Kémia | Biokémia » Szerves savak

SZERVES SAVAK, CITROMSAV CITROM-, Ecet-, tej-, glükon-, koji-, itakonsav, almasav előállítható. (de a TCA ciklus tagjai is.) A citromsav kivételével a többinél szintetikus út is lehetséges, kompetíció H2C- COOH │ HO-C-COOH │ H2C-COOH Tulajdonság: kellemes íz, pufferkapacitás. Komplexképző, biológiailag bontható 1929 5 000 t/év Termelés: 1953 50 000 t/év 1976 200 000 t/év 1980 350 000 t/év kb. 60 % élelmiszeripari célra 1998: 1,4 milliárd $ Felhasználás: (Magyarország, 1965): édesipar 190 t konzervipar 185 t egyéb élelm.ip 150 t gyógyszerip. 26 t Összesen: 551 t/év Élelmiszeripar: üdítők, borok, lekvár, édességek, stabilizátor, (íz, szín, vitamin) . Gyógyszeripar: Ca bevitel (angolkór), Na-só (véralvadás gátló), kozmetikum (tartósítószer.) Műanyagipar: citromsav észterek: lágyítók (vinil és cellulózgyantákhoz) Fémipar: felület tisztítás, rozsdamentesítés, galvánadalék25 % Detergens: polifoszfát helyett (USA:

tiltott!!) TÖRTÉNET: 1784 1913 1917 1918 1928 1950 1960 10 % 25 % SCHELE izomból izolálja 1923-ig citrusból termelik ZAHORSKY citromsav termelő törzset szabadalmaztat CURRIE: felületi eljárás, cukor, 2 pH, Hozam: 60 % Első CS üzem Belgium, Pfizer (USA), Sturge (Anglia) Felületi üzem Kaznejov, melasz. LEOPOLD: K-ferrocianid 20 % Perquin, Kluyver Lab., Szűcs (P-limitáció) SZUBMERZ! 80 % n-paraffin: Candida (szardínia) TERMELŐ CÉGEK: USA: Pfizer, MILES LAB ANGLIA: STURGE Ltd. BELGIUM: Citrique BELGE (HOFFHANN La ROCHE) MAGYARORSZÁG: (Komárom?) NSZK: BENCKISER, BOEHRINGER AUSZTRIA: JUNGBUNZLAUER (RÖHR) OLASZORSZÁG, Spanyolország, Törökország, Lengyelország, Jugoszlávia TÖRZSEK: 60 % Asp.niger, Asp wentii, Pen citrinum, C lipolytica (k-paraffin), C guillermondii, Trichoderma viride (cellulóz, Kiowa Hakko) 2 Screenelés: PH indikátor; specifikus: EHRLICH reagens (p-dimetil-amino-benzaldehid.) 1,4 pH-jú oldatban is növekednek ill. 20 %-os

citromsavat is tolerálják Wix: a jó CS termelő spórái: feketék, sötétek Törzseltartás: aktív szén + konídium-szárítás (1949) KÖBIKULA - GYOKI (1950) TETTAMANTI (Radnóti) KRÁMLI JOHAN OKI (Kondorosi Á.) BIOSZINTÉZIS: 1) Citrát szintetáz aktivitás nagy (10x) 2) Akonitáz és 3) Izocitrát dehidrogenáz aktivitás kicsi A citromsav felhalmozódása miatt nincs oxálacetát képződés, ez az anaplerótikus szekvenciákon át történik: 4) piruvát karboxiláz (akonitáz) Fe++ !kofaktor! 4) Piruvát + CO2 + ATP Æ oxál-acetát + Pi + ADP Mg,K 5) PEP karboxikináz 5) PEP + CO2 + ADP Æ oxál-acetát + ATP Mg,K Mn, NH4+ A citromsav gátolja (glikolízis reguláció) a 6) Foszfo-fruktokinázt, de - Pi és + NH4+ kompenzálja ezt. Oxigén hiány: irreverzibilis inaktiválódás (ecetsavnál is!), de csak a citromsavképzés károsodik, a micélium-képződés (növekedés) nem! SZUBSZTRÁTOK: szacharózon hozam 123 de ez elmélet; x képződés miatt max. 92 %

Szénhidrátok: glükóz, fruktóz, szacharóz (ill. keményítő, melasz, hulladék szénhidrát) n-alkánok: C9 –C30; Jó konverzió (145 %, 9 citromsav/g paraffin), de: izocitromsav + drága a szubsztrát. félelem: rák! SZARDÍNIA Alkoholok: etilalkohol, metilalkohol: gyenge konverzió, drága Komárom: melasz (Magyarország): a mennyiség és minőség is csökken Szesz és élesztő 82 – 90 % Takarmány 8% A felhasználás Magyarországon Fermentációs ipar 1% Export! kukorica: ≈ 5 Mt/é, terméshozam ≈ 6 t/ha 10 000 t citromsavhoz: 25 000 t melasz; összes melasz: 10- 12 %-a 24 000 t kukorica; összes kukorica: 0,4 – 0,5 %-a! FERMENTÁCIÓ 3 1. TÁPOLDAT: C-forrás: lásd fent N-forrás: NH4+ (vagy NO3-). NH4+ jobb: lásd bioszintézis Savanyodik a közeg: jó a citromsav képződésnek (kezdetben!) pigment és nyálkaképződés nincs: feldolgozás! P felesleg: kedvez a citromsav és oxálsav képződésnek (Szűcs!) Nyomelemek: Fe és Zn limit kell a citromsav

képződéshez. Ha kevés: lassú növekedés és cukorfelhasználás. Optimális: 50 – 100 µg Fe/l. A vas az akonitáz kofaktora! Befolyásolja a pelletképződést! MeOH a fémhatásokat kompenzálja CU adagolás: a Fe hatását kompenzálja K-ferrocianid v. ioncsere: Fe-eltávolítás Mn > 20 µg/l felett a citromsavképződés drasztikusan csökken Ha nincs pufferolva a közeg, a pH gyorsan 3 alá megy- melaszban lévő sok glükóz pufferol (glükonsav képződés) - pH=3 alatt az extracelluláris glükóz-oxidáz inaktiválódik, ezért csak citromsav! Savanyítás H2SO4-gyel. 2. FERMENTÁCIÓS PARAMÉTEREK oldott oxigén: ha alacsony, csökken a citromsav termelés; O2 dúsítás! + sejtkárosodás! Pellet!! pH: a melléktermékek képződését – fertőzési kockázatot befolyásolja. Optimális pH=1.5 – 28 ! pH<3 csak citromsav-képződés. pH=6 felett oxálsav képződés pH>3 oxál- és glükonsav képződés is o Hőmérséklet: Optimális = 28 – 33 oC

C>33 oxálsav képződés o C<28 a citromsav képződési sebesség csökken 3. FELÜLETI TENYÉSZTÉS, FERMENTÁCIÓ (MÁLEK-FENCL) „Kaznejov” Zárt kamrák: mosható, dezinficiálható (HCHO, gőz ) Állványokon tálcák: (4 x 2,5 x 0,15 m) kb: 400-1200 l tápoldat. alumínium, rozsdamentes! Tápoldat: higított melasz (cukor: 15-20 %) + tápanyagok + pH=6 – 6,5 (H3PO4) K-ferrocianid - melasz minőség szerint: próbafermentáció. - Funkció: Fe, Mn, Zn eltávolítás Felesleg: a növekedést limitálja és a citromsav képződést növeli. - Koncentráció.: 10-100 mg/l Inokulum: Konidium szuszpenzióval (100-150 mg/m2) Fermentáció: steril levegőbefúvás: nedvesség, hőmérséklet-tartás, O2 bevitel, CO2 eltávolítás Jelentős a bepárlódás: 30-40 % Fermentációs idő: 10-15 nap Hozam: 65-75 % Produktivitás: 7-8 kg citromsav/m3*nap. De olcsó 4 4. SZUBMERZ TENYÉSZTÉS Fermentor: 120-220 m3 keverős reaktor 200-1000 m3 air-lift, merülősugaras

(pelletképzés)! Tápoldat: melasz tisztítás (ioncsere – k. ferrocianid) kukorica (elfolyósítás - elcukrosítás) Inokulálás: konidium vagy vegetatív(pellet)inokulum: 12 órával rövidebb! Fermentáció: levegőztetés: 0,2-1 vvm (O2 dúsítás)! hőmérséklet: 28-33 oC pH szabályozás: 2-2,6 2-3 nap pelletképződés, 5-8 nap citromsav képződés (függ a cukor koncentrációtól, a használt törzstől) Általában fed batch: 5% cukorral indul. Majd cukor és K-ferrocianid rátáplálás Állandó mikroszkópos megfigyelés (pellet) citromsav konc.: 130 g/l (melasz); 200-250 g/l (cukor)! Konverzió: 87-92 %; Produktivitás: 0,67-0,75 kg citromsav/m3*h; ~ 16-18 kg citromsav/m3*nap Fruktóz: polimerizálódik kezdetben (Trans fruktozylase!), ami a szaharózból képződik invertálódással. 20 40 (h) 60 5 FELDOLGOZÁS MICÉLIUM ELVÁLASZTÁS MICÉLIUM szűrő segédanyag OXALÁT FERROCIANID ELTÁVOLÍTÁS ha micéliumot nem használják mésztej + FeCl3

hulladék trikalciumcitrát oldhatósága KALCIUM-CITRÁT KICSAPÁS ÉS ELVÁLASZTÁS mésztej CITROMSAV FELSZABADÍTÁS ÉS GIPSZ ELVÁLASZTÁS H2SO4 SZÍNTELENÍTÉS ÉS IONMENTESÍTÉS FERMENTLÉ 18 oC 25 oC 40 oC 90 oC 0,085 g/100 ml 0,096 0,085 0,058 ! GIPSZ aktív szén, gyanta regeneráló sav jelentős sótartalmú oldat KONCENTRÁLÁS KRISTÁLYOSÍTÁS KRISTÁLY SZEPARÁLÁS SZÁRÍTÁS APRÍTÁS OSZTÁLYOZÁS CSOMAGOLÁS 1., Micélium elválasztás vákuum dobszűrő 0,2 – 1,0 mm átmérőjű göbök Newtoni szuszpenzió nyálkaképzés nehezíti a szűrést szűrősegédanyag szalmatörek 2., Oxalát mentesítés termékminőség miatt Ca(OH)2 adagolás CaCitrát kicsapódás veszélye! Klarifikálás pl. nyomó szűrő, Funda szűrő ha micélium nem etetésre szánt, akkor a kettő együtt! 3., Ca-citrát kicsapás fontos paraméterei: citromsav koncentráció., hőmérséklet, pH, Ca(OH)2 adagolás üteme mono-, di-, tricalcium citrát egyensúly

oldhatóság nagy kristályok képződése előnyös szenny. , - 90 oC, pH 7, 18-25%-os CaO - nagymennyiségű hő szabadul fel hasznosítás szűrés vákuum dobszűrőn 4., citromsav felszabadítása 60-70 %-os H2SO4 felesleggel (12 g/l) képződő gipszet vákuum dobszűrőn szűrik 5., Színanyagok eltávolítása aktív szenes oszlopon Ionok eltávolítása kationcserélő DOWEX 50 anioncserélő DUOLITE 100 regenerálás erős savval ill. bázissal 6., Tiszta citromsav oldat koncentrációja: 200-250 g/l tovább koncentrálás. Többfokozatú vákuum bepárló , kb. 40 oC 7., Kristályosítás vákuumkristályosítóban 20-25 oC-on képződő termék citromsav-monohidrát kristálycentrifuga anyalúg visszavezetése a folyamatba 8., Szárítás 36,5 oC alatti hőmérsékleten (kristályvízvesztés) FELDOLGOZÁSI VESZTESÉG 4-8 % 6 FELÜLETI FERMENTÁCIÓ Répamelasz Spóra Levegő Micélium (állattakarmány) sterilizálás fermentlé Melasz tart.

fermentáció SZUBMERZ FERMENTÁCIÓ Nádmelasz micélium elválasztás Levegő Spóra Micélium (hulladék) oltóanyag előállítás Melasz tart. sterilizálás fermentlé FELDOLGOZÁS IZOLÁLÁS fermentáció micélium elválasztás Citragil (takarmány) cefre bepárlás kicsapás citrát elválasztás citromsav nyersoldat citromsav felszabadítás gipsz elválasztás gipsz (hulladék) TISZTÍTÁS centrifugálás ioncserés bepárlás kristályosítás sótalanítás szárítás aprítás osztályozás CSOMAGOLÁS 7 6. MELLÉKTERMÉKEK, SZENNYVÍZ 1 t citromsavra számítva Micélium: 135 kg (25 – 30 % fehérje, 15 – 20 % szénhidrát) Takarmány – trágya – papíripar (enzim előállítása P6-áz) Gipsz: 1,4 t Építőipar Szennyvíz: 8 m3 5 – 6 % szárazanyag; KOI ≈ 50 000 mg/l Feldolgozás: - Bepárlás (szárazanyag: 65 – 70 %) takarmány kiegészítő (Citragil) (Az ár nem fedezi a költségeket) - Élesztősítés Torula 14 kg/ m3; 112

kg/8 m3 - Biogáz: ANAMAT eljárás. Output: CH4, CO2, víz Aerob és anaerob eljárás kombinációja ECETSAV Klasszikus út: 1 glükóz Élesztő 2 Etanol Ecetbakt. 2 CH3-COOH Új lehetőség: Termofil homoacetogén Cl. thermoaceticum, Cl Thermoautotroficum Æ 2 CH3-COOH + 2 CO2 + 8 H+ + 8e 1 C6H12O6 + 2 H2O + 2 CO2 + 8 H + 8e Æ CH3-COOH + 2 H2O C6H12O6 Æ 3 CH3-COOH ! A 2 CO2 –ből autotróf CO2 - fixálással egy új acetil-CoA képződik Sok homoacetogén Cl. autotróf módon H2/CO2 vagy CO gázkeveréken nőni tud USA: Ecetsav felhasználása: 1,3 x 109 kg/év (1986) Ca, Mg-acetát: jégmentesítés: ökológiailag engedélyezett, biztonságos. Ha erre használják, az igény kétszereződik. 100 g cukorból az elméleti hozam: 100 g ecetsav, gyakorlati: 90 – 95 g ecetsav. Fermentáció típusa Szakaszos Folyamatos sejtvisszatáplálás Folyamatos sejtvisszatáplálás nélkül Forgódobos fermentor Produktivitás (g*l-1h-1) 0,9 4 2,5 10 Ecetsav konc. (g*l-1) 120 22

7 37 Szakaszos: glükózrátáplálás, dolomitos semlegesítés, félfolytonos (50 % inokulum) Forgódobos fermentáció.: a baktérium a forgótányérokhoz tapad Hátrány: lassú a folyamat! Törzsfejlesztés! Gazdasági számítás: 1000 t/nal kapacitású üzemben az acetát ára: 0,48 USD/kg CITROMSAV Kapacitás: 10 000 t/a Üzemeltetési költség Beruházás/a járulékos beruházások nélkül/:$24 800 000 Egység Egység/t Egység/a Költség Ár,$/egység $/t $/a Közvetlen költségek Nyersanyagok Melasz: Kalcium-hidroxid t t 2,50 0,42 Kénsav Egyéb vegyszer t t 0,82 0,027 Munkabérek Üzemeltetők Művezető Üzemvezető Karbantartás /a beruházás 4%-a/ Szolgáltatás Villamos energia Technológiai víz Hűtővíz Gőz fő/év fő/év fő/év kWh 3050 9,O0 m3 3 m 23,50 t 13,20 Eddig összesen Közvetett költségek Rezsi költség /a munkabérek 75%-a/ Adók és biztosítás /a beruházás 2%-a/ Értékcsökkenési leírás /a beruházás 1O%-a/

Eddig összesen Összesen 32 4 1 90,00 45,00 225,00 18,90 92,00 950,00 75,44 25,65 344,99 25 600,00 29 100,00 35 100,00 0,041 0,170 0,017 11,00 19 % 3 449 900 30 % 97,07 819 116 35 970 99,20 992 0008,3 % 125,05 1,53 0,40 145,20 272,18 813,44 2 721 80023 % 8 134 400 370,40 728 496 2 480 3 704 1183,84 200 400 100 700 8,2 % 025 000 000 02531 % 11 843 425 ÉRDEKES – BONYOLULT, KOMPLEX FERMENTÁCIÓ. (Talán a legbonyolultabb) 1. Metabolic eng Természetes mutánsok! Szelekció: savképződés! 2. Technológia: felületi tenyésztés (még ma is)! Fed-batch: cukor, ferro-cianid, NH3, P Levegő: O2-dúsítás sejt inaktiválódás (O2-limit), pellet Feldolgozás: ioncserék, sóképzések stb. Tápoldat: fémmentesítés 3. Fermentációs paraméterek: hőmérséklet: más sav képz. ← 33-28 gyenge növekedés pH: kis pH: citromsav:+, más savak:- (gyors savanyodás kell) (NH4)SO4 Tápoldat komponensek: Zn Mn Fe P NH3 4 kofaktora nagy koncentráció

citromsav:Pelletképződés 5 aktivátor közeg savanyodik pigment (-) nyálka (-) citromsav feed-back inhib. (+) kikapcsol p-limit: citromsav: + (feed-back I. kikapcsol) Ferrocianid MeOH Cu 4 hulladék hasznosítás: micélium: - takarmány, trágya. - Enzim (PG-áz) előállítás szűrt fermentlé: - bepárlás után élesztősítés után gipsz: építőipar takarmány Ferro-cianid Citromsav: + Yx:csökken Yp:nő 10 GLÜKONSAV (GS) GYÁRTÁS COOH │ HC-OH │ HOC-H │ HC-OH │ HC-OH │ CH2OH 1928 Felületi tenyésztés Pen. luteum, 80-87%-os konverzió. Ma: Asp. niger, Metanol hasznosító bakt (RINGPFEIL) Pseudomonas oralis, Acetobacter suboxidans. Szubmerz, glükóz (CaCO3) rátáplálásos. (max 15 % glükóz) Yp=0,9-0,95, micélium – újrafelhasználás ! – Kataláz előállítás, glükóz-oxidáz. FAD FADH2 glükóz H2O2 H2O δ glükono-lakton glükonsav O2 glükóz-oxidáz (notatin, penicillin B): H2O2 ! Nagy blama Üzemek: Ak20 NV.(Hollandia);

CARLO ERBA (Olaszo); MERCK (Németo); MALLINCKRODT (USA), RICHTER (Magyarország) Felhasználás: Fémipar (tisztítás, rozsdátlanítás) Üveg (tisztítás) Detergensekben (komplexképző) Gyógyszeripar: Ca, Fe glükonát Cementadalék Folyamatábra: sók, DEXTRÓZ gabonaáztató lé oltóanyag víz víz kalcium-karbonát steril levegő kalcium-karbonát - sterilizáló dextrózsterilizáló FERMENTOROK hűtőközeg micélium VÁKUUMSZŰRŐ bepárló CaCO3 aktív szenes oszlop tárolótartály KALCIUMGLÜKONÁT kristályosító centrifuga Kapacitás: GLÜKONSAV 5 000 t/a Üzemeltetési költség Beruházás/a járulékos beruházások nélkül/:$7 250 000 Egység Egység/t Egység/a Ár,$/egység Költség $/t $/a Közvetlen költségek Nyersanyagok Dextróz Kalcium-karbonát Gabonaáztató lé (szilárd tartalom) Kénsav Magnézium-szulfát (heptahidrát) Diammónium-foszfát Monokálium-foszfát t t 1,140 0,230 607,00 21,00 691,98 4,83 t 0,012

260,00 3,12 t t 0,002 0,012 75,50 277,83 0,15 3,33 t t 0,020 0,001 264,00 340,00 5,28 0,34 709,03 ≈60 % 3 545 150 Munkabérek Üzemeltetők Művezető Üzemvezető Karbantartás /a beruházás 4%-a/ Szolgáltatás Villamos energia Technológiai víz Hűtővíz Gőz fő/év fő/év fő/év kWh 1 000 5,00 m3 3 m 60,00 t 3,50 Eddig összesen Közvetett költségek Rezsi költség /a munkabérek 75%-a/ Adók és biztosítás /a beruházás 2%-a/ Értékcsökkenési leírás /a beruházás 1O%-a/ Eddig összesen Összesen 8 4 1 25 600,00 29 100,00 35 100,00 71,26 ≈6 % 204 800 116 400 35 100 356 300 58,00 290 000 0,041 41,00 0,170 0,85 0,017 vízforgatás 1,02 11,00 38,50 81,37 ≈7 % 919,66 145,00 227,45 1147,11 406 850 4 598 300 267 145 725 1 137 225 000 000 225 5 735 525 1.Rátáplálás p p Kis p-képződési sebesség t nagy lag szakasz t1 t2<< t1 ! Produktivitás (kg/m3.h) 2. Micélium újrafelhasználás ill enzim előállítás t2 t

13 FUMARÁZ, ALMASAV (Corinebact. glutamicum) CHIBATA (1974) HOOC─CH ║ HC·COOH fumársav Brevibact. ammoniagenes Fumáz Nyugvósejtes konverzió Egyensúlyi reakció: 15 % 85 % Polietilen- imidbe immobilizálják Nagy hőstabilitás Almasav kalcium-fumarát (oldott) Oldhatóság a két sónál: 1 % Pseudo kristály fermentáció (konverzió) COOH │ HC·OH │ CH2 │ COOH oldhatóság ≈1% oldhatóság ≈1% kalcium-fumarát (kristályos) centrifugálás kalcium-malát (oldott) egyensúlyi arány: ≈15:85 kalcium-malát (kristályos) kicsapás centrifugálás kristályosítás elpárologtatás Nem steril rendszer: p-hidroxi-benzoesav mikróbák ellen. Borin albumin és szója fehérje: adagolás. Megakadályozza az enzim adszorpcióját a falra, keverőre, illetve a denaturációt Down stream: H2SO4 (gipsz szűrés). Tisztrítás: ioncserés kromatográfia (Elválasztás) Katalizátor: Sejtszuszpenzió. AMINO GmbH Szakaszos keverős reaktor 2000 t/év

1988 Immobilizált enzim TANABE (Japán) pH: 8, hőmérséklet: 25 ˚C Igény: 40 000 t/év Felhasználás: élelmiszer, kozmetikum, gyógyszer (infúziónál)