Реферат: Глубинная ферментация лимонной кислоты

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

<img src="/cache/referats/24222/image001.gif" v:shapes="_x0000_s1226 _x0000_s1227 _x0000_s1228 _x0000_s1229 _x0000_s1230 _x0000_s1231 _x0000_s1232 _x0000_s1233 _x0000_s1234 _x0000_s1235 _x0000_s1236 _x0000_s1237 _x0000_s1238 _x0000_s1239 _x0000_s1240 _x0000_s1241 _x0000_s1242 _x0000_s1243 _x0000_s1244 _x0000_s1245">ВВЕДЕНИЕ

Лимонная кислота является основным подкислителем. Ее доля составляет около 75% объема всехпроизводимых подкис лит елей. Особенно широко она используется в производствебезалкогольных напитков, которым придает фруктовые и ягодные запахи и вкус.

Расширяется сфера применения лимонной кислоты втехнических целях — в химической, текстильной, кожевенной,металлургической и других отраслях промышленности. Спрос на лимонную кислотунепрерывно растет, но в бывших социалистических странах он удовлетворяетсякрайне слабо, поэтому в настоящее время организуются новые производственныемощности по выпуску этого ценного продукта.

Лимонную кислоту производят главным образом путеммикробного синтеза, который является важной отраслью биотехнологии. Настоящийотчет посвящен микроорганизмам—продуцентам лимонной кислоты и современнымдостижениям биотехнологии в области биосинтеза органических кислот. Описанытеоретические основы микробного синтеза и механизмы регуляции метаболизмаорганических кислот, их связь с общей физиологией микробных клеток. В работеотражен многолетний опыт авторов в промышленном биосинтезе органических кислот.Описываются способы утилизации отходов производства лимонной кислоты с цельюполучения ценных кормовых продуктов.

Лимоннаякислота НООС-СН2С(ОН) -СООН-СН2-СООН является моноокситрикарбоновой кислотой, кристаллизующейся из водныхрастворов с одной молекулой воды (моногидрат лимонной кислоты) в видебесцветных прозрачных ромбообразных кристаллов .Моногидратнаялимонная кислота имеет молекулярную массу 210, плотность 1,540 г/см3и температуру плавления 70—75 СС. Кристаллизационная вода теряетсяпри хранении и интенсивно выделяется при температурах, превышающих 40—50 °С.При 100 °С вода теряется полностью.

Притемпературе кристаллизации 36,6 °С и выше выделяется безводная лимонная кислотас молекулярной массой 192 и температурой плавления 153 °С. При нагревании до175 °С лимонная кислота разлагается.

Лимоннаякислота хорошо растворяется в воде (1460 г/л при 20 °С) и умеренно — в этаноле(620 г/л при 25 °С).

СН2СООН

|

НО—С—СООН

I

СНзСООН

Солилимонной кислоты — цитраты — имеют низкую водораство-римость.

Лимоннаякислота широко распространена в природе. Особенно много ее в незрелых фруктах иягодах (лимоны, клюква, яблоки, виноград, брусника и др.),

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

<img src="/cache/referats/24222/image002.gif" v:shapes="_x0000_s1246 _x0000_s1247 _x0000_s1248 _x0000_s1249 _x0000_s1250 _x0000_s1251 _x0000_s1252 _x0000_s1253 _x0000_s1254 _x0000_s1255 _x0000_s1256 _x0000_s1257 _x0000_s1258 _x0000_s1259 _x0000_s1260 _x0000_s1261 _x0000_s1262 _x0000_s1263 _x0000_s1264 _x0000_s1265">где лимонная кислота является естественнымконсервирующим агентом.

Продуценты лимонной кислоты

Послепервых публикаций К.Вемера о способностях микромицетов синтезировать органические кислоты, в том числелимонную, многие микробиологи стали тщательно изучать физиологию грибов и ихбиосинтетические способности. Многочисленные проверки показали явно выраженныйпотенциал сверхсинтеза лимонной кислоты у целогоряда микромицетов, дрожжевых грибов и бактерий. Взависимости от химической природы окисляемого субстрата (свекловичная,тростниковая, цитрусовая или финиковая меласса, сок сахарного тростника,гидрол, гидролизаты крахмала, багасса,сахароза, глюкоза, парафины и много других субстратов) в качестве продуцентовлимонной кислоты в более или менее широких масштабах используют микромицеты, принадлежащие к родам Aspergillus, Penicillium, Trichodermaи Botrytis, дрожжевыегрибы родов Candida, DelaromycesиTorulopsis, а такжебактерии родов Arthrobacterium, PseudomonasиMicrococcus.

Детальноизучены многочисленные представители аспергиллов, особенно Aspergillusawamori, A.aureus, A.clavatus, A.glaucus, A.niger.

Самымшироко распространенным продуцентом лимонной кислоты является микромицет Aspergillusniger, физиология и механизм биосинтеза лимонной кислотыкоторого наиболее изучены.

Внастоящее время для биосинтеза лимонной кислоты в качестве основного сырьяшироко используют мелассу — отходы сахароперерабатывающейпромышленности. В зависимости от исходного материала различают свекловичную,тростниковую, цитрусовую и другие виды мелассы. На международном рынкеежегодна продается 30—35 млн. т этого сырья. В России ежегодный объемпроизводства мелассы составляет 3 млн. т. Хотя меласса в основном используетсядля кормовых целей, ее широко применяют также в микробиологическойпромышленности.

Свекловичнаямеласса характеризуется высоким содержанием 'Сахаров (46—55%), из которыхпреобладает сахароза. Меласса имеет сложный и непостоянный химический состав. Онасодержит коллоиды, органические кислоты, витамины, белки и свободные.аминокислоты, сложный спектр минеральных веществ (табл. 4.8— 4.10). Изнелетучих органических кислот в мелассе могут присутствовать, %: лимонная —0,01—0,5; глюконовая — 0,5—1,0; яблочная — 0,1—0,5;янтарная — 0,1—0,7.

Хорошосбраживаемая меласса должна содержать не более 1% инвертного сахара и не более 1% СаО и 0,06,% сернистого газа

(добавляемого в мелассу в качествеконсервирующего агента) при общем содержании сухих веществ не менее 75% иСахаров не менее 46,% приневысоком содержании живыхмикроорганизмов.

Взоле свекловичной мелассы много калия, магния, железа, но относительно малофосфора.

Химическийсостав мелассы зависит от климатических и почвенных условий

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

<img src="/cache/referats/24222/image003.gif" v:shapes="_x0000_s1266 _x0000_s1267 _x0000_s1268 _x0000_s1269 _x0000_s1270 _x0000_s1271 _x0000_s1272 _x0000_s1273 _x0000_s1274 _x0000_s1275 _x0000_s1276 _x0000_s1277 _x0000_s1278 _x0000_s1279 _x0000_s1280 _x0000_s1281 _x0000_s1282 _x0000_s1283 _x0000_s1284 _x0000_s1285">выращивания сахарной свеклы, применяемых минеральныхудобрений, времени уборки урожая (поздние сроки уборки отрицательно влияют накачество мелассы), технологических нюансов переработки сахарной свеклы,условий транспортировки и хранения мелассы.

Производствомелассы связано с сезонными доставками сырья. В производстве лимонной кислотынаилучшие результаты дает зрелая, выдержанная меласса. Важное значение имеютдлительность хранения мелассы и наличие герметически закрытых емкостей — мелассохранилищ с пневматическим перемешиванием (дляпредотвращения расслоения), насосами, устройствами для подачи и забора мелассыиз разных горизонтальных хранилищ.

Впоследнее десятилетие качество мелассы ухудшается под влиянием рядадополнительных факторов, связанных с техническим прогрессом. Широкоприменяемые в сельском хозяйстве ядохимикаты и минеральные удобрения могутоставлять определенные отрицательные следы в сельскохозяйственной продукции, вчастности в мелассе, где обнаружены инсектициды, например фосфорорганический инсектицидмалатилон (до 90 мг в 1 кг мелассы), оказывающийингибирующее влияние на биосинтез лимонной кислоты .

Вмелассе установлено присутствие некоторых фунгицидов (трилон,мертрилан и др.). Данные о влиянии фунгицидов набиосинтез лимонной кислоты неоднозначны. Некоторые авторы утверждают, что рядфунгицидов подавляет активность ферментов изоцитрат — и сукцинатдегидрогеназы и тем самым способствуетбиосинтезу лимонной кислоты, во всяком случае у дикорастующихкультур Aspergillusniger.По данным других авторов, фунгициды отрицательно влияют на ацидогенез.

Обнаруженоугнетение синтеза белка в клетках Aspergillusnigerпод действиемртутьорганического фунгицида мертрилана. В результатеего воздействия на ферменты ЦТК (в частности на малат-,изоцитрат — и сукцинатдегидрогеназы)резко понижаются интенсивность дыхания клеток и активность терминальных оксидо-редуктаз, особенно цитохромоксидазы.Фунгицид трилан (4,5,6-трихлорбензоксазолидон) такжеотрицательно влияет на метаболизм микромицета Aspergillusniger, помеханизм его воздействия другой .

Всеисследованные фунгициды подавляют интенсивность дыхания, тормозятсинтез белка, нарушают проницаемость цитоплазматических мембран .

В мелассе нередко обнаруживается присутствие детергентов.Ихвлияние на микроорганизмы изучено слабо. Установлено изменение проницаемостиклеточной мембраны Aspergillusnigerи как следствие — повышенная гидроксилазная активность культуры.

Способ культивирования

Успехи глубинной ферментации в производствеантибиотиков побудили производителей лимонной кислоты искать пути глубинногокультивирования ее продуцентов. В СССР первой глубинное культивированиепродуцентов лимонной кислоты освоила группа исследователей под руководством Г.И. Журавского в 50-е гг., применяя синтетические сахарозные среды и специально

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

<img src="/cache/referats/24222/image004.gif" v:shapes="_x0000_s1286 _x0000_s1287 _x0000_s1288 _x0000_s1289 _x0000_s1290 _x0000_s1291 _x0000_s1292 _x0000_s1293 _x0000_s1294 _x0000_s1295 _x0000_s1296 _x0000_s1297 _x0000_s1298 _x0000_s1299 _x0000_s1300 _x0000_s1301 _x0000_s1302 _x0000_s1303 _x0000_s1304 _x0000_s1305">селекционированныйдля глубинного культивирования штамм Aspergillusniger{. В качестве сырья дляглубинной ферментации лимонной кислоты может быть использован широкий наборприродных субстратов: меласса, глюкоза, сахароза, жидкие парафины и другиеисточники углерода .

Технологияглубинного культивирования продуцентов лимонной кислоты представляет собой явновыраженный двухступенчатый процесс. Первая ступень включает выращиваниепосевного материала из конидиоспор в посевной среде(на качалке и в посевном аппарате) при 32—33 °С в условиях хорошей аэрации(0,8—1,0 объема воздуха на 1 объем среды в минуту) и при непрерывном перемешиваниисреды. Продолжительность культивирования на стадии выращивания посевногоматериала — 2 сут (1 сут —на качалке, 1 — на посевном аппарате).

Сказанноепринципиально не исключает непосредственного применения конидиоспорв качестве посевного материала для ос-

новнойферментации, однако это существенно удлиняет цикл ферментации: с 7—8 до 12—13 сут .

Основнуюферментацию в глубинных условиях осуществляют в производственном биореакторе при коэффициенте его заполнения 0,75—0,80 иколичестве посевного материала 5—8% от объема ферментируемой среды. Начальнаяконцентрация Сахаров — 10— 14%, часто применяют подкормку свежей средой,особенно в случаях применения мелассных сред.Регуляции рН среды не требуется, но посколькулимонная кислота очень коррозионна и дляферментационного оборудования необходима устойчивая к коррозии сталь, то длясмягчения коррозионное практикуют подщелачивание ферментируемого субстрата до рН 3,8—4,2.

Процессферментации имеет черты двух фаз, или стадий: формирования биомассы икислотообразования.

Дляфазы роста биомассы характерно объединение молодого мицелия в шарообразныеагломераты, формирование которых продолжается до 70—80 ч ферментации.Некоторая часть гиф остается в свободном виде.

Вовремя интенсивного роста потребность продуцента в молекулярном кислородесоставляет до 1 кг па каждый кубометр ферментируемого субстрата в час. В фазебиосинтеза лимонной кислоты потребность в кислороде в некоторой степениснижается и составляет 0,5—0,6 кг 02/м3-ч. Для обеспечениямассопередачи кислорода в ферментируемый субстратвводится стерильный воздух в количестве 0,8—1,0 объема на 1 объем среды вминуту, одновременно с помощью мешалки создается циркуляция среды со скоростью,соответствующей 1,2—1,5 м/с вдоль стенки ферментатора.Насыщение среды кислородом в начальной фазе ферментации должно составлять20—25,% от полного насыщения, в фазе биосинтеза лимонной кислоты — 10—15,%.Для обеспечения массооб-меиа молекулярного кислороданеобходим расход электроэнергии в количестве 1,8—2,2 кВт на 1 м3среды.

Температурныережимы в ферментируемом субстрате дифференцированы: в фазе роста биомассы —32—33 °С, в фазе кислотообразования — 30—31 °С.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

<img src="/cache/referats/24222/image005.gif" v:shapes="_x0000_s1306 _x0000_s1307 _x0000_s1308 _x0000_s1309 _x0000_s1310 _x0000_s1311 _x0000_s1312 _x0000_s1313 _x0000_s1314 _x0000_s1315 _x0000_s1316 _x0000_s1317 _x0000_s1318 _x0000_s1319 _x0000_s1320 _x0000_s1321 _x0000_s1322 _x0000_s1323 _x0000_s1324 _x0000_s1325">В зависимости от особенностей используемого мутанта Aspergillusnigerприменяют разные варианты технологических режимовглубинной технологии.

1. ХАРАКТЕРИСТИКА КОНЕЧНОЙ ПРОДУКЦИИ ПРОЕКТИРУЕМОГО ПРОИЗВОДСТВА

1.Техническое наименованиепродукта – лимонная кислота (чистота 99,9%).

2. Лимонная кислота будет выпускаться в соответствии стребованиями ГОСТ 908—79.

3.Лимонную кислоту получаютиз культуральной жидкости при глубинномкультивировании микроскопического гриба Aspergillusnigerспоследующим отделением биомассы.

Химические показатели лимонной кислоты

Нормы для сортов

Показатели

экстра

высший

первый

Массовая доля лимонной кислоты в

пересчете на моногидрат, %

не менее

99,5

99,5 99,5

не более

101,0

Не нормируется

Цвет, единицы показателя цветности

6 10

раствора йодной шкалы, не более

Массовая доля, %, не более

золы

0,07

0,10 0,35

свободной серной кислоты

0,01

0,01 0,03

мышьяка

0,00007

0,00007 0,00007

Проба

на свинец, медь, цинк, олово с се-

Выдерживает анализ

роводородом

на оксалаты с ацетатом кальция

То же

на барий с серной кислотой

на ферроцианиды с хлорным железом

Выдерживает

анализ

Не нормируется

на сульфаты с хлоридом бария

Массовая доля сульфатной золы, %,

0,1

То же

не более

Проба на легкообугливающиеся ве-

Выдерживает ана

лиз »

ществас серной кислотой

Проба на железо с 1,10-фенантроли-

То же

яом

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Лимоннаякислота по качеству должна соответствовать показателям, предусмотренным ГОСТ908—79. Это должны быть бесцветные кристаллы или белый порошок, без«комков, для кислоты Iсортадопускается желтоватый оттенок, вкус кислый, без постороннего привкуса, 2%-ныйраствор кислоты

в дистиллированной воде должен не иметьзапаха, быть прозрачным и не содержать механических примесей, структура —сыпучая,сухая, наощупь не липкая, без посторонних примесей.

Зарубежом лимонную кислоту классифицируют по величине кристаллов на ситовыхаппаратах. Большое внимание обращают на легкообугливающиесявещества, дающие окраску при нагревании в течение определенного времени сконцентрированной серной кислотой при температуре 90 °С. Они вызываются следамиорганических соединений — сахара, оксиметилфурфурола,других альдегидов и спиртов, за исключением цис — и трансаконитовой, изолимонной, щавелевой, янтарной иолеиновой кислот, эритрита, ксилита и сорбита [93].

Дляудаления легкообугливающихся веществ предложено многоспособов: выделение цитрата кальция в присутствии 10 % пероксидаводорода к количеству лимонной кислоты; нагревание до кипения растворовлимонной кислоты после отделения гипса в сочетании с обработкой пероксидом водорода; добавление к раствору лимоннойкислоты перед кристаллизацией борной кислоты в количестве 0,1—0,3 % по массераствора, экстракция фреоном и др.

^Наиболееэффективным способом очистки кристаллов лимонной кислоты от'всехпримесей является перекристаллизация. Лимонная кислота сорта экстра по всемпоказателям и нормам соответствует данным Британской фармакопеи 1968 г.

Лимоннаякислота выпускается только в упакованном виде: реализуемая через розничную сеть—в мелкой фасовке массой нетто 10—100 г; предназначенная для предприятийпищевой и других отраслей промышленности — в крупной фасовке массой нетто 10—40кг. При фасовке допускаются отклонения по массе нетто, не превышающие при масседо 50 г ±4 %, от 50 до ПО г +3 %. При упаковке кислоты в ящики и мешкидопускаются отклонения, не превышающие ±0,5 %.

Мелкаяфасовка должна проводиться в пакеты из «пищевой» нестабилизи-рованнойполиэтиленовой пленки марки Н, толщиной не менее 0,08 мм; из эти-кетировочной бумаги односторонней гладкости,ламинированной с внутренней стороны полиэтиленом высокого давления или пачки избумаги марки Е по ГОСТ 7247—73 с внутренним вкладышем из подпергаментамарки П-3. Пакеты и пачки оформляют красочными рисунками и надписями (товарныйзнак или «аименование предприятия-изготовителя и егоподчиненность, наименование продукции и ее сорта, дата выработки, масса нетто,цена, обозначение настоящего стандарта). Пакеты и пачки с кислотой должныупаковываться в ящики из гофрированного картона № 13 массой нетто не более 10кг.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

<img src="/cache/referats/24222/image007.gif" v:shapes="_x0000_s1346 _x0000_s1347 _x0000_s1348 _x0000_s1349 _x0000_s1350 _x0000_s1351 _x0000_s1352 _x0000_s1353 _x0000_s1354 _x0000_s1355 _x0000_s1356 _x0000_s1357 _x0000_s1358 _x0000_s1359 _x0000_s1360 _x0000_s1361 _x0000_s1362 _x0000_s1363 _x0000_s1364 _x0000_s1365">Крупная фасовка проводится в льно-джуто-кенафныетканевые мешки или льняные продуктовые массой нетто не более 40 кг, в ящики изгофрированного картона. Внутрь мешков или ящиков должны вставляться мешки-вкладышииз полиэтиленовой пленки, которые после заполнения кислотой герметическизакрывают путем сварки. Допускается завязка увязочнымшпагатом из лубяных волокон. Верхние швы тканевых наружных мешков зашиваютмашинным способом льняными нитками или вручную — увязочнымшпагатом из лубяных волокон.

Привнутригородских перевозках допускается упаковка кислоты в бумажныенепропитанные открытые трехслойные мешки с внутренним мешком-вкладышем изполиэтиленовой пленки массой нетто не более 25 кг; в ящики из гофрированногокартона, выстланные подпергаментом марки П-3,полностью покрывающим всю внутреннюю поверхность тары.

Транспортнуютару маркируют с нанесением манипуляционного знака «Боится сырости».

Наряде заводов крупная фасовка лимонной кислоты механизирована: установлены полуавтоматическиевесы, зашивочные машины и транспортное оборудование.

ФирмаAmericanAssociationofCerealChemistInc. выпускаетлимонную кислоту в капсулах, которые защищают другие ингредиенты пищи откислоты. Капсулы изготовляют трех типов: из частично гидрогенизированногорастительного масла, мальтодекстрина и эмульгатора.Первый тип разрушается пои температуре плавления оболочки, второй — прирастворении в воде, третий — при нагревании в воде.

Преимуществомтакой формы упаковки лимонной (и Других пищевых кислот) являетсяконтролируемая скорость освобождения кислоты из капсулы, равномерноераспределение кислоты по всему объему без образования комков Пищевые кислоты вкапсулах применяют в кулинарии — для увеличения срока хранения пудингов иначинок для пирогов, предотвращая реакцию между кислотой и крахмалом во времяхранения, для увеличения срока хранения теста и т. д.

Лимоннаякислота в крупной фасовке должна храниться в закрытом помещении на деревянныхстеллажах или поддонах при относительной влажности воздуха не выше 70 %.Гарантийный срок хранения лимонной кислоты — 6 мес содня изготовления; при упаковке в ящики из гофрированного картона с внутреннимвкладышем из подпергамента — 3 мес.

Дляхранения кристаллической кислоты большое значение имеет гигроскопичность. Подгигроскопичностью понимают свойство веществ поглощать водяные пары из воздуханезависимо от характера связывания ими влаги.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

<img src="/cache/referats/24222/image008.gif" v:shapes="_x0000_s2168 _x0000_s2169 _x0000_s2170 _x0000_s2171 _x0000_s2172 _x0000_s2173 _x0000_s2174 _x0000_s2175 _x0000_s2176 _x0000_s2177 _x0000_s2178 _x0000_s2179 _x0000_s2180 _x0000_s2181 _x0000_s2182 _x0000_s2183 _x0000_s2184 _x0000_s2185 _x0000_s2186 _x0000_s2187">3.Аппаратурная схема производства и экспликация

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Наименование

Количество единиц

Материал рабочей зоны, способ защиты

Техническая характеристика

ПМ

РС