Biofermentációs eljárásokBiofermentációs eljárások

• Többezer éves múlt, erjesztés-savanyítás, stb.

A XX. században különböz korszakai voltak

• 1. Citromsav korszak (1940-ig)• föleg élelmiszeripari, erjedésipari termékek• (tejsav, etanol, aceton, butanol, riboflavin, enzimek)

• 2. Antibiotikum korszak (kb. 1960-1970)• antibiotikumok, szteroidok, aminosavak, enzimek, stb.• ekkor dolgozták ki a steril technikáknak, az oxigénellátásnak, a• mikroorganizmusok nagyüzemi körülmények között való• kezelésének, a törzsnemesítésnek a módszereit 3. Jelenlegi korszak (ez a biotechnológia)• Jellemzi:• Új energiaforrások alkalmazása• Óriási fermentorok• Mszerezés, optimalizálás, komputerizáció• Új, molekuláris biológiai módszerek

Cél:

• 1. Sejtmassza elállítás (SCP)• 2. Sejtkomponensek elállítása• 3. Metabolizmus-termék elállítása• 4. A mikroorganizmusok átalakító képességének

kihasználása• 5. A mikroorganizmusok lebontó képességének kihasználása

Alkalmazási területek

• 1.Élelmiszeripar• 2. Gyógyszergyártás• 3. Vegyszergyártás• 4. Környezetvédelem• 5. Egyéb

1. Sejtmassza előállítás (SCP)

Mi a célja?

• Kiegészít, fleg takarmányozási célra használható fehérjeforrás elállítása új típusú alapanyagokból.• Normál esetben emberi fogyasztásra való alkalmazása nem célszerű.

Előnye:

• független a mezgazdasági termeléstl,• nem szezonális gyártás nagyméretű készülékekben,• automatizálható,• kis munkaerő igény• teljes biológiai érték fehérjét tartalmaz

Hátrány: eszközigényesség (100 000 t/év MeOH (metanol) alapú SCP-hez több Mrd Ft)

• nagy energia- és vízfelhasználás, sok szennyvíz

A MeOH alapú SCP elállítás jövje:• 1. Mszakilag megoldott, tápértéke jó, Ny-Európában engedélyezett,• Oroszországban az élelmiszerellátási problémák megoldására erltetett ütemben fejlesztették.• 2. Gazdaságosság - alapanyag ár-függvénye• - legyen termotoleráns az eljárás• - javuljon a termelékenység• - esetleg termeljen további értékes anyagokat• 3. Piaci helyzet: verseng a szójadarával, de még nem olcsóbb

2. Sejtkomponensek elállítása

• Ipari enzimek:

•nukleinsavak

•Poliszacharidok

•xantán

•poli-b-hidroxi-butirát (lebomló manyag)

• rDNS termékek

3. Metabolizmus-termék eláőllítása

a/ Primer metabolitok

• Aminosavak• Az élelmiszeriparban:• ízjavító anyagként (Na-glutamát, Naaszpartát)• antioxidánsként (cisztein gyümölcslevek- ben, triptofán, hisztidin) Takarmánykiegészítként (lizin, metionin)• Gyógyszerként (infúziós oldatokban)• Vegyipari eljárások alapanyagaként alkalmazzák• Lizin, triptofán, glutaminsav

• A japánok a nagymenk, génmanipulált törzsekkel,• számítógépes vezérlés, 2-300 m3-es fermentorokban termelnek

• Alkoholok: etanol: elször vegyszerelállítás, utána etilénbl csinálták (olajbség), majd megint erjesztéssel, benzin helyett

• aceton-butanol: csökken a jelentsége• Szerves savak: citromsav: többszázezer tonna/év• glükonsav• ecetsav(de ez lehet inkább mikrobiológiai transzformáció)• tejsav

b/ Szekunder metabolitok

• Vitaminok• B2 (riboflavin),B12, A-provitamin (b-karotin)• Alkaloidok: anyarozs alkaloidok: gyógyszerek• Antibiotikumok: több tízezret írtak le, vizsgáltak meg, de csak• néhány száz van kereskedelmi forgalomban. A hatásspektrum, a hatásmechanizmus, a• termel törzs, a bioszintézis útja és a kémiai szerkezet alapján lehet csoportosítani ket

4. A mikroorganizmusok átalakítóképességének kihasználása

• oxidáció, redukció• hidrolízis, kondenzáció• izomerizálás• Szteroid-transzformációk (oxidáció, redukció, hidrolízis,• észterképzés)• Glükóz-aszkorbinsav átalakítás (szorbit-szorbóz)• glicerin - dihidroxi-aceton• Prosztaglandinok (PGF2a) arachidonsavból• Antibiotikumok sokféle transzformációja (hatástalanítás)• Peszticidek transzformációja (környezetvédelem)

5. A mikroorganizmusok lebontóképességének kihasználása

•Cellulóz-felhasználás

•Csirketoll (keratináz)

•Napraforgómag héja

•Lignin-lebontás

•Sajt savó, kipréselt cukornád

Felhasználási területek

Élelmiszeripar

• Erjesztéses iparok

• Alkoholgyártás

• Élesztgyártás• Tejtermékek• Savanyúságok, húsipar

Gyógyszeripar• Gyógyítás• Antibiotikumok• Szteroid alapanyagok• HIV ellen antiszensz RNS• Tripla hélix DNS (jobbnak várják mint az anti-szensz

RNS-t)• Génterápia: az els elfogadott eljárások bevezetését

1997-re• várták• Human Genome Project• Farmakogenomiális vizsgálatok• azaz annak vizsgálata, hogy az egyes emberek eltér• genetikai háttere hogyan befolyásolja az új• gyógyszerjelöltek hatását• Megelzés• vakcinálás

Diagnosztizálás• In vitro gyógyszeripari vizsgáló és ellenrzési eljárások• USA: 290 M USD/év a kísérleti állatok felhasználására,

évi• 5%-kal n. Ma még ennek csak nagyon kis részét váltják

ki in• vitro módszerekkel, de gyorsan növeked terület

Bányászat

• Gyenge ércek kilúgozása fémköt mikroorganizmusokkal

• (Thiobacillus ferrooxidans)

• Fe2+ --------Fe3+

• S -----------H2SO4

• Réz- és uránbányászat

Kriminalisztika

• Tettesek azonosítása

Mezgazdaság• Cél: a vegyszerezés szintjének csökkentése

• Japán: rizsallergiát okozó fehérjét nem tartalmazó rizs elállítása

• USA: rovarkártevknek ellenálló gyapot elállítása

• szabályozott érés paradicsom elállítása

• Génmanipulált burgonya:

Régészet• Fáraók közötti rokonság megállapítása

Katonai alkalmazások• Antrax teszt

Végtelen széles lehetségek a felhasználásra, és újabbakkal bvül, a molekuláris biológiai módszerek alkalmazásával (mesterséges enzimek, nem vizes közegben mköd enzimes katalízisek, biológiai számítógép, molekuláris méret mechanikai konstrukció, kihalófélben lev állatok, (pl. panda nyúlban) klónozással való szaporítása, stb.)

SzesziparSzeszipar

Ajánlott irodalomAjánlott irodalom

Gyimesi,L és Sólyom,L: Élesztő és Szeszipari KézikönyvGyimesi,L és Sólyom,L: Élesztő és Szeszipari Kézikönyv Mezőgazdasági Kiadó, Budapest,1979Mezőgazdasági Kiadó, Budapest,1979 1.fejezet: Élesztő- és szeszgyártás 1.fejezet: Élesztő- és szeszgyártás

mikrobiológiája mikrobiológiája 4.fejezet: Szeszgyártás 4.fejezet: Szeszgyártás Békési,Z. és Pándi,F.:PálinkafőzésBékési,Z. és Pándi,F.:Pálinkafőzés Mezőgazda Kiadó, Budapest, 2005Mezőgazda Kiadó, Budapest, 2005 2.fejezet.: A gyümölcspálinkák 2.fejezet.: A gyümölcspálinkák

alapanyagaialapanyagai 4.fejezet.: Lepárlás és pálinkafőzés4.fejezet.: Lepárlás és pálinkafőzés

Anaerob fermentációAnaerob fermentáció

•

Az alkoholos erjedés fő lépéseiAz alkoholos erjedés fő lépéseiA A Saccharoyces cerevisiae Saccharoyces cerevisiae szerepe az alkoholos szerepe az alkoholos

erjesztésbenerjesztésbenMásodlagos erjedési melléktermékekMásodlagos erjedési melléktermékekAz élesztőtörzsek ipari alkalmazásának elvárásaiAz élesztőtörzsek ipari alkalmazásának elvárásaiAz ipari erjesztési technológiák fő jellemzőiAz ipari erjesztési technológiák fő jellemzőiAz élesztők élelmiszeripari alkalmazásaAz élesztők élelmiszeripari alkalmazása

Alkoholos erjedés főbb lépései (EMP ciklus)Alkoholos erjedés főbb lépései (EMP ciklus)

GAPDHA

Hexóz foszforilezése

ATP ADPhexokináz

2 mól triózfoszfát

Triózfoszfát dehidrogénezése foszfoglicerinsav

NAD+

NADH2

ADP

ATP

Foszfoenol piroszölösav képződése

ADP

ATP-H2O

Piroszölösav

Acetaldehid

CO2 dekarboxiláz

NADH2

NAD+

alkoholdehidrogenáz

Etilalkohol

kináz

piruvátkináz

egyensúly!

Saccharomyces cerevisSaccharomyces cerevisiiaeae

FakultatFakultatív anaerob szervezetív anaerob szervezetAnyagcserét szabályozó mechanizmusokAnyagcserét szabályozó mechanizmusokPasteur effektus:Pasteur effektus: molekuláris oxigén jelenlétében az erjesztés gátlódikmolekuláris oxigén jelenlétében az erjesztés gátlódikCrabtree effektusCrabtree effektus: : a cukor felesleg még jó oxigén ellátás mellett is gátolja a cukor felesleg még jó oxigén ellátás mellett is gátolja

a légzési enzimeket a légzési enzimeketaerob 6COaerob 6CO22 + 6H + 6H22OO

Hexóz lebontásHexóz lebontásanaerob 2CHanaerob 2CH33-CH-CH22-OH + 2CO-OH + 2CO22

A légzés energia mérlegeA légzés energia mérlegeGlükózGlükóz 6H6H22O + 6COO + 6CO22 + 673,4 kcal + 673,4 kcal110000 kg kg 48 kg élesztő szárazanyag48 kg élesztő szárazanyag

Az erjesztés energiamérlege /hatásfok=26%/Az erjesztés energiamérlege /hatásfok=26%/Glükóz + 2Pi + 2ADPGlükóz + 2Pi + 2ADP CC22HH55OH + 2COOH + 2CO22 + 2ATP + 14,6kcal + 2ATP + 14,6kcal110000 kg kg 51 kg 49 kg 51 kg 49 kg

Fermentatív fajokFermentatív fajok: represszáló szénforrások : represszáló szénforrások (G,F,Mannóz) jelenlétében az alkoholos erjedés (G,F,Mannóz) jelenlétében az alkoholos erjedés részaránya aerob viszonyok között is preferált, gyors részaránya aerob viszonyok között is preferált, gyors a cukor bontás, kicsi légzési hasznosulása cukor bontás, kicsi légzési hasznosulás

Katabolit represszióKatabolit represszió (Crabtree effektus)(Crabtree effektus)glükóz jelenlétében a légzési enzimek szintézise glükóz jelenlétében a légzési enzimek szintézise gátoltgátolt

Respiratív fajokRespiratív fajok: glükóz légzési enzimeket gátló hatása : glükóz légzési enzimeket gátló hatása nem érvényesül, dominál a terminális oxidációnem érvényesül, dominál a terminális oxidáció

Pasteur effektusPasteur effektus (átkapcsoló mechanizmus) (átkapcsoló mechanizmus)az élesztők oxigén jelenlétében csökkentik a glükóz az élesztők oxigén jelenlétében csökkentik a glükóz felvételt és alkohol helyett sejttömeg képződikfelvételt és alkohol helyett sejttömeg képződikenergetikai problémák (hatásfok! 2/38 ATP arány; energetikai problémák (hatásfok! 2/38 ATP arány; 2200x több cukor szükségesx több cukor szükséges

Saccharomyces cerevisiaeSaccharomyces cerevisiae jelentősége az erjesztésben jelentősége az erjesztésben (folyt.)(folyt.)

Az erjesztés során képzAz erjesztés során képzőőddőő termékek termékek

AlkoholokAlkoholok SavakSavak ÉszterekÉszterek EgyebekEgyebek

GlicerinGlicerin

EtanolEtanol

n-Propanoln-Propanol

ButanolokButanolok

AmilalkoholAmilalkoholokok

FeniletanolFeniletanol

EcetsavEcetsav

TejsavTejsav

PiroszőlősavPiroszőlősav

BorostyánkősBorostyánkősavav

KaprilsavKaprilsav

AlmasavAlmasav

VajsavVajsav

EtilacetátEtilacetát

bármilyen bármilyen észter a észter a keletkezett keletkezett savakból és savakból és alkoholokbóalkoholokbóll

COCO22

AcetaldehiAcetaldehidd

DiacetilDiacetil

HH22SS

PentándiolPentándiol

ButándiolButándiol

AcetálokAcetálok

Erjedési mellékreakciók I.Erjedési mellékreakciók I.

1) Glicerin képződés

2) Szerves savak képződése

glicerintermelés fokozása 2% → 30%

NADH2 NAD+

Közvetlenül erjeszthető szénhidrát Közvetlenül erjeszthető szénhidrát forrásokforrások• cukornád, cukorrépa:cukornád, cukorrépa: nincs szükség enzimre nincs szükség enzimre• cukor cirok:cukor cirok: szacharózon kívül keményítő szacharózon kívül keményítő

amiláz/ celluláz adagolásamiláz/ celluláz adagolás

• melasz:melasz: invertáz /növeli a kitermeléstinvertáz /növeli a kitermeléstasszociál az élesztő sejtfalon, elősegíti a cukor asszociál az élesztő sejtfalon, elősegíti a cukor

transzportottranszportot

• bagasz:bagasz: (kipréselt cukornád): (kipréselt cukornád):celluláz/ hemicelluláz fokozza a kitermelést; invertázcelluláz/ hemicelluláz fokozza a kitermelést; invertáz

• tejsavó:tejsavó: környezetvédelmi probléma környezetvédelmi probléma BOD /BOI/= 3BOD /BOI/= 30-400-40ezer mg/lezer mg/l

a laktózt a a laktózt a S.cerevisiae S.cerevisiae nem képes hasznosítaninem képes hasznosítani

USA: 9 millió tonna/ év savóUSA: 9 millió tonna/ év savópotenciális: 35 millió hl alkoholpotenciális: 35 millió hl alkohol

Magyarország: 60 ezer tonna/ év savóMagyarország: 60 ezer tonna/ év savó

Keményítő tartalmú nyersanyagok Keményítő tartalmú nyersanyagok feltárásafeltárása

Alapelv: → feltárás és folyósitás Alapelv: → feltárás és folyósitás alfa-amilázalfa-amiláz → → cukrosítás cukrosítás glükoamiláz glükoamiláz

kukorica: kukorica: termostabilis termostabilis αα-amiláz, (-amiláz, (B. amiloliquefaciens, B. B. amiloliquefaciens, B. licheniformislicheniformis

nem termostabilis nem termostabilis αα-amiláz:-amiláz: ( (B. subtilis) B. subtilis) glükoamiláz glükoamiláz ((Asp. nigerAsp. niger ) )

áárpa:rpa: probléma a probléma a ββ-glükán (glükóz extrakció) tartalom-glükán (glükóz extrakció) tartalom megoldás: megoldás: proteolitikus enzimproteolitikus enzim (feltárásnál) és (feltárásnál) és ββ-glükanáz-glükanáz

adagolás(erjesztés előtt)adagolás(erjesztés előtt)

rizs: rizs: hántolatlan rizs: magas hántolatlan rizs: magas ββ-glükán tartalom, -glükán tartalom, ββ-glükanáz-glükanáz adagolás adagolás

cassava/ manióka:cassava/ manióka: gumós (keményítőtartalom: 25-3 gumós (keményítőtartalom: 25-300%)%) aprítás/ szeletelés/ szárítás → ipari nyersanyag forrásaprítás/ szeletelés/ szárítás → ipari nyersanyag forrás feldolgozás: mint a kukorica → feldolgozás: mint a kukorica → αα-amiláz + glükoamiláz-amiláz + glükoamiláz

A kitermelést fokozza a A kitermelést fokozza a celluláz celluláz adagolás (adagolás (T. reseiiT. reseii))

15150-1600-160 liter absz. alkohol / tonna liter absz. alkohol / tonna

A szeszgyártás mA szeszgyártás műűveleti lépéseiveleti lépései

1.1. Nyersanyag feltárásaNyersanyag feltárása

2.2. CefrézésCefrézés

3.3. ErjesztésErjesztés

4.4. Leerjedt cefre feldolgozásaLeerjedt cefre feldolgozása

szeparálásszeparálás

5.5. DesztillációDesztilláció

nyersszesz kinyerésenyersszesz kinyerése

finomszesz desztillálásafinomszesz desztillálása

vízmentes alkohol előállításavízmentes alkohol előállítása

PálinkaPálinka

• A A pálinkapálinka az erjesztett gyümölcsök az erjesztett gyümölcsök lepárlásával készülő lepárlásával készülő gyümölcspárlatokgyümölcspárlatok egy hagyományos, egy hagyományos, magyar fajtája. Az magyar fajtája. Az európai unióseurópai uniós jogszabályoknak (Council Regulation jogszabályoknak (Council Regulation (EEC) No 1576/89) megfelelően a (EEC) No 1576/89) megfelelően a "pálinka" szót csak Magyarország és "pálinka" szót csak Magyarország és négy négy osztrákosztrák tartomány használhatja. tartomány használhatja.

CefrézésCefrézés

• TisztitásTisztitás• ApritásApritás• Adalékok…Adalékok…

– pH beállítás (borkősav azaz 2,3-pH beállítás (borkősav azaz 2,3-dihidroxi-butándisav )dihidroxi-butándisav )

– Pektin bontó enzimekPektin bontó enzimek– Élesztő kultúraÉlesztő kultúraLezárásLezárás

Az erjesztés Az erjesztés

• A élesztő elszaporodása (aerob)A élesztő elszaporodása (aerob)

• Alkoholos forrás (anaerob)Alkoholos forrás (anaerob)

Desztilláció azaz a pálinka Desztilláció azaz a pálinka főzésfőzés

• Egylépcsős Egylépcsős

• KétlépcsősKétlépcsős

– DeflegmációDeflegmáció azt a folyamatot mondjuk, melynél a szesz- és vízgôz elegyét nem teljesen, hanem részlegesen azt a folyamatot mondjuk, melynél a szesz- és vízgôz elegyét nem teljesen, hanem részlegesen

hûtjük le, avégbôl, hogy annak csak egy része cseppfolyósodjék. Miként a szeszes folyadék hûtjük le, avégbôl, hogy annak csak egy része cseppfolyósodjék. Miként a szeszes folyadék forralásakor viszonylag szeszdúsabb gôzt kapunk, ennek megfordított mûveleténél a szesz + forralásakor viszonylag szeszdúsabb gôzt kapunk, ennek megfordított mûveleténél a szesz + vízgôzbôl egy szeszre hígabb folyadék és dúsabb gôz keletkezik. A lehûtést vízzel, vagy a vízgôzbôl egy szeszre hígabb folyadék és dúsabb gôz keletkezik. A lehûtést vízzel, vagy a lepárlandó cefrével végezhetjük, így a meleg sem vész kárba. A hûtôfolyadék ne legyen lepárlandó cefrével végezhetjük, így a meleg sem vész kárba. A hûtôfolyadék ne legyen melegebb az elôállítandó szesz forráspontjánál (rendesen alatta is van: 50-70 Co). A melegebb az elôállítandó szesz forráspontjánál (rendesen alatta is van: 50-70 Co). A lecsapódott folyadékot lecsapódott folyadékot flegmáflegmának, vagynak, vagy lutter lutternek nevezik, s visszavezetik a lepároló nek nevezik, s visszavezetik a lepároló rendszerbe. rendszerbe.

– RektifikálásRektifikálás Ha szeszes folyadék 2-3 vagy egy egész sorozat külön edényben vagy egy készülék Ha szeszes folyadék 2-3 vagy egy egész sorozat külön edényben vagy egy készülék

elkülönített részeiben van elhelyezve, s a szeszes gôzök ezeken sorjában végighaladnak, akkor elkülönített részeiben van elhelyezve, s a szeszes gôzök ezeken sorjában végighaladnak, akkor eleinte a gôzök lecsapódnak, s ezzel az illetô edény vagy rekesz szesztartalmát növelik. eleinte a gôzök lecsapódnak, s ezzel az illetô edény vagy rekesz szesztartalmát növelik. Egyben azonban a gôzök felmelegítik a folyadékrészleteket, és a folyton jövô gôz végül is Egyben azonban a gôzök felmelegítik a folyadékrészleteket, és a folyton jövô gôz végül is felforralja sorban a rekeszek tartalmát, miáltal alkoholban mindig dúsabb és dúsabb gôzök felforralja sorban a rekeszek tartalmát, miáltal alkoholban mindig dúsabb és dúsabb gôzök keletkeznek. Ez a folyamat tulajdonképpen sokszor ismételt lepárlás, azzal a különbséggel, keletkeznek. Ez a folyamat tulajdonképpen sokszor ismételt lepárlás, azzal a különbséggel, hogy nem hûtôben cseppfolyósodik a gôz, hanem a rekeszek szeszes folyadékában. . hogy nem hûtôben cseppfolyósodik a gôz, hanem a rekeszek szeszes folyadékában. .

Desztilációs készülékek:Desztilációs készülékek:

• Hagyományos:Hagyományos:

• Modern: Modern: Deflegmációs kupolávalDeflegmációs kupolával

• Rektifikáló oszloppalRektifikáló oszloppal

• Tányér szám 5-10Tányér szám 5-10

Kedves műfaj kedvelő barátunknak Kedves műfaj kedvelő barátunknak

Dr. Kovács Barnának Dr. Kovács Barnának

ez úton kivánunk ez úton kivánunk

Boldog születésnapot!Boldog születésnapot!

Köszönőm megtisztelő figyelmüket!Köszönőm megtisztelő figyelmüket!