Ацетон-бутиловое брожение

Содержание:

1. Введение. Цель и задачи биотехнологии как науки

2. Определение процесса брожения. Основные виды процессов брожения. Характеристика продуктов, получаемых путем ацетоно-бутиловым брожением – ацетона, бутанола, масляной кислоты. Химизм образования перечисленных веществ. Области применения

3. Методы культивирования продуцентов биологически активных веществ. Указать, какие из существующих методов используются при получении ацетона, бутанола, масляной кислоты

4. Технологии получения ацетона и бутанола, включая: характеристику микроорганизмов - продуцентов, источников питания, входящих в состав питательных сред, условия проведения процесса, аппаратурное оформление

5. Основные пути интенсификации процессов биосинтеза в т.ч. продуктов ацетоно-бутилового брожения

6. Заключение

7. Список использованной литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

Биотехнология — междисциплинарная  область научно-технического прогресса. Она весьма гетерогенна по своему теоретическому базису, потому что призвана исследовать не какой-либо класс объектов, а решать определенный круг комплексных проблем. Одной из них является, например, поиск дешевого заменителя тростникового (свекловичного) сахара, и армия биотехнологов берется за дело, сочетая в своей деятельности элементы различных наук: методы микробиологии, необходимые для выращивания микроорганизма, биохимии — для выделения глюкоизомеразы (дающей глюкозо-фруктозный сироп при использовании глюкозы как субстрата), органического синтеза— для получения полимерного носителя, а при регулировке параметров системы с иммобилизованным ферментом необходимы физико-химические расчеты. Добавим еще, что для повышения эффективности биосинтеза глюкоизомеразы могут быть использованы методы генетической и клеточной инженерии.

Круг вопросов, к решению которых привлекают биотехнологические разработки, весьма широк. Однако большинство из них прямо или косвенно связано с глобальными проблемами, стоящими перед современной цивилизацией: загрязнение окружающей среды, угроза экологического кризиса; истощение запасов полезных ископаемых, в первую очередь источников энергии, угроза мирового энергетического кризиса; нехватка продовольствия, особенно ощутимая в развивающихся странах.

Слова «биология» и «биотехнология»  различаются лишь тем, что в слове  «биотехнология» есть вставка «техно». И биология, и биотехнология имеют дело с живыми объектами, но как различны их подходы к живому! Биотехнолог изучает живое не из чисто познавательного интереса, он пытается «заставить» работать живые объекты, производить нужные человеку продукты. «Зачем  брать на  себя труд  изготовления  химических  соединений, если микроб может сделать это за нас?», — говорил Дж. Б. С. Холдейн еще в 1929 г., предвосхищая грядущий расцвет биотехнологии. В современной биотехнологии живое рассматривается как средство производства в ряду всех прочих средств; например, при биологической трансформации органических соединений микроорганизмам отводят роль химических реагентов. Не случайна и стандартная для инженерной энзимологии метафора, уподобляющая иммобилизованные биообъекты «закованным в цепи рабам». Биообъект, таким образом, понижают в ранге, переводя из категории самостоятельной целостной живой системы в категорию реагентов, датчиков, реле, компьютерных деталей, прочих орудий модернизированного производства.

Эта тенденция современной  биотехнологии имеет не только философское, но и практическое значение. Она  порождает чересчур грубый, примитивный, чисто эмпирический подход к такому сложному объекту, как живое, что ведет к его низкоэффективному функционированию в условиях биотехнологического процесса. Не оправдал себя, в частности, лобовой метод оптимизации подобного процесса, оптимизация «грубой силой», проводимый без детальных знаний физиологии используемого организма. Недостаточно надежен в биотехнологии и метод кибернетического моделирования, упрощающий биологический объект до «черного ящика».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Определение процесса брожения. Основные виды процессов брожения. Характеристика продуктов, получаемых путем ацетоно-бутилового брожения – ацетона, бутанола, масляной кислоты. Химизм образования перечисленных веществ. Области применения

Брожение (сбраживание, ферментация) - «это такой метаболический процесс, при котором регенерируется АТФ, а продукты расщепления органического субстрата могут служить одновременно и донорами, и акцепторами водорода». Брожение — это анаэробный (происходящий без участия кислорода) метаболический распад молекул питательных веществ, например глюкозы. По выражению Луи Пастера, «брожение — это жизнь без кислорода». Большинство типов брожения осуществляют микроорганизмы — облигатные или факультативные анаэробы.

Брожение не высвобождает всю имеющуюся в молекуле энергию, поэтому промежуточные продукты брожения могут использоваться в  ходе клеточного дыхания.

Бутиловый спирт — продукт брожения некоторых разновидностей маслянокислых бактерий — обнаружен Пастером в 1862 г. Несколько позднее Бейеринк выделил палочковидную бактерию, сбраживающую глицерин с образованием в числе продуктов брожения бутилового спирта. Более подробно вопросом образования при брожении бутанола занимались Фитц и Бухнер, а Шардингер (1905) установил, что некоторые бактерии при росте на средах с углеводами накапливают ацетон. Но все эти исследования сначала представляли чисто теоретический интерес. Положение, однако, изменилось в 1909 г., когда бутиловым спиртом заинтересовались как возможным исходным продуктом для синтеза каучука (через бутадиен). Первый ацетоно-бутиловый завод был построен в Англии в 1914 г. Брожение происходит с одновременным образованием трех продуктов: бутилового спирта, этилового спирта и ацетона.

В период первой мировой войны еще  большее значение приобрел второй продукт брожения — ацетон, необходимый для приготовления взрывчатых веществ. Продукты брожения применяются для нужд нитроцеллюлозной и лакокрасочной промышленности, производства фотопленок, ацетилцеллюлозы, органического стекла и других отраслей химической и фармацевтической промышленности.

Несколько позже заводы по производству растворителей были построены в Канаде, США, Индии.

Создание в СССР производства бутилового спирта и ацетона путем  брожения явилось результатом работ  коллектива ученых, руководимого Шапошниковым. Проведенные ими исследования позволили  в 1935 г. осуществить промышленное получение  этих продуктов микробиологическим способом на специальном заводе.

Масляная кислота

 

 

н-бутанолн-бутанол

 

 

 

Ацетон

Рисунок 1 – Схема ацетоно-бутилового брожения.

Ферменты: 1 — фосфотраисферазная система фруктозобнсфосфатного  пути; 2 — пируват: ферредоксин-оксидоредуктаза; 3 — гндрогеназа; 4 — ацетоацетилтрансфераза (тнолаза); 5 - L (+)-β-гидрокснбутнрил-КоА-дегндрогеназа; 6— L-3-гидроксиацетил-КоА-гидролаза (кротоиаза); 7 — бутнрил-КоА-де-гндрогеиаза; 8 — КоА-трансфераза; 9 — фосфотрансацетилаза; 10 — ацетаткиназа; 11 — бутирилальдс-гиддегидрогеназа; 12 — бутанолдегидрогсназа; 13 — КоА-трапсфераза; 14— ацетоацетатдекарбоксилаза; Ф_д — ферредоксин

 

3. Методы культивирования продуцентов биологически активных веществ. Указать, какие из существующих методов используются при получении ацетона, бутанола, масляной кислоты

В природе встречается  множество микроорганизмов. Но в  производстве для микробиологического получения различных веществ используют главным образом чистые культуры, т. е. однородные популяции микроорганизмов одного определенного вида и штамма. Чистую культуру обычно получают из одной изолированной клетки, которую потом постепенно размножают в стерильной среде. Эту работу проводят в стерильном боксе. Чистую культуру удобно изолировать, используя твердые среды Коха — агар, желатин и др. Если на поверхность твердой среды посеять достаточно разведенную суспензию микроорганизмов, то в благоприятных условиях вокруг каждой клетки культуры образуется островок однородных клеток — колония. Клетки из одной колонии при помощи петли или иглы в стерильных условиях переносят в стерильную среду, где они продолжают размножаться.

Для изолирования культур  используют также метод Линднера. Согласно этому методу на покровное  стекло кончиком пера наносят ряды капель культуры различного разведения и рассматривают в микроскоп  каждую каплю. Каплю, где находится только одна клетка, с помощью кусочка стерильной фильтровальной бумаги переносят в стерильную среду. Отдельную клетку из препарата под микроскопом можно изолировать манипулятором.

Получая чистые культуры анаэробных микроорганизмов, работу проводят так, чтобы культура развивалась без доступа воздуха, например используют стеклянные трубочки — капилляры, пастеровские капиллярные пипетки и др. При выращивании микроорганизмов глубинным методом клетки суспендированы в жидкости и находятся во взвешенном состоянии. В небольшую (50 - 250 мл) колбу наливают жидкую питательную среду, в которую засевают чистую культуру либо с поверхности косого агара, либо из

ампул. Затем колбу на сутки или  более помещают в термостат с  определенной температурой, где культура растет и размножается. Чисто аэробные микроорганизмы выращивают в специальных колбах, которые ставят на качалку в термокамере. После этого культуру пересевают в лабораторные ферментаторы со средой такого же или несколько измененного состава. Лабораторные ферментаторы — стеклянные аппараты емкостью 1 -10 л, в которых можно обеспечить продувание среды воздухом, регуляцию температуры, рН и других условий роста. По описанной выше схеме обычно организуют исследование культур микроорганизмов. Кроме того, таким путем готовят и чистую культуру для производственных нужд. Дальнейшее размножение чистой культуры в производственных условиях идет в несколько стадий при использовании металлических инокуляторов объемом от 0,1 до 100 м³ и более. Инокуляторы снабжены мешалками, аэраторами, устройствами для стерилизации и охлаждения, арматурой, измерительными приборами. Для каждой следующей стадии необходимо 3 - 20% посевного материала (по объему).

Последнюю стадию, в которой  получают нужный продукт, называют рабочей ферментацией. В культуральнои жидкости, полученной после нее, суспендированы микробная биомасса, остатки питательной среды и экстрацеллюлярные метаболиты. Методами химической технологии из культуральнои жидкости получают биомассу или нужное вещество — спирт, кислоту, аминокислоту, антибиотики и пр.

Аналогично выращиваются и анаэробные микроорганизмы только в этом случае через питательную  среду не продувают воздух.

Используя метод поверхностных культур, микроорганизмы выращивают на твердых средах (влажные отруби и др.) или на жидких средах, залитых тонким слоем (2 - 20 см) в специальные кюветы. В этом случае биомасса располагается на поверхности среды. Чаще всего этим методом выращивают грибы, например культуры рода Aspergillus, используемые для получения лимонной кислоты и ферментов.  Сначала размножают споры, которыми инфицируют стерильную среду. В камерах с кюветами поддерживают нужную температуру и обеспечивают аэрацию — циркуляцию воздуха между кюветами.

Культивирование микроорганизмов  может быть непрерывным и периодическим. При периодическом процессе весь объем питательной среды загружают в аппарат сразу, добавляют посевной материал и при оптимальных условиях продолжают процесс до тех пор, пока не накопится нужное количество биомассы или определенного метаболита. В ходе периодического культивирования изменяется темп роста культуры, ее морфология и физиология. За время культивирования меняется состав среды — уменьшается концентрация питательных веществ, увеличивается содержание метаболитов. С физиологической точки зрения периодическое культивирование невыгодно. В ходе его возникает также ряд технологических трудностей — циклический ход операций, сменные режимы, что затрудняет контроль и регуляцию процесса.

Указанные недостатки устраняются  при непрерывном культивировании, методы которого разработали С. В. Лебедев, А. А. Андреев, Н. Д. Иерусалимский и другие ученые. Из непрерывных процессов лучше всего разработан метод глубинной ферментации. В этом случае в ферментатор с культурой продуцента непрерывным потоком подается стерильная среда, а из него непрерывно вытекает готовая культуральная жидкость. Процесс может быть гомо- и гетерогенно непрерывным. При гомогенно непрерывном процессе в аппарате, где идет интенсивное перемешивание, все параметры (концентрация питательных веществ, клеточный титр и др.) постоянны во времени. При гетерогенно непрерывном процессе несколько ферментаторов соединены вместе и образуют каскад. Питательная среда поступает в первый ферментатор и готовая культуральная жидкость вытекает из последнего ферментатора. Культивирование микроорганизмов в протоке через систему трубок также идет по принципу гетерогенно непрерывного процесса ферментации. В этом случае имеет место непрерывный поток питательной среды, но клетки не обеспечены постоянными условиями роста (сколько аппаратов, столько и условий культивирования).

При непрерывном культивировании  микроорганизмов необходимо отрегулировать такую скорость притока питательной  среды и вытекания культуральной  жидкости, чтобы предотвратить вымывание культуры из системы, т. е. концентрация клеток должна быть постоянной. В стерильных условиях непрерывный, или проточный, метод обеспечивает сохранение культуры в физиологически активном состоянии длительное время.

В промышленности ацетонобутиловое брожение ведут по непрерывному методу или полунепрерывному методу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Технологии получения ацетона и бутанола, включая: характеристику микроорганизмов - продуцентов, источников питания, входящих в состав питательных сред, условия проведения процесса, аппаратурное оформление

Особенности ацетоно-бутилового брожения

Бактерии, образующие в  процессе своей жизнедеятельности  в значительном количестве ацетон и  бутиловый спирт, широко распространены в природе. Они находятся в основном в почве, откуда могут быть довольно легко выделены в виде чистых культур. Относятся к роду Clostridium, который включает большое число видов. Из различных клостридиев, способных к образованию в процессе брожения бутанола и ацетона, наиболее активным их продуцентом признан Clostridium acetobutyllcum, применяемый для производства этих растворителей.

Клетки С. acetobutylicum (рисунок 1) представляют собой палочки (0,6 - 0,9 х 2,4 - 4,7 мкм) с перитрихиальным жгутикованием. Образуют овальные споры, расположенные субтерминально.   Споры  выдерживают  нагревание  при   80°С   в  течение 10 - 30 мин, при 100°С — около 4 мин. Рост культур происходит только в анаэробных условиях на довольно простых средах, содержащих различные углеводы. Кроме углеводов С. acetobutyllcum может сбраживать глицерин, маннит, глюконат, пируват и некоторые другие вещества. Нуждается в таких витаминах, как биотин и парааминобензойная кислота. Бактерия способна к фиксации молекулярного азота. Оптимальная температура для роста 37 - 38°С, оптимальное значение рН среды 5,1 - 6,9.