Аппаратурно технологическая схема производства витамина

Технология получения витамина А

Витамин А встречается в качестве четырех индивидуальных представи­телей: ретинол, ретиналь, ретинилацетат, ретинолевая кислота. Ретинол имеет две формы — А1 и А2 (рис. 6.1, а и б).

Рис. 6.1. Строение витамина: а — А1; б — А2

Рис. 6.2. Строение Р-каротина

Витамин А содержится в жировых продуктах, в том числе в рыбьем жире, сливках, твороге, продуктах животного происхождения, сыре и яичном желтке.

Потребность человека в витамине А может быть удовлетворена за счет

растительной пищи, в которой содержатся его провитамины — каротины. Из молекулы Р-каротина в организме человека образуются две молекулы витамина А. Суточная потребность взрослого человека в витамине А — 1 мг; для детей первого года жизни она составляет 0,4 мг, для беременных — 1,5 мг. Если имеются нарушения в работе печени, дозу витамина А повышают в 2 раза. Р-каротин (провитамин А) (рис. 6.2) — природный антиоксидант, защищающий клетки организма от вредного воздействия свободных радикалов, позволяет к тому же повышать пищевую ценность продуктов.

Создание и использование в рационе питания пищевых добавок, содержа­щих Р-каротин и обладающих лечебно-профилактическим действием, позволя­ет повысить уровень адаптационной защиты организма от воздействия неблаго­приятных факторов окружающей среды и снизить риск возникновения зло­качественных новообразований.

Каротин вводят в продукты в виде масляных растворов и дисперсий. Чтобы получить готовый Р-каротин, используют технологию, где применяют следующие питательные среды: соевая мука, кукурузное, подсолнечное масло (см. рис. 6.3).

Производственная среда имеет состав: соевая мука — 4,0%; кукурузная мука — 1,7%; подсолнечное масло — 4,0%; КН₂РО₄ — 0,05%; витамин Ві — 0,0002%.

Соевую и кукурузную муку предварительно гидролизуют в 0,1 н. раст­воре H₂SO₄ при температуре 120°C в течение 30-45 мин. После ферментации (в течение 40-44 ч вводят добавку 0,15% раствора Р-ионона и 0,04% раствора сантохина. Выход каротина через 72 ч роста при рН = 6,2-6,7 и температуре 28-30°С составляет 1-2 г/дм 3 среды.

Рис. 6.3. Принципиальная технологическая схема получения Р-каротина

Также возможно получение водорастворимого Р-каротина по схеме, пред­ставленной на рис. 6.4 [6].

Основные технологические стадии: подготовка и измельчение носителя; приготовление водно-спиртовых растворов стабилизаторов; перемешивание компонентов; сушка и упаковка препарата. В качестве носителя, обладающего способностью впитывать масляную фазу раствора Р-каротина, используют лак­тозу, а в качестве стабилизаторов — пектины и аскорбиновую кислоту в концентрациях 4 и 2,5% соответственно.

Российскими специалистами предложены биотехнологические методы получения высших гомологов убихинона и эргостерина из липидов дрожжей рода Candida.

Рис. 6.4. Схема получения растворимого Р-каротина: 1 — дробилка; 2 — ленточный транспортер; 3 — сборник лактозы; 4 — весы-дозатор; 5 — сборник-дозатор Р-каротина; 6 — насос; 7 — сборник-дозатор пектина; 8 — сборник-дозатор для этилового спирта; 9 — сборник-дозатор для аскорбиновой кислоты; 10 — сборник-дозатор для дистиллированной воды; 11,12 — смесители; 13- сушилка; 14 — сборник-дозатор; 15 — упаковочная машина

В настоящее время разработан способ выделения на основе комплексной переработки биомассы микроскопического гриба Blakesleatrispora, позволяю­щий получать в едином технологическом цикле сразу несколько ценных целевых продуктов — Р-каротин, убихиноны, эргостерин, фосфолипиды и полиненасыщенные жирные кислоты (рис 6.5).

Технология включает следующие основные стадии.

Экстракция биолипидного комплекса. Проводят при температуре 55°C в присутствии ацетона и этанола. Время экстракции ацетоном составляет 30 мин, этанолом — 65 мин.

Выделение в-каротина. Проводят в присутствии ацетона при темпера­туре 55°C в течение 18 ч.

Выделение фосфолипидов. Проводят при массовом соотношении фосфо­липиды: ацетон = 1: 5 при температуре t = 10°C в течение 20 мин.

Омыление нейтральных липидов. Среда представляет собой смесь нейт­ральных липидов, ацетона, воды и КОН. Температура процесса 67°C, продол­жительность 50 мин.

Экстракция неомыляемой фракции. Проводят в присутствии гексана.

Рис. 6.5. Получение биологически активных веществ из биомассы Blakesleatrispora

Получение эргостерина. Проводят при объемном сотношении неомыляе­мая фракция: гексан = 1:5 при температуре 20°C.

Кристаллизация убихинонов. Проводят при температуре 20°C.

На базе данной технологии разработаны добавки Липидовит, Кютенвит. Из 100 кг сухой биомассы гриба можно выделить следующие биологи­

чески активные вещества: Р-каротин — 2,5 кг; фосфолипиды — 8,2 кг; жирные кислоты — 36,2 кг; убихиноны — 0,5 кг.

Технология получения витамина В2 (рибофлавина)

Витамин В2, строение которого представлено на рис. 6.6, является произ­водным рибозы; при этом рибоза входит в состав молекул в виде много­атомного спирта рибита. Имеет большое распространение в природе и синтезируется грибами, дрожжами, растениями. У животных этот витамин не синтезируется, и они получают его в составе комбикормов. Недостаток витами­на В2 резко нарушает процесс роста и протекание белкового обмена [5].

Данный витамин широко используют в составе различных медицинских препаратов и лекарств.

Промышленное получение витамина В2 происходит путем химического синтеза. При этом осуществляется трансформация рибозы в витамин В2 .

Чтобы обеспечить чистоту витамина В2, необходимо брать исходные ком­поненты для питательной среды и реагенты с определенной концентрацией.

Ферментацию проводят при температуре 28-30°C, при этом необходимо обеспечить хорошую аэрацию. Расход воздуха (r) составляет 0,3 м 3 /мин. Исход­ный водородный показатель (рН среды) составляет 7,0; в ходе ферментации он снижается до 4,5-6,0.

После утилизации углеродного субстрата начинает образовываться вита­мин В2 (идет накопление кристаллов рибофлавина). Уровень концентрации витамина В2 в культивируемой жидкости составляет 2,0-2,5 г/дм 3 .

Содержание сухих веществ в продукте находится на уровне 30-40%. Ко­нечный продукт представляет собой порошок с содержанием витамина 10 мг/г и сырого протеина до 10% (рис. 6.7).

В ряде стран витамин В2 получают генной инженерией на основе штамма бактерий рода Bacillus Subtiles. Грибок выращивают в глюкозной патоке при температуре 28-30°C в течение 80-84 ч, в присутствии добавок Са(ОН)2 — 0,5 % , NH4NO3 — 2,5% (рис. 6.8).

Рис. 6.6. Строение витамина В₂

Рис. 6.7. Технологическая схема получения витамина В2

Рис. 6.8. Получение витамина В2 на основе штамма бактерий Bacillus Subtiles

Источник

Тема 18. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ВИТАМИНОВ

Среди биологически активных веществ, необходимых для нормального развития организма животных, одно из первых мест занимают витамины. Важное значение витаминов объясняется их участием в биохимических реакциях, способностью служить катализаторами процессов, обеспечивающих обмен веществ в организме и его связь с окружающей средой.

Витамины — низкомолекулярные органические соединения, присутствующие в живых клетках в низких концентрациях и являющиеся компонентами энзиматических систем, ответственных за различные реакции.

Производство витаминов осуществляется следующими основными путями:

1. Экстракция витаминных препаратов из растительного или животного сырья. С этого направления начиналась витаминная промышленность, поскольку первые витаминные препараты были получены именно таким путем. Например, витамин В₁₂ получали из сырой печени крупного рогатого скота, каротин — из моркови. Но в настоящее время доля витаминов, получаемых этим методом, незначительна ввиду очень низкого содержания их в природном сырье и ограниченности сырьевых ресурсов.

2. Химический синтез витаминов. Производство синтетических витаминов занимает, пожалуй, ведущее место в современной витаминной промышленности, поскольку основная номенклатура витаминных препаратов представлена веществами, полученными химическим синтезом из химических видов сырья или сочетанием химического синтеза с биосинтезом. Однако такой способ производства витаминов представляет собой сложный, многоступенчатый процесс, сопряженный с большими производственными затратами, что делает конечные продукты слишком дорогими.

3.Биосинтез витаминов. Некоторые витамины, имеющие сложное строение, химический синтез которых в крупномасштабном производстве невозможен или экономически нецелесообразен, получают исключительно биосинтезом, с применением микроорганизмов, способных к сверхсинтезу и накоплению определенных витаминов. Примером может служить производство цианкобаламина (витамина В₁₂). Микробиологический синтез применяется также в производстве витаминных концентратов, предназначенных для сельского хозяйства, поскольку в данном случае обычно в индивидуальном чистом виде витамины не выделяют.

Следует отметить условность такого деления витаминной промышленности. Производство некоторых витаминов включает и химические стадии и стадии биотрансформации с применением микроорганизмов (например, производство аскорбиновой кислоты). Витамин рибофлавин получают и синтетическим и микробиологическим путями. Некоторые витаминные препараты (например, витамин D₂) получают путем химической модификации провитаминов или витаминов, выделенных из растительных клеток или органов животных.

Использование витаминов в качестве добавок в корма животных требует крупномасштабного производства, поэтому возникла необходимость в более дешевых способах изготовления витаминов. Таким перспективным способом получения ряда витаминов оказался микробиологический синтез.

Для нормальной деятельности организма животных и птиц необходимо включать в рационы витамины A, D, К, группы В и др.

Микробиологическая промышленность нашей страны выпускает кормовые препараты витаминов В₂ и B₁₂. Кроме того, микробиологическим можно считать и производство витамина D₂, который образуется из эргостерина при облучении ультрафиолетовым светом кормовых дрожжей.

Микроорганизмы содержат много различных витаминов, которые чаще всего являются компонентами ферментов. Состав и количество витаминов в биомассе зависят от биологических свойств культуры микроорганизмов и условий их культивирования. Так, кормовые дрожжи, получаемые на гидролизатах древесины и углеводородах, сравнительно богаты витаминами группы В и содержат (в расчете сухую биомассу) следующие витамины (мг/кг):

Рибофлавин (В₂) — 45-68

Инозит — 400 -5000

Фолиевая кислота — 3,4-21,5

Никотиновая кислота — 440-610

Продукцию микроорганизмами отдельных витаминов можно увеличить, изменяя состав питательной среды. Например, количество витамина В₂ (рибофлавина) в биомассе дрожжей зависит от интенсивности аэрации и содержания железа в среде.

На содержание витаминов в клетках дрожжей заметное влияние оказывают микроэлементы. Так, небольшие добавки марганца способствуют накоплению в клетках дрожжей инозита, а повышенные дозы кобальта приводят к увеличению содержания витамина В₆ (пиридоксина).

Производство кормового концентрата витамина В₂ (рибофлавин).Витамин В₂ входит в структуру многих ферментов, в составе которых участвует в клеточном дыхании, синтезе белков и жиров, регулировании состояния нервной системы, функции печени и т.д. При его недостатке резко замедляется рост, нарушается белковый обмен.

Суточная потребность в витамине В₂ составляет для птиц 3 — 4 г (кристаллического препарата) на 2 т корма, а для свиней 10 — 15 мг на 100 кг живой массы.

В природных условиях источниками рибофлавина являются высшие растения, дрожжи, мицелиальные грибы и бактерии. Большинство микроорганизмов образуют свободный рибофлавин.

В 30-е годы XX в. был найден суперпродуцент витамина — микроскопический гриб Eremothecium ashbyii, образующий до 6000 мкг рибофлавина на 1 г сухого вещества культуральной жидкости.

Для получения витамина В₂ можно также использовать культуру дрожжей, ацетобутиловые бактерии, продуцент лизина Brevibakterium и др.

Микроорганизмы — продуценты рибофлавина

Технология получения кормового препарата витамина В₂ микробиологическим способом достаточно проста. В качестве микроорганизма-продуцента обычно используют Е. ashbyii.

Технологический процесс производства состоит из трех основных стадий:

1. Аэробная ферментация.

2. Термолиз и концентрирование.

3. Сушка, размол, гранулирование и упаковка.

Посевной материал и стерильный воздух получают по типовой, для многих микробиологических производств, схеме. Ферментация осуществляется в типовых биореакторах объемом 63 — 100 м₃ в стерильных условиях при температуре 28 — 30 °С.

Основными ингредиентами питательной среды являются соевая мука, меласса, технический жир и минеральные соли (СаСОз, КН₂Р0₄). Продуцент витамина В₂ выращивают также на средах, где источником углерода является глюкоза, сахароза, крахмал, пшеничная мука. В качестве источника азота используют молочную сыворотку, рыбную и кукурузную муку или экстракт, казеин. Развитие гриба-продуцента стимулируется добавлением ненасыщенных жирных кислот, биотина, тиамина, инозита, ростовых веществ, содержащихся в зародыше пшеницы, картофельном соке и дрожжевом автолизате.

Известно использование в производственных условиях питательной среды следующего состава:

— 1 — 3 % мелассы, гидрола или глюкозы;

— 3 — 8 % кукурузного экстракта или дрожжевого автолизата;

— добавки N, Mg, Zn.

Культивирование продуцента проводят поверхностным или глубинным способом. Витамин накапливается в клетках гриба-продуцента, либо в виде предшественника — флавина дениннуклеотида, либо в свободном состоянии.

Время культивирования длится 60 — 80 ч до начала лизиса мицелия гриба и образования спор (определяется микроскопически). При этом содержание рибофлавина в культуральной жидкости достигает 1200 мг/л.

Для сохранения штамма Е. ashbyii в активном состоянии рекомендуется производить систематический его рассев на твердые питательные среды и отбирать колонии наиболее .интенсивно окрашенные в оранжевый цвет. Яркая окраска колонии коррелирует с высокой способностью к синтезу рибофлавина.

При подготовке инокулята гриб пересевают последовательно по схеме:

посев на скошенную агаризованную среду в пробирке > жидкая среда > колба > бутыль > инокулятор

Винокуляторе культуру выращивают в течение 21-26 ч. затем ее переводят а биореактор с питательной средой, содержащей кукурузную и соевую муку, кукурузный экстракт, свекловичный сахар, КН₂РО₄, СаСОз, NaCl и технический жир.

Среду стерилизуют в смесителе при 120 – 122 °С в течение 1 часа. Культивирование в биореакторе ведут до начала лизиса клеток и появления спор (определяют микроскопически). Температура культивирования 28 — 30 °С, давление воздуха в биореакторе (1 — 2) — 10 4 Па, расход воздуха 1,5 -2,0 л в минуту на 1 л культуральной жидкости. Выход рибофлавина около 1200 мг/л.

По окончании процесса ферментации культуральную жидкость вместе с мицелием передают в вакуум-выпарные аппараты (10), где ее нагревают до 80 °С с целью разрушения (термолиза) клеточных структур и одновременно ведут процесс концентрирования (упаривания) до содержания сухих веществ 30-40 %.

Полученный после упаривания концентрат в виде сиропообразной биомассы высушивают в распылительной сушилке до содержания влаги не более 8 %. В результате получают смесь биомассы мицелия Е. Ashbyii и сухих остатков питательной среды. Для получения однородного товарного продукта смесь размалывают и просеивают. На современных предприятиях концентрат гранулируют, поскольку порошкообразный продукт сильно пылит, что создает неудобства работы с ним и приводит к его потерям.

Кормовой концентрат витамина В₂ представляет собой обработанную, высушенную, размолотую или гранулированную биомассу гриба-продуцента Е. ashbyii, содержащую не менее 15 мг рибофлавин на 1 г вещества. Помимо витамина В₂, концентрат содержит 0,3- 0,5 % других витаминов группы В (В₁, В₆, В₁₂, никотинамид), около 20% белковых веществ, а также полисахариды, липиды, минеральные соли.

Для животноводства можно получить кормовой рибофлавин как отход при производстве ацетона. Продуцентами витамина при этом являются ацетобутиловые бактерии.

Преимущество и рентабельность микробного синтеза витамина В₂ иллюстрируется следующими цифрами: из 1 т моркови получают 1г витамина, из 1 т тресковой печени — 6 г, а из 1 т культуральной жидкости гриба E.ashbyii — 25 кг.

Производство витамина В₁₂(цианкобаламина).Среди неполимерных биологически активных соединений витамин В₁₂ имеет самое сложное строение. Его принятое химическое название α-(5.6-диметилбензимидазолил)-кобамидцианид. Это единственный витамин, в структуру которого входит кобальт.

Организм животных не способен к самостоятельному синтезу витамина В₁₂. Этот витамин полностью отсутствует в растительных кормах в относительно небольших количествах содержится в кормах животного происхождения (рыбной и мясо-костной муке, молочных отходах). Среди растительного мира витамин В₁₂ был обнаружен лишь у нескольких видов высших растений (горох, фасоль, побеги бамбука), причем его происхождение в этих растениях окончательно не установлено.

Цианокобаламин обладает высокой биологической активностью с широким спектром действия. В первую очередь, витамин B₁₂ необходим для нормального кроветворения и созревания эритроцитов, он является эффективным противоанемическим препаратом. Цианкобаламин применяют для лечения злокачественного малокровия, железодефицитных анемий, апластических анемий и т.п. Этот препарат назначают также при лучевой болезни, заболеваниях печени, полиневритах, болезни Дауна, детском церебральном параличе и многих других заболеваниях.

Для медицинских целей субстанцию витамина B₁₂ получают в виде кристаллического тёмно-красного порошка, содержащего не менее 99% основного вещества. Из этой субстанции готовят различные лекарственные формы, из которых наиболее широкое применение находят цианкобаламин в изотоническом растворе хлорида натрия для инъекций, и таблетки, содержащие цианкобаламин и фолиевую кислоту.

Важное значение витамин B₁₂ имеет для животноводства. Его недостаток тормозит рост животных и приводит к серьезным заболеваниям. Цианкобаламин повышает усвояемость белка растительных кормов и является необходимым фактором полноценного питания животных.

Для животноводства отечественной промышленностью выпускается кормовой концентрат витамина В₁₂ (КМВ-12), который по эффективности не уступает кристаллическому препарату, но является более дешевым и доступным для широкого использования в сельском хозяйстве.

Полный химический синтез витамина В₁₂ был осуществлен через 25 лет после его открытия Р. Вудвордом и А. Эшенмозером с участием большой группы исследователей нескольких лабораторий университетов и научных центров США, Англии, Франции, Японии. Конечно, химический синтез витамина В₁₂ имеет чисто теоретическое значение и в настоящее время он не может рассматриваться как вариант промышленного производства этого важного препарата.

Единственным способом получения витамина В₁₂ в промышленном масштабе является его микробиологический синтез с использованием специальных штаммов микроорганизмов, способных активно продуцировать этот витамин.

В природе витамин В₁₂ синтезируют многие микроорганизмы (например, метанобразующие и пропионовокислые бактерии), а также бактерии,осуществляющие термофильное метановое сбраживание сточных вод.

Активно продуцируют витамин В₁₂ представители рода Pzopionibacterium, природные штаммы которых образуют 1,0 — 8,5 мг/л цианокобаломина, а полученный искусственный мутант P. shermanii M-82 способен накапливать витамин В₁₂ до 58 мг/л.

Практический интерес для микробиологического синтеза этого витамина имеют представители актиномицетов и родственных микроорганизмов. Истинный витамин B₁₂ в значительных количествах синтезируют Nocardia rugoza (до 18 мг/л), а также представители рода Miromonospora. Высокой кобаламинсинтезирующей активностью обладают метаногенные бактерии, например, Methanosarcina barkeri, M. vacuolita и отдельные штаммы галофильного вида Methanococcus halophilus (до 16 мг/л).

Цианкобаламин синтезируют строго анаэробные бактерии из рода клостридий. В значительных количествах образуют витамин B₁₂ ацетогенные клостридии C.thermoaceticum, C.formicoaceticum и Acetobacter woodi, синтезирующие ацетат из СО₂.

Известны активные продуценты витамина Bi₂ переди псевдомонад. Некоторые штаммы Pseudomonas denitrificans нашли применение для промышленного получения цианкобаламина (фирма Merk, США). Интерес представляют также термофильные бациллы, а именно Bacillus eirculans и Bacillus stearothermophilus, которые растут при температурах, соответственно, 60 °С и 75 °С и за 18-24 культивирования без соблюдения стерильных условий дают высокие выходы витамина.

В нашей стране в качестве основного продуцента витамина В₁₂, получаемого для медицинских целей, используют культуру Propionibacterium shermanii, а для нужд животноводства применяют смешанную культуру, содержащую термофильные метанобразующие бактерии.

На большинстве зарубежных предприятий витамин В₁₂выпускают в чистом кристаллическом виде и применяют в животноводстве большей частью в виде компонентов премиксов.

Указанный способ включения витамина В₁₂ в кормовые рационы применяется и в нашей стране.

Источник