Глюконовая кислота

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Структурная формула

а) Глюконовая кислота - сахарная кислота, образующаяся при окислении альдегидной группы глюкозы. Остаток этой кислоты в фосфорилированной форме является одним из промежуточных продуктов углеводного обмена в живых организмах. Естественный путь образования глюконовой кислоты при окислении глюкозы присутствует в самых разных продуктах - пиве, меде и др.

Глюконовая кислота представляет собой одноосновную пейтаоксикислоту. Водный раствор глюконовой кислоты содержит равновесную смесь свободной кислоты и ее - -лактонов [1].

Глюконовая кислота -глюконолактон -глюконолактон

б) Глюконат кальция -- химическое соединение, кальциевая соль глюконовой кислоты, в медицине в основном используется в качестве минеральной добавки при гипокальциемии.

Глюконат кальция

глюконовый тетроциклин биосинтез

2. Применение глюконовой кислоты и глюконтата кальция

1.Глюконовая кислота выступает в сфере производства продуктов в роли разрыхлителя, регулятора кислотности, комплексообразователя, подкислителя, усилителя действия антиоксидантов. Вещество зарегистрировано как пищевая добавка под номером Е574. Глюконовая кислота часто применяется в порошках, желе, фруктовых соках. Кроме того, вещество используется для устранения проблем, вызванных осаждением фосфата кальция и иных кальциевых солей. Есть и иные сферы, в которых глюконовая кислота нашла свое применение. Например, она используется в моющих средствах, в фармацевтической промышленности в качестве наполнителя для таблеток.

Количество глюконовой кислоты, максимально возможное для безопасного ее применения, точно не установлено. Ряд исследователей сообщает, что не следует употреблять более 50 мг/кг этого вещества в сутки.

2. Са-, Fe- и К-Соли глюконовой кислоты находят широкое при-
менение в медицинской и ветеринарной практике при лечении
недостаточности соответствующих ионов металлов в организме.

Кальция глюконат восполняет дефицит кальция - вещества, необходимого для формирования костной ткани, сокращения гладких, скелетных мышц, передачи нервных импульсов, деятельности миокарда, свертывания крови. Кальций является главным макроэлементом, формирующим костную, зубную ткань, волосы и ногти. Он необходим для процессов передачи нервных импульсов, для работы сердечной мышцы, свертывания крови, сокращения мышц. При нехватке кальция в организме нарушается сердечная и нервная деятельность, становятся ломкими кости, ногти и волосы, нарушается строение зубов. У человека может развиться гипокальциемия (недостаток кальция в крови). Во всех этих случаях, для восполнения дефицита этого важного макроэлемента, врачом назначается глюконат кальция.

Глюконат кальция применяется при следующих заболеваниях: недостаточность функции паращитовидных желез; усиленное выделение кальция из организма при длительном обездвижении; аллергические заболевания (крапивница, сывороточная болезнь, сенная лихорадка и др.), аллергические осложнения, связанные с приёмом лекарств; в качестве средства, уменьшающего проницаемость сосудов; кожные заболевания (экзема, кожный зуд, псориаз и др.); заболевания печени и почек: токсические поражения печени, гепатит; нефрит и др.; как кровоостанавливающее средство; как противоядие при отравлении солями магния и щавелевой кислоты.

3. Свойства продукта

1) Физические.

а) Глюконовая кислота: очень гигроскопичные кристаллы. Тпл125-130°С; плотность 50%-го раствора 1,235; рН 1%-го раствора 2,8. Содержание лактонов определяется по величине оптического вращения: кислота +8,5°, дельта-лактон +66,7°. Хорошо растворим в воде; средне растворим в спиртах; нерастворим в других органических растворителях.

б) Кальция глюконат: медленно растворим в холодной воде, легко - в кипящей, практически нерастворим в спирте и эфире.

2) Химические.

1) Глюконат кальция образует нерастворимые комплексы с антибиотиками тетрациклинового ряда (снижает антибактериальный эффект).

Рис. 2 Структурная формула тетроциклина

При одновременном применении глюконата кальция с хинидином возможно замедление внутрижелудочковой проводимости и повышение токсичности хинидина.

Рис. 3 Структурная формула хинидина

3) Фармацевтически несовместим с этанолом, карбонатами, салицилатами, сульфатами (образует нерастворимые или труднорастворимые соли Ca2+).

4) Во время лечения сердечными гликозидами парентеральное применение кальция глюконата не рекомендуется (возможно усиление кардиотоксического действия гликозидов);

5) При сочетании с тиазидовыми диуретиками может усиливать гиперкальциемию, снижать эффект кальцитонина при гиперкальциемии, снижает биодоступность фенитоина.

6) Реакция фараоновые змеи. Фараоновыми змеями называют целый ряд реакций, которые сопровождаются образованием пористого продукта из небольшого объема реагирующих веществ. Эти реакции сопровождаются бурным выделением газа.

Разложение глюконата кальция, имеющего состав Са[CH2OH(CHOH)4COO]2 · H2O приводит к образованию оксида кальция, углерода, углекислого газа и воды. Из таблетки выползет светло-серая "змея" с белыми пятнами, объем которой намного превышает объем исходного вещества - она может достигнуть длины 10-15 см.

Светлый оттенок «змее» придает оксид кальция. Недостатком образующейся «змеи» является ее хрупкость - она достаточно легко рассыпается.

Органолептические свойства.

а) Белые, плавящиеся кристаллы или прозрачные, слегка желтоватые.

б) Белый зернистый или кристаллический порошок без запаха и вкуса. Содержит 9% кальция.

4. Продуцент - Aspergillus niger

Рис. 1 Строение кондиеносцев с конидиями [1]. А - Aspergillus конидии, 2 - фиалиды, 3 - профиалиды, 4 - пузырь, 5 - кондиеносцы, 8 - опорнве клетки

Грибы родов Aspergillus относятся к формальному классу дейтеромицетов. или несовершенных грибов (Deuteromycctes или Fungi imperfecti), порядку Hyphomycetales. Широко распространены в природе.

Многие виды аепергиллов ответственны за порчу пищевых продуктов (плодов, овощей, зерна, хлеба и др.), кожи, бумаги. Грибы обнаруживаются в виде плесневого налета, состоящего из вегетативного мицелия, несущего конидиеносиы с конидиями. Естественным резервуаром их является почва, причем аснергиллы более приурочены к почвам южных широт.

На поверхности питательных сред аснергиллы образуют плоские колонии, состоящие из (вегетативного мицелия, стелющегося по поверхности и частично погруженного в субстрат. Мицелий чаще всего белого цвета, септированный, сильно разветвленный. На определенной стадии развития грибов образуются воздушные гифы, на которых развиваются кондиеносцы, несущие конидии, последние служат для размножения грибов.

Aspergillus niger -- вид высших плесневых грибов из рода Аспергилл. Нуждается в обычных органогенах -- углероде, азоте, кислороде, водороде и многих других элементах.

Рис. 2 Внешний вид гриба Aspergillus niger

Табл. 2 Систематика гриба Aspergillus niger

Морфологические и культуральные свойства:

Форма колоний- круглая

Профиль колоний - выпуклый

Край колоний - неровный

Отношение к кислороду - аэробный гриб

Оптимальные значения рН - 6-7

Оптимальная температура - 300С

Способ питания - гетеротрофный организмам, усваивающий углерод из органических соединений.

5. Биохимическая схема биосинтеза

Механизм образования глюконовой кислоты связан с окислением глюкозы кислородом при участии фермента глюкозооксидазы (Е):

При этом вначале образуется в-D-глюконо-д-лактон, который затем гидролизуется до глюконовой кислоты.

Наиболее близким по технической сущности является способ, заключающийся в выращивании посевного материала из спор Asp. niger, в присутствии минеральных солей и кукурузного экстракта, содержащих марганец, и последующей ферментации глюкозы до солей глюконовой кислоты при pH от 6 до 7, аэрации менее 0,5 объема воздуха на 1 объем среды в мин .

В посевную среду вводят кукурузный экстракт и минеральные соли, содержащие марганец, ферментацию ведут на глюкозе или глюкозосодержащем сиропе в режиме периодической, непрерывной или отъемно-доливной ферментации при поддержании pH от 5 до 7 и аэрации, не превышающей 0,5 объема воздуха на 1 объем питательной среды в мин.

После наработки достаточного количества глюконата и окончании утилизации последней порции сахара около 9 частей ферментированного раствора вместе с биомассой вытесняют из реактора на стадию выделения и очистки глюконата, Для выделения и очистки глюконата отъемы и основной ферментированный раствор после первой фазы биосинтеза нагревают до 60-80oC, выдерживают 30 мин, доводят pH до 6,5-7,2. Биомассу отделяют, фильтрат обрабатывают активированным углем, фильтруют. Очищенный раствор упаривают в вакууме, медленно охлаждают. Выделившиеся кристаллы соли отделяют и сушат. Получают глюконаты реактивной, пищевой или фармакопейной чистоты с выходом по сахару на ферментации от 85 до 95%.

В реактор объемом 100 л, снабженный мешалкой и системой подачи стерильного воздуха, вводят: 300 г глюкозы, 90 г кукурузного экстракта, 14 г сульфата магния, 4 г сульфата марганца, 15 г однозамещенного фосфата калия, 30 г диаммонийфосфата и 10 л артезианской воды. Доводят pH фосфорной кислотой до величин от 5 до 6. Стерилизуют при 125oC 30 мин, охлаждают до 36-38oC и засевают взвесью 0,5 г спор Asp. Niger

Подращивание посевного материала ведут в течение 24 ч при 37-38oC, аэрации 0,1 - 0,5 объема воздуха на 1 объем среды в мин. Стерильно вводят 80 л сиропа глюкозы с содержанием 100-350 г/л. Биосинтез глюконата ведут при 34 - 36oC, аэрации около 0,1 объема воздуха на 1 объем среды в мин, поддерживая pH от 6 до 6,5 мелом, известью.

После окончания утилизации глюкозы ферментацию ведут непрерывным или отъемно-доливным методом, руководствуясь результатами анализа остаточного сахара и глюконата и поддерживая pH соответствующими нейтрализующими агентами.

6. Описание процесса

Синтез глюконовой кислоты грибом-продуцентом осуществляется обычно на средах с высокой концентрацией углевода (5--20%). Наилучшим субстратом для A. niger является глюкоза.

Технологический процесс можно производить одним из вариантов нейтрализации :

Мелом

Раствором щелочи NaOH

Часто используют комбинированный метод нейтрализации.

Процесс ферментации осуществляется в огромных ферментаторах (объемом несколько десятков м3). Засев основных ферментационных аппаратов производится мицелием гриба, предварительно выращенным в посевном аппарате небольшого объема.

Важными моментами ведения процесса являеются: 1) ограничение роста мицелия гриба источником азота при избыточном содержании источника углерода; 2) постоянная нейтрализация образующейся кислоты и поддержание значения pH среды на уровне 6,0-7,0; 3) интенсивная аэрация культуры. Наилучшее результаты достигнуты при создании повышенного давления воздуха в аппарате и высокого насыщения среды кислородом. Ферментация осуществляется при температуре около 30°С.

Для поддержания стабильного значения pH используют стерильный мел, который вносят в среду в два приема, или ведут непрерывную подтитровку раствором щелочи (NaOH). В первом случае продуктом, накапливающимся в культуральной жидкости, является глюконат кальция, обладающей ограниченной растворимостью в воде (~40 г/л при 30°С). При подтитровке среды щелочью получают глюконат натрия, растворимость которого в воде гораздо выше.[1].

В первом случае исходная питательная среда должна содержать 10--15% глюкозы, поскольку кальция глюконат ограниченно растворим в воде при 30°С (порядка 40 г/л); во втором случае образуется натрия глюконат, который хорошо растворим в воде (до 400 г/л при 30*С и 569 г/л -- при 80°С) и поэтому концентрацию глюкозы в исходной среде можноповысить до 35% .

При использовании мела ориентировочный состава питательной среды может быть следующим (%):

· 10--15 глюкозы;

· 0,016 - магния сульфата;

· 0,02 -- калия дигидрофосфата;

· 0,04 -- аммониягидрофосфата

· 2,6 -- кальция карбоната.

Вместо глюкозы можно применять гидролизаты крахмала.[2].

Технологический процесс реализуют либо в периодическом, либо в непрерывном режиме. Второй из них более эффективен по скорости и по выходу целевого продукта (свыше 95% от использованной глюкозы). [1].

Метод ферментации в присутствии CaCO3 разработан в США в начале 40-х годов. С этих пор и до настоящего времени этим методом ежегодно получают 200-300 т глюконата кальция. В связи с низкой растворимостью глюконата кальция в среде исходная концентрация глюкозы не должна превышать 100-150 г/л. [1].

Для выделения глюконовой кислоты в виде натриевой соли культуральную жидкость просто отфильтровывают от мицелия, упаривают и высушивают. В случае необходимости получения кислоты, технический натрия глюконат перекристаллизовывают и химически переводят в свободную кислоту.

Отделенный мицелий гриба используют для выделения фермента глкюкозооксидазы, полезной в пищевой и фармацевтической промышленности.

7. Активаторы и ингибиторы биосинтеза

Причиной сверхсинтеза глюконовой кислоты является лимитирование роста A. niger недостатком источника азота в среде. Сходное действие оказывает дефицит фосфора. При культивировании гриба в условиях, когда значение pH среды близко к 7,0, и высокой концентрации молекулярного кислорода в клетках содержится большое количество глюкозооксидазы. Этот фермент является флавопротеином, содержащим флавинаденинуклеотид (ФАД) в качестве простетической группы.

Глюкозооксидаза осуществляет окисление -D-глюкопиранозы кислородом. Продуктами реакции являются перекись водорода и -D-глюконо--лактон. Лактон далее подвергается гидролизу с образованием глюконовой кислоты. Суммарно две указанные реакции можно выразить уравнением

8. Выход продукта

Способность продуцировать глюконовую кислоту при росте на средах с глюкозой -- свойство, широко распространенное среди бактерий рода Aceiobacter и Pseudomonas. Первые способы получения глюконовой кислоты были основаны на использовании в качестве продуцентов уксуснокислых бактерий. Однако эти методы не нашли промышленного применения.

Способность некоторых плесневых грибов продуцировать глюконовую кислоту была обнаружена в 1922 г. независимо друг от друга Мольяром и Буткевичем. Первым детально исследованным продуцентом этой кислоты был Р. purpurogenum, который пытались использовать для получения свободной глюконовой кислоты методом поверхностного культивирования. Однако процесс ферментации был длительным, а выход кислоты низким, в связи с чем процесс не нашел практического применения.

Современное производство глюконовой кислоты основано на применении специально селекционированных штаммов A. Nigеr [1].

В Японии разработан метод непрерывного производства глюконата натрия. Выход продукта в этом случае превышает 95 % от внесенной глюкозы, а скорость процесса на 50-70% выше, чем при периодическом культивировании того же продуцента.

9. Технология усовершенствования

Недостатками биохимического синтеза являются низкая скорость процесса и образование большого количества побочных продуктов, снижающих выход и стабильность целевого продукта.

Известен синтез глюконовой кислоты каталитическим окислением Д-глюкозы в трехфазном реакторе, в котором Pd/Al2O3 (приблизительно 1% от массы глюкозы), суспендированный в растворе Д-глюкозы, катализирует реакцию окисления последней в глюконовую кислоту кислородом воздуха с последующей нейтрализацией ее гидроксидом натрия. Реакция проводится при температуре 50° С, при непрерывном пропускании кислорода. Выход глюконата натрия достигает 90% .

Недостатком этого метода является невысокая скорость реакции вследствие дезактивации дорогостоящих катализаторов.

Наиболее близким по технической сущности является электрохимический способ получения глюконовой кислоты с последующей ее нейтрализацией карбонатом кальция.

Этот способ основан на электролизе 20%-ного водного раствора Д-глюкозы, содержащего бромистый натрий, в количестве 1% от массы глюкозы, и стехиометрическое количество карбоната кальция в одну стадию в аппарате-электролизере. В качестве электролизера используется типовой химический реактор из нержавеющей стали, в котором роль катода выполняет корпус аппарата, а в качестве анода используются углеграфитовые электроды, находящиеся во внутреннем объеме реактора. Оптимальная плотность тока 0,05 А/см2, рН 7-8, процесс ведут при температуре 40-50° С. Выход глюконата кальция достигает 84-90%. Этим способом удается получить наиболее чистый глюконат кальция.

Недостатками этого способа являются использование только катодной реакции, вследствие этого высокие энергозатраты, а также санитарно-гигиенические трудности, возникающие при получении препарата в больших количествах.

Задачей изобретения является интенсификация процесса синтеза глюконовой кислоты путем снижения энергозатрат, уменьшения количества вредных выбросов и увеличения выхода целевого продукта.[3].

Список литературы

1. Промышленная микробиология / Под ред. Н.С. Егорова. М.: Высшая школа, 1989. - 688 с.

2. Елинов Н.П. Основы биотехнологии. Для студентов институтов; аспирантов и практических работников. Издательская фирма «Наука» СПБ 1995 г.с., 600 стр. 166 ил.

3. Томилов А.П., Фиошин М.Я., Смирнов В.А. Электрохимический синтез органических веществ. М.: Химия, 1976 г.

Размещено на Allbest.ru