Подготовка питательной среды

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

Список использованной литературы

 

 

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.

Литературный обзор

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 анаэробныебактерии, 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, Butiribacteriummethylotrophicum, ряд метанообразующих бактерий при росте в автотрофных условиях [2].

 

Подготовка сырья

Для промышленного производства уксусной кислоты в качестве субстрата применяют этиловый спирт – получаемый сбраживанием углеводов дрожжами, либо используется технический спирт. В нашем случае мы используем спирт полученный сбраживанием углеводов.

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].

 

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].