Biotechnolgia Szerves savak citromsav glkonsav ecetsav Polihidroxialknsavak Citromsav

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

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

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

Citrát ciklus • Cukorból acetil-Co. A • Acetil-Co. A megy a ciklusba • Szent-Györgyi - Krebs • Nem keletkezik ATP, csak 2 CO 2, 1 GTP és 8 e-

Citrát ciklus

Acetil-Co. A • Piruvát → Acetil-Co. A lépés irreverzibilis

Kapcsolódás a sejtlégzéshez 8 energiadús elektron a cukorból elektronok O 2 -t redukálnak proton gradienst hozva létre proton gradiensből ATP

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

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

Citromsav biokémia • Citrát ciklus csak a citromsavig megy el alacsony p. H-n.

Citromsav termelés • Fémhiányos környezetben – Alacsony p. H a fém mobilizálásnak kedvez – Citromsav kelátorként fém felvételt segíti • Termeléshez a cukrot felveszi, citromsavat kiválasztja, fém-citrátot felveszi

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

Citromsav termelés • Specifikus feltételek – p. H ≤ 2, 5 – Fémion (Mn 2+) koncentráció alacsony • Kelátorok – Na 2 -EDTA – K 4[Fe(CN)6] – hexaciano ferrát – Kétfázisú fermentáció • Micelium tenyésztés • Lassú szaporodás mellett biokonverzió

Citromsav termelés • Szilárd fázison fermentáció

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

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

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

Citromsav kinyerés • (Ca)3 -citrát oldás – H 2 SO 4 – erős sav – Citromsav + Ca. SO 4 • Ioncserélő kromatográfia • Kristályosítás

Citromsav felhasználás • Ma: 700 000 tonna/év – Élelmiszeripar • tartósítószer • üditő italok • GRAS – Kozmetikai ipar – Kelátor • Vízlágyító pl. Calgon • fémtisztító – Biopolimerek • citrát-laktát polimerek – Biofilterek • pl. SO 2 emisszió

Glükonsav • Aspergillus niger – Neutrális p. H – Fémion (Mn 2+) kell

Glükonsav biokémia • Aspergillus niger – Glükóz oxidáz • Extracelluláris enzim • FAD-ot tartalmaz • Redox folyamat – Kataláz • Kapcsolt reakció • H 2 O 2 védekezésre jó • Lignin degradáció

Glükonsav biokémia • Aspergillus niger – Glükóz oxidáz • • Extracelluláris enzim FAD-ot tartalmaz Redox folyamatok p. H=3 alatt inaktiválódik

Glükonsav termelés • A. niger – Általános feltételek • • sok cukor aerob 35 -37 °C alacsony P és/vagy S – Specifikus feltételek • p. H> 5 • min. 10 m. M Mn 2+ – Extracelluláris reakció • Termék az agarban

Glükonsav kinyerés • • Oldás vízben Ca(OH)2 kicsapás H 2 SO 4 leszorítás Hagyományos tisztítás – ld. Citromsav

Glükonsav felhasználás • 60 000 tonna/év – Tisztítószerek • vízlágyítók – Kelátoló szerek • Nehézfém ionokat megköti – Táp vagy élelmiszer adalék • pl. tofu – Bioszenzor • Glükóz oxidáz

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

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

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

Ecetsav • Anaerob – Clostridium thermoaceticum – glükóz → ecetsav – Savstressz ellen p. H kontroll • p. H ≈ 7, 0 – 20 -25% acetát koncentráció – Ipari célra

Ecetsav kinyerés • Élelmiszeripar – 10 -15% ecet • Vegyipar – Kombinált eljárások

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

Ecetsav felhasználás • Élelmiszeripar • Legrégebben használt tartósítószer • Specialitás: rizsecet

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

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

Polihidroxi-alkánsavak

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

Polihidroxi-alkánsav: bioszintézis

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

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

Polihidroxi-alkánsav: granulum

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

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

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

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

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

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

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