BIOTECHNOLOGIE Principy Bioethanol Kyselina citronová Další
Biotechnologie Využívají procesy probíhající v živé přírodě a přenášejí je do průmyslového měřítka Procesů se zúčastní biokatalyzátory- enzymy (využívají se buď mikroorganismy, resp. vyšší organismy nebo tkáňové kultury, případně se dodají přímo enzymy) Výhody: vysoká selektivita, nižší energetická náročnost, vesměs neagresivní prostředí, využití odpadních a obnovitelných surovin, řeší problémy výživy a péče ozdraví Nevýhody: sterilní podmínky, problémy se zajištěním Biomasy - citlivé látky, práce ve větším zředěnínáročnější izolace produktů
Biotechnologie • Nejstarší technologie
• Nejmodernější technologie
• Pivo • Víno
• Léčiva – Insulin – Eryrthromycin – Penicilin
• Pitná voda • Chemikálie – K.citronová – K.glutamová – Ethanol
Historie • Produkty využívající biochemické proces známé už ve starověku (4000 l př.n.l. víno, chleba, 2000 l př.n.l. ocet aj.) • L. Pasteur (1885-1940) - objev mikroorganismů, vedl k rozvoji klasických kvasných procesů - vinařství, pivovarnictví, výroby lihu, k. citronové.. • A. Fleming - 1928 objev penicilinu, 1940 výroba )poznání a zdůvodnění technologických postupů, sterilní prostředí, výroba antibiotik, hormonů, protilátek • Termín biotechnologie ~1960 izolace a rozvoj výroby bílkovin, aminokyselin, enzymů, fruktosy
Typické produkty • Buněčná biomasa, kvasnice, proteiny • Produkty buněčného metabolismu – Anaerobní (alkoholy, kyseliny, CO2…) – Aerobní (k.citronová, glutamát, laktáty, antibiotika…)
• Produkty enzymatické katalýzy
Využití: v medicině (léčiva, diagnostika), energetika (bioplyn) potravinářský průmysl (fruktosové sirupy, jogurty ocet) chemický průmysl (k. mléčná, citronová, lysin) zemědělství (místo pesticidů), zpracování odpadů (ČOV)
• Výhody -nižší energetická náročnost -neagresivní prostředí -levné suroviny (odpady) -řešení problematiky odpadů výživy a péče o zdraví lidí -vysoká selektivita
• Nevýhody -sterilní podmínky -vyšší nároky na kontrolu -problémy se zajištěním biomasy (skladování) -náročnější isolace (práce ve větším zředění)
Suroviny: fytomasa (obnovitelné zdroje)-melasa, syrovátka,sulfitové výluhy, sláma,plevy, řepné řízky, bagasa (často odpadní látky)
Biotechnologické procesy Energie
Uhlík, dusík
Minoritní složky
Zdroje uhlíku • Polysacharidy – melasa – celulosa
• Uhlovodíky • Alkoholy • Oxid uhličitý
Zdroje dusíku • Amoniak • Močovina • Aminokyseliny
Minoritní složky • Minerální soli – Fosforečnany – Sírany – Chloridy
• Stopové prvky – kovy – K, Na, Mg, Ca, Fe, Co, Zn
FERMENTACE Kvasinky jsou jednobuněčné organismy patřící do řádu houbových organismů.
Fermentace Kvašení (fermentace) je přeměna látky za účasti enzymů mikroorganismů, při němž probíhají v důsledku metabolické aktivity mikroorganismů chemické přeměny organických látek, obvykle sacharidů a vznikají látky energeticky chudší nebo se nové látky syntetizují. V potravinářství tento termín označuje procesy, jichž se zúčastní mikroorganismy (např. kvašení piva, vína, těsta).
•Kvašení anaerobní probíhá bez přítomnosti kyslíku, například kvašení alkoholické, máselné, mléčné. •Kvašení aerobní probíhá za přítomnosti kyslíku, například kvašení octové, citrónové.
Fermentace Z průmyslově využívaných kvašení je nejvýznamnější kvašení alkoholické, při němž se sacharidy řadou reakcí změní na ethanol a oxid uhličitý. U mléčného kvašení podle použitého kmene mikroorganismu vznikne vedle CO2 kyselina mléčná = (2-hydroxypropionová kyselina). Využívá se například ke konzervaci okurek, zelené píce (siláže), při výrobě tvarohů, sýrů.
Bioreaktory
Bioreaktory
Typické produkty • Buněčná biomasa, kvasnice, proteiny • Produkty buněčného metabolismu – Anaerobní (alkoholy, kyseliny, CO2…) – Aerobní (k.citronová, glutamát, laktáty, antibiotika…)
• Produkty enzymatické katalýzy
Fermentační technologie pro výrobu biomasy = výroba kvasnic
• Růst mikroorganismů ze substrátu=sacharóza (melasa) • Aerobní proces • Anaerobní podmínky vedou k tvorbě bioethanolu • Optimální teplota…25 až 30 °C • Rychlost růstu .. 0,05 až 0,6 h-1
Výroba pekárenského droždí Řepa Třtina
Bioethanol - potravinářský z melasy - palivářský z obilí - pivo z ječmene
Ethanol se průmyslově vyrábí bud´adicí vody na ethylen, nebo biotechnologicky – kvašením z cukerného zdroje, např. odpadní melasy, ze škrobnatých surovin, sulfitových výluhů (škrob se musí nejprve působením enzymů v lihovarském sladu rozštěpit na nižší cukry). Ke zkvašení sacharosy se používají kulturní lihovarské kvasinky – Saccharomyces cerevisiae. Obsahují enzym sacharázu, katalyzující štěpení sacharosy na molekulu glukosy a fruktosy, které se dále zkvašují podle biochemické dráhy anaerobní glykolýzy. C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2
Technologický postup Melasa se ředí vodou na 20% roztok, přidají se další živiny (roztok superfosfátu a síranu amonného) a pH se kyselinou sírovou upravuje na hodnotu 5. V kultivačních kvasných tancích se připraví zákvas lihovarských kvasinek. Melasová zápara se spolu se zákvasem čerpá do kvasných tanků, kde probíhá kvašení při teplotě 30°C 24 hodin Obsah kvasného tanku odvádí na separaci do odstředivek, kde se oddělí kvasničné mléko (kvasinky) od zápary. Kvasničné mléko se regeneruje a přivádí místo zákvasu zpět do kvasných tanků s čerstvou melasovou záparou. Prokvašená zápara (obsah ethanolu cca 10%) se odvádí se k rektifikaci.
Schéma
Bioetanol - výroba
30°C, 24-40 hod, pH = 4-6......... 13 % alkoholu
[SUŠENÍ MS]
Palivářský líh z obilí
Kyselina citronová
VÝROBA KYSELINY CITRONOVÉ Princip: Sterilní aerobní kultivace plísně Aspergillus niger na povrchu cukerného roztoku (kyselina citronová je extracelulárním metabolitem ) C H2 C 6H12O6
+
O2
HO
C C H2
C OO H C OO H C OO H
+ 2 H2O
Postup výroby • Surovinou je (50% roztok sacharosy), která se zředí (na 15%) • • • • • •
zbavuje těžkých kovů (železo se sráží ferrokyanidem draselným) a přidají se ž(fosfáty, dusíkaté látky, stopové prvky (hořčík..) Roztok se sterilizuje a plní do hliníkových pánví (táců) o výšce 15cm, které jsou uloženy nad sebou ve fermentačních komorách. Do komor se přivádí temperovaný vzduch, který na počátku obsahuje na nosiči (inokulum na karborafinu) Spory vyklíčí za 1 den a kvašení probíhá výtěžky přesahují 80%. Roztok se vypustí, z plísně (mycelia) se extrahuje další podíl teplou vodou a roztok kyseliny citronové se vysráží vápenným mlékem Citran vápenatý se odfiltruje a převede na kyselinu vypočteným množstvím kyseliny sírové, sádra se odfiltruje Kyselina se získá krystalizací ze zahuštěného roztoku
Zjednodušené technologické schéma
A. B. C.
varná nádoba kvasná komora usazovací nádrž D. ohřev E. filtr F. srážecí káď G. rozkladná káď H. čeřící káď CH. odparka I. krystalizátor J. odstředivka K. sušárna
Nové technologie: submersní způsob (hloubková fermentace v míchaném bioreaktoru) izolace kyseliny z roztoku elektrodialýzou Odpady: mycelium- využití jako krmivo (obsahuje bílkoviny) Použití kyseliny citronové: v chemickém průmyslu při výrobě inkoustů barvářských meziproduktů v potravinářském průmyslu (konzervace, limonády, tavené sýry do prášků na praní (změkčování vody) Ve farmaceutické průmyslu, výroba citrátů
Kyselina octová
(pro potravinářské účely- kvasný ocet) Základem výroby kyseliny octové je oxidativní fermentace ethanolu, při níž se používá kyslík jako akceptor vodíku. C2H5OH + O2 → CH3COOH + H2O Proces katalyzuje dehydrogenázový systém octových bakterií (nejprve vzniká acetaldehyd, který se dále oxiduje na kyselinu). Používají se tyčinkovité octové bakterie – Bacterium schützenbachii, které tvoří 12% roztok kyseliny octové.
Výroba Oxidační octové kvašení probíhá v kvasné kádi – ocetnici. Do horní části se přivádí 3,5% roztok ethanolu a 7% roztok kyseliny octové, tzv. ředina, která se rozlévá a stéká do střední oxidační části vyplněné bukovými hoblinami, po nichž proudí v tenké vrstvě po širokém povrchu. Zde se ethanol enzymaticky dehydrogenuje při teplotě 30°C octovými bakteriemi, zadrženými hoblinovou výplní. Roztok proteklý do spodní části se vrací zpět do horní části ocetnice a recirkulace přes oxidační prostor probíhá tak dlouho, až se ve sběrné části nahromadí 10% kyselina octová, obsahující 0,3% zbytkového ethanolu
Schéma
Použití •Pro konzumní spotřebu se kyselina filtruje a ředí pitnou vodou na koncentraci 8% •Pro průmyslové účely se používá kyselina octová získaná průmyslově oxidací acetaldehydu (ten se většinou získává katalytickou oxidací ethylenu v kapalné fázi
VÝROBA PIVA Princip výroby: štěpení škrobu působením amylás (vznikajících při klíčení) kvašení cukrů za použití pivovarských kvasnic
Postup výroby: Výroba sladu Ječmen (tříděný, čištěný) se máčí v nádržích (náduvnících) Nabobtnalý ječmen se nechá klíčit ve sklepích (humnech) při 15°C 10 dní (větrá se a rozhazuje z hromad) Naklíčený ječmen se suší horkým vzduchem (hvozdění)
Výroba sladiny Slad, který získá barvu a vůni se odklíčkuje a rozemele, smísí se s vodou a vaří se v kotlích při několika prodlevách (50°C - štěpení bílkovin, 60°C - štěpí se škroby na vznikají dextriny, 75°C- vzniká maltosa, glukosa )
Výroba mladiny Sladina se scedí (oddělí se mláto) a vaří se s chmelem nebo chmelovým výtažkem (0,3 kg chmele na 1 hl sladiny)
Kvašení Zfiltrovaný roztok se nechá kvasit (přidají se kvasinky) – hlavní kvašení v otevřených kádích, při 5°C v kvasírně (spilce), dokvášení probíhá při 0-2°C v ležáckých sudech nebo tancích, 5 – 8 týdnů (silnější druhy 3 – 5 měsíců) současně dochází k sycení oxidem uhličitým. (Nakonec se filtruje, plní do sudů nebo lahví, lahvové pivo se pasteurizuje)
Výpočet % alkoholu z udaných stupňů (7°, 10°, 11°, 12°)
Stupně udávají obsah rozpuštěných látek (v podstatě cukrů) ve sladině (hmot. %) – přeměna na alkohol probíhá na cca 60% C6H12O6→2C2H5OH + 2CO2 Např. 12° pivo – má 12% cukru, zkvasí 60% tj. 12 x 0,6 = 7 % Z toho je cca polovina alkoholu a polovina CO2 tj. 3,5 %
Zjednodušené technologické schéma 1 máčení (náduvníky) 2 klíčení (humna) 3 sušení (hvozd) 4 čištění sladu 5 mletí sladu 6 vaření (rmutovací kotel) 7 scezovací baterie 8 chmel 9 mladinový kotel 10 chladič 11 zákvas 12 kvasné kádě (spilka) 13 kvasný tank 14 křemelinový filtr 15 tlaková stáčení piva
Penicilin Penicilin patří mezi antibiotika. Antibiotika – léčiva působící proti onemocněním, která jsou vyvolána bakteriemi Většina nejznámějších antibiotik jsou produkty metabolismu plísňových kultur pěstovaných na sacharidickém živném roztoku v podmínkách aerobní glykolýzy.
Nejznámnější z řady penicilinových antibiotik je Penicilin G (benzyl-penicilin) produkovaný plísní Penicilium notatum.
CH2 CONH
S N
O
CH3 CH3 COOH
Výroba Z technologického hlediska se výroba dělí na tři hlavní části: •laboratorní kultivace plísňových mycelií • provozní fermentace • izolace a úprava antibiotik
Laboratorní kultivace Plíseň Penicilium notatum se pomnoží za sterilních a aerobních podmínek v laboratorních baňkách. Jako živná půda se používá 5% kukuřičný extrakt a 4% glukosy. Provozní fermentace Rozmnožená plíseň se převede do inokulátoru (předfermentační kotel 400 l, 25°C) a po dvou dnech dále do provozního nerezového fermentoru (objem 4000 l, ve dně je věnec trysek pro přívod sterilního vzduchu), kde probíhá za sterilních podmínek a silného větrání kultivace a obsahem tohoto fermentoru se zaočkuje další větší provozní fermentor (40000 l) doba kultivace je cca 6 dní. Živná půda obsahuje: 5% kukuřičného extraktu, 4% laktosy, 1% glukosy a 5,5% uhličitanu vápenatého. Během kvašení, které trvá 12 hodin, se přidává ještě prekurzor 0,1% fenylacetamid.
Izolace a úprava Vyrostlé plísňové mycelium se z prokvašeného roztoku odfiltruje na kontinuálních rotačních filtrech a z filtrátu se benzylpenicilin extrahuje butylacetátem. Vyextrahovaný benzylpenicilin se sráží nasyceným roztokem octanu draselného jako krystalická draselná sůl, která se odfiltruje a vysuší ve vakuové sušárně.
Schéma
Penicilin se hromadně používá jako antibiotikum od roku 1945 . Úspěšně léčí syfilis, kapavku, zánět průdušek, zápal mozkových blan, otravu krve, vřídky, kostní infekce, zápal plic, sněť a různé další nemoci.
Typické produkty • Buněčná biomasa, kvasnice, proteiny • Produkty buněčného metabolismu – Anaerobní (alkoholy, kyseliny, CO2…) – Aerobní (k.citronová, glutamát, laktáty, antibiotika…)
• Produkty enzymatické katalýzy
