4. SZERVES SAVAK. Az ecetsav biológiai előállítása SZERVES SAVAK. Ecetsav baktériumok. Az ecetsav baktériumok osztályozása ECETSAV. 04.



Hasonló dokumentumok
4. SZERVES SAVAK SZERVES SAVAK. Felhasználása. Citromsav. Termelés. Történet. Pécs Miklós: Biotermék technológia

AUSZTRIA: JUNGBUNZLAUER (Röhr prof.) KÍNA, Olaszország, Spanyolország, Törökország, Lengyelország, Jugoszlávia

4. SZERVES SAVAK SZERVES SAVAK ECETSAV. Pécs Miklós: BIOTERMÉK és gyógyszeripari biotechnológia Biomérnöki BSc. 04. Szerves savak

2. A MIKROBÁK ÉS SZAPORÍTÁSUK

Ecetek. Az ecetkészítés olyan régi, mint a bor előállítása, azt pedig tudjuk, hogy a szőlő- és borkultúra már az ókorban is virágzott.

3. Aminosavak gyártása

IPARI ENZIMEK IPARI ENZIMEK ENZIMEK ALKALMAZÁSAI MEGOSZLÁS IPARÁGAK SZERINT IPARI ENZIMEK PIACA IPARI ENZIMEK FORRÁSAI

MIKROBIOLÓGIA. Dr. Maráz Anna egyetemi tanár. Mikrobiológia és Biotechnológia Tanszék Élelmiszertudományi Kar Budapesti Corvinus Egyetem

Hidrogén előállítása tejcukor folyamatos erjesztésével

Biomassza. az integrált hasznosítás s energetikai

XX. OXIGÉNTARTALMÚ SZERVES VEGYÜLETEK

KÉMIA ÍRÁSBELI ÉRETTSÉGI- FELVÉTELI FELADATOK 2001 (pótfeladatsor)

A mustok összetételének változtatása

Kémiai és fizikai kémiai ismeretek és számítások

A baktériumok szaporodása

FÖLDMŰVELÉSTAN. Az Agrármérnöki MSc szak tananyagfejlesztése TÁMOP /1/A

Az élelmiszerek mikrobiális ökológiája. Mohácsiné dr. Farkas Csilla

Laboratóriumi technikus laboratóriumi technikus Drog és toxikológiai

Horgászvízkezelő-Tógazda Tanfolyam (Elméleti képzés) 4. óra A halastavak legfőbb problémái és annak kezelési lehetőségei (EM technológia lehetősége).

PHENOXYMETHYLPENICILLINUM KALICUM. Fenoximetilpenicillin-kálium

Borászati mikrobiológia és kémia vizsgakérdések 2012.

A szénhidrátok lebomlása

ETHANOLUM (96 PER CENTUM) (1) 96 %-os Etanol

40/1977. (XI.29.) MÉM rendelet - 6. számú

O k t a t á si Hivatal

A szénhidrátok lebomlása

A kémiai energia átalakítása a sejtekben

A felvétel és a leadás közötti átalakító folyamatok összességét intermedier - köztes anyagcserének nevezzük.

KÖZÉPSZINTŰ ÍRÁSBELI VIZSGA

Javítóvizsga. Kalász László ÁMK - Izsó Miklós Általános Iskola Elérhető pont: 235 p

Gibberellinek. 1. ábra: Gibberellán, gibberellinsav szerkezete. BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 1

KÉMIA ÍRÁSBELI ÉRETTSÉGI- FELVÉTELI FELADATOK 2001

Egy sejt fehérje Single-Cell Protein (SCP) (Hallgatói jegyzet)

3. változat. 2. Melyik megállapítás helyes: Az egyik gáz másikhoz viszonyított sűrűsége nem más,

VESZTESÉGEK CSÖKKENTÉSE KÜLÖNBÖZŐ SZÁRAZANYAG- TARTALMÚ KUKORICASZILÁZSOKNÁL

MÉRGEK SORSA AZ ÉLŐ SZERVEZETBEN ELŐADÓ DR. LEHEL JÓZSEF

TERMÉSZETISMERET A és B variáció

BIOLÓGIA. PRÓBAÉRETTSÉGI május EMELT SZINT. 240 perc

Fejlesztendő területek, kompetenciák:

Környezettechnológia. Dr. Kardos Levente adjunktus Budapesti Corvinus Egyetem Talajtan és Vízgazdálkodás Tanszék

AZ EMÉSZTÉS ÉLETTANA. Fehérjeemésztés kimutatása földigiliszta tápcsatornájában

Tantárgy tematikája: I. Félév

A másodlagos biogén elemek a szerves vegyületekben kb. 1-2 %-ban jelen lévő elemek. Mint pl.: P, S, Fe, Mg, Na, K, Ca, Cl.

A BAKTÉRIUMOK SZAPORODÁSA

A) Ásványi és nem ásványi elemek: A C, H, O és N kivételével az összes többi esszenciális elemet ásványi elemként szokták említeni.

6. A TALAJ KÉMIAI TULAJDONSÁGAI. Dr. Varga Csaba

A szesz-, sör-, bor-, gyümölcslé- és üdítőitalipar környezeti hatásainak vizsgálata

SZTEROIDKONVERZIÓK. BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 1. Szteroidkonverziók

KÉMIA ÍRÁSBELI ÉRETTSÉGI- FELVÉTELI FELADATOK 1998

ÁSVÁNYI ANYAGOK ÉS NYOMELEMEK SZEREPE A SZERVEZETBEN

Via Futuri nemzetközi konferencia Pécs.

A tananyag felépítése: A BIOLÓGIA ALAPJAI. I. Prokarióták és eukarióták. Az eukarióta sejt. Pécs Miklós: A biológia alapjai

B. feladat elvégzendő és nem elvégzendő kísérletei, kísérletleírásai. 1. Cink reakciói

Néhány szó a műről. Tisztítás technológia: Vas, mangán, arzén, ammónium

BIOLÓGIA és BIOTECHNOLÓGIA 3. rész

Biológia 3. zh. A gyenge sav típusú molekulák mozgása a szervezetben. Gyengesav transzport. A glükuronsavval konjugált molekulákat a vese kiválasztja.

1. feladat Összesen: 10 pont. 2. feladat Összesen: 6 pont. 3. feladat Összesen: 18 pont

Fejezet a Gulyás Méhészet által összeállított Méhészeti tudástár mézfogyasztóknak (2015) ismeretanyagból. A méz. összetétele és élettani hatása


A 2009/2010. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny első (iskolai) forduló KÉMIA I-II. KATEGÓRIA FELADATLAP

A 27/2012 (VIII. 27.) NGM rendelet (25/2014 (VIII.26.) NGM rendelet által módosított) szakmai és vizsgakövetelménye alapján.

IPARI ENZIMEK 2. Proteázok. Alkalikus proteázok. Pécs Miklós: Biotermék technológia fejezet: Ipari enzimek 2.

Készítette: Tálos Ádám. Környezettan Bsc szakos hallgató. Témavezető: Dr. Pasinszki Tibor, egyetemi tanár Szervetlen Kémiai Tanszék Kémiai Intézet

Szakközépiskola évfolyam Kémia évfolyam

4. Génmanipulált mikroorganizmusok

Technológiai fejezet

01/2008: MÉRŐOLDATOK

BIOLÓGIA és BIOTECHNOLÓGIA 3. rész

BORKEZELÉS, BOR PALACKOZÁS. Az anyagot összeállította: Budai Lajos.

A nukleinsavak polimer vegyületek. Mint polimerek, monomerekből épülnek fel, melyeket nukleotidoknak nevezünk.

ÉLELMISZERIPARI ISMERETEK. Cukorrépa (Beta vulgaris var. saccharifera) Dr. Varga Csaba főiskolai adjunktus

TAKARMÁNYOZÁSTAN. Az Agrármérnöki MSc szak tananyagfejlesztése TÁMOP /1/A

Javítókulcs (Kémia emelt szintű feladatsor)

SZÛKÍTETT RÉSZLETEZÕ OKIRAT (4)

ÓRACSOPORT TEMATIKUS TERVE

EMELT SZINTŰ ÍRÁSBELI VIZSGA

Sporttáplálkozás. Étrend-kiegészítők. Készítette: Honti Péter dietetikus július

Ásványi anyagok, nyomelemek

BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 1

NÖVÉNYI HATÓANYAGOK KINYERÉSE SZUPERKRITIKUS EXTRAKCIÓVAL

Oktatáskutató és Fejlesztő Intézet TÁMOP / XXI. századi közoktatás (fejlesztés, koordináció) II. szakasz KÉMIA 4.

Általános iskola (7-8. évfolyam)

KÖRNYEZETI MIKROBIOLÓGIA ÉS BIOTECHNOLÓGIA. Bevezető előadás

100% = 100 pont A VIZSGAFELADAT MEGOLDÁSÁRA JAVASOLT %-OS EREDMÉNY: EBBEN A VIZSGARÉSZBEN A VIZSGAFELADAT ARÁNYA 40%.

Curie Kémia Emlékverseny 10. évfolyam országos döntő 2011/2012 A feladatok megoldásához csak periódusos rendszer és zsebszámológép használható!

Elektrokémia. A nemesfém elemek és egymással képzett vegyületeik

Vegyipari technikus Vegyipari technikus

A MIKROORGANIZMUSOK A TERMÉSZETBEN

Wessling technológiai továbbképzés

Baktériumok tenyésztése

Archenius egyenlet. fehérje denat. optimum

HEVESY GYÖRGY ORSZÁGOS KÉMIAVERSENY

(11) Lajstromszám: E (13) T2 EURÓPAI SZABADALOM SZÖVEGÉNEK FORDÍTÁSA

KÉMIA JAVÍTÁSI-ÉRTÉKELÉSI ÚTMUTATÓ

ACIDUM ASCORBICUM. Aszkorbinsav

BIOLÓGIA VERSENY 10. osztály február 20.

3/2009. (II. 4.) ÖM rendelet

KÉMIA 10. Osztály I. FORDULÓ

301. TUDOMÁNYOS KOLLOKVIUMON füzet

KÉMIA TANMENETEK osztályoknak

Átírás:

Az ecetsav biológiai előállítása 4. SZERVES SAVAK A bor után legősibb (bio)technológia: a bor megecetesedik borecet keletkezik A folyamat bruttó leírása: C 2 H 5 OH + O 2 CH 3 COOH + H 2 O Az ecetsav baktériumok az alkoholt ecetsavvá oxidálják molekuláris oxigén felhasználásával. 1 SZERVES SAVAK Mind prokarióták, mind eukarióták termelnek savakat, nincs különbség. Anyagcserében: Az aeroboknál: a szénforrások szerves savakon keresztül oxidálódnak. Ha nem megy végig (hiányos anyagcsereutak) savtermelés Anaeroboknál: sok NADH keletkezik reduktív közeg akkor van savtermelés, ha nem redukálódik tovább alkohollá (tejsav, vajsav). Ecetsav baktériumok Gram negatív, ellipszoid vagy pálca alakú sejtek, aprók, 0,6-0,8 μm hosszúak, egyesével, párokban vagy láncokban van mozgásra képtelen és mozgásra képes forma is poláris vagy peritrich flagellum obligát aerobok 2 ECETSAV Az ecetsav baktériumok osztályozása Ipari előállítások: Kémiai úton: Biotechnológiai úton: Metanol karbonilezése Acetaldehid oxidációja Etilén oxidációja Fa száraz lepárlása Cukrok etanol ecetsav Saccharomyces cerevisiae Acetobacter aceti Az Acetobacteraceae-n belül 3 család. Az Acetobacter és Gluconobacter közeli rokonok (DNS hibridizáció). Acetobacter Gluconobacter Frateuria 3 1

Ecetsav baktériumok Az ecetsav képződés biokémiája Izolálásuk nehéz, mert: a természetben (és az ipari félfolytonos/folytonos eljárásoknál is) vegyes kultúrákat alkotnak, sok, jelentősen eltérő altípussal és spontán hibridekkel. szilárd és félszilárd táptalajon nehéz tenyészteni, folyadékban meg nehéz széleszteni Ipari törzseknél/kultúráknál elvárás, hogy: tolerálja a nagy ecetsav és alkohol koncentrációt kis tápanyag szükséglet ne lépjen fel túloxidáció magas hozamot produkáljon Az enzimek a citoplazmamembránba épülnek be. A hidrogéneket ubikinonnak adják át. Az ubikinol visszaoxidálása során a terminális oxidációhoz hasonlóan molekuláris oxigénnel víz képződik és proton exportálódik a periplazmikus térbe. A protonok visszaáramlásával a sejt ATP-t termel, így nyer energiát a folyamatból. Acetobacter törzsek genetikai módosítása Szferoplaszt(protoplaszt) fúziós technika: Szferoplaszt képzés (a sejtfal leemésztése) Két különböző tulajdonságú baktériumtörzs szferoplasztjának fúzionáltatása Eredmény: a tulajdonságok új kombinációja. (Sok nem stabilizálódik az új törzsben) Tápanyagok, szubsztrátok Fő komponens: etil-alkohol, lehet: tiszta, ipari alkohol, ezt denaturálják (USA: etilacetáttal, EU: ecetsavval) valamilyen erjesztett lé, ld. étkezési ecetek Cefre: a betáplált alkoholtartalmú oldat, töménysége az: összkoncentráció = alkohol tartalom (V/V%) + ecetsav tartalom (g/100ml) Hozam = kinyert ecetsav konc./teljes konc. Az ecetsav képződés biokémiája Étkezési ecetek Alapanyagok szerint: A folyamat két lépésben megy végbe, az etanol előbb acetaldehiddé oxidálódik (alkohol-dehidrogenáz), majd az aldehid oxidálódik ecetsavvá (aldehid dehidrogenáz). Az ADH prosztetikus csoportja PQQ (pirrolo-kinolin-kinon), ez veszi át a hidrogéneket. Bor borecet Almabor almaecet Árpa forrázat malátaecet Rizs rizsecet Balzsamecetek: az ecet mellett sok cukrot (gyümölcslé, szirup) is tartalmaznak.. 2

Tápanyagok, szubsztrátok Etanol Természetes nyersanyagoknál általában nincs szükség további tápanyag hozzáadására. kivétel: almabor, bor, ehhez ammónium-foszfát (N és P bevitel) Tiszta alkohol alapú fermentációnál kell a tápoldatba: glükóz (kevés) makroelemek: kálium, nátrium, magnézium, kalcium, ammónium (ammónium-foszfát formájában), szulfát és klorid nyomelemek: vas, mangán, kobalt, réz, molibdén, vanádium és cink Az etanol hiány (pl. elfogy, és nem pótolják időben) megzavarja a fermentációt, az enzimaktivitások maradandóan lecsökkennek. A kár mértéke az etanol hiány idejétől és az összkoncentrációtól függ. Túloxidáció: az ecetsav tovább oxidálódik szén-dioxiddá és vízzé. Megelőzésére az összkoncentrációt magas értéken kell tartani az etanol pótlásával. (Az alkohol koncentráció folyamatos mérése és szabályozása.) Szénforrások A cukor (glükóz, szacharóz) könnyebben beépül a sejt anyagába, mint az acetát. Az ecetsav baktériumok a pentóz-foszfát úton hasznosítják. Acetát A törzsek képesek a citromsav-cikluson keresztül hasznosítani az acetátot és a laktátot, de a túloxidáció csökkentésére törekszünk. Szén-dioxid A sejtek igénylik az oldott CO 2 -ot, beépítik saját anyagaikba (~0,1% C) Oxigén Oxigén: az Acetobacter-ek obligát aerobok, igénylik az oxigént. Ha megszakad az oxigénellátás (1-5 percre), akkor hoszszan megmaradó káros változások alakulnak ki az enzimek működésében. A káros hatás mértéke itt is az oxigén hiány hosszától és az összkoncentrációtól függ. A nagy levegőáram ugyanakkor sok illó komponenst (etanol, ecetsav) visz magával (= veszteség). Ezért az elmenő levegőt mossák, és a mosóvízzel készítik a következő cefrét. Nitrogénvegyületek N-forrás: szervetlen N-források (ammónium sók) is megfelelők Egyes törzsek növekedési faktorokat igényelnek, illetve ezek jelenlétében jobban termelnek: vitaminok (p-aminobenzoesav, niacin, tiamin, pantoténsav) aminosavak purin vegyületek glutation + Na-glutamát együtt Levegőztetés Felületi kultúra: töltött oszlopban (klasszikus: bükkfa forgács töltet) a felületen csorog lefelé a kezdetben ~10%- os alkohol, a hézagokban felfelé áramlik a levegő. A levet recirkuláltatják (= mozgócefrés eljárás) A felületen a sejtekből biofilm alakul ki. Nem steril, a befertőződéstől védi az alkoholtartalom és a savas ph. (de: ecetangolna ) Konverzió ~100%, kihozatal: 95-98%, a többi elpárolog. 18 3

Felületi technológia Frings acetátor 19 Szubmerz technológiák Intenzív levegőztetés szükséges, keverős és air lift egyaránt előfordul. Frings-acetátor: önbeszívó turbinakeverő, a motor alulról forgatja, és a levegőt felülről, a tengelycsövön át szívja be, és eloszlatja. Szubmerz technológiák Félfolytonos technológiák. Nagy ecetsav koncentrációhoz (18-19%) utólagos alkohol adagolás szükséges. Egylépcsős: az induló cefre ~15% összkoncentrációjú. Ahogy fogy az alkohol, lassan +4%-ot adagolnak. Teljes konverziónál lefejtés-feltöltés. Kétlépcsős: ugyanígy adják az etanolt, de 15%-os ecetsav tartalomnál a térfogat 30%-át egy másik fermentorba viszik át, ott fejeződik be a konverzió. 20 23 Frings acetátor Feldolgozás A fermentléből a sejtek eltávolításánál problémát okoz, hogy az Acetobacter sejtek nagyon aprók, centrifugálással, szűréssel alig választhatók el. Célszerűen membránszűréssel (mikroszűréssel) távolítják el. Egy belső forgó- és egy külső állórészből áll. Az ecetsav bepárlással töményíthető (fp = 118 C), a víz az illékonyabb komponens. 24 4

Új lehetőség: a homoacetogének GLÜKONSAV ELŐÁLLÍTÁSA Egyes Clostridium törzsek képesek CO 2 fixálásra: 1 C 6 H 12 O 6 + 2 H 2 O 2 CH 3 -COOH + 2 CO 2 + 8 H + + 8e 2 CO 2 + 8 H + + 8e CH 3 -COOH + 2 H 2 O C 6 H 12 O 6 3 CH 3 -COOH! A 2 CO 2 -ból autotróf CO 2 -fixálással egy új acetil-coa képződik. Miért? Sok Clostridium kemoautotróf, képes H 2 +CO 2 vagy CO gázkeveréken növekedni, mint egyedüli szénforráson. Előny: +50% hozam, Hátrány: lassú folyamat 25 1928 felületi tenyésztés cukron, Penicillium notatum 80-87% -os konverzió Ma: főleg Aspergillus niger, mellette baktériumok: Gluconobacter suboxydans, metanolhasznosítók, pl. Ps. ovalis Bioszintézis: baktériumoknál: egy lépés, membránhoz kötött dehidrogenáz gombáknál: két lépésben, a második a sejten kívül megy 28 Új lehetőség: a homoacetogének GLÜKONSAV ELŐÁLLÍTÁSA Fermentáció típusa Szakaszos Folyamatos, sejtvisszatáplálással Folyamatos, sejtvisszatáplálás nélkül Forgódobos fermentor Produktivitás (g*l -1 *h -1 ) 0,9 4 2,5 10 Ecetsav konc. (g*l -1 ) 120 22 7 37 Szakaszos: glükóz rátáplálás, semlegesítés dolomittal Félfolytonos: lefejtés 50%-ig Forgótányéros: egyfajta immobilizálás, a tányér felületére biofilm tapad Elméleti konverzió: 1 g/g, a gyakorlatban 90-95% A glükóz-oxidáz enzim molekuláris oxigént használ fel és H 2 O 2 -ot termel. Ezt a kataláz elbontja. (Kioltási gyűrűt eredményezhet, régen azt hitték, hogy antibiotikumot termel a törzs - blamázs). 26 29 Az ecetsav felhasználása Felhasználása: Ipar: erős sav, reakciók, alapanyag, Vízkőoldás Élelmiszeripar: tartósítás Új: jégmentesítés: só helyett Ca- vagy Mg-acetát FERMENTÁCIÓS TECHNOLÓGIA A két szubsztrátot glükóz és O 2 bőségesen kell bevinni. Glükóz: rátáplálás, mert az egyszeri adagolás lelassítja a folyamatot. Kihozatal: 0,90-0,95 (glükózra) Oxigén: igen erőteljes levegőztetés, intenzív keverés, nagy fejnyomás. DO-t magas értéken kell tartani. 27 30 5

FERMENTÁCIÓS TECHNOLÓGIA ph: 5,5 alá nem szabad engedni, mert az enzimrendszer inaktiválódik. Szabályozása: CaCO 3 -tal automatikus, ill. +NaOH-dal, mert a Na só jobban oldódik. N és P: a termelési szakaszban limitáló koncentrációban, inkább nyugvósejtes tenyészet. Feldolgozás: - a micélium szűrése, - bepárlás, - kicsapás CaCO 3 -tal, - elválasztás Micélium hasznosítása: - újrafelhasználás fermentációhoz, - enzim-kinyerés (glükóz-oxidáz, kataláz) Törzsfejlesztés: az enzimet a goxb gén kódolja. Génmanipulációval: derepresszált mutáns, 36 óra alatt lefut a ferm. Egylépéses konverzióval fumársavból. Törzs: Corynebacterium glutamicum, nyugvósejtes tenyészet Enzim: fumaráz, sztereoszelektív, csak L-malátot termel. Körülmények: ph = 8, t = 25 C Egyensúly: 15 : 85 aránynál (oldatban) 31 34 FERMENTÁCIÓS TECHNOLÓGIA A termék kicsapásával az egyensúlyinál jobb konverzió érhető el: Kristályfermentáció 32 35 GLÜKONSAV Felhasználási területek: nem korrozív sav Fémipar (tisztítás, rozsdátlanítás) Üvegipar Detergensekben (komplexképző) Gyógyszeripar (vízoldhatóságot javítja, Ca, Fe) Cementadalék Feldolgozás: a Ca-malátot kénsavval bontják, a gipszet leszűrik, ioncserével tisztítják, bepárolják, kristályosítják. Termelés: ~100.000 t/év Cégek: AKZO (NL), Carlo Erba (I), Merck (D), Mallinkrodt (USA) 33 36 6

Amino GmbH eljárása: Corynebacterium glutamicum, szakaszos üzem, nem steril, p-oh-benzoésav észterek Imidazol és idegen fehérje adagolás javítja az enzimaktivitást 2000 t/év, kihozatal: 85 %, 150 g/l Tisztaság: >99 % Tanabe eljárás: (eltérések) Brevibacterium flavum, immobilizált sejtek (carragenan gél) 1000 literes csőreaktor, ph = 6,5-8, t = 37 C Konverzió: 80% (~egyensúlyi), kihozatal: 70 % 37 Éves igény: ~ 40.000 t Felhasználás: Élelmiszeripar (sav cukor arány) gyümölcs és zöldség készítmények, üdítők, lekvárok, édességek Kozmetikai ipar Gyógyszeripar 38 7