Biotechnologiczne metody wytwarzania chemikaliów „Czyste” technologie

Biotechnologiczne metody wytwarzania chemikaliów Związki proste wytwarzane przez drobnoustroje Biopolimery Polisacharydy Etanol Glicerol Aceton Butanol 1,3-propandiol Kwas mlekowy Kwas cytrynowy Kwas octowy Kwas fumarowy Akrylamid biosurfaktanty Kurdlan Dekstran Gellan Pullan Skleroglukan Ksantan Biodegradowalne tworzywa plastyczne - polihydroksykwasy R = H lub alkil (C1 do C9)

Produkty metabolizmu beztlenowego różnych drobnoustrojów R – reakcje prowadzące do regeneracji NADH.

Przykłady chemikaliów otrzymywanych metodami fermentacyjnymi Substancja Drobnoustrój Zastosowanie Kwas octowy Aceton Butanol Glicerol Izopropanol 1,3-propandiol Kwas fumarowy Kwas mlekowy Kwas cytrynowy Acetobacter spp. Clostridium acetobutylicum Saccharomyces cerevisiae Clostridium butyricum Rhizopus oryzae Lactobacillus spp. Aspergillus niger artykuły spożywcze, rozpuszczalnik, odczynnik rozpuszczalnik, odczynnik rozpuszczalnik, plastyfikator, kosmetyki, antifreeze rozpuszczalnik, tusze drukarskie, antifreeze tworzywa sztuczne, rozpuszczalnik, smar żywice poliestrowe tekstylia artykuły spożywcze, galwanizacja

Wytwarzanie glicerolu Synteza chemiczna: substrat - chlorek allilu; odpadowe produkty chlorowane Biosynteza: S. cerevisiae, Bacillus subtilis, Dunaliella tertiolecta (halofilne glony) Strategie nadprodukcji glicerolu: dodatek siarczanu(IV) pH 7 – 8 stres osmotyczny W przypadku hodowli S. cerevisiae w obecności siarczanu(IV) osiąga się stężenia 3% glicerolu, 2% etanolu i 1% aldehydu octowego. W chwili obecnej ponad 90% glicerolu otrzymuje się fermentacyjnie. Metaboliczne warunki „przekierowania” fermentacji etanolowej w stronę wytwarzania glicerolu z wykorzystaniem siarczanu(IV) sodu

Wytwarzanie acetonu i butanolu Aceton 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 Chemiczna metoda wytwarzania acetonu Kinetyka zmian pH i wytwarzania produktów metabolizmu podczas hodowli Clostridium acetobutylicum. Wydajność procesu: 30% substratu zostaje przekształcone w produkty. Stosunek molowy butanol: aceton: etanol – 6:3:1

Wytwarzanie acetonu i butanolu 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

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 kwasu cytrynowego metodą fermentacyjną

Inne chemikalia Kwas mlekowy. Zastosowanie – przemysł spożywczy, wytwarzanie lakierów, pokostów Metoda chemiczna – utlenienie propenu. Metoda fermentacyjna – Lactobacillus delbrueckii; źródła węgla – maltoza, laktoza Kwas octowy. Zastosowanie – przemysł spożywczy, przemysł chemiczny. Metoda chemiczna – utlenienie etanolu. Metoda fermentacyjna – Gluconobacter, Acetobacter – otrzymywanie octu winnego Kwas fumarowy. Zastosowanie – przemysł spożywczy, otrzymywanie poliestrów. Metoda chemiczna – z benzenu. Metoda fermentacyjna – Rhizopus spp., Candida spp. ze skrobi. Akrylamid. Zastosowanie – polimery. Metoda chemiczna – uwodnienie acretonitrylu na katalizatorze miedziowym. Metoda biologiczna – biotransforamcja akrylonitrylu przez Pseudomonas spp. (zawierają hydratazę nitrylową). Optycznie czynne minokwasy – większość wyłącznie metodami fermentacyjnymi Polimery biodegradowalne

Tworzywa plastyczne wytwarzane przez drobnoustroje Granule kwasu polihydroksymasłowego w komórkach Ralstonia eutropha

Wzory strukturalne polihydroksykwasów wytwarzanych przez drobnoustroje

Biosynteza PHB z glukozy w Ralstonia eutropha Regulacja biosyntezy i degradacji PHB w Ralstonia eutropha

Tworzywa plastyczne wytwarzane przez drobnoustroje Skład polimerów polihydroksykwasów (PHA) wytwarzanych przez różne gatunki bakterii z różnych źródeł węgla

Temperatura topnienia (C) Wytrzymałość na rozciąganie (MPa) Właściwości fizyczne polihydroksyykwasów w porównaniu ze sztucznymi polimerami 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

Produktywność (g/l/h) Wytwarzanie PHB przez różne drobnoustroje Drobnoustrój Źródło węgla Zawartość PHB (%) Produktywność (g/l/h) Ralstonia eutropha Alcaligenes latus Azotobacter chroococcum Protomonas extorquens Pseudomonas cepacia Rekobinantowe E. coli Rekombinantowa Klebsiella aerogenes Glukoza CO2 Sacharoza Skrobia Metanol Laktoza 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

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 postaci braku składnika odżywczego dla zainicjowania biosyntezy PHA; Inne akumulują PHA w trakcie wzrostu. I grupa – np. Ralstonia eutropha. Hodowla 60 h w podłożu glukoza/sole w 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/ transgeniczne rośliny – Arabidopsis thaliana (akumulacja PHA w plastydach); rośliny oleiste – Brassica napus, bawełna, kukurydza.

Czyste technologie Etapy przemysłowego procesu produkcyjnego z zaznaczeniem możliwości zastosowania 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 Wady Zalety łagodne warunki Zalety i wady procesów biotechnologicznych w porównaniu z technologiami tradycyjnymi Wady 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 konieczność wyodrębnienia produktu z rozcieńczonego roztworu niekiedy problemy z oddzieleniem biokatalizatora od produktu niebezpieczeństwo zainfekowania środowiska reakcji ograniczona trwałość biokatalizatorów

Czyste technologie Dziedzina Enzym(y) Wykorzystanie Rolnictwo Środki czystości Przemysł skórzany Przemysł papierniczy Przemysł tekstylny Przemysł farmaceutyczny Oksydaza fenolowa Fitaza Proteazy, lipazy, amylazy Proteazy Lipazy Amylazy Ksylanaza 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 Obróbka bawełny wybielanie usuwanie skrobi usuwanie nadmiaru barwnika biotrnanformacje

Biotransformacje związków sterydowych Progesteron Rhizopus nigricans 11-hydroksyprogesteron Kortyzon i pochodne Alternatywa – synteza chemiczna, 28 etapów