Szerves savak: citromsav, glükonsav, ecetsavPolihidroxi-alkánsavak Biotechnológia

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

• 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

Citromsav – Aspergillus niger

• Eukaryota

– Aerob glikolízis – Citrát ciklus

• Fonalas gomba

– Fekete micélium

• Spóra

– Jól tárolható

– Tanninon szelektíven nevelhető

Citrát ciklus

• Cukorból acetil-CoA

• Acetil-CoA megy a ciklusba

• Szent-Györgyi - Krebs

• Nem keletkezik ATP,

csak 2 CO

, 1 GTP és

8 e

Citrát ciklus

Acetil-CoA

• Piruvát → Acetil-CoA lépés irreverzibilis

Kapcsolódás a sejtlégzéshez

8 energiadús elektron a cukorból

elektronok O₂-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

Piruvát oxidatív dekarboxilezése és citrát kör

(valamint zsírsav oxidáció)

Oxidatív foszforiláció

Átjárható

Mátrix

Belső

mitokondrium membrán

Külső

mitokondrium membrán

Citromsav biokémia

• Citrát ciklus csak a citromsavig megy el

alacsony pH-n.

Citromsav termelés

• Fémhiányos környezetben

– Alacsony pH 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

– pH ≤ 2,5

– Fémion (Mn²⁺) koncentráció alacsony

• Kelátorok

– Na₂-EDTA

– K4[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)

-citrát oldás

– H₂SO₄ – erős sav – Citromsav + CaSO₄

• 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. SO₂ emisszió

Glükonsav

• Aspergillus niger

– Neutrális pH

– Fémion (Mn²⁺) kell

Glükonsav biokémia

• Aspergillus niger

– Glükóz oxidáz

• Extracelluláris enzim

• FAD-ot tartalmaz

• Redox folyamat

– Kataláz

• Kapcsolt reakció

• H₂O₂ védekezésre jó

• Lignin degradáció

Glükonsav biokémia

• Aspergillus niger

– Glükóz oxidáz

• Extracelluláris enzim

• FAD-ot tartalmaz

• Redox folyamatok

• pH=3 alatt inaktiválódik

Glükonsav termelés

• A. niger

– Általános 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

Glükonsav kinyerés

• Oldás vízben

• Ca(OH)

kicsapás

• H

SO

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 – Aldehid dehidrogenáz

• 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 pH kontroll

• pH ≈ 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

– CoA-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

– 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