Бродильное производство масляной кислоты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Масляная кислота (бутановая кислота) С₃Н₇СООН -- бесцветная жидкость с запахом прогорклого масла. Соли и эфиры масляной кислоты называются бутиратами.

Масляная кислота и её эфиры содержатся в коровьем масле и нефти. Эфиры масляной кислоты применяют как душистые вещества, пластификаторы, эмульгаторы; масляная кислота -- в производстве ацетобутиратов целлюлозы.

Возбудителями маслянокислого брожения являются анаэробные бактерии рода Клостридиум: Clostridium paserianum (вид назван в честь Луи Пастера, обнаружившего этот вид бактерий), Clostridium butyricum, Clostridium butilicum.

Значение маслянокислого брожения:

v расщепление сложных органических веществ (ферментативный аппарат бактерий);

v роль в круговороте углерода в природе;

v почвообразование;

v порча кормов с/х животных;

v эфиры м. к. используют в легкой промышленности (парфюмерии) и в фармацевтике.

1. Производство масляной кислоты

Маслянокислое брожение - это процесс анаэробного разложения углеводов маслянокислыми бактериями с образованием масляной кислоты и других продуктов по уравнению:

2. Бактерии, участвующие в маслянокислом брожении

Возбудители маслянокислого брожения широко распространены в природе и относятся к роду Clostridium, семейству Bacillaceace. Клетки грамположительные, палочковидные, форма клетки может изменяться в зависимости от условий среды. В молодом возрасте подвижны, имеют перитрихиальное жгутикование. Образует споры, диаметр которых бывает больше толщины клетки. Маслянокислые бактерии являются облигатными анаэробами, однако существуют все переходные формы: от строгих анаэробов (Cl. pasterianum, Cl. kluyveri) до почти аэротолерантных (Cl. histolyticum, Cl. acetobutylicum). Оптимальная температура роста 30…40 °C, но есть термофильные виды с оптимальной температурой 60…75 °C (Cl. thermoaceticum, Cl. thermohydrosulfucicum).

Клетки клостридий образуют специфическое запасное вещество -- гранулезу (крахмалоподобный полисахарид, окрашиваемый йодом в синеватый или коричневато-фиолетовый цвет) в виде гранул.

Прототипом брожения, осуществляемого клостридиями, можно считать сбраживание глюкозы Cl. butyricum и Cl. acetobutylicum c образованием масляной и уксусной кислот, бутанола, этанола, ацетона, СО₂ и Н₂. Выход продуктов варьируется в зависимости от условий брожения.

Еще в конце прошлого века было обнаружено, что некоторые клостридии патогенны, т. е. вызывают заболевания человека и животных. В основе патогенности клостридиев лежит их способность синтезировать и выделять из клетки высокоэффективные токсины.

Clostridium saccharobutyricum (Granulobacter saccharobutyricum) - возбудитель маслянокислого брожения. Клетки его цилиндрической формы, длиной от 4-5 до 7-12 мкм и толщиной от 0,5 до 1-1,5мкм, подвижные, спорообразующие. Перед образованием спор в них накапливается гранулеза. Спора появляется чаще в центре клетки, последняя возле споры расширяется (клостридий). Иногда спора располагается на конце клетки, форма которой приобретает вид ракетки (плектридий). Споры довольно устойчивые, они могут выносить непродолжительное кипячение в течение 1-2 мин.

Clostridium saccharobutyricum - облигатный анаэроб, с оптимальной температурой развития 30-40оС, сбраживает многие углеводы и близкие к ним соединения с обильным выделением водорода и углекислоты при одновременном накоплении масляной кислоты. Последняя этими бактериями не потребляется. С.Н. Виноградским описан возбудитель маслянокислого брожения Clostridium pasteurianum, способный усваивать атмосферный азот. По многим признакам он сходен с предыдущим видом, но отличается от него биохимическими особенностям - он не сбраживает крахмал. К маслянокислым бактериям относится также вид Clostridium butyricum и некоторые другие представители. По отношению к источникам азота маслянокислые бактерии весьма неприхотливы: они усваивают белковый, аминокислотный и аммонийный азот, а некоторые используют азот воздуха.

3. Механизм производства масляной кислоты

Маслянокислые бактерии являются также возбудителями ацетонобутилового брожения, анаэробного брожения клетчатки и брожения пектиновых веществ.

Брожение начинается с процесса фосфорилирования глюкозы и далее идет по гликолитическому пути до стадии образования пировиноградной кислоты. Затем образуется уксусная кислота, которая активируется ферментом. После чего при конденсации (соединении) из двууглеродного соединения получается четырехуглеродная масляная кислота. Таким образом, при маслянокислом брожении происходит не только разложение веществ, но и синтез.

масляный кислота брожение бактерия

Для маслянокислого брожения важна зависимость от рН среды. Если значение рН среды в результате накопления масляной кислоты падает до 4,5 и ниже, то начинается интенсивное образование нейтральных продуктов. В результате этого предупреждается дальнейшее подкисление среды, неблагоприятное для бактерий, а синтез масляной кислоты прекращается. Поэтому если задачей производства является получение именно масляной кислоты, то контроль за процессом осуществляется по уровню рН при использовании рН-статов. Если значение рН среды путем добавления в нее мела или другими способами поддерживать на уровне 5,0 и выше, то образования в большом количестве побочных продуктов (ацетона, бутанола и этанола) не происходит.

Маслянокислое брожение в производственных условиях может вестись на разных углеводсодержащих средах. Обычно используют среды, содержащие кукурузную, пшеничную или ржаную муку, также применяют мелассу и некоторые другие дешевые вещества. Сбраживаемые углеводы не подвергают предварительному осахариванию. Поэтому содержащие их среды именуются заторами (в отличие от сусла - осахаренной среды спиртового брожения). Обычно используют заторы, содержащие около 6% углеводов. Использовать среды с большим количеством сбраживаемых субстратов нецелесообразно, так как образуемый при брожении продукт уже в концентрации 1,5-2,5% подавляет жизнедеятельность бактерий и брожение прекращается. Поэтому часть углеводов, если их много, остается неиспользованной.

В случае, когда в качестве субстрата для брожения применяют муку, ее предварительно взвешивают на автоматических весах, а затем через дозатор направляют на смешение с водой при 50-60°С. Замес проходит ловушки для улавливания комков, а также случайных примесей и поступает на разваривание в варочно-стерилизационные колонки, где нагревается паром до 145-160°С и выдерживается при такой же температуре в трубчатых вертикальных сосудах от 20 до 40 мин., постепенно продвигаясь по ним. Проходя через сепаратор пара, затор подается центробежным насосом в холодильник типа "труба в трубе", охлаждается до температуры брожения (35-36°С) и поступает в бродильное отделение. Среды, содержащие мелассу или гидролизаты растительных отходов, стерилизуют в более мягких условиях (115-120°С, 18-20 мин.), после чего их смешивают с мучным затором. Для нормального проведения процесса брожения важно, чтобы в среде имелись в достаточном количестве белки, как это имеет место в мучных заторах.

Для выращивания чистой культуры Clostridium butyricum пользуются запасом спор бактерии, заготовляемым обычно на шестимесячный (и более) период работы завода. Заготовку спор проводят на 6%-ном заторе кукурузной или ржаной муки путем массового высева. Для этого около 100 пробирок со свежим стерильным затором засевают культурой бактерии и весь цикл брожения, заканчивающийся образованием спор, проводят при 37°С. Готовить споры можно и способом разлива. Для каждой новой заготовки используют споры, полученные из культур, давших в производстве наилучшие результаты брожения. Через 28 ч. брожения культура стерильно передается в большой инокулятор (БИН). Стерильный затор для БИН берут непосредственно с производства в горячем состоянии, охлаждают его в БИНе или в холодильнике. Из инокулятора культура бактерий передается в ферментатор-активатор производственной батареи с соблюдением условий стерильности. В первые часы после инокулирования затора активной культурой бактерий наблюдается брожение, заметное по пузырькам газа, поднимающихся к поверхности среды. Газовыделение достигает максимума обычно через 24-26 ч., спадая к концу брожения. В период максимального газовыделения происходит характерное расслоение субстрата - на поверхность поднимается рыхлый слизистый слой, в нижнем слое остается мутноватая опалесцирующая жидкость. Вся среда приобретает желтоватую окраску. Это явление в производстве именуется "подъемом" бражки и характеризуется как один из признаков нормального брожения. К концу брожения поднявшаяся твердая часть субстрата оседает на дно.

Наряду с газовыделением, характерным для брожения, является форма кривой титруемой кислотности. Развитие бактерий характеризуется быстрым нарастанием титруемой кислотности, достигающей максимума к 12--16 ч брожения. Если не отобрать масляную кислоту либо не повысить значение рН, то рН затем резко снижается к 24-25-му часу, после чего снова происходит небольшой подъем кислотности к концу брожения. В процесс повышения кислотности рН среды снижается с 6,0 до 4,1-4,2 и остается на этом уровне с небольшими колебаниями. Первые 6 часов брожения идет интенсивное накопление масляной кислоты. Образование ацетона и спиртов начинается примерно с 6-го часа брожения, если рН не снижать.

Ведение маслянокислого брожения с применением чистой культуры бактерий в условиях стерильности сред и всего оборудования обусловлено опасностью инфекции. Наибольший ущерб наносят производству молочнокислые бактерии и бактериофаг, быстро и полностью подавляющие рост маслянокислых бактерий.

Главная причина попадания бактериофага в производство определяется тем, что он легко задерживается в трещинах сварных швов ферментаторов, трубопроводах и других плохо прогреваемых и порой незаметных участках оборудования. Кроме возможного устранения таких участков наиболее эффективной мерой борьбы с бактериофагом является стерилизация при 120°С не менее 20 мин. У клостридиев, осуществляющих брожение, образование масляной кислоты происходит на ранних этапах брожения. По мере подкисления среды (до рН ниже 5) и повышения в ней концентрации жирных кислот индуцируется синтез ферментов, приводящих к накоплению нейтральных продуктов, в первую очередь н-бутанола и ацетона, что способствует выживанию культуры.

Заключение

Маслянокислое брожение происходит в природных условиях в гигантских масштабах: на дне болот, в заболоченных почвах, илах и всех тех местах, куда ограничен доступ кислорода. Благодаря деятельности маслянокислых бактерий разлагаются огромные количества органического вещества. Спиртовое, гомоферментативное молочнокислое и маслянокислое брожения являются основными типами брожений. Все другие виды брожений представляют собой комбинацию этих трех типов.

В народном хозяйстве маслянокислое брожение может принести большой вред, так как маслянокислые бактерии способны вызывать массовую гибель картофеля и овощей, прогоркание молока и вспучивание сыров, порчу консервов и т.д.

На маслянокислые бактерии подавляюще действует кислая реакция среды, поэтому там, где развиваются молочнокислые бактерии, выделяющие молочную кислоту, жизнедеятельность маслянокислых бактерий приостанавливается.

Развиваясь во влажной муке, маслянокислые бактерии придают ей прогорклый вкус. Маслянокислое брожение находит практическое применение в производстве масляной кислоты, которая широко используется в технике.

Литература

1. Production of Butyric Acid and Butanol from Biomass. Final Report by David Ramey and Shang-Tian Yang for: U.S. Department of Energy Morgatown, WV, 2004.

2. КЛЕТОЧНЫЕ И ГЕН ОСНОВЫ БТ 2 Производство маслянной кислоты.

3. Богданов В.М., Баширова Р. С., Кирова К. А., Корнеев И.П., Кострова Е.И., Петржиковская Л.М., Панкратов А.Я., Свитыч К.А. Техническая микробиология пищевых продуктов. Издательство пищевая промышленность. Москва, 1968.

4. Беркли Р., Э. Бок, Д. Бун и др.; Под ред. Дж. Хоулта, Н. Крига, П. Снита, Дж. Стейли и С. Уильямса. Пер. с англ. Г.А. Заварзина. Определитель бактерий Берджи -9- е изд.- Москва, Мир, 1997.

5. Теппер Е.З., Шильникова В.К., Переверзева Г.И. Практикум по микробиологии. Москва, агропромиздат, 1987.

Размещено на Allbest.ru