Літературний огляд по темі

Опис об’єкту дослідження

Хімічні і фізичні властивості лимонної кислоти

Лимонна кислота НООС-СН₂С (ОН) - СООН-СН₂-СООН є монооксітрикарбоновою кислотою, яка кристалізується з водних розчинів з однією молекулою води (моногідрат лимонної кислоти) у вигляді безбарвних прозорих ромбоподібних кристалів. Моногідратная лимонна кислота має молекулярну масу 210, щільність 1,540 г/см³ і температуру плавлення 70-75⁰С. Кристалізаційна вода втрачається при зберіганні та інтенсивно виділяється при температурах, що перевищують 40-50°С. При 100°С вода втрачається повністю.

При температурі кристалізації 36,6°С і вище виділяється безводна лимонна кислота з молекулярної масою 192 і температурою плавлення 153°С. При нагріванні до 175°С лимонна кислота розкладається.

Лимонна кислота добре розчиняється у воді (1460 г/л при 20°С) і помірно - в етанолі (620 г/л при 25°С).

     СН₂СООН

        |

НО—С—СООН

      I

      СНзСООН

Солі лимонної кислоти - цитрати - мають низьку водорозчинність.

Лимонна кислота широко поширена в природі. Особливо багато її в незрілих фруктах і ягодах (лимони, журавлина, яблука, виноград, та ін), де лимонна кислота є природним консервуючим агентом.

Продуценти лимонної кислоти

Після перших публікацій К. Вемера про здібності мікроміцетів синтезувати органічні кислоти, у тому числі лимонну, багато мікробіологів стали ретельно вивчати фізіологію грибів та їх біосинтетичні здібності. Численні досліди вказали на явно виражений потенціал гіперсинтезу лимонної кислоти у цілого ряду мікроміцетів, дріжджових грибів і бактерій. Залежно від хімічної природи окислюваного субстрату (бурякова, очеретяна, цитрусова або фінікова меляса, сік цукрового очерету, гідрол, гідролізати крохмалю, вижимки, сахароза, глюкоза, парафіни і багато інших субстратів) в якості продуцентів лимонної кислоти у більш-менш широких масштабах використовують мікроміцети, що належать до родів Aspergillus, Penicillium, Trichoderma і Botrytis, дріжджові гриби родів Candida, Delaromyces і Torulopsis, а також бактерії родів Arthrobacterium, Pseudomonas та Micrococcus.

Детально вивчені численні представники аспергилів, особливо Aspergillus awamori, A . aureus, A. clavatus, A. glaucus, A. niger.

Самим широко поширеним продуцентом лимонної кислоти є мікроміцети Aspergillus niger, фізіологія і механізм біосинтезу лимонної кислоти якого найбільш вивчені.

Спосіб культивування

Успіхи глибинної ферментації у виробництві антибіотиків спонукали виробників лимонної кислоти шукати шляхи глибинного культивування її продуцентів. У СРСР першою глибинне культивування продуцентів лимонної кислоти освоїла група дослідників під керівництвом Г.І. Журавського в 50-і рр., застосовуючи синтетичні сахарозні середовища і спеціально селекційно виведений для глибинного культивування штам Aspergillus niger. В якості ж сировини для глибинної ферментації лимонної кислоти може бути використаний широкий набір природних субстратів: меляса, глюкоза, сахароза, рідкі парафіни та інші джерела вуглецю.

Технологія глибинного культивування продуцентів лимонної кислоти представляє собою явно виражений двоступінчастий процес. Перший ступінь включає вирощування посівного матеріалу з конідіоспор в посівному середовищі (на гойдалці і в посівному апараті) при 32-33°С в умовах інтенсивної аерації (0,8-1,0 об'єму повітря на 1 об'єм середовища в хвилину) і при безперервному перемешуванні середовища. Тривалість культивування на стадії вирощування посівного матеріалу - 2 доби (1 добу - на качалка, 1 - на посівному апараті).

Сказане принципово не виключає безпосереднього застосування конідіоспор як посівний матеріал для основної ферментації, проте це суттєво подовжує цикл ферментації: з 7-8 до 12-13 діб.

Основну ферментацію в глибинних умовах здійснюють у виробничому біореакторі при коефіцієнті його заповнення 0,75-0,80 і кількості посівного матеріалу 5-8% від об'єму ферментного середовища. Початкова концентрація цукрів - 10-14%, часто застосовують підживлення свіжим середовищем, особливо в разі застосування мелясних середовищ. Регуляція рН середовища не потрібна, але оскільки лимонна кислота дуже корозійна і для ферментаційного обладнання необхідна стійка до корозії сталь, то для пом'якшення практикують підлужнення ферментного субстрату до рН 3,8-4,2. Процес ферментації має риси двох фаз, або стадій: формування біомаси та кислотоутворення.

Для фази накопичення біомаси характерно об'єднання молодого міцелію в кулясті агломерати, формування яких продовжуються до 70-80 год ферментації. Деяка частина гіфів залишається у вільному вигляді.

Під час інтенсивного росту потреба продуцента в молекулярному кисні складає до 1 кг на кожен кубометр ферментного субстрату на годину. У фазі біосинтезу лимонної кислоти потреба в кисні в деякій мірі знижується і складає 0,5-0,6 кг 0₂/м³-год. Для забезпечення масопередачі кисню в ферментний субстрат вводиться стерильне повітря в кількості 0,8-1,0 об'єму на 1 об'єм середовища в хвилину, одночасно за допомогою мішалки створюється циркуляція середовища зі швидкістю 1,2-1,5 м/с вздовж стінки ферментної установки. Насичення середовища киснем у початковій фазі ферментації має складати 20-25% від повного насичення, у фазі біосинтезу лимонної кислоти - 10-15%.

Температурні режими в ферментних субстратах диференційовані: у фазі росту біомаси - 32-33°С, у фазі кислотоутворення - 30-31°С.

Залежно від особливостей використовуваного мутанта Aspergillus niger застосовують різні варіанти технологічних режимів глибинної технології.

Літературний огляд по темі

Опис об’єкту дослідження

Хімічні і фізичні властивості лимонної кислоти

Лимонна кислота НООС-СН₂С (ОН) - СООН-СН₂-СООН є монооксітрикарбоновою кислотою, яка кристалізується з водних розчинів з однією молекулою води (моногідрат лимонної кислоти) у вигляді безбарвних прозорих ромбоподібних кристалів. Моногідратная лимонна кислота має молекулярну масу 210, щільність 1,540 г/см³ і температуру плавлення 70-75⁰С. Кристалізаційна вода втрачається при зберіганні та інтенсивно виділяється при температурах, що перевищують 40-50°С. При 100°С вода втрачається повністю.

При температурі кристалізації 36,6°С і вище виділяється безводна лимонна кислота з молекулярної масою 192 і температурою плавлення 153°С. При нагріванні до 175°С лимонна кислота розкладається.

Лимонна кислота добре розчиняється у воді (1460 г/л при 20°С) і помірно - в етанолі (620 г/л при 25°С).

     СН₂СООН

        |

НО—С—СООН

      I

      СНзСООН

Солі лимонної кислоти - цитрати - мають низьку водорозчинність.

Лимонна кислота широко поширена в природі. Особливо багато її в незрілих фруктах і ягодах (лимони, журавлина, яблука, виноград, та ін), де лимонна кислота є природним консервуючим агентом.

Продуценти лимонної кислоти

Після перших публікацій К. Вемера про здібності мікроміцетів синтезувати органічні кислоти, у тому числі лимонну, багато мікробіологів стали ретельно вивчати фізіологію грибів та їх біосинтетичні здібності. Численні досліди вказали на явно виражений потенціал гіперсинтезу лимонної кислоти у цілого ряду мікроміцетів, дріжджових грибів і бактерій. Залежно від хімічної природи окислюваного субстрату (бурякова, очеретяна, цитрусова або фінікова меляса, сік цукрового очерету, гідрол, гідролізати крохмалю, вижимки, сахароза, глюкоза, парафіни і багато інших субстратів) в якості продуцентів лимонної кислоти у більш-менш широких масштабах використовують мікроміцети, що належать до родів Aspergillus, Penicillium, Trichoderma і Botrytis, дріжджові гриби родів Candida, Delaromyces і Torulopsis, а також бактерії родів Arthrobacterium, Pseudomonas та Micrococcus.

Детально вивчені численні представники аспергилів, особливо Aspergillus awamori, A . aureus, A. clavatus, A. glaucus, A. niger.

Самим широко поширеним продуцентом лимонної кислоти є мікроміцети Aspergillus niger, фізіологія і механізм біосинтезу лимонної кислоти якого найбільш вивчені.