Біологічний синтез лимонної, оцтової та ітаконової кислоти

Способи, процес і головні методи біологічного синтезу лимонної кислоти та її продуцентів. Циркуляційний, глибинний та неперервний комбінований способи біосинтезу оцтової кислоти. Вбираюча здатність наповнювачів. Процес синтезу ітаконової кислоти.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

[Введите текст]

ВСТУП

Біотехнологія є однією з найбільш перспективних і прогресуючих галузей науково-технічної і промислової діяльності. З її розвитком пов'язано вирішення ряду важливих соціальних, сировинних, продовольчих і екологічних проблем. Світовий бізнес в біотехнологічній галузі переживає період підвищення інвестиційної активності в науковій, освітянській та промисловій сферах, стрімко зростає ринок біотехнологічної продукції медичного, сільськогосподарського та харчового призначення.

Органічні кислоти, зокрема, лимонна, оцтова та ітаконова є одними з основних підкислювачів у харчовій промисловості, їх частка становить близько 95% обсягу з всіх вироблених підкислювачів. Особливо широко вони використовуються у виробництві консервних продуктів, безалкогольних напоїв тощо.

Розширюється сфера застосування лимонної та ітаконової кислот в технічних цілях - в хімічній, текстильній, шкіряній, металургійній та інших галузях промисловості. Попит на них безперервно зростає, але в колишніх соціалістичних країнах він задовольняється вкрай слабко, тому в даний час організовуються нові виробничі потужності з випуску цих цінних продуктів.

Лимонну, оцтову та ітаконову кислоту виробляють головним чином шляхом мікробного синтезу, який є важливою галуззю біотехнології. Актуальними на сьогодні є питання модифікації існуючих та знаходження нових продуцентів лимонної, оцтової та ітаконової кислот, впровадження сучасних досягнень біотехнології в область біосинтезу органічних кислот.

На сьогодні описані теоретичні і практичні основи мікробного синтезу і механізми регуляції біосинтезу органічних кислот, їх зв'язок із загальною фізіологією мікробних клітин.

У роботах ряду авторів висвітлено багаторічний досвід промислового біосинтезі лимонної, оцтової та ітаконової кислот. Так, загальнотеоретичні аспекти біологічного синтезу органічних кислот представлені у працях А.І. Божкова [4], У.Е. Вієстура, І.А. Шміте та А.В. Жилевича [7], Л.М Гінодмана [9], В.П. Беженара й О.М. Хацевича [12], М.Н. Маненкова і Д.Г. Победенського [15] та інших. Мікробіологічному процесу отриманню власне лимонної кислоти присвя-чені роботи таких вчених, як В.М. Фалес, О.В. Хіврич і А.М. Литвиненко [1], О.А. Васильченко та О.О. П'янкова [6], Л.М. Глазунова і Т.В. Фіногенова [10]. Виробництво оцтової кислоти шляхом біосинтезу розглянуте С.С. Левушем та Ю.В. Кіт [11], Я.В. Ластов'яком у співавторстві з Н.С. Караман, М.С. Полутаренко, Ю.А. Паздерським [20], П.П. Борисовим та М.Д. Пукишем [23]. Проблем біологічного синтезу ітаконової кислоти у своїх роботах торкалися Л.І. Воробйова [8], Р.Я. Каркліньш та A.K. Пробок [13], Є.І. Муратова [16], Л.Л. Товажнянський [22] та ін.

Мета дослідження - вивчити особливості процесів біологічного синтезу лимонної, оцтової та ітаконової кислот, які є характерними для сучасних промислових процесів.

Об'єкт дослідження - лимонна, оцтова й ітаконова кислоти як продукти біологічного синтезу.

Предмет дослідження - особливості процесів біологічного синтезу лимонної, оцтової та ітаконової кислот.

Відповідно до мети, об'єкта і предмета дослідження визначено наступні його завдання:

проаналізувати способи, процес і методи біологічного синтезу лимонної кислоти, її продуцентів;

охарактеризувати циркуляційний, глибинний та неперервний комбінований способи біосинтезу оцтової кислоти;

дослідити продуценти та основні стадії біосинтезу ітаконової кислоти.

Методи дослідження. У процесі виконання поставлених у роботі завдань використовувалися методи аналізу наукової і методичної літератури, синтетичний і дедуктивний методи та метод порівняння.

1. ТЕОРЕТИЧНІ ЗАСАДИ БІОЛОГІЧНОГО СИНТЕЗУ ОРГАНІЧНИХ КИСЛОТ

1.1 Характеристика лимонної кислоти та способів її отримання

До початку двадцятих років минулого століття лимонну кислоту отримували з соку лимонів, таким чином задовольнялося близько трьох чвертей світової потреби в ній (вихід лимонної кислоти з однієї тонни лимонів становить 25 кг). Виробництво лимонної кислоти методом ферментації за участю грибів - давно відомий (з 1893 р.) біотехнологічний процес. Як продукт ферментації лимонна кислота займає друге місце за об'ємом виробництва у світі (400 тис. тонн на рік, що в грошовому еквіваленті становить близько 325 млн євро), поступаючись лише промисловому спирту [6, c. 100].

Незважаючи на значний прогрес у сфері органічного синтезу, на сьогодні лимонну кислоту отримують мікробіологічним синтезом, а саме шляхом лимоннокислого бродіння солодких відходів цукрового виробництва - патоки (меляси), спричиненого пліснявими грибами роду Aspergillus niger, тому виробництво часто розташовують спільно з виробництвом цукру. Харчова промисловість традиційно є основним споживачем виробленої таким чином кислоти, оскільки продукти природного бродіння мають переваги порівняно з хімічно синтезованими та не містять токсичних для організму людини домішок. Лимонна кислота є широковживаною нешкідливою харчовою добавкою (Е330), крім того, її застосовують у медицині, кондитерській промисловості, друкарській справі тощо [1, c. 92].

Одним з головних завдань у виробництві лимонної кислоти є досягнення її високого виходу.

Технологія виробництва кислоти застосовує різні джерела вуглецю та способи культивування мікроорганізмів (поверхневий та глибинний, періодичний та неперіодичний). Багато мікроорганізмів нагромаджує лимонну кислоту, зокрема види Aspergillus awamori, A. fenicis, A. fonsecaeus, A. luchensis, A. fumaricus, A. wentii, A. saitoi, A. usami, A. phoenicus, A. lanosus, A. foetidus, A. flavus. У промисловому виробництві лимонної кислоти широко застосовують гриби A. niger, оскільки цей вид дає високий вихід цільового продукту, з ним легко працювати, він відносно недорогий і цим самим робить виробничий процес економічно вигідним. Проте необхідно взяти до уваги, що до A. niger належить багато штамів, що відрізняються один від одного за своєю морфологією та біохімічними характеристиками: кольору спор та міцелію, розміру та кількістю спор, розміру міцелію, утилізації субстрату, ферментаційному часу, здатності продукувати ли-монну кислоту на різних субстратах [6, c. 103].

Промислове виробництво лимонної кислоти можна розглядати як процес, що складається з двох етапів - росту міцелію гриба та синтезу лимонної кислоти. На кожному з етапів культура чутлива до різних фізико-хімічних факторів, таких як склад та співвідношення компонентів середовища, аерація, pH середовища, температура тощо. Ефективний вплив тих або інших факторів, що стимулюють утворення лимонної кислоти грибом А.niger, значною мірою визначається фізіолого-біохімічними особливостями самої культури, а також технологічними параметрами процесу культивування [6, c. 106].

Пригнічення синтезу в повноцінних поживних середовищах, що містять всі необхідні для росту і розвитку культури компоненти мінерального живлення, та активування синтезу в умовах лімітації середовища за певними компонентами свідчать про великі можливості культури до саморегуляції метаболізму залежно від умов культивування.

Біотехнологія отримання лимонної кислоти за участю мікроорганізмів охоплює такі основні етапи:

отримання посівного матеріалу;

підготовка сировини до ферментації;

підготовка та стерилізація повітря;

ферментація;

відокремлення біомаси продуцента від культуральної рідини;

екстракція лимонної кислоти з культуральної рідини та отримання її у вигляді кристалів [10, с. 446].

Промислове виробництво лимонної кислоти можна здійснювати трьома різними способами: поверхневим культивуванням грибів, глибинним культивуванням і твердофазною ферментацією, що має назву «процес Коджі».

Поверхневий спосіб культивування є найпростішим. Він передбачає застосування стерильного рідкого середовища. Приготування середовища відбувається у спеціальних чанах. Після стерилізації та охолодження середовище подається насосами до кювет завтовшки 12-18 см. Кювети розташовуються на стійках в асептичних ферментаційних камерах, де контролюються такі параметри: температура, початкове та кінцеве значення рН, час проростання спор, час ферментації, вологість повітря. За допомогою спеціального обладнання шляхом розпилювання до середовища додають посівний матеріал - спори A. niger. Спори проростають і утворюють плівку міцелію. Через добу тонка плівка міцелію набуває сіро-білого кольору. За декілька днів вона стає товстішою. Початкова температура підтримується в діапазоні 28-30°С, відносна вологість становить 40-60 %. У період активного росту міцелію температура повинна бути в діапазоні 34-35°С за помірної аерації. У період активного утворення лимонної кислоти температура знижується до 32-34 °С, а подача кисню збільшується в 3-4 рази. Початкове значення рН середовища становить 5,0-6,0, а кінцеве - 1,0-2,0. Процес ферментації становить 8-12 днів, після чого культуральна рідина відділяється від біомаси гриба та використовується для екстракції лимонної кислоти [10, с. 448].

За глибинного культивування процес ферментації відбувається у спеціальних біореакторах з мішалкою (ферментерах). Низьке значення рН під час ферментації та сама лимонна кислота спричинюють корозію, тому внутрішня частина біореактора виготовляється з матеріалу, стійкого до корозії.

Важливою умовою у виборі біореактора для виробництва лимон...