Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 7 – Biotechnologie otrzymywania aminokwasów, witamin i polisacharydów
Aminokwasy
Ideogram kombu Bakterie Corynebacterium glutamicum
Początki biotechnologii wytwarzania aminokwasów – Japonia, 1957 – wyizolowaniebiotyno-zależnej bakterii C. glutamicum produkującej L-glutaminian
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 7 – Biotechnologie otrzymywania aminokwasów, witamin i polisacharydów
Aminokwasy
Aminokwasy białkowe
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 7 – Biotechnologie otrzymywania aminokwasów, witamin i polisacharydów
AminokwasyAminokwasy endo- i egzogenne dla człowieka i świnki morskiej
Endogenne Warunkowo egzogenne* Egzogenne
Arginina
Cysteina
Glutamina
Glicyna
Prolina
Tyrozyna
Histydyna
Izoleucyna
Leucyna
Metionina
Fenyloalanina
Treonina
Tryptofan
Walina
Alanina
Asparagina
Asparaginian
Glutaminian
Seryna
*w okresie niemowlęcym i w niektórych stanach chorobowych
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 7 – Biotechnologie otrzymywania aminokwasów, witamin i polisacharydów
Aminokwasy
Rynkowy obrót aminokwasami Zależność między wielkością produkcjia ceną aminokwasów
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 7 – Biotechnologie otrzymywania aminokwasów, witamin i polisacharydów
Produkcja i zastosowanie najważniejszych aminokwasówPodstawy Biotechnologii Aminokwasy
Polepszacz smaku
Dodatek do pasz
Dodatek do pasz*
Dodatek do pasz
Dodatek do żywności, słodzik
Aspartam, polimery
Aspartam
Dodatek do żywności, farmaceutyki
Cysteina, farmaceutyki
Farmaceutyki
Słodzik, element budulcowy
Pasze, farmaceutyki
Farmaceutyki
Pestycydy, farmaceutyki
Farmaceutyki
Fermentacja
Fermentacja
Synteza chemiczna
Fermentacja
Synteza chemiczna
Kataliza enzymatyczna
Fermentacja
Redukcja cystyny, fermentacja
Ekstrakcja, fermentacja
Fermentacja, ekstrakcja
Fermentacja, ekstrakcja
Fermentacja
Fermentacja, ekstrakcja
Fermentacja, ekstrakcja
Fermentacja, ekstrakcja
Kwas L‐glutaminowy
L‐lizyna
D,L‐metionina
L‐treonina
Glicyna
Kwas L‐asparaginowy
L‐fenyloalanina
L‐cysteina
L‐cystyna
L‐arginina
L‐alanina
L‐tryptofan
L‐leucyna
L‐walina
L‐izoleucyna
1 200 000
600 000
550 000
40 000
16 000
14 000
13 000
4 500
3 500
2 000
1 500
1 200
1 200
1 000
500
Główne zastosowanieMetoda wytwarzaniaAminokwasSkala produkcji (tony/rok)
*pasze sojowe są ubogie w niektóre egzogenne aminokwasy, w tym L-Met i L-Lys
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 7 – Biotechnologie otrzymywania aminokwasów, witamin i polisacharydów
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
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 7 – Biotechnologie otrzymywania aminokwasów, witamin i polisacharydów
AminokwasyKwas L-glutaminowy
Producenci: Corynebacterium glutamicum, Brevibacterium flavum
Cechy producentów: duża aktywność dehydrogenazy glutaminianowejwydajne reakcje anaplerotycznemutanty o zwiększonej przepuszczalności błony
Procedury indukujące wydzielanie L-glutaminianu:
a) Hodowla w warunkach ograniczenia biotynyb) Dodatek penicylinyc) Dodatek lizozymud) Dodatek środków powierzchniowo-czynnyche) Zastosowanie mutantów auksotroficznych
wobec kwasu oleinowego i/lub glicerolu
Schemat sposobu działania technik indukujących wydzielanie L-glutaminianu
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 7 – Biotechnologie otrzymywania aminokwasów, witamin i polisacharydów
AminokwasyKwas L-glutaminowy
Schemat przepływu materiałów w zakładzie produkującym L- glutaminian
Produkt fermentacji - sól amonowa L-glutaminianuWyodrębnianie:
- oddzielenie komórek bakteryjnych- przepuszczenie roztworu przez
kolumnę anionitową (uwolnionyamoniak jest oddzielany przez destylację i zawracany do fermentacji)
- wymywanie z żywicy jonowymiennej roztworem NaOH. Produkt w postaci glutaminianu monosodowego (MSG)
Japońskie zakłady Kyowa Hakko wytwarzające aminokwasy.Z prawej strony 7 fermentorów (240 m3 każdy) do produkcjikwasu L-glutaminowego
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 7 – Biotechnologie otrzymywania aminokwasów, witamin i polisacharydów
L-lizynaAminokwasy
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 białkowychProdukt 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 rozpyłowymbrzeczki fermentacyjnej i granulacji
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 7 – Biotechnologie otrzymywania aminokwasów, witamin i polisacharydów
Aminokwasy
L-tryptofan
Możliwa metoda fermentacyjna, ale szerzej stosowana biokonwersja z użyciemmutanta E. coli o dużej aktywności syntazy tryptofanowej
NH
(CHOH)2CH2OP
+
NH3+
HOH2C COO-
syntaza tryptofanowa
NHNH3
+
COO-
O
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 7 – Biotechnologie otrzymywania aminokwasów, witamin i polisacharydów
Aminokwasy
L-tryptofan
Schemat przepływowy biosyntezy L-tryptofanu metodą biotransformacji z użyciem L-seryny otrzymywanejz melasy oraz indolu
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 7 – Biotechnologie otrzymywania aminokwasów, witamin i polisacharydów
Wytwarzany metodą enzymatyczną z użyciem L-aspartazyprzez japońską firmę Tanabe Seiyaku Co Ltd.
aspartaza+ L
H2N
COOH
CH2COOHH
NH3 C CCOOHH
HHOOCkwas fumarowy kwas L-asparaginowy
W procesie przemysłowym stosuje się komórki E. coli zawierające aktywną aspartazę, immobilizowanena 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
AminokwasyKwas L-asparaginowy
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 7 – Biotechnologie otrzymywania aminokwasów, witamin i polisacharydów
Witaminy
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 7 – Biotechnologie otrzymywania aminokwasów, witamin i polisacharydów
Witaminy
Biosynteza i metabolizmwitaminy D3
Cholekalciferol regulujemetabolizm Ca(II) w nerkach, jelitachi kościach
Niedobór witaminy D3u dzieci objawia się krzywicą
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 7 – Biotechnologie otrzymywania aminokwasów, witamin i polisacharydów
Witaminy
Witamina A1, jej prekursor i pochodne
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 7 – Biotechnologie otrzymywania aminokwasów, witamin i polisacharydów
WitaminyWiele 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
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 7 – Biotechnologie otrzymywania aminokwasów, witamin i polisacharydów
Polisacharydy mikrobiologiczne
Egzopolisacharydy – produkowane jako metabolity wtórne i wydzielane pozakomórkowo) Obojętne: dekstran, skleroglukan, kurdlan, pululanKwasowe: ksantan, gellan, alginian (głównie glony)
Kolonie szczepu Pseudomonas mendocina produkujące alginian
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 7 – Biotechnologie otrzymywania aminokwasów, witamin i polisacharydów
Bakteryjne polisacharydy pozakomórkowe
Polisacharydy mikrobiologiczne
Ksantan – wytwarzany przez Xanthomonas campestrisKudrlan – wytwarzany przez Agrobacterium, RhisobiumSkleroglukan – wytwarzany przez Sclerotium glucanium
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 7 – Biotechnologie otrzymywania aminokwasów, witamin i polisacharydów
Polisacharydy mikrobiologiczne
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 pozakomórkowyz 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 foliibiodegradowalnych
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 7 – Biotechnologie otrzymywania aminokwasów, witamin i polisacharydów
Polisacharydy mikrobiologiczneProdukcja polisacharydów – hodowle okresowe, napowietrzane. Problememjest wzrost lepkości zawiesiny podczas produkcji egzopolisacharydu.
Schemat blokowy produkcji ksantanu
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 7 – Biotechnologie otrzymywania aminokwasów, witamin i polisacharydów
Oleje mikrobiologiczne
Lipidy zapasowe mająstrukturę triacylogliceroli
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 7 – Biotechnologie otrzymywania aminokwasów, witamin i polisacharydów
Oleje mikrobiologiczne
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 towarzystwiekwasu eikozapentaenowego (EPA 20:5n-3), niekorzystnego dla niemowląt
Wytwarzane przez drobnoustroje. Technologia izolacji musi zapewniać jak minimallizacjęprocesów utleniania i rozkładu.
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 7 – Biotechnologie otrzymywania aminokwasów, witamin i polisacharydów
Oleje mikrobiologiczne
Komórki drożdży Apiatrichium curvatum wytwarzające i magazynujące duże ilości lipidów
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 7 – Biotechnologie otrzymywania aminokwasów, witamin i polisacharydów
Oleje mikrobiologiczne
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 7 – Biotechnologie otrzymywania aminokwasów, witamin i polisacharydów
Oleje mikrobiologiczne
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 cohniiOraz 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.
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 7 – Biotechnologie otrzymywania aminokwasów, witamin i polisacharydów
Proces akumulacji olejów w mikroorganizmach olejodajnych w hodowli okresowej
Oleje mikrobiologiczne
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 7 – Biotechnologie otrzymywania aminokwasów, witamin i polisacharydów
Oleje mikrobiologiczne
Schemat przedstawiający etapy procesu fermentacyjnego stosowanego do produkcji olejówmikrobiologicznych. Komórki po usunięciu ich z fermentora produkcyjnego są zbierane, suszonei na końcu ekstrahowane heksanem w celu oddzielenia oleju. Heksan usuwany przez destylacjęz parą wodną. Dalsza obróbka: RBD (rafinacja-odbarwianie-odwanianie)
Minimalizacja degradacji – szybkie przetwarzania, przechowywanie oleju i biomasy w niskiejtemperaturze i atmosferze azotu. Końcowy produkt – olej żółty (obecność karotenoidów) o przyjemnym smaku i zapachu. Dodatek antyoksydantów n(p. witamina E).