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. (рис. 5.2) Так, при периодическом выращивании A. aceti в глубинных условиях при 25-30 ^оС на среде, содержащей 10-11 % этанола, 1 % уксусной кис­лоты и минеральные соли, выход уксусной кислоты составляет 18-23 кг/м³/сут.

Рис. 5.2. Схема ферментёра при периодическом глубинном способе производ­ства уксуса:

1 — корпус из нержавеющей стали; 2 — перемешивающее устройство; 3 — аэратор (барботёром); 4 — змеевик системы термостатирования.

Более производительным является непрерывный глубинный про­цесс, реализуемый в батарее ферментаторов (например, из пяти фермен­таторов, емкостью 6 м³ каждый, соединенных последовательно). (рис. 5.3) 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.

Рис. 5.3. Схема установки для получения уксуса в непрерывном режиме. Пе­реток жидкости из аппарата в аппарат происходит из-за разницы давлений в «воздушной подушке», возникающей за счёт разного заглубления переточных труб h: h2 > h3 > h4 > h5.

Получение лимонной кислоты

oh

hooc-hoc-c—cho-cooh

² i ²

cooh

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 предферментации 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. 5.4.

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

3 2 1

заданной температуры и влажности (3-4- м /м мицелия час). Темпе­ратура в камерах поддерживается на уровне 34-36 ^оС, 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/м² пленки гриба

1 2 __________________________________________________________________ 1

час), а затем стабильно удерживается на уровне 50-60 г/м час

Рис. 5.4. 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 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 ^оС 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 оксала- том 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 Са80₄ 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. 5.5.

Рис. 5.5. 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.

5.1.3. Получение витаминов

Витамины поставляются в организм с пищей или их назначают в форме лекарственных препаратов при определенных патологических процессах. Среди жиро- и водорастворимых витаминов биотехнологи­ческим путем производят витамины А₁ и D, рибофлавин (витамин В₆), аскорбиновую кислоты (витамина С) и цианкобаламин (витамин В12).

Получение витамина D

Витамин D - это группа родственных соединений, в основе кото­рых находится эргостерин, который обнаружен в клеточных мембранах эукариот. Поэтому, например, пекарские или пивные дрожжи применя­ют для получения эргостерина как провитамина, обладающего антира­хитическим действием. Содержание эргостерина в дрожжевых клетках колеблется в пределах 0,2-11 %.

При недостатке в организме гормона 1,25-дигидрокси- холекальциферола, предшественником которого является витамин D, у детей развивается рахит, а у взрослых - остеомаляция.

Трансформация эргостерина в витамин D2 (кальциферол) проис­ходит под влиянием ультрафиолетового света. При этом разрывается связь в кольце (позиции 9,10) и образуется двойная связь в боковой це­почке (позиции 22, 23). Эта последняя гидрирована в витамине D₃. Фи­зиологическая активность этих витаминов равноценна.

Кроме дрожжей, продуцентами эргостерина могут быть мицели- альные грибы - аспергиллы и пенициллы, в которых содержится 1,2-2,2 % эргостерина.

Получение эргостерина в производственных условиях можно под­разделить на следующие этапы: размножение исходной культуры и накопление инокулята, ферментация, сепарирование клеток, облучение ультрафиолетовыми лучами, высушивание и упаковка целевого продук­та.

Так, применительно к дрожжам, инокулят получают на средах, обеспечивающих полноценное развитие клеток, после чего основную среду с ацетатом (активатором биосинтеза стеринов), обогащенную ис­точником углерода и содержащую пониженное количество азота, засе­вают сравнительно большим количеством инокулята.Ферментацию дрожжей проводят при максимальной для конкретного штамма темпе­ратуре и выраженной аэрации (2 % О₂ в газовой фазе). Спустя трое- четверо суток клетки сепарируют и подвергают вакуум-высушиванию. Затем сухие дрожжи облучают ультрафиолетовыми лучами (длина вол­ны 280-300 нм). Облученные сухие дрожжи применяют в животновод­стве; в промышленности их выпускают под названием «кормовые гид­ролизные дрожжи, обогащенные витамином D₂».

В случае получения кристаллического витамина D2 клетки проду­цента гидролизуют соляной кислотой при 110 ^оС, затем температуру снижают до 75-78 ^оС и добавляют этанол. Смесь фильтруют при 10-15 ^оС, оставшуюся после фильтрации массу промывают водой, высушива­ют, измельчают, нагревают до 78 ^оС и дважды обрабатывают тройным объемом этанола. Спиртовые экстракты объединяют и упаривают до 70 %-го содержания сухих веществ. Полученный «липидный концентрат» обрабатывают раствором едкого натра. Эргостерин кристаллизуют из неомыленной фракции концентрата при 0 ^оС. Его можно очистить по­вторными кристаллизациями. Кристаллы высушивают, растворяют в этиловом эфире, облучают УФЛ, эфир отгоняют, раствор витамина D₂ концентрируют и кристаллизуют.

Получение витамина В₂

Промышленными продуцентами витамина В₁₂ являются различ­ные бактерии, например, Bacillus megatherium, Bacillus propionicum, а также штамм Propionibacterium Shermani, которые и в естественных условиях образуют этот витамин.

Учитывая важную функцию витамина в организме человека (он является противоанемическим фактором), его мировое производство достигло10 т в год, из которых 6,5 т расходуют на медицинские нужды, а 3,5 т - в животноводстве.

Отечественное производство цианкобаламина базируется на ис­пользовании культуры P. freudenreichii var.shermanii, культивируемой в периодическом режиме без доступа кислорода. Ферментационная среда обычно содержит в качестве источника углерода глюкозу, лактозу, мо­лочную кислоту, ацетонобутиловую и спиртовую барду; источником азота является кукурузный экстракт либо расщепленный белок (пептон, гидролизат казеина), соли аммония и кобальта, рН около 7,0 поддержи­вают добавлением NH₄OH; продолжительность ферментации - 6 суток; через трое суток в среду добавляют 5,6-диметилбензимидазол - пред­шественник витамина В₁₂ и продолжают ферментацию еще трое суток.

Цианкобаламин накапливается в клетках бактерий, поэтому опе­рации по выделению витамина заключаются в следующем:

а) сепарирование клеток;

б) экстрагирование водой при рН 4,5-5,0 и температуре 85-90 ^оС в присутствии стабилизатора (0,25 %-й раствор нитрита натрия). Экс­тракция протекает в течение часа, после чего водный раствор охлажда­ют, нейтрализуют раствором едкого натра и добавляют коагулянты бел­ка (хлорид железа (III) и сульфат алюминия);

в) фильтрование;

г) упаривание фильтрата;

д) дополнительная очистка. Для нее используют методы ионного обмена и хроматографии, после чего проводят кристаллизацию витами­на при 3-4 ^оС из водно-ацетонового раствора.

Все операции по выделению витамина проводят в затемненных условиях (или при красном свете) из-за высокой светочувствительности витамина В₁₂.

Рис. 5.6. Технологическая схема производства концентрата витамина В12 из барды: 1 - теплообменник пластинчатый, 2 - метантенк, 3 - сборник промежуточный, 4 - сборник для соляной кислоты, 5 - нейтрализатор непрерывный, 6 - подогреватель метановой бражки, 7 - дегазатор, 8 - подогреватели, 9 - корпуса выпарной установ­ки, 10 - вакуум-сборник, 11 - конденсатор барометрический, 12 - сборник упарен­ной барды, 13 - бункер для наполнителя, 14 - питатель-дозатор, 15 - смеситель, 16 - сушилка, 17 - установка размольная, 18 - автомат расфасовочно-упаковочный.

Первоначальная стоимость витамина В₁₂ составляла 12500 долла­ров/г, в настоящее время она составляет 200 долларов/г, однако, вита­мин В₁₂ остается самым дорогим органическим соединением в мире.

5.2. ПРОИЗВОДСТВО ВТОРИЧНЫХ МЕТАБОЛИТОВ

Вторичные метаболиты (идиолиты) - это низкомолекулярные соединения, не требующиеся на стадии роста чистой культуры, однако они необходимы для функционирования зрелой популяции. Часто они выполняют защитную роль при конкуренции с другими микроорганиз­мами. К ним относятся антибиотики, алкалоиды, гормоны роста расте­ний, токсины.

Производство антибиотиков

Антибиотиками называют продукты жизнедеятельности орга­низмов, обладающие антибактериальным действием. Большинство из­вестных в настоящее время антибиотиков являются веществами, выде­ляемыми различного вида микроорганизмами - бактериями, дрожжами, плесенями, актиномицетами. Антибиотики получены также из живот­ных тканей и высших растений (фитонциды).

Идея использования антагонизма между микроорганизмами (так называемого «антибиоза») для подавления болезнетворных микробов принадлежит И. И. Мечникову, положившему в конце прошлого века начало современному учению о лекарственных веществах микробов.

Для того чтобы антибиотическое вещество могло быть применено в медицинской практике, необходима совокупность высокой антибакте­риальной активности и отсутствия токсического действия по отноше­нию к макроорганизму. Из большого числа выделенных и изученных ан­тибиотиков этому важнейшему требованию удовлетворяют очень не­многие соединения.

В химическом отношении антибиотики - вещества очень разно­образные, хотя некоторые из них представляют целые классы с подоб­ной структурой, например: пенициллины, тетрациклины и др. В насто­ящее время установлено, что вещества, сходные по химической струк­туре, сходны и по характеру действия. Так, пенициллины действуют на клеточную стенку бактерий и препятствуют ее синтезу. Некоторое вре­мя бактерии еще размножаются, но, лишенные клеточной стенки, скоро погибают.

Антибиотик стрептомицин, проникнув в клетку микроба, достига­ет рибосом (места синтеза белков) и блокирует их деятельность.

Актиномицин действует на молекулу ДНК, в результате становит­ся невозможным синтез информационной РНК, переносящей к рибосо­мам «приказы» ДНК о синтезе белков. Сходное действие проявляет и рифампицин, хотя и несколько иным способом: он снижает активность РНК-полимеразы и РНК не может образовываться.

На ДНК действуют и молекулы противоопухолевого антибиотика митомицина С: прочно связываясь с ней, он препятствует дальнейшему синтезу ДНК.

При повторных воздействиях молекул антибиотика клетка микро­ба погибает. Если же антибиотик вводится в недостаточном количестве, то клетки микроба восстанавливаются, и микроб выживает и дает потомство, устойчивое (резистентное) к действию данного антибиотика.

Приведенные примеры действия антибиотиков - это лишь от­дельные случаи их разнообразного биохимического воздействия на микроорганизмы.

Date: 2015-09-24; view: 1944; Нарушение авторских прав