Применение ионообменных смол для очистки ферментационного бульона Rhizopus oryzae, содержащего L-молочную кислоту

   Цели. Подбор условий очистки модельного ферментационного бульона для культивирования микромицета Rhizopus oryzae, содержащего молочную кислоту, от примесей неорганических солей с использованием ионообменных смол в динамических условиях.

   Методы. Отбираемые на анализ растворы исследовали титриметрическим методом (осадительное титрование) для определения концентрации хлоридов и качественной реакцией с реактивом Несслера для определения наличия иона аммония. Концентрацию молочной кислоты определяли спектрофотометрически с применением хлорида железа(III). Содержание общего азота определяли методом высокотемпературного каталитического сжигания на анализаторе Formacs HT TOC/TN Analyzer (Нидерланды). Определение содержания микро- и макроэлементов в исследуемых пробах проводили с помощью эмиссионного спектрометра с индуктивно-связанной плазмой iCAP 6300 Duo (Великобритания).

   Результаты. Определили, что очистку модельного бульона в данных условиях необходимо проводить последовательным фильтрованием через катионит КУ-2-8 в Н-форме, а затем через смесь слабоосновного А847 и сильноосновного АВ-17-8 анионитов в ОН-форме, взятых в соотношении один к одному. Установили, что проскок примесных ионов в раствор наступает после прохождения 30-кратного и 10-кратного объемов модельного бульона по отношению к объему катионообменной и анионообменных смол соответственно. Определили динамическую обменную емкость до проскока, которая для анионообменной колонки составила 0.35 ммоль-экв/см³, а для катионообменной колонки — 1.61 ммоль-экв/см³. В качестве режимов регенерации колонок определены следующие параметры: 3-кратный избыток 2 M H₂SO₄, 10-кратный избыток дистиллированной H₂O для катионо-обменной и 3-кратный избыток 2 М NаОН, 20-кратный избыток H2O для анионообменной колонок.

   Выводы. Проведенные исследования показали, что очистка модельного ферментационного бульона Rhizopus oryzae может быть успешно реализована с применением ионообменных смол. Установлено, что этот раствор, проходя последовательно через катионообменные и анионообменные колонки, очищается от примесей минеральных солей, при этом концентрация молочной кислоты не снижается.

1. Din N.A.S., Lim S.J., Maskat M.Y., et al. Lactic acid separation and recovery from fermentation broth by ion-exchange resin : A review. Bioresour. Bioprocess. 2021;8(1):31. doi: 10.1186/s40643-021-00384-4

2. Wee Y.J., Kim J.N., Ryu H.W. Biotechnological production of lactic acid and its recent applications. Food Technol. Biotechnol. 2006;44(2):163–173.

3. Li C., Gao M., Zhu W., et al. Recent advances in the separation and purification of lactic acid from fermentation broth. Process Biochem. 2021;104:142–151. doi: 10.1016/j.procbio.2021.03.011

4. Ehsani M., Khodabakhshi K., Asgari M. Lactide synthesis optimization: investigation of the temperature, catalyst and pressure effects. e-Polymers. 2014;14(5):353–361. doi: 10.1515/epoly-2014-0055

5. Bahati D., Bricha M., Semlali A., El Mabrouk K. Preparation and characterization of poly (lactic acid)-chitosan blend fibrous electrospun membrane loaded with bioactive glass nanoparticles for guided bone/tissue regeneration. Mater. Chem. Phys. 2024;323:129637. doi: 10.1016/j.matchemphys.2024.129637

6. Nair L.S., Laurencin C.T. Biodegradable polymers as biomaterials. Prog. Polym. Sci. 2007;32(8–9):762–798. doi: 10.1016/j.progpolymsci.2007.05.017

7. Auras R., Harte B., Selke S. An Overview of Polylactides as Packaging Materials. Macromol. Biosci. 2004;4(9):835–864. doi: 10.1002/mabi.200400043

8. Jin B., Huang L.P., Lant P. Rhizopus arrhizus – a producer for simultaneous saccharification and fermentation of starch waste materials to L-(+)-lactic acid. Biotechnol. Lett. 2003;25: 1983–1987. doi: 10.1023/B:BILE.0000004389.53388.d0

9. Няникова Г.Г., Минина А., Беляева А.Д. Влияние состава питательной среды на рост гриба Rhizopus oryzae. Известия СПбГТИ (ТУ). 2018;45(71):82–86.

10. Lee H.D., Lee M.Y., Hwang Y.S., et al. Separation and Purification of Lactic Acid from Fermentation Broth Using Membrane-Integrated Separation Processes. Ind. Eng. Chem. Res. 2017;56(29):8301–8310. doi: 10.1021/acs.iecr.7b02011

11. Soto M.L., Moure A., Domínguez H., Parajó J.K. Recovery, concentration and purification of phenolic compounds by adsorption : A review. J. Food Eng. 2011;105(1):1–27. doi: 10.1016/j.jfoodeng.2011.02.010

12. Селицкий Г.А., Галкин Ю.А. Очистка сточных вод от ионов тяжелых металлов методом натрий-катионирования. Металлургия и машиностроение. 2008;11(2):5–7.

13. Сайкова C.В., Пашков Г.Л., Пантелеева М.В. Реакционно-ионообменные процессы извлечения цветных металлов и синтеза дисперсных материалов. Красноярск: Сиб. федер. ун-т; 2018. 198 с. ISBN 978-5-7638-3856-5

14. Di N.F., Lancia A. Recovery of Tungstate from Aqueous Solutions by Ion Exchange. Ind. Eng. Chem. Res. 2007;46(21):6777–6782. doi: 10.1021/ie061691w

15. Kabay N., Demircioğlu M., Yayli S. Günay E., Yüksel M., Sağlam M., Streat M. Recovery of Uranium from Phosphoric Acid Solutions Using Chelating Ion-Exchange Resins. Ind. Eng. Chem. Res. 1998;37(5):1983–1990. doi: 10.1021/ie970518k

16. Elabd A.A., Zidan W.I., Abo-Aly M.M., et al. Uranyl ions adsorption by novel metal hydroxides loaded Amberlite IR120. J. Environ. Radioact. 2014;134:99–108. doi: 10.1016/j.jenvrad.2014.02.008

17. Иониты в цветной металлургии; под ред. К.Б. Лебедева. М.: Металлургия; 1975. 352 с.

18. Вулих А.И. Ионообменный синтез. М.: Химия; 1973. 231 с.

19. Zhang Y., Qian Z., Liu P., Liu L., Zheng Z., Ouyang J. Efficient in situ separation and production of L-lactic acid by Bacillus coagulans using weak basic anion-exchange resin. Bioprocess Biosyst. Eng. 2018;41(2):205–212. doi: 10.1007/s00449-017-1858-z

20. Rampai T., Thitiprasert S., Boonkong W., Kodama K., Tolieng V., Thongchul N. Improved lactic acid productivity by simultaneous recovery during fermentation using resin exchanger. Asia-Pacific J. Sci. Technol. 2016;21(2):193–199. doi: 10.14456/kkurj.2016.11

21. Pradhan N., Rene E., Lens P., Dipasquale L., D’Ippolito G., Fontana A., Panico A. Adsorption behaviour of lactic acid on granular activated carbon and anionic resins: thermodynamics, isotherms and kinetic studies. Energies. 2017;10(5):665. doi: 10.3390/en10050665

22. Boonmee M., Cotano O., Amnuaypanich S., Grisadanurak N. Improved lactic acid production by in situ removal of lactic acid during fermentation and a proposed scheme for its recovery. Arab. J. Sci. Eng. 2016;41(6):2067–2075. doi: 10.1007/s13369-015-1824-5

23. González M.I., Álvarez S., Riera F.A., et al. Purification of Lactic Acid from Fermentation Broths by Ion-Exchange Resins. Ind. Eng. Chem. Res. 2006;45(9):3243–3247. doi: 10.1021/ie051263a

24. Борщевская Л.Н., Гордеева Т.Л., Калинина А.Н., Синеокий С.П. Спектрофотометрическое определение молочной кислоты. Журн. анал. химии. 2016;71(8): 787–790. doi: 10.7868/S004445021608003X

25. Anishchenko O.V., Tolomeev A.P., Ivanova E.A., Drobotov A.V., Kolmakova A.A., Zuev I.V., Gribovskaya I.V. Accumulation of elements by submerged (Stuckenia pectinate (L.) Börner) and emergent (Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steud.) macrophytes under different salinity levels. Plant Physiol. Biochem. 2020;154:328–340. doi: 10.1016/j.plaphy.2020.05.019

26. Кокотов Ю.А. Иониты и ионный обмен. Л.: Химия; 1980. 150 с.