7.6.5.1. Производство уксусной кислоты микробиологическим синтезом

В химической промышленности техническая уксусная кис­лота производится окислением ацетальдегида. Пищевую же уксусную кислоту получают окислением этилового спирта под действием фермен­та алкогольоксидаза, вырабатываемого уксусно-кислыми бактериями:

С₂Н₅ОН + О₂ = СН₃СООН + Н₂О

Процесс протекает с выделением теплоты в аэробных условиях (с подачей воздуха для жизнедеятельности микроорганизмов) при тем­пературе 301—308 К в кислой среде (рН = 3). Сырьем служит очищен­ный разбавленный спирт (примеси угнетают уксусно-кислые бактерии). Реакция (брожение) осуществляется непрерывно или периоди­чески в реакторе — ферментере. Технологическая схема производства приведена на рис.

уксус

Технологическая схема производства уксусной кислоты из спирта

1 – емкость для приготовления питательной среды; 2 – компрессор; 3- фильтр бактерицидный; 4 – ферментеры; 5 – пастеризатор; 6 – фильтр-пресс; 7 – емкость для купажирования; 8 – сборник готового продукта.

Непрерывный процесс проводят в каскаде ферментеров 4, каждый из которых отвечает за определенную стадию процесса — быстрое раз­множение культуры бактерий и наращивание биомассы, активное окисление спирта, замедление роста биомассы с накоплением продук­та (автоингибирование), истощение популяции бактерий и их гибель. В соответствие со стадиями процесса в каждом ферментаторе поддер­живаются заданные условия культивирования (концентрации спирта и кислоты, температура, степень аэрации). Подаваемый в ферментеры воздух проходит бактерицидный фильтр 3 для сохранения чистоты бактериальной культуры. Из последнего ферментера выводится сырой уксус, содержащий около 9 СН₃СООН и поступает на тепловую об­работку в аппарат 5 на пастеризацию. При температуре 358-363К про­исходит инактивация бактериальной массы и коагуляция коллоидных частиц. После фильтра 6 в емкости 7 уксус доводят (купажируют) до нужной концентрации и направляют в сборник готового продукта 8. Выход уксусной кислоты достигает до 90 кг на 100 л безводного спирта.

Как видно, технологическая схема данного микробиологического синтеза включает ряд типовых аппаратов химической технологии — реакторы, фильтры, смеситель, теплообменник. Но из-за специфич­ности процесса система реакторов для его обеспечения выбирается с учетом рабочего цикла сопряженного процесса - жизнедеятельности бактерий.

7.6.5.2. Производство пищевых белков

В отличие от сложных белков, белки одноклеточных орга­низмов (БОО) используются как пищевая добавка. Обогащением бел­ковыми добавками на основе БОО улучшают качество растительного белка. Эти добавки повышают содержание витаминов, микроэлемен­тов, а главное — аминокислот, несинтезируемых многими растениями. Производство пищевых белков измеряется миллионами тонн в год и постоянно растет. Микробиологический синтез белка, продукт кото­рого представляет собой инактивированную массу клеток, — основной промышленный способ его получения. Его принципиальная схема включает:

• подготовку культуры микроорганизма (продуцента), например, оп­ределенного вида дрожжей — одноклеточного гриба, размножаю­щегося почкованием;

• приготовление питательной среды (субстрата), включающего вещества сырья, подвергающегося превращению под действием фер­ментов, и минеральные соли, регулирующие, жизнедеятельность клеток;

• культивирование (выращивание) продуцента, в ходе которого увеличивается его биомасса (эта стадия обычно называется ферментацией);

• отделение биомассы; отработанная культурная жидкость направля­ется на очистку; тепловая обработка готовой биомассы, ее сушка и очистка; в ходе этих

• операций происходит инактивация массы и ее подготовка в виде товарной продукции.

Охлаждение

Аэрация

Аппаратурное оформление процесса включает характерное для хи­мической технологии оборудование: сепараторы, сушилки, фильтры, выпарные аппараты и др. Здесь обратим внимание только на ферментер, обеспечивающий собственно производство продукта - биомассы. Кроме того, ферментер также должен обеспечить «комфортные» усло­вия жизнедеятельности микроорганизмов — их физиолого-биохимическую активность. Среда, в которой происходит ферментация, состоит из отдельных фаз и образований. Необходимо обеспечить однород­ность среды по всему объему реактора, иначе локальные неоднородности, застойные зоны существенно изменят ход размножения клеток микроорганизма. Было предложено много разных вариантов конструкций ферментеров (рис. ). В колонном ферментере однород­ность среды обеспечивается барбатажем воздуха (рис.), а также специальными вставками, встроенными диффузором с турбиной или механическими смесителями. В ферментере, показанном на рис. 6.61, б, перемешивание жидкости осуществляется высоким эрлифтом — барбатаж воздуха вызывает циркуляцию жидкости. Циркуляция может быть обеспечена также принудительно с помощью встроенного пере­мешивающего устройства. В этих конструкциях необходимо исключить образование застойных зон в углах аппарата (см. разд. и рис. 4.48). В ферментере горизонтального типа (рис. ) поток принудительно циркулирует по объему аппарата, похожего на тороид. Однако скорость движения потока должна быть достаточной, чтобы предотвратить расслаивание жидкости (см. разд. и рис. ).

Рис. 1. Схемы ферментеров:

а - колонного (1 - реакционная зона, 2- пеногаситель, 3- охлаждающая рубашка, 4- распределитель воздуха);

б- циркуляционного (1- реакторная колонна, 2- зона сепарации, 3- циркуляционная труба, 4 - теплообменник, 5 - барбатер);

в - горизонтального (1- винтовое перемешивающее устройство, 2 - горизонтальный реактор, 3 - сепарационная емкость, 4 - теплообменник);

А - питание; Б - газ на аэрацию; В - дрожжевая суспензия; Г - отработанный газ.

В представленных ферментерах обеспечивается интенсивное пере­мешивание жидкости, и процесс описывается моделью идеального смешения. Соответственно, методы химической технологии (расчет и конструирование химических реакторов и других аппаратов, принци­пы синтеза ХТС, балансовые расчеты и т.д.) используются и при создании биохимических производств, но, конечно, с учетом специфики протекающих процессов. В заключении отметим, что на выбор схемы и аппаратурного решения в малотоннажных производствах (витаминов, специальных биопрепаратов) наиболее сильно будет сказываться «рецептурная» составляющая процессов (например, условия подачи компонентов, стерильность условий и др.).