19. század eleje óta ismert

    II. világháború: 1,3-butadién -> műgumi

    verseny a kőolajiparral

Jellegzetességek:

    butándiol kevésbé toxikus, mint pl. EtOH (!) -> termék koncentráció Ú

    downstream ára elvben

    de: jó technológiai megoldás hiányzik

    sztereoizomerek:

Enterobacter cloaceae - D és mezo

Bacillus polymyxa - csak D

Biokémia:

    Enterobacteriaceae (fakultatív anaerob)

 - kevert savas 2,3-butándiol anyagcsere:

    glükóz -> piruvát -> acetolaktát -> D(-) acetoin -> butándiol

 - acetát konc. szabályoz (ld. pH függő acetát disszociáció és megoszlás)

    butándiol kevésbé toxikus, mint acetát (!)

 - O₂ limitált környezet butándiolt indukál

• anaerob -> EtOH, formát, butándiol, acetat, acetoin keverék
• kevés O₂ -> butándiol, acetoin
• sok O₂ -> biomassza

Mert: butándiol szintézis helyettesíti a légzést anaerob környezetben (NADH felesleget NAD-á oxidál)

    egyensúly a belső redox állapot és NAD pool között

 - energia (ATP) limitáció a butándiol szintézisnek kedvez
 

Termelés:

-> C és energia forrás: cellulóz

    keményítő

    melasz

    tejpermeátum

-> Hőmérséklet: 3O-37 ^oC

    4 pH: 5,0-5,8 (felette acetát termel?dik!)

-> OXIGÉN: DOT < 3%

-> ideális fed-batch: biomassza termelés után butándiol termelés

-> Szaporodás és termelés nem kapcsolt

-> biomassza visszaforgatás és immobilizálás

Termék kinyerés:

    L Forráspont 180-184 ^oC + vizet jól köt

    J hidrofób extrakció

    J - H₂O = metil-etil-keton (90 %, Fp. 80 ^oC)

Felhasználás:

    fútőanyag

    benzin adalék

-> metil-etil-keton (oldószer)

-> 1,3-butadién (műgumi) -> sztirol (műanyagok)

Élelmiszeripar igényli:

- 1914: 10 000 t/év, fő termelő Olaszország

    (30-40 t citrom @ 3 ha ültetvény / 1 t citromsav)

Gomba:

    Penicillium glaucum

    Aspergillus niger (pH < 2,5 ó 60 % konverzió)

Feltétel: alacsony pH (fertőzés sincs!)

    magas cukorkoncentráció

    alacsony növekedési sebesség

1933:

    világ termelés 90 % fermentációból

    két fázisban szervezett fermentáció:

a./ micelium növekedés

b./ lassú növekedés mellett biokonverzió

 Biokémia:
 

¬ aerob glikolízis -> piruvát + CO₂ -> oxálecetsav

* citromsav

­ Mn²⁺ gátol (De: Cu²⁺ gátolja az Mn²⁺ felvételt!)

® sok O₂ -> szerves sav képződik

Mert:

    kevés O₂ -> NADH túltermelés -> ATP szint é
    -> biomassza termelődik a sok cukorból

* sok O_{2 ->} NADH oxidálódik ATP szintézis nélkül is

* pH < 2,5 -> citromsav, felette keverék képződik (oxálsav, glükonsav, citromsav)
 

Termelés:

Aspergillus niger

• 20 % tannin-on szelektíven dúsítható
• spóra jól tárolható, stabil, törzsnemesítésre jó
• spóra termelés (100 kg/10000 t citromsav)

    (100 mg/m² » 10⁶ m² /10000 t termék)

    C és energiaforrás:

    keményítő hidrolizátum

    melasz

Felületi fermentáció:

    szilárd felszínen növő micelium termel jól

-> lapos tálcákban (2-4 m x 2-4 m x 0,1 m @ 1 t/tálca)

    sok O₂ és páratartalom (70-90 %)

-> levegőztetés kritikus

    hexacianoferrát (HCF) komplexálja a gátló

    kationokat a tápban (Mn²⁺ Fe²⁺ )

kétfázisú fermentálás:

    a./ inokulálás, biomassza termelés

    b./ micelium pH < 2 -> citromsav termelés
 

Kevert fermentor:

    J munkaigény

    L érzékeny:

    fémionokra -> fermentor anyaga

    (pH < 2 !)

    L sok O₂ (25 % telítés felett!)

    L micelium nehezíti a keverést
 

 Termék kinyerés:

    Micelium mosás, szárítás -> kb. 200 kg/t citromsav, takarmányként értékes

Citromsav:

    a./ kicsapás Ca₃-citrát formában

    tisztítás: citromsav monohidrát + gipsz = 1:1
 

    b./ extrakció (gyenge hatásfok)

    alkilfoszfát

    tercier aminok
 

    c./ ioncserélő hordozó

    jó, hatékony, de drága
 

 Felhasználás:

    Ma: 700000 t/év

    Élelmiszeripar (60 %)

    GRAS, jól oldódik vízben, kellemesen savanykás

    Kozmetikai ipar (10 %)

    Egyebek (30 %)

• kelátor - mosószer (pl. Calgon), tisztítószerek
• biológiailag lebontható polimerek

• biofilter - SO₂ emisszió

1926-tól:

Aspergillus niger glükózból glükonsav,

    ha pH » neutrális
 

Biokémia:

Glükóz oxidáz

    flavoprotein

    H₂O₂ termelés -> védekező mechanizmus

* lignin degradáció

    extracelluláris

    expresszió szabályzás: O₂ és glükóz konc.

    pH < 3 inaktiválódik
 

Termelés:

• magas cukor koncentráció (> 150 g/l)
• alacsony N és P (< 20 mM)
• elegend? fémion, pl. 10 mM Mn²⁺
• pH > 5
• sok O₂

    Ca-glükonát: kristályosítás

    nem toxikus, nem korrózív, vízoldékony
 

 Felhasználás:

    kb. 60000 t/év

    R fém tisztítószer (alumínium)

    R tápanyag adalék

    fehérje kicsapás (tofu)

    R nehézfém ionok megkötése
 
 

Acetobacter

Clostridium thermoaceticum

    “Ecet baktériumok” kevert kultúrák

Biokémia:

    glükóz -> hexóz monofoszfát/TCA ciklus -> EtOH

    EtOH + O₂ = oxidatív fermentáció

    > 98 % konverzió

    Alkohol dehidrogenáz (ADH)

    pirollokinolin kinon (PQQ)+hemC

    ubikinon -> terminális oxidáz

    Aldehid dehidrogenáz

    PQQ
 

Termelés:

    O₂, alkohol toxicitás és sav-stress limitál

    10-20 % ecetsav konc.

    félfolyamatos ill. kétlépéses reakció

    EtOH konc. -> Ecetsav baktériumok megtartására:

    biomassza visszaforgatás

    felületi adszorpció = biofilm pl. faforgácson

    immobilizálás

    k -karrageán

    Ca-alginát

    porózus kerámia

L O₂ gradiens limitál

L ecetsav stress

    Anaerob fermentáció (C. thermoaceticum)

    glükóz -> ecetsav

    pH » 7 működik -> semlegesíteni kell in situ

    anaerob -> redox potenciál szabályoz

Felhasználás:
 

    kb. 200 000 t/év

    Élelmiszeripar

    Vegyipar

    Ca/Mg-acetát = “zöld só”

    3-OH-vajsav

    3-OH-alkánsavak (C₃ - C₁₄)

    telített, telítetlen

L Metanogének és tejsav baktériumok

    Ralstonia eutropha (Alcaligenes eutrophus)

    Pseudomonas oleovorans

Archaea/Eubacteria

    zárványok

PHB-Ca komplex
 

Biokémia:
 

< PHA indukció

    - szénforrás felesleg

    - valami limitál (N, S, P, Fe, Mg, K)

    - R. eutropha O₂

< PHA szintáz

    konstitutív -> enzim szinten regulált a PHA termelés

    konzervált szekvencia

    erősen konzervált -SH

    polimerizáció transzészterezéssel

< Termék szerkezet

    meghatározza

    - törzs

    - C-forrás

    - környezeti tényezők

< PHA in vivo szerepe:

• tartalék szén és tápanyag
• redukálószer tartalék (Ac-CoA)

    nem-toxikus (mint pl. EtOH, tejsav)

    intracellulárisan biztonságosan megmarad

• nitrogenázt védi O₂ ellen

    PHA

    PHA szintáz

    PHA depolimeráz

    struktúrális fehérjék

< PHA lebontás

    hidrolízis

    PHA depolimeráz » celluláz, xilanáz, glükanázok

    C-terminális threonin gazdag + sok Ala/Gly

    N-terminális lipáz box:

    Gly-Leu-Ser-X-Gly

-> természetben sok nem-specifikus bontó enzim

< PHAtulajdonságai

    termoplasztikus és/vagy elasztoplasztikus

    vízben nem oldódik

    biológiailag lebontható

    nem-toxikus

    biokompatibilis

    optikailag aktív lehet

    piezoelektromos lehet
 

Termelés:

R. eutropha (Zeneca)

    Két fázisú fermentáció

    a./ sok cukor, biomassza termelésre

    b./ sok cukor, P limitált PHA termelés

Metilotrófok

Transzgenikus növények
 

Termék kinyerés:

    lizozimes feltárás

    oldószer extrakció (klórozott szénhidrogénekkel)

    liofilizálás

    spray-drying
 

Felhasználás:

    csomagolóanyag (Wella)

    folyadék tárolás

    zacskó

    tálca

    orvosi alkalmazások

    prosztetikumok

    bioretard anyagok

    mezőgazdaság - vízkötő anyagok

14. Fólia

Szerves kémia biokatalizátorokkal

J szelektivitás

J kiralitás

• kristályosítás
• disztereoizomer sóképzés
• szelektív mikrobiális lebontás

    heterogén katalízis

    immobilizálás

    katalizátor újrahasznosítás

L fejlesztési költségek

    Biokonverzió @ termék és szubsztrát hasonlít

    Fermentáció @ termék és szubsztrát nagyon eltér?

Ipari igény: b -laktám / szteroid származékok (1955-)

    Fermentációs termékek: