Разговоров П.Б. Технология получения биологически активных веществ

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 6.10. Технологическая схема получения витамина В

Выход кристаллического витамина В

составляет 40 мг/л.

Разработана также технология получения В

из термических бацилл

Bacillus Circulans в течение 18 ч при температуре 65–75°C в нейтральных

условиях. Выход витамина составляет 2–6 мг/л.

Технология получения витамина С (L-аскорбиновая кислота)

Витамин С, необходимый для нормальной жизнедеятельности человека,

впервые выделен из лимона. Он участвует во многих видах окислительно-

восстановительных процессов, положительно действует на нервную систему;

выступает как мощный противоцинготный препарат. При нехватке витамина С

наблюдается сонливость, утомляемость, снижается сопротивляемость организ-

ма болезням. Основные источники – свежий шиповник, капуста, крыжовник,

овощи, фрукты. Его строение представлено на рис. 6.11 [5].

Приготовление питательной среды

I стадия ферментации; t = 30°C, τ =10–30мин,

рН

–

7,0

Экстрагент

Воздух на

очистку

Обработка цианидом

Центрифугирование

Посевной

материал;

аэрированный

воздух

Кристаллический В

II стадия ферментации; τ = 88 ч,

30°C

рН

=6,5

–

,0,

/ч

Экстракция из клеток; t = 80–120°C, τ =10–30 мин

Сорбция

Выпаривание растворителя

Осадок

Активированный

уголь, оксид

алюминия

Обработка водным раствором

спирта/хлороформом

Отработанный

активированный

уголь

Конденсат

Глюкоза,

NН

SО

соли

металлов

Рис. 6.11. Строение витамина С

Витамин С синтезируют следующими способами:

– экстракция из растений;

– химический синтез;

– ферментативный синтез;

– смешанный ферментативно-химический синтез.

В промышленных масштабах витамин С получают двумя способами:

1) метод Рейхштейна;

2) двухстадийный ферментативный синтез.

Метод Рейхштейна впервые использован в 1933 г. и до сих пор приме-

няется компаниями «BASF», «Roshe», «Takeda». Его сущность заключается в

двухстадийном превращении L-сорбозы в диацетонкетогулоновую кислоту.

Процесс получения аскорбиновой кислоты представлен на рис. 6.12.

Рис. 6.12. Схема процесса получения аскорбиновой кислоты

α-D-глюкоза

+ (CH

)CO; H

D-сорбит

L-сорбоза

Диацетонкетогулоновая кислота

Техническая L-аскорбиновая

кислота

Диацетонсорбоза

+ [O]; OH

–

Биотрансформация

+ H

Очищенная L-аскорбиновая кислота

Рис. 6.13. Схема ферментативного способа (а)

и химизм получения L-аскорбиновой кислоты (б)

α-D-глюкоза

сорбит

Техническая L-аскорбиновая

кислота

+Н

Очищенная L-аскорбиновая кислота

Биотрансформация

Диацетонкетогулоновая кислота

α-сорбоза

Биотрансформация

Технология включает 5 стадий:

1) получение D-сорбита из D-глюкозы методом каталитического восста-

новления глюкозы водородом при давлении 8–10 МПа и температуре 135–

140°C;

2) получение α-сорбозы из D-сорбита путем биохимического глубинного

окисления;

3) получение диацетонсорбозы из сорбозы путем обработки сорбозы аце-

тоном в присутствии серной кислоты;

4) окисление диацетонсорбозы в диацетонкетогулоновую кислоту с по-

мощью КМnО

или других сильных окислителей;

5) образование аскорбиновой кислоты в среде органического раствори-

теля (хлороформа или дихлорэтана) в присутствии соляной кислоты, после чего

техническую аскорбиновую кислоту перекристаллизовывают в чистый продукт.

Ферментативный синтез. Ферментативный двухстадийный синтез ис-

пользуется компаниями «BASF», «Merck», а также китайскими производителя-

ми. Структурная схема процесса представлена на рис. 6.13, а, а химизм – на

рис. 6.13, б.

Известен способ получения аскорбиновой кислоты с помощью микроор-

ганизмов. Питательной средой выступают глюкоза и дрожжи (≈ 200 мг/г

биомассы) либо грибы рода Fusarium или рода Aspergillus и бактерии Strepto-

cocсus thermopiles.

Витамин С выпускают в различных формах – в виде порошков, гранул,

аскорбатов натрия и кальция (рис. 6.13, а) [6].

Получение витамина группы D

Под этим термином понимают несколько соединений, относящихся к

стеринам; наиболее активными из них являются эргокальциферол (D

) (рис.

6.14) и холкальциферол (D

) [5].

Витамин D регулирует содержание кальция и неорганического фосфора в

крови, участвует в минерализации костей. Его хронический дефицит приводит

к развитию рахита у детей и разрежению костей у взрослых (остеопороз). Каль-

циферолы содержатся в продуктах животного происхождения – рыбьем жире,

печени трески, яйцах. При избытке витамина D у детей и взрослых (гипер-

витаминоз) развивается интоксикация. Витамин D не разрушается при кулинар-

ной обработке, очень чувствителен к свету, действию кислорода.

Витамин D

получают по технологической схеме, сходной с представ-

ленной на рис. 6.5.

Рис. 6.14. Строение витамина D

Способ получения витамина Е

Строение витамина Е представлено на рис. 6.15. Витамин Е (α-токо-

ферол) в чистом виде был впервые выделен в 1936 г. из зародышей пшеницы.

Одним из способов получения является экстракция из массы ростков и

зерна. Токоферолы регулируют интенсивность свободнорадикальных реакций,

протекающих в живых организмах, предотвращают окисление ненасыщенных

жирных кислот в липидах мембран, влияют на биосинтез ферментов. При недо-

статке этого витамина нарушаются функции размножения живых организмов,

поражаются кровеносные сосуды. Токоферолы присутствуют в растительных

маслах (соевом, хлопковом, подсолнечном), а также в крупах и хлебе [5].

Основные функции витамина Е в организме человека:

– действует как антиоксидант;

– участвует в биосинтезе гема;

– препятствует тромбообразованию;

– участвует в синтезе гормонов;

– поддерживает иммунитет;

– обладает антиканцерогенным действием.

Способ получения витамина Е включает взаимодействие 2,3,5-триметил-

гидрохинона с изофитолом в присутствии галогенида цинка, который является

донором протонов, а также в присутствии аминосоединений при повышенной

температуре с последующей этерификацией при использовании ацетангидрида

(с возвратом катализатора конденсации).

В производстве витамина Е галогениды (бромиды и хлориды цинка) ис-

пользуют совместно с кислотами Льюиса. Альтернативной технологией полу-

чения витамина Е является экстракция из отходов лесной промышленности

(ели, сосны, пихты и др.) в присутствии бензола при повышенной температуре.

R` R`` R```

α…………..СН

….СН

β…………..СН

……Н…..СН

γ…………….Н…...СН

....СН

σ……………Н……..Н…..СН

Токол…… ...Н……..Н…….Н

Рис. 6.15. Строение токоферолов

Краткие сведения о витамине К

Витамин К открыт в 1929 г. как антигеморрагический фактор, необходи-

мый для нормализации или ускорения свертывания крови. По химической

природе витамин К является хиноном с боковой изопреноидной цепью.

Существует два ряда витаминов группы К – филлохиноны (К

-ряд, рис. 6.16, а)

и менахиноны (К

-ряд, рис. 6.16, б). Филлохиноны и их производные содер-

жатся в зеленых частях растений и поступают в организм с пищей; менахи-

ноны образуются как результат деятельности микрофлоры кишечника или при

метаболизме нафтохинонов в тканях организма. При недостатке витамина К на-

блюдается повышение кровоточивости, особенно при порезах. Основные источ-

ники поступления витамина К – укроп, шпинат и капуста [5].

Витамин К

– препарат «Викасол» используется для предотвращения

внутренних кровотечений.

Рис. 6.16. Строение витаминов К

(а) и К

(б)

7. Технология получения ферментных препаратов

Ферментные препараты – концентраты ферментов, полученные с по-

мощью микроорганизмов и содержащие в своем составе, наряду с ферментом,

балластные вещества. Основными промышленными микроорганизмами для

производства ферментных препаратов являются:

– грибы рода Aspergillus, Rhizopas, Penicillium;

– бактерии рода Bacillus и актиномицеты.

Для нужд производственных процессов вырабатывают ферментные

препараты:

– амилоризин ШО

;

– амилосубтилин Г10

Состав амилоризина ШО

– комплекс препаратов с превалирующим дей-

ствием α-амилазы и сопутствующих протеолитических ферментов. Оптималь-

ные условия действия таких ферментов: рН = 4,7–5,4; температура 40–45°C.

Амилосубтилин Г10

– α-амилаза, Р-глюконаза, протеаза. Оптимальные

условия действия: рН = 6,0–6,3, температура 50–55°C.

Особенности технологии

Применяют два способа выращивания продуцентов ферментов:

1) поверхностный – предусматривает выращивание микроорганизмов на

поверхности твердых, жидких, полужидких или сыпучих материалов в усло-

виях максимального контакта микроорганизма с кислородом воздуха;

2) глубинный – предусматривает выращивание микроорганизма в жидких

средах в условиях недостаточного контакта клеток с кислородом.

При поверхностном способе культивирования оптимальная температура

для развития грибов составляет 28–30°C, а относительная влажность воздуха –

60–70%.

Наиболее перспективным способом является глубинный способ культи-

вирования. Производство ферментных препаратов глубинным способом на

жидких питательных средах можно разделить на стадии:

– приготовление, стерилизация и охлаждение питательной среды;

– приготовление посевного материала и выращивание производственной

культуры;

– отделение и сушка биомассы;

– фасовка отходов и отделение фильтрата;

– концентрирование и сушка концентрата;

– осаждение, сушка и стандартизация препарата;

– фасовка препарата.

Структурная схема получения ферментных препаратов представлена на

рис. 7.1, а машинно-аппаратурная схема – на рис. 7.2 [7].

Для получения питательной среды используют свекловичный жом, кото-

рый через циклон-разгрузитель 1 направляют на весы 3 и далее в экстрактор

свекловичного жома 4. Полученный экстракт насосом перекачивают в стека-

тель 5, шнек-пресс для отжима 6, после чего он через приемник 7 подается в

смеситель 20, куда подводят соли и остальные компоненты с таким расчетом,

чтобы при соедине-нии растворов была достигнута концентрация, заданная

регламентом. Солодовые ростки из бункера 8 взвешивают на весах 10 и

винтовым подъем-ником 9 направляют в экстрактор 11 и затем в ленточный

вакуум-фильтр 12, откуда промывные воды отводят в ресивер 13, а осадок

спускают в бункер 14. Над вакуум-фильтром 12 размещены барометрический

конденсатор 16 и ловушка 17, а ниже установлен барометрический ящик 18.

Полученный экстракт солодовых ростков из ресивера для фильтрата 15 насосом

через приемник 19 закачивают в смеситель 20. Приготовленные смеси посту-

пают в приемник питательной среды 21, аппарат для получения посевного

материала 22 и затем в стерилизатор 23 и выдерживатель 24, где поддерживают

температуру питательной среды при 130°C, после чего направляют на

охлаждение в теплообменники 25 и 26, откуда охлажденная среда поступает в

аппарат для ферментации 33, заполняя его на 70–75%.

Рис. 7.1. Структурная схема производства ферментных препаратов

(глубинный способ)

До начала ферментации в среду вводят посевной материал; посев

осуществляют в аппарате 22, откуда его направляют в аппарат 33 с фор-

сунками 32. Здесь же установлены фильтры 27, 28, 29 для очистки воздуха.

Забираемый из атмосферы воздух очищается от грубой взвеси, сжимается и

охлаждается.

Приготовление питательной среды

Фасовка препарата

Приготовление посевного материала

Сушка препарата

Стерилизация питательной среды

Охлаждение питательной среды

Стандартизация препарата

Отделение фильтрата

Выращивание производственной культуры

Отделение биомассы

Сушка биомассы

Фасовка отходов

Концентрирование и сушка концентрата

Осаждение препарата

Рис. 7.2. Схема линии производства ферментных препаратов на жидких питательных

средах глубинным способом: 1– циклон-разгрузитель; 2 – циклон очистки воздуха; 3,

10, 63 – весы; 4, 11 – экстракторы; 5 – стекатель; 6 – шнек-пресс; 7, 19, 21 – прием-

ники; 8, 14, 37, 48, 59, 61, 62 – бункера; 9 – подъемник; 12 – вакуум-фильтр; 13, 15 –

ресиверы; 16 – барометрический конденсатор; 17 – ловушка; 18, 51 – ящики; 20, 64 –

смесители; 22 – аппарат для приготовления посевного материала; 23 – стерилизатор;

24 – выдерживатель; 25, 26, 34, 54 – теплообменники; 27, 28, 29 – фильтры для

очистки воздуха; 30 – стерилизатор пеногасителя; 31, 53 – мерники; 32 – форсунки;

33 – аппарат для ферментации; 35, 38, 40, 43, 44 – сборники; 36 – фильтр-пресс;

39, 50, 55 – сепараторы; 41 – конденсатор; 42 – вакуум-выпарной аппарат; 45 – су-

шилка; 46 – циклон; 47 – рукавный фильтр; 49 – шнековый транспортер; 52 – уста-

новка непрерывного осаждения; 56 – аппарат для отсушки осадка; 57 – центрифуга;

58 – вакуум-сушилка; 60 – измельчители; 65, 66 – фасовочные машины

Длительность культивирования зависит от продуцента и условий введе-

ния питательных веществ. Готовую культуральную жидкость, биомассу проду-

центов, твердую взвесь среды и всю сумму веществ насосом пропускают через

теплообменник 34 для охлаждения и далее направляют в сборник 35. По окон-

чании ферментации отделение биомассы от культуральной жидкости про-

изводят в фильтр-прессе 36, откуда биомассу через бункер 37 направляют на

сушку и фасовку, а отделенную культуральную жидкость направляют на сепа-

раторы 39, 50, 55. После сепарации концентрат поступает в теплообменник для

охлаждения 54. Перед выпариванием культуральную жидкость подогревают до

температуры 95–100°C, затем уже направляют в вакуум-выпарной аппарат 42.

После выпаривания культуральная жидкость с содержанием сухих веществ 40%

представляет собой жидкий концентрат, который перекачивают в сборник 44.

Концентрированная культуральная жидкость может быть высушена в распыли-

тельной сушилке 45 и через циклон 46 и рукавный фильтр 47 направляется в

бункер 48. Далее шнековым транспортером 49 ферментный препарат подают на

установку непрерывного осаждения этанолом 52, куда из мерника 53 подается

спирт. Осажденный препарат поступает в аппарат для отсушки ферментного

осадка 56, откуда после обработки на центрифуге 57 его направляют на бара-

банную вакуум-сушилку 58. Высушенный препарат собирают в бункере 59,

добавляют из бункеров 61 и 62 наполнители, измельченные на аппаратах 60,

взвешивают эти компоненты на весах 63 и направляют в смеситель 64.

Фасовку ферментного препарата проводят в машинах 65 и 66 – порциями

по 17 кг или 0,5 кг, после чего направляют на склад готовой продукции.

8. Получение биологически активных веществ

на базе ферментов и соединений углеводов

Перспективные разработки в этой области связаны с использованием

ферментов в сочетании с крахмалсодержащим сырьем. Известно, что путем

гидролиза крахмалсодержащего сырья удается получать ценные виды биологи-

чески активных соединений из углеводов. Их потребительские свойства во

многом определяются условиями проведения гидролиза.

Гидролиз наиболее благоприятно протекает с использованием ферментов

(ферментативный путь). Отличие данного способа от обработки щелочью

заключается в том, что щелочь придает конечному продукту ряд неприемлемых

потребительских свойств и повышает энергетические затраты на обработку.

Ферменты играют роль катализаторов процесса разложения исходного

сырья. Технология включает две стадии: 1) разрыхление сырья; 2) осахарива-

ние.

Таким образом получен ряд новых биологически активных веществ,

которые в виде сиропов, включающих глюкозу и фруктозу, могут применяться

для лечения и профилактики болезней живых организмов, имеющих различные

патологии. Исходным сырьем для получения таких сиропов является глюкоза.

Технология включает следующие операции: