Значение биотехнологий для различных отраслей народного хозяйства. Молочная кислота. Лимонная кислота. Уксусная кислота

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Уксусная кислота, её производство и применение

 

Уксус является продуктом брожения вина и известен человеку с незапамятных времен. Первое упоминание о практическом применении уксусной кислоты относится к третьему веку до н. э.

У́ксусная кислота (этановая кислота) — органическое вещество с формулой CH3COOH.  Слабая, предельная одноосновная карбоновая кислота. Производные уксусной кислоты носят название «ацетаты». Уксусная кислота представляет собой бесцветную жидкость с характерным резким запахом и кислым вкусом. Гигроскопична. Неограниченно растворима в воде. Смешивается с многими растворителями; в уксусной кислоте хорошо растворимы органические соединения и газы, такие как HF, HCl, HBr, HI и другие.

Уксусную кислоту можно получить окислением ацетальдегида кислородом воздуха. Процесс проводят в присутствии  катализатора — ацетата марганца (II) Mn(CH3COO)2 при температуре 50-60 °С:

 

                             2 CH3CHO + O2 → 2 CH3COOH                                      (3)

 

Окислительные методы получения уксусной кислоты. Ранними промышленными  методами получения уксусной кислоты  были окисление ацетальдегида и  бутана. Ацетальдегид окислялся в  присутствии ацетата марганца (II) при повышенной темературе и давлении. Выход уксусной кислоты составлял около 95 %.

 

                                                           (4)

 

Окисление н-бутана проводилось при температуре 150—200 °C и давлении 150 атм. Катализатором этого процесса являлся ацетат кобальта.

 

                                               (5)

 

          Оба метода базировались на окислении продуктов крекинга нефти. В результате повышения цен на нефть оба метода стали экономически невыгодными, и были вытеснены более совершенными каталитическими процессами карбонилирования метанола.

Биохимический способ производства уксусной кислоты. При биохимическом производстве уксусной кислоты используется способность некоторых микроорганизмов окислять этанол. Этот процесс называют уксуснокислым брожением. В качестве сырья используются этанолсодержащие жидкости (вино, забродившие соки), либо же просто водный раствор этилового спирта. Реакция окисления этанола до уксусной кислоты протекает при участии фермента алкогольоксидазы. Это сложный многоступенчатый процесс, который описывается формальным уравнением:

 

                        СН3СН2ОН + О2 → СН3СООН + Н2О                                (6)

 

Получать уксусную кислоту можно двумя способами: химическим - из продуктов сухой перегонки древесины и микробиологическим - в результате уксуснокислого брожения спиртосодержащих жидкостей.

В начале шестидесятых годов ХХ века появилась технология, при которой  уксуснокислые бактерии стали культивировать в специальных аппаратах — ферментёрах в жидкости, — так называемый метод периодического глубинного культивирования (рис. 4.1).

 

Рис. 4.1. Схема ферментёра для производства уксусной кислоты: 1 — корпус из нержавеющей стали; 2 — перемешивающее устройство; 3 — аэратор; 4 — змеевик системы термостатирования.

 

Ферментёры для глубинного культивирования  уксусных бактерий — это изготовленные  из нержавеющей стали ёмкости, внутри которых размещаются перемешивающие устройства и аэраторы различных  конструкций.

Процесс получения уксусной кислоты  при периодическом глубинном  способе заключается в следующем. От предыдущего цикла в аппарате остаётся жидкость (примерно 1/3 рабочего объёма аппарата), которая служит посевным материалом для следующего цикла. В  аппарат заливается до рабочего объёма питательная смесь. Перемешивающее устройство (2) интенсивно перемешивает жидкость, а через аэратор (3)  непрерывно подаётся воздух. В начале цикла условия жизни для бактерий резко меняются, и в результате некоторое время не наблюдается их заметного роста, эта стадия в развитии микроорганизмов называется лаг-фазой. Некоторое время в аппарат приходится порциями добавлять раствор спирта. После того как концентрация уксуса достигает 9–10%, около 2/3 объёма жидкости отбирается как готовый продукт, и цикл повторяется.

Производительность глубинных  аппаратов в несколько раз  выше, а сами они в несколько  раз меньше, чем аппараты, заполненные  стружками, в них значительно  меньше потери этанола. Кроме того, отпадает необходимость применения древесных стружек. Немаловажно и то, что при глубинном способе возрастает культура производства.

Главными направлениями  использования уксусной кислоты  являются получение винилацетата, ацетатов целлюлозы сложных эфиров (ацетатов), очищенной терефталевой кислоты.

Уксусную кислоту применяют  для получения лекарственных  и душистых веществ, как растворитель (например, в производстве ацетилцеллюлозы, ацетона). Она используется в книгопечатании и крашении. 70-80 % водный раствор уксусной кислоты называют уксусной эссенцией (уксусная эссенция — торговое название 80%-ного водного раствора пищевой уксусной кислоты, получаемой в промышленности уксуснокислым брожением спиртовых жидкостей.), а 3-6 % — уксусом (уксус - продукт со значительным содержанием уксусной кислоты, традиционно получаемый в результате микробиологического синтеза с помощью уксуснокислых бактерий из пищевого спиртосодержащего сырья.). Водные растворы уксусной кислоты широко используются в пищевой промышленности (пищевая добавка E260) и бытовой кулинарии, а также в консервировании.

Уксусная кислота используется как реакционная среда для  проведения окисления различных  органических веществ. В лабораторных условиях это, например, окисление органических сульфидов пероксидом водорода, в  промышленности — окисление пара-ксилола кислородом воздуха в терефталевую кислоту.

В настоящее время  в России уксусная кислота производиться  на единственном предприятии ОАО  «Невинномысский Азот», который  производит уксусную кислоту.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Биотехнология является одним из научно-практических приоритетов XXI века. Современная биотехнология — это наука о генно-инженерных и клеточных методах и технологиях создания и использования генетически трансформированных биологических объектов для интенсификации производства или получения новых видов продуктов различного назначения.

Уксусная кислота - органическое вещество с формулой CH3COOH, важнейший химический продукт, который широко используется в промышленности для получения сложных эфиров, мономеров

(винилацетат), в пищевой промышленности. Мировое производство ее достигает 5 млн т в год. Уксусная кислота - бесцветная горючая жидкость с резким запахом, хорошо растворимая в воде, имеет характерный кислый вкус, проводит электрический ток. Уксусная кислота, производимая в России, находится на уровне лучших мировых стандартов, пользуется высоким спросом на мировом рынке и экспортируется во многие страны мира.

Лимонная кислота (2-гидрокси-1,2,3-пропантрикарбоновая кислота, 3-гидрокси-3-карбоксипентандиовая) (C6H8O7) — кристаллическое вещество белого цвета, температура плавления 153°C, хорошо растворима в воде, растворима в этиловом спирте, малорастворима в диэтиловом эфире. Слабая трёхосновная кислота. Соли и эфиры лимонной кислоты называются цитратами. Лимонная кислота, являясь главным промежуточным продуктом метаболического цикла трикарбоновых кислот, играет важную роль в системе биохимических реакций клеточного дыхания множества организмов. Вещество чрезвычайно распространено в природе: содержится в ягодах, плодах цитрусовых, хвое, стеблях махорки, особенно много её в китайском лимоннике и недозрелых лимонах. Впервые лимонная кислота была выделена в 1784 году из сока недозрелых лимонов шведским аптекарем Карлом Шееле.

Сама кислота, как и ее соли (цитрат натрия, цитрат калия, цитрат кальция), широко используется как вкусовая добавка, регулятор кислотности и консервант в пищевой промышленности (пищевые добавки E330—Е333), для производства напитков, сухих шипучих напитков, применяется в медицине и косметологии. В нефтяной промышленности при бурении нефтяных и газовых скважин используется для нейтрализации цемента в растворе (например, после срезки с цементного моста). Лимонная кислота удаляет ионы кальция из бурового раствора.

Молочная кислота - α-оксипропионовая (2-гидроксипропановая) кислота, CH3CH(OH)COOH. Молочная кислота образуется при молочнокислом брожении сахаров, в частности в прокисшем молоке, при брожении вина и пива. Была открыта шведским химиком Карлом Шееле в 1780 году. Молочная кислота формируется при распаде глюкозы.

Биотехнология —  это производство необходимых человеку продуктов и материалов с помощью  живых организмов, культивируемых клеток и биологических процессов.

 

Лимонная, молочная и уксусная кислоты из всех пищевых органических имеют наибольшее применение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованных источников

 

1. Артеменко, А.И. Химия [Текст] : справочное руководство по химии / А.И.

Артеменко, И.В. Тикунова, В.А. Малеванный. - 2-е изд., перераб. и доп. -

М.: Высшая школа, 2002. - 367 с.

2. Артеменко, А.И. Справочное  руководство  по  химии [Текст] : учебное пособие для студентов / А.И. Артеменко -  М.: Высшая школа, 2002. - 367 с.

3. Ахметов, Н.С. Общая  и   неорганическая  химия [Текст] : учебник для студентов хим.-технол. спец. Вузов / Ахметов Н.С. 4-е изд./ испр. - М.:  Высшая школа, 2002. - 743 с.

4. Бекер, М.Е. Биотехнология [Текст] : учебное пособие для высших  учебных заведений / М.Е. Бекер  – М.: Мир, 2008. – 768 с.

5. Воробьев, Л.И. Пищевые кислоты  [Текст] : учебное пособие для высших учебных заведений / Л.И. Воробьев - М.: Легкая и пищевая промышленность, 2000. - 240 с.

6. Зоммер, К. Аккумулятор знаний  по химии [Текст] : учебное пособие  для высших учебных заведений;  Пер. с нем., 2-е изд. / К. Зоммер  – М.: Мир, 2005. – 294 с.

7. Лившиц, В. А. Биотехнология [Текст] : учебник / В.А. лившиц - М.: Высшая школа, 2003. – 236 с.

8. Реутов, О.А. Органическая химия  [Текст] : учебник для студентов / О.А. Реутов - М.:Изд- во МГУ.-21 см. Ч. 1.-2007. - 560 с

9. Смирнов, В. А. Пищевые кислоты  [Текст] : учебное пособие для высших учебных заведений / В.А. Смирнов - М.: Легкая и пищевая промышленность, 2003. - 240 с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                

 

 

                                                                                                      ПРИЛОЖЕНИЕ

 

 

 

 

Рис. 3.1. Технологическая схема производства лимонной кислоты.