Wyklad 7

Wykład 7 – Biotechnologie otrzymywania aminokwasów, witamin i polisacharydów

Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Aminokwasy

Ideogram kombu Bakterie Corynebacterium glutamicum

Początki biotechnologii wytwarzania aminokwasów – Japonia, 1957 – wyizolowanie
biotyno-zależnej bakterii C. glutamicum produkującej L-glutaminian


Aminokwasy TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Aminokwasy białkowe


Aminokwasy
Aminokwasy endo- i egzogenne dla człowieka i świnki morskiej
Endogenne Warunkowo egzogenne* Egzogenne

Alanina Arginina Histydyna

Asparagina Cysteina Izoleucyna

Asparaginian Glutamina Leucyna

Glutaminian Glicyna Metionina

Seryna Prolina Fenyloalanina

Tyrozyna Treonina

*w okresie niemowlęcym i w niektórych stanach chorobowych Tryptofan

Walina


Aminokwasy

Rynkowy obrót aminokwasami Zależność między wielkością produkcji
a ceną aminokwasów

Produkcja i zastosowanie najważniejszych aminokwasów
Skala produkcji Aminokwas Metoda wytwarzania Główne zastosowanie
(tony/rok)

1 200 000 Kwas L‐glutaminowy Fermentacja Polepszacz smaku
600 000 L‐lizyna Fermentacja Dodatek do pasz
550 000 D,L‐metionina Synteza chemiczna Dodatek do pasz*
40 000 L‐treonina Fermentacja Dodatek do pasz
16 000 Glicyna Synteza chemiczna Dodatek do żywności, słodzik
14 000 Kwas L‐asparaginowy Kataliza enzymatyczna Aspartam, polimery
13 000 L‐fenyloalanina Fermentacja Aspartam
4 500 L‐cysteina Redukcja cystyny, fermentacja Dodatek do żywności,
farmaceutyki
3 500 L‐cystyna Ekstrakcja, fermentacja Cysteina, farmaceutyki
2 000 L‐arginina Fermentacja, ekstrakcja Farmaceutyki
1 500 L‐alanina Fermentacja, ekstrakcja Słodzik, element budulcowy
1 200 L‐tryptofan Fermentacja Pasze, farmaceutyki
1 200 L‐leucyna Fermentacja, ekstrakcja Farmaceutyki
1 000 L‐walina Fermentacja, ekstrakcja Pestycydy, farmaceutyki
500 L‐izoleucyna Fermentacja, ekstrakcja Farmaceutyki

*pasze sojowe są ubogie w niektóre egzogenne aminokwasy, w tym L-Met i L-Lys


Aminokwasy

Szczepy bakteryjne produkujące aminokwasy są genetycznie zmodyfikowane

Nadprodukcję aminokwasów można osiągnąć dzięki:

- zwiększeniu przepuszczalności błony cytoplazmatycznej

- zmianom preferencji metabolicznych (zmiana kierunku syntezy w punktach
rozgałęzienia szlaków

- dodatek prekursorów

- zmianę aktywności enzymów w obrębie szlaku biosyntezy

- zastosowanie mutantów auksotroficznych i regulatorowych

- konstrukcję szczepów metodami inżynierii genetycznej



Kwas L-glutaminowy

Producenci: Corynebacterium glutamicum, Brevibacterium flavum

Cechy producentów: duża aktywność dehydrogenazy glutaminianowej
wydajne reakcje anaplerotyczne
mutanty o zwiększonej przepuszczalności błony

Procedury indukujące wydzielanie L-glutaminianu:

a) Hodowla w warunkach ograniczenia biotyny
b) Dodatek penicyliny
c) Dodatek lizozymu
d) Dodatek środków powierzchniowo-czynnych
e) Zastosowanie mutantów auksotroficznych
wobec kwasu oleinowego i/lub glicerolu

Schemat sposobu działania technik
indukujących wydzielanie L-glutaminianu


Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Aminokwasy Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Kwas L-glutaminowy
Produkt fermentacji - sól amonowa L-glutaminianu
Wyodrębnianie:
- oddzielenie komórek bakteryjnych
- przepuszczenie roztworu przez
kolumnę anionitową (uwolniony
amoniak jest oddzielany przez
destylację i zawracany do fermentacji)
- wymywanie z żywicy jonowymiennej
roztworem NaOH. Produkt w postaci
glutaminianu monosodowego (MSG)

Schemat przepływu materiałów w zakładzie
produkującym L- glutaminian

Japońskie zakłady Kyowa Hakko wytwarzające aminokwasy.
Z prawej strony 7 fermentorów (240 m3 każdy) do produkcji
kwasu L-glutaminowego



L-lizyna

Producent: Corynebacterium glutamicum

Szlak biosyntezy L-lizyny jest wieloetapowy. Dwa pierwsze etapy wspólne dla biosyntezy
L-lizyny, L-treoniny, L-metioniny i L-izoleucyny.
Szczepy producenckie – mutanty ze zminimalizowaną biosyntezą „konkurencyjną”, posiadające
białko eksportujące L-lizynę. Wydajność ponad 170 g L-lizyny z dm3 pożywki.
Skład pożywki: źródło węgla – melasa, sacharoza lub hydrolizat skrobiowy; źródło azotu – siarczan
amonu lub amoniak; czynniki wzrostowe z roślinnych hydrolizatów białkowych
Produkt fermentacji – siarczan L-lizyny

Wyodrębnianie produktu:
- 98,5% chlorowodorek L-lizyny po zastosowaniu chromatografii jonowymiennej,
zatężenia i krystalizacji
- 50% roztwór alkaliczny L-lizyny po oddzieleniu biomasy, alkalizacji, filtracji
i zatężeniu
-granulowany preparat zawierający 50% siarczanu L-lizyny po suszeniu rozpyłowym
brzeczki fermentacyjnej i granulacji


Aminokwasy

L-tryptofan

Możliwa metoda fermentacyjna, ale szerzej stosowana biokonwersja z użyciem
mutanta E. coli o dużej aktywności syntazy tryptofanowej

(CHOH)2CH2OPO
-
+ HOH2C COO
NH
+
NH3

syntaza tryptofanowa

-
COO
+
NH3
NH



L-tryptofan

Schemat przepływowy biosyntezy L-tryptofanu metodą biotransformacji z użyciem L-seryny otrzymywanej
z melasy oraz indolu


Aminokwasy
Kwas L-asparaginowy

Wytwarzany metodą enzymatyczną z użyciem L-aspartazy
przez japońską firmę Tanabe Seiyaku Co Ltd.

aspartaza COOH
H COOH
L
NH3 + C C
HOOC H H2N H CH2COOH
kwas fumarowy kwas L-asparaginowy

W procesie przemysłowym stosuje się komórki
E. coli zawierające aktywną aspartazę, immobilizowane
na usieciowanym κ-karagenie.

Reakcja jest egzotermiczna, więc prowadzi się ją
w kolumnach chłodzonych przeciwprądowo.
Substrat – roztwór fumaranu amonu.
Produkt końcowy jest oczyszczany przez krystalizację. Przekrój bioreaktora kolumnowego
stosowanego do produkcji kwasu
L-asparaginowego


Witaminy


Witaminy

Biosynteza i metabolizm
witaminy D3

Cholekalciferol reguluje
metabolizm Ca(II)
w nerkach, jelitach
i kościach

Niedobór witaminy D3
u dzieci objawia się
krzywicą



Witaminy

Witamina A1, jej prekursor i pochodne


Witaminy
Wiele witamin otrzymywanych jest na drodze syntezy mikrobiologicznej

Witamina A – otrzymywane są
prekursory: α-, β- iγ-karoten. Drożdże
Rhodotorula gracilis, grzyby Blakeslea
trispora, glony Chlorophyceae.

Witamina D2 – kalciferol. Otrzymywana
jest prowitamina – ergosterol z drożdży
piekarskich Saccharomyces cerevisiae.

Witamina B2 – 70% z biosyntezy.
Producenci: Eremothecium ashbyii,
Ashbya gossypii

Witamina B12 – wyłącznie biosynteza.
Bakterie fermentacji propionowej.
Ideowy schemat produkcji witaminy B2



Polisacharydy mikrobiologiczne
Egzopolisacharydy – produkowane jako metabolity wtórne i wydzielane pozakomórkowo)
Obojętne: dekstran, skleroglukan, kurdlan, pululan
Kwasowe: ksantan, gellan, alginian (głównie glony)

Kolonie szczepu Pseudomonas mendocina produkujące alginian



Bakteryjne polisacharydy pozakomórkowe

Ksantan – wytwarzany przez Xanthomonas campestris
Kudrlan – wytwarzany przez Agrobacterium, Rhisobium
Skleroglukan – wytwarzany przez Sclerotium glucanium



Ksantan – Wytwarzany przez Xantomonas campestris. Stosowany jako dodatek do żywności:
żelujący, stabilizujący, nadający lepkość. Składnik farb wodorozcieńczalnych, środek
smarujący i stabilizujący zawiesiny płuczek wiertniczych w przemyśle naftowym.
Główny producent – Kelco (USA)

Dekstran – glukan z wiązaniami głównie α(1→6). Wytwarzany przez enzym pozakomórkowy
z Leuconostoc mesenteroides. Substrat – sacharoza.
Producent – Pharmacia. Zastosowanie – preparaty krwiozastępcze, adsorbent
w opatrunkach, złoża chromatograficzne (m.in. Sephadex).

Skleroglukan – wytwarzany przez grzyby nitkowate Sclerotium. Rozpuszczalny w wodzie.
Zastosowanie podobne jak ksantanu.

Kurdlan - wytwarzany przez bakterie Alcaligenes faecalis var. myxogenes. Nierozpuszczalny
w wodzie. Tworzy żele po podgrzaniu zawiesiny do 55 °C. Środek żelujacy.

Pululan – glukan produkowany przez grzyb strzępkowy Aureobasideum pullulans. Do wyrobu folii
biodegradowalnych



Produkcja polisacharydów – hodowle okresowe, napowietrzane. Problemem
jest wzrost lepkości zawiesiny podczas produkcji egzopolisacharydu.

Schemat blokowy produkcji ksantanu


Oleje mikrobiologiczne

Lipidy zapasowe mają
strukturę triacylogliceroli



Mikroorganizmy olejodajne – wytwarzają i akumulują triacyloglicerole w ilościach przekraczających
20% suchej masy. Struktury różne, w tym z łańcuchami kwasów tłuszczowych nasyconych,
nienasyconych, wielonienasyconych.

Szczególnie cenne:
γ-linolowy 18:3n-6

arachidonowy (ARA) 20:4n-6

dokozaheksaenowy (DHA) 22:6n-6

Mieszanka ARA i DHA w odżywkach dla niemowląt

ARA i DHA nie występują w olejach roślinnych. Występują w olejach rybich, ale w towarzystwie
kwasu eikozapentaenowego (EPA 20:5n-3), niekorzystnego dla niemowląt

Wytwarzane przez drobnoustroje. Technologia izolacji musi zapewniać jak minimallizację
procesów utleniania i rozkładu.



Komórki drożdży Apiatrichium curvatum wytwarzające i magazynujące
duże ilości lipidów



Producenci olejów mikrobiologicznych bogatych w ARA – głównie grzyby strzępkowe,
w tym Mortierella alpina. Trzy firmy: Suntory Co. Ltd w Japonii, Wuhan Alking
Bioengineering w Chinach oraz DSM Food Specialities we Włoszech (95% światowej
produkcji).

Producenci olejów mikrobiologicznych bogatych w DHA – glony Crypthecodinium cohnii
Oraz Schizochytrium (ten drugi zawiera też DPA 20:5n-6). Firmy: Martek Biosciences
i Omega Tech Inc. z USA.
Wykorzystywane szczepy mogące rosnąć w pożywce o niskim zasoleniu.



Proces akumulacji olejów w mikroorganizmach olejodajnych w hodowli okresowej



Schemat przedstawiający etapy procesu fermentacyjnego stosowanego do produkcji olejów
mikrobiologicznych. Komórki po usunięciu ich z fermentora produkcyjnego są zbierane, suszone
i na końcu ekstrahowane heksanem w celu oddzielenia oleju. Heksan usuwany przez destylację
z parą wodną. Dalsza obróbka: RBD (rafinacja-odbarwianie-odwanianie)

Minimalizacja degradacji – szybkie przetwarzania, przechowywanie oleju i biomasy w niskiej
temperaturze i atmosferze azotu. Końcowy produkt – olej żółty (obecność karotenoidów) o
przyjemnym smaku i zapachu. Dodatek antyoksydantów n(p. witamina E).

Wyklad 7

Recommended

Recommended

More Related Content

Viewers also liked

Viewers also liked (20)

Similar to Wyklad 7

Similar to Wyklad 7 (18)

More from marwron

More from marwron (6)

Wyklad 7