II. ДИНАМИКА И БАЛАНС ПРОДУКТОВ АЦЕТОНО-БУТИЛОВОГО БРОЖЕНИЯ. СХЕМА СБРАЖИВАНИЯ.

Б.М. Нахманович провел исследования динамики и баланса ацетоно-бутилового брожения. Опыты проводились им почти исключительно на крахмалистых средах (кукурузный затор) [1, 30] или на глюкозе [14]. Основные результаты этих исследований приведены в общих руководствах по ацетоно-бутиловому брожению [4, 14, 15] и широко известны.

При этом было показано [1], что скорость окислительных процессов незначительно менялась на протяжении всего периода брожения. Восстановительные же процессы постепенно ускорялись, достигая наибольшей интенсивности в начале второй фазы брожения, что совпадало с максимальным количеством бактерий в среде.

Конечное соотношение растворителей составило

ацетон + бутанол + этанол    =    32—34%  +  60—61%  +  3—10%  , соответственно.

Соотношения растворителей менялись в зависимости от степени восстановленности сбраживаемого субстрата [25]. При сбраживании маннита, более восстановленного продукта, чем глюкоза, увеличивался выход бутанола. Среднее соотношение растворителей составляло 11,6 : 82,0 : 6,4 (в том же порядке).

При сбраживании глюконата кальция, более окисленного продукта, чем глюкоза, соотношение растворителей сдвигалось в сторону ацетона и составляло 60 : 24 : 16.

В этой же работе был показан окислительный характер брожения арабинозы.

Сбраживание пентоз ацетоно-бутиловыми бактериями изучено очень слабо, разноречивы даже мнения о степени их сбраживаемости.

Робинсон [31], изучавший ацетоно-бутиловое брожение на различных углеводах, относит ксилозу и арабинозу - продукты переработки целлюлозы древесины, в противоположность глюкозе, фруктозе и сахарозе, к группе углеводов ненормального брожения, при котором сахара потребляются неполностью, а кислотность останавливается на высшей точке.

В опытах Андеркофлера, Христенсена и Фульмера [36] ксилозой (продуктом гидролиза целлюлозы древесины) удавалось заменить только 40% кукурузной муки без снижения выходов и скорости брожения, в то время как глюкозой и сахарозой можно было заменить до 80% муки.

Однако другие исследователи [29, 24] показали, что ксилоза и арабиноза нормально и полностью сбраживаются ацетоно-бутиловыми бактериями. Это подтверждается и нашими исследованиями [10].

Изучая вопросы замены пищевого сырья в ацетоно-бутиловом производстве и имея в виду использовать в качестве заменителей муки пентозные гидролизаты кукурузной кочерыжки и других растительных отходов [7, 8, 10, 12], мы считали необходимым исследовать динамику сбраживания ксилозы и арабинозы, как продуктов переработки целлюлозы древесины, сравнительно с динамикой сбраживания крахмала.

Такое направление исследований соответствует положению, выдвигаемому В. Н. Шапошниковым, «что правильное представление о характере и путях превращения веществ (например, углеводов) в развивающихся культурах можно получить лишь путем детального изучения динамики их в процессе развития культуры» [16].

При сбраживании исследуемых Сахаров применялась среда, содержащая в 100 мл 4 грамма сахара (в пересчете на чистые монозы), 2 г кукурузного глютена и следующие соли: К₂НРО₄—50 мг, КН₂РО₄—50 мг. МgSО₄—20 мг, NaС1—2 мг, Fе₂SО₄—1 мг, МnSО₄—1 мг.

Среды, простерилизованные при 112° в течение 30 минут, инокулировали (засевали) 3% чистой производственной культуры и сбраживали при 37°С.

Через определенные промежутки времени отбирали пробы, в которых определяли: редуцирующие вещества РВ (по Бертрану¹), растворители (но разработанному нами методу [9]), летучие кислоты (по Бехтеревой и Иерусалимскому [2]), общую кислотность и число бактериальных клеток в 1 мл среды.

Для определения количеств газов, образующихся при Ацетоно-бутиловом брожении (СО₂ и Н2) нами был разработан простой объемно-весовой метод. Определяя вес и объем суммы выделенных газов, рассчитывали содержание в смеси углекислоты и водорода.

Так как 1 г-моль газа при нормальных условиях (0° и 760 мм рт. ст.) занимает объем 22,4 л, то

Выражая Н₂ и СО2 в весовых единицах (г), можем написать следующие два уравнения:

Решая уравнения (1) и (2) относительно интересующих нас неизвестных (Н₂ и СО2), получим

Вес выделившихся при ацетоно-бутиловом брожении газов (а) определяли по уменьшению веса сбраживаемых сред (опытных склянок). Для учета объема газов (5) их направляли в процессе брожения в мерные цилиндры (газгольдеры). Объем газов приводили к нормальным условиям.

Результаты одного из опытов по определению динамики сбраживания крахмала приведены в табл. 1.

Динамика и баланс продуктов при ацетоно-бутиловом сбраживании крахмала (в мг-молях/л)

Содержание углерода в продуктах брожения хорошо балансировалось с углеродом сброженного сахара, начиная с 24 часов брожения. На 12-м часу брожения такой баланс показал наличие неучтенных промежуточных продуктов, в которых содержалось около 20% углерода сброженного сахара. В то же время количество выделившегося водорода было значительно меньше расчетного (соответственно 105 и 165 мг-молей/л. Количество выделившегося углекислого газа на всех стадиях брожения хорошо совпадало с расчетным.

Данные по составлению балансов ацетоно-бутилового брожения на крахмале, глюкозе и сахарозе свидетельствуют о следующих средних количественных соотношениях продуктов при сбраживании гексоз:

При этом четырехуглеродные продукты (бутанол и масляная кислота) составляют 50% сброженного сахара (в молях), трехуглеродные (ацетон) — 33,3%, двууглеродные (этанол и уксусная кислота) — 33,3% и одноуглеродные (СО₂) — 233,3%.

В большинстве опытов за счет снижения выхода С₂ возрастал выход С₃ и С ₄. Так, для приведенного опыта: С₄ = 54,5%; С₃ = 36,8%; С₂ = 54,5%; С₁ = 36,8%. Однако наблюдалось и обратное явление, когда за счет снижения выхода бутанола резко возрастал выход этанола (см. таблица 5)

Приведенная схема сбраживания арабинозы подтверждается следующими фактами:

1) накопление в первые часы брожения больших количеств уксусной кислоты;

2) число молей уксусной кислоты плюс удвоенное число молей ацетона на всех промежуточных стадиях брожения соответствовало числу молей сброженной арабинозы (см. табл. 3);

3) утроенное число молей бутанола на всех промежуточных стадиях брожения соответствовало числу молей сброженной арабинозы (см. табл. 3);

4) меньшее образование водорода и более окисленный характер брожения, чем при сбраживании ксилозы и гексоз.

Однако водорода и углекислого газа при ацетоно-бутиловом сбраживании образуется фактически больше, чем должно было быть в соответствии с предполагаемой схемой. Возможно, что недостаток водорода при сбраживании арабинозы компенсируется бактериями за счет частичного окисления гликолевого альдегида или ацетилфосфата. Такое предположение высказывалось ранее {25} и оно представляется вполне вероятным. Наряду с этим должно образоваться также дополнительное количество углекислого газа, что показано на схеме.

ЛИТЕРАТУРА

1. М. Н. Бехтерева и Н. Д. Иерусалимский, «Микробиология», т. 5, вып. 6, 1936, 777.

1.A. Купить штамм бактерий Clostridium acetobutylicum для производства биобутанола.

1.Б. Штамм бактерий Clostridium acetobutylicum - продуцент н-бутилового спирта и ацетона. Патент РФ.

1.В. Эффективность методов выделения продуктов ацетоно-бутиловой ферментации из культуральной жидкости. Дистилляция, микрофильтрация и обратный осмос, адсорбция бутанола на молекулярном сите.

2. М. Н. Бехтерева и Н. Д. Иерусалимский, «Заводская лаборатория», т. VI, № 3, 1937, 312.

3. А. КлюйвериК. Ва н-Н и л, Вклад микробов в биологию, ИЛ, М., 1959.

5. А. Я. Мантейфель и В. Я. Антышева, «Микробиология», т. 6, 1935, 903.

6. Д. М. М и х л и н, Биолигическое окисление, изд. АН СССР, М., 1956.

7. Б. М. Н а х м а н о в и ч, «Спиртовая промышленность», 1957. № 4.

8. Б. М. Н а х м а н о в и ч, Вопросы пищевой и бродильной микробиологии, изд. АН УССР, Киев, 1958.

9. Б. М. Нахманович и Н. А. Щеблыкина, Труды ВНИИСПа, вып. VI, 1958.

12. Б. М. Нахманович и Н. А. Щеблыкина, Известия АН Латвийской ССР, № 5, 1960, 125.

13. Нейландс Дж. и Штумпф П., Очерки по химии ферментов, ИЛ, М., 1958.

14. С. ПрескотиС. Дэн, Техническая микробислогия, гл. XII, Ацетоно-бутиловое брожение, ИЛ, М., 1952.

15. В. Н. Ш а п о ш н и к о в, Техническая микробиология, гл. XXIX, Ацетоно-бутиловое брожение, М., 1948.

16. В. Н. Шапошников, Физиология обмена веществ микроорганизмов в связи с эволюцией функций, изд. АН СССР, М., 1960.

17. ЦНИЛ бродильной промышленности НКТТП РСФСР, Отчет по договору с Грозненским ацетоно-бутиловым заводом (1936—1937).

18. Н. А. Вагкег, Вас1епа1 {егтепЫюпз, 1956.

Биоэтанол. История развития рынка

 Сайт.Researchandmarkets..ru