Производство органических кислот

Органические кислоты и их соли широко используются в пищевой, фармацевтической, кожевенной, текстильной, химической, металлургической и других отраслях промышленности. Большинство кислот, используемых для технических нужд, производится химическим путем на основе нефтехимического сырья и продуктов сухой перегонки древесины. В тех случаях, когда химический синтез кислот является сложным и экономически невыгодным, или если они имеют пищевое или медицинское назначение, кислоты производят микробиологическим путем. С помощью микроорганизмов может быть получено более 50 различных органических кислот, методы получения их разработаны достаточно подробно. В настоящее время только 6 органических кислот производится биотехнологическим путем в промышленном масштабе. Причем лимонную, глюконовую, кетоглюконовую и итаконовую кислоты производят только микробиологическим путем, а молочную и уксусную - как химическим, так и микробиологическим методами.

Глюконовая, кетоглюконовая, итаконовая и молочная кислоты используются в пищевой промышленности в качестве подкислителей. Глюконат натрия, в виде которого обычно выделяют глюконовую кислоту, используют для извлечения металлов из руд, борьбы с коррозией, как моющее средство, в качестве медицинского препарата. Итаконовая кислота применяется при производстве пластмасс и красителей. Молочную кислоту используют при выделке кож и как сырье для производства биоразлагаемого полимера полилактата.

Технология получения глутаминовой кислоты.

Глутаминовая кислота– первая аминокислота, полученная на основе промышленного микробиологического синтеза:

HOOC–CH2 –CH2 –NH2CH–COOH

Глутаминовая кислота является важнейшей аминокислотой растительных и животных белков.

Продуцировать глутаминовую кислоту способны дрожжи, микроскопические грибы, бактерии. Промышленное значение имеют бактериальные культуры (Micrococcus,Microbacterium,Brevibacterium).

Глюкоза

↓

Пировиноградная кислота

↓ ‌

Ацетил-КоА ↓

↓ ← Щавелевоуксусная кислота

Лимонная кислота ↑ ↓

‌ ↑ Яблочная кислота

‌ ‌ ↑ ↓

↓ ‌ Фумаровая кислота

Изолимонная кислота ↑

‌ Сукцинил-КоА

↓ ↑ ↑

α – кетоглутаровая кислота ‌

‌ ‌

‌ α – кетоглутарат-

‌ дегидрогеназа

↓ отсуствует

глутаминовая

кислота

Рисунок 3. Схема синтеза глутаминовой кислоты.

Глутаминовая кислота в основном используется в фармакологии и пищевой промышленности, поэтому ее получение необходимо в высокоочищенной форме. Для этого в культуральную жидкость добавляют известковое молоко. Избыток ионов осаждают кислотой, осадок удаляют центрефугированием. Фильтрат после осветления активированным углем и сорбции на ионообменных смолах концентрируют вакуумвыпариванием при 40 - 60ºС. Осаждение кристаллов проводят при pH3,2 и температуре 4-15ºС. Чистота продукта составляет 99,6 %. Кристаллы кислоты отделяют от маточника центрифугированием, промывают и высушивают. Для получения глутамата натрия кристаллы кислоты обрабатывают гидроокисью натрия. Влажные кристаллы растворяют в воде, нейтрализуют 50 % раствором гидроокиси натрия. Раствор фильтруют, упаривают под вакуумом до содержания сухих веществ 60 % и направляют на перекристаллизацию. Кристаллы глутамата натрия выделяют из маточного раствора центрифугированием и высушивают током горячего воздуха.

Глутамат натрия усиливает вкус пищевых продуктов, способствует сохранению вкусовых качеств консервированных продуктов.

Технология получения триптофана.

ά-амино-β-индолилпропиновая кислота относится к незаменимым аминокислотам:

CH2-NH2CH-COOH

Дефицит триптофана приводит к диабету, туберкулезу.

В общем виде последовательность биосинтетических реакций образования триптофана следующая:

Эритрозо-4-фосфат + фосфоеноилпировиноградная кислота →

→ 7-фосфо-3 дезокси-D-арабиногептулозовая кислота →

→ 5-дегидрошикимовая кислота → шикимовая кислота →

→ хоризмовая кислота → антраниловая кислота → триптофан.

Микробиологический синтез осуществляют из мутантных штаммов дрожжей (Candida) и бактерий (Bacillus). Используемая среда (в %): сахароза - 10, мочевина - 0,5, кукурузный экстракт - 2, хлорид кальция, калий фосфорнокислый и сульфат магния. Продолжительность периодической ферментации при 37ºС не превышает 48 ч.

Двухступенчатое получение аминокислот из биосинтетических предшественников используют тогда, когда предшественник недорог, а прямая ферментация неэкономична или не разработана.

Триптофан можно получить из предшественника – антраниловой кислоты с использованием дрожжей Candidautilisв течение 20 – 24 ч., среда содержит мелассу (10,4 %), мочевину, сульфат магния, фосфаты калия. Для пеногашения используют кашалотовый жир и синтетические кремнеорганические соединения. Выход составляет 60 г/л.

.

Производство органических кислот.

Лимонную, глюконовую, яблочную кислоту получают микробиологическим способом, салициловую, молочную, уксусную – химическим и микробиологическим способом.

Время максимальной скорости образования в клетке органических кислот не совпадает по времени со скоростью размножения клеток и накопления биомассы. Сверхсинтез органических кислот происходит при торможении скорости роста продуцента и блокировании процессов биосинтеза. Большинство органических кислот получают, лимитируя рост клеток-продуцентов дефицитом азота или фосфора при избытке углеродосодержащего субстрата. Поэтому микробные процессы получения органических кислот – двухфазные процессы. На первом этапе происходит рост при максимальном накоплении биомассы. На втором этапе – уменьшается скорость роста клеток. Прирост биомассы прекращается и начинается интенсивное кислотообразование.

В качестве продуцентов используют бактерии, дрожжевые и грибные культуры.

В качестве субстрата используют глюкозу, сахарозу, мелассу, гидролизный крахмал.

Методы культивирования: твердофазное, глубинное культивирование.

Лимонную кислоту широко используют в пищевой (приготовление соков, кондитерских изделий), фармацевтической и косметической промышленности. Ею заменяют фосфаты в составе детергентов, так как она полностью метаболизируется живыми организмами и не загрязняет окружающую среду. Лимонная кислота образует хелаты с металлами, поэтому ее применяют для их очистки. Производят лимонную кислоту из сахара или из отходов его производства – мелассы, из содержащих глюкозу гидролизатов древесины и зерна. Мировое производство лимонной кислоты составляет более 300 тыс.т в год. Для промышленного производства лимонной кислоты используют, главным образом, культуру гриба Aspergillus niger и A. wentii.

Лимонная кислота (СН2-СООН-СОНСООН СН2СООН) – трех основная кислота, содержащаяся в ягодах и плодах.

Область применения: пищевая, фармакологическая, химическая, текстильная промышленность.

В качестве продуцента используют: Аspergillus niger. Рост продуцента и синтез кислоты регулируют составом среды (сахара, макро- и микроэлементы). Лимонная кислота является продуктом первичного метаболизма грибов (pH = 1,7-2). Получают лимонную кислоту поверхностным способом на твердой сыпучей среде и жидкой фазе.