Biofermentációs eljárások

Az előadások a következő témára: "Biofermentációs eljárások"— Előadás másolata:

1 Biofermentációs eljárások

2 Többezer éves múlt, erjesztés-savanyítás, stb.
A XX. században különböz korszakai voltak 1. Citromsav korszak (1940-ig) föleg élelmiszeripari, erjedésipari termékek (tejsav, etanol, aceton, butanol, riboflavin, enzimek) 2. Antibiotikum korszak (kb ) antibiotikumok, szteroidok, aminosavak, enzimek, stb. ekkor dolgozták ki a steril technikáknak, az oxigénellátásnak, a mikroorganizmusok nagyüzemi körülmények között való kezelésének, a törzsnemesítésnek a módszereit 3. Jelenlegi korszak (ez a biotechnológia) Jellemzi: Új energiaforrások alkalmazása Óriási fermentorok Mszerezés, optimalizálás, komputerizáció Új, molekuláris biológiai módszerek

3 Cél: 1. Sejtmassza elállítás (SCP) 2. Sejtkomponensek elállítása
3. Metabolizmus-termék elállítása 4. A mikroorganizmusok átalakító képességének kihasználása 5. A mikroorganizmusok lebontó képességének kihasználása Alkalmazási területek 1.Élelmiszeripar 2. Gyógyszergyártás 3. Vegyszergyártás 4. Környezetvédelem 5. Egyéb

4 1. Sejtmassza előállítás (SCP)
Mi a célja? Kiegészít, fleg takarmányozási célra használható fehérjeforrás elállítása új típusú alapanyagokból. Normál esetben emberi fogyasztásra való alkalmazása nem célszerű. Előnye: független a mezgazdasági termeléstl, nem szezonális gyártás nagyméretű készülékekben, automatizálható, kis munkaerő igény teljes biológiai érték fehérjét tartalmaz Hátrány: eszközigényesség ( t/év MeOH (metanol) alapú SCP-hez több Mrd Ft) nagy energia- és vízfelhasználás, sok szennyvíz A MeOH alapú SCP elállítás jövje: 1. Mszakilag megoldott, tápértéke jó, Ny-Európában engedélyezett, Oroszországban az élelmiszerellátási problémák megoldására erltetett ütemben fejlesztették. 2. Gazdaságosság - alapanyag ár-függvénye - legyen termotoleráns az eljárás - javuljon a termelékenység - esetleg termeljen további értékes anyagokat 3. Piaci helyzet: verseng a szójadarával, de még nem olcsóbb

5 2. Sejtkomponensek elállítása
Ipari enzimek: nukleinsavak Poliszacharidok xantán poli-b-hidroxi-butirát (lebomló manyag) rDNS termékek

6 3. Metabolizmus-termék eláőllítása
a/ Primer metabolitok Aminosavak Az élelmiszeriparban: ízjavító anyagként (Na-glutamát, Naaszpartát) antioxidánsként (cisztein gyümölcslevek- ben, triptofán, hisztidin) Takarmánykiegészítként (lizin, metionin) Gyógyszerként (infúziós oldatokban) Vegyipari eljárások alapanyagaként alkalmazzák Lizin, triptofán, glutaminsav A japánok a nagymenk, génmanipulált törzsekkel, számítógépes vezérlés, m3-es fermentorokban termelnek Alkoholok: etanol: elször vegyszerelállítás, utána etilénbl csinálták (olajbség), majd megint erjesztéssel, benzin helyett aceton-butanol: csökken a jelentsége Szerves savak: citromsav: többszázezer tonna/év glükonsav ecetsav(de ez lehet inkább mikrobiológiai transzformáció) tejsav b/ Szekunder metabolitok Vitaminok B2 (riboflavin),B12, A-provitamin (b-karotin) Alkaloidok: anyarozs alkaloidok: gyógyszerek Antibiotikumok: több tízezret írtak le, vizsgáltak meg, de csak néhány száz van kereskedelmi forgalomban. A hatásspektrum, a hatásmechanizmus, a termel törzs, a bioszintézis útja és a kémiai szerkezet alapján lehet csoportosítani ket

7 4. A mikroorganizmusok átalakítóképességének kihasználása
oxidáció, redukció hidrolízis, kondenzáció izomerizálás Szteroid-transzformációk (oxidáció, redukció, hidrolízis, észterképzés) Glükóz-aszkorbinsav átalakítás (szorbit-szorbóz) glicerin - dihidroxi-aceton Prosztaglandinok (PGF2a) arachidonsavból Antibiotikumok sokféle transzformációja (hatástalanítás) Peszticidek transzformációja (környezetvédelem)

8 5. A mikroorganizmusok lebontóképességének kihasználása
Cellulóz-felhasználás Csirketoll (keratináz) Napraforgómag héja Lignin-lebontás Sajt savó, kipréselt cukornád

9 Felhasználási területek
Bányászat Gyenge ércek kilúgozása fémköt mikroorganizmusokkal (Thiobacillus ferrooxidans) Fe Fe3+ S H2SO4 Réz- és uránbányászat Kriminalisztika Tettesek azonosítása Mezgazdaság Cél: a vegyszerezés szintjének csökkentése Japán: rizsallergiát okozó fehérjét nem tartalmazó rizs elállítása USA: rovarkártevknek ellenálló gyapot elállítása szabályozott érés paradicsom elállítása Génmanipulált burgonya: Régészet Fáraók közötti rokonság megállapítása Katonai alkalmazások Antrax teszt Végtelen széles lehetségek a felhasználásra, és újabbakkal bvül, a molekuláris biológiai módszerek alkalmazásával (mesterséges enzimek, nem vizes közegben mköd enzimes katalízisek, biológiai számítógép, molekuláris méret mechanikai konstrukció, kihalófélben lev állatok, (pl. panda nyúlban) klónozással való szaporítása, stb.) Élelmiszeripar Erjesztéses iparok Alkoholgyártás Élesztgyártás Tejtermékek Savanyúságok, húsipar Gyógyszeripar Gyógyítás Antibiotikumok Szteroid alapanyagok HIV ellen antiszensz RNS Tripla hélix DNS (jobbnak várják mint az anti-szensz RNS-t) Génterápia: az els elfogadott eljárások bevezetését 1997-re várták Human Genome Project Farmakogenomiális vizsgálatok azaz annak vizsgálata, hogy az egyes emberek eltér genetikai háttere hogyan befolyásolja az új gyógyszerjelöltek hatását Megelzés vakcinálás Diagnosztizálás In vitro gyógyszeripari vizsgáló és ellenrzési eljárások USA: 290 M USD/év a kísérleti állatok felhasználására, évi 5%-kal n. Ma még ennek csak nagyon kis részét váltják ki in vitro módszerekkel, de gyorsan növeked terület

10 Szeszipar Gyimesi,L és Sólyom,L: Élesztő és Szeszipari Kézikönyv
Ajánlott irodalom Gyimesi,L és Sólyom,L: Élesztő és Szeszipari Kézikönyv Mezőgazdasági Kiadó, Budapest,1979 1.fejezet: Élesztő- és szeszgyártás mikrobiológiája 4.fejezet: Szeszgyártás Békési,Z. és Pándi,F.:Pálinkafőzés Mezőgazda Kiadó, Budapest, 2005 2.fejezet.: A gyümölcspálinkák alapanyagai 4.fejezet.: Lepárlás és pálinkafőzés

11 Anaerob fermentáció Az alkoholos erjedés fő lépései
A Saccharoyces cerevisiae szerepe az alkoholos erjesztésben Másodlagos erjedési melléktermékek Az élesztőtörzsek ipari alkalmazásának elvárásai Az ipari erjesztési technológiák fő jellemzői Az élesztők élelmiszeripari alkalmazása

12 Alkoholos erjedés főbb lépései (EMP ciklus)
GAP DHA Hexóz foszforilezése ATP ADP hexokináz 2 mól triózfoszfát Triózfoszfát dehidrogénezése foszfoglicerinsav NAD+ NADH2 Foszfoenol piroszölösav képződése -H2O Piroszölösav Acetaldehid CO2 dekarboxiláz alkoholdehidrogenáz Etilalkohol kináz piruvátkináz egyensúly!

13 Saccharomyces cerevisiae
Fakultatív anaerob szervezet Anyagcserét szabályozó mechanizmusok Pasteur effektus: molekuláris oxigén jelenlétében az erjesztés gátlódik Crabtree effektus: a cukor felesleg még jó oxigén ellátás mellett is gátolja a légzési enzimeket aerob 6CO2 + 6H2O Hexóz lebontás anaerob 2CH3-CH2-OH + 2CO2 A légzés energia mérlege Glükóz 6H2O + 6CO ,4 kcal 100 kg 48 kg élesztő szárazanyag Az erjesztés energiamérlege /hatásfok=26%/ Glükóz + 2Pi + 2ADP C2H5OH + 2CO2 + 2ATP + 14,6kcal 100 kg kg kg

14 Saccharomyces cerevisiae jelentősége az erjesztésben (folyt.)
Fermentatív fajok: represszáló szénforrások (G,F,Mannóz) jelenlétében az alkoholos erjedés részaránya aerob viszonyok között is preferált, gyors a cukor bontás, kicsi légzési hasznosulás Katabolit represszió (Crabtree effektus) glükóz jelenlétében a légzési enzimek szintézise gátolt Respiratív fajok: glükóz légzési enzimeket gátló hatása nem érvényesül, dominál a terminális oxidáció Pasteur effektus (átkapcsoló mechanizmus) az élesztők oxigén jelenlétében csökkentik a glükóz felvételt és alkohol helyett sejttömeg képződik energetikai problémák (hatásfok! 2/38 ATP arány; 20x több cukor szükséges

15 Az erjesztés során képződő termékek
Alkoholok Savak Észterek Egyebek Glicerin Etanol n-Propanol Butanolok Amilalkoholok Feniletanol Ecetsav Tejsav Piroszőlősav Borostyánkősav Kaprilsav Almasav Vajsav Etilacetát bármilyen észter a keletkezett savakból és alkoholokból CO2 Acetaldehid Diacetil H2S Pentándiol Butándiol Acetálok

16 Erjedési mellékreakciók I.
1) Glicerin képződés glicerintermelés fokozása 2% → 30% NADH2 NAD+ 2) Szerves savak képződése

17 Közvetlenül erjeszthető szénhidrát források
cukornád, cukorrépa: nincs szükség enzimre cukor cirok: szacharózon kívül keményítő amiláz/ celluláz adagolás melasz: invertáz /növeli a kitermelést asszociál az élesztő sejtfalon, elősegíti a cukor transzportot bagasz: (kipréselt cukornád): celluláz/ hemicelluláz fokozza a kitermelést; invertáz tejsavó: környezetvédelmi probléma BOD /BOI/= 30-40ezer mg/l a laktózt a S.cerevisiae nem képes hasznosítani USA: 9 millió tonna/ év savó potenciális: 35 millió hl alkohol Magyarország: 60 ezer tonna/ év savó

18 Keményítő tartalmú nyersanyagok feltárása
Alapelv: → feltárás és folyósitás alfa-amiláz → cukrosítás glükoamiláz kukorica: termostabilis α-amiláz, (B. amiloliquefaciens, B. licheniformis nem termostabilis α-amiláz: (B. subtilis) glükoamiláz (Asp. niger ) árpa: probléma a β-glükán (glükóz extrakció) tartalom megoldás: proteolitikus enzim (feltárásnál) és β-glükanáz adagolás(erjesztés előtt) rizs: hántolatlan rizs: magas β-glükán tartalom, β-glükanáz adagolás cassava/ manióka: gumós (keményítőtartalom: 25-30%) aprítás/ szeletelés/ szárítás → ipari nyersanyag forrás feldolgozás: mint a kukorica → α-amiláz + glükoamiláz A kitermelést fokozza a celluláz adagolás (T. reseii) liter absz. alkohol / tonna

19 A szeszgyártás műveleti lépései
Nyersanyag feltárása Cefrézés Erjesztés Leerjedt cefre feldolgozása szeparálás Desztilláció nyersszesz kinyerése finomszesz desztillálása vízmentes alkohol előállítása

20 Pálinka A pálinka az erjesztett gyümölcsök lepárlásával készülő gyümölcspárlatok egy hagyományos, magyar fajtája. Az európai uniós jogszabályoknak (Council Regulation (EEC) No 1576/89) megfelelően a "pálinka" szót csak Magyarország és négy osztrák tartomány használhatja.

21 Cefrézés Tisztitás Apritás Adalékok…
pH beállítás (borkősav azaz 2,3-dihidroxi-butándisav ) Pektin bontó enzimek Élesztő kultúra Lezárás

22 Az erjesztés A élesztő elszaporodása (aerob)
Alkoholos forrás (anaerob)

23 Desztilláció azaz a pálinka főzés
Egylépcsős Kétlépcsős Deflegmáció azt a folyamatot mondjuk, melynél a szesz- és vízgôz elegyét nem teljesen, hanem részlegesen hûtjük le, avégbôl, hogy annak csak egy része cseppfolyósodjék. Miként a szeszes folyadék forralásakor viszonylag szeszdúsabb gôzt kapunk, ennek megfordított mûveleténél a szesz + vízgôzbôl egy szeszre hígabb folyadék és dúsabb gôz keletkezik. A lehûtést vízzel, vagy a lepárlandó cefrével végezhetjük, így a meleg sem vész kárba. A hûtôfolyadék ne legyen melegebb az elôállítandó szesz forráspontjánál (rendesen alatta is van: Co). A lecsapódott folyadékot flegmának, vagy lutternek nevezik, s visszavezetik a lepároló rendszerbe. Rektifikálás Ha szeszes folyadék 2-3 vagy egy egész sorozat külön edényben vagy egy készülék elkülönített részeiben van elhelyezve, s a szeszes gôzök ezeken sorjában végighaladnak, akkor eleinte a gôzök lecsapódnak, s ezzel az illetô edény vagy rekesz szesztartalmát növelik. Egyben azonban a gôzök felmelegítik a folyadékrészleteket, és a folyton jövô gôz végül is felforralja sorban a rekeszek tartalmát, miáltal alkoholban mindig dúsabb és dúsabb gôzök keletkeznek. Ez a folyamat tulajdonképpen sokszor ismételt lepárlás, azzal a különbséggel, hogy nem hûtôben cseppfolyósodik a gôz, hanem a rekeszek szeszes folyadékában. .

24 Desztilációs készülékek:
Hagyományos:

25 Modern: Deflegmációs kupolával

26 Rektifikáló oszloppal
Tányér szám 5-10

27

28 Kedves műfaj kedvelő barátunknak
Dr. Kovács Barnának ez úton kivánunk Boldog születésnapot!

29 Köszönőm megtisztelő figyelmüket!