Микробиологический синтез уксусной кислоты

Микробиологический синтез уксусной кислоты

Бакалаврская работа на тему:

Микробиологический синтез уксусной кислоты

Аннотация

В данной работе рассмотрены основные методы микробиологического синтеза уксусной кислоты. Выбран один метод и более подробно рассмотрен. Для него произведены расчеты материального и теплового баланса. Произведен расчет основного аппарата данного метода.

Так же рассмотрен химизм процесса микробиологического синтеза уксусной кислоты и произведен термодинамический расчет основной реакции процесса.

Работа содержит 60 страниц, 16 рисунков, 10 таблиц, 17 литературных ссылок.

Содержание

Введение

1. Литературный обзор

1.1 Продуценты

1.2 Подготовка сырья

1.3 Подготовка питательной среды

1.4 Получение посевного материала

1.5 Химия получения уксусной кислоты

1.6 Технология изготовления уксуса

1.6.1 Орлеанский способ

1.6.2 Быстрый способ уксусного брожения

1.6.3 Глубинный способ с использованием ацетатора

1.6.4 Двустадийный глубинный полупроточный процесс

1.6.5. Проточное культивирование

1.7 Принципиальная технологическая схема получения уксусной кислоты

1.8 Очистка и подготовка полученного продукта к применению

1.8.1 Обработка сырого уксуса

1.8.2 Осветление

1.8.3 Концентрирование уксусной кислоты

1.9 Применение

1.10 Вредители уксуса

1.10.1 Микробные поражения

1.10.2 Немикробные вредители

2. Технологическая схема микробиологического синтеза уксусной кислоты

3. Расчет модели реактора на ЭВМ

3.1 Алгоритм расчета

3.2 Таблица идентификаторов программы «Ирис»

4. Термодинамический анализ основной реакции

4.1 Исходные данные

4.2 Расчет термодинамических функций

5. Материальный баланс стадии синтеза

5.1 Исходные данные

5.2 Расчет

6. Тепловой баланс стадии синтеза

6.1 Исходные данные

6.2 Расчет

Выводы

Введение

Приготовление уксуса из сброженных алкогольных напитков и особенно из вина, было известно уже в древности жителям Китая, Вавилонии, Сирии, Египта. Греки и римляне использовали уксус как освежающий напиток для рабов и получали его, оставляя вино открытым. До раннего средневековья уксус приготовляли в домашних условиях, оставляя вино или пиво в открытых сосудах. Он применялся не только как приправа, консервант пищевых продуктов и освежающий напиток, но и особенно ценился как лекарственное средство. Уксусное производство появилось в конце XIV в. в районе Орлеана во Франции. По орлеанскому методу уксус приготовлялся в основном из вина в горизонтально расположенных винных бочках при доступе воздуха. Существенное сокращение времени приготовления было достигнуто Шуценбахом (1793--1869) путем введения быстрого способа уксусного брожения, в котором используется переливание жидкости с ее естественным обогащением воздухом. Прежний поверхностный метод позднее был заменен глубинным методом в герметичных и аэрируемых танках (ацетаторах) [2, 5].

Процесс получения уксусной кислоты занимал с тех пор многих исследователей. Кютцинг в 1838 г. показал, что образование уксусной кислоты происходит с помощью живых организмов в поверхностной уксусной пленке, a Либих оспаривал его открытие. Еще раньше Бургав (1668--1738) знал, что «уксусные цветы» нуждаются в воздухе и тепле. Пастер в 1868 г. в опубликованной статье «Исследование свойств уксуса» («Etudes sur le vinaigre») подтвердил, что уксуснокислое брожение является биологическим процессом. Хансен в 1879 г. выделил уксуснокислые бактерии и назвал их Bacterium aceti и В. pasteurianum. Они относятся теперь к роду Acetobacter [5].

Среди органических кислот самая важная -- уксусная. На рынок США ее ежегодно поступает около 1,4 млн. т общей стоимостью до 500 млн. долл. (без учета уксуса). Техническая уксусная кислота используется при выработке многих химических веществ, включая каучук, пластмассы, волокна и инсектициды. При обычном способе производства микробиологическая конверсия этанола в уксусную кислоту при участии штаммов Acetobacter и Gluconobacter идет в аэробных условиях. Уксусную кислоту используют в пищевых целях, поэтому вместо синтетической кислоты предпочитают продукты естественного брожения, полагая, что присутствующие в них следы примесей могут быть более безвредными. В отличие от химических путей синтеза, приводящих к получению рацематов, микробиологический синтез обеспечивает получение определенных оптических изомеров. Однако по причине невысокой стоимости синтетических продуктов (включая и их очистку) уже в настоящее время значительную часть уксусной кислоты получают путем органического синтеза на основе нефтепродуктов. Уксус по праву считается важнейшим продуктом микробиологической промышленности [1, 3].

Целью данной работы является рассмотрение основных способов микробиологического синтеза уксусной кислоты, рассмотрение основных реакций протекающих при образовании уксусной кислоты. Так же целью является выбор одного метода, более подробное его рассмотрение, изучение его технологического прохождения с учетом всех стадий, включающих стадии подготовки сырья и стадии очистки полученного продукта. А также для выбранного метода получения будут произведены расчеты материального и теплового баланса. Будет произведен расчет основного аппарата процесса, т.е. ферментера. И будет произведен термодинамический расчет основной реакции микробиологического синтеза уксусной кислоты.

1. Литературный обзор

1.1 Продуценты

Уксусную кислоту образуют многие бактерии, но промышленное производство основано на уксуснокислых бактериях, метаболические особенности которых являются отражением их экологии. Бактерии были открыты Кютцингом в 1838 г. и подробно изучались датским ученым Хансеном. В СССР исследования уксуснокислых бактерий проводились под руководством М. С. Лойцянской, В. Н. Шапошникова, А. Я. Мантейфеля.

Бактерии приспособлены к сахаристым и спиртовым субстратам. Они живут на поверхности растений, особенно на цветах и фруктах в растительных соках, в пиве, вине, чайном грибе, пчелином улье, в пальмовом вине, т. е. в субстратах, содержащих спирт, углеводы, органические формы азота, витамины. Бактерии развиваются как вторичная микрофлора в аэробных условиях, следуя за спиртовым брожением дрожжей. Уксуснокислые бактерии отличают 4 особенности.

1. Высокая ацидофильность, они растут при значении рН 4,0, а оптимум рН -- 3,2--3,0.

2. Бактерии -- строгие аэробы и растут только на поверхности сред, образуя пленки. Пленка может быть тонкой или очень толстой. Пленка представляет собой оболочку, содержащую целлюлозу и воздушные полости, благодаря которым вся пленка всплывает. При 12%-й общей концентрации этанола и уксусной кислоты прерывание аэрации на 10--20 с. приводит к гибели клеток. Удивительную чувствительность этих бактерий к недостатку О2 связывают с высокой активностью фермента апиразы. Под действием этого фермента АТР быстро гидролизуется и становится недоступной для метаболической активности клеток. Когда прерывается аэрация, то очень быстро исчезает пул АТР. Полагают, что пул АТР необходим для предотвращения вхождения этанола или уксусной кислоты в клетку.

3. Бактерии отличает сильно выраженная способность окислять различные органические вещества в частично окисленные продукты.

4. Способность окислять этиловый спирт в уксусную кислоту -- наиболее характерное свойство этой группы. Но они окисляют и другие одноатомные и многоатомные спирты в соответствующие кислоты.

Уксуснокислые бактерии не метаболизируют белки, не растут на поверхности МПА, не образуют пигментов, не растут в молоке, на картофеле, не патогенны, грамотрицательны. Их относят к сем. Pseudomonodaceae. Различают 2 рода, 4 вида и 13 подвидов.

Род Acetobacter -- перитрихи (или клетки неподвижны), окисляют уксусную кислоту до СО2 и Н2О. Этанол и лактат предпочитают глюкозе.

Род Gluconobacter - - монотрихи, не окисляют уксусную и молочную кислоты. На среде с мелом дают зоны просветления.

Для промышленного получения уксуса используют штаммы A. aceti, A. pasterianus или A. peroxidans, а также G. oxydans и несколько подвидов этого вида. Роль уксуснокислых бактерий не ограничивается их участием в производстве уксуса и уксусной кислоты. В данной работе для процесса получения уксусной кислоты из этилового спирта, во всех методах, будут использоваться продуцирующие уксусные бактерии вида Acetobacter aceti [2].

Другие бактерии -- продуценты уксусной кислоты.

Для получения уксусной кислоты в промышленности интерес представляют анаэробные бактерии, способные к образованию ацетата из СО2 при брожении Сахаров, в автотрофных условиях роста -- из CO2 + H2, при использовании СО, формиата и метанола. К числу таких микроорганизмов относятся: Cl. thermoaceticum, Cl. formicoaceticum, Cl. magnum, Cl. aceticum, Cl. thermoautotrophicum, Acetoanaerobacter woodii, A. noteral, A. carbinolicum, A. wieringae, Acetogenium Kivui, Sporomusa acidovorans, S. ovata, S. spheroides. Уксусную кислоту из СО2 могут синтезировать сульфатредуцирующие бактерии -- Desulfotomaculum orientis, Desulfovibrio baarsii, а также Eubacterium limosum, Peptostreptococcus productus, Butiribacterium methylotrophicum, ряд метанообразующих бактерий при росте в автотрофных условиях [2].

1.2 Подготовка сырья

В спирте могут содержаться сивушные масла, при повышенном содержании которых производственный процесс нарушается, т.к. высшие спирты угнетают развитие уксуснокислых бактерий. Отсюда, можно сделать вывод, что предварительно спирт придется очистить от сивушных масел [4, 6].

1.3 Подготовка питательной среды

Когда готовят уксус из продуктов пищевой промышленности (вина, сыворотки, сусла, сидра), то необходимости в питательных добавках нет. Но если в качестве сырья используют технический спирт, картофельный или зерновой крахмал, то приходится вносить фосфат аммония, сульфат магния, кальция - цитрат и кальция - пантотенат, сусло. Так же питательная среда должна содержать уксусную кислоту, которая служит источником углерода и энергии для бактерий. Поэтому в процессе роста культуры всегда происходит потребление уксусной кислоты и частичное ее окисление в ЦТК. Количество потребляемой уксусной кислоты зависит от скорости роста бактерий. При погружнном культивировании концентрации питательных веществ должны быть в 5 раз выше, чем при поверхностном культивировании, поскольку в первом случае вырастает гораздо больше биомассы. Установлено, что применение питательной среды с оптимальным пулом аминокислот при культивировании Acetobacter aceti приводит к увеличению продуктивности технологического процесса, увеличению выхода уксусной кислоты, а также к снижению расхода этилового спирта [2, 7].

1.4 Получение посевного материала

Посевной материал получают в лаборатории, выращивая уксуснокислые бактерии на жидкой питательной среде в колбах на качалках. А затем в лабораторном ферментаторе вместимостью 30 л.

При выращивании уксуснокислых бактерий в лаборатории используют агаризованную среду Лайценской, содержащую (NH4)3PO4 * 3H2O,MgHPO4 * 3H2O,KH2PO4. Ацетобактеры сами синтезируют все необходимые витамины и поэтому растут в питательных средах без их добавления.

Acetobacter aceti очень вериабельны, они могут даже потерять свойство образовывать уксусную кислоту. Кроме того, бактерии должны выдерживать высокую концентрацию уксусной кислоты, не быть требовательными к высоким концентрациям питательных веществ и не осуществлять переокисление уксуса. Все эти свойства у продуцента изменчивы. Чтобы избежать не нужных мутаций, инокулят поддерживается в среде с высокой общей концентрацией спирта и уксусной кислоты и низкой концентрацией питательных веществ [2, 4, 6].

1.5 Химия получения уксусной кислоты

В качестве исходного продукта для производства уксусной кислоты используется этиловый спирт (этанол), который получается обычно сбраживанием углеводов дрожжами, например Saccharomyces cerevisiae:

С6Н12О6 > 2С2Н5ОН + 2СО2

глюкоза этанол углекислый газ

Процесс ацетификации представляет собой окисление практически всего этилового спирта с образованием уксусной кислоты в полностью аэробной системе в присутствии штаммов Acetobacter aceti. Теоретически 1 г глюкозы должен давать 0,51 г этилового спирта, при окислении которого образуется 0,67 г уксусной кислоты, но практически конечный выход составляет примерно 0,5 г вследствие потерь легко испаряющихся веществ и частичного окисления уксусной кислоты с образованием СО2. Стадии реакции схематически могут быть представлены следующим образом:

С2Н5ОН + О > СН3СНО + Н2О

2СН3СНО > С2Н5ОН + СН3СООН

СН3СНО + О > СН3СООН + Н2О

Последняя стадия осуществляется алкоголь- и альдегиддегидрогеназной системой с использованием трифосфопиридина в качестве кофермента.

Алкогольдегидрогеназа Acetobacter aceti содержит недавно открытую простетическую группу метоксантин, или пирролохинолинхинон. Этот фермент находится на внешней стороне плазматической мембраны и катализирует окисление этанола в уксусную кислоту. Метоксантин частично попадает в питательную среду и в пищевой уксус, придавая ему слегка желтоватую окраску.[7]

Наряду с уксусной кислотой образуются в небольших количествах такие конечные продукты, как альдегиды, эфиры и ацетоин, имеющие значение как вкусовые вещества.

Прежде уксус изготовляли преимущественно из малоценного вина и пива. Для получения специальных сортов уксуса и сегодня применяют специальное сырье, по которому и называют конечный продукт, например винный уксус (во Франции и

Италии), солодовый уксус (в Англии), изюмный и медовый уксус.

1.6 Технология изготовления уксуса

После того как были рассмотрены стадии подготовки сырья и питательной среды, а также получения посевного материала можно непосредственно перейти к способам изготовления уксусной кислоты.

1.6.1 Орлеанский способ

Уксуснокислые бактерии в естественных условиях и при доступе воздуха образуют на различных содержащих спирт растительных соках пленку и окисляют этиловый спирт до уксусной кислоты. В вине, пиве и сброженном плодовом заторе образование уксусной кислоты в присутствии молекулярного кислорода обычно протекает самопроизвольно и часто ведет к нежелательным изменениям. При старом орлеанском способе горизонтально расположенные деревянные бочки особой формы, расположенные в утепленном помещении в несколько рядов одна над другой, объемом 200--500 мл, в начале процесса заливают 10 - 12 л. Готового нефильтрованного уксуса. Эта порция - своего рода закваска, ведь в нефильтрованном уксусе содержится достаточно большое количество бактерий. К уксусу приливают примерно 10 л. профильтрованного вина. Через восемь дней, если процесс идет нормально, доливают еще 10 л., и так до тех пор, пока бочка не заполниться до половины объема. После этого около 40 л. готового продукта сливают, а к оставшемуся добавляют фильтрованное вино, и цикл повторяется.[7] При этом нужно было следить, чтобы бактериальная пленка не осела на дно, а температура составляла около 20°С. Для лучшего доступа воздуха бочки снабжались отверстием на уровне 5--10 см от поверхности плавающей пленки из уксуснокислых бактерий. а бочки заливались свежим вином.

Полученный уксус выдерживался для созревания в течение многих месяцев. Он отличался особенно приятным ароматом. По орлеанскому способу работали в уксусном производстве в течение многих столетий. Сейчас этот способ имеет лишь историческое значение, однако он применяется до сих пор в некоторых винодельческих районах Франции и несмотря на неэффективность продукт обладает очень высоким качеством [2, 5, 7].

При запуске в производство окислительного чана для производства уксуса можно осуществлять засев чистой культурой А. aceti. Способ Шуценбаха является непрерывным.

Основным аппаратом, в котором получают уксусную кислоту по методу Шуценбаха, является деревянный чан конической формы. На расстоянии 200 - 300 мм от основного днища в нем устанавливают горизонтальную перфорированную перегородку. Верхняя часть аппарата на 2/3 заполняется стружками, которые орошаются питательной для бактерий средой, содержащей некоторое количество уксусной кислоты (чаще всего это 6%-ный раствор), этиловый спирт (3 - 4%) и небольшое количество аммонийных и фосфатных солей. По мере протекания раствора бактерии, закрепившиеся, или иммобилизованные на стружках, окисляют спирт в уксусную кислоту. В нижней части аппарата скапливаются готовая продукция - 9%-ный уксус. В процессе окисления выделяется тепло, которое повышает температуру внутри аппарата до 30 - 35 єС. В результате разницы температур создается естественная и довольно интенсивная конвекция. Воздух поступает в патрубки под ложным днищем, проходит через аппарат и выходит в верхней его части. Так сама собой осуществляется аэрация, необходимая для работающих бактерий.

В аппарат Шуценбаха загружается 1 - 1,5 м3 стружек. На одном предприятии работают десятки таких аппаратов. Производительность аппаратуры при работе по данному способу низка и составляет не более 1,5 кг уксусной кислоты на 1 м3 стружек в сутки (в пересчете на 100%-ную уксусную кислоту). При этом выход уксуса (от теоретически возможного при использовании исходного количества этилового спирта) не превышает 75%. Процесс ведется непрерывно, десятилетиями, без смены бактерий и стружки. Высокая кислотность заливаемого в аппарат раствора необходима для того, чтобы другие бактерии не могли «заселить» аппарат и испортить, таким образом, продукт. Это дает возможность вести производство уксуса без соблюдения стерильности. Единственный спутник уксусных бактерий в этом процессе - мелкие нематоды - угрицы. Они питаются бактериями и тоже легко переносят высокие концентрации уксусной кислоты. Уксус очищают от них фильтрованием после пастеризации, в результате которой они погибают и выпадают в осадок. [5, 7]

Рис. 1. Аппарат Шуценбаха: 1 - деревянная коническая емкость; 2 - слой буковых стружек.

Способу Шуценбаха аналогичен циркуляционный способ Фрингса, в настоящее время на подавляющем большинстве предприятий производство уксуса ведется именно этим способом. Эта технология имеет немало общего с методом Шуценбаха. Здесь также используются аппараты, наполненные стружками, также на стружках иммобилизованы уксуснокислые бактерии, и также масса стружек орошается питательным раствором, содержащим спирт, уксусную кислоту и минеральные соли. Однако есть и существенные различия между этими методами. Прежде всего, это касается размера аппаратов. На некоторых предприятиях объем их заполнения стружками рабочей камеры достигает 60 м3. В такой аппарат (рис. 2.): через специальную распределительную систему подают 10%-ный раствор спирта со скоростью в несколько раз большей, чем по методу Шуценбаха. При помощи насоса раствор многократно циркулирует через аппарат до тех пор, пока весь спирт не окислиться и не образуется 9%-ный раствор кислоты. Около 10% исходного чистого спирта в этом процессе теряется. Цикл длится

Страницы: 1, 2, 3, 4