Методи отримання лимонної, оцтової та ітаконової кислот

Після закінчення процесу ферментації поживне середовище звільняють від міцелію, освітлюють активованим вугіллям і упарюють під вакуумом. Ітаконова кислота кристалізується з упареного розчину. Маточний розчин можна обробити активним вугіллям і екстрагувати залишок ітаконової кислоти, наприклад, за допомогою амілового спирту.

 

 

Не зважаючи на значний прогрес у сфері органічного синтезу, на сьогодні багато органічних кислот, у тому числі й лимонну, оцтову та ітаконову отримують мікробіологічним синтезом, а саме шляхом бродіння солодких відходів цукрових та інших виробництв. Харчова промисловість традиційно є основним споживачем вироблених таким чином органічних кислот, оскільки продукти природного бродіння мають переваги порівняно з хімічно синтезованими та не містять токсичних для організму людини домішок. 

Одним з головних завдань у виробництві органічних кислот є досягнення їх високого виходу. Сучасна технологія біологічного виробництва органічних кислот застосовує різні джерела вуглецю та способи культивування мікроорганізмів (поверхневий та глибинний, періодичний та неперіодичний). 

Продуцент лимонної, оцтової та ітаконової кислот повинні мати наступні спільні характеристики: високу швидкість кислотоутворення, високий ступінь трансформації джерела вуглецю у лимонну кислоту, генетичну однорідність та стабільність, толерантність до зміни температури та контамінантів середовища, зокрема до високих концентрацій вуглеводів. Під час культивування продуцентів має бути низький вихід побічних продуктів. 

Біосинтез лимонної кислоти – це регульований процес, який значною мірою залежить від складу поживного середовища та його фізико-хімічних параметрів. Лимонна кислота є первинним метаболітом A. niger. Зазвичай, первинні метаболіти необхідні для росту та життєдіяльності продуценту.

Біотехнологія отримання лимонної, оцтової та ітаконової кислот за участю мікроорганізмів охоплює такі основні етапи: отримання посівного матеріалу; підготовка сировини до ферментації; підготовка та стерилізація повітря; ферментація; відокремлення біомаси продуцента від культуральної рідини; екстракція кислоти з культуральної рідини.

З огляду на збільшення попиту на лимонну кислоту, необхідно постійно удосконалювати технологічний процес її отримання: застосовувати різноманітні джерела вуглецю, проводити селекцію штамів мікроорганізмів-продуцентів, впроваджувати сучасні способи культивування, розробляти нову апаратуру. Потрібно детально знати механізм синтезу лимонної кислоти, що є метаболітом мікроорганізмів-продуцентів, одним з яких є Aspergillus niger. Залежно від умов культивування (складу поживного середовища, рН, температури, аерації, часу та методу ферментації) змінюється вихід лимонної кислоти. Значний економічний ефект можна отримати завдяки мо-дернізації біотехнологічного процесу.

Оцтову кислоту при біологічному синтезі можна отримати 4 способами: окисленням етанолу оцтовокислими бактеріями родів Acetobacter (A.aceti; A.xylinum; A.peroxydans) і Gluconobacter (G.oxydans); за допомогою бактерій Cl.aceticum, Cl.thermoautofrophicim, Eubacterium limosum, які здатні в анаеробних умовах утилізувати гексози, пентози і молочну кислоту, утворюючи ацетат як єдиний продукт метаболізму; біосинтез оцтової кислоти молочнокислими бактеріями за механізмом гетероферментативного молочнокислого шумування з фіксацією СО2 та за механізмом пропіоновокислого шумування. 

Основними при цьому є циркуляційний, глибинний та неперервний комбінований способи біосинтезу оцтової кислоти. Перевагами циркуляційного способу є заміна багаточанової системи одним великим окислювачем, збільшення продуктивності до 6-8 кг оцтової кислоти/1 м3 наповнювача.

Ітаконова кислота є продуктом метаболізму вуглеводів грибами роду Aspergillus. Продуцентами кислоти у промисловості є спеціально селекціо-новані штами A. terreus, які, на відміну від A. itaconicus, не розкладають ітако-нову кислоту. Для одержання високого виходу ітаконової кислоти необхідним є лімітування середовища за фосфат-іонами. 

Процес синтезу ітаконової кислоти аналогічний процесу одержання лимонної кислоти. Найкращими субстратами для культивування є глюкоза і сахароза, однак у промисловості використовують, в основному, мелясу, попередньо оброблену іонітами або фероціанідом, а також гідролізований крохмаль. Процес проводять в умовах обмеження росту гриба мінеральними компонентами середовища (залізом і фосфором) при низькому рН середовища і достатньому забезпеченні киснем. Оптимальна температура культивування складає 37°С. Найчастіше використовується глибинний метод.

 

 

1. Аналіз виробництва та застосування лимонної кислоти / В.М. Фалес, О.В. Хіврич, А.М. Литвиненко // Харч. пром-сть. - 2009. - N 8. - С. 91-94.

2. Биотехнология / Под ред. акад. А. А. Баева. – М.: Наука, 1984. – 310 с.

3. Біологічна хімія: підруч. для студ. ВНЗ / Л. Ф. Павлоцька, Н. В. Дуденко, Є. Я. Левітін. - Суми: Унів. кн., 2011. - 509 с.

4. Божков А. И. Биотехнология. Фундаментальные и промышленные аспекты. – Харьков: Федорко, 2008. – 364 с.

5. Быков В.А., Крылов, Манаков М.Н., Марквичев Н.С., Орлова Л.М., Биотехнология: Учеб. пособие. Микробиологическое производство биологи-чески активных веществ и препаратов. – М.: Высш. шк., 1988. – 208 с.

6. Васильченко О.А., П’янкова О.О. Біотехнологічні аспекти отримання лимонної кислоти // Науковий вісник НЛТУ України. – 2012. – Вип. 22.1. - С. 100-110.

7. Виестур У. Э., Шмите И. А., Жилевич А. В. Биотехнология. Биологические агенты, технология, аппаратура. – Рига: Зинатне, 1987. – 263 с.

8. Воробьева Л. И. Техническая микробиология: Учебн. пособие. – М.: Изд. Моск. ун-та, 1987. – 168 с.

9. Гинодман Л.М. Биогенез природных соединений / Гинодман Л.М.– М.: Мир, 1965. – 724 с.

10. Глазунова Л.М., Финогенова Т.В. Активность ферментов цитратного, глиоксилатного и пентозофосфатного циклов при синтезе лимонных кислот Candida lipolytica И Микробиология. 1976. - Т. 35. - № 3. - С. 444-449. 

11. Дослідження регенерації оцтової кислоти виробництва вінілацетату / С.С. Ле-вуш, Ю.В. Кіт // Вісн. Нац. ун-ту «Львів. політ.». - 2008. - № 609. - С. 207-209.

12. Загальна хімічна технологія: навч.-метод. посіб. / В. П. Беженар, О. М. Хаце-вич. - Івано-Франківськ: Прикарпат. нац. ун-т ім. В. Стефаника, 2011. - 203 с.

13. Карклиньш Р.Я., Пробок A.K. Биосинтез органических кислот. - Рига, 1972. - 200 с. 

14. Карпов А.М., Саруханов А.В. Теплофизические и физико-химические харак-теристики продуктов микробиологического синтеза: Справочник / Карпов А.М., Саруханов А.В. – М.: Агропромиздат, 1987. – 224 с.

15. Маненков М.Н., Победенский Д.Г. Теоретические основы технологии микробиологических производств. – М.: Мир, 1990. - 272 с.

16. Муратова Е.И. Биотехнология органических кислот и белковых препаратов: учебн. пособ. / Е.И. Муратова, О.В. Зюзина, О.Б. Шуняева. – Тамбов: Изд-во Тамб. гос. тех. ун-та, 2007. – С. 8-10.

17. Органічна хімія та основи статичної біохімії / Н.І. Штеменко, З.П. Соломко, В.І. Авраменко; Дніпропетр. нац. ун-т. - Д., 2003. - 665 с.

18. Органічна хімія: Навч. підруч. / Л.М. Романишина, Р.О. Сабадишин, І.М. Хмеляр, М.М. Лукащук. - Рівне: Рівнен. друк., 2006. - 503 с.

19. Органічна хімія: підручник / В.Я. Чирва, С.М. Ярмолюк, Н.В. Толкачова, О.Є. Земляков. - Л.: БаК, 2009. - 996 с.

20. Оцтова кислота. Властивості, використання, виробництво: Моногр. / Я.В. Лас-тов’як, Н.С. Караман, М.С. Полутаренко, Ю.А. Паздерський; Нац. ун-т «Львів. політехніка». - Л.: Вид-во Нац. ун-ту «Львів. політехніка», 2004. - 166 с.

21. Промышленная биотехнология / Под ред. Егорова Н.С. – М.: Высш. шк., 1989. – 688 с.

22. Расчеты по технологии органических альдегидов и кислот / Л.Л. Товажнянский, В.Г. Новиков, С.И. Бухкало, В.Е. Ведь, В.М. Фрумин; Нац. техн. ун-т «Харьк. политехн. ин-т». - Х., 2006. - 88 с.

23. Уксусная кислота: проблемы и перспективы / П.П. Борисов, М.Д. Пукиш та ін. // Хім. пром-сть України. - 2000. - № 1-2. - С. 63-67.

24. Ферментация и технология ферментов: Пер. с англ. / Уонг Д., Кооней Ч., Демайн А. и др. – М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983. – 336 с.

25. Финогенова Т.В. Перспективы производства органических кислот дрожжами Yarrowia lipolytica // Прикл. биохим. микробиол. - 2005. - № 5. - с. 478-486.

26. Хиччинс И., Бест Д., Джонс Дж. Биотехнология: Принципы и применение. – М.: Наука - 479 с.

27. Яворська Г.В., Ґудзь С.П., Гнатуш С.О. Промислова мікробіологія. – Львів, вид. центр Львів. нац. ун-ту ім. І Франка, 2008. – 256 c.