Окисление этанола до уксусной кислоты уравнение реакции

Окисление этанола до уксусной кислоты уравнение реакции

лимонная молочная кислота уксус

Столовый уксус представляет собой слабый водный раствор уксусной кислоты, получаемый при окислении этанола уксуснокислыми бактериями или при разбавлении уксусной эссенции водой. Уксус используют при изготовлении майонезов, соусов, консервов, а также в качестве приправы.

Основное сырье для производства спиртового уксуса — спирт-сырец из зерна, картофеля или их смеси, ректификованный спирт I сорта. Для выработки фруктового уксуса используют сухие плодово-ягодные виноматериалы.

Ферментация осуществляется уксуснокислыми бактериями Acetobacter aceti.

Окисление этанола уксуснокислыми бактериями можно представить в виде суммарного уравнения

С2Н5ОН + O2 > СН3СООН + Н2O + 487 кДж.

Уксуснокислые бактерии — строгие аэробы, так как уксусная кислота образуется только в присутствии кислорода воздуха. Оптимальная температура для развития бактерий — около 30 оС. Бактерии могут развиваться в среде с рН около 3,0, оптимальными же значениями рН являются 5,4…6,3. Накапливающаяся при ферментации уксусная кислота угнетает клетки бактерий, в результате чего снижается скорость кислотообразования.

Содержание спирта в сбраживаемом сусле 6…10 o6. %. Повышенная концентрация спирта в среде затрудняет развитие уксуснокислых бактерий.

Уксуснокислые бактерии могут окислить уксусную кислоту с образованием диоксида углерода и воды. Этот процесс переокисления происходит, если окислен весь спирт, содержащийся в сбраживаемом сусле. Он приводит к снижению выхода уксусной кислоты. Для предотвращения переокисления ферментацию заканчивают при содержании 0,2. 0,3 об. % неокисленного спирта в сброженном сусле.

В питательной среде должны находиться сахара, минеральные соли, содержащие дзот, фосфор, серу, калий и магний.

Технологическая схема производства столового уксуса циркуляционным способом приведена на рис. 3.

Рис.3. Технологическая схема производства столового уксуса циркуляционным способом

Сусло для ферментации готовят из спирта, воды и добавок, обеспечивающих развитие бактерий. С этой целью в сусло вносят минеральные соли (сульфат аммония, диаммоннийфосфат, гидрофосфат калия, суперфосфат), сахара (техническая глюкоза, крахмальная патока, солодовое сусло).

Ферментацию проводят в генераторах-окислителях, изготовленных из дерева, керамики, нержавеющей стали и других кислотоустойчивых материалов.

Для увеличения площади поверхности окислительного взаимодействия в генератор вводят наполнитель — стружку из бука, граба, березы. Уксуснокислые бактерии закрепляются на поверхности стружек.

Стружку орошают подготовленным суслом, бактерии окисляют спирт в уксусную кислоту. Из сборника сусло с помощью насоса через теплообменник повторно перекачивают в ороситель. Оптимальная температура для интенсивного кислотообразования в верхней часта генератора 28…32 ?C, в нижней — 32. З6 ?С. Процесс ферментации продолжается 4…5 сут., накопление уксусной кислоты составляет 9. 10%. Высокая производительность генератора обеспечивается необходимой аэрацией среды. Полученный уксус сливают, оставляя в генераторе небольшое его количество, и начинают следующий цикл. В генератор-окислитель подают приготовленное сусло.

Подученный уксус осветляют, для этого его обрабатывают оклеивающими материалами (желатин, рыбий клей) и активным углем. Образующийся осадок отделяют фильтрованием.

Для улучшения вкуса и запаха уксус выдерживают в дубовых бочках.

Стандартную кислотность пищевого уксуса получают, разбавляя его водой до требуемой концентрации уксусной кислоты.

Готовый уксус пастеризуют для получения продукта, стойкого при хранении. Уксус разливают для розничной продажи в бутылки, а для использования в промышленности — в бочки и бутыли.

В зависимости от вида сырья и содержания уксусной кислоты получают пищевой спиртовой уксус 6, 9, 12%-й концентрации и фруктовый 6%-й.

Уксус должен быть прозрачным, без мути, осадка, слизи, посторонних включений. Запах и вкус соответствуют виду уксуса. Фруктовый уксус может иметь слабый запах исходного сырья без посторонних запахов и привкусов.

Наличие свободных минеральных кислот и солей тяжелых металлов в уксусе не допускается.

Уксус хранят в хорошо вентилируемых помещениях при температуре от 0 до 20 ?С и относительной влажности воздуха 75…80%. Срок хранения в бутылках: 6%-го — 6 мес., 9%-го и 12%-го — 12, фруктового — 3 мес.

Изобретение относится к усовершенствованному способу получения уксусной кислоты, которая широко используется в химической, текстильной и пищевой промышленности. Процесс парофазного окисления этилового спирта в уксусную кислоту кислородом воздуха на Sn-Mo-оксидном катализатора осуществляется с целью повышения концентрации уксусной кислоты в конденсаторе в реакторе, имеющем две рабочие зоны (двухреакторная система), и процесс ведут при оптимальных температурах в каждой зоне: в первой от 210 до 300 o C и во второй от 350 до 390 o C, молярном соотношении C₂H₅OH : H₂O: воздух=1:(6,5-0,5):(11: 13) и объемной скорости процесса в интервале от 3849 до 5070 (1/час). 1 табл.

Изобретение относится к усовершенствованному способу получения уксусной кислоты, которая широко используется в химической, текстильной и пищевой промышленности.

Известен способ получения уксусной кислоты парофазным окислением этилового спирта на катализаторе MO_aV_b Nb_cX_e, где X это ряд металлов: Li, Na Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Cd, Hg, Sc, Y, La, Ce, Al, Ti, Zr, Hf, Pb, Ta, As, Bi, Cr, W, Te, Fe, Co и Ni, при этом a=0,5-0,9, b=0,1-0,4, c=0,001-0,2, d= 0,001-0,1 и e= 0,001-1,0 [1] Окисление 50%-ного этилового спирта ведут при температуре 200 400 o C, времени контакта от 0,1 до 10 с. Селективность процесса по уксусной кислоте составляет в среднем 60% при фактически полной конверсии (98% ) этилового спирта. Концентрация получаемой уксусной кислоты в конденсате достигает 20 25 мас.

Недостатками данного способа являются: ведение процесса при относительно высоких давлениях (до 75 атм.), присутствие разбавителей (N₂ и He) в больших количествах в составе окислительной газовой смеси, что затрудняет выделение продуктов реакции.

Известен также способ получения уксусной кислоты окислением 20%-ного этилового спирта на Sn-Mo-оксидном катализаторе в паровой фазе в одну стадию при температуре 220 240 o C, объемной скорости 2070 (1/час), объемном соотношении C₂H₅OH:H₂O:воздух: N₂=1:10:6:5 [2] При полной конверсии этилового спирта выход уксусной кислоты составляет 60% Катализатор приготовлен по методике, изложенной в [3] Недостатки этого способа: применение азота для разбавления паровоздушной смеси спирт-воздух-вода, низкая концентрация получаемой уксусной кислоты в конденсате, которая составляет 10-11 мас.

Согласно предлагаемому нами способу процесс окисления этилового спирта кислодором воздуха проводят в реакторе проточного типа с двумя реакционными зонами (двухреакторная система) в присутствии Sn-Mo-оксидного катализатора. В каждой реакционной зоне процесс ведется при оптимальных температурах, зависящих от концентрации исходного спирта в первой от 210 до 300 o C и во второй от 350 до 390 o C и при молярном соотношении C₂H₅OH:H₂ O:воздух=1:(6,5-0,5): (11-13). Дальнейшее увеличение воздуха приводит к существенному росту продуктов глубокого окисления, а уменьшение к падению степени превращения этилового спирта. Оптимальная объемная скорость процесса колеблется в интервале от 3849 до 5070 (1/час).

Проведение процесса в одну технологическую стадию в двухзонном реакторе позволяет, по сравнению с прототипом, получить конденсат, содержащий 35 48% уксусной кислоты при селективности по уксусной кислоте не ниже 60% и полной конверсии этилового спирта.

Осуществление процесса подробно описано на примере 1. Другие примеры представлены в таблице.

Пример 1. 4,2 мл 28,1%-ного водного раствора этилового спирта подается из калибровочной бюретки микронасосом МА-62 в верхнюю часть кварцевого испарителя, а в нижнюю часть поступает воздух, очищенный от примесей. Расход воздуха составляет 13,3 (л/час). Испарясь, пары спирта и воздуха в молярном соотношении C₂H₅OH:H₂O: воздух=1:6,5:13 направляются в реактор N1.

Реактор N1 соединен последовательно с реактором N2 (две реакционные зоны), и оба представляют собой кварцевые трубки длиной по 10 см и диаметром 0,6 см, заполненные Sn-Mo-оксидным катализатором. Зернение катализатора соответствуют фракции 1 2 мм. Суммарный объем активного катализатора в обеих зонах составлял 3,4 мл. После реактора N2 имеется подконтактный холодильник. Реакторы помещаются в печи, имеющие электрообогрев, который регулируется ЛАТРом.

Реакционная смесь из испарителя поступает в верхнюю часть реактора N1 и двигается вниз через слой первого катализатора, далее поступает в реактор N 2, после которого сразу попадает в холодильник, где происходит «закалка» — быстрое охлаждение смеси, позволяющее предотвратить дальнейшее окисление до CO и CO₂. Объемная скорость процесса составляет 5070 (1/час). Температура в зонах реакции 210 в первой и 350 o C во второй, измеряется хромникелевой термопарой по всей длине каждой зоны.

Реакционная смесь частично конденсируется в подконтактном холодильнике и поступает в приемник. Несконденсировавшиеся газы проходят последовательно соединенные скруббера, содержащие по 20 мл 10%-ного раствора солянокислого гидроксиламина для улавливания остаточных количеств ацетальдегида, после чего проходят газовые часы и выбрасываются в атмосферу.

Концентрация полученной уксусной кислоты составляла 19,5% при селективности процесса по уксусной кислоте 64.4% и полной конверсии этилового спирта (см. таблицу).

Методика анализа конденсата.

Хроматографическое определение жидких продуктов реакции осуществляется методом внутреннего стандарта. В качестве стандарта использовалась точная навеса изопропанола, выбранного по времени удерживания на колонне PORAPAK Q.

Анализ проб был осуществлен на хроматографе ЛХМ-80. Колонки были заполнены носителем PORAPAK Длина колонок 2 м, диаметр 3 мм. Температура испарителя 200 o C, температура детектора 200 o C, температура колонок 175 o C. Газ носитель гелий, расход газа 2,4 л/ч. В продуктах определяли: воду, ацетальдегид, этиловый спирт и уксусную кислоту.

Ацетальдегид, уловленный в скрубберах титровали 0,1 н. раствором NaOH.

Методика газового анализа.

Анализ газовых продуктов проводился хромотографически на приборе ЛКМ-8МО.

Колонка N 1- молекулярные сита 13Х, сталь, длина 3 м, диаметр 3 мм. Колонка N 2 Porarak Q, сталь, длина 3 м, диаметр 3 мм. На колонке N 1 определяли: H₂, O₂, N ₂ , CO, на колонке N 2 — CO₂. Условия анализа: температура испарителя 75 o C, температура детектора и колонок 60 o C. Газ носитель аргон. Расход газа 1,5 л/ч.

Способ получения уксусной кислоты из этилового спирта парофазным окислением кислородом воздуха на Sn-Мо оксидном катализаторе, отличающийся тем, что применяют реактор с двумя реакционными зонами (двухреакторная система) и процесс ведут при оптимальных температурах в каждой зоне в первой 210 300 o С и во второй 350 390 o С, моляром соотношении C₂H₅OH H₂O воздух 1 (6,5 0,5) (11 13) и объемной скорости процесса в интервале 3849 5070 ч — 1 .

Агропортал — все для специалистов агропромышленного комплекса

Окисление этилового спирта до уксусной кислоты

Этиловый спирт окисляется до уксусной кислоты под влиянием уксуснокислых бактерий, относящихся к родам Gluconobacter и Acetobacter. Это грамотрицательные хемоорганогетеротрофные, не образующие спор, палочковидные организмы, подвижные или неподвижные.

Два рода уксуснокислых бактерий различаются между собой по характеру жгутикования клеток. У представителей рода Gluconobacter клетки движутся при помощи 3—8 полярных жгутиков, редко одного, или неподвижные. Бактерии рода Acetobacter движутся при помощи перитрихиальных жгутиков или неподвижные.

Уксуснокислые бактерии — строгие аэробы, поэтому они развиваются только на поверхности среды, и для них весьма характерно образование пленок. Одни виды этих организмов образуют тонкие пленки, состоящие лишь из одного слоя клеток, другие формируют пленки более толстые, иногда напоминающие папиросную бумагу. Некоторые уксуснокислые бактерии дают пленки слизистые, толстые. Уксуснокислые бактерии отличаются высокой устойчивостью к кислотам (могут расти в среде с начальным pH 4, оптимум pH 5—6). Эти бактерии обнаруживают на поверхности растений (цветков, плодов), на разлагающихся растительных остатках и т. д.

Характерная особенность уксуснокислых бактерий – их способность превращать этиловый спирт в уксусную кислоту:

СН3СН2ОН + О2 -» СН3СООН + Н2О

Два рода уксуснокислых бактерий различаются по степени окисления органических субстратов. Так, уксуснокислые бактерии рода Acetobacter (A. peroxydans) накапливают уксусную кислоту в качестве промежуточного продукта и могут подвергать ее дальнейшему окислению до СО2 и Н2О (эти бактерии называют переокислителями), а бактерии рода Gluconobacter (G. oxydans) вызывают образование уксусной кислоты как конечного продукта реакции, который обычно не подвергается последующему окислению (эти бактерии называют иедоокислителями). Способность видов рода Acetobacter окислять уксусную кислоту до СО2 объясняется наличием у них цикла трикарбоновых кислот. Уксуснокислые бактерии способны окислять не только этиловый спирт, но и другие спирты, в том числе алифатические многоатомные.

Кроме указанных окислительных процессов, уксуснокислые бактерии могут вызывать окисление сорбита до сорбозы, маннита до фруктозы, глюкозы до глюконовой кислоты, глюконовой кислоты до кетоглюконовых кислот. Эти окислительные превращения осуществляются по пентозофосфатному пути представителями рода Gluconobacter. Особый интерес представляет окисление уксуснокислыми бактериями D — сорбита до L — сорбозы. Последняя требуется в больших количествах для синтеза витамина С.

Интересно отметить, что представитель рода Acetobacter — Acetobacter xylinum при росте на среде с глюкозой или другими источниками углерода способен образовывать внеклеточную слизистую пленку, состоящую из чистой целлюлозы. Целлюлозные фибриллы представляют собой рыхлую массу, окружающую клетки бактерий. В культуре эти организмы образуют пленку толщиной 1 см и более, состоящую из целлюлозы и бактериальных клеток.

Уксуснокислых бактерий используют для производства пищевого уксуса из вина и спирта.

Окисление этилового спирта до уксусной кислоты

Уксусная кислота образуется из этилового спирта в про­цессе дыхания уксусно-кислых бактерий:

Химизм процесса. Уксусно-кислые бактерии обладают ферментом алкогольдегидрогеназой. Окисление этилового спирта протекает в две стадии: первым промежуточным со­единением является уксусный альдегид, который затем окис­ляется в уксусную кислоту.

106 Глава 3. Биохимические процессы, вызываемые микроорганизмами

Возбудители процесса — ускусно-кпслые бактерии — бесспоровые палочки, грамотрицательные, строгие аэробы. Среди них есть подвижные и неподвижные формы. Они кис­лотоустойчивы и некоторые могут развиваться при рН среды около 3,0; оптимальное значение рН — 5,4-6,3г

Уксусно-кислые бактерии отнесены к двум родам:

Gluconobacter (Аcetomonas) — палочки с полярными жгути­ками, не способные окислять уксусную кислоту, и Acetobacner— перитрихи, способные окислять уксусную кислоту до СО₂ и воды.

Уксусно-кислые бактерии различаются размерами кле­ток, устойчивостью к спирту, способностью накапливать в среде большее или меньшее количество уксусной кислоты и другими признаками. Например, А. acete накапливает в среде до 6% уксусной кислоты, А. acete subsp. orleanensis — до 9,5, А. acete subsp. xylinum — до 4,5%. А. acete выдерживают до­вольно высокую концентрацию спирта — до 9-11%, А. acete subsp. xylinum — лишь 5-7%.

Растут уксусно-кислые бактерии в интервале темпера­тур 5-40°С, оптимум — около 30°С. Некоторые из них спо­собны синтезировать витамины — В ₁ В₂, В₁₂, однако мно­гие сами нуждаются в витаминах.

Уксусно-кислые бактерии часто встречаются в виде длинных нитей и многие образуют пленки на поверхности субстрата. Например, для A. pasteurianus характерна сухая морщинистая пленка, для А. acete subsp. xylinum — мощная хрящевидная пленка, в состав ее входит клетчатка. Некото­рые бактерии образуют лишь островки пленки на поверхно­сти жидкости или кольцо около стенок сосуда.

Уксусно-кислым бактериям свойственна изменчивость формы клеток. Так, в неблагоприятных условиях развития бактерии приобретают необычную форму — толстые длинные нити, иногда раздутые, уродливые клетки (рис. 24).

Уксусне-кислые бактерии широко распространены в природе, они встречаются на поверхности растений, в зре­лых плодах, ягодах, в квашеных овощах, вине, пиве, квасе.

Практическое значение процесса. Процесс окисления этилового спирта до уксусной кислоты лежит в основе по­лучения уксуса для пищевых целей.

Рис 24. Пленка уксусно-кислых бактерий

Процесс осуществляют в специальных башневйдных ча­нах-генераторах, внутри которых неплотно заложены буко­вые стружки. В верхней части генератора имеются приспо­собления для равномерного орошения стружек перерабаты­ваемым спиртсодержащим субстратом. Исходным сырьем служит уксусно-спиртовой раствор с питательными (для бактерий) солями или разбавленное подкисленное вино. Под-кисление субстрата необходимо для предотвращения раз­вития вредителей производства — пленчатых дрожжей и слизёобразующих непроизводственных видов уксусно-кис- ‘ лых бактерий, которые могут попасть извне. Производствен­ной культурой чаще всего служит А.асеН. В стенках генера­тора имеются отверстия для засасывания (или вдувания) воздуха. Чем лучше аэрация, тем активнее протекает про­цесс. По мере протекания субстрата по стужкам уксусно-кислые бактерии, обильно заселяющие стружки, окисляют спирт в уксусную кислоту, и в нижней части аппарата на­капливается готовый уксус, который периодически сливают.

Уксусно-кислые бактерии могут при недостатке спирта окислять уксусную кислоту до СО₂ и воды. Этот процесс на­зывается переокислением, он опасен для производства.

В настоящее время процесс производства уксуса ведут «глубинным» способом в герметически закрытых аппаратах, в которых спиртсодержащий субстрат с введенными в него уксусно-кислыми бактериями аэрируется и перемешивается непрерывно подаваемым в аппарат стерильным воздухом. Этот метод имеет ряд преимуществ: требуется меньше про­изводственных площадей, процесс автоматизирован и про­текает значительно быстрее, исключено попадание инфек­ции извне.

Дата добавления: 2014-12-15 ; просмотров: 5839 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

АГРОИНФормация

Агропортал — все для специалистов агропромышленного комплекса

Окисление этилового спирта до уксусной кислоты

Этиловый спирт окисляется до уксусной кислоты под влиянием уксуснокислых бактерий, относящихся к родам Gluconobacter и Acetobacter. Это грамотрицательные хемоорганогетеротрофные, не образующие спор, палочковидные организмы, подвижные или неподвижные.

Два рода уксуснокислых бактерий различаются между собой по характеру жгутикования клеток. У представителей рода Gluconobacter клетки движутся при помощи 3—8 полярных жгутиков, редко одного, или неподвижные. Бактерии рода Acetobacter движутся при помощи перитрихиальных жгутиков или неподвижные.

Уксуснокислые бактерии — строгие аэробы, поэтому они развиваются только на поверхности среды, и для них весьма характерно образование пленок. Одни виды этих организмов образуют тонкие пленки, состоящие лишь из одного слоя клеток, другие формируют пленки более толстые, иногда напоминающие папиросную бумагу. Некоторые уксуснокислые бактерии дают пленки слизистые, толстые. Уксуснокислые бактерии отличаются высокой устойчивостью к кислотам (могут расти в среде с начальным pH 4, оптимум pH 5—6). Эти бактерии обнаруживают на поверхности растений (цветков, плодов), на разлагающихся растительных остатках и т. д.

Характерная особенность уксуснокислых бактерий – их способность превращать этиловый спирт в уксусную кислоту:

СН3СН2ОН + О2 -» СН3СООН + Н2О

Два рода уксуснокислых бактерий различаются по степени окисления органических субстратов. Так, уксуснокислые бактерии рода Acetobacter (A. peroxydans) накапливают уксусную кислоту в качестве промежуточного продукта и могут подвергать ее дальнейшему окислению до СО2 и Н2О (эти бактерии называют переокислителями), а бактерии рода Gluconobacter (G. oxydans) вызывают образование уксусной кислоты как конечного продукта реакции, который обычно не подвергается последующему окислению (эти бактерии называют иедоокислителями). Способность видов рода Acetobacter окислять уксусную кислоту до СО2 объясняется наличием у них цикла трикарбоновых кислот. Уксуснокислые бактерии способны окислять не только этиловый спирт, но и другие спирты, в том числе алифатические многоатомные.

Кроме указанных окислительных процессов, уксуснокислые бактерии могут вызывать окисление сорбита до сорбозы, маннита до фруктозы, глюкозы до глюконовой кислоты, глюконовой кислоты до кетоглюконовых кислот. Эти окислительные превращения осуществляются по пентозофосфатному пути представителями рода Gluconobacter. Особый интерес представляет окисление уксуснокислыми бактериями D — сорбита до L — сорбозы. Последняя требуется в больших количествах для синтеза витамина С.

Интересно отметить, что представитель рода Acetobacter — Acetobacter xylinum при росте на среде с глюкозой или другими источниками углерода способен образовывать внеклеточную слизистую пленку, состоящую из чистой целлюлозы. Целлюлозные фибриллы представляют собой рыхлую массу, окружающую клетки бактерий. В культуре эти организмы образуют пленку толщиной 1 см и более, состоящую из целлюлозы и бактериальных клеток.

Уксуснокислых бактерий используют для производства пищевого уксуса из вина и спирта.