14. Biotechnologie 14.1 Výroba sladu a piva 14.2 Výroba kvasného etanolu 14.3 Výroba droždí 14.4 Výroba kvasné kyseliny octové 14.5 Výroba kyseliny mléčné 14.6 Výroba kyseliny citronové 14.7 Výroba antibiotik 1
14.1 Výroba sladu a piva Biochemické procesy: 1. Klíčení ječmene přeměna ječmenového škrobu na sladový škrob 2. Enzymatická hydrolýza sladového škrobu enzymatická konverze sladového škrobu na jednoduché zkvasitelné sacharidy (především maltozu) 3. Kvašení (maltóza glukóza etanol) Anaerobní přeměna zkvasitelných sacharidů na etanol alkoholickou glykolýzou pomocí pivovarských kvasinek Saccharomyces Carlsbergensis Pivovarské kvasinky obsahující enzym maltáza katalyzující štěpení maltózy na glukózu s následnou přeměnou na etanol 2
14.2 Výroba kvasného etanolu Anaerobní přeměna zkvasitelných sacharidů na etanol alkoholickou glykolýzou pomocí lihovarských kvasinek Saccharomyces Cerevisiae Lihovarské kvasinky obsahující enzym sacharáza katalyzující štěpení sacharózy na molekulu glukózu a fruktózy s následnou přeměnou na etanol Při lihovém kvašení probíhají další biochemické reakce vznik organických kyselin (např. octová, pyrohroznová, mléčná, citronová, aminokyseliny aj.) vznik vyšších alkoholů (převážně isoamylalkohol); tzv. přiboudlina (především z aminokyselin) 3
14.3 Výroba droždí Droždí kvasniční hmota, pro pekařské a krmné účely Aerobní fermentace sacharózy obsažené ve zředěné melasovém roztoku aerobní glykolýzou Pekařské droždí Surovina: melasová zápara + živiny (síran amonný, superfosfát) Kvašení: doba 10 h, teplota 30 C, ph 5,5 ; silné pěnění se snižuje přídavkem odpěňovacího tuku, zápara po kvašení cca 3 % etanolu destilace Postup: prohánění vzdušného kyslíku kvasícím roztokem kvašení odstředění kvasnic ze zápary proprání kvasnic odstředění kvasnic lisování v kalolisu na 70% vody expedice Krmné droždí Kvasinky Torulopsis utilis, Candia utilis 4
14.4 Výroba kyseliny octové Aerobní octová fermentace etanolu katalyzovaná dehydrogenázovým systémem octových baktérií Kyslík slouží jako akceptor vodíku NAD + NADH + H + O + ½ O2 O H3C CH2OH H3C C H3C C H OH Octovité baktérie: Bacterium schützenbachii Kvasný konzumní ocet : filtrace, ředění pitnou vodou na koncentraci 8 až 10 % Technologické postupy 1. Fermentace s imobilizovanými bakteriemi 2. Submersní fermentace 5
Fermentace s imobilizovanými bakteriemi vsádkový postup: recirkulace řediny oxidační částí tak dlouho, dokud se nevytvoří 7,5 až 10% kyseliny octové (+ obsah 0,3 % zbytkového etanolu) Kvasná káď ocetnice EtOH xxxxxxxxxx xxxxxxxxxx xxxxxxxxxx Směšovací část s rozdělovacím roštem Ředina 7 % + 3,5 % etanolu Oxidační část Bukové hobliny s imobilizovanými bakteriemi Sběrná část s přívodem vzdušného kyslíku pod dřevěný rošt 6
14.5 Výroba kyseliny mléčné Anerobní fermentace melasové sacharozy mléčnými bakteriemi Lactobacillus delbrückii) anaerobní glykolýzou na kyselinu pyrohroznovou s následnou enzymatickou hydrogenací laktátovou dehydrohenázou + + NADH + H NAD H3C CO COOH H3C CH COOH OH Kvašení: teplota 48 C, doba: několik dnů, ph 6,7 ; produkt: 10% kyseliny mléčné Postup: kvašení přídavek Ca(OH)2 mléčnan vápenatý filtrace kalů (kalolis, rotační filtry) rozklad mléčnanu kyselinou sírovou kyselina mléčná + síran vápenatý oddělení síranu filtrací na kalolisech 7
Rafinace kyseliny mléčné 1. opakovaná krystalizace přes mléčnan vápenatý 2. extrakce eterem Použití: potravinářský průmysl výroba šťáv a nápojů (okyselení, konzervace) příprava emulzí 8
14.6 Výroba kyseliny citronové Aerobní fermentace melasové sacharozy plísní Aspergillus niger pomocí aerobní glykolýzy (sacharoza k. octová k. jantarová) a citrátového cyklu (- k. citronová) Fáze: 1. laboratorní kultivace plísně 2. provozní kvašení 3. rafinace a izolace Kvašení: teplota 30 C, doba 8 až 9 dní, nutná sterilita!!!! Kvasná komora: kvasné vany uložené nad sebou, nad kvasné vany se vhání sterilní vzduch, který zároveň rozprašuje plísňové spory, které zaočkují melasový roztok, rozvoj plísňového mycelia na povrchu Postup: kvašení vytvoření mycelia tvorba k. citrnonové promytí mycelia teplou vodou vysrážení kyseliny při 50 C roztokem Ca(OH)2 ve formě citranu vápenatého separace citranu na rotačním filtru a jeho promytí horkou vodou rozklad citranu kyselinou sírovou na k. citronovou filtrace zahuštění ve vakuové odparce krystalizace oddělení v odstředivce + omytí krystalů vodou 9
Rafinace Rozpuštění ve vodě 75 C + sulfid vápenatý + karboparafín Odfiltrování zachycených nečistot v kalolisech Krystalizace k. citronové z filtrátu 10
14.7 Výroba antibiotik Antibiotika organické sloučeniny vznikající jako metabolické produkty některých mikroorganismů Aerobní fermentace sacharidického živného roztoku plísněmi aerobní glykolýzou Fáze: 1. laboratorní kultivace plísně 2. provozní kvašení 3. izolace a úprava antibiotik Antibiotika penicilinové řady Penicilium notatum Laboratorní kultivace Živná půda: 5% kukuřičný extrakt, 4% glukóza Očkovací tank Doba kultivace: 2 dny 11
Provozní fermentor Doba kvašení: 12 h Živná půda: 5% kukuřičný extrakt, 4% laktóza, 1% glukóza, 5,5% CaCO3, prekurzor 0,1% fenylacetamid Filtrace Odstranění mycelia z prokvašeného roztoku Extrakce benzylpenicilinu Extrakce benzylpenicilinu butylacetátem z filtrátu Srážení Vysrážení penicilinu nasyceným roztokem octanu draselného jako krystalické draselné soli Filtrace Izolace soli Sušení Produkt 12
Antibiotika tetracyklinové řady Aerobní fermentace plísně Streptomyces viridofaciensis nebo Streptomyces aureofaciens (chlortetracyklin) Radek Šulc @ 2007 13