Ugrás a tartalomhoz

Environmental management

Prof. Tamás János, Prof. Blaskó Lajos (2008)

Debreceni Egyetem a TÁMOP 4.1.2 pályázat keretein belül

13.4. Mikrobiológiai alapok

13.4. Mikrobiológiai alapok

Az alkoholos erjesztési technológiákban legrégebben alkalmazott mikroba az élesztőgomba, vagy sörélesztő (Saccharomyces cerevisiae) a sarjadzó- vagy élesztőgombák egy fajtája. A korai idők óta ez a legfontosabb élesztőfaj – a kenyérsütésnél és sörfőzésnél évszázadok óta használják. Elsőként a szőlő héján izolálták (a sötét színű gyümölcsök – mint a szilva – bőrén megfigyelhető fehér rétegként, ahol a növény kutikulájának viaszanyagaiban él). Ez a legtöbbet tanulmányozott eukarióta modellszervezet a molekuláris- és a sejtbiológiában. A Saccharomyces cerevisiae sejtjei oválisak, 5–10 mikrométer átmérőjűek. Sarjadzással szaporodó szervezetek. http://hu.wikipedia.org/wiki/%C3%89leszt%C5%91gomba

Fontos tulajdonságuk, hogy növekedésük szigorúan anaerob körülmények között leáll. Oxigénmentes körülmények között ugyanis nem képesek a sejtmembrán nélkülözhetetlen építőelemeként ismert szterinek (ergoszterin) és bizonyos esszenciális telítetlen zsírsavak szintézisére. Az ipari gyakorlatban ezért csekély levegőt mindig juttatnak a tenyésztő reaktorba. Az élesztők különleges szabályozási mechanizmusa miatt az alkoholos erjedés hatásfokát a jelenlevő oxigén nem rontja. Az élesztők nagyobb cukorkoncentráció esetén oxigén jelenlétében is főleg alkoholosan erjesztenek. A felszaporodó alkoholt azután szén és energiaforrásként hasznosítják.

Az elméleti konverziós értéket (1 g glükóz --> 0,51 g etanol) élesztő alkalmazásával legfeljebb csak 95%-ra lehet megközelíteni. Melléktermékként glicerin és szerves savak jelennek meg (11. táblázat).

13.11. táblázat: Saccharomycas cerevisiae tenyészetben 100 mmol glükózból képződő fermentációs termékek. Forrás: Szentirmai A. 2002. http://delfin.klte.hu/~szentirm/biotechnol.doc)

Az újabb bioetanol technológiákban az élesztőnél jobb hatásfokkal termelő mikróbák alkalmazására törekednek. Számos baktérium is képes etanol fermentálására. Többségük az etanol mellett más fermentációs terméket is előállít. Ezek lehetnek más alkoholok (butanol, izopropitalkohol, 2,3-butándiol), szerves savak (ecetsav, hangyasav, tejsav) és különböző gázok (metán, szén-dioxid, hidrogén). Az alkohol fermentációra képes fontosabb baktériumok alkohol termelő képességét a 12. táblázat mutatja. http://www.andrew.cmu.edu/user/jitkangl/Fermentation%20of%20Ethanol/Fermentation%20of%20Ethanol.htm

13.12. táblázat: Fő fermentációs termékként etanolt termelő baktérium fajok

A hatásosabb fermentálók között ígéretesnek mutatkozik a Zymomonas mobilis baktérium faj, amelynek figyelemre méltó a bioetanol termelő képessége, ami felülmúlja az élesztőt több szempontból is. Az ipari alkoholgyártáshoz előnyösen használható anaerob baktérium az élesztőnél lényegesen nagyobb szénhidrát koncentrációt és etanol tartalmat képes elviselni. Magasabb hőmérsékleten erjeszt. 36 °C-on az elméletileg lehetséges alkohol hozam 97%-át teljesíti. http://delfin.klte.hu/~szentirm/biotechnol.doc)

A Zymomonas mobilis baktérium fajt eredetileg alkoholtartalmú italok szennyező mikrobájaként izolálták. Ezzel is összefügghet, hogy az élesztőnél nagyobb alkoholkoncentrációt képes elviselni.

Az Z. mobilis főbb előnyei az alábbiakban foglalhatók össze:

  • nagyobb cukor átalakító képesség és etanol hozam,

  • kisebb saját testfelépítésre fordított biomassza-termelés,

  • jobb etanol tolerancia, koncentráltabb fermentációs termék előállítása

  • nem igényel kontrollált oxigén hozzáadását az erjesztés során,

  • a genetikai manipulációkat jól tűri.

Azonban van egy komoly hátránya élesztőhöz képest, a hasznosítható szubsztrát (erjesztendő anyag) tartomány korlátozott. Ez a baktérium csak glükóz, fruktóz és a szacharóz fermentálásával képes alkoholt előállítani. http://en.wikipedia.org/wiki/Zymomonas_mobilis

A Zymomonas mobilis különleges körülmények közötti felhasználási lehetőségét egyre több kísérlet támasztja alá. Ennek néhány példája:

A Zymomonas mobilis aflatoxinnal fertőzött kukorica alkohollá erjesztésében hatékonyabbnak mutatkozott, mint a Saccharomyces uvarum élesztőfaj (Nofsinger G. W. and. Bothast R. J., 1980.) http://ddr.nal.usda.gov/bitstream/10113/26362/1/IND81039745.pdf

A Zymomonas mobilis génmódosított változata alkalmazhatónak bizonyult lignocellulóz alapú alkoholgyártásban is. (Engineering zymomonas mobilis for the efficient production of biofuels from lignocellulosic biomass http://www.energybiosciencesinstitute.org/index.php)

Sikeresen alkalmazták a baktériumfaj egy mutánsát erősen savanyú körülmények közötti erjesztésre is (Tao, J. Y. et al.)

http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURLand_udi=B6THB-4BT7FKT-4and_user=2073021and_coverDate=01%2F31%2F2005and_rdoc=1and_fmt=highand_orig=gatewayand_origin=gatewayand_sort=dand_docanchor=andview=cand_searc

Eredményes kísérletek folytak a Zymomones mobilis baktérium és a Saccharomyces cerevisiae élesztőgomba együttes alkalmazásával is. A baktérium és élesztő kombinált alkalmazásával az elméletileg kinyerhető alkohol 98%-át is elő tudták állítani. http://www.andrew.cmu.edu/user/jitkangl/Fermentation%20of%20Ethanol/Fermentation%20of%20Ethanol.htm