CC BY
225
УДК 664.162.1
Трехпродуктовая технологическая схема получения глюкозы
с кристаллизацией двух продуктов в ангидридной форме
Л. С. Хворова, д-р техн. наук
ВНИИ крахмалопродуктов, п. Красково, Московская обл.
Глюкоза является важнейшим пищевым продуктом и лекарственным средством стратегического назначения. Потребность России в фармакопейной глюкозе составляет около 7 тыс. т в год, а в пищевой - более 50 тыс. т в год. Сегодня в России
отсутствует производство глюкозы, и потребность в ней обеспечивается закупками кристаллической глюкозы и ее растворов по импорту. В фармацевтической промышленности кристаллическая глюкоза является основным сырьем для получения
Рис. 1. Трехпродуктовая схема получения кристаллической глюкозы: 1 - емкость сиропов и оттеков; 2 - вакуум - аппарат; 3 - кристаллизатор; 4 - утфелераспределитель; 5 - ценрифуга; 6 - барабанная сушилка; 7 - бункер; 8 - реактор; 9 - фильтр; 10 - стерилизатор; 11 - упаковочный аппарат
инъекционных и инфузионных растворов, для производства сорбита и аскорбиновой кислоты, таблеточных форм, изготовления ветеринарных препаратов. В качестве подсластителя она нашла широкое применение в пищевой промышленности, а также для непосредственного употребления в пищу, в том числе в продуктах спортивного питания.
Важнейшим условием рентабельности глюкозного производства являются оптимальные способ гидролиза крахмала и кристаллизации глюкозы. Прогрессивными способами гидролиза крахмала являются кислотно-ферментативный и двойной ферментативный [1]. Наиболее выгодный способ выбирают в зависимости от номенклатуры получаемых конечных продуктов. При получении пищевой глюкозы и патоки более рентабельным является кислотно-ферментативный гидролиз крахмала. Двойной ферментативный способ гидролиза с применением ферментов на стадиях разжижения и осахарива-ния крахмала [2] более дорогостоящий и его применение оправданно в случае получения фармакопейной (особенно ангидридной) глюкозы, пищевой гидратной глюкозы и патоки.
Глюкоза кристаллизуется при температуре ниже 50 °С в гидратной форме с одной молекулой кристаллизационной воды и в ангидридной (безводной) форме при температуре выше 50 °С. Особенности технологии каждого вида глюкозы определяют их свойства, качество и применение.
В России широко известна пищевая гидратная кристаллическая глюкоза. В промышленном масштабе более 30 тыс т в год ее вырабатывали на двух отечественных предприятиях в период 1940 - 1998 гг. Фармакопейную глюкозу получали путем ее растворения, дополнительной очистки и перекристаллизации.
Технология производства ангидридной глюкозы отработана в производственных условиях и рекомендована Минздравом РФ для получения фармакопейной глюкозы по ФС 42 3102 - 94 вместо гидратной в связи с высокой ее микробиологической чистотой.
На рис. 1 представлена трехпро-дуктовая технологическая схема получения кристаллической глюкозы из сиропов ферментативного гидролиза крахмала с глюкозным эквивалентом (ГЭ) 98 - 98,5%. Технологическая схема предусматривает три линии последовательного истощения глюкозного сиропа с получением высокого выхода кристаллической глюкозы. При этом кристаллизация
двух продуктов проводится в ангидридной форме и третьего продукта - в гидратной. Достоинством схемы является высокая скорость кристаллизации ангидридной глюкозы, позволяющая получать продукт высокого качества и экономить затраты на аппаратурном оформлении схемы и производственных площадях, а также на расходе пара и электроэнергии и др.
В связи с тем, что кристаллическую ангидридную глюкозу используют, преимущественно, для приготовления инъекционных растворов в виде сырых кристаллов, не высушивая, что более выгодно, и реализуют в виде растворов, создается ошибочное представление о ней как о менее востребованной по сравнению с кристаллической гидратной. На самом деле, учитывая специфику ее применения, ангидридная кристаллическая глюкоза является более востребованной, а ее производство более рентабельным, так как при меньших затратах реализуется по цене в 2 раза дороже для кристаллической формы и более чем в 20 раз дороже при реализации ее в растворах по сравнению с гидратной глюкозой. Поэтому технология получения и применения кристаллической ангидридной глюкозы заслуживает самого пристального внимания.
Ангидридная глюкоза по технологии, качеству, применению является самым эффективным продуктом глю-козного производства с высокой рентабельностью [3]. Она кристаллизуется в 5 - 6 раз быстрее по сравнению с гидратной глюкозой при высокой температуре (55...75 °С), исключающей размножение микрофлоры, имеет самую высокую чистоту, является практически стерильной и относится к фармакопейному стандарту. Ее применение для экстемпорального производства инфузионных растворов обеспечивает высокую прибыль лечебным учреждениям [4], более высокую прибыль имеют крахмало-паточные предприятия при включении линии по производству инфузи-онных растворов в технологическую схему глюкозного производства.
На рис. 2 представлена технологическая схема получения кристаллической глюкозы в ангидридной форме с кристаллизацией в изотермических условиях. Согласно схеме, в сборник перед вакуум-аппаратом поступает полученный в результате ферментативного гидролиза очищенный сироп. Сироп за счет разрежения набирают в вакуум-аппарат в количестве 25 - 30% от полезного объема аппарата и сгущают. При концентрации 80 - 81% СВ в сироп вводят
ENGINEERING AND TECHNOLOGY
Рис. 2. Технологическая схема получения ангидридной глюкозы: 1 - сборник сиропа, 2 - вакуум аппарат, 3 - утфелераспределитель, 4 - центрифуга, 5 -конденсатор
Сравнительные технико-экономические показатели при производстве ангидридной и гидратной глюкозы на предприятии мощностью 7 тыс. т
в год
Показатель Глюкоза гидратная Глюкоза ангидридная
ГЭ кристаллизуемых сиропов, % 98,5 - 80 98,5 - 92
Температура кристаллизации, °С 45 - 25 55 - 75
Продолжительность кристаллизации двух стадий, ч 120 16 - 17
Потребность в затравке, % к массе сиропа 25 - 30 к объему сиропа в кристаллизаторе 0,01
Потребность в емкостях для двух стадий кристаллизации, м3 500 (15 кристаллизаторов по 35 м3) 10 (2 вакуум-аппарата по 5 м3)
Продолжительность центрифугирования, мин 15 - 20 5 - 7
Влажность сырой глюкозы, % 14 - 16 2,5
Микробная чистота, КОЕ/г 100 10
Растворимость, мин 50 10
5 - 10 г крупных затравочных кристаллов гидратной глюкозы, смоченных в пропаноле, для «заводки» полного количества центров кристаллизации. При смешивании введенных затравочных кристаллов с сиропом они в течение 15 мин распадаются на частички размером 1 - 5 мкм, становятся центрами кристаллизации и начинают быстро расти в виде ангидридной глюкозы [5]. Наращивание их до технических размеров проводится в течение 6 - 7 ч при температуре 65.70 °С за счет периодических подкачек и сгущений. При содержании кристаллов в утфеле 50 - 55% его выгружают в утфелераспределитель
и центрифугируют. Цикл центрифугирования продолжается 5 - 6 мин. Сырую глюкозу с влажностью 2,5 - 3% из центрифуг высушивают до влажности 0,5% и упаковывают в виде 1-го фармакопейного продукта. Продукт имеет высокую степень чистоты по содержанию примесей и микробов, предназначен для получения инъекционных растворов. При наличии в глюкозном производстве линии получения инъекционных растворов для их приготовления выгоднее использовать сырую глюкозу, как показано на рис. 1.
Межкристальные оттеки после центрифугирования 1-го продук-
та используют в качестве сиропа для 2-го продукта (см. рис. 1). Его с ГЭ 96 - 96,5% подвергают кристаллизации также в виде ангидридной глюкозы в вакуум-аппарате 2-го продукта в течение 10 ч. Получаемая ангидридная глюкоза имеет высокое качество, пригодна в качестве сырья для получения сорбита, аскорбиновой кислоты и для пищевых целей.
Оттеки от центрифугирования 2-го продукта в качестве сиропа для 3-го продукта с ГЭ 91,5 - 91,7% подвергают кристаллизации с получением гидратной глюкозы, так как ангидридная глюкоза из сиропов с указанным ГЭ практически не кристаллизуется. При этом наряду с пищевой гидратной глюкозой из оттеков после центрифугирования получают побочный продукт - патоку с ГЭ 79 - 80% для применения в пищевой промышленности.
Гидратная глюкоза отличается от ангидридной включением в кристаллическую решетку одной молекулы кристаллизационной воды при кристаллизации, что соответствует 9% ее равновесной влажности. Гидратную глюкозу получают из сиропов с более широким диапазоном ГЭ - от 99 до 80%. Способность ги-дратной глюкозы кристаллизоваться из растворов с низким ГЭ является ее существенным преимуществом по сравнению с ангидридной глюкозой, однако это связано с длительной кристаллизацией. Наиболее экономично получать ее из сиропов кислотно-ферментативного гидролиза крахмала [6]. Глюкоза гидратная по технологии, качеству, затратам на производство и аппаратурное оформление значительно уступает ангидридной глюкозе и имеет ряд существенных недостатков в сравнении с ней:
низкая (примерно в 5 - 6 раз ниже) по сравнению с ангидридной глюкозой скорость кристаллизации, из-за чего процесс кристаллизации продолжается 2 - 4 сут и требует больших объемов кристаллизаторов и производственных площадей в случае установки горизонтальных кристаллизаторов;
несовершенный способ «заводки» кристаллов требует внесения полного количества затравочных кристаллов, что на 35 - 40% увеличивает потребность в объемах кристаллизаторов;
температурный режим кристаллизации в интервале температур 48...25 °С является благоприятным для размножения микрофлоры, приводит к высокой микробной обсеме-ненности глюкозы и ухудшению ее качества, а также частой трудоемкой санитарной обработке оборудова-
ния, что снижает его производительность;
гидратная глюкоза кристаллизуется в виде тонких механически непрочных кристаллов, которые способны разрушаться при высокой вязкости утфелей и сильно уплотняться при центрифугировании. Из-за этого ухудшаются условия отделения и промывки кристаллов от межкристального раствора при центрифугировании и понижается качество глюкозы, а также возрастают потери глюкозы в результате растворения кристаллов при промывке.
В производстве гидратной глюкозы успешное проведение процесса кристаллизации требует внесения полного количества затравочных кристаллов. Наиболее распространенным и простым по исполнению способом внесения затравки является использование утфеля, оставляемого в кристаллизаторе от предыдущего цикла кристаллизации. Количество такой затравки составляет 25 - 30% от полного объема утфеля в кристаллизаторе, значительно снижает его полезный объем и способствует размножению дрожжевых и грибковых микроорганизмов в результате многократного использования затравки. Поэтому качество гидратной глюкозы, даже при перекристаллизации, по микробной чистоте не всегда выдерживает требования Госфармакопеи [7, 8].
Кристаллизация гидратной глюкозы 1-го продукта продолжается 2 сут, 2-го продукта - 3 сут, 3-го - 80 - 90 ч. Центрифугирование утфеля длится 15 - 20 мин, а сушат кристаллы до влажности от 14 -15 до 9% (таблица).
Данные таблицы показывают, что гидратная глюкоза по всем основным показателям (технологии, затратам на оборудование и его обслуживание, потребности в производственных площадях, производительности оборудования, качеству, растворимости - важному показателю) уступает ангидридной глюкозе. Самым высокоэффективным продуктом глю-козного производства по технологии, качеству, применению является ангидридная глюкоза. Ее производство отличается высокой рентабельностью, так как требует меньше затрат на производство, а реализуется по цене в 2 раза дороже гидратной для кристаллической формы. Благодаря высокой микробиологической чистоте она используется для приготовления инъекционных растворов, при реализации которых ее цена в пересчете на кристаллическую форму более чем на порядок превышает затраты на производство растворов. В кристаллической форме ангидрид-
ная глюкоза реализуется, в основном, в виде 2-го продукта, при этом также при меньших затратах на производство ангидридная глюкоза ценится в два раза дороже гидратной благодаря тому, что во многих случаях использования является незаменимой, хотя гидратную глюкозу она заменяет всегда и во всем с лучшим эффектом.
Предлагаемая технологическая схема является высокоэффективной, так как процесс кристаллизации проводится с высокой скоростью с суммарными затратами времени 16-17 ч, продукт имеет высокое качество, требует минимального набора аппаратуры для кристаллизации. Для аппаратурного оформления процесса кристаллизации предприятия мощностью до 7 тыс. т глюкозы в год потребуется два вакуум-аппарата с полезным объемом по 5 м3 и пять кристаллизаторов с полезным объемом по 20 м3.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лукин, Н.Д. Применение биоконверсии крахмала для повышения качества сахаристых продуктов / Н.Д. Лукин, Т.В. Лапидус, З.М. Бородина // Материалы Междунар. научно-практ. конф. «Инновационные технологии - основа модернизации отраслей производства и переработки сельскохозяйственной продукции». - Волгоград: Волгоградский государственный технический университет. - 2011. - С. 273-276.
2. Ананских, В.В. Исследование процесса ферментативного разжижения крахмала / В.В. Ананских, Н.Д. Лукин, В.А. Коваленок // Материалы VI Междунар. симп. «Перспективные ферментные препараты и биотехнологические процессы в технологии продуктов питания и кормов», 2012. - С. 238-244.
3. Андреев, Н. Р. Ангидридная глюкоза: технология производства и при-менение/Н. Р. Андреев, Л. С. Хворова // Фармация. - 2012. - № 3. - С. 43 - 45.
4. Губин, М. М. Технология лекарств по GMP: инфузионные растворы/ М. М. Губин. - М: ГЭОТАР-Медиа, 2011. - 224 с.
5. Хворова, Л. С. Способ получения кристаллической ангидридной глюкозы / Л. С. Хворова, Л. В. Баранова, В.А. Гоменюк // Заявка на изобретение № 2017108004 от 13.03. 2017.
6. Хворова, Л.С. Научно-практические основы получения кристаллической глюкозы/Л.С. Хворова. - М.: Россельхо-закадемия, 2013. - 270 с.
7. Современные аспекты технологии и контроля качества стерильных растворов в аптеках/под ред. М.А. Алюшина. -М.:ВО «Союзфармация», 1991. - 134 с.
8. Шедрина, И.Е. Изучение некоторых
