با 36% سولفوريك اسيد، اسيدي شده و سولفات كلسيم از طريق فيتلر برداشته شده و به مايع تخمير فرستاده مي‌شود. فيلتر اسيد با (اسيد تصفيه شده) با فعاليت كربن در بخش اول برخورد كرده و كربن 3 و4 عمل مي‌كنند. كربن از اين مرحله رد مي‌شود. اسيدلاكتيك از 8 به 52% يا 82% در تبخيركننده استيل بدون رنگ 316 تبخير مي‌شود. درجه فني اسيد به 50% يا 80% رقيق شده و در صورت لزوم با سولفات سديم براي برداشتن فلزات سنگين عمل مي‌كنند. درجه خوراكي اسيد رقيق شده از 50 يا 80 درصد مي‌باشد. براي بار سوم با كربن فعال سفيد شده و با سوديوم سولفات براي برداشتن فلزات سنگين برخورد مي‌كند. سپس براي بار چهارم قبل از بسته‌بندي شدن با كربن سفيد شوند. ساختارهاي ديگر نيز براي برخوردهاي كربن مورد استفاده قرار مي‌گيرد. فلزات سنگين مي‌تواند از طريق مبادله يوني برداشته مي‌شود كه ممكن است براي برداشتن اسيد آمينه موجود استفاده شود. (1959، Machell)

فلزات سنگين نيز مي‌توانند از طريق استوكيتتري كلسيم يا سديم اضافي برداشته شوند. در حال حاضر استفاده از اين مراحل كاملاً‌ شناخته شده نمي‌باشد.
تبلور لاكتات كلسيم

ممكن است لاكتات اسيد از تخمير مواد خام تر مانند آب پنير يا مولاسس شناخته شده باشد. جزئيات و فلدشيت مرحله از طريق شركت توليدي Sheffield استفاده شده بوسيله Burton (1937) ارائه شده و از طريق Prescotl و Dunn (1959) جمع بندي شده است. درجات مختلفي از لاكتات كلسيم و اسيدلاكتيك از آب پنير توليد شده است. مايع تصفيه شده از تخمير با كربن اول تحت آلكايين و شرايط اسيدي ضعيف برخورد مي‌كند. مايع لاكتات كلسيم خام تحت تراكمي در حدود 3- kg m 12/1 تبخير مي‌شوند. درجه فني اسيد از اين مايع بعد از تبخير، اسيد سازي و تصفيه سازي سولفات كلسيم ايجاد مي‌شود. براي ايجاد درجه بالاتري از توليد، مايع سرد، متبلور و شسته مي‌شود.

مايع اوليه و آب شسته شده نيز سردؤ متبلور شسته مي‌شود. بلورها بعدداً‌ تجزيه شده و در مراحل اوليه براي ايجاد درجات خالص‌تر مجدداً‌ متبلور مي‌شوند. اسيدها از خالصيت‌هاي مختلف از درجات مختلف بلورها بوسيله تجزيه آب، اسيدسازي، رسوب‌گيري سولفات كلسيم، تصفيه‌سازي، تبخير، برخوردكربن و رسوب‌گيري فلزات سنگين ايجاد مي‌شود. در حال حاضر Sheffield تنها لاكتات كلسيم ايجاد مي‌كند. متبلورسازي در بخش جداگانه انجام مي‌شود و فولاد رنگ‌نشده تاثير دو برابري بر تبخير دارد. ناخالصي از طريق تصفيه ‌سازي و برخورد كربن‌ها برداشته ميشود. هيدراسيون محصول نهايي در مرحله خشك كردن صورت مي‌گيرد. C.U. Chemie Combinatie Amsterdam نيز از مراحل بازيافت بر اساس بلورسازي لاكتات كلسيم براي پي‌بردن به برخي از محصولات آن استفاده كرد. (1944) Peckham مرحله‌اي را براي تصفيه‌سازي اسيدلاكتيك از طريق رسوب زدايي لاكتات كلسيم توصيف و بررسي كرد. مايه تخمير تصفيه و به 25% اسيد لاكتيك تبخير مي‌شود. از اين رو لاكتات كلسيم متبلور شده و از مايع اوليه جدا مي شود.
عرق گيري استرهاي لاكتات

اسيد لاكتيك با كيفيت بالا كه عاري از شكرهاي باقي مانده و ناخالصي هاي ديگر مي باشد از طريق استري سازي اسيد لاكتيك با الكل مولكولي پايين، عرق گيري استرلاكتيك، تجزيه آبي استر عرق گيري شده براي رهايي از الكل و اسيد لاكتيك و عرق گيري الكل از اسيد لاكتيك بازيافت شده مي باشد. چيلدز و ولسبي اظهار مي دارند كه استرسازي شخصي و ناخالصي هاي تخمير مايع، مشكلات بارزي را به وجود مي آورد. ديتزو همكارانش اسيد لاكتيك را استري كردند تا نوعي لاكتات آلكيل به وجود آورند و سپس استر را داخل حلالي چون ديكلورتان 2 و 1 استخراج نمودند. فيلاكيون و كوستلو جزئياتي را براي فرايند ساختن اسيد لاكتيك از لاكتات آمونيوم را ارائه مي دهند كه اگر آمونيوم يا يكي از نمك هاي آن، در طول تخمير براي خنثي سازي اسيد بكار رود محصولي تخميري به شمار مي آيد. اسكوپامير به بحث درباره عملكرد يك واحد تجاري كه مكرراً توسط تعريق لاكتات متيل براي تصفيه اسيد لاكتيك به كار مي رود مي پردازد. محصول به دست آمده عاري از خاكستر بود و ميزان ناخالصي هاي ديگر در آن اندك بود. فرسايندگي ستون هاي استيل محصول را با آهن درمي آميخت. وسيله سراميك غيرمناسب بود چرا كه تغييرات دمايي غالب و اسيد قوي در آن موجود بود.
ساير فرايندهاي بهبود

اسيد لاكتيك توسط رونشيني اسيد لاكتيك بر روي رونشين هاي جامد يا رونشين سازي لاكتات بر روي رزين هاي مبادله يون بهبود مي يابد. لوئيس آيوسواس آ (اسپانيا) براي بهبود اسيد لاكتيك از لحاظ تجاري، از مبادله يون يا فرايند استخراج مايع به مايع استفاده مي‌كند. اما هيچ يك از جزئيات فرايند، شناخته شده نمي باشند. سوگيموتو و دستيارانش، فرايندي را براي توليد اسيد لاكتيك بوجود آوردند كه در آن رزين هاي بسيار اسيد و يون قليايي براي جداسازي اسيد از آب مورد استفاده قرار مي گرفت.

هفت راه ديگر براي خالص كردن اسيد لاكتيك وجود دارد اما هنوز استفاده تجاري نشده است. Claborn , Smith در (1939) و Molini (1959) در مورد چند مورد از اين روشها بحث كرده اند. لاكتيك مگنزيم يا مس ‌ممكن است دوباره متبلور مي شود و در آب حل نمي شود. مس ممكن است تركيب شود با سولفيد هيدروژن و منيزيم با سولفيد منيزيم تركيب مي شود. درجه خوراكي مي تواند توليد شود به وسيله اكسيد شدن جداگانه مايعي كه شامل اسيد آزاد و يا نمك لاكتيك است. برنامه هاي متفاوت تقطير كه باعث ايجاد بخار، هواي داغ و گازهاي بي كنش و خلاء مي شود با موفقيت به دست مي آيد. Dxy , Krumphanzel (1964) از اكستره دياليز براي از بين بردن مداوم اسيد لاكتيك از طريق تخمير استفاده كردند. ديگر انواع در حال حركت در تخمير مشكلات ديگر هستند. 4. 2. 38 صنعت تركيبي. صنعت تركيب اسيد لاكتيك در حالت تجاري حدود 1963 در ژاپن شروع شد و هر زمان در ايالات متحده امروزه اين دو كشور به ندرت 50 درصد از اسيد لاكتيك جهان را توليد مي كنند. توليد تركيبي اسيد لاكتيك براساس هيدرولايز لاكتيك با استفاده از اسيد قوي نظير HCL انجام مي گيرد.