Produkcja kwasu cytrynowego

Porównanie metod chemicznych
i biochemicznych otrzymywania
związków organicznych
Paweł Tumiłowicz
Cechy
METODY CHEMICZNE

Dwa etapy procesu –
pierwszy: synteza
chemiczna (bądź
ekstrakcja i/lub
modyfikacja), drugi:
oczyszczanie produktu.
METODY
BIOTECHNOLOGICZNE
Zazwyczaj łagodne
warunki reakcji.
 Małe zanieczyszczenie
środowiska.
 Dwa etapy procesu –
pierwszy: wytwarzanie
związku przy pomocy
mikroorganizmów; drugi:
oczyszczanie.

Przykłady związków produkowanych
obydwoma metodami






Alkohole (etanol, butanol, glicerol).
Kwasy organiczne (octowy, cytrynowy, mlekowy,
glukonowy).
Witaminy.
Hormony steroidowe.
Ketony (aceton).
Aminokwasy.
Produkcja kwasu cytrynowego
Porównanie koncepcji
Jak go otrzymać?
Izolacja z owoców.
 Metoda
mikrobiologiczna
(biotechnologiczna).
 Synteza chemiczna.

Izolacja z owoców
Metoda istotna do lat
30 XX wieku.
 Do otrzymania 1 kg
kwasu zużywano 30 –
40 kg cytryn.
 Zawartość kwasu w
cytrynie to około 8%.
 Jaka jest wydajność
procesu?

Izolacja z owoców – metoda
laboratoryjna
Roczna produkcja
Początki wieku XX – 10 tys. ton (wszystko poprzez
izolację z cytryn).
 Rok 1933 – 10 400 ton (z czego zaledwie 1800 ton z
cytryn).
 Obecna produkcja (2004) – 1,4 mln. ton (znikoma część
to produkcja z cytryn).

Produkcja biotechnologiczna
Wynik zakłóceń w
metabolizmie
mikroorganizmów.
 Najczęściej używane są
selekcjonowane szczepy
Aspergillus niger.
 Istotny skład medium
hodowlanego.

Metody hodowli
Hodowla w podłożach stałych (marginalna).
 Hodowla powierzchniowa (klasyczna).
 Hodowla wgłębna.

Wydzielanie i oczyszczanie kwasu
cytrynowego
Pełna synteza chemiczna kwasu
cytrynowego
Wiele patentów.
 Różne substraty: izotetralina, kwas szczawiooctowy,
kwas maleinowy, kwas fumarowy, aceton i dwutlenek
węgla…

Kwas cytrynowy z izotetraliny
Hormony steroidowe
Zastosowanie biotransformacji
Hormony steroidowe
Związki o budowie opartej na czteropierścieniowym
układzie steranu.
 Androgeny (np. testosteron), estrogeny (np. estradiol),
gestageny (np. progesteron), kortykosteroidy (np.
kortyzon).
 Metody otrzymywania: syntetyczne oraz półsyntetyczne
(w których ważną rolę odgrywają biotransformacje).

Wykorzystanie biotransformacji w produkcji
hormonów steroidowych.
Wprowadzenie grupy hydroksylowej w pozycję C-11
steranu (Rhizopus).
 Wprowadzenie grupy hydroksylowej w pozycję C-16
(Streptomyces).
 Uwodornienie pierścienia w pozycji C-1
(Corynebacterium simplex).
 Redukcja grupy ketonowej przy C-17 lub C-20
(Saccharomyces).

Otrzymywanie kortyzonu

Zastosowanie przemian biochemicznych znacznie
upraszcza produkcję. Dla przykładu otrzymanie
kortyzonu wymaga użycia w metodzie chemicznej kwasu
dezoksycholowego i 26 przemian. Wykorzystanie
biotransformacji umożliwia zastosowanie tańszych
surowców (diosgeniny lub stigmasterolu) i ograniczenie
liczby przemian do 12.
Produkcja kwasu mlekowego
Parę słów o enancjomerach
Kwas mlekowy
Nazwa systematyczna: kwas 2-hydroksypropionowy;
• posiada jeden węgiel asymetryczny;
• enancjomer L tworzy się w mięśniach szkieletowych
podczas pracy fizycznej – przekształcany jest
następnie w kwas cytrynowy, a potem spalany do
CO2 i wody w cyklu kwasu cytrynowego;
• substancją konserwującą dostępną w handlu jest
racemat L-kwasu i D-kwasu mlekowego;
•mikrobiologicznie kwas mlekowy otrzymuje się
poprzez fermentację mlekową bakterii Lactobacillus.
Właściwości fizyczne:
• klarowna lepka ciecz ciemnożółta lub przezroczysta;
•ciężar właściwy: 1,16 g/cm3;
•rozpuszcza się w wodzie w każdych proporcjach;
Zastosowanie
Przemysł spożywczy i rolnictwo:
 Produkcja kiszonek
 Mleczarstwo
 Piekarnictwo
 Przetwórstwo mięsne
 Środek konserwujący
 Lecznictwo weterynaryjne
Przemysł farmaceutyczny i chemiczny:
 Farmaceutyki zawierające mleczan wapnia i żelaza
 Regulator pH
 Środki dezynfekujące
 Składnik kosmetyków
Techniczny:
 Biodegradowalne tworzywa sztuczne – polilaktyd
 Garbarstwo i przemysł tekstylny
 Produkcja dysków komputerowych – polilaktyd z kukurydzy (Sanyo Mavic Media)
 Lakierowanie samochodów – ustalanie konsystencji farb i pigmentów (znów polilaktyd!)
Historia
1780 r. – odkrycie kwasu mlekowego w skwaśniałym mleku przez szwedzkiego
chemika C. W. Scheele
1856 r. – odkrycie przez L. Pasteura bakterii Lactobacillus produkujących kwas
mlekowy
1881 r. – pierwszy patent dotyczący produkcji kwasu mlekowego w wyniku
fermentacji przez A. Avery’ego (Stany Zjednoczone)
1895 r. – pierwsza przemysłowa produkcja kwasu mlekowego przez niemiecką
firmę farmaceutyczną Boehringer Ingelheim
1933 r. – pierwsze patenty dotyczące chemicznej produkcji kwasu mlekowego
Lata 50 – pierwsza komercyjna produkcja syntetycznego kwasu mlekowego w
Japonii

Światowa produkcja kwasu mlekowego wynosi ponad 30 tys. ton/rok z
czego 30% produkowane jest syntetycznie.
Syntetyczny kwas mlekowy
Kwas mlekowy otrzymuje się syntetycznie przez chlorowanie
kwasu propanowego a następnie podstawienie atomu chloru
grupą hydroksylową. Produktem jest racemat.
Fermentacja mlekowa
Fermentację mlekową przeprowadza się w warunkach
beztlenowych w temperaturze 45-50˚C .
Mikroorganizmy:
 Lactobacillus (np. L. delbrueckii ssp. bulgaricus)
 Lactococcus
 Streptobacterium
Pożywka:
 źródło węgla 10 – 13%: pożywki syntetyczne z sacharozą;
 źródło azotu: mieszanina aminokwasów, sole amonowe;
 biostymulatory: kiełki słodowe, zarodki żytnie lub pszenne,
autolizaty drożdżowe;
 makro- i mikroelementy.
Oczyszczanie kwasu mlekowego
Odbarwianie (sorpcja) na węglu aktywnym i krystalizacja
mleczanu wapnia lub cynku, następnie uwalnianie
kwasu za pomocą H2SO4.
 Ekstrakcja eterem.
 Przeciwprądowa estryfikacja metodą ciągłą.
 Destylacja (w próżni lub pod ciśnieniem atmosferycznym
w obecności przegrzanej pary).
 Chromatografia jonowymienna.
 Elektrodializa.

Hodowle ciągłe
Wydajność: 12 – 22 g/dm3∙h
Recyrkulacyjny bioreaktor membranowy – oczyszczanie
cieczy pofermentacyjnej:
 adsorpcja kwasu na węglu aktywnym lub żywicach i
usuwanie adsorbentu nasyconego kwasem;
 wymiana jonowa z zawracaniem do reaktora wycieku po
przepuszczeniu cieczy fermentacyjnej z biomasą
komórek przez kolumnę jonitową;
 ekstrakcja realizowana poprzez ciągły przepływ w cieczy
pofermentacyjnej rozpuszczalnika;
 ekstrakcja cieczy reakcyjnej i jej recyrkulacja do reaktora
po usunięciu kwasu.
Synteza
chemiczna
• Wysoka wydajność reakcji
• Stosunkowo tanie
reagenty
• Kwas solny jako produkt
uboczny
Fermentacja
mlekowa
• Łatwość prowadzenia
hodowli (kiszonki w
warunkach domowych)
• Możliwość wykorzystania
różnych substratów
• Następuje inhibicja
produktem (zatrzymanie
fermentacji przy ok. 3%)
Co warto zapamiętać?
Czym charakteryzują się biotechnologiczne metody
otrzymywania związków organicznych?
 Jak współcześnie otrzymywany jest kwas cytrynowy?
Czego jest to wynikiem?
 Czym są biotransformacje?
 Jak produkowany jest kwas mlekowy?

DZIĘKUJĘ ZA WSPÓLNE ZAJĘCIA