Способ получения диоксиацетона

 

Использование: биотехнология, медицина. Сущность изобретения: получение диоксиацетона (ДОА). Способ основан на многократной биотрансформации глицерина в диоксиацетон покоящимися клетками бактерий. Существенными параметрами процесса являются условия выделения целевого продукта: ультрафильтрация на мембранах с критической границей разделения 1000-100000 Дальтон, тангенциальная подача обрабатываемого реакционного раствора с газосодержанием 5-20%, давление на входе в ультрафильтрационный модуль не более 0,3 МПа, скорость протока 0,02-0,25 ч^-1 . Процесс ведется непрерывно. При этом производительность процесса достигает 46,4 кг ДОА/м³ч и качество целевого продукта улучшается за счет отделения высокомолекулярных примесей. Технологическая цепочка является более простой и позволяет интенсифицировать производство ДОА. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к микробиологической промышленности, а именно к способу получения диоксиацетона.

Известен способ получения диоксиацетона (ДОА) путем микробиологической трансформации глицерина в среде, содержащей компоненты питания бактерий, в условиях аэрации. Продолжительность окисления глицерина растущими клетками бактерий 48 ч. При выделении целевого продукта из культуральной жидкости используют неорганические адсорбенты и большое количество различных органических растворителей с многократной фильтрацией и отгонкой растворителей [1].

Недостатками способа являются однократное использование биомассы бактерий и трудоемкость выделения ДОА, связанная с необходимостью применения органических растворителей.

Известен способ получения ДОА путем выращивания продуцирующих ДОА бактерий в условиях аэрации на питательной среде, содержащей глицерин, монокалийфосфат, дрожжевую и водопроводную воду, с последующим отделением бактерий и осуществлением биотрансформации глицерина в ДОА в среде, содержащей помимо глицерина монокалийфосфат.

Способ основан на многократном использовании для получения ДОА неразмножающихся клеток бактерий.

Для выделения ДОА из культуральной жидкости проводят его концентрирование в роторном испарителе с помощью абсолютного этилового спирта, упаривание, обработку ацетоном, повторное упаривание и кристаллизацию на холоде [2].

Недостатком этого способа является трудоемкость, связанная с многостадийностью выделения ДОА и необходимостью использования больших объемов органических растворителей, сложного технологического оборудования. Кроме того, выход целевого продукта является невысоким (в результате применения невысоких концентраций глицерина при биотрансформации 5-10%), что значительно снижает производительность всего процесса в целом.

Целью изобретения является упрощение и интенсификация процесса получения ДОА, обеспечение воспроизводимого высокого выхода, повышение производительности процесса.

Для этого предлагается способ получения диоксиацетона, включающий наращивание клеток биомассы микроорганизма-продуцента на водной питательной среде, содержащей глицерин, монокалийфосфат, дрожжевую воду, отделение клеток в биотрансформацию с их помощью глицерина в диоксиацетон (ДОА) с последующим выделением целевого продукта из реакционной среды, отличительными признаками которого являются: - непрерывное осуществление процесса биотрансформации с непрерывной подачей раствора глицерина и монокалийфосфата в биореактор, отводом раствора, содержащего ДОА, и возвращением отделенной биомассы клеток в биореактор для биотрансформации; - выделение ДОА осуществляют ультрафильтрацией в режиме тангенциального течения смеси раствора, содержащего ДОА, и воздуха при содержании последнего 5-20% , при давлении на выходе не более 0,3 МПа и скорости протока 0,02-0,25 ч^-1; - использование ультрафильтрационных мембран с критической границей разделения 1000-100000 Дальтон. При этом биотрансформацию осуществляют при оптимальной концентрации глицерина в среде 6-20%.

Выделение ДОА ультрафильтрацией позволяет значительно упростить и интенсифицировать процесс, исключить обработку раствора органическими растворителями, многократную выпарку и фильтрацию. За счет применяемых параметров ультрафильтрации и специфики этой стадии возможно повышение качества ДОА, обусловленное отделением высокомолекулярных примесей после стадии биотрансформации. Указанные скорость потока, величина подаваемого давления при входе в ячейку, оптимальное газосодержание в газожидкостной среде обеспечивают наиболее высокую производительность процесса, связанную с возможностью интенсификации процесса, переход к широкомасштабному выпуску ДОА.

Установлено также, что наибольший выход ДОА достигается при 6-20% содержании исходного глицерина в реакционной среде.

В целом способ основан на более перспективной технологии и оборудовании по сравнению с прототипом.

На чертеже представлена схема процесса получения ДОА, включающая биореактор 1, ультрафильтрационный модуль 2, мембранный насос 3, емкость 4 для сбора фильтрата, роторный испаритель 5, кристаллизатор 6, промежуточную емкость 7.

Процесс биотрансформации глицерина клетками бактерий осуществляют в биореакторе в условиях протока. К биореактору 1 подключена ультрафильтрационная установка, состоящая из ультрафильтрационного модуля 2 с критической границей разделения 1000-100000 Дальтон, мембранного насоса 3, который создает циркуляцию жидкости из биореактора 1 через ультрафильтрационный модуль 2 с возвратом клеточной массы в биореактор 1 и промежуточную емкость 7. Фильтрат собирается в емкость 4, а затем поступает в роторный испаритель 5, где упаривается до консистенции сиропа и затем кристаллизуется в кристаллизаторе 6. В промежуточной емкости 7 происходит забор культуральной жидкости и воздуха в коммуникации ультрафильтрационной установки посредством мембранного насоса 3. Газожидкостная смесь проходит через ультрафильтрационный модуль, где происходит отделение низкомолекулярных продуктов биотрансформации глицерина, причем наличие воздуха в циркулирующей через установку культуральной жидкости исключает потерю активности аэробной биомассы и снижает уровень концентрационной поляризации мембран.

П р и м е р 1. Бактерии Ge.oxydans ЛГ-15 выращивают в колбах объемом 750 мл, в которые помещают 100 мл среды, содержащей 8% глицерина, 0,2% монокалийфосфата, 1% (по сухой массе) дрожжевой воды. Выращивание биомассы ведут на круговой качалке в течение 36 ч при 28^оС. Клетки бактерий отделяют от питательной среды центрифугированием и отмывают водопроводной водой от посторонних примесей.

Подготовленную таким образом биомассу помещают в биореактор и заливают двумя литрами раствора состава: глицерин 10%, монокалийфосфат 0,2% и водопроводная вода. Процесс биотрансформации ведут в аэробных условиях при интенсивном перемешивании, поддерживая температуру 28^оС и рН 5,0.

При накоплении ДОА в культуральной жидкости до 9,6% начинают отбор раствора, содержащего целевой продукт путем включения насоса ультрафильтрационной установки, который обеспечивает тангенциальную циркуляцию культуральной жидкости (Р - 0,29 МПа, газосодержание - 20%) через ультрафильтрационный модуль (давление на входе не более 0,3 МПа) при этом часть жидкости отбирается в виде фильтрата, одновременно в биореактор подают свежий раствор для трансформации. Скорость протока 0,23 ч^-1. При такой скорости в биореакторе устанавливается концентрация ДОА 9,6%. Продуктивность процесса в этом случае равна 44,1 кг ДОА/м³ч, что примерно в 2,5 раза больше, чем у прототипа.

Полученный фильтрат, содержащий ДОА, выпаривают под вакуумом в роторном испарителе. Из полученного сиропа в кристаллизаторе получают кристаллический ДОА, при этом выход продукта составляет 96%.

П р и м е р 2. Способ осуществляют согласно примеру 1, но исходная концентрация глицерина в растворе, заливаемом в биореактор, составляет 12%.

При накоплении ДОА в растворе до 11,6% устанавливается скорость протока 0,2ч^-1. При такой скорости протока в биореакторе поддерживается концентрация ДОА 11,6%. Продуктивность процесса в этом случае равна 46,4 кг ДОА/м³ч.

Способ по изобретению позволяет повысить выход ДОА в сравнении с прототипом не менее чем на 30% и значительно улучшить качество целевого продукта за счет отделения высокомолекулярных соединений (белков, полисахаридов с мол.м. 10⁴-10⁶), препятствующих процессу кристаллизации и загрязняющих продукт. Способ позволяет упростить процесс выделения ДОА, сделать его экологически чистым, снизить энергозатраты и сократить время получения кристаллического продукта.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДИОКСИАЦЕТОНА, включающий наращивание клеток биомассы микроорганизма-продуцента на водной питательной среде, содержащей глицерин, монокалийфосфат, дрожжевую воду, отделение клеток и биотрансформацию с их помощью глицерина в диоксиацетон с последующим выделением целевого продукта из реакционной среды, отличающийся тем, что, с целью упрощения способа и повышения его производительности при высоком качестве продукта, процесс биотрансформации ведут непрерывно с подачей раствора глицерина и монокалийфосфата в биореактор, отводом раствора, содержащего диоксиацетон, и возвращением отделенной биомассы в биореактор, а выделение целевого продукта осуществляют ультрафильтрацией в режиме тангенциального течения смеси раствора, содержащего ДОА, и воздуха при содержании последнего 5-20%, при давлении на входе в ультрафильтрационный модуль не более 0,3 МПа и скорости протока 0,02 - 0,25 ч^-1, причем в ультрафильтрационном модуле используют мембраны с критической границей разделения 1000 - 100000 Дальтон.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс биотрансформации ведут при концентрации глицерина 6 - 20% в среде.

РИСУНКИ

Рисунок 1