Szerves savak, oldószerek PDF

Szerves savak, oldószerek  Citromsav Élelmiszeriparban használatos – 1910-ig főleg citromból vonták ki (rossz hatásfok) 30-40 t citromból → 1 t citromsav = 3 ha termőterület Világ szükségletét fedezni citromból nem lehet – James Currie...

Szerves savak, oldószerek  Citromsav Élelmiszeriparban használatos – 1910-ig főleg citromból vonták ki (rossz hatásfok) 30-40 t citromból → 1 t citromsav = 3 ha termőterület Világ szükségletét fedezni citromból nem lehet – James Currie: Aspergillus niger segítségével állította elő pH ≤ 2,5 → ≥ 60%-os konverzió Feltételek: – Alacsony pH – Alacsony [Mn2+] – Sok cukor – Alacsony növekedési sebesség – 1930- világ citromsav termelés 90-95% gombával A. niger, Penicillium glaucum Ma közel 700 ezer tonna a termelés évente  Citromsav – Aspergillus niger Eukarióta – Aerob élőlény – Aerob glikolízis – Citrát ciklus Fonalas gomba – Fekete micélium Spóra – Jól tárolható – Tanninon szelektíven nevelhető (egyéb mikrobák nem tudják szénforrásként felhasználni)  Citrát ciklus Cukorból acetil-CoA Acetil-CoA megy a citrát ciklusba Szent-Györgyi - Krebs Nem keletkezik ATP, csak 2 CO2, 1 GTP és 8 e- Citrát ciklus  Citromsav biokémia Citrát ciklus csak a citromsavig megy el alacsony pH-n és kétértékű kation nélkül. Citromsav felhalmozódik, sejt kiválasztja magából  Citromsav termelés Fémhiányos környezetben – Citromsav kelátorként fém felvételt segíti (karboxil csoportjaival komplexet képez): megköti a fémet, fém-citrátot a sejt felveszi – Alacsony fémion koncentráció kell, hogy ne vegye vissza a sejt a fém-citrátot Termeléskor a cukrot felveszi, citromsavat kiválasztja  Citromsav termelés Általános feltételek – Tápanyag Melasz – Szacharóz (főként glükóz-fruktóz diszacharid) – Invertáz enzim monoszacharidokra bontja Keményítő hidrolizátum – Maltóz (glükóz-glükóz) – Oxigén ellátás Felületi fermentáció agar tálcákon, levegő befúvással  Citromsav termelés Specifikus feltételek – pH ≤ 2,5 – Fémion (Mn2+) koncentráció alacsony Akonitáz inaktiválódik: működéséhez szükséges Mn2+ : ciklus csak a citromsavig jut el Kelátorok: citromsavnál erősebben kötik a fémet, így az nem képez komplexet a citromsavval – 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 (ne száradjon ki az agar)  Citromsav termelés Spórából indul Kétfázisú fermentáció – Biomassza képzés: Sejtek növekedése számára optimális feltételek, sok sejt jön létre – Termék képzés alacsony növekedés mellett biokonverzió Termelés végén citromsav az agarban  Citromsav kinyerés Agarból vízzel kimossák – Nagy térfogatban – Citromsav + minden vízoldékony kioldódik Koncentrálás – Ca(OH)2 hozzáadása – (Ca)3-citrát kicsapódik: szilárd csapadék – Csapadékot kiszűrik  Citromsav kinyerés (Ca)3-citrát oldás – H2SO4 – erős sav – Citromsav + CaSO4 Ioncserélő kromatográfiás további tisztítás 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 Komplexképző, pl. SO2 emisszió csökkentésére  Glükonsav Aspergillus niger – Szilárd fázisú fermentáció( mint a citromsavnál), de eltérő körülmények – Neutrális pH – Fémion (Mn2+) kell  Glükonsav biokémia Aspergillus niger – Glükóz oxidáz Extracelluláris enzim FAD-ot tartalmaz Redox folyamat pH3 alatt inaktiválódik, ezért semleges pH kell – Kataláz Kapcsolt reakció H2O2 védekezésre jó  Glükonsav termelés A. niger – Általános feltételek sok cukor Aerob körülmények 35-37 °C alacsony P és/vagy S – Specifikus feltételek pH> 5 min. 10 mM Mn2+ : glükóz-oxidáz működéséhez szükséges – Extracelluláris reakció Termék az agarban  Glükonsav kinyerés Mint a citromsav esetében Oldás vízben Ca(OH)2 kicsapás H2SO4 leszorítás Ioncserés tisztítás Kristályosítás  Glükonsav felhasználás 60 000 tonna/év – Tisztítószerek vízlágyítók – Kelátoló szerek Nehézfém ionokat megköti – Táp vagy élelmiszer adalék pl. tofu – Bioszenzorokban a glükóz oxidáz felhasználható glükóz kimutatására  Ecetsav termelés Aerob módon – Acetobacter sp. kevert ecetsav baktérium kultúra Alkohol oxidáció ecetsavvá – Alkohol dehidrogenáz – Aldehid dehidrogenáz – Alkohol aldehid sav Oxigén limitált – Immobilizálás pl. forgácson – Biofilm = nagy felület = jobb oxigénellátás  Ecetsav termelés Szubsztát és termékgátlásra is oda kell figyelni – 10-15% alkoholból 10-15% ecetsav keletkezik – ≈ 100% konverziós hatásfok Félfolyamatos eljárások  Ecetsav Anaerob – Clostridium thermoaceticum – glükóz → ecetsav – Savstressz ellen pH kontroll szükséges pH ≈ 7,0 – 20-25% acetát koncentráció érhető el – Ipari célra (mivel a Clostridiumok nem GRAS organizmusok  Ecetsav kinyerés Élelmiszeripar – 10-15% ecet Vegyipar – Kombinált eljárások  Ecetsav felhasználás 200 000 tonna/év – Élelmiszeripar Legrégebben használt tartósítószer Saláták, zöldségek ízesítésére Specialitás: kombucha – Cukros tea leoltása élesztő + ecetsav baktérium keverékkel – Élesztő probiotikumot termel – Patogének az ecetsav miatt nem szaporodnak Savanyított zöldségek  Ecetsav felhasználás Élelmiszeripar Legrégebben használt tartósítószer Specialitás: rizsecet – Keményítőbontó enzimek + élesztő – Keményítőből cukor, abból az élesztő alkoholt készít, majd ecetsavas fermentáció – Érlelés 10-15 évig  Ecetsav felhasználás Vegyipar Ca-Mg-acetát = “zöld só” -15 °C-ig használható Talajbaktériumok lebontják Nem korrodál  Aceton, buatnol termelés EtOH után a butanol a 2. legfontosabb fermentációs termék – Pasteur (1861): mikrobiális butanol fermentáció – 1900- szintetikus gumigyártás alapanyaga – Weizmann módszere: Clostridium acetobutylicum segítségével (1910-) I. világháború – UK: lőporhoz aceton kellett – Churchill felkéri Weizmann-t ipari termelésre – Kukorica keményítőből állították elő, de UK-ban ebből kevés volt – Termelés ezért Kanadában, USA-ban történt  AB termelés Háború után aceton igény csökkent Autóipar fejlődik – Festék és lakkiparnak butanol kell – 1925: 100 tonna butanol/nap az igény Melléktermékek hasznosítása – Aceton, i-propanol, H2 + CO2 Keményítő helyett melasz alapanyag használata – Gazdaságosság megnőtt  AB termelés II. Világháború: aceton igény ismét nőtt – Folyamatos fermentáció – Folyamatos desztilláció Háború után – Olajipar fejlődik, olcsó oldószert gyárt – Mikrobiális fermentáció kevésbé versenyképes – Melaszt állati takarmányként dotálva hasznosítják Ma: ismét igény van a fermentációs iparra – Megújuló üzemanyagként lehet hasznosítani  AB termelés Clostridium acetobutylicum segítségével – Gram + – Obligát anaerob – Spórát képez – Keményítő hidrolizátumon, melaszon jól nő csicsóka, tejpermeátum, almalé, alga is jó táp – Butanol:Aceton:EtOH = 6:3:1 arányban keletkezik – Tisztítása frakcionált desztillációval Szakaszos, folyamatos üzemmódban  AB biokémia C. acetobutylicum fermentációs termékei: – Szerves oldószerek butanol, aceton etanol, i-propanol – Szerves savak ecetsav, tejsav vajsav  AB biokémia Acetogenezis Szolventogenezis  Clostridium acetobutylicum anyagcsere folyamatok Acetogenezis = szerves sav előállítás Szolventogenezis = szerves oldószer előállítás Mitől függ, hogy melyik játszódik le?  AB szabályzás Intracelluláris redox egyensúly szabályoz – Nehéz befolyásolni – pH kritikus pH ≈ 6-7 → acetogenezis pH ≤ 4 → bespórázik 100 kg cukorból 20 kg butanol + 8,5 kg aceton  Clostridium acetobutylicum anyagcsere Szerves oldószerek Butanol:Aceton:EtOH = 6:3:1 arányban  AB szabályzás Intracelluláris redox egyensúly szabályoz Fe limitáció – Acetogenezis utat Fe hiány gátolja Piruvát ferredoxin oxidoreduktáz (PFOR) NADH ferredoxin oxidoreduktáz [FeFe] hidrogenáz Szubsztrát limitáció – Stacioner fázisban szerves savakat újra felhasználja → szolventogenezis  AB fejlesztés GMO Clostridia – Nagy hatékonyságú cellulóz hasznosítás megoldása – Oldószer tolerancia növelése Immobilizáció – Oldószer tolerancia növelése – Folyamatos fermentáció – Folyamatos oldószer kivonás Melléktermék hasznosítás – Biomasszában B-vitaminok – Keletkező gázok: H2, CO2: energia, vegyipar  AB hasznosítás Oldószer, vegyipari alapanyag Melléktermékek – Biomassza: B-vitaminok – H2, CO2: energia, vegyipar Bioüzemanyag – Jobb, mint EtOH bekeverés  2,3-butándiol XIX. század óta ismert fermentáció II. világháború – Butadién – műgumi alapanyag – Kőolajból vegyipari szintézissel Háború után – Verseny a kőolajiparral  Optikai izomerek Optikai izomerek – Gyógyszeripari alapanyagok  2,3-butándiol biokémia Kevert savas fermentáció – Butándiol mellett acetát, etanol, stb.  2,3-butándiol biokémia Kevert savas fermentáció – Diacetil = vaj íze = mesterséges vaj  2,3-butándiol termeltetés Enterobacter cloaceae – Fakultatív anaerob, Gram - Sok O2 → sok ATP = biomassza termelés Kevés O2 → kevert termékek DOT ≤ 0,3% 2,3-butándiol a fő termék  2,3-butándiol termeltetés E. cloaceae – Fakultatív anaerob Sok O2 → sok ATP = biomassza termelés Kevés O2 → kevert termékek DOT ≤ 0,3% → 2,3- butándiol a fő termék  2,3-butándiol termeltetés Acetát szint szabályoz – Több gátló, indukáló és aktiváló hatás – Nehezen kontrollálható  2,3-butándiol termeltetés  Tápanyag:  melasz  tejpermeátum  keményítő hidrolizátum  cellulóz hidrolizátum  Hőmérséklet: 30 – 37 °C  pH: 5,0 - 5,8 (felette acetát termelődik)  Mikroaerofil  2,3-butándiol termeltetés Kinyerés – Oldószeres extrakció nehézkes, drága – Vákuum desztilláció (Fp = 180 °C) drága, sok veszteség – Vízelvonással: metil-etil-keton keletkezik (Fp = 80 °C) műgumi alapanyag  2,3-butándiol hasznosítás Üzemanyag adalékként – Környezetbarát, de vizet jól köt Fűtőanyag Vegyipar – Oldószer – Műgumi metil-etil-keton → 1,3-butadién