Брожение, в первую очередь спиртовое, известно человечеству уже очень давно, и, кажется, попаданец вряд ли сможет добавить что-то новое – разве что внедрить дистилляцию в тех местах, где это еще не умеют, и немного оптимизировать сам процесс ферментации. Однако при правильном подборе вызывающих брожение микроорганизмов и условий ферментации можно получать очень ценные продукты.
Если добавить в брагу гидросульфит (натрия, калия или кальция – все они элементарно производятся из соответствующих щелочей и сернистого газа), связывающий промежуточно образующийся при брожении ацетальдегид, то микроорганизмам приходится изменить свой метаболизм и производить глицерин. Аналогичный результат получается, если ферментацию проводить при пониженном давлении или продувая брагу углекислым газом – низко кипящий ацетальдегид легко отгоняется из браги. В промышленности такой вариант брожения применялся в Германии, которая и в ПМВ, и во ВМВ испытывала острый дефицит глицерина для производства пороха. Из 100 кг сахаросодержащего сырья при этом получается 20-40 кг глицерина и 20-30 кг ацетальдегида.
Направить процесс в сторону образования глицерина можно также и при простом подщелачивании питательной среды – в этом случае дрожжи производят глицерин, уксусную кислоту и этанол в соотношении 2:1:1.
Молочнокислое брожение известно людям тоже очень давно, вероятно, раньше спиртового, и многие тысячелетия используется для производства кисломолочных продуктов, квашенных и соленых овощей и тд. Попаданец же может с помощью молочнокислого брожения получать молочную кислоту. Для этого лучше всего подойдет дельбрюковская палочка, часто встречающаяся на зернах ячменя и являющаяся причиной прокисания пива при нарушении технологии варки. Если брожение проводить в присутствии мела, то из 100 кг сырья получается до 70 кг молочной кислоты (в виде лактата кальция). Из молочной кислоты, в свою очередь, возможно получить термопластичный полимер – полилактид.
Маслянокислое брожение является обычной причиной порчи продуктов, и сопровождается прогорканием и появление дурнопахнущих веществ. Часто вызывается клостридиями, а также некоторыми другими термофильными микроорганизмами, часто встречаются в почве, иле и кишечнике млекопитающих, и способных расщеплять не только глюкозу и другие простые сахара, но и крахмал и даже целлюлозу. Одно из немногих полезных применений, известных до XX в – закваска для «salt rising bread», который пекли американские поселенцы (и пекут в США до сих пор) в Скалистых горах при отсутствии нормальной закваски, плохо сохранявшейся при кочевой жизни в фургоне. Попаданец же может использовать этот процесс для получения масляной кислоты – из 100 кг крахмала, сбраживаемого сенной палочкой при добавлении мела, получается 35 кг масляной кислоты, которая может использоваться для приготовления эфиров (искусственных фруктовых ароматизаторов), а также как пищевая добавка, крайне полезная в животноводстве, и помогающая сильно сократить смертность животных от инфекционных болезней.
Еще более полезным может быть процесс ацетон-бутанол-этанольного брожения (АБЭ-прецесс), вызываемого некоторыми видами клостридий. В 1915 г Хаим Вейцман (тот самый, который потом стал президентом Израиля) разработал процесс с использованием Clostridium acetobutyricum, позволяющий получать из 100 кг крахмальной патоки 12 т ацетона и 24 т бутанола, крайне необходимых Великобритании для производства кордита и синтетической резины. Этот метод быстро заменил старый способ, при котором для получения 1 т ацетона приходилось подвергать пиролизу 80-100 т березы или бука. Однако основной проблемой АБЭ-процесса является сильная токсичность бутанола по отношению к производящим его бактериям, из-за чего приходится использовать растворы с малой концентрацией бродящего вещества, что сильно затрудняет извлечение продуктов.
Actinobacillus succinogenes, обитающая в рубце коров, способна производить янтарную кислоту из целлюлозы.
Aspergillus niger, очень распространенный плесневый грибок, выращиваемый в открытых чанах, перерабатывает сахара в лимонную кислоту – 50-60 кг из 100 кг сахара (это не брожение, но тоже близкий процесс).
>из 100 кг крахмальной патоки 12 т ацетона и 24 т бутанола,
Именно так?
Из 100 кг сырья 12000 кг ацетона и попутно 24000 кг бутанола?
В довоенное время ацетон считался очень дорогим продуктом, что делало к примеру аэролак весьма дефицитным материалом. Равно как и бутанола. Насколько помню продукты на его основе были дефицитные.
А тут оказывается выход был за 10 тысяч процентов. Этак и нефти не надо. Гони себе ацетон на дрожжах.
Это опечатка, естественно. 100 тонн патоки
Kraz, статьи в черновиках недописанные. Дайте, пожалуйста, права на редактирование — картинки лоьавить, опечатки убрать
А я-то думал, чего у меня перебродивший квас ацетоном пахнет
Для успешной реализации описанных процессов очень важно вносить чистые культуры грибков или бактерий. Это не такая сложная задача. Например, чистая культура сенной палочки получается при длительном кипячении сена или соломы, поскольку споры сенной палочки очень устойчивы (таким образом получают закваску доя японских бобов натто). Клостридии переносят короткое кипячение, и егко подавляют остальеые бактерии при инкубировании в анаэробных условиях при температуре 45-50 гр. В качестве готовой закваски доя маслянокислого брожения можно использовать лимбургский сыр. Черная плесень (аспергиллус нигер) встречается повсеместно, на сырых стенах или гнилых овощах.
Если к арсеналу попаданца добавить микроскоп и термостат, то можно пытаться выводить чистые культуры, отбирать наиболнее продуктивные и даже переводить их на нетипичные субстраты.
«ферментацию проводить при пониженном давлении или продувая брагу углекислым газом – низко кипящий ацетальдегид легко отгоняется из браги»
Очень интересный и попаданческий процесс, не задумывался, что можно тупо отгонять… Тромпа, брожение — и мы имеем конкурента фурфуролу.
И как сконденсировать ацетальдегид, который чуть выше комнатной температуры кипит при атмосферном давлении?
Ну, имея ту же тромпу — небольшое охлаждение устроить несложно.
Ступенчато — набрали в газ при разрежении, сбросили давление — сконденсировали или сорбировали в воду, и по циклу.
Zymomonas mobilis — бактерии, сбраживающие сахара в спирт при производстве пульке и пальмового вина, а также ответственны за порчу пива при брожении при высокой температуре. В отличие от обычных Sacc. cerv. хорошо работают при высокой температуре (25-35 градусов), выдерживают до 16% спирта и отличаются высокой продуктивностью.
Японские кодзи использовались для осахаривания крахмала при варке саке. При этом они ещё и разделяют белки на аминокислоты, что придает саке характерный вкус и питательность.
Ну в готовом сакэ аминокислот не остается, они превращаются в сивушные масла, так же, как и при брожении картошки или зерна обычными дрожжами. Но японские дрожжи производят сивушные масла, состоящие в основном не из спиртов, а из эфиров, что и дает характерный вкус.
https://chestofbooks.com/science/chemistry/Distillation-Principles-And-Processes/Chapter-XXII-Production-Of-Acetone-And-n-Butyl-Alcohol-By-T.html
Достаточно подробно описана технология ацетон-бутанол-этальнольного брожения и выделения продуктов.
Молочно-кислое брожение применяется человеком с допотопных времен для приготовления кисломолочных продуктов и консервирования, и вряд ли попаданец сможет привнести какие-то значимые новшевства в этих областях. Однако на основе получаемой этим способом молочной кислоты можно производить достаточно интересный пластик — полилактид.
Для этого сначала нужно наладить производство самой молочной кислоты в чистом виде. Самый простой вариант — переоборудовать для этой задачи пивоварню, хотя люди скорей всего посмотрят с удивлением на идиота, пытающегося сварить прокисшее пиво. Непростерилизованное сусло скорей всего уже содержит необходимые бактерии, но не помешает добавить в качестве закваски капустный рассол или что-то вроде этого. Чтобы брожение происходило быстро, нужно поддерживать сусло в тепле и периодически добавлять мел для предотвращения чрезмерного увеличения кислотности. Молочная кислота в виде малорастворимого лактата кальция выпадает в осадок, который остается отфильтровать и разложить серной кислотой, после чего гипс легко отделить фильтрованием.
Молочная кислота содержит как кислотную, так и спиртовую группу, которые способны вступать в реакцию поликонденсации с выделением воды. Однако простым нагреванием молочной кислоты получить высокомолекулярный полимер нельзя, поэтому процесс необходимо вести в три стадии.
Сначала молочную кислоту помещают в перегонный куб и нагревают до температуры 150-170 градусов, при этом отгоняется вода и получается смесь олигомеров. Затем необходимо добавить небольшое количество кислотного катализатора (0.5% хлорида олова или оксида цинка), и температуру повысить до 200-230 градусов, и при небольшом вакууме начнет перегоняться лактид — циклический димер молочной кислоты. Чтобы получить в итоге полимер, к лактиду добавляется кислотный катализатор (0.05% оксида сурьмы или солей олова) и смесь выдерживается при температуре 170-180 градусов до превращения собственно полилактид.
Полилактид начинает размягчаеться при 60 градусах и плавится около 180 градусов, изделия из него можно отливать или штамповать. Предел прочности при растяжении полилактида 400-700 кгс/см2, что вполне достаточно для большинства применений.
Вряд ли полактид, как и любой другой пластик, будет востребован для массового производства в доиндустриальную эпоху, но какие-то применения для такого материала могут найтись.
Хотя консервация продуктов питания методом квашения с использованием молочнокислого брожения известна с глубокой древности, применение этого метода к кормам для скота было произведено достаточно недавно — с XVIII в Северной Европе, а широкое распространение получило лишь в середине XIX в.
Заквашивание кормовых растений, или силосование, позволяет сохранять практически все питательные вещества, силос хорошо поедается животными и улучшает усвоение грубого корма типа соломы или веток.
Силосовать можно самое разнообразное сырье, от свежей травы до корнеплодов и бахчевых, и даже соломы, однако требуется присутствие некоторого количества легкосбраживаемых сахаров и достаточной влажности. После измельчения сырье плотно трамбуется в ямы, траншеи или специальные башни, и по возможности изолируется от воздуха (с функцией изоляции от воздуха может справиться плотно утрамбованный наружный слой самого силосуемого материала). В процессе брожения молочнокислые бактерии повышают кислотность среды и препятствуют размножению гнилостных и других нежелательных бактерий.
Финский химик и агроном Арттури Ильмари Виртанен в 1930-х годах предложил добавлять в начале силосования небольшое количество серной или соляной кислоты (несколько килограммов на тонну), что практически полностью исключало нежелательные процессы брожения и порчу силоса. Эта казалось бы небольшая модификация оказала огромное влияние, и в 1945 г Виртанен даже был удостоен Нобелевской премии в области химии. Современный вариант предполагает использование раствора муравьиной кислоты (75%) и муравьинокислого аммония (5%) в воде, причем 5 л этой смеси достаточно на 3 тонны силоса.
//Для получения нормальной М. кислоты в большом количестве пользуются или М. брожением, или сухой перегонкой дерева. В первом случае заставляют бродить картофельный крахмал; в присутствии питательных солей под влиянием Bacillus subtilis (Фитц) [1], или же оставляют бродить крахмальный сахар (d-глюкозу) под влиянием гниющего лимбургского сыра (Грильон). Необходимо при этом, как показали впервые Пелуз и Желис, чтобы реакция среды, в которой происходит брожение, была нейтральная или слабощелочная; достигается это прибавлением мела. Под влиянием Bacillus subtilis нормальная М. кислота образуется из глюкозы (по Фитцу) прямо (?), а при брожении под влиянием гниющего сыра (развивающиеся в этом случае микроорганизмы не выделены в чистом виде) сначала наступает слизевое брожение, при чем d-глюкоза превращается в молочную кислоту (см.): C6H12O6 = 2C3H6O3, осаждающуюся в виде кальциевой соли, а затем через некоторый промежуток времени (зависящий от условий) развивается М. брожение, характеризующееся постепенным растворением образовавшейся ранее молочнокальциевой соли и одновременным выделением газов, состоящих из смеси углекислоты и водорода (присутствие последняго характерно для М. брожения): 2C3H6O3 = C4H8O2 + 2CO2 + 2H2 [2]. Выделенную из кальциевой соли, по окончании брожения, нормальную М. кислоту — для очищения (она сопровождается уксусной и янтарной кислотами — Фитц; уксусной и капроновой кислотами — Грильон) — превращают, с помощью спирта и серной кислоты, в этиловый эфир, который и фракционируют; если нужна сама М. кислота (применение эфира см. ниже), то эфир омыляют на холоде известковым молоком, из кальциевой соли, осажденной нагреванием раствора (см. ниже соли М. кислоты), выделяют нормальную М. кислоту и снова фракционируют (Баннов). //
//К двум литрам воды, нагретой до 40°, прибавляют 100 г картофельного крахмала, 0,1 г фосфорнокалиевой соли, 0,02 г сернокислого магния, 1 г нашатыря, 50 г мела и вносят каплю культуры Bacillus subtilis, дней через 10 брожение окончено; выход 1 г спирта — C2H6O, 35 г масляной кислоты, 5 г уксусной кислоты и 1/3 г янтарной кислоты (Фитц).//
Среди производных масляной кислоты заслуживает внимания бутирин, получающийся из м. кислоты и глицерина. Добавляя бутирин в маргарин и подобные эрзацы масла, можно как увеличить сходство с натуральным маслом, так и повысить питательные качества. В наши дни бутирин активно используется как пищевая добавка как для сельскохозяйственных животных, так и для людей, так как масляная кислота благотворно действуем на микрофлору кишечника.