Citromsav és glükonsav előállítás

Szerves savak, oldószerek

• A szerves savakat és oldószereket az élelmiszeriparban használják
• 1910-ig a citromsavat főleg citromból vonták ki, de ez rossz hatásfokú volt.
• A világ citromsav szükségletét citromból nem lehet fedezni.
• James Currie az Aspergillus niger nevű penészgomba segítségével állította elő a citromsavat.
• A citromsav előállítása során a pH-értéknek 2,5 alatt és 60%-os konverzió felett kell lennie.
• Az Aspergillus niger előállításához szükséges alacsony pH, alacsony [Mn2+] és kevés cukor. Emellett a növekedési sebességnek is alacsonynak kell lennie.
• 1930-ban a világ citromsav-termelése 90-95%-ban penészgomba felhasználásával történt, elsősorban az A. niger és Penicillium glaucum fajokkal.
• Napjainkban közel 700 000 tonna citromsavat állítanak elő évente.
• A citromsav fontos szerepet játszik a citrát-ciklusban.

Citromsav – Aspergillus niger

• Az Aspergillus niger egy eukarióta, aerob élőlény, melynek citrát-ciklus alapú anyagcseréje van.
• Jól tárolható és különböző szénforrásokként táplálkozhat.
• Nem táplálkozhat tanninnal ellentétben más mikroorganizmusokkal.

Citrát ciklus

• A cukorból acetil-CoA képződik, majd ez beépül a citrát-ciklusba.
• A citrát-ciklus része a Szent-Györgyi-Krebs ciklusnak.
• A ciklus nem eredményez ATP-t, de 2 CO2, 1 GTP és 8 elektron képződik.
• Számos aminosav, purin, pirimidin, porfirin, hem és klorofill képződéséhez szükséges köztestermék.

Citromsav biokémia

• A citrát ciklus csak a citromsavig működik, ha alacsony pH-érték és kétértékű kation nélkül van jelen, különben a citromsav a sejtekből kiválasztódik.

Citromsav termelés

• A citromsav előállításához szükséges tápanyagok, mint a melasz (főként glükóz és fruktóz diszacharidok), mely invertáz enzimmel monoszacharidokká bomlik, vagy keményítő hidrolizitátum (maltóz, glükóz-glükóz), valamint oxigén szükséges. A citromsav termelés felületi fermentáción keresztül történik agar tálcákon történő fermentáción keresztül.
• Specifikus feltételek: alacsony pH (≤ 2,5) és fémion (Mn2+) koncentráció, kelátorok (mint a Na₂EDTA és K₄[Fe(CN)₆] - hexacianoferrát) hozzáadása, hogy a fém ne képezzen komplexet a citromsavval. Kétfázisú fermentációt alkalmaznak. A micelium tenyésztés lassú szaporodás mellett biokonverziót eredményez.
• Szilárd fázison fermentációval az agar lemezen történik a citromsav termelés, melyhez fontos a melasz, a K-hexaciano-ferrát és a puffer nélküli környezet, valamint a levegő áramoltatása vízpárával.
• A biomassza képzés optimális feltételek kialakítását követeli meg, sok sejtet eredményez a termelés során. A termelés végén a citromsav az agarban található meg.

Citromsav kinyerés

• Az agarból a citromsavat vízzel mossák ki nagy térfogatban, majd minden vízben oldódó anyag kioldódik.
• A koncentrációhoz kalcium-hidroxidot (Ca(OH)₂) adagolnak, mely Ca3-citrátot kicsapja, majd a keletkezett szilárd csapadékot szűrik le, majd tisztítják.
• Így erős sav hozzáadásával (pl. kénsav) a citromsavat kivonják a kalcium-csapadékból, melyet ioncserélő kromatográfiás módszerrel tovább tisztítanak. Végül kristályosítással tiszta citromsavat kapnak.

Citromsav felhasználás

• Ma évente közel 700 000 tonna citromsavot állítanak elő.
• Az élelmiszeriparban tartósítószerként, italokban, kozmetikumokban, vízlágyításban, fémtisztításban, biopolimerekben, és emisszió csökkentésben alkalmazzák.

Glükonsav

• Az Aspergillus niger szilárd fázisú fermentációja során, de eltérő körülmények között termelik, mint a citromsav esetében.
• A Glükonsav előállításához neutrális pH-t és Mn2+ fémiont igénylő reakció.

Glükonsav biokémia

• Az Aspergillus niger glükóz-oxidáz enzimjét használja a glükóz oxidálására.
• A folyamat redox-folyamat, amely FAD-ot tartalmaz.
• A pH3-as érték alatt inaktiválódik, emiatt semleges pH-t igényel.
• A kataláz enzim a hidrogén-peroxiddal száll szembe. Reakcióban vesz részt, védőként reagálva.

Glükonsav termelés

• Általános feltételek: sok cukor, aerob körülmények, 35-37°C, alacsony P és/vagy S koncentráció.
• Specifikus feltételek: pH> 5, 10 mM Mn²⁺ a glükóz-oxidáz működéséhez szükséges, extracelluláris reakció, a termelés az agarban történik.

Glükonsav kinyerés

• A kinyerés a citromsav kinyeréséhez hasonló módon történik, a folyamat egyaránt oldószeres extrakciót, vákuum desztillációt, savleszorítást, iont cserélést és kristályosítást tartalmaz.

Glükonsav felhasználás

• Évente közel 60 000 tonna glükonsavat állítanak elő.
• Tisztítószerekben, vízlágyítókban, kelátorokban, valamint élelmiszer-adalékként (pl. tofu) használatosak.
• Bioszenzorokban a glükóz oxidációjához használható mérési módszertant biztosít.

Ecetsav termelés

• Aerob módon Acetobacter sp. nevű baktériumok keverékével történő fermentáció során termelik.
• Alkohol oxidáció ecetsavvá, melyben alkohol dehidrogenáz és aldehid dehidrogenáz enzimek vesznek részt.
• Az alkohol ecetsavvá oxidációjához oxigén limitált környezet szükséges, mely immobilizált baktériumok forgácson történő tenyésztésével vagy biofilm létrehozásával érhető el.

Ecetsav termelés

• Fontos szubsztrátok és termékgátlók figyelembevétele szükséges (10-15% alkoholból 10-15% ecetsav keletkezik, 100% konverzió elérése).
• Félfolyamatos eljárásokat alkalmaznak.

Ecetsav termelés

• Anaerob módon a Clostridium thermoaceticum baktériummal történő fermentáció során glükózból ecetsav keletkezik, melynek savstressz ellen pH-kontrollra van szükség.
• 20-25% ecetsav koncentrációja érhető el ipari felhasználásra.

Ecetsav kinyerés

• Az ecetsavat az élelmiszeriparban (10-15%) és a vegyiparban használják.
• Kombinált eljárásokat alkalmaznak a kinyeréshez, főleg párolást, oldószeres extrakciót és azeotrop desztillációt.

Ecetsav felhasználás

• Évente közel 200 000 tonna ecetsavat állítanak elő.
• Használata a régebbi tartósítószerek között, főleg saláták és zöldségek ízesítésére, valamint a kombucha előállításában egyaránt.
• Probiotikumként élesztők felhasználását biztosít.

Ecetsav felhasználás

• Élelmiszeriparban tartósítószerként, rizsecetként (keményítő felbontása enzimekkel, majd alkohollá történő alakítása és végül ecetsav fermentációja), valamint savanyított zöldségek készítésében használják.
• A folyamat hossza 10–15 évig tart.

Ecetsav felhasználás

• A vegyiparban a Ca-Mg acetátot, amelyet "zöld sónak" is neveznek, -15 °C-ig használható fagyásgátló szerként.
• A talajbaktériumok lebontják és nem korrodál.

Aceton, butanol termelés

• Az etanol után a 2. legfontosabb fermentációs termék a butanol.
• 1861-ben Pasteur fedezte fel a mikrobiális butanol fermentációt.
• Szintetikus gumigyártás alapanyaga.
• A Weizmann módszerében a Clostridium acetobutylicum baktérium segítségével termelik.
• Az I. világháború idején az angol kormány kért segítséget a butanol előállításában a butanol szűkössége miatt.
• A butanol termelés főleg Kanadában és az USA-ban termeltek.

AB termelés

• Háború utáni időszakban az aceton és butanol igény csökken, az autóipar fejlesztése miatt a festék- és lakkipar igénye növekszik.
• 1925 után 100 tonna/nap butanolra van szükség.
• A melasz, mint alapanyag, a gazdaságosságot növeli a keményítőhöz képest.

AB termelés

• A II. világháború után a butanol igény emelkedett a olajipar fejlődésével. A mikrobiális fermentáció kevésbé versenyképes, ezért a melaszt takarmányként használják.
• A ma alkalmazott folyamatok a növényi szénhidrátok takarmányos felhasználásának javításában lehetnek fontosak.

AB termelés

• A Clostridium acetobutylicum segítségével folyamatban töményítésre kerül a butanol, aceton, etanol, és különböző szerves savak termelését.
• A Clostridium acetobutylicum aerob, spórát termelő baktérium, melyet keményítő, melasz, csicsóka, tejpermeátum és alga táplál.
• A termék aránya butanol: aceton: etanol = 6:3:1.
• A tisztítás frakcionált desztillációval történik szakaszos vagy folyamatos üzemmódban.

AB biokémia

• A C. acetobutylicum fermentációjának eredménye szerves oldószerek (butanol, aceton, etanol, izopropanol) és szerves savak (ecetsav, tejsav, vajsav).

AB biokémia

• Acetogenezis = szerves savak előállítása
• Szolventogenezis = szerves oldószerek előállítása

AB szabályzás

• Az intracelluláris redox egyensúly szabályozása fontos.
• A nehéz befolyásolható feltételek, mint a pH kritikus, jelentős szerepet játszanak.
• A pH 6-7 esetén acetogenezis, pH ≤ 4 esetén bespórázás következik.
• A folyamatban a cukorból 100 kg cukorból 20 kg butanol és 8,5 kg aceton keletkezik.

AB szabályzás

• A Fe limitáció miatt az acetogenezis gátolt, mivel a piruvát ferredoxin oxidoreduktázhoz (PFOR), a NADH ferredoxin oxidoreduktázhoz vagy a [FeFe] hidrogenázhoz szükséges a Fe.
• A stacionárius fázisban a szerves savakat újra felhasználják a szolventogenezis során.

AB fejlesztés

• GMO Clostridia felhasználása a hatékonyság növelésére és a cellulóz hasznosítására, valamint oldószer tolerancia növelésére.
• Immobilizáció alkalmazása a folyamat javítására (folyamatos fermentáció, oldószer kivonás, melléktermékek hasznosítása, biomassza, B vitaminok, H2 és CO2 energia/vegyiparként, jobb mint etanol bekeverése).

AB hasznosítás

• Az AB hasznosítása oldószerként, vegyipari alapanyagként történik.
• A melléktermékek, mint a biomassza és a B-vitaminok, fontosak a hasznosítás szempontjából.
• Bioüzemanyagként történő használata jobb, mint az etanollal történő bekeverés.

2,3-butándiol

• A 2,3-butándiol fermentációja XIX. századi találmány, melynek fontos vegyipari alapanya a butadien. A háború utáni időszakban a verseny a kőolajiparral szintén jelentős szempont.

2,3-butándiol biokémia

• A kevert savas fermentáció során butándiol, acetát és etanol kapható.
• Az acetátalapú, vaj-íze van, mely mesterséges vajhoz felhasználható.

2,3-butándiol termeltetés

• Az Enterobacter cloaceae egy fakultatív anaerob baktérium, mely nagy oxigénkoncentráció esetén biomasszát termel, de kevés oxigén esetén kevert termékeket (főleg 2,3-butándiol).
• A DOT ≤ 0,3%-nál a 2,3-butándiol a fő termék.

2,3-butándiol termeltetés

• A kevert savas fermentációt befolyásoló acetát-szint szabályozás megnehezíti a kontrollt több gátló, indukáló és aktiváló hatás miatt.

2,3-butándiol termeltetés

• A tápanyagok a melasz, tejpermeátum, keményítő és cellulóz hidrolizátum. A fermentáció hőmérséklete 30-37°C, pH-ja 5.0-5.8 között van.
• A folyamat mikroaerofil körülmények között megy végbe.

2,3-butándiol termeltetés

• A butándiol kivonása oldószeres extrakcióval és vákuum desztillációval történik, de drága és sok veszteséggel jár.
• Vizet eltávolító oldószerként metil-etil-ketont használnak, ekkor 80°C-on lesz leválasztva a termék.
• A butándiol végtermékét műanyag alapanyagként használják.

2,3-butándiol hasznosítás

• Üzemanyag adalék, környezetbarát és vizet köt jól. Fűtőanyagként és oldószerként, valamint műgumi alapanyag előállításához használatos.
• Metil-etil-ketonból 1,3-butadiént állítanak elő.

Teszteld tudásodat a citromsav és glükonsav előállításának folyamatairól és a kapcsolódó mikroorganizmusok szerepéről. A kérdések között szerepelnek a kémiai folyamatok és a szükséges tápanyagok is. Készen állsz, hogy megtudd, mennyire ismered ezt a témát?