Nadprodukcja wybranych produktów metabolizmu

Transkrypt

1 Biosynteza i nadprodukcja aminokwasów STRUKTURA BIAŁKA Strukturę białek opisuje się na czterech poziomach: Pierwszo rzędowa Drugorzędowa Czwartorzędowa Trzeciorzędowa 1

2 Aminokwasy endogenne i egzogenne 2

3 Produkcja aminokwasów 3

4 4

5 Glutaminian sodu (MSG, E621) Sól sodowa kwasu l-glutaminowego Ponad 50% rocznej produkcji aminokwasów 5

6 Biosynteza i nadprodukcja aminokwasów L-LIZYNA t/rocznie D,L-METIONINA t/rocznie dodatek do pasz białkowych (kukurydza, pszenica) 10g/dzień preparatu zwiększa zawartość białka w mleku 8-12% 6

7 Metody produkcji aminokwasów Biosynteza Synteza chemiczna Hydroliza białek 7

8 Rys historyczny Japonia wykorzystywanie glonów morskich jako wzmacniaczy smaku Początek XX w. uzyskano glutaminian sodu z alg Laminaria japonica 1957 r. Kinoshita wyizolował bakterie kwasu glutaminowego Micrococcus glutamicus = Corynebacterium glutamicum najefektywniejszego producenta glutaminianu Od 1996 r. proces produkcyjny kwasu glutaminowego nie zmienił się znacząco C. glutamicum są zdolne wyprodukować nawet 100 g glutaminianiu z litra hodowli 8

9 Corynebactrium glutamicum Gramdodatnie Katalazododatnie O kształcie ziarniaków, krótkich pałeczek lub maczugowców Nieruchliwe Nie wytwarzają spor Szybko rosną w trakcie podziału tworzą charakterystyczne formy V Nie hydrolizują skrobi i celulozy Charakteryzują się słabą aktywnością proteolityczną Należą do mezofili ( C) Niektóre szczepy do wzrostu wymagają biotyny, tiaminy 9

10 Zastosowanie C. glutamicum Produkcja przemysłowa kwasu glutaminowego Produkcja przemysłowa L-lizyny Produkcja kwasu pantotenowego Bioremediacja arsenu Produkcja biodegradowalnych plastików, 10

11 14

12 Biosynteza kwasu glutaminowego 15

13 Czynnik wyzwalający (np. zmniejszenie dostępności biotyny, penicylina, Tween 40) Biosynteza kwasu glutaminowego Hamowanie ekspresji dehydrogenazy α- ketoglutaranowej Nadmierne gromadzenie glutaminianu w komórce Wydzielanie glutaminianu 16

14 Przemysłowa produkcja glutaminianu Fermentacja jednostopniowa hodowla okresowa z zasilaniem Niskie stężenie biotyny do 5 μg/dm 3 Źródło węgla: melasa buraczana o niskim stężeniu biotyny Źródło azotu (siarczan amonu) Odpowiednie warunki procesu: napowietrzanie, temperatura 30 0 C,czas 40-72h Wydajność konwersji sacharozy w glutaminian ok. 50% Stężenie kwasu glutaminowego w pożywce do 100 g/dm 3 17

15 Przemysłowa produkcja glutaminianu 18

16 Biosynteza L-lizyny 19

17 Produkcja L-lizyny 20

18 Preparaty handlowe L-lizyny 21

19 Inne aminokwasy otrzymywane droga fermentacji Treonina rekombinowane szczepy E. coli Kwas asparaginowy immobilizowane w żelu komórki E. coli L-Alanina immobilizowany szczep Pseudomonas dacunhae 22

20 Produkcja kwasów organicznych 23

21 Produkcja kwasów organicznych KWAS MLEKOWY 24

22 25

23 Kwas cytrynowy surowce: melasa, ziemniaki, otręby, wytłoki buraczane trzcinowe, z jabłek, winogron, pomarańczy, obierki z marchwi producenci: Aspergillus niger, Aspergillus wentii, Candida lipolytica, Yarrowia lipolytica metody hodowli: LFS metoda powierzchniowa SmF metoda wgłębna SSF metoda na podłożach stałych 26

24 27

25 Uwarunkowania produkcji kwasu cytrynowego przez A. niger syntaza cytrynianowa dehydrogenaza α-ketoglutaranowa hydrataza akonitanowa dehydrogenaza izocytrynianowa 28

26 29

27 32

28 Zastosowanie kwasu cytrynowego przemysł spożywczy konserwacja produktów spożywczych, regulator kwasowości chemia gospodarcza zamiennik fosforanów w proszkach i środkach czystości zakłady mleczarskie usuwanie osadów z mleka 33

29 Przemysł farmaceutyczny antidotum w zatruciach alkaloidami jako regulator kwasowości środek pobudzający apetyt (kilkuprocentowe roztworu) środek o działaniu przeciwwymiotnym (3-5%) jako substancja pomocnicza (tabletki musujące) składowa leków stosowanych w lecznictwie dermatologicznym roztwory stężone (40%) stosuje się w stomatologii 34

30 Przemysł kosmetyczny alfa-hydroksykwas działanie odkażające i ściągające składnik płynów do: ust, włosów, przeciwpotnych kremów do wybielania cery do usuwania piegów 35

31 Kwas octowy surowiec do produkcji kwasu octowego: rozcieńczony etanol ocet spirytusowy wino ocet winny przefermentowane soki owocowe, słód, scukrzony ryż optymalna temperatura C optymalne ph 5,4-6,2 wymagają złożonych i bogatych pożywek hodowlanych: źródła azotu sole amonowe obecności jonów Mg, K, Fe, Ca, Cu i Mo 36

32 Kwas octowy 37

33 Acetobacter i Gluconoacetobacter 38

34 Gluconobacter 39

35 40

36 41

37 Zastosowanie kwasu octowego rozpuszczalnik ocet (gospodarstwo domowe) procesy produkcji tworzyw sztucznych substancje zapachowe produkcja substancji barwiących produkcji sztucznego jedwabiu substancja owadobójcza otrzymywanie substancji organicznych (estry, aceton, bezwodnik octowy) przemysł farmaceutyczny produkcja aspiryny przemysł kosmetyczny preparaty dermatologiczne używany w płukankach i wodach toaletowych 42

38 43

39 Kwas glukonowy roczna produkcja na poziomi ok t producenci: Aspergillus niger Gluconobacterium Pseudomonas 44

40 Kwas glukonowy substancje wchodzące w skład pożywki: źródło węgla najczęściej czysta glukoza lub hydrolizaty skrobi ziemniaczanej źródło azotu i fosforu biostymulatory mikro i makroelementy korzystne warunki procesu: temperatura w zakresie 30-32ºC ph 6,0-6,5- korygowane węglanem wapnia, wodorotlenkiem sodu lub potasu intensywne mieszanie odpowiednie napowietrzenie (dobre natlenienie środowiska) 45

41 Zastosowanie kwasu glukonowego przemysł spożywczy: poprawa smaku zakwaszanie środek konserwujący produkcja sztucznego miodu wyrób kiełbas, serów produkcja napojów gazowanych przemysł metalurgiczny oczyszczanie powierzchni metalowych przemysł farmaceutyczny: preparat łatwo przyswajalnej formy wapnia roztwory glukonianu wapnia rozpuszczają skrzepy krwi przemysł kosmetyczny preparaty złuszczające 46

42 Produkcja etanolu 47

43 Ważniejsze drobnoustroje fermentacji etanolowej Drobnoustroje Drożdże Rodzaj Saccharomyces: S.cerevisiae, S.uvarum (syn. S.carlsbergensis) S.diastaticus S.rouxii (osmofilne) Inne rodzaje: Kluyveromyces fragilis i Kluyveromyces lactis Candida tropicalis Candida pseudotropicalis Schizosaccharomyces pombe Schwanniomyces alluvis i S.castellii Endomycopsis fibuliger Bakterie: Zymomonas mobilis Clostridium thermocellum C.thermohydrosulfuricum Thermoanaerobium brockii Thermobacterioides acetoethylirus Źródła węgla glukoza, fruktoza, galaktoza, sacharoza, maltoza, maltotrioza, glukoza, maltoza, skrobia glukoza, fruktoza, maltoza, eacha glukoza, galaktoza, laktoza glukoza, ksyloza, ksyluloza glukoza, galaktoza, laktoza cukry proste, maltoza, małocząsteczkowe dekstryny, kwas jabłkowy dekstryny, skrobia dekstryny, skrobia glukoza, fruktoza, sacharoza glukoza, celobioza, celuloza glukoza, ksyloza, celobioza, sacharoza, skrobia glukoza, sacharoza, celobioza, skrobia glukoza, sacharoza, celuloza 48

44 Historia gorzelnictwa Pierwsze wzmianki XII i XIII wiek Początki gorzelnictwa datuje się na koniec średniowiecza w Maroku Początki gorzelnictwa w Polsce XIV wiek XVIII wiek, zastosowanie ziemniaków jako surowca przekształciło gorzelnictwo w gałąź przemysłu I połowa XIX wieku intensywny rozwój gorzelnictwa w Polsce powstanie gorzelni rolniczych 49

45 Chemizm fermentacji etanolowej 50

46 Szlak fruktozobifosforanowy 51

47 Warunki procesu Kwasowość brzeczki ph=4,5 4,7 Temperatura C Substrat węglowodany Stężenie substratu 12-20% (osmotolerancyjność) Tolerancja na etanol 6-20% (alkoholoodporność) Pożywka sole amonowe i fosforany Rozpuszczony tlen korzystnie dla rozmnażania drożdży Zanieczyszczenia mikrobiologiczne Acetobacter, Lactobacillus 52

48 Metody prowadzenia fermentacji 53

49 54

50 Wydzielanie i oczyszczanie etanolu 55

51 56

52 57

53 Hydroliza skrobi W enzymatycznej hydrolizie skrobi biorą udział enzymy hydrolizujące wiązania glikozydowe w skrobi do maltozy i glukozy zwane amylazami. Znane są zasadniczo trzy rodzaje amylaz: α-amylazy, zwane również endoamylazami, atakujące wiązanie znajdujące się w środku łańcucha, β-amylazy, zwane egzoamylazami, rozrywające co drugie wiązania glikozydowe - poczynając od nieredukującego końca łańcucha, glukoamylazy, należące również do egzoamylaz, rozrywające kolejne wiązania, także 1,6 poczynając od końca nieredukującego 58

54 Gorzelnia zbożowa 59

55 Fermentacja etanolowa 60

56 Hydroliza celulozy 61

57 62

58 Produkcja piwa 63

59 Produkcja wina 65

60 Drożdże winiarskie Procesu fermentacji win dokonuje się przy użyciu drożdży z gatunku Saccharomyces cerevisiae. Ponieważ własna mikroflora moszczów owocowych nie daje pewności przekształcenia ich w wina należytej jakości, wprowadza się drożdże tzw. szlachetne, np. Saccharomyces cerevisiae, Torulospor delbruecki i inne. Szczepy drożdży winiarskich powinny mieć następujące cechy: szybkie i całkowite odfermentowanie, minimalne pienienie, szybką sedymentację po fermentacji, tworzenie małych ilości kwasów lotnych, wytwarzanie ubocznych produktów fermentacji korzystnie wpływających na cechy smakowo-zapachowe wina, zdolność rozkładania kwasu jabłkowego, odporność na duże stężenia kwasu siarkawego, odporność na wysokie ciśnienie CO 2 w przypadku produkcji win musujących, odporność na duże stężenie etanolu w przypadku produkcji win słodkich (deserowych), odporność na garbniki w przypadku produkcji win czerwonych. 66

61 w przemyśle kosmetycznym do produkcji aromatów do ciast w przemyśle farmaceutycznym Zastosowanie etanolu jako płyny dezynfekujące, flotacyjne czy do mycia szyb: autowidol, antyszron, autosilux, autovidex, bilux, antyfryz, jupiter błysk, videx, milux, aseptol środki do czyszczenia sanitariów środki higieny osobistej: wody kolońskie płyny po goleniu, dezodoranty (do stóp i ciała) płyny do kąpieli, szampony ziołowe lakiery do włosów, żele zmywacze do paznokci środki przemysłowe oraz samochodowe: do produkcji klejów, żywic atramenty jako tworzywa sztuczne i impregnaty jako płyny hamulcowe, hydrauliczne, do chłodnic jako półprodukty w wielu syntezach organicznych 67

62 Etanol absolutny farmaceutyczny CECHA PARAMETRY WYMAGANE PARAMETRY RZECZYWISTE Przezroczystość Całkowita Całkowita Zanieczyszczenia mechaniczne Brak Brak Barwa Bezbarwny Bezbarwny Moc w temp. 20 o C, % obj., nie mniej niż 99,9 99,9 Zawartość związków karbonylowych w przeliczeniu na aldehyd octowy 1 l etanolu 100% g, nie więcej niż 0,1 0,04 Zawartość fuzli w 1 l etanolu 100% g, nie więcej niż, w przeliczeniu na: - alkohol izoamylowy, - mieszaninę alkoholu izobutylowego i izoamylowego Zawartość alkoholu metylowego, nie więcej niż: a) g w 100 ml etanolu 100% b) % (V/V) Zawartość kwasów w przeliczeniu na kwas octowy, w 1 l etanolu 100%, nie więcej niż Zawartość estrów w przeliczeniu na octan etylu, w 1 l etanolu 100% g, nie więcej niż Sucha pozostałość po odparowaniu w 1 l etanolu 100% g, nie więcej niż - 0,1 0,01 0,013 0,001 0,01 0,02 0,02 0,1 0,05 0,01 0,00 68