Химический синтез и биосинтез органических кислот; этапы технологии получения, выделения ; очистка и производство готовой формы

  Сверхсинтез лимонной кислоты происходит при лимитировании роста грибов-продуцентов минеральными компонентами среды и одновременном избыточным содержанием источника углерода. В условиях лимитирования роста гриба недостатком железа и марганца после полного поглощения из среды дефицитного элемента он прекращает расти, однако продолжает потреблять имеющийся в среде источник углерода. При этом в клетках гриба начинает накапливаться лимонная кислота, которая в дальнейшем выделяется в среду.                           

В результате гликолиза глюкозы  образуется пировиноградная кислота. На следующем этапе происходит ферментативное связывание пировиноградной кислоты  с диоксидом углерода. Образовавшаяся щавелевоуксусная кислота вступает далее в реакцию с уксусной кислотой и образуется лимонная кислота. Таким образом, химизм образования лимонной кислоты включает реакции гликолиза и ряд реакций, замкнутых в цикл Кребса. При каждом обороте этого цикла молекула щавелевоуксусной кислоты вступает во взаимодействие с молекулой уксусной кислоты, образуя лимонную кислоту.  

10

Производство готовой формы, выделение и очистка лимонной кислоты включает следующие этапы:

1. Подготовка питательной  среды. Мелассу загружают в  варочный котел, разбавляют водой  до определенной концентрации  углеводов (16 %), добавляют источники  азота, фосфора и микроэлементы.  Устанавливают необходимое значение  рН среды (6,8-7,2) добавлением кислоты или щелочи. Для осаждения солей тяжелых металлов (железа, магния и т.д.), находящихся в мелассе, ее раствор обрабатывают желтой кровяной солью. Затем среду стерилизуют и охлаждают до температуры ферментации.

 
2. В отдельном цехе выращивают  посевной материал в виде спор (конидий) Aspergillus niger. Затем размножают его в три стадии: в пробирках, колбах и алюминиевых кюветах. Длительность каждой стадии – 2-4 сут при 32 °С. Для выращивания в пробирках используют твердую агаризованную питательную среду, а в колбах и кюветах – жидкую.

 
3. Ферментация может осуществляться  поверхностным или глубинным  способом. Заводы небольшой или  средней мощности используют  поверхностный способ. Глубинный  способ экономически выгоден  тогда, когда мощность завода  превышает 2500 т лимонной кислоты  в год.

3.1. При поверхностном  способе ферментация проводится  на открытых металлических кислотоустойчивых  кюветах высотой 7-20 см, в которых  мицелий продуцента развивается  на поверхности среды. Кюветы  размещаются на многоярусных стеллажах в специальных камерах при температуре 34-36 °С. В камеры подают стерильный кондиционированный воздух. Цикл брожения заканчивается через 8-9 сут. 
 
3.2. При глубинном способе мицелий гриба погружен в питательную среду в ферментаторах, туда же подается стерильный воздух. Длительность культивирования - 5-9 суток. 
 
4. По окончании ферментации мицелий отделяют от культуральной жидкости. При глубинной ферментации - фильтрованием на фильтрах, при поверхностной – вручную, предварительно слив жидкость с кювет.

11

5. Мицелий промывают, высушивают  и направляют для использования  в качестве добавки к животным  кормам. Фильтрованная культуральная жидкость (фильтрат) представляет собой водный раствор лимонной кислоты. В 1 литре фильтрата содержится 40-50 г лимонной кислоты. 

6. Лимонную кислоту выделяют  из культуральной жидкости в виде плохо растворимой соли – цитрата кальция, которая образуется при добавлении мела. Перевод лимонной кислоты в свободное состояние достигается при добавлении строго определенного количества Н₂SO₄ :

 
Цитрат кальция + Н₂SO₄ Цитрат + Гипс 
 
Гипс удаляют фильтрованием. Раствор лимонной кислоты осветляют активным углем, упаривают, сливают в кристаллизаторы, в которых постепенно снижают температуру. Выделившиеся кристаллы центрифугируют, промывают водой, сушат, фасуют.

Этапы технологии получения и выделения; очистка  и производство готовой формы  органических кислот ( на примере молочной кислоты)

Молочная кислота с 1881 г. производится промышленным способом с помощью  молочнокислых бактерий. Для промышленного  изготовления молочной кислоты пригодны только гомоферментативные молочнокислые бактерии, образующие до 98 % молочной кислоты. Применяемые штаммы Lactobacillus delbrueckii (дельбрюкки), L. bulgaricus не предъявляют высоких требований к питательной среде и за короткое время дают высокий выход молочной кислоты.  
 
Молочнокислые бактерии преобразуют в молочную кислоту самые разные углеводы, поэтому для промышленного получения этой кислоты используют мелассу, молочную сыворотку, глюкозу, мальтозу, сахарозу, лактозу, осахаренный крахмал и пр. В каждом случае подбирают наиболее подходящий продуцент. Для сбраживания глюкозы или мальтозы обычно применяют штаммы Lactobacillus delbrueckii, L. leichmannii или L. bulgaricus. Для сбраживания осахаренного крахмала используют смесь молочнокислых бактерий L. delbrueckii или с L. bulgaricus, или со Streptococcus lactis. При сбраживании мальтозы выход молочной кислоты выше при использовании L. bulgaricus или L. casei. 
 
В качестве основного сырья используют мелассу, картофельный осахаренный затор, которые разбавляют водой до определенной концентрации (12 %), вносят дополнительные источники аминного азота (свободные аминокислоты), витаминов и других биологически активных

12

веществ в виде кукурузного или  дрожжевого экстракта, или вытяжку  солодовых ростков (так как на молочнокислое брожение биологически активные вещества оказывают положительное  влияние).  
 
Молочную кислоту в промышленных условиях получают методом анаэробной глубинной ферментации. Концентрация сахара в среде должна быть 5-20 %, температура 44-50 ^оС, рН 6,3-6,5. Во время ферментации рН среды поддерживают, добавляя мел. Через 6-7 суток культивирования в среде остается 0,5-0,1 % сахаров и 11-14 % лактата кальция. Из 100 г сахаров получают 80-90 г лактата. Осадок мела и коллоиды отделяют фильтрацией. Фильтрат упаривают до концентрации 27-30 %, затем охлаждают до 25-30 ^оС и выдерживают в кристаллизаторах 36-48 ч. Кристаллы лактата отделяют центрифугированием. Молочную кислоту из лактата получают при помощи серной кислоты. Реакция идет при 60-70 ^оС в соответствии с уравнением: 
 
C a (C₃H₅O₃)₂ + H₂SO₄ CaSO₄ + 2C₃H₆O₃  
 
Для отделения ионов железа молочную кислоту (сырец) при температуре 65 ^оС обрабатывают желтой кровяной солью. Тяжелые металлы осаждают сульфатом натрия. Молочную кислоту обрабатывают активированным углем, фильтруют и фасуют. Конечный продукт - в виде жидкого концентрата молочной кислоты.

Этапы технологии получения и выделения; очистка  и производство готовой формы  органических кислот ( на примере уксусной кислоты)

Продуцентами уксусной кислоты  являются уксуснокислые бактерии рода Acetobacter. Эти бактерии приспособлены к сахаристым и спиртовым субстратам, растут при сильно кислых условиях (рН = 4,0). К быстроокисляющим бактериям относят высокопроизводственный штамм Acetobacter curvum (курвум). Недостатком этого продуцента является то, что он может терять свойство образовывать уксусную кислоту, поэтому его постоянно поддерживают в среде с высокой концентрацией спирта и уксусной кислоты и низкой концентрацией питательных веществ. 
 
В качестве сырья для получения пищевого уксуса используют виноградное вино, пивное сусло, мед, соки различных фруктов и ягод после спиртового брожения или водный раствор этилового спирта для получения белого уксуса. Кроме спирта среда содержит уксусную кислоту и минеральные соли N, P, S, Mn, K. Иногда добавляют источники витаминов в виде различных экстрактов. Уксусная кислота служит источником углерода и энергии для бактерий. 
Уксусная кислота стала первым микробиологическим продуктом, полученным с помощью иммобилизованных клеток.

13

 Этот способ может  быть непрерывным и периодическим.  В течение длительного времени  применяется адсорбирование уксуснокислых бактерий на древесной стружке, древесном угле, коксе и других субстратах. Пропуская раствор этанола через генераторы с иммобилизованными бактериями, получают 10-15 %-ный раствор уксусной кислоты. Из 100 л безводного спирта теоретически должно быть получено 103 л уксусной кислоты. На практике выход уксуса из 100 л этанола редко превышает 90 л, что связано с переокислением и неполным окислением этанола бактериями, а также с его испарением. 
 
В столовом уксусе содержится 5-9 % уксусной кислоты. Уксус с концентрацией кислоты 20-30 % получают путем вымораживания исходного раствора. Путем перегонки получают 70-80 %-ную уксусную кислоту, называемую уксусной эссенцией. Ледяная уксусная кислота содержит 98,0-99,8 % кислоты. 
 
Уксус, полученный при брожении, имеет приятные аромат и вкус, которые обусловливают побочные продукты брожения: сложные эфиры (этилацетат и другие), высшие спирты, органические кислоты. 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14

Использование готовых форм в промышленности.

1. Лимонная кислота используется в кондитерской промышленности для подкисления карамели, пастилы, вафель, так как она хорошо подчеркивает фруктовый вкус. Данную органическую кислоту в целях подкисления добавляют в мороженое, пищевые концентраты, маргарин, некоторые сорта колбас и сыра.

Лимонную кислоту применяют  для торможения образования меланоидинов в сгущенном молоке с сахаром, раствором ее промывают и дезодорируют жировое сырье, обрабатывают перед холодным хранением свежее мясо, рыбу, фрукты с целью стабилизации их цвета, вкуса и запаха. Соли лимонной кислоты используют для изготовления шампуней и других моющих средств, так как они стимулируют вспенивание и обеспечивают механическую устойчивость пен.

2. Молочную кислоту применяют для приготовления джемов, в которых она способствует хорошей консистенции. Молочная кислота как регулятор рН, улучшитель вкуса применяется в производстве многих сыров, квашении капусты, в сухом концентрате кваса. В хлебобулочном производстве молочная кислота и лактаты увеличивают объем мякиша и улучшают корку хлеба при использовании муки низкого качества. Способность лактатов удерживать влагу применяют в производстве колбас, сыров, детского питания. Молочную кислоту также используют для ускорения получения молочно-белкового сгустка при производстве творога.

3. Уксусную кислоту или  уксус широко используют в  пищевой промышленности. Уксус, полученный  микробиологическим путем (пищевая  уксусная кислота, столовый уксус), различается по сортам в зависимости  от характера сбраживаемого субстрата. Известен яблочный, виноградный, грушевый и другие сорта уксуса. 
 
Уксус также применяют для растворения органических красителей, при получении медикаментов, пластмасс и т.д.

 

 

 

15

Заключение

Нужно сказать, что органические кислоты - крайне важные для нашего организма растительные вещества. А основными источниками органических кислот являются всеми нами любимые фрукты и овощи.

Органические кислоты не относят к незаменимым веществам. Однако после приема многих из них, особенно яблочной, лимонной и уксусной, повышается выделение желудочного сока, улучшается процесс пищеварения, а также моторика желудочно-кишечного тракта. Под действием органических кислот снижается рН (показатель кислотности) среды внутри кишечника. Благодаря этому подавляется рост патогенной гнилостной микрофлоры.

В составе фруктов содержатся также соли органических кислот, которые  обладают щелочной активностью. Эти  соли нейтрализируют целый ряд кислых продуктов, которые образуются в процессе обмена веществ в клетках, тканях и органах человека. Это способствует дезинтоксикации недоокисленных продуктов, а также шлаков при сахарном диабете, патологиях почек и отравлениях. Яблочная и лимонная кислоты способствуют активному "сгоранию" липидов и понижают уровень холестерина в крови. Это имеет большое значение в качестве профилактики атеросклероза.

 Чтобы улучшить и  получить новые виды промышленных  и пищевых  продуктов и решить  проблемы дефицита продуктов  питания, повышения их качества  и разработки новых пищевых  продуктов осуществляется  с помощью биотехнологических методов.

Именно биотехнологическими методами получают, выделяют, очищают органические кислоты. И в дальнейшем получают готовые продукты для использования в разных областях промышленности. Для пищевой промышленности, косметической промышленности, химической промышленности, фармацевтической промышленности , легкой промышленности  и т.д.

 

 

 

16

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

http://www.biotechnolog.ru/prombt/prombt2_6.htm

http://ru.wikipedia.org/wiki/

Биотехнология органических кислот и белковых препаратов: учебное  пособие / Е.И. Муратова, О.В. Зюзина, О.Б. Шуняева. – Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2007. – 80 с. – 100 экз. – ISBN 978-5-8265-0655-4.

http://rudocs.exdat.com/docs/index-63524.html?page=3

http://www.kristallikov.net/page57.html

http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1077174

Н.О. МЧЕДЛОВ-ПЕТРОСЯН. ДИФФЕРЕНЦИРОВАНИЕ  СИЛЫ ОРГАНИЧЕСКИХ

КИСЛОТ В ИСТИННЫХ И  ОРГАНИЗОВАННЫХ РАСТВОРАХ. ХАРЬКОВ: ИЗД-ВО

ХАРЬКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА, 2004. 326 С.

 

Кроссворд на тему : « Органические кислоты, и их получения ».

                                                                                                           6

8
9                 1              10								7
				4
												2
							3
5