Химия/4. Химико-фармацевтическое
производство
Апальков
Б.Р., Маилафийя С.С., Непран Д.С., Россихин В.В.
Национальный технический университет «Харьковский
политехнический институт», Харьков
Этиловый спирт используется для технических нужд - для
производства синтетического каучука, как растворитель, для синтеза других
веществ, а также на изготовление напитков и медицинские нужды. Спиртовое
брожение — хорошо изученный биохимический процесс. Спиртовое брожение вызывают чаще
всего дрожжи, реже некоторые бактерии (Sarcina) и плесневые грибы (Mucor).
В промышленности дрожжи обычно разделяют на верховые и низовые. Верховые дрожжи
интенсивно ведут брожение и труднее осаждаются. К ним принадлежат спиртовые и
хлебопекарные дрожжи Saccharomyces cerevisiae, а также винные дрожжи из
вида Saccharomyces elipsoideus. К низовым дрожжам относятся виды,
используемые в пивоваренной промышленности. В производстве процесс брожения
ведут 2 - 3 суток.
В ходе брожения углеводы распадаются в конечном итоге
до этилового спирта, углекислого газа и воды. Промежуточный продукт -
ацетальдегид. Если к питательной среде добавить сульфиты, которые связывают
ацетальдегид, при брожении можно получить значительное количество глицерина,
что и применяется в промышленности. В этом случае основной конечный продукт
брожения - трехатомный спирт глицерин. В процессе спиртового брожения могут
накапливаться изоамиловый, амиловый и изобутиловый спирты (сивушные масла).
Некоторые дрожжи и бактерии способны продуцировать бутанол, а также
2,3-бутандиол. Эти продукты обычно синтезируют из нефти, однако микробное
получение этанола и других спиртов вызывает все больший интерес.
В России, к примеру, большая часть этанола получается микробиологическим путем из
растительного сырья. Сырьем могут быть гидролизаты древесины, меласса, крахмал,
молочная сыворотка. Отходы производства этанола содержат белки, углеводы,
рибофлавин и др. витамины, и могут использоваться как кормовая добавка.
При получении спирта из древесины перед гидролизом
древесину размельчают до стружек толщиной 3 мм, шириной 10 - 70 мм и
длиной 25 мм. Гидролиз идет в больших (до 50 кубометров) гидролизных аппаратах,
которые наполняют стружкой, добавляют 0,5%-ный раствор Н2SО4
и вводят пар давлением 1-1,2 МПа. Варка идет 40—50 мин. Выход сахара 45— 48% от
сухой массы древесины. Реакция среды полученного гидролизата кислая, рН
1,8—2,2, поэтому гидролизат нейтрализуют известковым молоком, в котором
содержится 1,1 —1,2 кг/л извести; в гидролизате сравнительно мало азота и
фосфора, поэтому предварительно к каждому кубическому метру гидролизата
добавляют 0,3 кг суперфосфата и 0,15 кг сульфата аммония. При температуре 85°С
через гидролизат продувают воздух, рН среды 5-6. Гипс осаждают, а прозрачную
часть гидролизата после охлаждения используют для сбраживания.
Спирт получают и из мелассы. Предварительная подготовка питательной среды очень
проста - мелассу разбавляют и добавляют питательные соли. Для приготовления
напитков используют спирт, полученный только из пищевого сырья. Для
технических нужд используют спирт, полученный из гидролизатов древесины,
сульфитного щелока.
Сдвиг в сторону получения микробиологического этанола
наблюдается и в др. странах. Найдены бактерии Zymomonas mobilis, которые вдвое
эффективнее сбраживают углеводы в этанол, чем дрожжи. В Бразилии производство
топливного спирта вносит наибольший вклад в энергобаланс страны и составляет
миллиарды литров.
Ферментация мелассы различными видами Clostridium
acetobutilicum, другими бактериями, вызывающими маслянокислое брожение, может
быть использована для получения не только этанола, но и ацетальдегида, уксусной
кислоты, этилацетата и диэтилового эфира. Субстратом для такого брожения могут
быть зерновые, мелассно-зерновые заторы или меласса. Если среду готовят из
зерна, например, кукурузы, то сначала получают муку грубого помола, ее
смешивают с водой из расчета 6—8 кг муки на 100 л воды. Затем затор варят 2 ч
под давлением 0,2 МПа и стерилизуют. Охлажденную до 37—42°С массу сбраживают в
течение 2 суток, рН среды 5-7. В процессе брожения из глюкозы образуется смесь,
содержащая 6 частей бутилового спирта, 1 часть этилового спирта и 3 части
ацетона. Разработаны методы получения ацетона и бутилового спирта из
сульфитного щелока и гидролизатов древесины. В ацетоно-бутиловом брожении в первый
период образуется уксусная и масляная кислоты, выделяется водород и углекислый
газ. Затем масляная кислота восстанавливается до бутилового спирта.
Штаммы-продуценты первичных метаболитов получают путем
индуцированного мутагенеза, так как в природе мутации, ведущие к сверхпродукции
одного из метаболитов вредны. Нарушения в обмене веществ приводят к снижению
конкурентоспособности и жизнеспособности микроорганизмов. Первичные метаболиты
синтезируются природными микроорганизмами в количествах, необходимых лишь для
удовлетворения их потребностей. Мутантные формы микроорганизмов могут
синтезировать аминокислоты вплоть до концентрации 100 г/л (для сравнения -
организмы дикого типа накапливают аминокислоты в количествах, исчисляемых
миллиграммами).