Szerves savak: citromsav, glükonsav, ecetsav Polihidroxi-alkánsavak

Az előadások a következő témára: "Szerves savak: citromsav, glükonsav, ecetsav Polihidroxi-alkánsavak"— Előadás másolata:

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

2 Citromsav Élelmiszeripar 1910-ig főleg citromból
30-40 t citrom → 1 t citromsav = 3 ha James 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

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

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

5 Citrát ciklus

6 Acetil-CoA Piruvát → Acetil-CoA lépés irreverzibilis

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

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

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

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

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

12 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

13 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

14 Citromsav termelés Szilárd fázison fermentáció

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

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

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

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

19 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

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

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

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

23 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

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

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

26 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

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

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

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

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

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

32 Ecetsav felhasználás Élelmiszeripar Legrégebben használt tartósítószer
Specialitás: rizsecet

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

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

35 Polihidroxi-alkánsavak

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

37 Polihidroxi-alkánsav: bioszintézis

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

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

40 Polihidroxi-alkánsav: granulum

41 Polihidroxi-alkánsav: granulum
Ca-só, vízben nem oldódik PHA PHA szintáz PHA depolimeráz Strukturális fehérjék

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

43 Polihidroxi-alkánsav: termeltetés
R. eutropha = Cupridavidus necator (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

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

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

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

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

48