Из этанола получить уксусную кислоту

Уксусная кислота образуется из этилового спирта в про­цессе дыхания уксусно-кислых бактерий:

СН3СН2ОН + О2 -> СН3СООН + Н20.

Химизм процесса. Уксусно-кислые бактерии обладают ферментом алкогольдегидрогеназой. Окисление этилового спирта протекает в две стадии: первым промежуточным со­единением является уксусный альдегид, который затем окис­ляется в уксусную кислоту.

106 Глава 3. Биохимические процессы, вызываемые микроорганизмами

Возбудители процесса — ускусно-кпслые бактерии — бесспоровые палочки, грамотрицательные, строгие аэробы. Среди них есть подвижные и неподвижные формы. Они кис­лотоустойчивы и некоторые могут развиваться при рН среды около 3,0; оптимальное значение рН — 5,4-6,3г

Уксусно-кислые бактерии отнесены к двум родам:

Gluconobacter (Аcetomonas) — палочки с полярными жгути­ками, не способные окислять уксусную кислоту, и Acetobacner— перитрихи, способные окислять уксусную кислоту до СО2 и воды.


Уксусно-кислые бактерии различаются размерами кле­ток, устойчивостью к спирту, способностью накапливать в среде большее или меньшее количество уксусной кислоты и другими признаками. Например, А. acete накапливает в среде до 6% уксусной кислоты, А. acete subsp. orleanensis — до 9,5, А. acete subsp. xylinum — до 4,5%. А. acete выдерживают до­вольно высокую концентрацию спирта — до 9-11%, А. acete subsp. xylinum — лишь 5-7%.

Растут уксусно-кислые бактерии в интервале темпера­тур 5-40°С, оптимум — около 30°С. Некоторые из них спо­собны синтезировать витамины — В 1 В2, В12, однако мно­гие сами нуждаются в витаминах.

Уксусно-кислые бактерии часто встречаются в виде длинных нитей и многие образуют пленки на поверхности субстрата. Например, для A. pasteurianus характерна сухая морщинистая пленка, для А. acete subsp. xylinum — мощная хрящевидная пленка, в состав ее входит клетчатка. Некото­рые бактерии образуют лишь островки пленки на поверхно­сти жидкости или кольцо около стенок сосуда.

Уксусно-кислым бактериям свойственна изменчивость формы клеток. Так, в неблагоприятных условиях развития бактерии приобретают необычную форму — толстые длинные нити, иногда раздутые, уродливые клетки (рис. 24).

Уксусне-кислые бактерии широко распространены в природе, они встречаются на поверхности растений, в зре­лых плодах, ягодах, в квашеных овощах, вине, пиве, квасе.

Практическое значение процесса. Процесс окисления этилового спирта до уксусной кислоты лежит в основе по­лучения уксуса для пищевых целей.


Как из этанола получить уксусную кислоту

Рис 24. Пленка уксусно-кислых бактерий

Процесс осуществляют в специальных башневйдных ча­нах-генераторах, внутри которых неплотно заложены буко­вые стружки. В верхней части генератора имеются приспо­собления для равномерного орошения стружек перерабаты­ваемым спиртсодержащим субстратом. Исходным сырьем служит уксусно-спиртовой раствор с питательными (для бактерий) солями или разбавленное подкисленное вино. Под-кисление субстрата необходимо для предотвращения раз­вития вредителей производства — пленчатых дрожжей и слизёобразующих непроизводственных видов уксусно-кис- ‘ лых бактерий, которые могут попасть извне. Производствен­ной культурой чаще всего служит А.асеН. В стенках генера­тора имеются отверстия для засасывания (или вдувания) воздуха. Чем лучше аэрация, тем активнее протекает про­цесс. По мере протекания субстрата по стужкам уксусно-кислые бактерии, обильно заселяющие стружки, окисляют спирт в уксусную кислоту, и в нижней части аппарата на­капливается готовый уксус, который периодически сливают.

Уксусно-кислые бактерии могут при недостатке спирта окислять уксусную кислоту до СО2 и воды. Этот процесс на­зывается переокислением, он опасен для производства.


В настоящее время процесс производства уксуса ведут "глубинным" способом в герметически закрытых аппаратах, в которых спиртсодержащий субстрат с введенными в него уксусно-кислыми бактериями аэрируется и перемешивается непрерывно подаваемым в аппарат стерильным воздухом. Этот метод имеет ряд преимуществ: требуется меньше про­изводственных площадей, процесс автоматизирован и про­текает значительно быстрее, исключено попадание инфек­ции извне.

helpiks.org

12.Превращение безазотистых органических веществ в аэробных условиях.

  1. Получение уксусной кислоты из этилового спирта.

  2. Образование органических кислот плесневыми грибами.

  3. Разрушение целлюлозы и пектиновых веществ.

А) Уксуснокислое брожение

Уксуснокислым брожением назы­вается окисление этилового спирта в уксусную кислоту под влиянием уксуснокислых бактерий.

Оно может быть выражено таким суммарным уравнением:

С2Н5ОН + О2 = СН3СООН + Н2О

Это брожение, как и спиртовое, известно с давних времен. Человек с давних пор наблюдал, что на поверхности вина или пива, оставленных в открытом сосуде, образуется сероватая пленка, а содержимое превращается в уксус. Микробиологиче­ская природа этого процесса была впервые установлена в 1862 г. Пастером.


Возбудителями уксуснокислого брожения являются уксусно­кислые бактерии, составляющие многочисленную группу палоч­ковидных, бесспоровых, аэробных бактерий. Среди них встре­чаются подвижные и неподвижные формы. Различаются они также размерами клеток, разной устойчивостью к спирту и спо­собностью накапливать больше или меньше уксусной кислоты.

Уксуснокислые бактерии выдерживают концентрацию спирта в 10-12% и образуют в среде от 6 до 11,5% уксуса.

Оптимальная температура их развития колеблется в преде­лах 20-35°С. Уксуснокислые бактерии могут соединяться в длин­ные нити или образовывать пленки на поверхности субстрата. Они широко распространены в природе и встречаются на зре­лых ягодах, плодах, в вине, пиве, квасе, квашеных овощах и т. д.

На практике уксуснокислое брожение используется для по­лучения уксуса.

Исходным субстратом для получения уксуса служит вино­градное или плодово-ягодное вино, а чаще всего — раствор, со­держащий спирт и подкисленный уксусом с целью создания благоприятных условий уксуснокислым бактериям. В такой раствор добавляют также необходимые для бактерий минераль­ные соли и другие питательные вещества.

После брожения содержание уксусной кислоты в субстрате может доходить до 9%. Такой уксус разбавляют до содержания 4,5-6% уксусной кислоты, а затем направляют в продажу.


В) Лимоннокислое брожение

При лимоннокислом брожении сахар под воздействием грибов окисляется в лимонную кислоту. Эту кислоту раньше получали из сока цитрусовых – лимонов и апельсинов. В настоящее время ее производят в основном путем брожения. В качестве возбудителя лимоннокислого брожения применяется гриб асспергиллус нигер.

Сырьем для производства лимонной кислоты служит сахаросодержащий продукт — меласса. Мелассный раствор, включаю­щий около 15% сахара и необходимые грибу питательные веще­ства, разливают в плоские открытые сосуды и засевают спорами гриба. Сосуды помещают в бродильные камеры, которые хоро­шо проветривают. Процесс брожения продолжается в течение 6-8 дней при температуре около 30°С.

По окончании брожения мелассный раствор из-под пленки гриба сливают, затем из него выделяют лимонную кислоту, ко­торую подвергают последующей очистке и кристаллизации. Вы­ход лимонной кислоты составляет 50-60% от количества израсходованного сахара.

В последнее время начинают применять новый метод полу­чения лимонной кислоты. При этом гриб находится не на поверхности сбраживаемого субстрата, а внедряется своим мицелием в толщу субстрата, который энергично насыщают воз­духом. Такой способ ускоряет процесс накопления лимонной кислоты в сбраживаемом субстрате.


Лимонная кислота находит широкое практическое примене­ние, она используется, например, при изготовлении кондитер­ских и кулинарных изделий, безалкогольных напитков и т. д.

С) Разложение клетчатки

Клетчатка (целлюлоза) является главной составной частью растительных тканей. Она представляет собой сложный полиса­харид, обладающий большой химической устойчивостью. Одна­ко некоторые бактерии и грибы выделяют ферменты, разрушаю­щие клетчатку. Разложение клетчатки постоянно происходит в природе и может протекать как в анаэробных, так и в аэробных условиях. Брожение целлюлозы заключается в разрушении клет­чатки в анаэробных условиях с образованием масляной и уксусной кислот, углекислого газа, водорода или метана. Сущность брожения клетчатки вскрыта в 1902 г. Омелянским, который выделил две разновидности бактерий, разрушающих клетчатку: одна из них вызывает брожение целлюлозы с образованием преимущественно водорода (водородное брожение), а другая — метана (метановое брожение).

Бактерии Омелянского представляют собой спорообразующие анаэробные палочки, имеющие оптимальную температуру развития около 30°С; они широко распространены в природе.

Брожение клетчатки вызывают также некоторые термофиль­ные бактерии. Они образуют споры и являются факультативны­ми анаэробами, хорошо развивающимися при температуре 60-65°С.

Брожение клетчатки находит использование в технике при получении горючих газов, а также уксусной и муравьиной кислот из опилок, соломы и других растительных материалов, богатых целлюлозой.


Аэробное разрушение клетчатки происходит под действием различных микроорганизмов — грибов и аэробных бактерий. К их числу относятся многие грибы из родов пенициллиум, аспергиллус, ботритис, кладоспориум и других, а также актиномицеты и миксобактерии. Аэробное разрушение клетчатки имеет огромное значение в процессах разложения различных расти­тельных остатков и их минерализации в природе. В результате разложения клетчатки, а также других органических соедине­ний, в почве под влиянием грибов и бактерий образуется гумус — темноокрашеные вещество, характеризующее черноземную почву.

studfiles.net

Уксусная кислота (СН3СООН) широко используется в пищевой, химической, микробиологической промышленности, в медицине. Получение уксусной кислоты из спиртосодержащих жидкостей было известно более 10 тыс. лет назад. В те времена древние греки и римляне использовали уксус в качестве освежающего напитка и получали, главным образом, оставляя вино открытым. В больших масштабах уксус долго получали в плоских открытых бочках, в которых пленка бактерий плавала на поверхности. В XIX веке поверхностные процессы стали заменять более эффективными. Так, был разработан процесс в струйном генераторе. В середине ХХ века появились глубинные процессы ферментации.


Уксуснокислое брожение основано на способности уксуснокислых бактерий окислять спирт кислородом воздуха с участием алкогольдегидрогеназы в уксусную кислоту:

СН3СН2ОН+ О2 → СН3СООН+ Н2О

При этом из 1 моля этанола образуется моль уксусной кислоты, а из 1 л 12 об.% спирта получается 12,4 весовых % уксусной кислоты.

Данный процесс могут реализовать многие бактерии, но в промышленных технологиях для получения уксуса используют уксуснокислые бактерии рода Acetobacter, интерес представляют также бактерии Gluconobacter. Большую часть уксуса получают, используя разведенный спирт. В настоящее время процесс реализуют как поверхностным, так и глубинным способом. Поверхностный режим протекает в струйных генераторах, наполненных древесной стружкой, объемом до 60 м3. Исходный питательный раствор с бактериями распыляют по поверхности стружек, и он стекает, собираясь в нижней части аппарата. После этого жидкость собирают и вновь закачивают в верхнюю часть аппарата. Процедуру повторяют 3 – 4 раза, в результате в течение 3 дней до 90% спирта трансформируется в ацетат. Этот старый способ протекает более эффективно и равномерно в генераторах Фрингса с автоматическим поддержанием температуры и принудительной подачей воздуха. По такой технологии производят до 400 млн литров уксусной кислоты в год.

Современные промышленные процессы получения уксуса реализуют в глубинной культуре в специальных аэрационных аппаратах с термостабилизацией и механической системой пеногашения.
br /> орость аэрации составляет 3,4 м33⋅ч., вращение ротора – 1500 об./мин., температура 30°С. Исходная инокулируемая смесь содержит этанол и уксусную кислоту, соответственно, около 5 и 7%, конечная концентрация уксуса через 1,5 суток составляет 12 – 13%. Процесс — полупроточный, отливно-доливный. Каждые 30 – 35 часов до 60% культуры заменяют на свежее сусло. При глубинной ферментации выход продукта на 1 м3 в 10 раз выше по сравнению с поверхностной ферментацией.

Разработан и реализован эффективный непрерывный способ получения уксусной кислоты в батарее последовательно работающих ферментеров (обычно 5 аппаратов). Температура культивирования составляет 28°С для Acetobacter и 35°С при использовании в качестве продуцента культуры Bact. schutzenbachii. Наилучшим сырьем для процесса является этиловый спирт, полученный из зерно-картофельного сырья, при его концентрации около 10%. Оптимум рН для развития бактерий – около 3. При увеличении содержания уксусной кислоты в культуре свыше 8% рост бактерий замедляется, при 12 – 14% прекращается. Поэтому процесс проводят в батарее последовательно соединенных аппаратов. Первый выполняет роль инокулятора, поэтому в него непрерывно подают свежую среду и поддерживают условия, оптимальные для быстрого образования биомассы бактерий.
льтура из первого аппарата поступает во второй аппарат и далее – в последующие, при этом транспортировка культуральной жидкости осуществляется воздухом.
каждом аппарате условия ферментации стабилизируются в соответствии с требованиями течения хода ферментации, при постепенном понижении температура среды от 28°С в первом аппарате, до 25°С – в последнем. Режим аэрации также изменяется, от 0,4 до 0,15 м33×мин. Концентрация спирта со второго по четвертый аппарат стабилизируется на требуемом уровне подачей в них среды с 40% этанолом. Из последнего аппарата выводится культуральная жидкость с содержанием ацетата не ниже 9 и не выше 9,3%. Выход кислоты составляет до 90 кг из 100 л безводного спирта.

На постферментационной стадии после отделения бактериальной биомассы раствор уксуса фильтруют, освобождая от окрашенных и взвешенных частиц, и далее подвергают пастеризации. Для повышения концентрации исходные растворы вымораживают до 20 – 30%. Дальнейшее концентрирование до получения ледяной уксусной кислоты (98 – 99,8%) проводят методом перегонки.

 

poznayka.org

Процесс окисления этилового спирта с образованием уксусной кислоты осуществляется уксуснокислыми бактериями и используется для промышленного получения уксуса. Процесс идет в строго аэробных условиях по уравнению:

Рисунок

Рисунок

Выход энергии в этой реакции незначителен. По-видимому, процесс носит приспособительный характер, защищая уксуснокислые бактерии от других видов бактерий, не способных переносить высокую кислотность среды.

Для промышленного получения уксуса используется вид Acetobacter aceti, который представляет собой мелкую бесспоровую грамотрицательную палочку. Бактерия способна выдерживать концентрацию спирта в среде до 11 %, накапливает 9—11 % уксусной кислоты (иногда до 60 %). Уксуснокислые бактерии могут окислять и другие спирты, в соответствующие кислоты. Промышленное значение имеет окисление сорбита в сорбозу, из которой в дальнейшем получают аскорбиновую кислоту (витамин С).

Отрицательная роль уксуснокислых бактерий заключается в порче ими вин. Этот процесс в прошлом веке принял характер национальной катастрофы для Франции. Превращение одного из основных продуктов экспорта—вина—в уксус грозило подорвать экономику страны. Л. Пастер, изучив процесс порчи вина, установил его причину и предложил для улучшения сохранения вина прогревать его. Впоследствии этот способ консервирования был назван пастеризацией.

Окисление жиров

Способностью к расщеплению жиров обладают многие микроорганизмы. Под влиянием фермента липазы происходит гидролиз жиров на глицерин и жирные кислоты:

Рисунок

Рисунок

В дальнейшем глицерин окисляется до пировиноградной кислоты и далее в цикле трикарбоновых кислот—до углекислого газа и воды. Жирные кислоты плохо растворяются в воде, с трудом поддаются окислению и потому расщепляются сравнительно мед. ленно. Механизм окисления заключается в образовании с помощью кофермента А ацетилпроизводных и в последовательном отщеплении дикарбоновых осколков в форме ацетилкофермента А (гл. VIII). Промежуточные продукты окисления обычно в среде не накапливаются.

Среди бактерий активный минерализатор жиров—Pseudomonas fluorescens. Как и все представители этого рода, Ps. fluorescens—мелкая подвижная неспороносная палочка, по Граму не окрашивается, образует зеленоватый пигмент. Она постоянно присутствует в активных илах и биопленке. Способность к расщеплению жиров отмечена также у Ps. pyacyanea, Bacillus fluorescens, Ps. liquefaciens, Achromobacter lipolyticum, микобактерий и многих других бактерий и грибов.

scibook.net

Источник: schket.ru

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.

Adblock
detector