Ацетонобутиловое брожение

Общая характеристика брожения, микроорганизмы. Бутиловый спирт — продукт брожения некоторых разновидностей масляно-кис-лых бактерий — обнаружен Л. Пастером в 1862 г. Несколько позднее Бейеринк выделил палочковидную бактерию, сбраживающую глице­рин с образованием в числе продуктов брожения бутилового спирта. Более подробно вопросом получения в результате брожения бутанола занимались Фитц и Бухнер, а Шардингер (1905) установил, что неко-

торые 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 ацетонобутиловый за­вод был построен в Англии в 1914 г.

В период Первой мировой войны еще большее значение приобрел ацетон, необходимый для приготовления взрывчатых веществ. Про­дукты брожения применяются для нужд нитроцеллюлозной и лако­красочной промышленности, производства фотопленок, ацетилцеллю-лозы, органического стекла и других отраслей химической и фарма­цевтической промышленности.

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

Промышленное получение в СССР бутилового спирта и ацетона путем брожения явилось результатом работ коллектива ученых, руко­водимого Шапошниковым. Проведенные ими исследования позволи­ли в 1935 г. наладить производство этих продуктов микробиологиче­ским способом.

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 бутано-ла и ацетона, наиболее активным их продуцентом признан Clostridium acetobutylicum, применяемый для производства этих растворителей.

Рост культур происходит только в анаэробных условиях на до­вольно простых средах, содержащих различные углеводы. Кроме них С. acetobutylicum может сбраживать глицерин, маннит, глюкоиат, пи­ру ват и некоторые другие вещества. Нуждается в таких витаминах, как биотин и парааминобензойная кислота. Бактерия способна к фик­сации молекулярного азота. Наиболее подходящая температура для роста — 37 — 38 °С, оптимальное значение рН среды — 5,1 — 6,9.

Благодаря наличию амилолитических ферментов бактерия исполь­зует крахмал. Выделяет в среду протеиназы, в результате чего спо­собна разлагать белки. Поэтому С. acetobutylicum относят к группе протеолитических клостридиев.

Сбраживание этой бактерией углеводов, как и другими клостриди-ями, происходит по фруктозобисфосфатному пути, т. е. по пути Эмб-дена —Мейергофа — Парнаса. Продуктами брожения являются уксус­ная и масляная кислоты, ацетон, бутанол, этанол, а также СО₂ и Н₂. Но состав продуктов и их количества в процессе брожения зависят от условий, в которых оно происходит.

В течение первой фазы наблюдаются активный рост культур и накопление в среде преимущественно органических кислот. Во вто­рой фазе рН среды снижается, рост культур замедляется, преобладает

образование нейтральных продуктов, а именно ацетона, бутанола и этанола. В то же время количество органических кислот в среде мо­жет даже уменьшаться.

Аналогичная двухфазность, как было установлено в дальнейшем, характерна для большинства процессов брожений, а также некоторых других микробиологических процессов, что важно знать для их прак­тического применения.

Для ацетонобутилового брожения четко показано, что его двух­фазность связана с рН среды. Если это значение в результате накоп­ления органических кислот падает до 4,5 и ниже, начинается интен­сивное образование нейтральных продуктов. В результате этого пре­дупреждается дальнейшее подкислеиие среды, неблагоприятное для бактерий. Если значение рН среды путем добавления в нее мела или другими способами поддерживать на уровне 5,0 и выше, то образова­ния в большом количестве ацетона, бутаиола и этанола не происхо­дит.

Установлено, что при низких значениях рН у С. acetobutylicum увеличивается активность ферментов, катализирующих превращение ацетоацетил-КоА в ацетон, и НАДН используется на восстановление 6утирил-КоА до бутанола. Кроме того, последний может частично синтезироваться из ранее образованной масляной кислоты, вновь по­ступающей в клетки из среды и превращающейся в бутирил-КоА. Поэтому для получения в большом количестве нейтральных продук­тов важно соблюдать определенные условия процесса брожения.

Среды и культуры, используемые в производстве. Ацетоиобу-тиловое брожение в производственных условиях может вестись на разных углевод содержащих средах. Вначале обычно использовали среды, включающие кукурузную, пшеничную или ржаную муку. В на­стоящее время в качестве основного сбраживаемого субстрата неред­ко применяют мелассу и некоторые другие дешевые вещества. Сбражи­ваемые углеводы не подвергают предварительному осахариванию. Поэтому содержащие их среды именуются заторами (в отличие от сусла — осахарегшой среды спиртового брожения).

Обычно применяют заторы, содержащие около б % углеводов. Использовать среды с большим количеством сбраживаемых субстра­тов нецелесообразно, так как образуемый при брожении бутанол уже в концентрации 1,5 % подавляет жизнедеятельность бактерий и бро­жение прекращается. Поэтому часть углеводов, если их много, остает­ся неиспользованной.

В случае когда в качестве субстрата для брожения применяют муку, ее предварительно взвешивают на автоматических весах, а затем через дозатор направляют на смешение с водой при 50 — 60 °С. Замес проходит ловушки для улавливания комков, а также случай­ных примесей и поступает на разваривание в варочно-стерилизацион-иые колонки, где нагревается паром до 145 — 160 °С и выдерживает­ся при такой же температуре в трубчатых вертикальных сосудах от

20 до 40 мин, постепенно продвигаясь по ним. Проходя через сепара­тор пара, затор подается центробежным насосом в холодильник типа «труба в трубе», охлаждается до температуры брожения (35 — 36 °С) и поступает в бродильное отделение.

Среды, содержащие мелассу или гидролизаты растительных отхо­дов, стерилизуют в более мягких условиях (115 — 120 °С, 18 — 20 мин), после чего их смешивают с мучным затором.

Для нормального проведения процесса ацетоиобутилового бро­жения важно, чтобы в среде имелись в достаточном количестве белки, как в мучных заторах.

Для выращивания чистой культуры С. acetobutylicum пользуют­ся запасом спор бактерии, который заготавливают обычно на шести­месячный (и более) период работы завода.

Уже в первые часы после инокулирования затора активной куль­турой бактерий наблюдается брожение, заметное по пузырькам газа, поднимающимся к поверхности среды. Газовыделение достигает мак­симума обычно через 24 — 26 ч. В этот период происходит характер­ное расслоение субстрата — на поверхность поднимается рыхлый слизистый слой, внизу остается мутноватая опалесцирующая жидкость. Вся среда приобретает желтоватую окраску. Это явление в производ­стве именуется подъемом бражки и считается одним из признаков нормального брожения, к концу которого поднявшаяся твердая часть субстрата оседает на дно и газовыделение прекращается. Для ацето­иобутилового брожения характерной является также форма кривой титруемой кислотности. Развитие бактерий характеризуется быстрым нарастанием последней, которая достигает максимума к 12 — 16 ч брожения, и затем резко снижается к 24 — 25-му часу, после чего снова происходит небольшой ее подъем. Во время повышения кис­лотности рН среды снижается с 6,0 до 4,2 — 4,1 и остается на этом уровне с небольшими колебаниями.

Образование ацетона и спиртов начинается примерно с 6-го часа брожения, но наиболее интенсивно происходит после перелома кри­вой кислотности. В них превращается 33 — 35 % углеводов, и в конеч­ной бражке содержится около 2 % растворителей.

Полунепрерывный метод брожения в ацетонобутиловом про­изводстве, известный под названием батарейного, имеет ряд преиму­ществ по сравнению с периодическим и прочно укоренился в нашей промышленности. Батарея состоит из 6 — 8 ферментеров, последова­тельно соединенных трубами. Головной из них — активатор — засе­вают культурой из инокулятора и после перелома кривой кислотно­сти (примерно через 12 ч) начинают загружать мучным затором. Че­рез активатор заполняется вся батарея. Ее разгрузка (передача бражки на ректификацию) производится с последнего — хвостового — фер­ментатора; после стерилизации он становится активатором следую­щей батареи, состоящей из тех же ферментаторов, но загружаемых в обратном направлении.

Непрерывное брожение облегчило замену большого количества муки (до 70 %) более дешевым сырьем: свеклосахарной патокой (ме­лассой) и гидролизатами отходов растительного сырья.

Для первой фазы брожения целесообразнее применять мучной за­тор, что обеспечивает быстрый рост бактерий и образование фермен­тов для синтеза растворителей.

Мелассу и гидролизаты вводят при переходе брожения во вторую фазу.

Разработана двухпоточиая схема непрерывного брожения, пред­полагающая, что мучной или паточпо-гидролизатиый мучной затор направляется в первый (головной) ферментатор батареи, а также на разведение чистой культуры в инокулятор, мелассный затор — во вто­рой ферментатор, где происходит переход во вторую фазу брожения.

В результате внедрения способа непрерывного брожения на нарт-калинском ацетоновом заводе при переработке смешанных заторов (с заменой 70 % муки) по сравнению с прежней полунепрерывной схемой производительность заметно возрастала. Весь процесс ацето-иобутилового брожения, будь то периодический, полунепрерывный или непрерывный, ведется в строго стерильных условиях: в герметически закрытых ферментаторах под небольшим избыточным давлением (0,4 • 10⁵ — 0,8 • 10⁵ Па), создаваемым газами брожения. При выде­лении они удаляются через специальные коммуникации — выбрасы­ваются в атмосферу или направляются на переработку (например, в жидкую углекислоту или сухой лед).

Наибольшую опасность для производства представляют молоч-но-кислые бактерии и бактериофаги, быстро и полностью подавляю­щие рост ацетонобутиловых бактерий. Главная причина попадания бактериофага в производство объясняется тем, что он легко задержи­вается в трещинах сварных швов ферментаторов, в трубопроводах и других плохо прогреваемых и порой незаметных участках оборудова­ния. Кроме возможного устранения таких участков наиболее эффектив­ной мерой борьбы с этим вирусом является стерилизация при 120 ° С не менее 20 мин. В результате внедрения непрерывной схемы в ацетоио-бутиловом производстве значительно улучшаются условия стериль­ности и сокращаются случаи инфицирования в процессе брожения.

Ацетоиобутиловая бражка кроме ацетона, бутилового и этилового спиртов содержит ряд побочных продуктов, для разделения которых применяют довольно сложную перегонку и ректификацию. Изложим только принципиальные особенности этих операций.

Вначале на ацетоновой колонне отделяется ацетон — продукт с наиболее низкой температурой кипения (56,2 °С). Затем на другой колонне ограничивают этанол (температура кипения — 78,4 °С). Не­сколько сложнее обстоит дело с выделением и обезвоживанием бута-иола. Его смесь с водой образует два слоя: верхний — раствор воды в бутаноле (80 % бутанола и 20 % воды), его называют «богатой сме­сью», и нижний — раствор бутанола в воде (8 % бутанола и 92 %

воды), его называют «бедной смесью». Их разделение производится в сосуде-разделителе. Перегонка и обезвоживание бутапола основаны па его свойстве перегоняться вместе с водой (водяным паром) в виде азеотропной смеси, кипящей при 93,4 °С и содержащей 59 % спирта и 41 % воды. Таким образом, при перегонке «богатой смеси» с верхней части колонны вся вода удаляется, а с нижней части отходит безвод­ный бутанол, который затем окончательно очищается на бутаноловой колонне (температура кипения бутанола — 117,7 °С). При перегонке «бедной смеси» из нижней части лютерной колонны отходит лютер-ная вода, а с верхней части — азеотропная смесь, направляемая потом в соответствующий сосуд-разделитель. Основной отход ректифика­ции и всего производства — барда — содержит около 3 % сухих веществ, состоящих главным образом их азотистых соединений сы­рья. Ранее она использовалась обычно для откорма скота, но затем на ряде заводов были построены дрожжевые цехи для выращивания на барде кормовых дрожжей.

Глава 6