ENZIMES ÉS MIKROBIÁLIS BIOKONVERZIÓK

Az előadások a következő témára: "ENZIMES ÉS MIKROBIÁLIS BIOKONVERZIÓK"— Előadás másolata:

1 ENZIMES ÉS MIKROBIÁLIS BIOKONVERZIÓK
De novo FERMENTÁCIÓK  Si X  Pj (X+ X) mikroorganizmus növényi sejttenyészet állati szövettenyészet BIOTECHNOLÓGIAI ELJÁRÁSOK BIOTRANSZFORMÁCIÓK S X P X sejt(alkotórész) S E P E enzim

2 ENZIMES ÉS MIKROBIÁLIS BIOKONVERZIÓK
TULAJDONSÁGOK,JELLEMZŐK: l.enzimtulajdonságok is!! -SZUBSZTRÁTSPECIFITÁS -REAKCIÓ(csoport)SPECIFITÁS – adott r. mellékreakciók -RÉGIÓSPECIFITÁS – a S egy adott helyén -SZTEREOSPECIFITÁS - enantiomerek felismerése - megadott e. keletkezik KIROTECHNOLÓGIA –szerves kémikusok új eszköztára -ENYHE REAKCIÓKÖRÜLMÉNYEK – OC , P, pH REAKCIÓTÍPUSOK

3 REAKCIÓTÍPUS ENZIMCSOPORT REAKCIÓK Oxidációk és és redukciók EC 1. Hidroxilálás, dehidroxilezés, epoxidálás, C-C kötés hidrogénezése,- dehidrogénezése, alkoholok, aldehidek oxidációja, alkil-, karboxialkil-, ketoalkil láncok oxidatív lebontása, subsztituensek oxidatív eltávolítása, oxidatív dezaminálás, oxidatív gyűrűfelnyitás, szerves savak, aldehidek, ketonok redukciója, heterofunkciós csoportok redukálása, , szubsztituensek reduktív eliminálása Hidrolízis EC 3. észterek, aminok, amidok, laktonok, éterek, laktámok hidrolízise Izomerizáció EC 5. kettős kötés és oxigén tartalmú csoport áthelyezés, racemizálás, intramolekuláris átrendeződés Kondenzáció EC 2. EC 4. dehidratálás, O-ésN-acilezés, glikozilezés, észterezés, laktonizáció, aminálás Új kötés létrehozása EC 6. C-C , C-O, C-P, C-N kötések kialakítása

4 ENZIMES ÉS MIKROBIÁLIS BIOKONVERZIÓK
MIVEL TÖRTÉNIK? ENZIMEKKEL -OLDOTT, RÖGZÍTETT SEJTEKKEL - NÖVEKEDŐ SEJTEKKEL (fermentáció: AcOH, szorbóz, glükonsav)) -NYUGVÓ SEJTEKKEL (spórákkal) - RÖGZÍTETT sejtekkel - FÁZISRENDSZEREKBEN

5 k2 (kataláz) 107 /sec

6

7 Enzimek 3 csoportja (de lásd EC1.csoport:oxidoreduktázok)
OXIDÁCIÓ 1. Biológiai oxidációkban az O2 mint végső elektronakceptor működhet, vagy közvetlenül belép a szerves molekulába. Enzimek 3 csoportja (de lásd EC1.csoport:oxidoreduktázok) *oxidázok vagy elektrontranszferázok (például glükóz-oxidáz): 1.1.3 O22- O2 + 2e- O22- H2O2 *dioxigenázok vagy oxigéntranszferázok (például triptofán-pirroláz): 1.13 A + O2 AO2 *monooxigenázok vagy hidroxilázok (például szteroid hidroxilázok): AH + DH2 + O2 AOH + D + H2O 1.13 NADH , NADPH

8 L-Triptofán dioxigenáz N-formil-kinurenin BIM SB 2001 C H 2 N O T r i
( ) L-Triptofán dioxigenáz N-formil-kinurenin

9 nem reagál közvetlenül, de...
BIM SB 2001 nem reagál közvetlenül, de... *DEHIDROGENÁZOK 1.1.1 koenzim szükséglet : NADH , NADPH FADH2

10 Primer alkoholok oxidációja ADH -455 KJ/mol
BIM SB 2001 Primer alkoholok oxidációja ADH -455 KJ/mol Acetobacter aceti CH3-CH2OH CH3-COOH + H2O O2 Ipari ecetgyártás: Orleans-i eljárás (14.sz) generátor eljárás (gyorsecet, bükkfaforgács…) szubmerz eljárás O2 ellátás kritikus S és P szint is kritikus RÁTÁPLÁLÁS CO2+H2O Acetobacter peroxydans J= 11,5 kg/m3h 1994: 19% AcOH, 2-3% EtOH fed batch

11 Ecetsav-platform

12 Szekunder alkoholok oxidációja.
10% glicerin 33 h alatt O2-nel dúsított levegővel G. melanogenus Szorbóz fermentáció, aszkorbinsav előállítás Bertrand szabály (1904) olyan szekunder hidroxil-csoportot képesek oxidálni, amelynek szomszédságában 2 cisz helyzetű alkoholos OH található

13 OXIDÁCIÓ 3. Szorbóz fermentáció Technológiai kérdések: alapanyag: lebontott keményítő (glükóz) szörp mikrobák: A. xylinum, A.(G.) suboxydans hidrogénezés Raney-Ni----Ni-hez szoktatás!!! rátáplálásos eljárás % szorbit →33-35% szorbit 50% konverzió: > 95% folytonos technológiák is ! nyugvósejtes fermentációk is!

14 Aszkorbinsav előállítás
OXIDÁCIÓ 4. Aszkorbinsav előállítás Reichstein 1934 C H 2 O C H 2 O H O H C Acetobacter suboxydans, katalitikus H Acetobacter xylinum hidrogénezés (Ni) (szorbit-dehidrogenáz) O O O O O O O H H H H H H H C C C C C C C H H H H H H H C H 2 O 170 O C H C O H 200 bar O H C H NAD NADH H 2 2 C H 2 O H glükóz D-szorbit O C H O 2 H O C 2 O 2 kémiai átalakitás kémiai oxidáció L-szorbóz H enolizáció H O 2 Aszkorbinsav 2-keto-L-gulonsav

15 Aszkorbinsav előállítás
OXIDÁCIÓ 5. BIM SB 2001 Aszkorbinsav előállítás Alternativ 2-keto- L-gulonsav előállítások

16

17 H H OXIDÁCIÓ 5. Aszkorbinsav előállítás- összefoglalás K
BIM SB 2001 Aszkorbinsav előállítás- összefoglalás K Aszkorbinsav keto-gulonsav M M K szorboszon L-gulonát H H M Glükóz → szorbit → szorbóz 5-keto-glükonát M M M D-glükonát

18 et/év % Kína klasszikus mások: BASF/TAKEDA DSM MERCK de novo Fejlesztések:glu vagy gal C-vitamin rDNS S. cerevisiae De novo C-vitamin eá.: Rosa rugosa 1-2% glu,fru,gal

19 Redukáló cukrok oxidációja 1
Glükóz oxidációja:elektrokémiai, HOCl A.niger OH O CH 2 glükóz-oxidáz CH OH 2 O O FAD FADH OH 2 OH OH kataláz H O O 2 2 2 b- D-glükóz glükono- d -lakton C O O H C O OH H O H C O H H C O H 2 Acetobacter suboxydans HO HO H H H H H C C C C C C C H H H H H H H HO C C C C C C C H H H H H H H H C O H H C O H hidrolízis H C O H C O C H OH 2 C H OH 2 D-glükonsav 5-keto-D-glükonát A.suboxydans NAD+ NADH+H+ Bertrand szabály!

20 Redukáló cukrok oxidációja 1
Glükóz oxidációja:elektrokémiai, HOCl

21 Redukáló cukrok oxidációja 2
pH szabályozás: CaCO3 Félfolytonos fermentáció lépés: ~7 pH, 37 OC Lépés: 7 pH, 30 OC,CaCO3 adagolás Növekedés 30 OC termékképződés 36 OC hőfokprofil Felhasználás: páclé,sütőpor, fémfelület tisztítás Sav: kation-bevitel (Cu,Fe,Ca) E 50% oldat, sav lakton E575

22 Kurrens Vogelbusch technológia:
1.MeOH-on kemosztát folytonos technológiával sejttömeg előállítás Acetobacter metanolicus 2. Biokonverzió nagy glu cc. mellett Vb-IZ reaktorban Létezik tisztított glükózoxidázos technológia is (ARGONNE,USA) különleges integrált rendszer: elektro-deionizálással semlegesítik a keletkező savat.

23 Glükózoxidáz (EC 1.1.3.4) felhasználása
*A glükózoxidáz/kataláz rendszer: glükóz eltávolítása tojásfehérjéből (sütőipar, szárítás előtt). Enzimkeveréket használnak (165 U kg-1) hozzáadott H2O2-dal (kb 0.1 % (w/w) biztosítják az elegendő molekuláris oxigént. *O2 eltávolítás a palackozott és dobozolt italok, konzervek fejtérfogatából eliminálandó a nem enzimes barnulást ill. egyéb oxidációs folyamatokat. * Enzimelektród (l. előző ea.)

24 Aromások redukciója glükózoxidáz Glükóz glükonsav Benzokinon hidrokinon

25 Propén-1,3-diol

26 EGYÉB OX/RED ÁTALAKULÁSOK
BIM SB 2001 PRELOG-SZABÁLY Szulkatol Szulkaton Thermobacterium brockii lómáj koenzimregenerálás Prelog

27 Kinetikus reszolválás

28 EGYÉB OX/RED ÁTALAKULÁSOK
BIM SB 2001 Et-4-klór-acetoacetát Et-4-klór-3-hidroxi-butanoát L-karnitin BT-vitamin, zsírszállító a m-ba, „zsírégető” l.később: koenzim regenerálás E.coli mint katalizátor

29 EGYÉB OX/RED ÁTALAKULÁSOK
BIM SB 2001 KIROTECHNOLÓGIA Prokirális vegyület Királis vegyület R - C –R’ + NAD(P)H + H+ → R –CH - R’ + NAD(P)+ O OH NH2 NH Keton, ketosav Imin, iminosav Alkohol Aminosav Enzimek: ADH LDH AsDH KOENZIM REGENERÁLÁS