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

 

فرمنتاسیون و بازیافت استیک اسید - بیوتکنولوژی

بیوسنتز استیک اسید (سرکه) بوسیله گلوکونوباکتر ، استوباکتر

استیک اسید/ سرکه :

سرکه در فرهنگ های متعددی برای اسیدی کردن و نگهداری سبزیجات، سالادها، برنج و سایر محصولات غذایی استفاده می شود. استفاده از سرکه در این غذاها و نوشیدنی ها به دوران باستان بر می گردد. سرکه قبلا و درحال حاضر از عصاره ی میوه های تخمیر شده مانند شراب تهیه شده و می شود. در قرن نوزدهم، یک پروسه ی تثبیت در فرانسه توسعه داده شد که در این پروسه شراب رقیق شده به صورت قطره قطره روی صفحات چوبی آغشته به باکتری های استیک اسید چکیده می شد. لوئیس پاستور در سال 1868 موفق به تعیین شرایط انتخابی رشد باکتری های استیک اسید شد و اساس تولید تکنولوژیکی مدرن سرکه را پایه گذاری کرد.

مشخصات و ویژگی های استیک اسید - بیوتکنولوژی

مشخصات و ویژگی های استیک اسید

امروزه، سرکه را از طریق فرمنتاسیون اتانول توسط Acetobacter تولید می کنند. اگر شراب به عنوان ماده ی اولیه استفاده شود محصول سرکه ی شراب یک محلول 6% استیک اسید در آب با 8/4=pH می باشد و اگر از اتانول اصلاح شده استفاده شود، غلظت سرکه 5% می باشد. تولید سالانه ی سرکه در ایالات متحده ی آمریکا حدود 750 میلیون لیتر یا 750000 تن می باشد. استیک اسید گلاسیال (با خلوص 99.7 %) یک ماده ی شیمیایی مهم است که از طریق اکسیداسیون کاتالیتیکی اتیلن تولید می شود و pKa آن 6/5 است. در ایالات متحده، کلسیم منیزیم استات با نام تجاری Cryotech CMA (نقطه ذوب °C 7/7-) برای باندهای فرودگاه استفاده می شود به دلیل اینکه در مقایسه با سدیم کلراید خورندگی کمتری دارد. CMA ی تولید شده از نشاسته ی ذرت به عنوان ضدیخ سبز (green antifreeze) مطرح می باشد (Nicer De-Icer).

ارگانیسم های بیوسنتز کننده ی استیک اسید :

تنها تعداد کمی از گونه های گلوکونوباکتر و استوباکتر می توانند از طریق اکسیداسیون نیمه نهایی، استیک اسید را به اتانول اکسید کنند. طبقه بندی تاکسونومیک این گونه ها به دلیل تغییر سریع فنوتیپ حین رشد، کامل شده است و معمولا از طریق 16S RNA تایپینگ انجام می شود، اخیرا از آنالیز پروفایل پلاسمید ها نیز برای طبقه بندی استفاده می شود. اکسیداسیون اتانول از طریق یک سلسله واکنش متوالی الکل دهیدروژناز و آلدئید دهیدروژناز صورت می گیرد که هر دو آنزیم از آنزیم های متصل به غشا هستند و دارای پیرولوکوئینولین کوئینون به عنوان گروه های پروستتیک می باشند. آلدئید دهیدروژناز یک رزیدوی هم نیز دارد. این آنزیم ها الکترون های حاصل از اکسیداسیون اتانول را از طریق یوبیکوئینون به یک اکسیداز متصل به غشا انتقال می دهند. این باکتری ها حین رشد از طریق گلیکولیز، مسیر KDPG و همینطور از طریق سیکل سیتریک اسید، گلوکز را به پیروات متابولیزه می کنند. هر دو سویه شدیدا حساس به فقدان اکسیژن هستند. یک وقفه ی چند دقیقه ای در تامین اکسیژن منجر به کاهش شدید اکسیداسیون اتانول می شود. اگر اتانول تمام می شود، استیک اسید در حضور اکسیژن به دی اکسید کربن اکسید می شود.

ارگانیسم های بیوسنتز کننده ی استیک اسید - بیوتکنولوژی

ارگانیسم های بیوسنتز کننده ی استیک اسید

فرمنتاسیون و بازیافت استیک اسید :

برای تولید تکنیکی استیک اسید Acetobacter.sp به کار گرفته می شود. این میکروارگانیسم در مخلوطی از شراب رقیق شده یا اتانول اصلاح شده و سایر مواد مغذی کشت داده می شود و بیش از 60gL-1 استیک اسید تحت شرایط هوادهی قوی تولید می شود البته هوادهی به گونه ای باید باشد که مانع از اکسیداسیون بیشتر استیک اسید شود. این پروسه به صورت فرمنتاسیون نیمه خوراک دهی مکرر انجام می شود زمانیکه غلظت اتانول به حدود 2/0% کاهش یافت (از طریق سنسور اتانول غلظت آن اندازه گیری می شود) مقدار معینی از مایع فرمانتور خارج می شود و با ماده اولیه ی تازه جایگزین می گردد. از آن جایی که هوادهی بسیار هموژن ضروری است، استیررهای بسیار کارا استفاده می شوند. تولید اسید به سرعت آغاز می شود که همراه با تولید حرارت می باشد و توسط تهویه کننده، حرارت مازاد خارج می شود.

فرمنتاسیون و بازیافت استیک اسید - بیوتکنولوژی

فرمنتاسیون و بازیافت استیک اسید

متوسط تولید در یک راکتور  100m3 با استفاده از این پروسه حدود 6.1gL-1h-1  می باشد. با استفاده از محیط های استارتر خاص و ردیابی و کنترل مناسب پروسه محلول 17.5% سرکه طی  70-50 به دست می آید. محلول غلیظ تر (تا 21%) که در صنایع کنسروسازی استفاده می شود از طریق ادامه دار کردن پروسه تا 45-55 ساعت به دست می آید. زمانیکه غلظت استیک اسید به 20% رسید باکتری های استیک اسید می میرند و فرمنتاسیون به پایان می رسد. سرکه ی خام فیلتر می شود و با استفاده از پروسه ی غشایی خالص سازی می شود، پاستوریزه می گردد و به محلول 6-5% سرکه رقیق سازی و روانه ی بازار می شود. در میان طرح های رایج تولید سرکه مدل Frings Acetator رایج تر است.

سایر پروسه ها، مانند فرمنتاسیون پیوسته با بازیافت سلول یا استفاده از باکتری های استیک اسید تثبیت شده در یک بیوراکتور هوابالابر، گاها تولید بیشتری نشان می دهند ( بیشتر از 100gL-1h-1) اما هنوز جایگاه وسیعی در سطح بازار پیدا نکرده اند. تولید سنتی سرکه ها از طریق فرمنتاسیون آهسته ی انواعی از میوه ها از جمله انگور، شراب ها، آب نارگیل و … طی هفته ها یا ماه ها انجام می شود. یک رایحه ی دلپذیر طی به عمل آمدن سرکه به وجود می آید که ممکن است سال ها طول بکشد مانند سرکه های بالزامیک ایتالیا. معمولا، استوباکتر به صورت یک لایه در سرکه باقی می ماند.

سایر پروسه های تولید استیک اسید - بیوتکنولوژی

سایر پروسه های تولید استیک اسید

 

 

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

کانال تلگرامی بیوتکنولوژی