Aceton, butanol 2,3-butándiol

Az előadások a következő témára: "Aceton, butanol 2,3-butándiol"— Előadás másolata:

1 Aceton, butanol 2,3-butándiol
Biotechnológia 1 Aceton, butanol 2,3-butándiol

2 AB termelés EtOH után a 2. legfontosabb fermentációs termék
Pasteur (1861): mikrobiális butanol fermentáció 1900- szintetikus gumigyártás alapanyaga Clostridium acetobutylicum (1910-) Weizmann vs. Fernbach I. világháború UK: füstmentes lőporhoz aceton kellett Churchill felkéri Weizmann-t ipari termelésre Kukorica keményítőből, de UK-ban kevés volt Termelés Kanadában , USA-ban

3 AB termelés Háború után aceton igény csökkent Autóipar fejlődik
Festék és lakkiparnak butanol kell 1925: 100 tonna butanol/nap 1930: világ első szabadalmi pere Melléktermékek hasznosítása Aceton, i-propanol, H2 + CO2 Keményítő helyett melasz Gazdaságosság megnőtt

4 AB termelés II. Világháború: aceton igény ismét nőtt Háború után
Folyamatos fermentáció Folyamatos desztilláció Melasz alapanyag: USA Szovjetúnió, Japán is termel oldószert Háború után Olajipar fejlődik, olcsó oldószert gyárt Melaszt állati takarmányként dotálva hasznosítják Weizmann: Izrael első államelnöke Ma: ismét igény van a fermentációs iparra Megújuló üzemanyag

5 AB termelés Clostridium acetobutylicum Gram + Obligát anaerob
Spórát képez Keményítő hidrolizátumon, melaszon jól nő csicsóka, tejpermeátum, almalé, alga is jó táp Butanol:Aceton:EtOH = 6:3:1 arányban Frakcionált desztilláció Szakaszos, folyamatos üzemmódban

6 AB biokémia C. acetobutylicum Szerves oldószerek Szerves savak
butanol, aceton etanol, i-propanol Szerves savak ecetsav, tejsav vajsav

7 AB biokémia: Embden-Meyerhof

8 AB biokémia Acetogenezis Szolventogenezis

9 AB szabályzás Intracelluláris redox egyensúly szabályoz
Nehéz befolyásolni pH kritikus pH ≈ 6-7 → acetogenezis pH ≤ 4 → bespórázik

10 AB szabályzás Intracelluláris redox egyensúly szabályoz Fe limitáció
Acetogenezis utat Fe hiány gátolja Piruvát ferredoxin oxidoreduktáz (PFOR) NADH ferredoxin oxidoreduktáz [FeFe] hidrogenáz Szubsztrát limitáció Stacioner fázisban szerves savakat újra felhasználja → szolventogenezis

11 AB fejlesztés GMO Clostridia Immobilizáció Melléktermék hasznosítás
Cellulóz hasznosítás Oldószer tolerancia Immobilizáció Folyamatos fermentáció Folyamatos oldószer kivonás Melléktermék hasznosítás Biomassza: B-vitaminok H2, CO2: energia, vegyipar

12 AB hasznosítás Oldószer, vegyipari alapanyag Melléktermékek
Biomassza: B-vitaminok H2, CO2: energia, vegyipar Bioüzemanyag Jobb, mint EtOH bekeverés

13 2,3-butándiol XIX. század óta ismert fermentáció II. világháború
Butadién – műgumi alapanyag Kőolajból vegyipari szintézissel Háború után Verseny a kőolajiparral

14 2,3-butándiol Optikai izomerek Gyógyszeripari alapanyagok

15 2,3-butándiol biokémia Kevert savas fermentáció
Butándiol mellett acetát, etanol, stb.

16 2,3-butándiol biokémia Kevert savas fermentáció
Diacetil = vaj íze = mesterséges vaj

17 2,3-butándiol termeltetés
Acetát szint szabályoz Több gátló, indukáló és aktiváló hatás Nehezen kontrollálható

18 2,3-butándiol termeltetés
Enterobacter cloaceae Fakultatív anaerob, Gram - Sok O2 → sok ATP = biomassza termelés Kevés O2 → kevert termékek DOT ≤ 3% 2,3-butándiol a fő termék

19 2,3-butándiol termeltetés
Enterobacter cloaceae

20 2,3-butándiol termeltetés
E. cloaceae Fakultatív anaerob Sok O2 → sok ATP = biomassza termelés Kevés O2 → kevert termékek DOT ≤ 0,3% → 2,3-butándiol a fő termék

21 2,3-butándiol termeltetés
Alapanyag Melasz, tejpermeátum, keményítő vagy cellulóz hidrolizátum 30 – 37 °C pH = 5,0 - 5,8 mikroaerofil (!)

22 2,3-butándiol termeltetés
Kinyerés Oldószeres extrakció nehézkes, drága Vákuum desztilláció (Fp = 180 °C) drága, sok veszteség Vízelvonással: metil-etil-keton (Fp = 80 °C) műgumi alapanyag

23 2,3-butándiol hasznosítás
Üzemanyag adalékként Környezetbarát, de vizet jól köt Fűtőanyag Vegyipar Oldószer Műgumi metil-etil-keton → 1,3-butadién

24 Szerves savak: citromsav, glükonsav, ecetsav Polihidroxi-alkánsavak
Biotechnológia 1 Szerves savak: citromsav, glükonsav, ecetsav Polihidroxi-alkánsavak

25 Citromsav Élelmiszeripar 1910-ig főleg citromból
30-40 t citrom → 1 t citromsav = 3 ha Currie: Aspergillus niger pH ≤ 2,5 → ≥ 60% konverzió Feltételek: Alacsony pH Alacsony [Mn2+] Sok cukor Alacsony növekedési sebesség 1930- világ citromsav termelés 90-95% gombával A. niger, Penicillium glaucum

26 Citromsav – Aspergillus niger
Eukaryota Aerob glikolízis Citrát ciklus Fonalas gomba Fekete micélium Spóra Jól tárolható Tanninon szelektíven nevelhető

27 Citrát ciklus Cukorból acetil-CoA Acetil-CoA megy a ciklusba
Szent-Györgyi - Krebs Nem keletkezik ATP, csak 2 CO2, 1 GTP és 8 e-

28 Citrát ciklus

29 Acetil-CoA Piruvát → Acetil-CoA lépés irreverzibilis

30 Kapcsolódás a sejtlégzéshez
8 energiadús elektron a cukorból elektronok O2-t redukálnak proton gradienst hozva létre proton gradiensből ATP

31 Kapcsolódás a sejtlégzéshez
Citrát kör + oxidatív foszforiláció adja az eukarióta sejtek energiájának 95%-át A két folyamat számára külön sejtszervecske alakult ki: mitokondrium

32 Kapcsolódás a sejtlégzéshez
Piruvát oxidatív dekarboxilezése és citrát kör (valamint zsírsav oxidáció) Oxidatív foszforiláció Átjárható Mátrix Belső mitokondrium membrán Külső

33 Citromsav biokémia Citrát ciklus csak a citromsavig megy el alacsony pH-n.

34 Citromsav termelés Fémhiányos környezetben
Alacsony pH a fém mobilizálásnak kedvez Citromsav kelátorként fém felvételt segíti Termeléshez a cukrot felveszi, citromsavat kiválasztja, fém-citrátot felveszi

35 Citromsav termelés Általános feltételek Tápanyag Oxigén ellátás Melasz
Szukróz (glükóz-fruktóz diszacharid) Invertáz enzim monoszacharidokra bontja Keményítő hidrolizátum Maltóz (glükóz-glükóz diszacharid) Oxigén ellátás Felületi fermentáció agar tálcákon

36 Citromsav termelés Specifikus feltételek pH ≤ 2,5
Fémion (Mn2+) koncentráció alacsony Kelátorok Na2-EDTA K4[Fe(CN)6] – hexaciano ferrát Kétfázisú fermentáció Micelium tenyésztés Lassú szaporodás mellett biokonverzió

37 Citromsav termelés Szilárd fázison fermentáció

38 Citromsav termelés Agar lemezbe Levegő áramoltatás Melasz
K-hexaciano-ferrát Puffer mentes Levegő áramoltatás Vízgőzzel telített

39 Citromsav termelés Spórából indul Kétfázisú fermentáció
biomassza termék Termelés végén citromsav az agarban

40 Citromsav kinyerés Agarból vízzel kimossák Koncentrálás
Nagy térfogatban Citromsav + minden vízoldékony Koncentrálás Ca(OH)2 (Ca)3-citrát kicsapódik Szűrés

41 Citromsav kinyerés (Ca)3-citrát oldás Ioncserélő kromatográfia
H2SO4 – erős sav Citromsav + CaSO4 Ioncserélő kromatográfia Kristályosítás

42 Citromsav felhasználás
Ma: tonna/év Élelmiszeripar tartósítószer üditő italok GRAS Kozmetikai ipar Kelátor Vízlágyító pl. Calgon fémtisztító Biopolimerek citrát-laktát polimerek Biofilterek pl. SO2 emisszió

43 Glükonsav Aspergillus niger Neutrális pH Fémion (Mn2+) kell

44 Glükonsav biokémia Aspergillus niger Glükóz oxidáz Kataláz
Extracelluláris enzim FAD-ot tartalmaz Redox folyamat Kataláz Kapcsolt reakció H2O2 védekezésre jó Lignin degradáció

45 Glükonsav biokémia Aspergillus niger Glükóz oxidáz
Extracelluláris enzim FAD-ot tartalmaz Redox folyamatok pH=3 alatt inaktiválódik

46 Glükonsav termelés A. niger Általános feltételek Specifikus feltételek
sok cukor aerob 35-37 °C alacsony P és/vagy S Specifikus feltételek pH> 5 min. 10 mM Mn2+ Extracelluláris reakció Termék az agarban

47 Glükonsav kinyerés Oldás vízben Ca(OH)2 kicsapás H2SO4 leszorítás
Hagyományos tisztítás ld. Citromsav

48 Glükonsav felhasználás
tonna/év Tisztítószerek vízlágyítók Kelátoló szerek Nehézfém ionokat megköti Táp vagy élelmiszer adalék pl. tofu Bioszenzor Glükóz oxidáz

49 Ecetsav termelés Aerob – Acetobacter sp. Alkohol oxidáció
kevert ecetsav baktérium kultúra Alkohol oxidáció Alkohol dehidrogenáz Aldehid dehidrogenáz Oxigén limitált Immobilizálás pl. forgácson Biofilm = nagy felület

50 Ecetsav termelés Szubsztát és termékgátlás
10-15% alkoholból 10-15% ecetsav ≈ 100% konverziós hatásfok bor vs. tömény italok Félfolyamatos vagy kétlépéses eljárások

51 Ecetsav hatásfok növelés
Immobilizálás bezárással pl. alginát, karrageán, porózus kerámia Gradiensek térben

52 Ecetsav Anaerob – Clostridium thermoaceticum glükóz → ecetsav
Savstressz ellen pH kontroll pH ≈ 7,0 20-25% acetát koncentráció Ipari célra

53 Ecetsav kinyerés Élelmiszeripar Vegyipar 10-15% ecet
Kombinált eljárások

54 Ecetsav felhasználás 200 000 tonna/év Élelmiszeripar
Legrégebben használt tartósítószer Specialitás: kombucha Savanyított zöldségek

55 Ecetsav felhasználás Élelmiszeripar Legrégebben használt tartósítószer
Specialitás: rizsecet

56 Ecetsav felhasználás Vegyipar Ca-Mg-acetát = “zöld só”
-15 °C-ig használható Talajbaktériumok lebontják Nem korrodeál

57 Polihidroxi-alkánsavak
3-OH-vajsav OH-alkánsavak Prokarióta tartalék tápanyag Metanogének és tejsav baktériumok nem termelik Ralstonia eutropha aerob, könnyen tenyészthető, toxint nem termel

58 Polihidroxi-alkánsavak

59 Polihidroxi-alkánsav: bioszintézis
PHA szintáz CoA-aktivált OH-alkánsav Konzervált –SH Láncnövekedés átészterezéssel Lánchossz fajtól függ Hidrofób polimer kicsapódik Ca-PHA granulum a sejtben

60 Polihidroxi-alkánsav: bioszintézis

61 Polihidroxi-alkánsav: bioszintézis
PHA szintáz CoA-aktivált OH-alkánsav Konzervált –SH Láncnövekedés átészterezéssel Lánchossz fajtól függ Hidrofób polimer kicsapódik Ca-PHA granulum a sejtben

62 Polihidroxi-alkánsav: indukció
Táplálék felesleg Fontos elem limitáció P – nukleinsav szintézis S – fehérje szintézis Nem tud szaporodni Tartalék tápanyagot halmoz fel

63 Polihidroxi-alkánsav: in vivo
Tartalék tápanyag Ozmotikusan inert a sejtben Nem toxikus Intracellulárisan jól megőrződik Nitrogenázt védi 02 ellen

64 Polihidroxi-alkánsav: granula
Ca-só, vízben nem oldódik PHA PHA szintáz PHA depolimeráz Strukturális fehérjék

65 Polihidroxi-alkánsav: tulajdonságok
PHA termoplasztikus elasztoplasztikus vízben nem oldódik biokompatibilis biológiailag lebontható optikailag aktív piezoelektromos

66 Polihidroxi-alkánsav: termeltetés
R. eutropha (Zeneca) Két fázisú fermentálás biomassza szaporítás P vagy S limitált növekedés és sok szénforrás mellett PHA termeltetés Kinyerés sejtfeltárás granulák elválasztása centrifugálás szűrés szerves oldószerrel extrakció spray drying

67 Polihidroxi-alkánsav: felhasználás
Csomagolóanyag Flakon (Wella) Zacskó, tálca, folyadék Biológiailag lebomlik

68 Polihidroxi-alkánsav: felhasználás
Prosztetikum, sebész cérna Kapszula, bioretard anyagok Lipáz, eszteráz bontja

69 Polihidroxi-alkánsav: felhasználás
Prosztetikum, sebész cérna Kapszula, bioretard anyagok Lipáz, eszteráz bontja

70 Polihidroxi-alkánsav: lebontás
Depolimeráz Hidrolizáló enzim Más észter kötést bontó Eszteráz Lipáz Celluláz Glükanáz Nem specifikus enzimek bioremediáció