Biofermentációs eljárások
description
Transcript of Biofermentációs eljárások
Biofermentációs eljárásokBiofermentációs eljárások
• 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. 1960-1970)• 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
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
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 (100 000 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
2. Sejtkomponensek elállítása
• Ipari enzimek:
•nukleinsavak
•Poliszacharidok
•xantán
•poli-b-hidroxi-butirát (lebomló manyag)
• rDNS termékek
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, 2-300 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
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)
5. A mikroorganizmusok lebontóképességének kihasználása
•Cellulóz-felhasználás
•Csirketoll (keratináz)
•Napraforgómag héja
•Lignin-lebontás
•Sajt savó, kipréselt cukornád
Felhasználási területek
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
Bányászat
• Gyenge ércek kilúgozása fémköt mikroorganizmusokkal
• (Thiobacillus ferrooxidans)
• Fe2+ --------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.)
SzesziparSzeszipar
Ajánlott irodalomAjánlott irodalom
Gyimesi,L és Sólyom,L: Élesztő és Szeszipari KézikönyvGyimesi,L és Sólyom,L: Élesztő és Szeszipari Kézikönyv Mezőgazdasági Kiadó, Budapest,1979Mezőgazdasági Kiadó, Budapest,1979 1.fejezet: Élesztő- és szeszgyártás 1.fejezet: Élesztő- és szeszgyártás
mikrobiológiája mikrobiológiája 4.fejezet: Szeszgyártás 4.fejezet: Szeszgyártás Békési,Z. és Pándi,F.:PálinkafőzésBékési,Z. és Pándi,F.:Pálinkafőzés Mezőgazda Kiadó, Budapest, 2005Mezőgazda Kiadó, Budapest, 2005 2.fejezet.: A gyümölcspálinkák 2.fejezet.: A gyümölcspálinkák
alapanyagaialapanyagai 4.fejezet.: Lepárlás és pálinkafőzés4.fejezet.: Lepárlás és pálinkafőzés
Anaerob fermentációAnaerob fermentáció
•
Az alkoholos erjedés fő lépéseiAz alkoholos erjedés fő lépéseiA A Saccharoyces cerevisiae Saccharoyces cerevisiae szerepe az alkoholos szerepe az alkoholos
erjesztésbenerjesztésbenMásodlagos erjedési melléktermékekMásodlagos erjedési melléktermékekAz élesztőtörzsek ipari alkalmazásának elvárásaiAz élesztőtörzsek ipari alkalmazásának elvárásaiAz ipari erjesztési technológiák fő jellemzőiAz ipari erjesztési technológiák fő jellemzőiAz élesztők élelmiszeripari alkalmazásaAz élesztők élelmiszeripari alkalmazása
Alkoholos erjedés főbb lépései (EMP ciklus)Alkoholos erjedés főbb lépései (EMP ciklus)
GAPDHA
Hexóz foszforilezése
ATP ADPhexokináz
2 mól triózfoszfát
Triózfoszfát dehidrogénezése foszfoglicerinsav
NAD+
NADH2
ADP
ATP
Foszfoenol piroszölösav képződése
ADP
ATP-H2O
Piroszölösav
Acetaldehid
CO2 dekarboxiláz
NADH2
NAD+
alkoholdehidrogenáz
Etilalkohol
kináz
piruvátkináz
egyensúly!
Saccharomyces cerevisSaccharomyces cerevisiiaeae
FakultatFakultatív anaerob szervezetív anaerob szervezetAnyagcserét szabályozó mechanizmusokAnyagcserét szabályozó mechanizmusokPasteur effektus:Pasteur effektus: molekuláris oxigén jelenlétében az erjesztés gátlódikmolekuláris oxigén jelenlétében az erjesztés gátlódikCrabtree effektusCrabtree effektus: : a cukor felesleg még jó oxigén ellátás mellett is gátolja a cukor felesleg még jó oxigén ellátás mellett is gátolja
a légzési enzimeket a légzési enzimeketaerob 6COaerob 6CO22 + 6H + 6H22OO
Hexóz lebontásHexóz lebontásanaerob 2CHanaerob 2CH33-CH-CH22-OH + 2CO-OH + 2CO22
A légzés energia mérlegeA légzés energia mérlegeGlükózGlükóz 6H6H22O + 6COO + 6CO22 + 673,4 kcal + 673,4 kcal110000 kg kg 48 kg élesztő szárazanyag48 kg élesztő szárazanyag
Az erjesztés energiamérlege /hatásfok=26%/Az erjesztés energiamérlege /hatásfok=26%/Glükóz + 2Pi + 2ADPGlükóz + 2Pi + 2ADP CC22HH55OH + 2COOH + 2CO22 + 2ATP + 14,6kcal + 2ATP + 14,6kcal110000 kg kg 51 kg 49 kg 51 kg 49 kg
Fermentatív fajokFermentatív fajok: represszáló szénforrások : represszáló szénforrások (G,F,Mannóz) jelenlétében az alkoholos erjedés (G,F,Mannóz) jelenlétében az alkoholos erjedés részaránya aerob viszonyok között is preferált, gyors részaránya aerob viszonyok között is preferált, gyors a cukor bontás, kicsi légzési hasznosulása cukor bontás, kicsi légzési hasznosulás
Katabolit represszióKatabolit represszió (Crabtree effektus)(Crabtree effektus)glükóz jelenlétében a légzési enzimek szintézise glükóz jelenlétében a légzési enzimek szintézise gátoltgátolt
Respiratív fajokRespiratív fajok: glükóz légzési enzimeket gátló hatása : glükóz légzési enzimeket gátló hatása nem érvényesül, dominál a terminális oxidációnem érvényesül, dominál a terminális oxidáció
Pasteur effektusPasteur effektus (átkapcsoló mechanizmus) (átkapcsoló mechanizmus)az élesztők oxigén jelenlétében csökkentik a glükóz az élesztők oxigén jelenlétében csökkentik a glükóz felvételt és alkohol helyett sejttömeg képződikfelvételt és alkohol helyett sejttömeg képződikenergetikai problémák (hatásfok! 2/38 ATP arány; energetikai problémák (hatásfok! 2/38 ATP arány; 2200x több cukor szükségesx több cukor szükséges
Saccharomyces cerevisiaeSaccharomyces cerevisiae jelentősége az erjesztésben jelentősége az erjesztésben (folyt.)(folyt.)
Az erjesztés során képzAz erjesztés során képzőőddőő termékek termékek
AlkoholokAlkoholok SavakSavak ÉszterekÉszterek EgyebekEgyebek
GlicerinGlicerin
EtanolEtanol
n-Propanoln-Propanol
ButanolokButanolok
AmilalkoholAmilalkoholokok
FeniletanolFeniletanol
EcetsavEcetsav
TejsavTejsav
PiroszőlősavPiroszőlősav
BorostyánkősBorostyánkősavav
KaprilsavKaprilsav
AlmasavAlmasav
VajsavVajsav
EtilacetátEtilacetát
bármilyen bármilyen észter a észter a keletkezett keletkezett savakból és savakból és alkoholokbóalkoholokbóll
COCO22
AcetaldehiAcetaldehidd
DiacetilDiacetil
HH22SS
PentándiolPentándiol
ButándiolButándiol
AcetálokAcetálok
Erjedési mellékreakciók I.Erjedési mellékreakciók I.
1) Glicerin képződés
2) Szerves savak képződése
glicerintermelés fokozása 2% → 30%
NADH2 NAD+
Közvetlenül erjeszthető szénhidrát Közvetlenül erjeszthető szénhidrát forrásokforrások• cukornád, cukorrépa:cukornád, cukorrépa: nincs szükség enzimre nincs szükség enzimre• cukor cirok:cukor cirok: szacharózon kívül keményítő szacharózon kívül keményítő
amiláz/ celluláz adagolásamiláz/ celluláz adagolás
• melasz:melasz: invertáz /növeli a kitermeléstinvertáz /növeli a kitermeléstasszociál az élesztő sejtfalon, elősegíti a cukor asszociál az élesztő sejtfalon, elősegíti a cukor
transzportottranszportot
• bagasz:bagasz: (kipréselt cukornád): (kipréselt cukornád):celluláz/ hemicelluláz fokozza a kitermelést; invertázcelluláz/ hemicelluláz fokozza a kitermelést; invertáz
• tejsavó:tejsavó: környezetvédelmi probléma környezetvédelmi probléma BOD /BOI/= 3BOD /BOI/= 30-400-40ezer mg/lezer mg/l
a laktózt a a laktózt a S.cerevisiae S.cerevisiae nem képes hasznosítaninem képes hasznosítani
USA: 9 millió tonna/ év savóUSA: 9 millió tonna/ év savópotenciális: 35 millió hl alkoholpotenciális: 35 millió hl alkohol
Magyarország: 60 ezer tonna/ év savóMagyarország: 60 ezer tonna/ év savó
Keményítő tartalmú nyersanyagok Keményítő tartalmú nyersanyagok feltárásafeltárása
Alapelv: → feltárás és folyósitás Alapelv: → feltárás és folyósitás alfa-amilázalfa-amiláz → → cukrosítás cukrosítás glükoamiláz glükoamiláz
kukorica: kukorica: termostabilis termostabilis αα-amiláz, (-amiláz, (B. amiloliquefaciens, B. B. amiloliquefaciens, B. licheniformislicheniformis
nem termostabilis nem termostabilis αα-amiláz:-amiláz: ( (B. subtilis) B. subtilis) glükoamiláz glükoamiláz ((Asp. nigerAsp. niger ) )
áárpa:rpa: probléma a probléma a ββ-glükán (glükóz extrakció) tartalom-glükán (glükóz extrakció) tartalom megoldás: megoldás: proteolitikus enzimproteolitikus enzim (feltárásnál) és (feltárásnál) és ββ-glükanáz-glükanáz
adagolás(erjesztés előtt)adagolás(erjesztés előtt)
rizs: rizs: hántolatlan rizs: magas hántolatlan rizs: magas ββ-glükán tartalom, -glükán tartalom, ββ-glükanáz-glükanáz adagolás adagolás
cassava/ manióka:cassava/ manióka: gumós (keményítőtartalom: 25-3 gumós (keményítőtartalom: 25-300%)%) aprítás/ szeletelés/ szárítás → ipari nyersanyag forrásaprítás/ szeletelés/ szárítás → ipari nyersanyag forrás feldolgozás: mint a kukorica → feldolgozás: mint a kukorica → αα-amiláz + glükoamiláz-amiláz + glükoamiláz
A kitermelést fokozza a A kitermelést fokozza a celluláz celluláz adagolás (adagolás (T. reseiiT. reseii))
15150-1600-160 liter absz. alkohol / tonna liter absz. alkohol / tonna
A szeszgyártás mA szeszgyártás műűveleti lépéseiveleti lépései
1.1. Nyersanyag feltárásaNyersanyag feltárása
2.2. CefrézésCefrézés
3.3. ErjesztésErjesztés
4.4. Leerjedt cefre feldolgozásaLeerjedt cefre feldolgozása
szeparálásszeparálás
5.5. DesztillációDesztilláció
nyersszesz kinyerésenyersszesz kinyerése
finomszesz desztillálásafinomszesz desztillálása
vízmentes alkohol előállításavízmentes alkohol előállítása
PálinkaPálinka
• A A pálinkapálinka az erjesztett gyümölcsök az erjesztett gyümölcsök lepárlásával készülő lepárlásával készülő gyümölcspárlatokgyümölcspárlatok egy hagyományos, egy hagyományos, magyar fajtája. Az magyar fajtája. Az európai unióseurópai uniós jogszabályoknak (Council Regulation jogszabályoknak (Council Regulation (EEC) No 1576/89) megfelelően a (EEC) No 1576/89) megfelelően a "pálinka" szót csak Magyarország és "pálinka" szót csak Magyarország és négy négy osztrákosztrák tartomány használhatja. tartomány használhatja.
CefrézésCefrézés
• TisztitásTisztitás• ApritásApritás• Adalékok…Adalékok…
– pH beállítás (borkősav azaz 2,3-pH beállítás (borkősav azaz 2,3-dihidroxi-butándisav )dihidroxi-butándisav )
– Pektin bontó enzimekPektin bontó enzimek– Élesztő kultúraÉlesztő kultúraLezárásLezárás
Az erjesztés Az erjesztés
• A élesztő elszaporodása (aerob)A élesztő elszaporodása (aerob)
• Alkoholos forrás (anaerob)Alkoholos forrás (anaerob)
Desztilláció azaz a pálinka Desztilláció azaz a pálinka főzésfőzés
• Egylépcsős Egylépcsős
• KétlépcsősKétlépcsős
– DeflegmációDeflegmáció azt a folyamatot mondjuk, melynél a szesz- és vízgôz elegyét nem teljesen, hanem részlegesen 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 hûtjük le, avégbôl, hogy annak csak egy része cseppfolyósodjék. Miként a szeszes folyadék forralásakor viszonylag szeszdúsabb gôzt kapunk, ennek megfordított mûveleténél a szesz + forralásakor viszonylag szeszdúsabb gôzt kapunk, ennek megfordított mûveleténél a szesz + vízgôzbôl egy szeszre hígabb folyadék és dúsabb gôz keletkezik. A lehûtést vízzel, vagy a 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 lepárlandó cefrével végezhetjük, így a meleg sem vész kárba. A hûtôfolyadék ne legyen melegebb az elôállítandó szesz forráspontjánál (rendesen alatta is van: 50-70 Co). A melegebb az elôállítandó szesz forráspontjánál (rendesen alatta is van: 50-70 Co). A lecsapódott folyadékot lecsapódott folyadékot flegmáflegmának, vagynak, vagy lutter lutternek nevezik, s visszavezetik a lepároló nek nevezik, s visszavezetik a lepároló rendszerbe. rendszerbe.
– RektifikálásRektifikálás Ha szeszes folyadék 2-3 vagy egy egész sorozat külön edényben vagy egy készülék 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 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. 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 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 felforralja sorban a rekeszek tartalmát, miáltal alkoholban mindig dúsabb és dúsabb gôzök keletkeznek. Ez a folyamat tulajdonképpen sokszor ismételt lepárlás, azzal a különbséggel, keletkeznek. Ez a folyamat tulajdonképpen sokszor ismételt lepárlás, azzal a különbséggel, hogy nem hûtôben cseppfolyósodik a gôz, hanem a rekeszek szeszes folyadékában. . hogy nem hûtôben cseppfolyósodik a gôz, hanem a rekeszek szeszes folyadékában. .
Desztilációs készülékek:Desztilációs készülékek:
• Hagyományos:Hagyományos:
• Modern: Modern: Deflegmációs kupolávalDeflegmációs kupolával
• Rektifikáló oszloppalRektifikáló oszloppal
• Tányér szám 5-10Tányér szám 5-10
Kedves műfaj kedvelő barátunknak Kedves műfaj kedvelő barátunknak
Dr. Kovács Barnának Dr. Kovács Barnának
ez úton kivánunk ez úton kivánunk
Boldog születésnapot!Boldog születésnapot!
Köszönőm megtisztelő figyelmüket!Köszönőm megtisztelő figyelmüket!