مقاله بررسی اسید لاكتیك درس بیوفیزیك مهندسی پزشکی در 38 صفحه ورد قابل ویرایش
* معرفی
- چشم انداز تاریخی
- خصوصیات فیزیكی و شیمیائی
* تكنولوژی تهیه و تولید
- میكروارگانیسم‌ها و مواد خام
· میكروارگانیسم‌ها
· مواد خام
- فرآیند تخمیر
· محفظه بلند و پیوسته غلظت و جمع‌آوری در راكتورها
- فرآیند بهبود
· فلیتراسیون، رفتار كربنی و تبخیر
· كریستال كردن Caleium Lactate
· تقطیر مایع
· تقطیر استرهای شیر
· فرآیندهای دیگر بهبود
- تهیه به صورت تركیبی
* اقتصاد
- سایز بازاری، تولید كنندگان، قیمت‌ها
- استفاده و كاركردها
* خلاصه
* معرفی
چشم انداز تاریخی:
اسید لاكتیك (2 تا هیدوركسی پروپانیك اسید+ 2 تا هیدوركسی پروپیونیك اسید) به لحاظ ساختاری یك هیدوركسی اسید است كه به وفور در طبیعت یافت میشود. اولین بار به صورت تجاری در سال 1894 توسط چارلز ای آوری[1] در لیتون[2] ماساچوست[3] امریكا تهیه و تولید شد. این تولید در نیل به هدف فروش Calcium Lactate به عنوان جانشینی برای خامه‌ی تارتار در پودر نان پزی موفق نبود.
اولین كاركردهای موفق آن در صنعت چرم و منسوجات در سال 1894 آغاز شد (گریت[4] و 1930) تولید سالانه در آن دوره حدود 5000 كیلوگرم بود. در سال 1942 حدود نیمی از تولید سالانهی آمریكا كه حدود 106* 7/2 كیلوگرم بود به مصرف صنعت چرم می‌رسید و 20% آن به مصرف صنایع غذائی (فیلاچیون[5] و 1952).
تولید آمریكا طی جنگ جهانی دوم به اوج خود یعنی 106* 1/4 كیلوگرم در سال رسید اما پس از آن به 106* 3/2 كیلوگرم تنزل كرد. یك بازار سالانهی 106* 90 كیلوگرمی (یندل[6] و آریز[7]) در صنعت پلاستیك در اواخر دهه پنجم و اوایل دهه‌ی ششم قرن نوزدهم پیش‌بینی شد كه این پیش‌بینی منجر به یك تحقیق و بررسی وسیع اما ناموفق در جهت كاهش هزینه و افزایش خلوص تولید شد.
یك دهه بعد، نیاز به یك حرارت ثابت برای اسید لاكتیك در جهت تولید Stearoy 1-2- lactylates در صنعت شیرینی‌پزی دری به سوی تولید تركیبی اسید لاكتیك گشود. (آنون[8]، 1963).
تولید جهانی سال 1982 به سرعت به 106* 28-24 كیلوگرم رسید. بیش از 50% اسید لاكتیك تولیدی در صنایع غذائی به عنوان ماده جلوگیری از فساد غذائی استفاده می‌شد، تولید Stearoyl –2- lacty lates نیز 20% تولید اصلی را در برمی‌گرفت و بقیه‌ی تولید سالانه در صنعت داروسازی و یا سایر كاربردهای منتوع صنعتی به مصرف می‌رسید. تخمیر نیز به سرعت برای تولید نیمی از كل تولید جهانی استفاده شد.
خصوصیات فیزیكی و شیمیائی
نخستین بار اسید لاكتیك توسط اسكیل[9] در سال 1780 از شیر ترش گرفته شد (لاك وود[10]، 1965). خصوصیات فیزیكی و شیمیائی اسید لاكتیك به طور وسیعی توسط هالتون[11] مورد بررسی قرار گرفته است. اسیدلاكتیك به دوفرم فعال قابل نمایش وجود دارد. لاك وود بیان كرد اگر چه شكل (+)L دكسوترو روتاتوری[12] به نظر می‌رسد، اما ممكن است واقعاً به صورت لوروتاتوری[13] باشد یعنی همانگونه كه در نمكها و استرهاست واژگونی آشكار در چرخش قابل نمایش ممكن است به واسطه شكل‌گیری پل اكسیداتلین بین اتم‌های كربن 1و2 به وسیله‌ی جابه‌جائی تاتومریك گروه هیدوركسیل روی اتم كربن 2 به گروه رادیكال كربوكسیل كربن 1 باشد. نمكها و استرهای +L اسیدلاكتیك نمی‌توانند این حلقه‌ی اپوكسید را تشكیل دهند ولذا لوروتاتوری هستند ایزومر (+)L (ساركولاكتیك اسید، پارالاكتیك اسید) در انسانها وجود دارد اما هر دو ایزومر (+)L و (-)D در سیستم‌های بیولوژیكی یافت میشود. برخی از خصوصیات عمومی اسیدلاكتیك در جدول 1 آمده است:
مراحل تخمیر
تخمیر ناپیوسته، شیوه‌ای است كه در صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرد. مخمرها از چوب یا 316 فولاد رنگ نشده ساخته شده است و با انتقال مارپیچی گرما برای كنترل حرارت مجهز می‌شوند. آمیختگی جزئی ازطریق همزدن به منظور نگه داشتن مخلوط ایجاد می شود. مخمرها به طور كلی بخار میشود، یا آب جوش گرم شده (Inskeepila 52) و یا از نظر شیمیائی استریل می‌شوند (قبل از تكمیل میانگین پاستوریز شدگی) (Buertonila37) غالباً مخمرها فضاهای كمی را پوشش می‌دهند. ناخالصی و آلودگی مشكل بزرگی نمی‌باشد: جدی‌ترین مسئله ناخالصی به دلیل رشد باكتری بوبتریك اسید در پایان تخمیر میباشد. تجمع محصول نهایی كمتر از 15-12 درصد بستگی به شرایط دیگر تخمیر به منظور جلوگیری از لاكتیك شدن كلسیم دارد. (1944، Peckham). شرایط تخمیر برای هر تولید كننده صنعتی متفاوت میباشد اما به طور كلی در گستره 60-45 درجه سانتیگراد با PM 5/6-5/5 برای L.delbreuckii (1944 Peckham، 1952، دیگران و Inskeep)؛ 34 درجه سانتیگراد و Ply 7-6 برای L.bulgaricus (1937، Burton)؛ و 50-30 درجه سانتیگراد و PH پایین تر از 6 برای Rhizopus میباشد. (1964 Snell 8 Lowerg)
معمولاً اندازه inoculum 10-5 درصد از حجم مایع در مخمر میباشد.
Inoculum می‌تواند در دانه در نظر گرفته شده برای كامل تخمیر مورد استفاده قرار بگیرد تركیب اسید از طریق كربونات كلسیم و یا هیدروكسیدكلسیم تغذیه میشود. عامل تغذیه می‌تواند در گسترش ماده آبكی در آغاز تخمیر اضافه شود ویا در طول تخمیر بر اساس PH یا اندازه‌گیری تیترات اسید اضافه شود. زمان تخمیر 2-1 روز برای 5 درصد منبع شكر میباشد مانند آب پنیر و یا 2 تا 6 روز برای 15 درصد شكر مانند گلوكز یا ساكاروز و بازده راكتور در گستره 1-n –3-kg m 3-1 میباشد. تحت شرایط آزمایشگاهی مناسب مرحله تخمیر 1 تا 2 روز طول می‌كشد. محصول اسیدلاكتیك بعد از مرحله تخمیر WT95-90% بر اساس شكر اولیه و یا تجمع نیشكر میباشد. به طور كلی تجمع شكر باقی مانده كمتر از 1/0 درصد میباشد. بازده توده سلولی می‌تواند به بزرگی WT30% باشد اما به طور كلی بر اساس تجمع اولیه شكر WT15% میباشد. محصول وبازده توده سلولی بستگی به اندازه تغذیه نیتروژنی استفاده شده دارد. اندازه تخمیر بستگی به حرارت اولیه PH، تجمع تغذیه نیتروژنی و تجمع اسیدلاكتیك دارد. كنترل PH تخمیر ناپیوسته را ابتدا به سرعت دنبال میشود. دو برابر شدن زمان توده سلولی كوچك در حدود یك ساعت میباشد اما این میزان تحت شرایط كارهای صنعتی هنگامیكه اندازه نیتروژن مناسب نمی‌باشد، ایجاد نمی‌شود. بایستی توجه شود كه آمیختگی كرنش‌ها ممكن است روابط سیمبوتیك داشته باشد كه میزان تخمیر را سریعتر می‌كند.
(1966، Childs 8 welsby، 1983، viniegra – Gonzalez 8 Geomez) هنگامیكه مراحل تخمیر دنبال میشود میزان اولیه كم میشود، كه دلیل كاهش رشد مواد غیر ضروری و تجمع اسیدلاكتیك میباشد.(1975) Tsao 8 Hanson تاثیر رشد مواد محرك‌ها الگوبرداری كردند. اسید لاكتیك خنثی شده الكتریكی و غیرقابل تجزیه نسبت به لاكتات به نظر می‌رسد گونه‌ای از تخمیر باشد. (1983، Viniegra – Gonzales 8 Gomez ، 1984، Blanch و دیگران). مدل‌های ریاضی برای تخمیر اسیدلاكتیك بوسیله 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. این مدل‌ها بر اساس بررسی ها و مطالعات آزمایشگاهی در میزان بزرگی از تغذیه‌های نیتروژنی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
تخمیر تجاری پاستوریزه شدن شیر بوسیله (1937)Burton و (1936) Olive مورد بررسی قرار گرفته است و كشت خالص L. bulgaricus در زمان فعلی مورد استفاده قرار گرفته است. تخمیر دی اكستروس از ذرت از طریق (1952) Insleep و (1944)Peckham فهرست بندی شده است. تخمیر گلوكز از طریق بخشی بوسیله Snell Rhizopus و بخشی دیگر بوسیله (1964)Lowery بررسی شده است Cordon و دیگران در سال 1950 تخمیر هیدورلسیات سیب‌زمینی را مورد بررسی قرار داد و (1948) Leonard تخمیر سولفات مایع را بررسی كرد. تخمیر سورگام خام استخراج شده L. Plantauraml بوسیله Samuel و دیگران در سال 1980 مورد مطالعه و بررسی قرار گرفت. اطلاعات موجود مطالعات آزمایشگاهی از تخمیر L. delbreuckii بر روی گلوكز از طریق Kempe و دیگران در سال (1950)، (1950) Finn، (1959)Leudeking 8 Piret ،(1973) Hanson و (1975) Tsao 8 Hanson ارائه داده شده است.
تصفیه سازی، عملكرد و تبخیر
یكی از شیوه‌هایی كه از نظر اقتصادی مناسب بوده و اسیدلاكتیك تولید می‌كند به تخمیر شكرهای خالص با حداقل اندازه تغذیه نیتروژن تاكید دارد. از این رو بوسیله استفاده از ذخائر غذایی خالص، مراحل بازیافت آسان میشود. جزئیات بیشتر این مراحل بوسیله (1952)Insleep و دیگران ارائه شده است و مراحل مشابه كه بوسیله شركت Clintin استفاده شده است از طریق (1944) Peckham بررسی شده است. ممكن است مراحل برای تولید فنی یا درجه غذایی اسید استفاده شود. بعد از تخمیر فعالیت‌های كربنی سبزی برای سفید كردن لاكتات كلسیم برای تولید درجه غذایی اسید به كار برده میشود. هیچگونه عملكرد كربن برای درجه فنی استفاده نمی‌شود. سپس لاكتات كلسیم به 37% تجمع در Cْ70 و atm57/0 تبخیر میشود. سپس تجمع لاكتات با 36% سولفوریك اسید، اسیدی شده و سولفات كلسیم از طریق فیتلر برداشته شده و به مایع تخمیر فرستاده میشود. فیلتر اسید با (اسید تصفیه شده) با فعالیت كربن در بخش اول برخورد كرده و كربن 3 و4 عمل می‌كنند. كربن از این مرحله رد میشود. اسیدلاكتیك از 8 به 52% یا 82% در تبخیركننده استیل بدون رنگ 316 تبخیر میشود. درجه فنی اسید به 50% یا 80% رقیق شده و در صورت لزوم با سولفات سدیم برای برداشتن فلزات سنگین عمل می‌كنند. درجه خوراكی اسید رقیق شده از 50 یا 80 درصد میباشد. برای بار سوم با كربن فعال سفید شده و با سودیوم سولفات برای برداشتن فلزات سنگین برخورد می‌كند. سپس برای بار چهارم قبل از بسته‌بندی شدن با كربن سفید شوند. ساختارهای دیگر نیز برای برخوردهای كربن مورد استفاده قرار می‌گیرد. فلزات سنگین می‌تواند از طریق مبادله یونی برداشته میشود كه ممكن است برای برداشتن اسید آمینه موجود استفاده شود. (1959، Machell)
فلزات سنگین نیز می‌توانند از طریق استوكیتتری كلسیم یا سدیم اضافی برداشته شوند. در حال حاضر استفاده از این مراحل كاملاً شناخته شده نمی‌باشد.
تبلور لاكتات كلسیم
ممكن است لاكتات اسید از تخمیر مواد خام تر مانند آب پنیر یا مولاسس شناخته شده باشد. جزئیات و فلدشیت مرحله از طریق شركت تولیدی Sheffield استفاده شده بوسیله Burton (1937) ارائه شده و از طریق Prescotl و Dunn (1959) جمع بندی شده است. درجات مختلفی از لاكتات كلسیم و اسیدلاكتیك از آب پنیر تولید شده است. مایع تصفیه شده از تخمیر با كربن اول تحت آلكایین و شرایط اسیدی ضعیف برخورد می‌كند. مایع لاكتات كلسیم خام تحت تراكمی در حدود 3- kg m 12/1 تبخیر می‌شوند. درجه فنی اسید از این مایع بعد از تبخیر، اسید سازی و تصفیه سازی سولفات كلسیم ایجاد میشود. برای ایجاد درجه بالاتری از تولید، مایع سرد، متبلور و شسته میشود.
مایع اولیه و آب شسته شده نیز سردؤ متبلور شسته میشود. بلورها بعدداً تجزیه شده و در مراحل اولیه برای ایجاد درجات خالص‌تر مجدداً متبلور می‌شوند. اسیدها از خالصیت‌های مختلف از درجات مختلف بلورها بوسیله تجزیه آب، اسیدسازی، رسوب‌گیری سولفات كلسیم، تصفیه‌سازی، تبخیر، برخوردكربن و رسوب‌گیری فلزات سنگین ایجاد میشود. در حال حاضر Sheffield تنها لاكتات كلسیم ایجاد می‌كند. متبلورسازی در بخش جداگانه انجام میشود و فولاد رنگ‌نشده تاثیر دو برابری بر تبخیر دارد. ناخالصی از طریق تصفیه سازی و برخورد كربن‌ها برداشته میشود. هیدراسیون محصول نهایی در مرحله خشك كردن صورت می‌گیرد. C.U. Chemie Combinatie Amsterdam نیز از مراحل بازیافت بر اساس بلورسازی لاكتات كلسیم برای پی‌بردن به برخی از محصولات آن استفاده كرد. (1944) Peckham مرحله‌ای را برای تصفیه‌سازی اسیدلاكتیك از طریق رسوب زدایی لاكتات كلسیم توصیف و بررسی كرد. مایه تخمیر تصفیه و به 25% اسید لاكتیك تبخیر میشود. از این رو لاكتات كلسیم متبلور شده و از مایع اولیه جدا می شود.
عرق گیری استرهای لاكتات
اسید لاكتیك با كیفیت بالا كه عاری از شكرهای باقی مانده و ناخالصی های دیگر می باشد از طریق استری سازی اسید لاكتیك با الكل مولكولی پایین، عرق گیری استرلاكتیك، تجزیه آبی استر عرق گیری شده برای رهایی از الكل و اسید لاكتیك و عرق گیری الكل از اسید لاكتیك بازیافت شده می باشد. چیلدز و ولسبی اظهار می دارند كه استرسازی شخصی و ناخالصی های تخمیر مایع، مشكلات بارزی را به وجود می آورد. دیتزو همكارانش اسید لاكتیك را استری كردند تا نوعی لاكتات آلكیل به وجود آورند و سپس استر را داخل حلالی چون دیكلورتان 2 و 1 استخراج نمودند. فیلاكیون و كوستلو جزئیاتی را برای فرایند ساختن اسید لاكتیك از لاكتات آمونیوم را ارائه می دهند كه اگر آمونیوم یا یكی از نمك های آن، در طول تخمیر برای خنثی سازی اسید بكار رود محصولی تخمیری به شمار می آید. اسكوپامیر به بحث درباره عملكرد یك واحد تجاری كه مكرراً توسط تعریق لاكتات متیل برای تصفیه اسید لاكتیك به كار می رود می پردازد. محصول به دست آمده عاری از خاكستر بود و میزان ناخالصی های دیگر در آن اندك بود. فرسایندگی ستون های استیل محصول را با آهن درمی آمیخت. وسیله سرامیك غیرمناسب بود چرا كه تغییرات دمایی غالب و اسید قوی در آن موجود بود.
سایر فرایندهای بهبود
اسید لاكتیك توسط رونشینی اسید لاكتیك بر روی رونشین های جامد یا رونشین سازی لاكتات بر روی رزین های مبادله یون بهبود می یابد. لوئیس آیوسواس آ (اسپانیا) برای بهبود اسید لاكتیك از لحاظ تجاری، از مبادله یون یا فرایند استخراج مایع به مایع استفاده می‌كند. اما هیچ یك از جزئیات فرایند، شناخته شده نمی باشند. سوگیموتو و دستیارانش، فرایندی را برای تولید اسید لاكتیك بوجود آوردند كه در آن رزین های بسیار اسید و یون قلیایی برای جداسازی اسید از آب مورد استفاده قرار می گرفت.
هفت راه دیگر برای خالص كردن اسید لاكتیك وجود دارد اما هنوز استفاده تجاری نشده است. Claborn , Smith در (1939) و Molini (1959) در مورد چند مورد از این روشها بحث كرده اند. لاكتیك مگنزیم یا مس ممكن است دوباره متبلور می شود و در آب حل نمی شود. مس ممكن است تركیب شود با سولفید هیدروژن و منیزیم با سولفید منیزیم تركیب می شود. درجه خوراكی می تواند تولید شود به وسیله اكسید شدن جداگانه مایعی كه شامل اسید آزاد و یا نمك لاكتیك است. برنامه های متفاوت تقطیر كه باعث ایجاد بخار، هوای داغ و گازهای بی كنش و خلاء می شود با موفقیت به دست می آید. Dxy , Krumphanzel (1964) از اكستره دیالیز برای از بین بردن مداوم اسید لاكتیك از طریق تخمیر استفاده كردند. دیگر انواع در حال حركت در تخمیر مشكلات دیگر هستند. 4. 2. 38 صنعت تركیبی. صنعت تركیب اسید لاكتیك در حالت تجاری حدود 1963 در ژاپن شروع شد و هر زمان در ایالات متحده امروزه این دو كشور به ندرت 50 درصد از اسید لاكتیك جهان را تولید می كنند. تولید تركیبی اسید لاكتیك براساس هیدرولایز لاكتیك با استفاده از اسید قوی نظیر HCL انجام می گیرد.
جهت دریافت فایل مقاله بررسی اسید لاكتیك درس بیوفیزیك مهندسی پزشکیلطفا آن را خریداری نمایید