CC BY
32
CHEMICAL SCIENCES
УДК 661.746.56
Мусина Г.Н.,
старший преподаватель кафедры химии и химических технологии г. Караганда, Казахстан Оспанов Бекарыс, магистрант кафедры химии и химических технологии г. Караганда , Казахстан Жорабек А.А., старший преподаватель кафедры химии и химических технологии г. Караганда , Казахстан Рахимберлинова Ж.Б. и. о. доцент кафедры химии и химических технологии г. Караганда , Казахстан DOI: 10.24412/2520-6990-2023-13172-15-19 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ЛИМОННОЙ КИСЛОТЫ НА ОСНОВЕ УГЛЕВОДСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА
ФЕРМЕНТАЦИИ
Мussina G.N.,
Senior Lecturer of the Department of Chemistry and Chemical Technologies, Karaganda, Kazakhstan Ospanov Bekarys, Master 's student of the Department of Chemistry and Chemical Technology, Karaganda , Kazakhstan Zhorabek A.A., Senior Lecturer of the Department of Chemistry and Chemical Technologies, Karaganda, Kazakhstan Rakhimberlinova Zh.B. аcting Associate Professor of the Department of Chemistry and Chemical Technology, Karaganda, Kazakhstan
IMPROVEMENT OF THE PRODUCTION TECHNOLOGY OF CITRIC ACID ON THE BASIS OF CARBOHYDRATE-CONTAINING RAW MATERIALS BY OPTIMIZATION OF THE
FERMENTATION PROCESS
Аннотация.
В статье изучена ферментация лимонной кислоты на основе углеводсодержащего сырья. Успехи глубинной ферментации в производстве антибиотиков побудили производителей лимонной кислоты искать пути глубинного культивирования ее продуцентов. Технология глубинного культивирования продуцентов лимонной кислоты представляет собой явно выраженный двухступенчатый процесс. Первая ступень включает выращивание посевного 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 перемешивании среды. Продолжительность культивирования на стадии выращивания посевного материала — 2 сут (1 сут — на качалке, 1 — на посевном аппарате).
Сказанное принципиально не исключает непосредственного применения конидиоспор в качестве посевного материала для основной ферментации, однако это существенно удлиняет цикл ферментации: с 7—8 до 12—13 сут.
Установлено, что лимонная кислота является первичным продуктом метаболизма (первичного метаболизма), образующимся в цикле трикарбоновых кислот (Кребса). В работе приведены данные производства лимонной кислоты, при котором глюкоза превращается в две молекулы пирувата. Пируват, в свою очередь, образует ацетил-КоА и оксалоацетат, которые конденсируются с образованием цитрата.
Abstract.
The article studies the fermentation of citric acid based on carbohydrate-containing raw materials. The success of deep fermentation in the production of antibiotics has prompted citric acid producers to look for ways to cultivate its producers in depth. The technology of deep cultivation of citric acid producers is a pronounced two-stage process. The first stage involves the cultivation of seed material from conidiospores in a seeding medium (on a rocking chair and in a seeding apparatus) at 32-33 ° C under conditions of good aeration (0.8—1.0 air volume per 1 medium volume per minute) and with continuous mixing of the medium. The duration of cultivation at the stage of growing the seed material is 2 days (1 day — on a rocking chair, 1 — on a sowing machine).
The above does not in principle exclude the direct use of conidiospores as a seed for the main fermentation, however, this significantly lengthens the fermentation cycle: from 7-8 to 12-13 days.
It has been established that citric acid is the primary product of metabolism (primary metabolism) formed in the cycle of tricarboxylic acids (Krebs). The paper presents data on the production of citric acid, in which glucose is converted into two pyruvate molecules. Pyruvate, in turn, forms acetyl-CoA and oxaloacetate, which condense to form citrate.
Ключевые слова: лимонная кислота, ферментация, метаболизм, глюкоза, пируват, цитрат
Keywords: Citric acid, fermentation, metabolism, glucose, pyruvate, citrate
Лимонная кислота-бесцветные кристаллы, которые хорошо растворяются в воде. Он присутствует в лимоне, смородине, бруснике, рябине, свекле. Его используют в качестве дополнения к фруктовой воде, конфетам, лекарствам и при приготовлении пищи (отвар, кисель, щи, рыба и т. д.).
Лимонная кислота-это белый порошок, используемый в различных отраслях промышленности. В повседневной жизни они могут мыть посуду, добавлять ее в посуду для придания кислого вкуса, а в промышленности она действует как консервант.
Открытие углекислоты до лимонной кислоты. Грибок плесени, в том числе Aspergillus niger, играет ключевую роль в превращении сахара в лимонную кислоту. Поэтому этот микроорганизм широко используется для получения лимонной кислоты из сахара техническим способом. До недавнего времени лимонная кислота получалась из плодов лимона. В нем содержится 7-9% - ной лимонной кислоты. Для производства значительного количества лимонной кислоты потребуется большое количество плодов лимона, и такое производство лимонной кислоты экономически неэффективно для промышленности. Поэтому наука решила, что эту проблему нужно решать с помощью микроорганизмов.
Для получения лимонной кислоты сначала выращивают аспергиллус Нигер при +30-32°в питательной среде с образованием аммония, содержащего 20% сахара, 0,3% азотной кислоты. Через два дня на поверхности этой среды растет глухая луковица, образующая толстую корку. В этот момент корковая среда под ним осушается и моется водой, охлажденной водой. В эту емкость теперь наливают чистый раствор сахара, не содержащий питательных веществ в чистом, предварительно прокипяченном виде. В этот момент гриб быстро начинает вырабатывать лимонную кислоту из сахара. 50-60% сахара, помещенного для брожения во мхе, превращается в лимонную кислоту. Далее его очищают и расходуют на технические нужды. Вместе с лимонной кислотой в растворе часто образуется и кожная кислота. По биохимической природе этого процесса в науке существует ряд подходов. Но пока не могу полностью доказать это явление.
Кислота предотвращает появление вредных микроорганизмов, которые могут повлиять на свежесть продукта или его вкусовые характеристики. Также» лимон " убирает неприятный запах и выделения. Состав продукта указывается как E330-E333.
Источниками углерода являются органические соединения, разложение которых образует метаболиты - предшественники, которые являются строительными блоками процесса биосинтеза, а также энергию, необходимую для выживания клеток.
Пищевая ценность источников углерода зависит от молекулярной структуры. Лучшими источниками являются органические соединения, содержащие частично окисленные атомы углерода (SNON, SN2ON, son), то есть содержащие алкогольные компании. Полностью восстановленные углеродные группы (CH много органические соединения плохо усваиваются, CH3) и вещества, содержащие органические соединения в виде карбоксильных групп (soons), почти не усваиваются.
Доступность органических соединений для метаболических преобразований зависит от легкости их перехода в углеводы, растворимости, степени окисления атомов углерода, пространственной конфигурации молекул.
Органические вещества, поглощаемые микроорганизмами, участвуют в сопряженных окислительно-восстановительных процессах. В этом случае часть атомов углерода окисляется до СО и СООН, за которыми следует образование СО2, другая часть восстанавливается до СН3, - СН2, - С, образуя аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания, высшие жирные кислоты и т. д.
Источники углеродной и азотной пищи, которые часто используются в процессе ферментации, являются доступными и недорогими субстратами, чаще всего мясомолочными, отходами алкогольного производства, отходами переработки культурных растений и т. д.
Источниками углерода являются соединения, содержащие углеводы (глюкоза, сахароза, лактоза).:
- патока-отходы производства сахара (45-60% сухого вещества - сахароза, также содержит орга-
нические кислоты, аминокислоты, некоторые витамины, минералы). Он часто используется в биосинтезе аминокислот, ферментов, хлебопекарных дрожжей;
- крахмал (картофель, кукуруза), этот полисахарид используется в пищевых, фармацевтических технологиях, при выращивании микроорганизмов с амилолитической активностью;
- кукурузная мука, содержащая 67-70% крахмала, 12% белка, используется в производстве антибиотиков, ферментов;
- пшеничные отруби (отходы производства муки), используются при поверхностной, твердофазной ферментации, содержат 16-20% крахмала, 10-12% белка. Они очень дорогие, их смешивают со свекольной мякотью, опилками, фруктовыми экстрактами;
- молочная сыворотка (отходы производства сыра, творога), содержит 4,0-4,7% лактозы, 0,5-1% белка;
- гидролизаты растительных остатков (гидро-лизаты древесины, соломы и др.). Получают при высокой температуре кислотным или щелочным гидролизом. При этом высокомолекулярные соединения - полисахариды-расщепляются на целлюлозу, лигнин-на олиго, ди и моносахары (4-8% сахара). Гидролизаты растительного сырья используются для производства этилового спирта, а затем используются для выращивания кормовых дрожжей в посталкогольном Барде или для непосредственного выращивания дрожжей без спирта.
Также используются сульфитные щелочи-это отходы целлюлозно-бумажного производства, продукты гидролиза лигнина и гемицеллюлозы, содержащие 3,5% сахара.
Кдоамында кeмiрсутеri бар шишзатты ашы-туда колданылатын микроорганизмдер: саусак (зец), ферментум (ашыткы), Aspergillusniger, ascomycetes (аскомицеттер), Pénicillium chrysogenum.
Fingunt vel fungus (плесень или плесень) — имеет микроскопические размеры, разветвленный мицелий (мицелий) и большая группа микроорганизмов (низший класс грибов), образующих видимые плодовые тела. Большинство видов плесени образуют значительное количество мицелия, занимающего широкие поверхности. Выглядит красиво. Это наносит большой вред человеку, в том числе способен лишить его жизни, а также спасти его от смерти. Некоторые виды плесени приносят огромную пользу человечеству.
Лимонная кислота является основным продуктом метаболизма (первичного метаболизма), который образуется в цикле трикарбоновых кислот (Кребс). Глюкоза является основным источником углерода для производства лимонной кислоты. Биосинтетический путь производства лимонной кислоты включает гликолиз, при котором глюкоза превращается в две молекулы пирувата. Пируват, в свою очередь, образует ацетил-КоА и оксалоацетат, которые конденсируются с образованием цитрата. Основные этапы биосинтеза лимонной кислоты показаны на рисунке 1.
Рисунок 1-Основные этапы биосинтеза лимонной кислоты При синтезе лимонной кислоты активность фермента цитратсинтазы увеличивается в 10 раз и
снижается активность других ферментов, расщепляющих лимонную кислоту (аконитаза, изоцитрат-дегидрогеназа). Однако недавние данные не подтверждают теорию о том, что снижение действия трикарбоновой кислоты (то есть расщепление лимонной кислоты) способствует накоплению лимонной кислоты.
Увеличение количества лимонной кислоты может быть связано с повышенным биосинтезом, а не с подавлением деградации. Кроме того, существуют анаплеротические реакции, которые дополняют промежуточные продукты цикла трикарбоно-вой кислоты для поддержания непрерывности цикла. Пируваткарбоксилаза, которая превращает пируват в оксалоацетат, также является ключевым ферментом в производстве лимонной кислоты.
Теоретически выход лимонной кислоты из субстрата сахарозы: из 100 г сахарозы может образоваться 112 г безводной лимонной кислоты или 123 г лимонной кислоты-1 гидрат. Однако выход лимонной кислоты ниже расчетного из-за окисления сахара до СО 2 при трофофазе.
Способ культивирования
Технология глубинного культивирования продуцентов лимонной кислоты представляет собой явно выраженный двухступенчатый процесс. Первая ступень включает выращивание посевного 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 перемешивании среды. Продолжительность культивирования на стадии выращивания посевного материала — 2 сут (1 сут — на качалке, 1 — на посевном аппарате).
Сказанное принципиально не исключает непосредственного применения конидиоспор в качестве посевного материала для основной ферментации, однако это существенно удлиняет цикл ферментации: с 7—8 до 12—13 сут.
Основную ферментацию в глубинных условиях осуществляют в производственном биореакторе при коэффициенте его заполнения 0,75—0,80 и количестве посевного материала 5—8% от объема ферментируемой среды. Начальная концентрация Сахаров — 10— 14%, часто применяют подкормку свежей средой, особенно в случаях применения ме-лассных сред. Регуляции рН среды не требуется, но
поскольку лимонная кислота очень коррозионна и для ферментационного оборудования необходима устойчивая к коррозии сталь, то для смягчения коррозионное практикуют подщелачивание ферментируемого субстрата до рН 3,8—4,2.
Процесс ферментации имеет черты двух фаз, или стадий: формирования биомассы и кислотооб-разования.
Для фазы роста биомассы характерно объединение молодого мицелия в шарообразные агломераты, формирование которых продолжается до 70—80 ч ферментации. Некоторая часть гиф остается в свободном виде.
Во время интенсивного роста потребность продуцента в молекулярном кислороде составляет до 1 кг па каждый кубометр ферментируемого субстрата в час. В фазе биосинтеза лимонной кислоты потребность в кислороде в некоторой степени снижается и составляет 0,5—0,6 кг 02/м3-ч. Для обеспечения массопередачи кислорода в ферментируемый субстрат вводится стерильный воздух в количестве 0,8—1,0 объема на 1 объем среды в минуту, 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 составлять 20—25,% от полного насыщения, в фазе биосинтеза лимонной кислоты — 10—15,%. Для обеспечения массооб-меиа молекулярного кислорода необходим расход электроэнергии в количестве 1,8—2,2 кВт на 1 м3 среды.
Температурные режимы в ферментируемом субстрате дифференцированы: в фазе роста биомассы — 32—33 °С, в фазе кислотообразования — 30—31 °С.
В зависимости от особенностей используемого мутанта Aspergillus niger применяют разные варианты технологических режимов глубинной технологии.
ХАРАКТЕРИСТИКА КОНЕЧНОЙ ПРОДУКЦИИ ПРОЕКТИРУЕМОГО ПРОИЗВОДСТВА
1.Техническое наименование продукта - лимонная кислота (чистота 99,9%).
2.Лимонную кислоту получают из культураль-ной жидкости при глубинном культивировании микроскопического гриба Aspergillus niger с последующим отделением биомассы.
«етуушшим-шишаи» #щшт, 2022 / chemical sciences
19
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 4 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 »
щества с серной кислотой
Проба на железо с 1,10-фенантроли- То же »
яом
За рубежом лимонную кислоту классифицируют по величине кристаллов на ситовых аппаратах. Большое внимание обращают на легкообугли-вающиеся вещества, дающие окраску при нагревании в течение определенного времени с концентрированной серной кислотой при температуре 90 °С. Они вызываются следами органических соединений — сахара, оксиметилфурфурола, других альдегидов и спиртов, за исключением цис- и трансаконитовой, изолимонной, щавелевой, янтарной и олеиновой кислот, эритрита, ксилита и сорбита.
Список используемой литературы
1 Kirk-Othmer Encyclopedia, 3ed., Vol.6, N.Y., 2019. - P. 79- 150.
2 Sanchez-Riera F. Encyclopedia of Life Support Systems. BIOTECHNOLOGY - Vol. 5. - Production of Organic Acids. - 189 p.
3 Шульце Т. Промышленные биотехнологии // Возможности для промышленности переработки зерна. - М.: Graintek, 2011. - 26 с.
4 Roger G. Harrison, Paul W. Todd, Scott R. Rudge, and Demetri P. Petrides. Bioseparations science and engineering. Oxford University Press, 2015. -472p.
5 Finogenova, T.V., Morgunov I.G., Kamzolova S.V., & Chernyavskaya O.G. Organic acid production by the yeast Yarrowia lipolytica: A review of prospects 11 Applied Biochemistry and Microbiology. - 2005. -41. - P. 418-425.
6 Francieio V., Patricia M., & Fernanda S.A. Apple pomace: A versatile substrate for biotechnological applications // Critical Reviews in Biotechnology. -2008. - 28. - P. 1-12.
