نوشته‌ها

گلوکونیک اسید و قندهای شیمیایی سبز ، Aspergillus niger ، Penicillium ، Gluconobacter فلاووآنزیم ، گلوکز اکسیداز ، گلوکز دهیدروژناز ،Acetobacter ، کوئینون ، لاکتوناز ،کلسیم گلوکونات ، Cupriavidus basilensis ، ترفتالیک اسید ، اتیلن گلایکول ، پلی اتیلن ترفتالات ، پلی اتیلن فورانوآن ، PET ایزو سوربید ، سوربیتول ، گلوکاریک اسید ، آمینولوولینیک اسید

گلوکونیک اسید و قندهای شیمیایی سبز

بسم الله الرحمن الرحیم

گلوکونیک اسید و قندهای شیمیایی سبز

کلیات :

گلوکونیک اسید ب اکسیداسیون انتخابی D-گلوکز در یک پروسه ی فرمنتاسیون تولید می شود و یک محصول بیوتکنولوژیک است. اخیرا، مشتقات قندی در قالب تکنولوژی سبز توسعه داده شده اند از جمله 2و5-فوران دی کربوکسیلیک اسید، لوولینیک اسید استرها، گلوکاریک اسید و ایزوسوربید. این مشتقات قندی که از طریق شیمی تولید می شوند پتانسیل اینکه به عنوان مواد خام از تصفیه کننده های زیستی در آینده در دسترس باشند را دارا هستند.

ساختار و ویژگی های گلوکونیک اسید و فوران دی کربوکسیلیک اسید و بیوسنتر فوران دی کربوکسیلیک اسید ، ، Aspergillus niger ، Penicillium ، Gluconobacter فلاووآنزیم ، گلوکز اکسیداز ، گلوکز دهیدروژناز ،Acetobacter ، کوئینون ، لاکتوناز ،کلسیم گلوکونات ، Cupriavidus basilensis ، ترفتالیک اسید ، اتیلن گلایکول ، پلی اتیلن ترفتالات ، پلی اتیلن فورانوآن ، PET ایزو سوربید ، سوربیتول ، گلوکاریک اسید ، آمینولوولینیک اسید

ساختار و ویژگی های گلوکونیک اسید و فوران دی کربوکسیلیک اسید و بیوسنتر فوران دی کربوکسیلیک اسید

گلوکونات

سدیم D-gluconate و δ-لاکتون آن به میزان 70000 تن تولید می شوند. δ-لاکتون در صنایع غذایی به عنوان یک اسیدی کننده ی ملایم کاربرد دارد. نمک کلسیم و آهن گلوکونات بسیار محلول و غیر سمی هستند و به همین دلیل در محلول های تزریقی برای درمان کمبود کلسیم و آهن استفاده می شوند. سدیم گلوکونات هم یک عامل کمپلکس شونده با کلسیم و آهن بسیار پایدار می باشد حدود 50% این محصول به عنوان یک افزودنی برای شستشو و حذف عوامل قلیایی بطری، در تهیه ی بتن، و برای جلوگیری از رسوب آهن در تیمار منسوجات استفاده می شود. pKa ی گلوکونیک اسید حدودا 7/3 می باشد.

بیوسنتز گلوکونیک اسید توسط آسپرژیلوس نایجر ، ، Aspergillus niger ، Penicillium ، Gluconobacter فلاووآنزیم ، گلوکز اکسیداز ، گلوکز دهیدروژناز ،Acetobacter ، کوئینون ، لاکتوناز ،کلسیم گلوکونات ، Cupriavidus basilensis ، ترفتالیک اسید ، اتیلن گلایکول ، پلی اتیلن ترفتالات ، پلی اتیلن فورانوآن ، PET ایزو سوربید ، سوربیتول ، گلوکاریک اسید ، آمینولوولینیک اسید

بیوسنتز گلوکونیک اسید توسط آسپرژیلوس نایجر

D-گلوکونیک اسید محصول نهایی اکسیداسیون نیمه نهایی D-گلوکز می باشد بنابراین از این جهت مشابه اکسیداسیون نیمه نهایی اتانول به استیک اسید می باشد. تعدادی از قارچ ها (Aspergillus niger, Penicillium) و همچنین باکتری های اکسیداتیو خصوصا Gluconobacter این واکنش را انجام می دهند. در قارچ ها، فلاووآنزیم مسئول این واکنش D-گلوکز اکسیداز می باشد که در دیواره ی سلولی قرار دارد اما می توان آن را در محیط طی فرمنتاسیون هم یافت کرد. گلوکز اکسیداز یک آنزیم کلیدی برای تعیین سطح قند خون در بیوسنسورها می باشد. در مقابل، سویه های Gluconobacter یک گلوکز دهیدروژناز متصل به غشا دارند که مانند الکل و آلدئید دهیدروژناز سویه های Acetobacter حاوی پیرولوکوئینولین کوئینون به عنوان کوفاکتور می باشد.

فرمنتاسیون و بازیافت D-گلوکونیک اسید :

D-گلوکونیک اسید از طریق اکسیداسیون الکتروشیمیایی یا از طریق یک پروسه ی فرمنتاسیون توسط Aspergillus niger از D-گلوکز تولید می شود. در pH های بالای 3 این قارچ گلوکز اکسیداز را در دیواره ی سلولی خود انباشته می کند که این آنزیم Dگلوکز را به D-گلوکز-5-لاکتون اکسید می نماید و این ترکیب به طور خودبخودی یا سریعتر توسط کاتالیز آنزیمی (لاکتوناز) به D-گلوکونیک اسید هیدرولیز می شود. سدیم یا کلسیم گلوکونات با رشد توده ی سلولی در 5/6-5/4 pH (در محیط بافری Na2CO3/NaOH یا CaCO3) از طریق افزودن 25-11% D-گلوکز تحت شرایط هوادهی شدید حاصل می شود. نمک را از طریق تغلیظ از محلول فیلتر شده ی فرمنتاسیون به دست می آورند. اسید آزاد و لاکتون از طریق کروماتوگرافی تعویض یونی از نمک حاصل می شود.

فرمنتاسیون و بازیافت D-گلوکونیک اسید ، ، Aspergillus niger ، Penicillium ، Gluconobacter فلاووآنزیم ، گلوکز اکسیداز ، گلوکز دهیدروژناز ،Acetobacter ، کوئینون ، لاکتوناز ،کلسیم گلوکونات ، Cupriavidus basilensis ، ترفتالیک اسید ، اتیلن گلایکول ، پلی اتیلن ترفتالات ، پلی اتیلن فورانوآن ، PET ایزو سوربید ، سوربیتول ، گلوکاریک اسید ، آمینولوولینیک اسید

فرمنتاسیون و بازیافت D-گلوکونیک اسید

2و5-فوران دی کربوکسیلیک اسید

این ترکیب یک متابولیت انسانی است و در ادرار یا پلاسمای سرم انسان می توان آن را یافت. این ترکیب از نظر تکنیکی توسط دهیدراسیون D-گلوکز به هیدروکسی متیل فورفورال یا آلکوکسی متیل فورفوران و سپس اکسیداسیون کاتالیتیک تحت شرایط قلیایی قوی تهیه می شود. مرحله ی اکسیداسیون هم به طور انتخابی توسط باکتری Cupriavidus basilensis HMF14 انجام می شود. این ترکیب جایگزین بالقوه ای برای ترفتالیک اسید حاصل از پتروشیمی می باشد و می توان آن را با دی ال هایی مانند اتیلن گلایکول (به عنوان مثال از بیواتانول) ترکیب کردتا مواد سبز از جمله پلی اتیلن فورانوآن ها (PEF) حاصل شود، این ترکیب از نظر قابل جایگزین بودن به جای پلی اتیلن ترفتالات (PET) مورد بررسی می باشد.

PEF به طور کامل از قند ساخته می شود و تجزیه پذیر زیستی می باشد. این تکنولوژی Y-X-Y (iksy) توسط شرکت Avantium ، یک کمپانی Dutch که با چندین کمپانی بطری سازی مانند Coca Cola یا Danone همکاری دارد راه اندازی شده است. با جایگزینی ترکیب دی ال برای مثال پروپان دی ال، سایر مواد از جمله فیبرها یا فیلم ها را می توان با استفاده از تکنولوژی Y-X-Y تولید کرد.

سایر قندهای سبز ایزو سوربید ، گلوکاریک اسید ، لوولینیک اسید استرها ، ، Aspergillus niger ، Penicillium ، Gluconobacter فلاووآنزیم ، گلوکز اکسیداز ، گلوکز دهیدروژناز ،Acetobacter ، کوئینون ، لاکتوناز ،کلسیم گلوکونات ، Cupriavidus basilensis ، ترفتالیک اسید ، اتیلن گلایکول ، پلی اتیلن ترفتالات ، پلی اتیلن فورانوآن ، PET ایزو سوربید ، سوربیتول ، گلوکاریک اسید ، آمینولوولینیک اسید

سایر قندهای سبز ایزو سوربید ، گلوکاریک اسید ، لوولینیک اسید استرها

ایزو سوربید

ایزوسوربید یک ماده ی بسیار هیگروسکوپیک می باشد که از دومرحله دهیدراسیون از D-سوربیتول به دست می آید. این ماده به عنوان یک ماده ی خشک کننده و دیورتیک کاربرد دارد اما پتانسیل اینکه به عنوان یک جز شیمیایی سازنده برای مثال برای سنتز پلی استرها بکار گرفته شود را نیز دارد. ایزو سوربید پل کربنات (Durabio) خصوصیات مشابهی با پلی کربنات های تولید شده به روش پتروشیمی دارد.

گلوکاریک اسید 

گلوکاریک اسید از طریق اکسیداسیون شیمیایی انتخابی D-گلوکز به دست می آید. در کربوکسیلیک اسید حاوی چهار مرکز کایرال می باشد و به همین دلیل امکان تولید چندین محصول کایرال را فراهم می سازد. در حال حاضر گلوکاریک اسید به عنوان یک لایه بردار آرایشی مورد استفاده قرار می گیرد.

لوولینیک اسید استرها

این ترکیبات از طریق گرمادهی D-گلوکز در اسیدهای رقیق شده در حضور الکل ها تهیه می شود. به عنوان مثال، در حضور متانول ترکیب لوولینیک اسید متیل استر تشکیل می شود و در حضور گلیسرول، ترکیب لوولینیک اسید کتال ها تولید می شوند. چنین محصولاتی پتانسیل جایگزین شدن به جای مواد پتروشیمیایی را به عنوان مثال در موردپلاستیک، حلال ها، ترکیبات پلی یورتان یا مواد شیمیاییی آلی مانند δ-آمینولوولینیک اسید را دارند.

 

 

نویسنده : طاهره صادقیان _ دانشجوی دکتری بیوتکنولوژی دارویی _ علوم پزشکی اصفهان

کانال تلگرامی بیوتکنولوژی

 

بیوسنتز ، فرمنتاسیون، بازیافت، جوانب اقتصادی تولید 1-بوتانول _ بیوتکنولوژی

بیوسنتز ، فرمنتاسیون، بازیافت، جوانب اقتصادی تولید 1-بوتانول

1- بوتانول

کلیات :

1-بوتانول (با تولید جهانی معادل 3 میلیون تن در سال 2011) یک حلال مهم برای نقاشی اتومبیل، یک ترکیب شیمیایی پایه برای تشکیل استر (به عنوان مثال برای تشکیل بوتیل سلولز) و سوخت زیستی می باشد. استون (با تولید جهانی معادل 7/6 میلیون تن در سال 2009)، محصول جانبی فرمنتاسیون 1-بوتانول هم به عنوان حلال استفاده می شود. در جنگ جهانی اول غالبا برای تولید ماده ی منفجره ی cordite (خرج یا باروت) توسط نیروی دریایی انگلیس مورد استفاده قرار می گرفت. هر دو ترکیب در حال حاضر از مواد خام پتروشیمی تهیه می شوند اما قبل از آن تا سال 1950 غالبا از طریق فرمنتاسیون توسط باکتری های Clostridium و نشاسته یا ملاس به عنوان منبع کربن تولید می شدند و اولین پروسه ی صنعتی تولید در سال 1915 توسط شیمیدان روسیه ای/انگلیسی Chaim Weizmann (که بعدا اولین رئیس جمهور اسرائیل شد) راه اندازی شد. به دلیل پیشرفت ژنتیک مولکولی و تکنولوژی پروسه، تولید هر دو حلال از طریق فرمنتاسیون مجددا از نظر اقتصادی مورد توجه واقع شد و در حال حاضر به عنوان تکنولوژی جایگزین تحت بررسی می باشد.

کلیات ویژگی های 1- بوتانول و استون _ بیوتکنولوژی

کلیات ویژگی های 1- بوتانول و استون

ارگانیسم و بیوسنتز 1-بوتانول :

در بین تعداد کمی از باکتری های بی هوازی که قادر به تولید استون و بوتانول هستند جنس Clostridium مهمترین مولد می باشد. طی فرمنتاسیون، در انتهای رشد سلولی یک تغییر مسیر از تشکیل بوتیریک اسید و استیک اسید به سمت تولید بوتانول اتفاق می افتد که همراه با کاهش pH به مقادیر کمتر از 5 می باشد. ترکیب محصول نهایی گونه به گونه متفاوت است. ارگانیسمی که بیشتر مورد مطالعه قرار گرفته است Clostridium acetobutylicum می باشد که بالاترین مقاومت نسبت به حلال های سمی تولید شده حین پروسه را هم نشان می دهد.

این ارگانیسم از g 100 گلوکز، g 38 بوتانول و استون با نسبت 3:1 تولید می کند. یکی از محصولات جانبی این پروسه اتانول می باشد (فرمنتاسیون ABE). بسیاری از کلستریدیوم ها آنزیم های آمیلاز، آمیلوگلوکوزیداز و سایر هیدرولازهای خارج سلولی تولید می کنند به همین دلیل می توانند منابع کربن ارزان قیمت مانند نشاسته را متابولیزه کنند. استفاده از گلوکز و پنتوز های مشتق از بیوماس همچنین استفاده از لاکتوز آب پنیر هم مطالعه شده اند. آنزیم های دخیل در بیوسنتز هر دو حلال به خوبی مطالعه شده اند و ژن های آن ها کلون گردیده است.

پیروات از گلوکز طی گلیکولیز تولید می شود. در حضور پیروات/فردوکسین اکسیدوردوکتاز، پیروات تحت دکربوکسیلاسیون اکسیداتیو قرار گرفته و به استیل کوآ تبدیل می شود که سپس این محصول طی فرایندهای احیایی و غالبا توسط NADH حاصل از گلیکولیز به چندین متابولیت دیگر شامل C2، C3 یا C4 احیا می شود. یک هیدروژناز هم که حضور دارد تعدادی از الکترون ها را به پروتون ها انتقال می دهد و هیدروژن تشکیل می شود. تنظیم این آنزیم ها با هدف تاثیر بر روی بازده و ترکیب حلال ها، همچنین بهینه سازی مسیر از طریق مهندسی متابولیک به طور وسیع مطالعه شده است. ژنوم C. acetobutylicum به طور کامل توالی یابی شده است و برای استفاده از این ارگانیسم در مهندسی ژنتیک جای امید واری وجود دارد چراکه شاتل وکتورهای E. coli و B. subtilis و فاژها و ترانسپوزون های خاص هم در دسترس می باشند. در حال حاضر توانستند با استفاده از مهندسی ژنتیک بازده بوتانول را به w/v 15% افزایش دهند در این پروسه استون به استوئین که عامل طعم کره هست تبدیل می شود.

ارگانیسم و بیوسنتز 1-بوتانول _ بیوتکنولوژی

ارگانیسم و بیوسنتز 1-بوتانول

فرمنتاسیون و بازیافت 1-بوتانول :

بیش از چهل سال است که تولید صنعتی استون و بوتانول توسط C. acetobutylicum در فرمانتورهای با حجم بالای m3 100 انجام می شود. در این پروسه هزینه ی سوبسترا جدود 60% هزینه ی انرژی برای تقطیر محصول 12% می باشد. پارامترهای تعیین کننده برای کاربرد مجدد فرمنتاسیون شامل بازده محصول نسبت به مواد خام مصرفی (کیلوگرم حلال تولید شده از هر کیلوگرم قند مصرفی) و بازده پروسه (گرم حلال تولید شده به ازای هر لیتر در هر ساعت) است. پروسه ی مدرنی طراحی شده است که در آن یک پروسه ی دو مرحله ای برای بازیافت محصول استفاده می شود ابتدا بیوفیلم ها بر روی رزین های با منافذ بزرگ اینتگره می شوند و به این ترتیب بازیافت حلال از طریق تبخیر بهبود می یابد.

فرمنتاسیون و بازیافت 1-بوتانول

فرمنتاسیون و بازیافت 1-بوتانول

جوانب اقتصادی تولید 1-بوتانول :

در حال حاضر، پروسه ی بسته (batch) مبتنی بر نشاسته ی ذرت یا ملاس به عنوان منبع کربن که بیش از 40 سال است در ایالات متحده ی آمریکا و آفریقای جنوبی استفاده می شود قابل رقابت با روش های سنتز مبتنی بر پتروشیمی نمی باشد. فقط چین است که کارخانجات بزرگتری دارد و پروسه ی صنعتی با حجم فرمنتاسیون بالغ بر m3 200 و تولید 30000 تن بوتانول مشغول به کار است. منبع کربن نشاسته ی ذرت و سویه ی مورد استفاده C. acetobutylicum EA2018 (سویه ای که از طریق مهندسی متابولیک بهینه سازی شده است به عنوان مثال در این سویه ژن adc کد کننده برای استواستیل دکربوکسیلاز حذف شده است) می باشد. بازده تولید g L-1 14 است و ترکیب محصول نهایی غالبا بوتانل می باشد (نسبت 2:7:1 به ترتیب استون:بوتانول:اتانول). پروسه های صنعتی در مقیاس کوچکتر با استفاده از کشت دائم C. acetobutylicum و گلوکز حاصل از بیوماس هیدرولیز شده در ایالات متحده ی آمریکا انجام می شود. بازده های بالایی با استفاده از E. coli تغییر یافته از طریق مهندسی متابولیک هم گزارش شده است.

 

نویسنده : طاهره صادقیان _ دانشجوی دکتری بیوتکنولوژی دارویی _ علوم پزشکی اصفهان

کانال تلگرامی بیوتکنولوژی