Промышленная биотехнология

Органические кислоты

Более пятидесяти органических кислот получают биотехнологическим синтезом: молочную, масляную, пропионовую, глюконовую, винную, уксусную, лимонную, янтарную, яблочную, фумаровую и другие.

Продуцентами являются мицелиальные грибы разных родов, особенно, Aspergillus и Penicillium, которые широко распространены.

В качестве сырья и источника углерода используются углеводы: сахар, глюкоза, свекловичная и тростниковая мелассы, различные гидролизаты, этиловый спирт, жидкие парафины нефти.

Лимонная кислота С6Н807 — трехосновная: оксикислота, широко распространена в плодах и растениях. Применяется в пищевой и фармацевтической промышленности, в косметике.

Технические области применения — гальванотехника, дубление и окраска кож, мехов, изготовление СМС и алкидных смол.

Мировое производство биотехнологическим методом составляет 400 тыс. т. в год.

Лимонную кислоту продуцируют различные штаммы Aspergillus niger, которые имеют разную скорость роста, легкость культивирования и дают разный выход кислоты.

Механизм химических превращений, при которых глюкоза превращается в лимонную кислоту, хорошо изучен (рис. 4.3). Под действием ферментов A. niger из глюкозы вначале образуется две молекулы пирувата. Затем под действием пируват- дегидрогеназы одна молекула пирувата декарбоксилируется, образуя ацетил — КоА, а вторая при декарбоксилировании переходит в оксалоацетат. Далее под контролем цитратсин- тазы оксалоацетат и ацетил-КоА сливаются, образуя молекулу лимонной кислоты.

При подавлении процесса размножения A. niger выход близок к теоретическому.

Условия культивирования:

  • • содержание углеводов в питательной среде 5—20 % (поверхностный способ 12—16 %, глубинный 4 %);
  • • лучший субстрат — сахароза или меласса;
  • • источники азота, фосфора (калий фосфат), макро- и микроэлементы (Zn, Mg, К и др.);
  • • избавляться от Fe и других тяжелых металлов осаждением желтой кровяной солью.

Выход до 1,25 кг лимонной кислоты в сутки с 1 м2 при поверхностном культивировании и до 12 кг/м3 — при глубинном.

Схема биосинтеза лимонной кислоты

Рис. 4.3. Схема биосинтеза лимонной кислоты

Кофермент А — пантотеновая кислота — KoASH действует как промежуточный акцептор и переносчик различных кислотных остатков, которые подвергаются в составе ацетил КоА различным превращениям или передаются в неизменном виде на определенные метаболиты. Во всех случаях KoASH связан с ацильными остатками тиоэфирной связью.

Культивирование

Культивирование на поверхности твердой фазы осуществляется в неглубоких лотках на поверхности влажных отрубей, риса или пшеницы. По окончании процесса кислота вымывается водой, а затем осаждается в виде кальциевой соли.

Поверхностное культивирование в жидкой среде осуществляется в бродильных камерах со стеллажами для кювет.

Слив и заполнение кювет производится через штуцеры на дне кювет. Камера имеет устройства для подачи нагретого стерильного воздуха. Стерилизованные кюветы заливаются культуральной жидкостью, засеиваются спорами гриба. Растущий мицелий покрывает пленкой поверхность (t = = 34—36°С и затем 32—34°С). Через 4 суток подачу воздуха увеличивают (интенсивный рост), а затем опять снижают.

По окончании процесса жидкость сливают и извлекают из нее кислоту.

Из пленки гриба извлекают фермент пектиназу или используют на корм животным.

Лимонную кислоту извлекают в виде Са-соли путем обработки известью. Цитрат кальция разлагают серной кислотой: Са36Н507)2 + 3H2S04 = 2С6Н807 + 3CaS04 После очистки раствор упаривают в две стадии до концентрации 80 %.

Кристаллизацию и сушку проводят при t < 35°С. Товарный продукт содержит 99,5 % лимонной кислоты.

Крупное промышленное производство лимонной кислоты методом поверхностного культивирования организовано в Японии.

Производство уксусной кислоты

Уксусная кислота образуется при жизнедеятельности бактерий рода Acetobacter, которые окисляют этиловый спирт в уксусную кислоту действием фермента алкогольоксидазы:

Применяется способ глубинного культивирования в ферментаторах.

Продуцентами являются бактерии Bacterium Schutzenbachii и Bacterium curvum, а сырьем — этиловый спирт, очищенный от сивушных масел.

Процесс ведут в ферментаторах, соединенных по пять штук в батарею. Посевной материал подается только в первый, а затем передавливаются воздухом в другие. Спирт этиловый 40 % подают во все аппараты.

Выходящий из пятого аппарата раствор содержит уксусную кислоту с концентрацией 9,0—9,3 %.

После перемешивания, осветления и фильтрования получают 9 % раствор — столовый уксус.

Бактериальное выщелачивание металлов из руд

В промышленности этот метод применяется для извлечения меди и других металлов из бедных руд, моечных вод, отвалов.

Объектом обработки являются сульфидные руды, например пирит FeS2, халькопирит CuFeS2, галенит PbS2, аргенит AgS2 и другие аналогичные соединения.

Для этого используют бактерии-хемолиты рода Thiobacteri- осеае.

М.о. окисляют серу до более высоких с.о. и выделяющуюся энергию используют для своей жизнедеятельности.

Хемолиты бывают трех видов:

  • 1) автотрофы, использующие углерод из С02;
  • 2) миксотрофы, использующие углерод из С02 и органических веществ;
  • 3) гетеротрофы, использующие углерод из только органических веществ.

Из полученных растворов металлы извлекают методом цементации или электроэкстракции.

Бактериальное выщелачивание используют непосредственно в шахтах, без извлечения руды на поверхность. Руда измельчается взрывом; раствор распыляется по ее поверхности. Из нижнего горизонта жидкость выкачивают и потом возвращают в шахту. Некоторые бактерии окисляют не только сульфиды, но и элементарную серу.

М.о. действуют избирательно; одни штаммы концентрируют Fe, Си, Zn и Ni, другие — Со, U, Cr, As.

Пример:

Далее «работает» H2S04:

Метод бактериального выщелачивания обладает важными преимуществами:

  • • применим, как для отдельных руд, так и для смесей;
  • • технологическая простота — применяются простое фильтрование и реакторы;
  • • низкие температуры;
  • • не образуются газы, а жидкие стоки легко концентрируются;
  • • процесс саморегулирующийся, возможен переход по типу

Недостатками способа являются необходимость тщательного контроля, а также низкая скорость процессов.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >