Alkalmazott biotechnológia
Dr. Németh Áron Adjunktus
BME-ABÉT BMEhttp://f--labor.mkt.bme.hu http://f labor mkt bme hu 1
Biotechnológia alkalmazása Definíció: Biotechnológia= Biotechnológia biológiai folyamatok alkalamazása Évezredek óta: sör gyártás gyártás, kenyér sütés, ecet készítés stb. ’70--es évek ’70 „„újj biotechnológia”: g rendszerezett tudás alapján 2
Biotechnológia alkalmazása „„újj biotechnológia”: g rendszerezett tudás alapján
KörnyezetKörnyezet y védelem
P fit Profit
Zöld Vörös biotechnológia: g biotechnológia: Mez gazd élelm Mez.gazd.,élelm., Egészségügyi körny. termék
Mit érdemes éd biotechnológiailag gyártani? Hol érdemes alkalmazni? Fehér biotechnológia: g Ipari termék 3
Biotechnológia alkalmazása MA: Vörös biotechnológia: g
Pl.: Antibiotikumok: penicillinek és cephalosporinok
Pl.: Szerves savak: F hé biotechnológia: Fehér bi t h ló i
Zöld biotechnológia:
tejsav
Pl.: Transzgenikus növények: inszekticid termelők
4
Zöld biotechnológia g alkalmazása Cél:
Haszonnövény y termesztés hatékonyságának növelése
Pl.: herbicidrezisztencia Pl.: stressz tolerancia Pl.: betegség rezisztencia Pl in Pl.: i situ it inszekticid i kti id termelés t lé pl.: Bacillus thüringiensis endotoxinnal 5
Zöld biotechnológia g alkalmazása Pl.: stressz tolerancia pl Pseudopleuronectus americanus (nyelvhal) gén bevitele pl. hidegtorleranciát okoz
6
Zöld biotechnológia g alkalmazása Pl.: betegség rezisztencia Vírusok ellen: burok fehérje fehérje, hibás movement résszel
7
Zöld biotechnológia g alkalmazása
8
Zöld biotechnológia g alkalmazása Pl.: betegség rezisztencia Vírusok ellen: burok fehérje fehérje, hibás movement résszel B kté i Baktériumok k ellen: ll csirke i k li lizozim i (pl. almába)
Gombák ellen: kitináz, glukanáz, fitoalexinek 9
Zöld biotechnológia g alkalmazása Pl.: inszekticid termelés Bacillus thüringiensis thüringiensis::
spórázik p
Endotoxint termel
növénybe
10 Pl.: gyapjaslepke, szúnyoglárva
Zöld biotechnológia g alkalmazása Bacillus thüringiensis endotoxinjának hatása: hatása:
11
Vörös biotechnológia g alkalmazása A tibi tik Antibiotikumok k Sejtfalszintézist gátlók
Fehérje szintézist gátlók Membrán funkciót károsítók
12
Vörös biotechnológia g alkalmazása Penicillinek P i illi k
Penicillin G
1929
Penicillium notatum
13
Vörös biotechnológia g alkalmazása Penicillinek gy gyártása:
1.
Törzs & technológia g optim. p után
Penicillin G fermentációja: Penicillium crysogenum
2. 3.
Penicillin G hidrolízise 6-APA APA--vá = prekurzor
2
Oldallánc kialakítása ( (acilezés) é )
14
Vörös biotechnológia g alkalmazása 1. 1 Penicillin G fermentációja: Törzsfejlesztéssel 400x titer növelés 50 év alatt 1. klasszikus mutáns szelekcióval 2. a szűkkeresztmetszet bővítésével genetikailag
Rátáplálásos technika: tápközegben CSL v. v szójaliszt + ásv ásv.a. a rátáp.: szénhidr. (kukorica kem.hidr.) prekurzor ((fenilecet,(fenilecet,-fenoxie fenoxie--s ammónium--szulfát ammónium
15
Vörös biotechnológia g alkalmazása 2. 2 Penicillin G hidrolízisei: O S
CH2 CNH
enzim
N
O CO2H 37 C,pH 7
O
PENICILLIN G PENICILLIN-G
S
H2N
(CH3)2SiCl2 +PCl5
N CO2
O
H
6-APA
H2O 0 OC
(-40 OC) Cl S
CH2C N N O
CH2 C
Si(CH3)2 CO2H
2
S
N N
n-BuOH
(-40 OC)
C4H9O
O
CO2H
16
Vörös biotechnológia g alkalmazása Penicillin G enzimes hidrolízisei hidrolízisei: Penicillin-aciláz Penicillináz
17
Vörös biotechnológia g alkalmazása Penicillin G ipari hidrolízise: Penicillin--aciláz (E.C. Penicillin (E C 3.5.1.11) 3 5 1 11) – Escherichia coliban coliban van 1. Inaktivált E.coli + Penicllin G –> lizált sejt + 66-APA 2. Aktív(élő) E.coli + Penicllin G –> metab.term + 66-APA 3. E.coli E.coli--ból kinyert E + Penicllin G –> 6 6--APA
18
Vörös biotechnológia g alkalmazása Penicillin G ipari enzimes hidrolízise: 1. Enzim kinyerése:
1. 2 2. 3. 4. 5 5. 6.
Fermentáció Centrif gálás Centrifugálás Reszuszpendálás Kisózás 1. (debris+NS) Kisózás 2 2. (E) (E)--> reszuszpendálás Immobilizálás polimerpolimer-golyóra
Szubsztrát és termék inhibíció (gátlás)! CSTR helyett csőreaktor 2. Reaktor kaszkáddal (=sorba kötött folytonos CSTRCSTR-ek) közelítik a csőreaktort
DE: pH szabályzás fontos,, azt nem lehet csőreaktorban 19
Vörös biotechnológia g alkalmazása Penicillin G ipari enzimes hidrolízise: Feldolgozás: • Kicsapás p • Szűrés • Mosás Reverz R everz felhasználás: Pl :Ampicillin Pl.:Ampicillin 20 szintézis
Fehér biotechnológia g alkalmazása Vegyipari technológiák:
Bioipari technológiák:
Erélyes körülmények (magas T° T°C, p)
Enyhe körülmények
Nagyobb energia igény
Kisebb energia igény
Gyakran agresszív katalizátorok
Bi k t li át Biokatalizátorok: k sejtek, enzimekenzimek-> lebomlik, szelektív(!)
Magasabb környezetterhelés
Kisebb környezetterhelés
(~testhőm., légköri p, sem.pH)
21
Fehér biotechnológia g alkalmazása Vegyipar
B Benzin, i gázolaj, á l j dízelolaj, dí l l j paraffinolaj, aszfalt PE, PP, oldószerek, gyógyszeralapanyagok stb.
Bioipar
Biofinomítók, platform kemikáliák 22
Fehér biotechnológia g alkalmazása A vegyipar i „fehérítése” f hé íté ” plattform l ttf GBL(butirolakton) alkotó molekulákon keresztül:
Polibutiléntereftalát (PET alternatíva)
oldószer
pl.:Oldószer Adhezív 1. BorostyánkősavBorostyánkősav -platform Tinta
poliamid li id
Oldószer Lágyító
Oldószer Tremoplasztikus Poliészter, biodegradálható
zsírtalanító
23
Fehér biotechnológia g alkalmazása A vegyipar i „fehérítése” f hé íté ” plattform l ttf alkotó molekulákon keresztül: pl.: 1. BorostyánkősavBorostyánkősav-platform 2. AszparaginAszparagin-platform
24
Fehér biotechnológia g alkalmazása A vegyipar i „fehérítése” f hé íté ” plattform l ttf alkotó molekulákon keresztül: pl.: 1. BorostyánkősavBorostyánkősav-platform 2. AszparaginAszparagin-platform 3. GlutaminsavGlutaminsav-platform
25
Fehér biotechnológia g alkalmazása A vegyipar i „fehérítése” f hé íté ” plattform l ttf alkotó molekulákon keresztül: pl.: 1. BorostyánkősavBorostyánkősav-platform 2. AszparaginAszparagin-platform 3. GlutaminsavGlutaminsav-platform 4 Gli 4a. Glicerin Glicerinl tf alapanyag: Glicerini az-platform ideális gyártható, v. biodízel v melléktermék=megújuló Platform képző
26
Fehér biotechnológia g alkalmazása 1,3Propándiol 1 3P á di l 1,3-PD termelés
Évi 200.000t, 3/43/4-e szintetikusan
Széleskörű felhasználás:
200 000 PD [[t/év]
Növekvő piac
250 000
150 000 100 000 50 000 0 1990
1995
2000
2005
2010
•Önmagában: g oldószer,, fagyásgátló •PoliTrimetilénTereftálsav 27
Fehér biotechnológia g alkalmazása 1 3P 1,3Propándiol á di l előállítás lőállítá Szintetikusan: EtO hidroform hidroform.(Shell), (Shell) Acr Acr.kat.hidr. kat hidr (Degussa)
Biológiailag (de novo fermentáció) •Glükóz – glicerin ((S.cerevisiae S.cerevisiae)) •Glicerin – 1,3PD ((C.freundii C.freundii)) E.coli
Enzimesen? előnyök 28
Fehér biotechnológia g alkalmazása A vegyipar i „fehérítése” f hé íté ” plattform l ttf alkotó molekulákon keresztül: pl.: 1. BorostyánkősavBorostyánkősav-platform 2. AszparaginAszparagin-platform 3. GlutaminsavGlutaminsav-platform 4a. 4a GlicerinGlicerin-platform 4b. 3 3--HP HP--platform 29
Fehér biotechnológia g alkalmazása A vegyipar „fehérítése fehérítése” plattform alkotó molekulákon keresztül: pl.: 1. BorostyánkősavBorostyánkősav-platform 2. AszparaginAszparagin-platform 3 Gl 3. Glutaminsav Glutaminsavt i -platform l tf 4a. 4a GlicerinGlicerin-platform 4b. 33-HPHP-platform 5. ItakonsavItakonsav-platform
30
Fehér biotechnológia g alkalmazása 6 T 6. Tejsavsav Tejsavsavj -platform l tf
31
Fehér biotechnológia g alkalmazása T j TejsavsavTejsavsav -PLA •Biokompatibilis •Biodegradálható •Jó meh.tul. meh tul Homopolimer
Heteropolimer
32
Fehér biotechnológia g alkalmazása T j TejsavTejsav -előállítás lőállítá Kémiai--előállítás: Kémiai
Biológiai--előállítás: Biológiai
Katalizátor
CaO, NaOH, Ba(OH)2
Lactobacillus sp.
Hőmérséklet
200°°C 200
37--55 37 55°°C
Hozam
45 45--75%
90 90--95%
Izomer
Racém elegy
Optikailag tiszta, tiszta főleg LL-(+) (törzstől függ)
33
Fehér biotechnológia g alkalmazása T j TejsavsavTejsavsav -előállítás lőállítá fiziológiája fi i ló iáj
vegyipar
tejipar
34
Fehér biotechnológia g alkalmazása T j TejsavTejsav -fermentáció f tá ió 1 Al 1. Alapanyag Cukor (keményítő (keményítő, glükóz) + fehérje (hidrolizátum)
Növény eredetű= Megújuló (gabona-(gabona termelés<>EU)
2. Mikroba: Lactobacillusok, Bacillusok, Rhizopus sp. 35
Fehér biotechnológia g alkalmazása T j TejsavTejsav -fermentáció f tá ió 3 F 3. Fermentációs tá ió rendszer d • szakaszos technika DE p pH kontroll (5,5(5,5 ( , -6)) – toxikus termék, és pH vált.vált.->meghatározza a downstreamet •SSF technika •Sejtvisszatartásos, EDED-vel kombinált=integrált •Anaerob/fakultatív anaerob törzsektörzsek-> enyhe keverés >42° keverés, >42°C, C 4 4--6 nap •Nincs levegőztetéslevegőztetés->olcsóbb, nincs habzás
36
Fehér biotechnológia g alkalmazása
37
Fehér biotechnológia g alkalmazása T j Tejsav termék termékt ék-minőség i ő é Technikai T h ik i
Vilá Világos barna b Vas mentes 20--80% 20
t til ipar, textil i észter gyártás
Élelmiszeripari
színt., szagt. >80%
élelm. adalék
Gyógyszeripari
színt., szagt. >90% LA, <0 1% hamu <0,1%
higénia, fémfém-laktátok
Műanyagipari
színt., szagt. >90% LA LA, <0,01% hamu
Biodegradálható polimer p 38
Fehér biotechnológia g alkalmazása Köszönöm a figyelmet! „Úgy látom, hogy lélegzet elállító fejlődésnek leszünk tanúi tanúi…, és a biotechnológiai kuttók és cégek lesznek ennek a fejlődésnek a középpontjában.” (Bill Gates, New York Times (1996.jún.8.)) „It might looks that I am doing nothing, but at a celular level I am really quite busy.” (Lactobacillus Lactobacillus)) 39
