Biotechnologiczne metody wytwarzania chemikaliów„Czyste” technologie

Biotechnologiczne metody wytwarzania chemikaliów

Związki proste wytwarzane przez drobnoustroje

• Etanol• Glicerol• Aceton• Butanol• 1,3-propandiol• Kwas mlekowy• Kwas cytrynowy• Kwas octowy• Kwas fumarowy• Akrylamid • biosurfaktanty

Biopolimery

Polisacharydy

• Kurdlan• Dekstran• Gellan• Pullan• Skleroglukan• Ksantan

Biodegradowalne tworzywaplastyczne - polihydroksykwasy

O CH

R

CH2 C

O

n

R = H lub alkil (C1 do C9)

R – reakcje prowadzące do regeneracji NADH.

Produkty metabolizmu beztlenowego różnych drobnoustrojów

Substancja Drobnoustrój Zastosowanie

Kwas octowy

Aceton

Butanol

Glicerol

Izopropanol

1,3-propandiol

Kwas fumarowy

Kwas mlekowy

Kwas cytrynowy

Acetobacter spp.

Clostridium acetobutylicum

Clostridium acetobutylicum

Saccharomyces cerevisiae

Clostridium acetobutylicum

Clostridium butyricum

Rhizopus oryzae

Lactobacillus spp.

Aspergillus niger

artykuły spożywcze, rozpuszczalnik, odczynnik

rozpuszczalnik, odczynnik

rozpuszczalnik, odczynnik

rozpuszczalnik, plastyfikator, kosmetyki, antifreeze

rozpuszczalnik, tusze drukarskie, antifreeze

tworzywa sztuczne,

rozpuszczalnik, smar

żywice poliestrowe

tekstylia

artykuły spożywcze, galwanizacja

Przykłady chemikaliów otrzymywanych metodami fermentacyjnymi

Wytwarzanie glicerolu

Glukoza

Fruktozo-1,6-difosforan

Aldehyd-3P-glicerynowy

Aldehyd octowy

Etanol

Fosfodihydroksyaceton

Glicerolo-3-fosforan

Glicerol

NADH NAD+

Na2SO3

Synteza chemiczna: substrat - chlorek allilu; odpadowe produkty chlorowane

Biosynteza: S. cerevisiae, Bacillus subtilis, Dunaliella tertiolecta (halofilne glony)

Metaboliczne warunki „przekierowania” fermentacji etanolowej w stronę wytwarzania gliceroluz wykorzystaniem siarczanu(IV) sodu

Strategie nadprodukcji glicerolu:• dodatek siarczanu(IV)• pH 7 – 8• stres osmotyczny

W przypadku hodowli S. cerevisiaew obecności siarczanu(IV) osiąga sięstężenia 3% glicerolu, 2% etanolui 1% aldehydu octowego.

W chwili obecnej ponad 90% gliceroluotrzymuje się fermentacyjnie.

Wytwarzanie acetonu i butanoluAceton i butanol były jednymi z pierwszych produktów biotechnologicznych, dla wytwarzania których opracowano przemysłową technologię.Chaim Weizman opracował w 1914 warunki procesu z wykorzystaniem bakterii Clostridium acetobutylicum, ze skrobią lub melasą jako źródłem węgla. W 1930 Zastosowano Clostridium saccharobutylicum, które wykorzystując sacharozę wytwarzają jedynie aceton i butanol

Kinetyka zmian pH i wytwarzania produktów metabolizmu podczas hodowli Clostridium acetobutylicum. Wydajność procesu: 30% substratu zostajeprzekształcone w produkty. Stosunek molowybutanol: aceton: etanol – 6:3:1

Chemiczna metodawytwarzania acetonu

Powody zarzucenia oryginalnej metody biotechnologicznej:

- niezadowalająca wydajność; niemożliwość przekroczenia granicznych stężeń etanolu i butanolu toksycznych dla producenta

- fagowrażliwość szczepów produkcyjnych

- autoliza komórek w fazie stacjonarnej

- wysoki koszt substratu i destylacji

- petrochemiczna metoda wytwarzania acetonu okazała się tańsza

Nowe perspektywy:

-konstrukcja szczepów mogących wykorzystywać surowce odpadowe, w tym celulozę

-wprowadzenie anaerobowej fermentacji odpadów z wytwarzaniem biogazu

-prowadzenie fermentacji w 60 C z jednoczesnym usuwaniem produktów przez odparowanie

-usuwanie produktów przez odwróconą osmozę, ekstrakcje membranową, odparowywanie membranowe

Wytwarzanie acetonu i butanolu

Kwas cytrynowy

Zastosowanie – przemysł spożywczy (głównie), przemysł farmaceutyczny

Pierwotnie izolowany z soku cytrynowego. Obecnie 99% z fermentacji Aspergillus spp.

Kolonie Aspergillus niger

Schemat procesu wytwarzania kwasucytrynowego metodą fermentacyjną

Inne chemikalia

1. Kwas mlekowy. Zastosowanie – przemysł spożywczy, wytwarzanie lakierów, pokostów Metoda chemiczna – utlenienie propenu. Metoda fermentacyjna – Lactobacillus delbrueckii; źródła węgla – maltoza, laktoza

2. Kwas octowy. Zastosowanie – przemysł spożywczy, przemysł chemiczny. Metoda chemiczna – utlenienie etanolu. Metoda fermentacyjna – Gluconobacter, Acetobacter – otrzymywanie octu winnego

3. Kwas fumarowy. Zastosowanie – przemysł spożywczy, otrzymywanie poliestrów. Metoda chemiczna – z benzenu. Metoda fermentacyjna – Rhizopus spp., Candida spp. ze skrobi.

4. Akrylamid. Zastosowanie – polimery. Metoda chemiczna – uwodnienie acretonitrylu na katalizatorze miedziowym. Metoda biologiczna – biotransforamcja akrylonitrylu przez Pseudomonas spp. (zawierają hydratazę nitrylową).

5. Optycznie czynne minokwasy – większość wyłącznie metodami fermentacyjnymi

6. Polimery biodegradowalne

Tworzywa plastyczne wytwarzane przez drobnoustroje

Granule kwasu polihydroksymasłowego w komórkach Ralstonia eutropha

Wzory strukturalne polihydroksykwasów wytwarzanych przez drobnoustroje

Biosynteza PHB z glukozyw Ralstonia eutropha

Regulacja biosyntezy i degradacji PHB w Ralstonia eutropha

Tworzywa plastyczne wytwarzane przez drobnoustroje

Skład polimerów polihydroksykwasów (PHA) wytwarzanych przez różne gatunkibakterii z różnych źródeł węgla

Polimer Temperatura topnienia (C)

Wytrzymałość na rozciąganie

(MPa)

Rozciągliwość (%)

Poli(3-hydroksymaślan)

Kopolimer P3HB + P3HV (20%)

Kopolimer P3HB + P4HB (10%)

Poli(4-hydroksymaślan)

Kopolimer P3HH + P3HO

Polipropylen

Polistyren

175 – 179

145

159

53

61

170 – 176

110

40

32

24

104

10

34 – 38

50

6

-

242

1 000

300

400

-

Właściwości fizyczne polihydroksyykwasów w porównaniu ze sztucznymi polimerami

Drobnoustrój Źródło węgla Zawartość PHB (%) Produktywność (g/l/h)

Ralstonia eutropha

Ralstonia eutropha

Alcaligenes latus

Azotobacter chroococcum

Protomonas extorquens

Pseudomonas cepacia

Rekobinantowe E. coli

Rekombinantowa

Klebsiella aerogenes

Glukoza

CO2

Sacharoza

Skrobia

Metanol

Laktoza

Glukoza

Melasa

76

68

50

74

64

56

80

65

2,42

1,55

3,97

0,01

0,88

0,02

2,08

0,75

Wytwarzanie PHB przez różne drobnoustroje

Znanych jest co najmniej 300 gatunków bakterii wytwarzających PHA.

Fizjologiczna rola PHA – „magazyn” energetyczny w warunkach ograniczenia składników odżywczych.

Niektóre gatunki bakterii wymagają wyraźnego sygnału w postacibraku składnika odżywczego dla zainicjowania biosyntezy PHA;Inne akumulują PHA w trakcie wzrostu.

I grupa – np. Ralstonia eutropha. Hodowla 60 h w podłożu glukoza/solew warunkach ograniczenia fosforanu. Osiąga się 45 – 80 % zawartości PHA w suchej masie. Dodając kwas propionowy do pożywki otrzymuje się kopolimer P(3HB + 3HV).

Kopolimer P(3HB + 3HV) jest wytwarzany na skalę przemysłową przez firmę Zeneca I sprzedawany pod nazwą Biopol. Cena 3 $/kg.

Możliwości obniżenia kosztów – tańsze źródła węgla.

Inne możliwości: a/ rekombinowane komórki E. coli; b/ transgenicznerośliny – Arabidopsis thaliana (akumulacja PHA w plastydach); rośliny oleiste – Brassica napus, bawełna, kukurydza.

Czyste technologie

Etapy przemysłowego procesu produkcyjnego z zaznaczeniem możliwościzastosowania biotechnologii

Czyste technologie z zastosowaniem drobnoustrojów i enzymów w procesach przemysłowych.

• Odsiarczanie ropy naftowej i węgla. Usuwanie związków azotu z ropy

• Zastosowanie enzymów to produkcji proszków do prania

• Zastosowanie drobnoustrojów i enzymów do biotransformacji związków organicznych

• Zastosowanie drobnoustrojów i białek ekstremofilnych w przemyśle spożywczym

• Wykorzystanie enzymów proteolitycznych i hydrolaz polisacharydów w przemyśle tekstylnym, papierniczym i skórzanym

Czyste technologie

Zalety i wady procesów biotechnologicznych w porównaniu z technologiami tradycyjnymi

Zalety

• łagodne warunki

• specyficzność reakcji

• duża szybkość i efektywność

• zastosowanie surowców odnawialnych

• możliwość polepszenia parametrów dzięki zastosowaniu technik optymalizacji biokatalizatora

• możliwość zastosowania enzymów z organizmów ekstremofilnych

Wady

• konieczność wyodrębnienia produktu z rozcieńczonego roztworu

• niekiedy problemy z oddzieleniem biokatalizatora od produktu

• niebezpieczeństwo zainfekowania środowiska reakcji

• ograniczona trwałość biokatalizatorów

Czyste technologieDziedzina Enzym(y) Wykorzystanie

Rolnictwo

Środki czystości

Przemysł skórzany

Przemysł papierniczy

Przemysł tekstylny

Przemysł farmaceutyczny

Oksydaza fenolowa

Fitaza

Proteazy, lipazy, amylazy

Proteazy

Lipazy

Proteazy

Amylazy

Ksylanaza

Celulaza

Lakkaza

Celulaza

Lakkaza

Amylaza

Peroksydaza

Rózne

produkcja klejów

uwalnianie fosforanów nieorg. z IP

produkcja proszków do prania

depilacja

usuwanie tłuszczy

usuwanie biofilmu

usuwanie nadruku

wybielanie pulpy

usuwanie nadruków

wybielanie pulpy

Obróbka bawełny

wybielanie

usuwanie skrobi

usuwanie nadmiaru barwnika

biotrnanformacje

Progesteron

Rhizopusnigricans

11-hydroksyprogesteron

Biotransformacje związków sterydowych

Alternatywa – synteza chemiczna,28 etapów

Kortyzon i pochodne