Итаконовая кислота

Итаконовая кислота С5Н6О4 является ненасыщенной двухосновной кислотой. Наличие в молекуле двух карбоксильных групп и активной метиленовой группы определяет высокую активность полимеризации итаконовой кислоты и участие в различных реакциях присоединения.

Итаконовая кислота представляет собой белый кристаллический порошок, хорошо растворимый в воде и некоторых органических растворителях, имеет молекулярную массу 130,1, плотность 1,63 и температуру плавления 167-168 °С.

Итаконовая кислота находит применение в производстве синтетических волокон и смол, поверхностно-активных веществ, красителей и ряда других сложных органических соединений. Итаконовую кислоту могут синтезировать некоторые штаммы микроскопических грибов рода Aspergillus (Asp. terreus, Asp. itaconicus), выращиваемые глубинным или поверхностным способами на питательных средах, содержащих сахарозу, мелассу и даже продукты гидролиза древесины.

Производство итаконовой кислоты включает следующие основные технологические стадии: получение посевного материала, культивирование продуцента глубинным способом, выделение итаконовой кислоты.

Биосинтез итаконовой кислоты связан с реакциями цикла Кребса (рис. 4.5). При декарбоксилировании исходного продукта – цис-аконитовой кислоты - образуется итаконовая кислота. Во время реакции в углеродном скелете происходит перемещение электронов, в результате двойная связь переходит из положения 2,3 в положение 3,4

Получение посевного материала

Для производства итаконовой кислоты поверхностным и глубинным способами используют отселекционированные штаммы Asp. terreus и Asp. itaconicus. Посевной материал размножается в пробирках с агаризованной средой (сусло-агар), а затем в колбах на жидкой питательной среде. Длительность каждой стадии 2-6 сут, оптимальная температура культивирования 30-32 °С.

Культивирование Asp. terreus глубинным способом. При получении итаконовой кислоты глубинным способом культивирования продуцента для подращивания мицелия и на стадии производственной ферментации может быть использована среда одинакового состава, но с различной концентрацией входящих в ее состав компонентов (табл. 4.1).

Питательную среду для подращивания мицелия целесообразно засевать предварительно (за 10-12 ч) замоченными в среде конидиями из расчета 0,75 г конидий на 1 м3 среды.

Биосинтез итаконовой кислоты протекает наиболее интенсивно при засеве производственного ферментатора культурой, находящейся в конце логарифмической фазы роста, что соответствует примерно 30 ч роста.

Процесс образования кислоты в ферментаторе протекает при постоянном перемешивании и аэрации среды при температуре 33-36 °С в течение 72 ч. К концу процесса ферментации содержание итаконовой кислоты составляет 37-38 г/л при общем содержании кислот в сброженном растворе 38,5-39,0 г/л.

В условиях поверхностного способа сбраживания раствора сахарозы (слой 12 см) культурой Asp. terreus за 10-12 сут образуется 56-58% итаконовой кислоты в пересчете на сахар, причем итаконовая кислота составляет 94-97% от суммы всех образовавшихся кислот (фумаровой, щавелевой, янтарной).

Технологическая схема получения итаконовой кислоты глубинным способом представлена на рис. 4.6.

В сброженных растворах в среднем содержится от 3 до 6% итаконовой кислоты, 0,5-1,5% несброженных сахаров, 0,3-0,6% других органических кислот и небольшое количество различных солей и красящих веществ.

Выделение итаконовой кислоты

Кипящий сброженный раствор, освобожденный от грибного мицелия, обрабатывают активным углем (0,3-0,5%) и фильтруют. Фильтрат упаривают при температуре 50-60 °С до 1/4-1/10 первоначального объема. Упаренный раствор подается в кристаллизатор, где охлаждается до 13-15°С. Кристаллизуется итаконовой кислоты 75-80% от ее содержания в растворе.

Техническая итаконовая кислота отделяется на центрифуге. Она содержит 3-6% влаги, 1-3% других органических кислот и 2-5% различных примесей. Для очистки техническую итаконовую кислоту растворяют в горячей воде до 25%-ной концентрации и осветляют активным углем (5-8% по массе кислоты). Горячий раствор фильтруют, а затем кристаллизуют. В процессе центрифугирования кристаллы кислоты промывают дистиллированный водой. Высушенные кристаллы имеют следующий состав и свойства (в %):

Маточный раствор после перекристаллизации упаривают до 30-40% первоначального объема и кристаллизуют вторично. С этой целью горячий раствор вновь фильтруют и концентрируют. Концентрат медленно охлаждают, а затем центрифугируют. Выпавшие кристаллы итаконовой кислоты промывают дистиллированной водой, сушат. Третья стадия очистки предусматривает совместную обработку маточных и сброженных растворов в указанной последовательности.

При повышенном содержании остаточных сахаров и других примесей в сброженных растворах рекомендуется проводить выделение итаконовой кислоты с помощью ионообменных смол. Использование анионита ЭДЭ-10П позволяет выделить 94-100% итаконовой кислоты от ее количества, содержащегося в сброженном растворе при расходе 5-8 г анионита на 1 г очищенной кислоты.

Регенерация отработанного ионита осуществляется соляной кислотой, а перевод в основную форму - раствором аммиака.