Lebensmittelbiotechnologie
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Herstellung und Anwendung von Essigsäure Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Weltjahresproduktion: davon Speiseessig: Speiseessig: ca. 2,5.106 t ca. 70.000 t 5 –15 % Essigsäure Spezifische Eigenschaften: - saurer Geschmack - charakteristischer Geruch - gutes Lösungsmittel für pflanzliche Naturstoffe Biologische Herstellung durch Oxidation von Ethanol: C2H5OH + O2 CH3COOH + H2O Lebensmittelbiotechnologie Essigsäure Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Produktionsmikroorganismen: Acetobacter aceti Acetobacter peroxidans Max. Säurekonzentration: 120 g.l-1 Max. Produktivität: 0,16 g.l-1.h-1 Lebensmittelbiotechnologie Essigsäure Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Orleans-Verfahren - offenes Fermentationsverfahren - in Holzbottichen oder Holzfässern - Bildung einer Kahmhaut aus Essigsäurebakterien (Essigmutter) - Umwandlung des Alkohols in Essigsäure dauert mehrere Monate - Gefahr von Fehlgärung/Alkoholverdunstung Essigmutter Eine Essigmutter ist eine Ansammlung von einzelnen Essigbakterien, welche durch z.B. Zelluloseproduktion ein zusammenhängendes gelee-artiges Gebilde entstehen lassen. Dieses bildet sich gewollt bei der offenen Gärung an der Oberfläche des Weines. Lebensmittelbiotechnologie Essigsäure Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Essig-Generator Holzreaktoren bis 60 m³ 2/3 Füllung mit Holzspänen (Buche) (Umwälzverfahren) Umsatz: 88 – 90% Temperatur: 29 – 35°C Fermentationsdauer: ca. 3 Tage Säurekonzentration: max. 12% Lebensmittelbiotechnologie Essigsäure Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Submersfermentation • Stahlreaktoren bis 50 m³ • Selbstansaugende Rotoren für die Belüftung • Umsatz: max. 98% • Temperatur: bis 40°C • Säurekonzentration: max. 15% • kontinuierliche bzw. semikontinuierliche Fahrweise Lebensmittelbiotechnologie Zitronensäure Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik 2-Hydroxypropan-1,2,3-tricarbonsäure Mikroorganismen Bedeutung Getränkeindustrie (60 %): Pharma-Industrie (10 %): Lebensmittelbiotechnologie CH2 - COOH HOOC - C - OH CH2 - COOH Aspergillus niger Candida lypolytica Hansenula E 330 Fruchtsäfte, Eiscreme, Marmelade Eisencitrat (Eisenspender) Konservierung von Blutkonserven Chemische Industrie (25 %): Detergentien Zitronensäure Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie Ursprüngliche Herstellung: - Fällung aus Zitronensaft - Rücklösung mit Schwefelsäure Reinigung der Citronensäure: Zugabe von Ca(OH)2 => Calziumcitrat Calziumcitrat + Schwefelsäure => Citronensäure und CaSO4 Technische Herstellungsverfahren Emersverfahren feste Nährböden flüssige Nährböden Submersverfahren gerührte Reaktoren Airliftreaktoren Zitronensäure - Metabolismus Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie Zitronensäure ist ein Intermediat des Tricarbonsäure-Zyklus Kohlenhydrat Überproduktion durch Blockade eines Zyklusenzymes (Aconitathydratase) Glucose Pyruvat Pyruvat CO2 Acetyl-CoA Oxalacetat Citrat Zitronensäure - Emersverfahren Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie ca. 20 % der Weltproduktion Mikroorganismus Aspergillus niger Ausgangsmaterial Pulpe aus der Kartoffelstärkeproduktion Zuckerrohr- oder Zuckerrübenmelasse Fermentation (flüssige Medien) Ausbeute Temperatur: Mycelbildung: Dauer: ca. 30 - 40°C 30 - 60 h 8 - 14 Tage 1,2 - 1,5 kg Zitronensäuremonohydrat/m² 60 - 80 % der theoretischen Ausbeute Konzentration im Medium: ca. 10 % Zitronensäure - Submersverfahren Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie Reaktorfermentation mit flüssigen Medien (über 80 % der Weltproduktion) Mikroorganismen Aspergillus niger Candida lipolyica Ausgangsmaterial Zuckerrohr- oder Zuckerrübenmelasse Zuckerlösungen n-Paraffine Fermentation Ausbeute Reaktoren: Rührkessel, Airliftreaktoren (bis 220 m³) Temperatur: ca. 30 - 40°C sinkt auf 1 - 2 pH-Wert: Sauerstoff: ca. 2 mg.l-1 (0,2 – 1,0 vvm) ca. 8 Tage Dauer: ca. 80 % der theoretischen Ausbeute Zitronensäure – Vergleich Emers-/ Submersverfahren Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie Emersverfahren Submersverfahren Investitionskosten für Reaktoren mittel hoch Grundflächenbedarf hoch gering Energieverbrauch gering hoch Personalaufwand hoch gering Automatisierung kompliziert einfach Aminosäuren Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Anwendungsbeispiele: Glutaminsäure: Geschmacksverbesserung Lysin, Methionin: Futtermittelzusatz Asparaginsäure, Alanin: Geschmacksabrundung in Fruchtsäften Glycin: Geschmacksabrundung mit Süßstoffen Cystein: Verbesserung der Brotqualität Antioxidans in Fruchtsaft Tryptophan: Antioxidans in Milchpulver Lebensmittelbiotechnologie Aminosäuren - Metabolismus Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie Glutaminsäure Fachhochschule Flensburg Chemische Formel Bedeutung Metabolismus Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie HOOC-(CH2)2-CH-COOH | NH2 Geschmacksverstärker (E 620 – E 625) Therapeutikum gegen Geschwüre α-Ketoglutarat ist ein Intermediat des Tricarbonsäure-Zyklus, aus dem bei NH4+Anwesenheit Glutaminsäure entsteht. Glutaminsäure - Mikroorganismen Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Corynebacterium glutamicum · · · · · Gram-positiv fakultativ anaerob nicht-sporenbildend stäbchen- bis keulenförmig unbegeißelt Seit 1957 als AminosäureProduzent bekannt - L-Glutaminsäure - L-Lysin Lebensmittelbiotechnologie Glutaminsäure - Metabolismus Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie Anaplerotische Sequenzen: Auffüllung des Tricarbonsäurezyklus CO2-Fixierung Erhöhung der Permeabilität der Zellwände für Glutaminsäure durch: Biotin-Mangel Ölsäure-Mangel bei ÖlsäureAuxotrophen gesättigte Fettsäuren Penicillin Glycerin-Mangel bei GlycerinAuxotrophen Glutaminsäure - Herstellung Fachhochschule Flensburg Mikroorganismen C-Quellen N-Quellen Fermentation Ausbeute Institut für Verfahrenstechnik Corynebacterium glutamicum Brevibacterium flavum Glucose, Essigsäure Stärkehydrolysat Zuckerrohr- oder Zuckerrübenmelasse Ammoniumsalze, Ammoniak Brevibacterium auf Glucose Temperatur: ca. 30-35°C pH-Wert: ca. 7,5- 8,0 Biotin: rund 3,0 µg.l-1 Dauer: 30 - 35 h Feed: Glucose, Ammoniak > 100 g.l-1 Glutaminsäure Lebensmittelbiotechnologie Zusammenfassung Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie Vergleich traditioneller und moderner Fermentationsverfahren Mikroorganismen Traditionell Modern natürliche Flora Reinstkulturen Starterkulturen Medien Schutz vor Fremdinfektionen Raum-ZeitAusbeute Aufarbeitung Investitionskosten nicht steril steril durch Wachstum der Prozeßmikroorganismen aseptischer Abschluß zur Umgebung gering hoch unkompliziert aufwendig mittel hoch
