Файл: Технология гидролизных производств учебник..pdf

Рис. 53. Спиральная структура молекулы ДНК:

Две спирали — полинуклеотидные цепи; горизонтальные линии — пары азотистых оснований {А — аденин, Т — тимин, Г — гуанин, Ц — цитозин), связывающие обе цепи водородными связями

идентичные двойные цепи ДНК. Этот процесс носит название репликации (самоудвоения) ДНК. Синтез новых молекул ДНК, происходящий при размножении клеток, основан на способности мо­ лекул ДНК к репликации. Одна цепь в каждой образовавшейся молекуле ДНК происходит из пер­ воначальной молекулы, а другая строится вновь из элементов, синтезируемых клеткой. Этим объяс­ няется передача наследственных признаков и свойств от материнской клетки к дочерним. По сов­ ременным представлениям, ДНК является основ­ ным хранителем наследственных особенностей орга­

низма, которые в процессе размножения через нее передаются потомкам. Таким образом, ДНК определяет наследственность орга­ низмов. Синтез ДНК является ферментативным процессом и ката­

урацил (У). В молекуле РНК нуклеотиды связаны между собой так же, как и в молекуле ДНК- В отличие от ДНК РНК не имеет двойной комплементарной структуры спирали. Поэтому соотноше­ ние азотистых оснований в РНК не подчиняется правилу равенства содержания комплементарных оснований, например аденина может быть больше, чем урацила, а гуанина больше, чем цитозина.

Молекула РНК состоит из одиночной спирали. Длина ее цепи короче и молекулярная масса меньше, чем у ДНК. Но есть данные, указывающие на то, что молекулы РНК могут быть двуспираль­ ными. Основная функция рибонуклеиновых кислот — это обеспе­ чение биосинтеза белков, а следовательно, и роста клеток. В жи­ вой клетке любых организмов содержится РНК трех основных видов: 1) высокомолекулярная рибосомальная РНК, 2) информа­ ционная, или матричная, РНК, 3) транспортная, или растворимая, РНК.

Высокомолекулярная рибосомальная РНК находится в рибосо­ мах; в клетках микроорганизмов она составляет 80—90% от всей РНК. Информационная, или матричная, РНК (И-РНК, или м-РНК) составляет 3—5% от всей РНК; по нуклеотидному составу она комплементарна ДНК; И-РНК может иметь различную молекуляр­ ную массу в соответствии с разными размерами синтезируемых в клетке белков. Информационная РНК синтезируется в ядре клетки и затем поступает в цитоплазму. Синтез И-РНК проис­ ходит под влиянием ДНК ядра благодаря комплементарное™

242

азотистых оснований. В синтезе И-РНК важную роль играет РНКполимераза. Информационная РНК передает генетическую инфор­ мацию от ДНК рибосомам, где происходит синтез белка. Информа­ ционная РНК связана с процессом размножения и роста орга­ низма. Активно размножающиеся дрожжевые клетки характери­ зуются высоким содержанием РНК (11,7% от сухого вещества); транспортная, или растворимая, РНК (Т-РНК) — низкомолекуляр­ ная, составляет 10—20% от всей РНК клетки, находится в цито­ плазме. Имеет спирально закрученную молекулу. В состав некоторых Т-РНК, кроме нуклеотидов, содержащих обычные азотистые основания аденин, гуанин, цитозин и урацил, в неболь­ шом количестве входят и так называемые минорные нуклеотиды. Они содержат необычные азотистые основания: дигидроурацил, метилинозин и др. Транспортная РНК обладает специфической биологической активностью. При участии соответствующих фермен­ тов она способна присоединять к себе активированные амино­ кислоты и переносить их в рибосомы.

Специфичность и разнообразие химических и биологических свойств нуклеиновых кислот определяются рядом факторов: струк­ турой их макромолекулы, различным содержанием азотистых осно­ ваний, последовательностью расположения нуклеотидов в молекуле, а также их количественным соотношением.

Биосинтез белка. Важнейшим достижением биологии и биохимии конца 50-х и начала 60-х годов XX в. является решение вопроса о синтезе белковой молекулы. В основе биосинтеза белка лежит генетическая информация (наследственность), закодированная в молекулах ДНК в виде определенной последовательности азоти­ стых оснований. Сущность кода ДНК состоит в том, что каждой аминокислоте синтезируемого белка соответствует участок цепи ДНК из трех рядом стоящих нуклеотидов (триплеты). Например, участок, состоящий из А — А — Ц, соответствует аминокислоте лейцину. Таким образом, структура ДНК, состоящая из нескольких тысяч последовательно расположенных четырех нуклеотидов, пред­ ставляет код (шифр), определяющий структуру белка. Информа­ ция,'записанная в генетическом коде ДНК, передается рибосомам, где происходит синтез белка. Переносчиками информации о струк­ туре белка от молекул ДНК, находящихся в клеточном ядре, в рибосомы служат молекулы информационной РНК. Вследствие того, что последовательность азотистых оснований в И-РНК опре­ деляется последовательностью оснований в ДНК, информация ДНК переносится на И-РНК. Биосинтезом молекул И-РНК управляет ДНКИнформационная РНК синтезируется на ДНК. Цепь И-РНК имеет строение, комплементарное одной из цепей ДНК. Одно­ временно с И-РНК в рибосому из цитоплазмы поступает Т-РНК. Транспортная РНК является переносчиком активированных амино­ кислот. Активация их происходит под действием особых фермен­ тов. Каждой из 20—25 аминокислот соответствует своя Т-РНК. Молекула И-РНК так же, как и ДНК, разбита на участки из трех нуклеотидов.

Глава X

ПОЛУЧЕНИЕ ЭТИЛОВОГО СПИРТА И ЖИДКОЙ УГЛЕКИСЛОТЫ ИЗ ГИДРОЛИЗАТОВ

ИСУЛЬФИТНЫХ ЩЕЛОКОВ

1.т е х н о л о г и я сп и рт о в о го бро ж ен и я

Превращение древесного сахара, содержащегося в сусле, в эти­ ловый спирт осуществляется путем сбраживания его различными расами дрожжей. На этиловый спирт перерабатываются только гексозы. Содержание их в гидролизатах, получаемых при гидро­ лизе разбавленными кислотами, колеблется в пределах 2—3%. Дрожжи, применяемые для полученгія этилового спирта, относятся к родам сахаромицетов и шизосахаромицетов. Ранее на гидролиз­ но-спиртовых заводах применялся периодический метод брожения, состоявший из следующих технологических операций: смешения сусла с. дрожжами («складка»), брожения, сгонки бродильного чана, мойки его и подготовки к следующей складке. Сам процесс брожения происходит в три стадии: взбраживание — заключается в активации дрожжей, без видимых признаков брожения; главное брожение — характеризуется быстрым потреблением сахара, ин­ тенсивным выделением углекислоты и образованием 80—85% всего спирта; дображивание — происходит усвоение трудносбраживае­ мой галактозы, по мере использования питательных веществ и на­ копления продуктов брожения скорость процесса замедляется, дрожжи оседают. При периодическом брожении все три стадии протекают последовательно в одном и том же бродильном чане. Периодический метод брожения имеет ряд недостатков, основными из них являются длительность процесса (3—4 суток) и его трудо­ емкость.

В настоящее время в гидролизной промышленности для сбра­ живания древесного сусла применяют непрерывный метод броже­ ния с возвратом отсепарированных дрожжей в бродильную батарею, состоящую из головных и дображивающих чанов. На рис. 54 представлена технологическая схема сепарационного ме­ тода брожения.

Подготовленное сусло из сборника 1 непрерывно перекачива­ ется насосом 2 в дрожжанку 3. Сюда же самотеком с сепарато­ ров 9 поступает дрожжевая суспензия, отделяемая от бражки. Концентрация дрожжевой суспензии составляет 90— 120 г прессо­ ванных дрожжей (с содержанием 75% влаги) в 1 л. На каждый кубометр дрожжевой суспензии подается 8—40 м3 сусла. Смесь сусла и дрожжей из дрожжанки непрерывно насосом 4 подается в головной чан 5 бродильной батареи, где происходит главная ста­ дия спиртового брожения. Ферменты, содержащиеся в дрожжах, катализируют расщепление гексоз, при этом образуется этиловый

245

спирт и углекислый газ. Этиловый спирт переходит в окружающую жидкость, а углекислота сорбируется на поверхности дрожжевых клеток в виде пузырьков, которые поднимаются к верху чана, ув­ лекая дрожжи. При соприкосновении с поверхностью жидкости пузырьки углекислоты лопаются, а дрожжевые клетки, плотность которых (1,1 г/см3) больше, чем сусла (1,02 г/см3), опускаются вниз, затем, сбродив очередную порцию сахара, снова подни­ маются выделяющейся углекислотой на поверхность. Такое непре­ рывное движение дрожжей способствует перемещению жидкости в бродильном чане, создавая брожение-. Бродящее или сброженное сусло носит название бражки. Из головного бродильного чана бражка самотеком поступает в хвостовой чан 6. В процессе дображивания происходит усвоение дрожжами наиболее трудносбражи-

9

Рис. 54. Технологическая схема сепарационного метода брожения:

ваемых сахаров, например галактозы, и завершение цепи промежуточных реакций спиртового брожения. Концентрация дрожжей

вбродильной батарее составляет 17—25 г/л. Продолжительность брожения 5—7 ч, температура 32—33° С. По окончании брожения бражка из дображивающего чана насосом 7 перекачивается через сетчатый фильтр 8 на сепараторы 9. В фильтре происходит улав­ ливание частиц лигнина, коры и случайных предметов, попавших

вбражку. На сепараторах под влиянием центробежной силы и вследствие разности плотностей происходит разделение бражки на два потока: дрожжевую суспензию и отсепарированную спиртовую бражку. Последняя собирается в сборнике 10, откуда насосом 11 подается в брагоректификационное отделение, а дрожжевая сус­ пензия самотеком поступает в дрожжанку 3, где снова смешива­ ется со свежим суслом. Таким образом дрожжи повторно исполь­ зуются для сбраживания сусла.

Выделяющаяся в процессе спиртового брожения углекислота при избыточном давлении газа в бродильных чанах отводится по трубопроводу в углекислотный цех для получения жидкой и твер­ дой углекислоты или выпускается в атмосферу. Бродильные чаны представляют собой вертикальные цилиндрические сосуды емко­ стью 200—500 м3, снабженные штуцерами, соединяющими их с не­

246