«Рассказ ваш, сэр, от глухоты излечит.
Уильяма Шекспир «Буря».
Тогда лишь двое тайну соблюдают,
Когда один из них ее не знает.
Уильяма Шекспир «Ромео и Джульетта».
«Природный полисахарид В1459, вырабатываемый бактерией Xanthomonas campestris был обнаружен в начале 1950-х годов в Northern Regional Research Laboratory (NRRL) входящие в состав U.S. DEPARTMENT OF AGRICULTURE (USDA).
В 1953 году выполнена официальная регистрация в коллекции публичных собраний микроорганизмов ARS Culture Collection (NRRL) и тогда же появилось наименование как ксантановая камедь.
В 1960-х годах создано несколько лабораторий с пилотными установками для получения этого полисахарида как важного промышленного водорастворимого биополимера из различного сырья с использованием различных штаммов.
В начале 1964 года началось крупномасштабное коммерческое производство.
В 1969 году Управление по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) разрешило использование ксантановой камеди в качестве пищевой добавки без указания количества.
Продвижение китайского и европейского ксантана было примерно такое же – изучение, пилоты, масштабирование до промышленных процессов.
Сегодня основными производителями ксантана являются: Merck and Pfizer the United States, Rhone Poulenc and Sanofi-Elf in France, Jungbunzlauer, Pernhofen in Austria, Fufeng Group, Shandong Province and Deosen Biochemical, Zibo City in China.
Из общего объема ксантана, производимого в мире, 65% используется в пищевой промышленности, 15% в нефтедобывающей и около 20% в других отраслях, но есть и другая статистика. Ежегодный рост спроса на ксантан составляет 5-10%.
Преамбула, как и эпиграф – это всегда сложно, с технологией намного проще, вот к ней и перейдем.
Нет цели пересказывать Handbook или объяснять, что в коммерческом предложении не может быть полноценного Process description с достоверными Operating parameters. Цель - пояснить на пальцах, что клиент должен узнать от продавца технологии, чтобы понимать, куда он вступает и нужно ли в это вступать, т.е. постараемся обойтись без цифр.
Закидывание шапками совершенно ни к чему, производство ксантана это достаточно сложно и не дешево, по крайне мере в строительстве, но мировые лидеры тоже когда-то были новичками. Сложно из-за трудностей с культивированием микроорганизмов-продуцентов, так как для каждого вида сырья существует свой индивидуальный штамм, который идет по своему пути биосинтеза.
Вот с сырья и начнем. Xanthomonas могут ферментировать глюкозу, сахарозу или лактозу с образованием ксантана из недорогих источников, как мелассы и патоки, какие угодно отходы овощей и фруктов, гидролизаты рисовой шелухи и любой соломы, т.е. из всего того, где есть целлюлоза и гемицеллюлоза, пригодные для гидролиза, отходы виноделия, молочные и сырные сыворотки, гидролизованный крахмал, отходы производства растительных масел (неочищенный глицерин). Все перечисленное – это сельскохозяйственные отходы, а всего их 24 (двадцать четыре) вида. Для детального перечисления и нескольких страниц не хватит, в общем, как поросята, едят все, но готовить нужно правильно. Некоторые штаммы могут питаться несколькими видами сырья, но рабочие параметры ферментации будут различными, поэтому руководствуются правилом – каждому сырью свой штамм. Если при смене сырья штамм не менять, то в лучшем случае снизится эффективность продуцирования, а в худшем микроорганизмы деградируют или погибнут.
С биологией никто особенно и не заморачивается, если контракт на поставку консервированной культуры составлен правильно и прописано ее выращивание в субстрате определенного состава для накопления и чтобы не сдохла раньше времени, и адаптировалась к условиям ферментатора. При выращивании инокулята цель состоит в том, чтобы увеличить концентрацию клеток, но свести к минимуму выработку ксантана, поскольку ксантан, как вязкая сеть вокруг клеток, препятствует массовому переносу питательных веществ, т.е. рост задерживается. В ферментаторах все наоборот – выработка ксантана бактерией-продуцентом должна быть максимальной, а размножаться совсем не обязательно, так как в ферментатор постоянно подается свежий посевной материал.
У эксплуатанта голова болит за скрупулезное выполнение прописей по условиям жизнедеятельности бактерий, как на стадии выращивания, так и на стадии продуцирования, если штамм прикажет долго жить, то винить он будет только себя. Вряд ли поставщик биотехнологии мог допустить ошибку в прописях, а вот замести мусор под ковер, т.е. упустить детали, вполне практикуется, поэтому необходимо знать, что должно входить в прописи. Перечислим основное:
- для выращивания инокулята - состав субстрата, включая источники углерода и азота, микроэлементы, соли, кислоты, расход воздуха и соответственно концентрация кислорода, дозирование, скорость вращения мешалки, температура, рН, время инкубации. Краткосрочное или долгосрочное сохранение микроорганизмов. Дегенерация может быть ускорена из-за неправильных методов консервации. Предоставляется детальное описание мониторинга и управления жизнедеятельностью, не путать с DCS;
- для ферментации - состав среды (сырья) и допустимые пределы отклонения по источникам углерода и азота, микроэлементы, соли, кислоты, расход воздуха и соответственно концентрация кислорода, дозирование, скорость вращения мешалки, температура, рН, время ферментации. Режим работы периодический или непрерывный. Тип биореактора (ферментатора), т.е. каскад нескольких ферментаторов или он один. Предоставляется детальное описание мониторинга и управления ферментацией, не путать с DCS.
В остальном пакет документации по биологической части ничем не отличается от стандартного наполнения базового проекта https://enky-afina.ru/bazovyj-3
С биологической частью мы закончили, все качественные характеристики ксантана как биополимера формируются при ферментации, не зря его называют биореактором.
Но не менее важной является химическая составляющая, про которую поставщики биотехнологии обычно скромно умалчивают, хотя в затратах на строительство доля химической части сопоставима, а чаще всего превышает затраты на строительство биосинтеза. В отношении операционных затрат на процесс химия опережает биологию, если не на порядок, то в разы. Перечислим основное:
- полное осаждение ксантана возможно только при добавлении трех объемов изопропилового спирта или ацетона на объем "бульона". Если используются более низкие спирты, как этанол, на объем "бульона" требуется более шести объемов спирта. Конечно, спирт никуда не исчезает или почти не исчезает и подлежит регенерации, для которой, кроме ректификации, ничего не придумали. А ректификация не самый дешевый процесс по энергозатратам;
- для получения ксантана направляемого в пищевые добавки, косметику и фармацию, неотъемлемое требование – высокая чистота, т.е. необходимы дополнительные операции, такие как повторное осаждение, депротеинизация с использованием химических или физических методов мембранных технологий. В этом случае повышаются и затраты на процесс и на оборудование. Ксантан для повышения нефтеотдачи пластов или укрепления грунтов горных выработок не требует фанатичной очистки;
- использование сельскохозяйственных отходов кратно улучшает экономику процесса, но бактерии не могут питаться целлюлозой или гемицеллюлозой, которыми богаты эти отходы. В качестве источника углерода им нужны глюкозы или сахарозы, а значит необходим процесс гидролиза до простых сахаров для. Гидролиз не дешев по энергозатратам и опять-таки появляется дополнительное оборудование.
То, что химическое и физическое извлечение ксантана из ферментационного «бульона», является сложным и дорогостоящим процессом, вы уже догадались, а о чем еще забывают поставщики биотехнологии ксантана?
После ферментации остается довольно большое количество питательных веществ, а именно до 30% от получаемого ксантана, не доедают бактерии до конца все, что им дали на обед. Скидывать на очистные все эти остатки глюкоз-фруктоз-сахароз, фактически, как выкидывать деньги на ветер, но иногда выкидывают. Вернуть «объедки» на ферментацию? Но в них кроме питательных веществ есть и другие метаболиты, могут сдохнуть продуценты.
Делают следующее, отправляют «объедки» на другую ферментацию с другими бактериями с получением биоэтанола и сорбита (если мощности по ксантану менее 15.000 т/год, с сорбитом можно не заморачиваться). Получаемый этиловый спирт используют для высаждения ксантана. Себестоимость снижается очень хорошо, но и затраты на строительство возрастают на 40%. Есть еще одно «но» для пищевой добавки по правилам Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (Food and Drug Administration, USFDA), высаждение допускается только изопропиловым спиртом, но это в Америке, что нам до них за дело.
И в заключении. Блог написан, но работы продолжаются, а именно:
1. Ксантановая камедь. Технологические критерии на комплексную поставку процесса. Гидролиз. Инокулянт и ферментация. Высаждение, очистка и сушка. Регенерация спирта.
2. Ксантановая камедь, 15.000 т/год из мелассы или патоки. Сорбит и этанол как побочные продукты. Периодический процесс ферментации. Исходные данные к базовому проекту.
3. Ксантановая камедь, 15.000 т/год из мелассы или патоки. Сорбит и этанол как побочные продукты. Периодический процесс. Базовый проект. Расчет процесса и оборудования.
О прогрессе мы будем вас информировать и на сайте https://enky-afina.ru/ и в чате https://t.me/+VHxwbEi39jLXK8Ha доступы свободные.
Гадецкий А. Блог написан без использования ИИ.
