СПОСОБ ПОДГОТОВКИ МЕЛАССЫ К ФЕРМЕНТАЦИИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ЛИМОННОЙ КИСЛОТЫ Российский патент 1997 года по МПК C12P7/48 C13J1/06 C13J1/08 

Изобретение относится к микробиологической промышленности, а именно, к способу подготовки мелассы к ферментации при производстве лимонной кислоты с использованием гриба Aspergillus niger, и может быть использовано в пищевой промышленности, медицине и фармакологии.

Процесс ферментации с использованием питательной среды на основе мелассы без ее обработки характеризуется низким выходом лимонной кислоты, поскольку ионы тяжелых металлов, содержащиеся в мелассе действуют как ингибиторы биосинтеза лимонной кислоты. Поэтому в производстве лимонной кислоты большое внимание уделяют подготовке мелассы для ферментации, освобождая ее от тяжелых металлов, особенно, от ионов железа, до содержания, необходимого для поддержания биологических функций продукта /Т 5 мг/л/. В настоящее время для этой цели, в основном, применяют гексацианоферрат калия K₄[Fe(CN)₆]
/желтая кровяная соль/. Однако, при обработки мелассы гексацианоферратом калия в растворе остается значительное количество свободных ионов ферроцианида, что требует решения экологических вопросов, в частности, нейтрализации этих ионов. С целью снятия их токсического действия /нейтрализации/ чаще всего используют соли железа или гидросульфита натрия. Применение этих солей требует строго контроля за содержанием ионов железа и серы, так как их избыток существенно снижает выход лимонной кислоты.

Кроме того, обработка мелассы гексацианоферратом калия не всега приводит к удовлетворительным результатам при ферментации без дополнительных примеров. Например, если масса содержит высокое качество кальция одновременно с гексацианоферратом среду обрабатывают щавелевой кислотой или щавелевым аммонием, основной функцией которых является осаждение катионов кальция.2 Известен способ подготовки мелассы к ферментации при производстве лимонной кислоты путем разбавления мелассы водой, установления заданного значения PH, стерилизации с целью удаления тяжелых металлов раствор мелассы обрабатывают гексацианоферратом калия /а.с. СССР 243556 C 12 P 7/48, опуб. 1969 г.

Наиболее близким по технической сущности аналогом является способ обработки мелассы изложенный в авторском свидетельстве СССР 455992 C 12 P 7/48, опуб. 1975 г. Способ включает разбавление мелассы водой, восстановление заданного значения pH, стерилизацию, обработку мелассно-го раствора ферроцианидом калия. Для нейтрализации свободных ионов ферроцианида в раствор мелассы добавляют гидросульфит натрия в количестве 20 140 мг на 1 литр мелассного раствора при температуре 80^oC.

Но данный способ характеризуется довольно высоким содержанием ионов /до 8 мг/, и наличием в среде свободного ферроцианида, что вызывает необходимость контроля за содержанием свободного ферроцианида и дополнительное введение в среду гидросульфита натрия, что, в свою очередь, требует контроля за содержанием серы в среде, так концентрация серы существенно влияет на биосинтез лимонной кислоты, снижая ее выход.

Технический результат предлагаемого способа заключается в более полном удалении ионов железа, марганца и кальция из мелассной среды путем осаждения на клиноптилолите, поскольку концентрации указанных элементов наиболее существенно влияют на биосинтез лимонной кислоты. Концентрации этих элементов в среде снижается в 15 40 раз, в частности, железа в 15 25 раз, марганца в 20 30 раз и кальция в 30 40 раз.

Более полное удаление указанных элементов из мелассной среды приводит к повышению концентрации лимонной кислоты на 10 15% соответственно на 10 - 15% повышается и выход лимонной кислоты.

В предлагаемом способе избыток элементов отрицательно влияющих на биосинтез кислоты, а именно, избыток железа, марганца и кальция удаляют путем адсорбции на клиноптилолите. Для удаления избытка указанных элементов разбавленный водой раствор мелассы пропускают через колонну заполненную зернистой, фильтрующей загрузкой. В качестве фильтрующей загрузки используют циолит, в частности клиноптилолит зернением 0,5 2,0 мм.

Клиноптилолит это цеолит осадочного происхождения широко распространенный в природе. Как цеолит клиноптилолит обладает комплексом адсорбционных, ионообменных, молекулярно-ситовых, каталитических и других свойств, делающих его универсальным сорбентом. Основной цеолитового каркаса является тетраэды SiO₄ и AlO₄, он относится к группе цеолитов с трехмерным каркасом, и является выраженным микропористым адсорбентом.

Отфильтрованный мелассный раствор затем подвергают стерилизации, и после устранения pH, используют для ферментации при производстве лимонной кислоты.

Объем пропускаемой через фильтрующее устройство жидкости колеблется в зависимости от состава мелассы от 10 до 200 объемов на 1 объем клиноптилолита.

В таблице представлены сравнительные результаты обработки мелассы гексацианоферратом калия и на клиноптилолитовом фильтре, из которых видно, что циолитовая загрузка лучше, чем гексацианоферрат увеличению накопления лимонной кислоты в культуральной жидкости, соответственно возрастает выход лимонной кислоты.

Кроме удаления указанных элементов, сорбционная очистка мелассы на клиноптилолитовом фильтре значительно облегчает процесс подготовки мелассы к ферментации. При этом отпадает необходимость подбора оптимальных концентраций K₄ [Fe(CN)₆] в зависимости от состава мелассы, контроля за содержанием свободного ферроцианида в культуральной жидкости, его нейтрализации, и дополнительного осаждения кальция с помощью специальных химических реагентов.

Способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1 /контрольный мелласа обработана гексацианоферратом калия/
Гриб Aspergillus niger ВСБ -228, культивируют периодическим способом на мелассоной питательной среде предварительно обработанной гексацианоферратом калия.

Режим обработки: Мелассу разводят водой до концентрации редуцирующих веществ /РВ/-10% с содержанием железа 22 мг/л, марганца 33 мг/л и кальция 4890 мг/л, кипятят в течение 10 минут, добавляют 250 мг/л гексацианоферрата калия, основа кипятят в течение 10 минут, устанавливают pH -6,8, затем среду подвергают стерилизации, после чего используют для ферментации.

Режим ферментации: Содержание РВ в мелассе -10% pH среды 6,8, температура в течение 48 часов от начала ферментации 33^oC, затем снижают до 31^oC, аэрация среды 1 л/мин/л среды, обороты мешалки 200 оборотов/минуту.

Концентрация железа в среде 8 мг/л, марганца 18,3 мг/л кальция 1200 мг/л. Длительность ферментации 8 суток. Концентрация лимонной кислоты в культуральной жидкости 85 г/л.

Пример 2.

Гриб Asp. niger ВСБ -228 культивируют периодическим способе на мелассной питательной среде после адсорбции минеральных элементов на клиноптилолитовом фильтре.

Режим обработки: Мелассу разводят водной до концентрации pB-10% раствор с содержанием железа 22 мг/л, марганца 33 мг/л и кальция 4890 мг/л пропускают через колонку, заполненную зернистой загрузкой клиноптилолитом. После фильтрации устанавливают pH среды 6,8, стерилизуют и используют для ферментации.

Режим ферментации: Содержание РВ -10% pH -6,8, температура в течение 48 часов от начала ферментации 33^oC, затем снижают до 31^oC, аэрация среды 1 л/мин/л среды, обороты мешалки 200 об/мин.

Концентрация железа в среде 1,5 мг/л, кальция 87 мг/л, марганца 0,9 мг/л. Длительность ферментации 8 суток.

Концентрация лимонной кислоты в культурной жидкости 96% выход лимонной кислоты составил 96% Таким образом, применение клиноптилолитового фильтра для очистки мелассы способствует лучшему осаждению железа, марганца и кальция.

Пример 3.

Культивирование гриба Asp. niger ВСБ -228 осуществляют периодическим способом на мелассной питательной среде обработанной гексацианоферратом калия. Режим обработки и ферментации по примеру 1. Содержание элементов в мелассе до обработки: железа 79 мг/л, марганца 27 мг/л, кальция 7813 мг/л. После обработки их концентрации снизились до следующих значений: железо 13 мг/л, марганец 5,5 мг/л, кальций 2500 мг/л. Длительность ферментации 8 суток. Концентрация лимонной кислоты в культуральной жидкости 89 г/л, выход от субстрата 89%
Пример 4.

Ферментацию гриба Asp. niger ВСБ -228 и обработку мелассы осуществляют по примеру 2. Содержание элементов в мелассе до обработки: железа 31,5 мг/л, марганца 20 мг/л, кальция 3555 мг/л. После пропускания раствора мелассы через колонку заполненную клиноптилолитом концентрация железа снизилась до 0,5 мг/л, марганца 2,0 мг/л, кальция 70 мг/л. Выход лимонной кислоты после 8 суток культивирования составил 100% от субстрата.

Таким образом, предлагаемый способ осаждения железа из мелассы путем адсорбции на клиноптилолитовом фильтре способствует лучшему удалению ионов железа из среды. Наряду с ионами железа подвергаются осаждению ионы марганца и кальция, сто также благоприятно влияет на биосинтез лимонной кислоты, повышая выход.

Кроме того, предлагаемый способ обработки мелассы на цеолите полностью исключает наличие в среде свободного ферроцианида и обеспечивает процесс подготовки мелассы и ферментации, так как при этом отсутствуют стадии нагревания мелассы перед обработкой гексацианоферратом калия и стадия нейтрализации свободных феррацианидов, что обеспечивает экологическую чистоту процесса.

Использование: изобретение относится к микробиологической промышленности, а именно к способу подготовки мелассы к ферментации при производстве лимонной кислоты с использованием гриба Aspergillus niger, и может быть использовано в пищевой промышленности, медицине и фармакологии. Сущность изобретения: способ предусматривает очистку мелассной питательной среды от избытка элементов, отрицательно влияющих на биосинтез лимонной кислоты, а именно от избытка железа, марганца и кальция. Для удаления этих элементов разбавленной водой раствор мелассы пропускают через колонну, заполненную зернистой, фильтрующей загрузкой - клиноптилолитом. Отфильтрованный раствор мелассы затем подвергают стерилизации и, после установления pH, используют для ферментации при производстве лимонной кислоты. 1 табл.

Способ подготовки мелассы к ферментации при производстве лимонной кислоты, включающий разведение мелассы водой, доведение pH до заданного значения с помощью титрования щелочным или кислотным титрантом, удаление избытка железа, марганца и кальция, стерилизацию, отличающийся тем, что избыток ионов железа, марганца и кальция удаляют путем адсорбции на клиноптилолите.