نوشته‌ها

بیوسنتز 3-هیدروکسی-پروپیونیک اسید (3-HP) در باکتری اکلای بوسیله ی مسیر سنتز بتا آلانین ، بیوتکنولوژی ، زیست فناوری

لاکتیک اسید، 3-هیدروکسی پروپیونیک اسید (3-HP)

ساختار و ویژگی های لاکتیک اسید، 3-هیدروکسی پروپیونیک اسید (3-HP)

در سال 2013، در حدود 300،000 تن لاکتیک اسید، عمدتا” توسط تخمیر، تولید شد. به علت طعم اسیدی خوشایند و ویژگی نگهدارندگی این ماده شیمیایی، بیشترین کاربرد آن در غذا و نوشیدنی ها می باشد. محصول با خالص کمتر آن در صنعت نساجی و چرم استفاده می شود. کاربرد در حال رشد D-لاکتیک اسید و B-لاکتیک اسید به عنوان ماده شیمیایی واحد ساختمانی در سنتز پلی استر های زیست تجزیه پذیر است. 3-هیدروکسی پروپیونیک اسید (3-HP) یک هیدروکسی اسید غیر طبیعی است که می تواند به طور متابولیکی از ای کلای مهندسی شده تهیه شود و همانند لاکتیک اسید، نه تنها یک واحد ساختمانی برای پلیمرها هست، بلکه یک سطح شیمیایی برای سنتز مواد شیمیایی دیگری همچون اکریلیک اسید (از دهیدراته شدن 3-HP بدست می آید) نیز می باشد. پلیمرهای با پایه اکریلیک اسید در پوشاک، نساجی، چسب ها، تصفیه آب و … استفاده می شود.

ساختار و ویژگی های لاکتیک اسید، 3-هیدروکسی-پروپیونیک اسید (3-HP) ، بیوتکنولوژی ، زیست فناوری

ساختار و ویژگی های لاکتیک اسید، 3-هیدروکسی-پروپیونیک اسید (3-HP)

بیوسنتز L-لاکتیک اسید توسط ارگانیسم ها :

از لحاظ فنی L-لاکتیک اسید توسط لاکتوباسیل های گوناگون تولید می شود. انتخاب میکروارگانیسم ها بسته به نوع منبع کربنی است که استفاده می کنند. به منظور ترنسفورماسیون کامل یک سوبسترا، لاکتوباسیل های تخمیر کننده باید استفاده گردد به علت اینکه آنها در طی گلیکولیز، به ازای هر مولکول D-گلوکز دو مولکول L-گلوکز تولید می کنند. D-لاکتیک اسید توسط اسپورولاکتوباسیلوس لاوولاکتیکوس ( Sporolactobacillus laevolacticus ) تولید می شود. همچنین به صورت متابولیکی می توان قارچ و مخمر نان را مهندسی کرده تا لاکتیک اسید بیشتری تولید کنند، اما به لحاظ عملکرد در زمان، قابل مقایسه با فرآیندهای بر اساس لاکتوباسیل نخواهند بود.

بیوسنتز L-لاکتیک اسید لاکتوباسیلوس دلبروکی (Lactobacillus delbrueckii) ، بیوتکنولوژی ، زیست فناوری

بیوسنتز L-لاکتیک اسید لاکتوباسیلوس دلبروکی (Lactobacillus delbrueckii)

تخمیر و بازیافت لاکتیک اسید :

لاکتیک اسید را می توان از دو طریق سنتز شیمیایی و یا تخمیر تولید کرد. سنتز شیمیایی با افزودن H2O به اکریلیک اسید و یا افزودن HCN به استالدهید به سمت تولید راسمیک اسید هدایت می شود. در تخمیر، انتخاب میکروارگانیسم بسته به نوع منبع کربن تعیین می شود. لاکتوباسیلوس دلبروکی (Lactobacillus delbrueckii) یا لاکتوباسیلوس لیشمانی ( L. leichmannii، دکستروز یا دیگر محلول های شکر را ترجیح می دهند، درحالیکه لاکتوباسیلوس بولگاریکوس ( L. bulgaricus ) تنها از آب پنیر به عنوان منبع کربن استفاده می کند. محیط تخمیر حاوی 12-18% شکر، یک منبع نیتروژن، فسفات و ویتامین B است.

به علت از دست رفتن فعالیت لاکتوباسیل ها در pH کمتر از 5/4، فرآیند تخمیر در pH با بازه ی بین 5/5 تا 6 و دمای 45-50 درجه سانتی گراد، تحت شرایط فقر O2 و در حضور CaCO3 (جهت حفظ پایداری pH) به عنوان بافر تنظیم می گردد. فرآیند پس از 2 تا 6 روز بسته به غلظت سوبسترا، کامل می شود. پس از حذف توده ی سلول، کلسیم-لاکتات با افزودن H2SO4 تبدیل به اسید آزاد می شود که در ادامه توسط کروماتوگرافی تعویض یونی خالص می گردد. از سوی دیگر استری شدن با متانول، تولید لاکتیک اسید متیل استر می کند که به کمک تقطیر خالص می شود. استفاده از غشاهای مایع و استفاده مستقیم از تبادل کننده یون در محیط تخمیر، بدون ته نشینی نمک کلسیم در حال پیشرفت است. برای کاربردهای پلی استری نیز، یک لاکتید در طی تغلیظ و تخلیص از طریق تقطیر در خلاء شکل می گیرد.

بیوسنتز 3-هیدروکسی-پروپیونیک اسید (3-HP) در باکتری اکلای بوسیله ی مسیر سنتز بتا آلانین ، بیوتکنولوژی ، زیست فناوری

بیوسنتز 3-هیدروکسی-پروپیونیک اسید (3-HP) در باکتری اکلای بوسیله ی مسیر سنتز بتا آلانین

3-هیدروکسی-پروپیونیک اسید (3-HP) :

به منظور تولید این ترکیب غیر طبیعی از گلوکز یا  به عنوان ماده خام در یک میکروارگانیسم مسیر های متابولیکی مصنوعی بسیاری ساخته و مورد بررسی قرار می گیرد. یکی از مسیرهای ارجح، استفاده از میزبان ای کلای و شروع با گلوکز آزاد است، که از طریق پیرووات و L-آلانین به تولید β-آلانین منجر می شود که خود می تواند در دو مرحله آنزیمی از مالونیل سمی آلدهید به 3-HP تبدیل گردد. این مسیر تا حدی مورد توجه است اما آنزیمی که ایزومر L- را به β-آلانین (آلانین-3،2-آمینوموتاز) تبدیل می کند تا به حال در طبیعت یافت نشده بود.

در نتیجه، فعالیت آنزیم آلانین-3،2-آمینوموتاز بر اساس پروتئین مربوطه آن توسط ترکیبی از طراحی پروتئین و تغییر آنزیم مهندسی شده است، و یافت شد که L-آلانین پس از بیان در ای کلای آن را فعال می کند. در مسیر دیگر گلیسرول به عنوان منبع C ، به 3-هیدروکسی-پروپیونالدهید هیدراته می شود، (با استفاده از ژن گلیسرول دهیدراتاز از باکتری کلبسیلا پنومونی ( Klebsiella pneumonia ))، سپس تحت اثر آلفا کتوگلوتریک سمی آلدهید دهیدروژناز (از باکتری آزوسپیریلوم برازیلنس ( Azospirillum brasiliense )) به 3-HP تبدیل می شود، در این فرآیند افزودن ویتامین B12 به محیط لازم است، به علت تشکیل ویتامین B12 در سیتوپلاسم باکتری کلبسیلا پنومونی، تلاش بر این است که تمامی مسیر در این باکتری به عنوان میزبان انجام پذیرد. با این حال میزان محصولات هنوز رضایت بخش نبوده و در حدود g/l 40 است. پیشرفت های گفته شده، نمونه هایی جدید از بیولوژی سنتتیک هستند که دیگر بر اساس مسیرهای طبیعی و آنزیمی نیستند اما تلاش ها برای طراحی هر دو مسیر و آنزیم های مورد نیاز ادامه خواهد داشت.

تخمیر و ریکاوری لاکتیک اسید، 3-هیدروکسی پروپیونیک اسید (3-HP) ، بیوتکنولوژی ، زیست فناوری

تخمیر و ریکاوری لاکتیک اسید، 3-هیدروکسی پروپیونیک اسید (3-HP)

 

نویسنده : مرضیه بصیرنژاد _ کارشناس ارشد رشته علوم سلولی و مولکولی

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

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