PL10544B1 - Spesób wytwarzania kwasu cytrynowego przez fermeatacje. - Google Patents

Description

Wiadomo, ze pewne okreslone plesnia¬ ki z grup Aspergillus, Citromyces, Mucor, Penicitlitun i innych moga z roztworu cukru zawierajacego pozywke tworzyc i groma¬ dzic wieksze ilosci kwasu cytrynowego.Powyzsza obserwacje (z Cytromycetami) zrobil Wehmer (1893), uzyskujac pierwszy odnosny patent (patent niemiecki Nr 72957 z 20 lutego 1894 r,), Wehmer pracowal z odmiana PenlciHiuan, która pózniej ozna¬ czyl jako Cytromyoes, W patencie nie¬ mieckim Nr 91891 z 13 kwietnia 1897 r. fer¬ mentacja cukru na kwas cytrynowy zapo- moca Mucor piriformis zostala opatento¬ wana przez „Fabriaues de produits chimi- ques de Thann et de Mulhouse". B. Zahor¬ ski odkryl dzialanie sterigmatocystis ni- gra, odmiany Aspergillus, przy fermenta¬ cji na kwas cytrynowy, co zastrzegl sobie w patencie amerykanskim Nr. 1066358 z 1 lipca 1913 r. Pózniejsze badania wykazaly, ze wlasnosc przemiany cukru na kwa trynowy w okreslonych warunkach posia¬ daja tylko czarne odmiany Aspergillus, a mianowicie, ze grzyby te w warunkach sprzyjajacyeh wielokrotnie przewyzszaja dzialanie uprzednio wymienionych. Ostat- nienri czasy owa „fermentacja cytrynowa" (na kwas cytrynowy) stala sie przedmio¬ tem wielu prac naukowych; ponizej .sa po¬ dane najnowsze prace opierajace sie na starszych pracach lub je krytycznie oma¬ wiajace: J. N. Currie: „The citric acid fertnefr-iation of Aspfezgilfcis' nlger". The Journal of the Biological Chemistry. Tom XXXI (1917). Strona 15-^7.K. Bernhauer: „Ueber die Saurebildung durch Aspergillus niger I—III". Biochemi- sche Zeitschrift. Tom 172 (192), Strona 296^l49.H. Amelung: „Beitrage zur Saurebil¬ dung durch Aspergillus niger" Hoppe- Syelers Zeitschr. fiir physiologische Che¬ mie. Tom 116 (1927). Strona 161—209.Z literatury powyzszej wynika naste¬ puj acy obraz obecnego stanu naszych wia¬ domosci o fermentacji cytrynowej: Jajko substrat fermentacji nadaje sie nietylko cukier trzcinowy, lecz równiez maltoza, cukier inwertowy, glukoza i inne rodzaje cukru oraz alkohole o 3, 5 i 6 ato¬ mach wegla. Nalezy tu dodac jeszcze sole odzywcze, a mianowicie nieorganiczne zwiazki azotu (sole amonowe lub azotany), nastepnie sole potasowe, kwas fosforowy, siarke, sole magnezjowe i wapniowe obok sladów soli ciezkich metali.Szczególnie duze znaczenie nadaje sie zawartosci azotu w cieczy fermentacyjnej, choc wyniki rozmaitych prac na ten temat nie sa zgodne. Naogól zauwazyc mozna, ze wzglednie duze ilosci azotu w srodowisku fermentacyjnem powoduja silny w;zrost myceli, oraz zla wydajnosc kwasu cytry¬ nowego. Niektórzy autorzy wogóle uzalez¬ niaja dobra wydajnosc kwasu cytrynowe¬ go od braku azotu. Currie podaje nastepu¬ jacy najlepszy sklad roztworu (na 1000 cm3) dla fermentacji cytrynowej zapomo- ca Aspergillus niger: Sacharoza 125 do 150 g NU4NO, 2,0 ,< 2,5 g KH2P04 0,75 „ 1,0 g MgS04.7H20 0,20 „ 0,35 g zakwaszone kwasem solnym (5—4 cm3 n/5 HCl) az do poczatkowej kwasowosci o f/i 3,4 do 3,5, Temperatura, w której przebiega fer¬ mentacja, zaleznie od uzytych plesniaków, lezy miedzy 10° i 40°C.Oprócz wymienionych na poczatku pa¬ tentów fennentacji cytrynowej dotycza równiez nastepujace patenty: Patent austrjacki Nr 101009 (z.28 lu¬ tego 1925 r. dr. Josef Sziics), wedlug któ¬ rego dla specjalnie dobranego rodzaju czynnych plesniaków przy fermentacji sto¬ suje sie melase jako roztwór odzywczy (pozywke); patent niemiecki Nr 426926 (z 29 marca 1926 r., dr. Richard Falck), w którym za substrat fermentacyjny sluza stale substraty, zawierajace skrobje, i an¬ gielskie patenty Nr 266 414 oraz 266 415 (z 28 lutego 1927 r., Auguste Fennbach, John Lewis Yuil i Rowntree & Co. Ltd.), wedlug których fermentuje sie roztwór sa¬ charozy lub innego cukru o poczatkowej wysokiej kwasowosci, wywolanej przez do¬ datek mocnych kwasów; dzieki temu stery¬ lizacja goraca staje sie zbyteczna, zas pro¬ cesowi fermentacji ulatwia sie lub zapew¬ nia jalowosc. W dalszych dodatkowych za¬ strzezeniach patentowych fermentacja jecjt gospodarczo opracowana.Jak widac, wynalazcy daza do ujecia przebiegu fermentacji cytrynowe)m w fonme pewnego, pod wzgledem gospodarczym i technicznym, opracowanego sposobu; jest to równiez celem niniejszego patentu.Warunki ekonomicznego fabrycznego wytwarzania kwasu cytrynowego, prócz ce¬ lowego wyboru taniego surowca, sa naste¬ pujace: cukier powinien byc przetwarzany na kwas cytrynowy z mozliwie wysoka wy¬ dajnoscia, wytworzony kwas cytrynowy nie powinien byc dalej odbudowywany, prze¬ tworzenie cukru na kwas cytrynowy win¬ no odbywac sie szybko, a wiec z duza wy¬ dajnoscia na jednostke czasu i wytwarza¬ nie kwasu cytrynowego winno sie odbywac w takich technicznych urzadzeniach, by na jednostke wlozonego kapitalu inwestycyj¬ nego uzyskac mozliwie duza wydajnosc ~- 2 —kwasu cytrynowego. Wazniejszem prócz momentów natury gospodarczej jest uzy¬ skanie stalej pewnosci i równomiernosci wydajnosci procesu. Tutaj najwazniejsza role odgrywa wybór i trwalosc grzyba o wlasnosciach fermentacyjnych* Wybór i hodowla grzyba winna jsie od¬ bywac zapomoca znanych metod analizy mykologicznej i hodowli mykologicznej w taki sposób, aby grzyb w warunkach póz¬ niejszego procesu dawal najwyzsza wydaj¬ nosc. Stwierdzono, ze najodpowiedniejsze- mi do przeprowadzania fermentacji cytry¬ nowej sa okreslone czyste kultury Asper¬ gillus niger. Nastepnie przekonano sie pod¬ czas rozpoczynania hodowli wzglednie trwalej hodowli grzyba, ze przy hodowli na zelatynie, na agar-agar lub na stalych pozywkach, podczas której obiera sie za¬ rodniki (spory) dla wysiewu przy fermen¬ tacji technicznej, nalezy przeprowadzac co pewien czas przy sprzyjajacych przemy¬ slowych warunkach fermentacje dolne (Kleingarung) oraz zmiany cyklu rosnie- cia, przyczem jalco pozywki uzywa sie owo¬ ce i czesci roslin, zawierajace pewne kwa¬ sy organiczne i bogate w witaminy. Jako takie nadaja sie cytryny, pomarancze, po¬ midory i podobne owoce. Okazalo sie, ze przy tego rodzaju hodowli otrzymane za¬ rodniki (spory) kwasza wyjatkowo czysto, a sila fermentacji kolonji utrzymuje sie stale.Przy badaniach nad fermentacja cytry¬ nowa cukru stwierdzano, ze jest to proces przebiegajacy w komórkach grzyba przy dzialaniu tlenu, koniecznego do tej reak¬ cji. Dla wyników technicznych jest obo¬ jetne, czy tworzenie kwasu cytrynowego jest procesem zyciowym, czy fermentacyj¬ nym. Stwierdzono natomiast, ze chodzi tu o proces bardzo skomplikowany, który tyl¬ ko w zupelnie okreslonych warunkach od¬ bywa sie czysto i z najlepsza wydajnoscia na jednostke czasu i jednostke uzytego cu¬ kru.Przy fermentacji cytrynowej w celach przemyslowych uzywa sie jako roztwór cu¬ kru zacier fermentacyjny tego rodzaju, który sluzy przy fabrykacji spirytusu za surowiec fermentacji alkoholowej. Najdo¬ godniejszemi rodzajami cukru jest sacha¬ roza i maltoza. Przy wytwarzaniu zacieru przez scukrzenie surowców, zawierajacych skrobje lub inne spolimeryzowane weglo¬ wodany okazuje sie, ze dla dalszego kwa¬ szenia ma wielkie znaczenie rodzaj pro¬ cesu scukrzania. Tylko zupelnie okreslone sposoby scukrzania daja zacier najprzy- datniejszy do fermentacji; daja sie tu rów¬ niez uzyc z dobrym wynikiem diastatyczne zdolnosci grzyba olbdk innych znanych srodków pomocniczych.Dla przeprowadzenia fermentacji cy¬ trynowej oprócz cukru wazne sa sole od¬ zywcze, wymienione na poczatku. Sa one zawarte w zacierze technicznym, zawiera¬ jacym cukier, lub tez winny byc dodane w odpowiednich ilosciach.Co do ilosci dodatków celem otrzy¬ mania najlepszej wydajnosci |onizsze roz¬ wazania daja odpowiednie wnioski: Cukier znajdujacy sie w roztworze fer¬ mentacyjnym, lulb inne weglowodany i zwiazki wegla zdolne do fermentacji, jest uzyty po pierwsze do nadbudowy samego organizmu grzyba, po drugie jako zródlo (wegla dla tworzenia kwasu cytrynowego i mniej lub wiecej niepozadanych produk¬ tów ubocznych fermentacji cytrynowej, a po trzecie do oddychania, a wiec jako zró¬ dlo energji procesów zyciowych grzyba i ewentualnie procesów tworzenia kwasu cy¬ trynowego. Z powyzszego przegladu wyni¬ ka, ze im wiecej cukru zuzywa sie na two¬ rzenie kwasu cytrynowego, t. j. na gospo- darczo-twóroza czesc procesu fermentacji, tern mniej ciikru zostaje zuzyte na buclowe komórek i tworzenie energji. Na budowe komórek ma wplyw wedlug znanych praw ,wzrostu pozywka znajdujaca sie w mini¬ malnych ilosciach. Ten wplyw jest o tyle — 3 —ograniczony, o iJe pozywka przedostaje sie do komórki. Nalezy tedy przebieg fermen¬ tacji tak idobrac, by -wzrastanie i dostarcza¬ nie energji bylo ograniczone do minimum.Odbywa isie to w ten sposób, ze uzywa sie, jako dajacy sie regulowac czynnik wzro¬ stu, skladnik roztworu fermentacyjnego, który w technicznym roztworze cukru znaj¬ duje sie juz w minimalnej ilosci. Ewentual¬ nie przez uprzednie chemiczne lub mecha¬ niczne przerobienie technicznego roztwo¬ ru cukru, jednakze bez zepsucia go, mozna zmniejszyc do pewnego dajacego sie regu¬ lowac minimum skladnik powodujacy wzrost, np. zawartosc kwasu fosforowego.Przy tern rozwazaniu nalezy wziac pod u- wage, ze w komórce powinien zachodzic wzrost grzyba i proces tworzenia kwasu cytrynowego, przyczem odgrywa tu pewna role wplyw procesów w cieczy fermenta¬ cyjnej (dyfuzja w spoczywajacym roztwo¬ rze fermentacyjnym, umyslnie wywolana konwekcja w ruchomym roztworze pozyw¬ ki) na stan wewnetrzny komórki oraz stan scian komórkowych (które sa funkcja mor¬ fologicznych rodzajów grzybów i sposobu hodowli). Przebieg dyfuzji przy spokojnej fermentacji górnej zalezy od wysokosci warstwy roztworu fermentacyjnego, która ze wzgledów gospodarczych winna byc do¬ statecznie duza. Z tych rozwazan widac, jak wazna jest znajomosc wlasciwej ilosci cial odzywczych przy pólciaglym lub cia¬ glym sposobie fermentacji cytrynowej.Dotychczasowe dane w literaturze i o- patentowane sposoby nie biora pod uwage jakosci cial odzywczych. Okazalo sie, ze w jednakowych warunkach ma wielkie zna¬ czenie rodzaj zwiazków azotowych, w któ¬ rych azot ma dzialanie odzywcze. Pewne okreslone organiczne zwiazki azotu sa naj¬ dogodniejsze, gdyz wedlug wszelkiego prawdopodobienstwa dostaja sie do komór¬ ki wraz z cukrem w pewnym dogodnym stosunku i w komórce zostaja bez szcze¬ gólnego nakladu energji przetworzone na protoplazme i fermenty, sprzyjajace two¬ rzeniu kwasu cytrynowego. Do pozywek azotowych tego rodzaju naleza przede- wszystkiem aminokwasy oraz inne produk¬ ty rozkladu i odbudowy bialek. Moga sie one znajdowac uprzednio w okreslonym technicznym roztworze cukru lub moga byc do niego dodane w postaci lugów po roz¬ kladzie bialek, otrzymanych w znany spo¬ sób (np. przy hydrolizie kleju lub podob¬ nych cial) lub w postaci lugów pozostalych £ poprzednich fermentacyj. Mozna równiez do roztworów, zawierajacych azot organicz¬ nie zwiazany, dodawac mniejsze lub wiek¬ sze ilosci azotu nieorganicznie zwiazanego w postaci soli amonowych lub azotanów al¬ bo obu razem. Ilosc i rodzaj dodatków azo¬ towych reguluje sie w zaleznosci od warun- * ków fermentacji, szczególnie od sposobu, w jaki przerabiany cukier ma byc doprowa¬ dzony do komórki.Nastepnie okazalo sie, ze dla nagroma¬ dzenia kwasu cytrynowego i otrzymywania go w stezeniach dla celów technicznych, t. j. do mozliwie calkowitego przerobienia cukru na kwac cytrynowy nie rozkladajac dalej ten ostatni, nalezy do fermentujace¬ go roztworu dodac sdbstancje, któreby nie wplywaly na przebieg procesu fermenta¬ cji, a wiazaly natomiast zupelnie kwas cy¬ trynowy lub unieszkodliwialy jego wlasno¬ sci kwasowe. Wehmer i inni proponowali, by przy fermentacji do zobojetniania kwa¬ su dodawac krede. Jest to jednak zwiaza¬ ne z szeregiem niedogodnosci (wywiazy¬ wanie dwutlenku wegla, alkaliczne dziala¬ nie zhydrolizowanego weglanu wapnia, co powoduje wywiazywanie amonjaku i t. d.).Je wady odpadaja, gdy do powyzszego ce¬ lu uzywa sie substancje organiczne, zawie¬ rajace lub niezawierajace azotu, tak, ze osad zupelnie sie nie wytwarza. Takie sub¬ stancje moga byc uprzednio zawarte w technicznym roztworze cukru jako roztwór wlasciwy lub koloidalny albo tez moga byc sztucznie dodane. Naleza tu ciala bialkowe TT- 4 "^Heli produkty rozkladu, nastepnie weglo¬ wodany o wielkiej czasteczce nie fermen¬ tujace i nie wywolujace fermentacji oraz inne podobne zwiazki, Substraty fermentacyjne podane wyzej poddaje sie fermentowaniu na kwas cytry¬ nowy wedlug znanego sposobu, poczerni w wiadomy sposób kwas cytrynowy otrzy¬ muje sie z lugów. Pozostalosci lugów moz¬ na przerabiac dalej w znany sposób.Ponizej podano kilka przykladów wy¬ konania sposobu wedlug wynalazku.Przyklad I. W 1000 cm3 wody rozpu¬ szcza sie 150 g cukru, 2 g azotanu amono¬ wego, 1 g drugorzedowego (kwasnego) fo¬ sforanu potasowego i 0,2 g siarczanu ma¬ gnezowego. Roztwór wlewa sie jalowo do naczynia fermentacyjnego. l Po ostudzeniu szczepi sie swiezo wydzielonym nie hodo¬ wanym jeszcze Aspergillus niger. W nor¬ malnym czasie fermentacji po 15 dniach przy temperaturze 25°C otrzymuje sie 42 g cytrynianu potasu, t. j. 28% uzytego cukru.Po fermentacji pozostaje 14 g cukru jako odpadki.Przyklad II. Uzyto roztworu fermenta¬ cyjnego jak poprzednio w przykladzie I, ale zaszczepiono go zarodnikami (sporami) Aspergillus niger, który juz byl poprzed¬ nio hodowany w podany sposób. Po 15 dniach otrzymano 70 g cytrynianu potasu, co odpowiada 46,6% wydajnosci, przy- czem 12 g cukru pozostalo.Przyklad III. Uzyto zacieru fermenta¬ cyjnego, skladajacego sie 1000 cm3 scu- krzonego roztworu zacieru (o zawartosci ,15% cukru), do którego dodano 4 g azotu pod postacia zhydrolizowanego roztworu kleju, 0,4 g kwasnego fosforanu potasu, 0,2 g siarczanu magnezowego i 1 g siarcza¬ nu potasowego. Zacier fermentacyjny na¬ stawiono na stezenie jonów wodorowych Ph = 6, wyjalowiono i wprowadzono do naczynia fermentacyjnego. Po ostudzeniu zaszczepiono zarodnikami Aspergillus ni¬ ger, hodowanemi na tym samym roztwo¬ rze zasadniczym (macierzystym) w'zasto¬ sowaniu okresów fermentacyjnych w spo¬ sób wyzej podany. Po 15-dniowym okre¬ sie fermentacji przy 25°G otrzymano 10 g odpadków cukru, 104 g cytrynianu pota¬ sowego, co odpowiada wydajnosci 69,3% cytrynianu potasowego (z 1 czasteczka wo¬ dy krystalizacyjnej) na ilosc uzytego cu¬ kru.Rozumie sie samo przez sie, ze przykla¬ dy te sluza jedynie do zobrazowania zasa¬ dy niniejszego wynalazku i ze wynalazek nie ogranicza sie tylko do przytoczonych danych. PL

Claims (2)

1. Zastrzezenia patentowe. 1. Sposób wytwarzania kwasu cytry¬ nowego przez fermentacje roztworów cu¬ kru lub innych weglowodanów lub zdol¬ nych do fermentacji zwiazków wegla zapo- moca plesniaków, znamienny tern, ze wy¬ brane plesniaki hoduje sie w taki sposób, iz przy hodowli grzybów na zelatynie, agar-agar lub na stalych pozywkach, z któ¬ rych pobiera sie zarodniki (spory) zdolne do rozmnazania, stosuje sie okresy pracy, podczas których pozwala sie porastac grzybowi na cieklej pozywce, odpowiada¬ jacej warunkom fermentacji, stosowanym w przemysle, a nastepnie okresy rosniecia na takich naturalnych pozywkach, jak np. owoce, zawierajace organiczne kwasy (np. kwas cytrynowy lub garbnikowy) i jedno¬ czesnie bogate w witaminy, jak np. cytry¬ ny, pomarancze lub podobne.
2. 2. Sposób wytwarzania kwasu cytry¬ nowego przez fermentacje cukru lub innych weglowodanów i zwiazków wegla zdolnych do fermentacji zapomoca plesniaków ho¬ dowanych wedlug zastrz. 1, znamienny tern, ze za srodowisko odzywcze (pozyw¬ ke) sluzy techniczny zacier, taki jaki sie uzywa do otrzymywania spirytusu, z sub¬ stancjami odzywczemi, których ilosc jest — 5 —taic clobranat ie wzrost organizmu grzyba, przy uwzglednieniu pradu rozpuszczonych oialf plynacego do komórki i z komórki, wymaganego przy wykonywaniu sposobu, jest sprowadzony do koniecznego minimum tak, ze stwarza sie warunki do najko¬ rzystniejszego przerobu cukru na kwas cy¬ trynowy. 3, Sposób wytwarzania kwasu cytry¬ nowego przez fermentacje wedlug zastrz. 1 i 2, znamienny temr ze w roztworze fermen¬ tacyjnym azot odzywczy calkowicie lub czesciowo znajduje sae w postaci organicz¬ nych zwiazków azotu, sprzyjajacych kwa¬ snieniu, a przedewszystkiem w postaci ami¬ nokwasów onganicznych, 4, Sposób wedlug zastrz, 1—3, zna¬ mienny tern, ze roztwór fermentacyjny za¬ wiera substancje unieszkodliwiajace wla¬ snosci kwasowe kwasu cytrynowego wzgled¬ nie wiaza go w duze kompleksy czastecz¬ kowe, które nie moga predko dostawac sie do komórek. Mon tan- und In dus tr ia 1werke vormals Joh, Dav. Starek, Zastepca: Inz. S, Pawlikowski, rzecznik patentowy. bruk L. Boguslawskiego, Warszawa, PL