Промышленная микробиология. Производство органических кислот

25 Декабря в 12:24 10605 0


Органические кислоты можно получать как в анаэробных условиях (так называемые бродильные процессы), так и в аэробных условиях (окислительные процессы).

Бродильные процессы

Получение молочной кислоты
Получение молочной кислоты
Молочная кислота широко применяется в пищевой, текстильной и фармацевтической промышленности, в изготовлении растворителей и пластификаторов в лаках, олифах и т. п.

В промышленном производстве молочной кислоты обычно используют термофильные штаммы бактерий, синтезирующие целевой продукт при 50оС. Таким штаммом является Lactobacillus delbrueckii, отличающийся высокими стабильностью и активностью кислотообразования (выход молочной кислоты составляет 95-98 % от потребленной сахарозы).

Принципиальная технологическая схема получения L(+)-молочной кислоты состоит в следующем: мелассную среду, содержащую 5-20 % сахара, вытяжку солодовых ростков, дрожжевой экстракт, витамины, фосфат аммония, засевают L. delbrueckii. Брожение протекает при 49-50оС при исходном рН 6,3-6,5. По мере образования молочной кислоты ее нейтрализуют мелом.

Весь цикл ферментации завершается за 5-10 дней; при этом в культуральной жидкости содержатся 11-14 % лактата кальция и 0,1-0,5 % сахарозы. Клетки бактерий и мел отделяют фильтрованием, фильтрат упаривают до концентрации 3-0 %, охлаждают до 25оС и подают на кристаллизацию, которая длится 1,5-2 суток. Кристаллы лактата кальция обрабатывают серной кислотой при 60-70 С, гипс выпадает в осадок, а к надосадочной жидкости добавляют желтую кровяную соль при 65 С для удаления ионов железа, затем - сульфат натрия для освобождения от тяжелых металлов. Красящие вещества удаляют с помощью активированного угля.

После этого раствор молочной кислоты подвергают вакуум-упариванию до 50 или 80 %. Оставшийся не до конца очищенный раствор молочной кислоты используют для технических целей. Более очищенную кислоту можно получить при перегонке ее сложных метиловых эфиров, при экстракции простым изопропиловым эфиром в противоточных насадочных колоннах.

Получение пропионовой кислоты
Производство пропионовой кислоты осуществляется пропионовыми бактериями, представляющими собой грамположительные, бесспоровые, неподвижные палочки семейства Propionibacteriacae, культивируемые в средах, где источником углерода является глюкоза. Из трех молекул глюкозы образуется 4 молекулы пропионовой кислоты, 2 молекулы уксусной кислоты, 2 молекулы углекислого газа и 2 молекулы воды:
Получение пропионовой кислоты
Перспективными для производства пропионовой кислоты оказались виды P. freudenreichii и P. acidipropionici.

Биосинтез кислоты проводят на достаточно простых средах, например такого состава (в %): углевод - 1-2; сульфат аммония - 0,3; гидолфосфат калия - 0,2; хлорид кобальта - 0,0001; биотин - 0,00001; пантоненат - 0,1; тиамин - 0,01.

Конечные продукты ферментации (пропионат и ацетат) можно не разделять, поскольку обе кислоты обладают консервирующими свойствами. Биосинтетическая пропионовая кислота применяется в пищевой и фармацевтической промышленности в качестве консерванта.

Окислительные процессы

Получение уксусной кислоты
Микробиологическое производство уксусной кислоты экономически выгодно лишь при получении пищевого уксуса, а не технической уксусной кислоты.

Получают уксусную кислоту методом глубинного культивирования грамотрицательных штаммов бактерий Acetobacter aceti. Так, при периодическом выращивании A. aceti в глубинных условиях при 25-30оС на среде, содержащей 10-11 % этанола, 1 % уксусной кислоты и минеральные соли, выход уксусной кислоты составляет 18-23 кг/м /сут. Более производительным является непрерывный глубинный процесс, реализуемый в батарее ферментаторов (например, из пяти ферментаторов, емкостью 6 м каждый, соединенных последовательно).

Исходная среда с 4 % этанола, 1,5 % уксусной кислоты и минеральными солями (моногидрофосфат аммония, дигидрофосфат калия, сульфат магния) непрерывно поступает в первый ферментатор, обогащается спиртом в последующих ферментаторах. Таким образом происходит обогащение среды уксусной кислотой при снижении концентрации этанола. Из последнего ферментатора непрерывно вытекает уксус. Выход уксусной кислоты достигает 30 кг/м /сут. и более.

Получение лимонной кислоты
Получение лимонной кислоты
Около 60 лет назад лимонную кислоту выделяли преимущественно из плодов цитрусовых растений. Теперь же основную массу ее производят с помощью определенных штаммов плесневого гриба Aspergillus niger.

Поскольку основным сырьем для получения лимонной кислоты является меласса, в которой содержится много железа, то на стадии пред-ферментации его осаждают при помощи желтой кровяной соли -K4[Fe(CN)6].

Известны два способа ферментации A. niger - поверхностный и глубинный. Первый из них реализуют на предприятиях малой и средней мощности в виде жидкофазной ферментации на жидкой среде (например, в ряде стран Европы и Америки) и в виде твердофазной ферментации (например, в Японии).



Технологическая схема жидкофазной ферментации представлена на рис. 4.3.

Технологическая схема получения лимонной кислоты из мелассы поверхностным способом
Рис. 4.3. Технологическая схема получения лимонной кислоты из мелассы поверхностным способом (жидкофазная ферментация): 1 - цистерна для мелассы; 4; 2 - центробежные насосы; 3 - реактор для разбавления мелассы; 4 - стерилизационная камера; 5 - бродильная камера; 6 - сборник сбраживаемых растворов; 7 - нейтрализатор; 8, 10 - нутч-фильтры; 9 - расщепитель; 11 -сборник-монтежю; 12 - вакуум-аппарат; 13 - дисолвер; 14 - фильтр-пресс; 15 - кристаллизатор; 16 - приемник; 17 - сушилка; 18 - готовая продукция; 19 - сборник фильтрата

Поверхностный способ жидкофазной ферментации для промышленного производства лимонной кислоты реализуют в «бродильных камерах», где на стеллажах (одну над другой) размещают кюветы (8-10 штук на один стеллаж). На дне каждой кюветы расположен сливной штуцер. «Бродильные камеры» оборудованы приточно-вытяжной вентиляцией, обеспечивающей равномерный приток стерильного воздуха заданной температуры и влажности (3-4- м /м мицелия час ). Температура в камерах поддерживается на уровне 34-36 С, высота питающего слоя жидкой мелассной среды - 6-12 см.

Максимальное тепловыделение (500-550 кДж/м ч) имеет место к пяти суткам; исходная концентрация Сахаров в питательной среде в среднем порядка 12 %, начальное значение рН 6,8-7 снижается до 4,5 в течение первых трех суток и до 3,0 к концу процесса (8-9 сутки). Максимальное кислотообразование в таких условиях происходит на 5-6- сутки (100-105 г/м пленки гриба час ), а затем стабильно удерживается на уровне 50-60 г/м час.

В собранной культуральной жидкости содержится смесь органических кислот - лимонная, глюконовая, щавелевая и неиспользованный сахар в примерном соотношении 45-50:3:1:7, т. е. лимонная кислота составляет от 80 до 90 %. Ее выделяют химическим путем - добавляют к нагретой до 100 С культуральной жидкости известковое молоко Са(ОН)2 или мел СаСО3, доводя рН до 6,8-7,0; это количество составляет примерно 2,5-3 %; трехзамещенный цитрат кальция, хуже растворимый в горячей воде, чем в холодной, выпадает в осадок вместе с оксалатом кальция (глюконат кальция остается в растворе); осадок отфильтровывают, промывают горячей водой и гидролизуют серной кислотой.

Свободная лимонная кислота остается в растворе, а негидролизованный оксалат кальция и образовавшийся гипс СаS04 остаются в осадке. Раствор лимонной кислоты очищают, подвергают вакуум-упариванию и кристаллизуют. Кристаллы кислоты высушивают и фасуют. Мицелий продуцента либо используют для выделения фермента пектиназы, либо высушивают и поставляют на корм скоту и домашней птице.

Твердофазная ферментация на уплотненных средах для получения лимонной кислоты - наиболее простой способ из всех известных. Ферментацию определенного штамма A. niger проводят на увлажненных отрубях риса или пшеницы, находящихся в кюветах. Условия биосинтеза кислот при этом аналогичны условиям на агаризированных или в жидких питательных средах. После окончания процесса отруби экстрагируют водой, куда переходят кислоты, а затем выделяют цитрат кальция и чистую лимонную кислоту согласно схеме, изложенной выше.

Глубинный способ производства базируется на использовании специальных культур A. niger (В России применяют селекционированный штамм № 288/9). Инокулят подращивают сначала в инокуляторе, затем - в посевном аппарате (примерно в 1/10 объема основного ферментатора) на среде с 3-4 % сахара. Спустя 1-1,5 суток инокулят передают из посевного в основной ферментатор, где процесс ведут в течение 5-7-10 суток на аналогичной среде с трехразовым доливом 25-28 % (по сахару) раствора мелассы с целью доведения конечной концентрации сахара в культуральной жидкости до 12-15 %. После окончания ферментации (контроль - снижение кислотообразования) мицелий гриба отфильтровывают и культуральную жидкость подвергают обработке, как указано выше.

Общая технологическая схема получения лимонной кислоты при глубинной ферментации приведена на рис. 4.4.

Технологическая схема получения лимонной кислоты при глубинной ферментации продуцента
Рис. 4.4. Технологическая схема получения лимонной кислоты при глубинной ферментации продуцента: 1 - емкость с мелассой; 2 - приемник мелассы; 3 - весы; 4 - варочный котел; 5 -центробежный насос; 6 - промежуточная емкость; 7 - стерилизующая колонка; 8 -выдерживатель; 9 - холодильник; 10 - посевной аппарат; 11 - головной ферментатор; 12 - стерилизующие фильтры; 13 - емкость для хранения мелассы; 14 - промежуточный сборник; 15 - барабанный вакуум-фильтр; 16 - приемник для мицелия; 17 - вакуум-сборник для мицелия; 18 - вакуум-сборник фильтрата культуральной жидкости

Лимонную кислоту широко используют в пищевой, медицинской, фармацевтической и лакокрасочной промышленности.

Л.В. Тимощенко, М.В. Чубик
Похожие статьи
показать еще
 
Биотехнологии и биоматериалы