ВСТУП
Глутамінова кислота (α-аміноглутарова) є однією з найважливіших амінокислот рослинних і тваринних білків. Не відноситься до числа незамінних, однак, є основою для синтезу багатьох фізіологічно активних сполук, необхідних для нормальної життєдіяльності людського організму. Вона володіє дуже приємними органолептичними властивостями і тому має широке застосування в різних областях.
Важливою особливістю кислоти є здатність служити захисним фактором при різних отруєннях печінки і нирок, посилювати фармакологічну дію одних і послаблювати токсичність інших лікарських засобів, підтримувати поряд з іншими амінокислотами постійну реакцію середовища. На цих властивостях і засноване лікування ряду захворювань шляхом введення в організм глутамінової кислоти.
Не менше значення має мононатрієва сіль глутамінової кислоти – глутамат натрію. Це з’єднання підсилює смак багатьох харчових продуктів, а також сприяє тривалому збереженню смакових якостей консервованих продуктів. Ця обставина дозволяє широко використовувати моноглутамат натрію в консервній промисловості, особливо при консервуванні овочів, риби, м’ясних продуктів. У багатьох зарубіжних країнах глутамат натрію додають абсолютно у всі продукти при консервуванні, заморожуванні або просто при зберіганні. В Японії, США та інших країнах глутамат натрію є такою ж обов’язковою приналежністю столу, як сіль, перець, гірчиця та інші приправи. Він підвищує не тільки смакову цінність харчових продуктів, але і стимулює діяльність травних залоз. В даний час виробництво глутамінової кислоти стало дуже великим. Провідне місце в цьому виробництві займають Японія і США.
Глутамат натрію отримують як з натуральних ресурсів, так і за допомогою хімічних реакцій.
Глутамат натрію всмоктується і метаболізується як звичайна амінокислота. Тому якісний глутамат натрію, використовуваний в регламентованих дозах, не може викликати ніяких хворобливих симптомів. Вживання технічного, недостатньо очищеного глутамату натрію, викликає мігрені, нудоту, сонливість, порушення травлення, прискорене серцебиття, астму, і навіть – анафілактичний шок. Окремі дослідники переконані, що патогенні домішки недоочищеного синтетичного глутамату діють безпосередньо на кору головного мозку. Звідси – погіршення стану хворих на бронхіальну астму, загострення глаукоми і руйнування сітківки очей.
У даному проекті розглядається виробництво глютамінової кислоти за допомогою Corynebacterium gtutamicum.
Процеси отримання глутамінової кислоти проводять в умовах вузького інтервалу температур, тиску, рН, не допускаючи значної зміни цих величин, які можуть привести до втрати цільового продукту.
Одна із вимог до обладнання процесу біосинтезу глутамінової кислоти – герметичність на стадіях підготовки поживного середовища, отримання посівного матеріалу та культивування. Важливим є також вибір матеріалів устаткування. Останні мають бути кислотостійкими, антикорозійними і не повинні інгібіювати процесів, що проходять у апаратах [1].
Актуальність даної теми визначається тим, що лінія виробництва глутамінової кислоти є економічно ефективною, так як має високу продуктивність, що дозволяє економити енергоресурси.
Викладення технологічного процесу
Відомо кілька способів отримання глутамінової кислоти: гідроліз різних білків, хімічний синтез, ферментативний синтез з α-кетоглутарової кислоти і мікробіологічний синтез.
Гідроліз протеїнів є класичним методом отримання амінокислот з природних джерел. Для вироблення глутамінової кислоти та її натрієвої солі використовуються тваринні і рослинні білки: казеїн молока, клейковина пшениці, кукурудзяний глютеїн, відходи м'ясокомбінатів, бурякоцукрових (сепараційні луги) і спиртових заводів (барда).
Метод гідролізу малопродуктивний і досить дорогий через значне утворення побічних продуктів і необхідності ретельного очищення глутамінової кислоти.
Комплексна переробка меляси дозволяє отримати поряд з високоякісними цукровими сиропами глутамінової кислоти, бетаїн, холін та інші цінні продукти.
Серед методів хімічного синтезу найбільш перспективним є використання в якості вихідної сировини акрилонітрилу. Відповідно до цього методу акрилонітрил в результаті реакції гідроформілювання перетворюється в β-формілпропіоннітрил і останній через стадію утворення α-аміноглутардинітрила перетворюються в DL-глутамінову кислоти.
Основним недоліком хімічного синтезу є отримання рацематів амінокислот. Поділ D-і L-ізомерів є досить складною операцією і вимагає великих витрат.
Ферментативний синтез глутамінової кислоти здійснюють з α-кетоглутарової кислоти за допомогою ферментів трансамілази або глутаматдегідрогенази в результаті наступних перетворень. У кожному з цих процесів α-кетоглутарова кислота відіграє роль попередника. Для здійснення будь-якого з цих перетворень необхідні джерела α-кетоглутарової кислоти і відповідної ферментної системи. Перше з цих завдань вирішують за допомогою підбору мікроорганізмів, здатних продукувати значну кількість α-кетоглутарової кислоти з доступних джерел сировини. Продуцентами α-кетоглутарової кислоти можуть бути Psedomonas і Esherichia, а при культивуванні продуцента Kluyverd citrophila α-кетоглутарова кислота була отримана з 57%-вим виходом. Дріжджі роду Candida при вирощуванні на н-парафінах продукують α-кетоглутарову кислоту спільно з піровиноградною в співвідношенні 6:1. Економічний коефіцієнт процесу біосинтезу досягає 90% від кількості спожитих вуглеводнів.
У ролі продуцента ферменту трансамідази можуть виступати різні мікроорганізми, наприклад Е. coll. Донором аміногруп може бути аспарагінова кислота або аланін. Відновне амінування можливо здійснити за допомогою Pseudomonas (при використанні Ps. Ovalis вихід L-глутамінової кислоти становить 60%) або Aeromonas, причому деякі штами цих мікроорганізмів в якості субстрату можуть використовувати D, L,-α-оксіглутарову кислоту, вироблену хімічним синтезом.
Найбільш перспективним і широко використовуваним способом виробництва глутамінової кислоти є мікробіологічний синтез. Вперше про можливість отримання L-глутамінової кислоти безпосередньо з вуглеводів за допомогою мікроорганізмів методом глибинного культивування повідомили в 1957 р. японські вчені Кіносіта, Асаї.
До теперішнього часу з'ясовано, що здатністю продукувати глутамінову кислоту володіють деякі раси дріжджів, мікроскопічні гриби, бактерії. Однак практично лише бактерії можуть синтезувати глютамінову кислоту з виходом не менше 40% щодо вихідного цукру або іншої сировини. Тому промислове значення мають поки тільки бактерії, що відносяться до родів Micrococcus, Brevibacterium, Microbacterium, Corynebacterium.
Для здійснення процесу біосинтезу глутамінової кислоти з високим виходом використовують мутанти з порушеною ферментативною системою перетворення α-кетоглутарової кислоти в бурштинову.
Склад живильного середовища для головної ферментації і для отримання посівного матеріалу в значній мірі залежить від використовуваного продуцента, від його фізіологічних особливостей. Основним джерелом вуглецю в середовищі найчастіше є глюкоза, сахароза, гідролізати крохмалю, бурякова меляса, гідрол. Кількість засвоюваного цукру в перерахунку на сахарозу повинно бути в межах від 8,5 до 25%. Але слід пам’ятати, що межі використання меляси визначаються рівнем в ній біотину. Концентрація біотину, за даними більшості дослідників, не повинна перевищувати 2-5 мкг на 1 л поживного середовища, інакше замість глутамінової кислоти будуть інтенсивно накопичуватися аланін, молочна, янтарна, аспарагінова кислоти, різко зросте приріст біомаси продуцента, але знизиться вихід глутамінової кислоти. Крім меляси біотин в середу може бути внесений із кукурудзяним екстрактом.
Інгібуючий вплив біотину вдається знизити при включенні до складу поживних середовищ різних добавок у вигляді деяких спиртів, ПАР, антибіотиків (тетрациклінів). Ймовірно, це пов’язано зі зміною ліпідного складу клітинних мембран, що сприяє збільшенню проникності клітинних мембран для глутамінової кислоти. Присутність такого роду стимуляторів дозволяє вести ферментацію з великим виходом глутамінової кислоти при підвищених концентраціях біотину. Добавки в середу ПАР в кількості 0,01-0,2% або калієвої солі бензилпеніциліну підвищують біосинтетичну здатність продуцента на 15-45% і вихід глутамінової кислоти досягає 50г / л.
Як джерело азоту в поживних середовищах найчастіше використовують сечовину в кількості до 1,5-2,0% в залежності від особливостей використовуваного штаму, але вводиться вона дробно, по мірі споживання її з середовища, і так, щоб вміст її в культуральній рідини не перевищувало 0,8% і рН середовища було в межах від 6,8 до 7,8. Брак азоту в середовищі призводить до зниження синтезу глутамінової кислоти і до накопичення в середовищі підвищених кількостей α-кетоглутарової кислоти.
Для нормального росту культури і синтезу нею глутамінової кислоти необхідно вводити в середу солі калію у вигляді КН2РО4.
Принципова технологічна схема одержання глутамінової кислоти або глутамату натрію складається з наступних стадій: отримання посівного матеріалу; очистка повітря для проведення аеробного процесу, приготування живильного середовища, його стерилізація, охолодження і засів готовим посівним матеріалом; вирощування продуцента в ферментаторі до накопичення максимальної кількості глутамінової кислоти; виділення глутамінової кислоти в кристалічному вигляді або у вигляді кристалів глутамату натрію, сушка кристалів, фасовка і упаковка [2].
Докладніше стадії технологічного процесу будуть розглянуті в розділі: «Призначення та галузь використання виробу, що розробляється»