Ipari Fermentációs Tápközegek

Biomérnöki Műveletek és Folyamatok I. - Ipari Fermentációs Tápközegek

• Fermentációs folyamat során a sejtek intracelluláris biokémiai reakciókba lépnek.
• A szubsztrátumokból szén-dioxid, termékek és biomassza keletkezik.

Mikrobák Elemi Összetétele

• A fermentáció általános egyenlete: szén- és energiaforrás + nitrogénforrás + egyéb komponensek → sejttömeg + termék + szén-dioxid + víz + hő.

Elemek és Arányok a Mikrobákban (% DCW)

• Szén: 40-60%
• Hidrogén: 7-8%
• Nitrogén: 7-15%
• Foszfor: 2-4%
• Kén: 0,1-1%
• Kálium: 1-2%
• Nátrium: 0,2-1%
• Kálcium: 0,1-1%
• Magnézium: 0,1-0,5%
• Vas: 0,02-0,1%
• Oxigén: 10-18%

Ipari Fermentációk Tápközegei

• Definiált táptalaj: kutatásokban használatos, termelésben ritka.
• Minimál táptalaj: a sejt vagy mikroorganizmus növekedéséhez minimálisan szükséges összetevőket tartalmazza, nem egyenlő a definiált tápközeggel.
• Komplex táptalaj: más iparágak hulladékai.

Tápközeg Elvi Kritériumai

• Maximális hozamot eredményezzen egységnyi szubsztrátumra vonatkoztatva. Például, 1 kg glükózból X kg termék vagy biomassza, ahol X közelít az 1 kg-hoz (100%).
• Lehetővé tegye a maximális képződési rátájú termékképződést a fermentáció időtartama alatt.
• Legyen olcsó, állandó minőségű és folyamatosan beszerezhető.
• Ne nehezítse meg a gyártás egyéb lépéseit, mint levegőztetés, keverés, tisztítás, szennyvízkezelés.
• Alkalmas legyen a léptéknövelésre.

Víz Fontossága a Tápközegben

• A fermentációs tápközeg jellemzően vizes oldat.
• Szerepe: oldószer, hűtőfolyadék, szennyvíz hordozója.
• Fontos jellemzői: kémhatás, oldott sók minősége és mennyisége, szennyezők jelenléte.
• Használják recirkulálásra folyamatos üzemben.

Víz Szerepe a Söriparban

• A sör 95%-a víz.
• 1 liter sör előállításához 4-10 liter víz szükséges.
• Kemény víz (magas Ca-Mg tartalom, általában SO4): angol 'ale' és pilseni sörök készítéséhez ideális.
• Lágy víz: barna sörök készítéséhez ideális.
• Vízlágyítás: az oldódó Ca2+ és Mg2+-sókat vízben nem oldódó Ca2+ és Mg2+-sókká alakítják szóda vagy trisó adagolásával, ami kicsapódást eredményez.

Vízlágyítás Ioncsere Gyantával

• A gyanta felszíne negatív töltésű, amihez egyértékű kationok (Na+, H+, K+) kötődnek.
• A víz átáramlik a gyantán, ahol a kétértékű kationok lecserélődnek az egyértékű ionokra.
• A gyantát időnként regenerálni kell koncentrált Na+, H+, K+-al való mosással.

Energiaforrás és Szénforrás Táblázat

• Kémiai energiaforrást használó kemotrófok:
• Kemo-heterotrófok szerves szénforrást (pl. glükóz) használnak.
• Kemo-autotrófok szervetlen szénforrást (pl. H2S, S, H2, Fe(II), NH3) használnak.
• Fényenergiaforrást használó fototrófok:
• Foto-heterotrófok szerves szénforrást használnak, Bíbór (nem-kén-) baktériumok.
• Foto-autotrófok szervetlen szénforrást használnak, zöld növények (fényben), cianobaktériumok, fotoszintetikus baktériumok.

Szénforrás Megválasztása

• Befolyásolja a biomassza képződést és a metabolizmust (mennyiség és minőség).
• Figyelembe kell venni a termelési költséget (alternatív szénforrások keresése), elérhetőséget és tisztaságot.
• Reakcióba léphet más komponensekkel.

Fontosabb Szénforrások

• Keményítő: legelterjedtebb (kukorica, burgonya), lehet őrölt vagy hidrolizált (savas, enzimes), D-glükóz és α-(1,4) glikozidos kötés található benne.
• Maláta: csírázó árpamagok megfőzve (söripar), összetétele: keményítő (55-60%), szacharóz (5%), egyéb cukor (6-8%), cellulóz (5%), hemicellulóz (8-10%).
• Szacharóz: cukornád, cukorrépa. Melasz (cukor kristályosítás utáni maradvány; görögül ‘méz’), összetétele: cukor (48%), nitrogénvegyületek (10%), egyéb szerves anyag (13%), hamu (9%), víz (20%).
• Laktóz: tejipari melléktermék (tejsavó), alkotja a tej száraz tömegének 2-8 %-át.
• Lassan hasznosuló szénforrás (szekunder anyagcsere termékeinek szintézise): Penicillin, Celluláz enzimek, Hemicelluláz enzimek, Bakteriális cellulóz (pl. Acetobacter xylinus).
• Növényi olajok: oliva, szója, len, gyapotmagvak.
• Cellulóz, hemicellulóz: nehézségek: extrakció (lignin), hidrolízis (melléktermékek), SSF (simultaneous saccharification and fermentation).
• Szénhidrogének: biomassza produkció (Single Cell Protein, SCP), ára változó.
• Kukoricalekvár: a kukorica keményítő tejsavas extrakciója utáni maradék, nitrogénforrás, de tartalmaz tejsavat, cukrokat is.
• A szénforrás hasznosulás sebessége alapvetően fontos paraméter a fermentációs folyamatban!
• Karbon katabolit represszió jelensége.

Karbon Katabolit Represszió

• A glükóz (és néhány egyéb, gyorsan hasznosuló szénforrás) jelenlétében a lassabban hasznosuló szénforrások lebontásához szükséges gének represszálva vannak.
• Transzkripciós szintű folyamat.
• A specifikus növekedési ráta determinánsa a karbon katabolit repressziónak.

Nitrogénforrások

• Szervetlen: ammónia (gáz), ammónium ionok (oldat), nitrát ionok (oldat), van kémhatása.
• Szerves: aminosavak, fehérjék, urea (karbamid).
• Általában komplex formában: kukoricalekvár, szójakivonat, mogyorókivonat, gyapotmag kivonat (mezőgazdaság); vágóhidi hulladék, halliszt (húsfeldolgozás); élesztőkivonat (söripar).
• A nitrogén anyagcsere sebessége befolyással van a termékképződésre.

Ásványi Anyagok

• Mg, P, K, S, Ca, Cl: általában külön adagoljuk őket sterilizálás után.
• Cu, Fe, Zn, Mn, Mo: általában szennyezőként vannak jelen a komplex komponensekben.
• Mo: nitrát reduktáz; xantin oxidáz (purinanyagcsere).
• Mn: piruvát karboxiláz, glutamin szintetáz.
• Zn: alkohol dehidrogenáz, szénsav-anhidráz.

Pufferek és Prekurzorok

• Pufferek: kémhatás szabályozása: CaCO3 (kréta), foszfátsók, kukoricalekvár (aminosav- és fehérjetartalom).
• Prekurzorok: beépülnek a termékbe, ezáltal jelentősen megnövelik a kihozatalt.
• Fenilecetsav: penicillin G
• Fenoxiecetsav: penicillin V
• Klorid ionok: klórtetraciklin, griseofulvin
• Cianid: B12 vitamin
• Antranilsav: L-triptofán

Inhibitorok

• Egyenirányíthatják az anyagcserét.
• Glicerol gyártás: acetaldehid + NADH → etanol; ha az acetaldehidet eltávolítjuk biszulfittal, akkor: dihidroxi-aceton foszfát + NADH → glicerol-3-P → Glicerol.
• Glutaminsav gyártás: a fermentléhez penicillint adagolunk, ettől a baktériumsejtfal permeábilis lesz, és gyorsabban adja le a glutaminsavat.
• Citromsav gyártás: sok H+ → alacsony pH (oxálsav melléktermék visszaszorul).

Induktorok és Oxigén

• Induktorok: az ipari enzimek többsége indukálható:
• Cellulóz, laktóz → cellulázok
• Fenilecetsav → penicillin aciláz
• Keményítő → α-amiláz
• Oxigén:
• Fontos szubsztrátum (légzés, hidroxilezés)
• Szerepe van a tápközeg és az oldott oxigén arányában
• Befolyásolja a gyors anyagcserét és a reológiát (viszkozitást)
• Használhatók habzásgátlók

Állatisejt Fermentáció

• A táptalaj az egyik kulcselem.
• A táptalaj sokkomponensű, drága és jellemzően titkos.
• Vérszérum hozzáadása hasznos, de biológiai kockázatot jelent (vírus és prion fertőzések), ezért egyre ritkább.
• Hőérzékeny komponensek miatt nem sterilezhető.
• Sterilezés: reaktor üres gőzös sterilezése, táptalaj komponensek utólagos beszűrése → fertőzésveszély, magas szintű higiéniai rendszabályok betartása szükséges.

Fermentációk Tápközegei Folyamatábrán

• Redukált tápanyag energiaforrásból katabolizmus során oxidált tápanyag lesz. A NADH és NADPH keletkezik.
• A katabolizmus során képződő reduktív bioszintézis anabolizmus során redukált bioszintézis termékké alakul amelyben NAD+ és NADP+ keletkezik.
• Az oxidált prekurzorból reduktív bioszintézis hatására redukált bioszintézis termék keletik. A NADH és NADPH elhasználódik.