Виробництво глутамінової кислоти

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.


Нажми чтобы узнать.
скачати

Введення

Глутамінова кислота (α-аміноглутаровая) є однією з найважливіших амінокислот рослинних і тваринних білків. Не відноситься до числа незамінних, однак, тим не менш, є основою для синтезу багатьох фізіологічно активних сполук, необхідних для нормальної життєдіяльності людського організму. Вона має дуже приємними органолептичними властивостями і тому має широке застосування в різних областях.

Важливою особливістю глутамінової кислоти є здатність служити захисним фактором при різних отруєннях печінки і нирок, посилювати фармакологічну дію одних і послаблювати токсичність інших лікувальних засобів, підтримувати поряд з іншими амінокислотами постійну реакцію середовища. На цих властивостях і засновано лікування ряду захворювань шляхом введення в організм глутамінової кислоти.

Не менше значення має і мононатріевая сіль цієї амінокислоти - 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 в усі продукти при консервуванні, заморожування 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, а й стимулює діяльність травних залоз. В даний час виробництво глутамінової кислоти стало дуже великим. Провідне місце в цьому виробництві займають Японія і США. [1]

1. Характеристика кінцевої продукції виробництва

За показниками, що визначаються органолептично, технічна L-глутамінова кислота повинна відповідати вимогам, зазначеним у таблиці 1.

Таблиця 1


Показники, що визначаються органолептично

Найменування показників

Характеристика

Зовнішній вигляд

Кристалічна маса коричневого кольору

Смак

Кислий специфічний

Запах

Специфічний

Розчинність

Легко розчинна в розведених кислотах, лугах та гарячій воді, важко розчинна в холодній воді і концентрованої соляної кислоти, майже нерозчинні в етиловому спирті, ефірі і ацетоні

За хімічними показниками технічна L-глутамінова кислота повинна відповідати вимогам, зазначеним у таблиці 2

Таблиця 2. Хімічні показники

Найменування показників

Норми

Масова частка вологи,%, не більше

22,0

Масова частка L-глутамінової кислоти (у перерахунку на суху речовину),%, не менше

75,0

Масова частка хлоридів (СГ) (у перерахунку на суху речовину),%, не більше

10,0

Відповідно до вимог МРТУ 18/210-68 глутамат натрію харчовий повинен мати наступний склад (у%):

  • Основна речовина, не менше - 94;

  • Хлорид натрію, не більше - 5;

  • Волога, не більш - 1;

  • Загальний азот, не менше - 7,02.

2. Хімічна схема виробництва

Відомо кілька способів отримання глутамінової кислоти: гідроліз різних білків, синтез хімічний, ферментативний з α-кетоглутарової кислоти і мікробіологічний.

2.1 Отримання глутамінової кислоти гідролізом білків

Гідроліз протеїнів є класичним методом отримання амінокислот з природних джерел. Для вироблення глутамінової кислоти та її натрієвої солі використовуються тварини і рослинні білки: казеїн молока, клейковина пшениці, кукурудзяний глютен, відходи м'ясокомбінатів, цукробурякових (сепараційні луг) і спиртових заводів (барда).

Метод гідролізу малопроизводителен і досить доріг через значне утворення побічних продуктів і необхідності ретельного очищення глутамінової кислоти.

Комплексна переробка меляси дозволяє отримати поряд з високоякісними цукровимисиропами глутаминовую кислоту, бетаїн, холін та інші цінні продукти. [1]

2.2 Хімічний синтез глутамінової кислоти

Серед методів хімічного синтезу найбільш перспективним є використання в якості вихідної сировини акрилонітрила. Відповідно до цього методу акрилонітрил в результаті реакції гідроформілірованія перетворюється в β-формілпропіоннітріл і останній через стадію утворення α-аміноглутардінітріла переводиться в DL-глутаминовую кислоту.

Основним недоліком хімічного синтезу є отримання рацематів амінокислот. Поділ D - і L-ізомерів є досить складною операцією і потребує великих витрат. [1]

2.3 Ферментативний синтез глутамінової кислоти

Його можливо здійснити з α-кетоглутарової кислоти за допомогою ферментів трансамілази або глутаматдегідрогенази в результаті наступних перетворень.

У кожному з цих процесів α-кетоглутаровая кислота грає роль попередника. Для здійснення будь-якого з цих перетворень необхідні джерела α-кетоглутарової кислоти і відповідної ферментної системі. Першу з цих завдань вирішують за допомогою підбору мікроорганізмів, здатних продукувати значну кількість α-кетоглутарової кислоти з дступних джерел сировини. Продуцентами α-кетоглутарової кислоти можуть бути Psedomonas і Esherichia, а при культивуванні продуцента Kluyverd citrophila α-кетоглутаровая кислота була отримана з 57%-ним виходом. Дріжджі роду Candida при вирощуванні на н-парафінах продукують α-кетоглутарової кислоту спільно з піровиноградної у 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 аминогрупп може бути аспарагінова кислота або аланін.

Відновне амінірованіе 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-оксіглутаровую кислоту, вироблену хімічним синтезом.

2.4 Мікробіологічний синтез глутамінової кислоти

Найбільш перспективним і широко використовуваним способом виробництва глутамінової кислоти є мікробіологічний синтез. Вперше про можливості отримання L-глутамінової кислоти безпосередньо з вуглеводів за допомогою мікроорганізмів методом глибинного культивування повідомили в 1957 р. Японські вчені Кіносіта, Асаї та ін

До теперішнього часу з'ясовано, що здатністю продукувати глутаминовую кислоту володіють деякі раси дріжджів, мікроскопічні гриби, бактерії. Проте практично лише бактерії можуть синтезувати глутаминовую кислоту з виходом не менше 40% щодо вихідного цукру або іншої сировини. Тому промислове значення мають поки тільки бактерії, пов'язані з пологами Micrococcus, Brevibacterium, Microbacterium, Corynebacterium.

Це, головним чином, паличкоподібні, грампозитивні, нерухомі бактерії, не утворюють спор. Специфічною для них є обов'язкова потреба в біотин або в біотин і тіаміні. Сировиною для отримання глутамінової кислоти крім вуглеводів можуть бути також різні вуглеводні, починаючи від природного газу (метан, етан) і закінчуючи н-парафинами або ароматичними сполуками (бензиловий спирт пирокатехин та ін.) Можуть бути також використані газойль, оцтова, аміномасляна, фумарова кислоти і ряд інших продуктів.

3. Технологічна схема виробництва

Має багато спільного зі схемою виробництва лізину. Послідовність етапів і вимоги, що пред'являються до процесу в цілому, дуже близькі. Основні відмінності полягають у властивостях мікроорганізму-продуцента, умови його культивування, склад середовища, стадії очищення.

Схема отримання глутамінової кислоти при використанні як джерела вуглецю глюкози або гідролізату крохмалю представлена ​​нижче.

Принципова технологічна схема отримання глутамінової кислоти або глутамату натрію складається з наступних стадій: отримання посівного матеріалу; приготування живильного середовища, її 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, фасування і упаковка.

4. Характеристика сировини матеріалів і напівпродуктів

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 використовуються 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. Іншими словами, максимум біосинтезу глутамінової кислоти не збігається з максимумом освіти біомаси, оскільки потреба в біотин для цих двох процесів різна. Крім меляси біотин в середу може бути внесений і з кукурудзяним екстрактом.

Інгібуючий вплив біотину вдається знизити при включенні до складу поживних середовищ різних добавок у вигляді деяких спиртів, ПАР, антибіотиків (пеніцилінів, 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 у кількості 0,01-0,2% або калієвої солі бензилпеніциліну підвищують біосинтетичних здатність продуцента на 15-45% і вихід глутамінової кислоти досягає 50г / л. [2]

Як джерело азоту в поживних середовищах найчастіше використовують сечовину в кількості до 1,5-2,0% залежно від особливостей використовуваного штаму, але вводиться вона дрібно, у міру споживання її з середовища, і так, щоб вміст її в культуралиюй рідини не перевищувало 0,8% і рН середовища було в межах від 6,8 до 7,8.

Недолік азоту в середовищі призводить до зниження синтезу глутамінової кислоти і до накопичення в середовищі підвищених кількостей α-кетоглутарової кислоти.

Для нормального росту культури та освіти нею глутамінової кислоти необхідно вводити в середу солі калію у вигляді КН 2 РО 4 до 0,1 -

для підтримки рН середовища на оптимальному рівні - близько 7-7,2. Тривалість культивування залежить від змісту сухих речовин у середовищі, способу введення компонентів середовища (одноразово або дрібно), ступеня аерації середовища і, звичайно, від фізіологічних особливостей продуцента. [2]

5. Виклад технологічного процесу

5.1 Приготування поживного середовища

Для промислових штамів Coryn. Glutamicum поживні середовища при виробництві посівного матеріалу, як правило, містять наступні компоненти (у%) [2]:

Таблиця 3

Склад живильного середовища (у%)

Меляса

8

Кукурудзяний екстракт

0,3

Хлорид амонію

0,5

Калію фосфат двозаміщений

0,05

Сульфат магнію

0,03

Вода

інше

рН середовища

7,0-7,2

Живильні середовища на стадії біосинтезу містять ті ж компоненти і в тій же кількості, тільки замість кукурудзяного екстракту і сульфату амонію присутні до 2% сечовини, зміст меляси збільшують до 20%, додатково вводять крейду до 1% і 0,1% синтетичного пеногасителя. [2]

5.2 Стерилізація живильного середовища, апаратів і комунікацій

Підготовку ферментатор (інокуляторов) до роботи починають з промивання зношеного обладнання гарячою і холодною водою з наступною обробкою апаратів і комунікацій гострим паром. Стерилізацію поживних середовищ здійснюють традиційним способом, так само як і підготовку технологічного повітря. Розчиняються компоненти середовища нагрівають до певної температури, потім витримують при цій температурі з подальшим охолодженням до температури ферментації.

Живильне середовище для вирощування продуцентів глутамінової кислоти складається з меляси, кукурудзяного екстракту або іншого джерела ростових речовин, крейди і пеногасителя. Живильне середовище готується і стерилізується у дві стадії з урахуванням властивостей компонентів, що входять до її складу. Стадія підготовки і стерилізація середовища складаються з змішування компонентів живильного середовища в певній пропорції з допомогою спеціальних дозаторів в реакторі, розчинення солей при перемішуванні, нагрівання до температури стерилізації, витримки при цій температурі протягом 1 години і охолодження до температури, при якій проводиться культивування продуцента глутамінової кислоти.

Термолабільні компоненти середовища, наприклад мелясу, яка містить сахарозу стерилізують окремо. У реактор, забезпечений мішалкою, подають мелясу і нагрівають її при постійному розмішуванні до температури 80 ° С, з періодичним додаванням до розчину певної кількості води. Власне стерилізацію здійснюють шляхом швидкого розігріву отриманого розчину глухим паром до 120-122 ° С в спеціальному апараті і витримують при цій температурі певний час, необхідний для повної загибелі всієї мікрофлори. Охолоджений розчин стисненим повітрям стерильним передають у попередньо підготовлений ферментатор. Температура стерилізації меляси вище, а тривалість значно менше, ніж ті ж параметри при стерилізації інших компонентів середовища.

Піногасник, який використовується на стадіях культивування продуцента в посівному апараті і основному ферментере, особливо в тому випадку, коли їм є масло або жир, стерилізується окремо. Режими стерилізації (температура і тривалість) при обробці пеногасителя більш жорсткі, ніж це прийнято для стерилізації будь-яких поживних середовищ.

Процес отримання глутамінової кислоти вимагає суворих асептичних умов, і тому особлива увага приділяється стерилізації не тільки середовища, а й усіх реакторів, комунікацій, що подається.

При стерилізації апаратури режими стерилізації залежать головним чином від матеріалу, з якого виготовлено обладнання та його окремі вузли. Найбільша ефективність стерилізації апаратури і комунікацій спостерігається при застосуванні гострої пари, що має температуру 135-140 ° С. Але окремі блоки апаратів, у тому числі датчики вимірювальних приладів, не витримують таких умов стерилізації, і тому в цих випадках можуть застосовуватися «холодні» способи стерилізації. Для такої обробки можуть бути використані бактерицидні гази (етилен) і розчини хімічних реагентів (формаліну, суміші цітілпірідінового броміду і етанолмеркуріхлоріда у співвідношенні 2:1, різні похідні фенолу та їх суміші, амонійні солі первинних і вторинних алкилсульфатов, хлорсодержащие сполуки, | 3-пропіоллактон і т.д.).

Ступінь стерильності середовища, устаткування та комунікацій може бути перевірена. Простерилізовані середу або змиви, вироблені стерильною водою з внутрішніх поверхонь апаратів і трубопроводів, висівають на щільних або рідкі поживні середовища та інкубують в термостаті добу. Якщо середовища залишаються стерильними, то стерилізація проведена якісно. Такий аналіз проводиться при пуску заводу, у разі появи інфекції та періодично в профілактичних цілях. [2]

5.3 Приготування вихідної і посівної культури

Посівний матеріал на кожній зі стадії його отримання (від пробірок до посівного апарату) вирощують в строго асептичних умовах по 24 ч. Склад поживних середовищ незначно змінюється при переході від одного штаму до іншого і практично залишається постійним на кожній з проміжних стадій отримання посівного матеріалу. Тільки при вирощуванні продуцента в посівному апараті в живильне середовище вносять до 0,1% стерильного синтетичного пеногасітсля.

Накопичення біомаси до 6-8 м. АСВ на 1 л середовища виробляють в аеробних умовах спочатку в інокуляторах об'ємом 2 м 3, потім в посівних апаратах об'ємом 5 м. Отриманий посівний матеріал в кількості 5-6% (від об'єму середовища виробничих апаратів) стерильно передають в основні ферментатори на 50 м 3. Коефіцієнт заповнення апарату 0,7. [2]

5.4 Вирощування продуцента в ферментаторі

Процес біосинтезу здійснюють в строго асептичних умовах в ферментаторах об'ємом 50 м 3 з коефіцієнтом заповнення апарату 0,7 в протягом 48-52 год і інтенсивної аерації [80-85 мг Ог / (л-хв)], що відповідає витраті 1 обсягу повітря на 1 об'єм середовища в 1 хв. Температуру культивування на всіх стадіях підтримують постійною на рівні 28-30 ° С. В кінці процесу біосинтезу готова культуральна рідина містить до 45 р. / л глутамінової кислоти. Вихід глутамінової кислоти по відношенню до спожитим сахарам становить 45-50%.

Оскільки виробництво глутамінової кислоти направлено на отримання високоочищених препаратів, подальша технологічна схема передбачає виробництво продуктів, підготовлених безпосередньо до застосування в якості харчових добавок і у вигляді лікарських форм.

Виділення глутамінової кислоти з культуральної рідини і подальша очистка її відповідно до вимог фармакопеї

передбачає таку послідовність проведення технологічних операцій. [2]

5.5 Попередня обробка культуральної рідини

Здійснюється в результаті додавання до неї певної кількості негашеного вапна (або вапняного молока) з наступним осадженням надлишку іонів кальцію фосфорною кислотою. Утворений при цьому осад сприяє кращому відділенню клітин продуцента та інших баластних домішок. [2]

    1. 5.6 Відділення біомаси від культуральної рідини

Проводять центрифугуванням або фільтруванням під тиском. [2]

5.7 Освітлення фільтрату

Складається в очищенні його від пігментних домішок, офарблюючих нативний розчин в темний колір. Для цього обробляють фільтрат активованим вугіллям або піддають його іонообмінної сорбції на анионите ІА-1. [2]

5.8 Концентрування освітленого розчину глутамінової кислоти

Проводять шляхом його вакуум-випарювання при температурі 40-60 ° С, при цьому з вихідного розчину глутамінової кислоти відганяють від 50 до 80% води. [2]

5.9 Осадження кристалів глутамінової кислоти в ізоелектричної точці

Ця стадія здійснюється шляхом підкислення отриманого на попередньому етапі концентрату соляною кислотою до рН 3,2 (ізоелектрична точка глутамінової кислоти) і охолодження розчину до 4-15 ° С. Одноразове проведення операції забезпечує кристалізацію 77% глутамінової кислоти; при повторному її проведенні вихід зростає до 87%. Чистота одержуваних кристалів досягає 88%.

В результаті подальшої перекристалізації чистоту одержуваних кристалів можна збільшити до 99,6%, що відповідає вимогам фармакопеї. [2]

5.10 Відділення кристалів глутамінової кислоти від маточника

Це досягається центрифугуванням з наступною декантацією і поверненням маточника на стадію вакуум-випарювання. Отримані кристали промивають знесоленої водою і направляють на сушку. [2]

5.11 Сушка кристалів глутамінової кислоти

Проводиться у вакуумі або в струмі нагрітого повітря при 60-70 ° С. [2]

5.12 Отримання глутамату натрію

Для отримання глутамату натрію вологі кристали з вмістом 98-99% глутамінової кислоти по сухій масі розчиняють і нейтралізують 45-50%-ним розчином NaOH до рН 6,8. Цей розчин концентрують, і при охолодженні випадають кристали глутамату натрію, які висушують. Готовий препарат складається на 98% з глутамату натрію. Вихід готового продукту за глутамінової кислоти по відношенню до її змісту у вихідній культуральної рідини становить 75-80%, максимально досягнутий вихід не перевищує 90%. [2]

6. Відходи виробництва та охорона навколишнього середовища

При виробництві L-глутамінової кислоти, в навколишнє середовище в складі конденсату і викидів із ферментера потрапляють: бутиловий спирт, метілбутіловий кетон, фенол, крезол, піридин, циклогексиламін, ізомасляную кислота, пропіонова кислота та інші речовини.

Технологічні стоки і промивні води, що включають клітини продуцента, амінокислоти та інші компоненти культуральної рідини, а також слідові кількості глутамінової кислоти, об'єднують, упарюють і сушать з наповнювачем до залишкової вологості 10%. Отримують препарат, який використовують як кормовий продукт, він містить до 40% білкових речовин. [3]

7. Контроль виробництва

На біосинтез глутамінової кислоти істотно впливають ступінь аерації середовища, перемішування, рН середовища, тривалість і температура ферментації, вік і доза посівного матеріалу. Тому на всіх стадіях процесу всі параметри культивування суворо регламентуються і контролюються (температура, рН, зміна основних компонентів середовища, накопичення глутамінової кислоти, аерація, перемішування і т.д.).

Рівень рН середовища - це дуже відповідальний параметр процесу. Як відомо, продуцентами є бактеріальні штами, і тому в більшості випадків оптимум рН для культивування лежить в області, близької до нейтральної або слабощелочной. Для штамів, що використовуються в нашій країні, найкращі результати по біосинтезу глутамінової кислоти виходять, якщо рН середовища підтримується близько 7-7,2. Для всіх відомих продуцентів глутамінової кислоти рН, що забезпечує максимальне накопичення глутамінової кислоти і зростання культури, лежить в межах від 6 до 8,5. [3]

Постачання зростаючої культури киснем є відповідальним і важливим фактором, що впливає на зростання мікроорганізму і освіту їм лізину. Кисень, який використовується бактеріальною клітиною, повинен бути розчинений у живильному середовищі. Для збільшення розчинності кисню здійснюють барботування середовища повітрям з одночасним її перемішуванням.

Контроль за ходом процесу біосинтезу здійснюють на різних етапах його проведення по оптичній щільності розчину культуральної рідини (за змістом клітин продуцента), за змістом субстрату в суміші або за сигналами датчиків рН і розчиненого кисню в ферментаційної середовищі. До кінця процесу біосинтезу зміст глутамінової кислоти в культуральної рідини досягає не менше 45 р. / л, концентрація залишився субстрату не більше 0,5-1,0%. [1]

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Хімія | Контрольна робота
62.4кб. | скачати


Схожі роботи:
Зміст глутамінової кислоти в камерній волозі
Виробництво оцтової кислоти
Виробництво сірчаної кислоти 2
Виробництво сірчаної кислоти
Виробництво азотної кислоти 2
Виробництво азотної кислоти
Виробництво лимонної кислоти
Властивості сірчаної кислоти її виробництво та застосування
Витяг кремнефтористоводородной кислоти при процесі виробництва фосфорної кислоти
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru