Ацетоно-бутиловое брожение

Близким к маслянокислым брожению является ацетоно-бутиловое брожение, в процессе которого образуется больше количество бутилового спирта и ацетона, чем при обычном маслянокислом брожении. При этом образуются этиловый спирт, масляная и уксусная кислота, выделяются водород и углекислый газ.

Ацетонобутиловое брожение протекает в две фазы:

• кислотная, во время которой усиленно размножаются бактерии и в среде накапливается масляная и уксусная кислоты.

• ацетонобутиловая, в течение которой кислотность уменьшается и происходит усиленное накопление ацетона, бутилового и этилового спиртов. И в зависимости от условий ведения процесса можно подавлять то первую, то вторую фазу брожения. Возбудители ацетонобутилового брожения представляют собой подвижные палочки, соединенные попарно. Они анаэробы, образуют споры, сбраживают крахмал, но не сбраживают клетчатку(Clostridium acetobutylic). ПРИМЕНЕНИЕ: В промышленности для производства ацетона и бутилового спирта применяют крахмалистое сырье. После отгона ацетона и спиртов из отстающего отхода (барда) используют для извлечения витамина В2, который продуцирует ацетонобутиловые бактерии. Барда используется и для выращивания метановых бактерий, которые синтезируют витамин В 12.

ХИМИЗМ:Пировиноградная кислота СН3СО — СООН. Сбраживалась суспензией клеток ацетоно-бутиловых бактерий. В присутствии уксусной кислоты превращалась в основном в ацетон; из 1 моля пировиноградной кислоты и 0,2 моля уксусной кислоты получали 0,5 моля ацетона.

При добавке в бродящий затор пировиноградная кислота сбраживалась в уксусную кислоту, ацетон и главным образом в ацетилметил-карбинол [23].

добавляя к суслу соли пировиноградной кислоты, получили повышенный выход уксусной и муравьиной кислот при сбраживанни культурой В. предлагают следующее уравнение:

CH3COCOOH + H2O CH3COOH + HCOOH.

экстракт Clostridium butylicum сбраживает пировиноградную кислоту:

СН3СОСООН + Н2О -» СН3СООН + СО2+ Н2.

Данная реакция является промежуточной при образовании ацетилфосфата:

СН3СОСООН + РО4Н3 -» СН3СООРО3Н2 + СO2 + Н2

Ччто уксусная кислота (ацетилфосфат) является первым продуктом разложения пировиноградной кислоты суспензией маслянокислых или ацегоно-бутиловых бактерий.

Уксусный альдегид СН3СН. При ацетоно-бутиловом брожении не обнаружен, но при добавлении в сбраживаемую среду сбраживался бактериями с образованием растворителей.

Более 60% вводимого уксусного альдегида превращалось активными ацетоно-бутиловыми бактериями в бутанол. Менее активные культуры превращали в бутанол 10—21% уксусного альдегида, а 60—70%—в другие продукты брожения, главным образом в этанол.

В настоящее время доказано, что,в процессе образования ацетилированной формы кофермента А происходит декарбокоилирование пировиноградной кислоты и образуется комплексное соединение уксусного альдегида с простетической группой декарбоксилазы, которой является дифосфотиамин (ДФТ). Из рассмотренных промежуточных продуктов спиртового брожения только пировиноградную кислоту и уксусный альдегид можно считать промежуточными продуктами ацетоно-бутилового брожения.

Муравьиная кислота НСООН. Обнаружена в процессе ацетоно-бутилового брожения. В первые 30 часов брожения количество ее было незначительно, а после падения общей кислотности возрастало, достигая 0,13 мл 0,1N раствора в 10 мл бражки.

Путем добавок даже небольших количеств муравьиной кислоты в процессе ацетоно-бутилового брожения повышался выход бутилового и этилового спирта. Это подтверждает высокую активность НСООН как донатора водорода.

Молочная кислота СН3—СНОН—СООН. Является если не промежуточным, то во всяком случае одним из конечных продуктов брожения.

Прибавление молочной кислоты в процессе ацетоно-бутилового брожения приводило к увеличению выхода бутанола.

Уксусная кислота СН3СООН. Является промежуточным и конечным продуктом ацетоно-бутилового брожения.В первой стадии двухфазного процесса брожения образуются летучие кислоты, главным образом уксусная и масляная, которые во второй стадии брожения потребляются бактериями с образованием растворителей.

Добавление уксусной кислоты в процессе ацетоно-бутилового брожения приводит к увеличению выхода ацетона, но не оказывает никакого влияния на выход бутанола.

В большинстве предложенных схем ацетоно-бутилового брожения уксусная кислота рассматривается как предшественник ацетона; считают, что образование ацетона идет через ацетоноуксусную кислоту, которая образуется путем конденсации двух молекул уксусной кислоты.

—4Н уксусная кислота +4Н

Этанол —— Активный ацетат ——————— С4 соединение —— Масляная кислота

уксусная кислота

Ацетоуксусная кислота СН3—СО—СН2—СООН. Является промежуточным продуктом ацетоно-бутилового брожения. Она обнаружена при брожении в период максимальной скорости образования растворителей. Быстро декарбоксилировалась до ацетата суспензией клеток при оптимуме рН 4,3 [20]. С термодинамической точки зрения переход уксусной кислоты в ацетоуксусную представляется следующим образом:

СН3СООРО3Н2 + СНзСООН — СН3СОСН2СООН + Н3Р04.

Ацетоуксусная кислота, прибавленная к бродящей культуре, быстро отщепляла СО2, превращаясь в ацетон [23].

На ацетоуксусную кислоту различные штаммы организмов действовали различно. Одни давали только уксусную кислоту, другие — уксусную и масляную. Ацетоуксусная кислота восстанавливалась до масляной кислоты в присутствии молочной или пировиноградной кислот [2. 18].

Когэн и Когэн-Базир [18] показали, что в противоположность Cl. kluyveri суспензия ацетоно-бутиловых бактерий может восстанавливать ацетоуксусную кислоту в масляную. Авторы считают, что анетоуксусная кислота, возможно, является промежуточным продуктом в синтезе масляной кислоты из пировиноградной.

Масляная кислота СНзСН2СН2СООН. Является промежуточным и конечным продуктом брожения. Масляная кислота восстанавливалась до бутанола суспензией клеток в присутствии глюкозы, но не в присутствии пировиноградной кислоты. При этом предлагаются следующие уравнения:

С6Н12O6 + С3Н7СООН — 2СН3СОСООН + С4Н2ОН + Н20;

пировиноградная кислота, которая при этом образуется, будет затем сбраживаться до уксусной кислоты:

СН3СОСООН + Н2О — СНзСООН + СО2 + Н2;

или суммарное уравнение:

С6Н12О6 + С3Н7СООН + Н2О — 2СН3СООН + 2СО2 + 2Н2+ С4Н9ОН.

Масляный альдегид СНзСН2СН2СНО. Предполагается в качестве промежуточного продукта брожения.

48. брожение клетчатки

Брожением называется анаэробный процесс превращения безазотистых органических веществ (главным образом углеводов) микроорганизмами, при котором происходит накопление продуктов неполного окисления (спиртов, органических кислот, углеводов и др.) и который сопровождается выделением энергии. Биологическое значение брожения заключается в образовании энергии для осуществления жизнедеятельности микроорганизмов подобно дыханию животных и растений.

Анаэробное разложение клетчатки. Огромное значение для круговорота углерода в природе имеет разложение клетчатки (целлюлозы). Половина всего углерода, находящегося на поверхности Земли, содержится в клетчатке. Клетчатка и лигнин совсем не усваиваются животными. А ежегодный прирост ее в составе растений огромный. Она составляет 50% сухого веса прироста, поэтому накапливалась бы в больших количествах на Земле, нарушая круговорот углерода. Клетчатка - очень стойкое органическое соединение и может быть разрушена только при действии очень сильных химических соединений. Но в природе она легко разрушается и вовлекается в круговорот веществ под воздействием широко распространенных целлюлозоразлагающих микробов, впервые описанных В. Л. Омелянским в 1899 г. Он установил, что анаэробное разложение клетчатки вызывают Вас. cellulosae hydrogenicus и Вас. cellulosae methanicus. Обе эти палочки морфологически похожи друг на друга, анаэробы, образуют споры, содержат ферменты целлюлозу и целлобиазу. Конечные продукты обеих палочек - масляная и уксусная кислоты, углекислота, но первая палочка еще образует водород, а вторая метан. Некоторые авторы обе эти палочки относят к одному виду Вас. Omelianskii, полагая, что метан является вторичным продуктом водородного брожения клетчатки. (Термофильные клетчаткоразлагающие бактерии Gl. thermocellum. Они развиваются только в симбиозе с другими бактериями. Оптимальная температура для них 60-65°. Конечные продукты брожения - летучие кислоты, этиловый спирт и газы.)