Acidul succinic (SA) corespunde unei platforme chimice bine recunoscute utilizate ca precursor în sinteza industrială a diferiților compuși chimici.

Termeni asociați:

  • Citrat
  • Glucozamina
  • Enzimă
  • Proteină
  • Acid gluconic
  • Glucoză
  • Acid lactic
  • Arabinoza
  • Galactoza
  • Zaharoza

Descărcați în format PDF

Despre această pagină

Biotehnologie industrială și produse de bază

3.15.2.2 Proces bazat pe bio

Tabelul 1. Comparația producției de acid succinic de către diferite microorganisme

Organism Titru succinat (g l −1) Randament succinat (mol mol −1) Productivitate (g l −1 h −1) Fermentare; mediu; condiționează o Referință
A. succiniciproducens
(A)ATCC5348850.31,372.09B; Glc (58 g l -1) și 10 g l -1 Csl 300 mM Na2CO3; Sparging CO2, incubare 24 ore [10]
(b)ATCC5348883,01,3510.40Cont (proces integrat de bioreactor membranar-electrodializă); Glc (120 g l -1) în mediu pe bază de Pn/Ye; Sparging CO2, incubare 150 h [27]
A. succinogenes
(c)130Z; Genul mai sălbatic791,372.19B; Glc (100 g l -1) cu 15 g l -1 Csl și Ye, 80 g l -1 MgCO3; Sparging CO2, 36 h incubație [12]
(d)FZ53106,01,251,36B; Glc (130 g l −1) cu 15 g l −1 Csl și 5 g l −1 Ye, 80 g l −1 MgCO3; 78 h incubație [13]
M. succiniciproducens
(e)MBEL55E; Genul mai sălbatic14.01,061,87B; Glc (20 g l -1) și MH (mediu pe bază de Ye/Ppn), 10 g l -1 MgCO3; 0,25 vvm CO2 sparging, 7,5 h incubație [19]
(f)LPK7; ldhA: Km R, pflB: Cm R, pta-ackA: Sp R 52.41.161,80FB; Glc (63 g l -1) și MMH3 (mediu pe bază de Ye); 0.25 vvm CO2 sparging, 30 h incubație [21]
C. glutamicum
(g)R; Genul mai sălbatic23.00,293,83FB; Glc (40 g l -1; 121 g Glc total) în mediu de sare minerală definit, 400 mM NaHCO3; Cultivarea aerobă timp de 13 h, inițiază producția din 30 g-celulă uscată/1, 6 h incubație [29]
(h)R mutant/pCRA717; △ ldhA, pyc + 83,01,3711.80FB; Glc (72 g l -1; 158 g Glc total) în mediu de sare minerală definit, inițial 400 mM de NaHCO3 și adăugat intermitent; Cultivarea aerobă timp de 13 h, inițiază producția din 50 g-celulă uscată/1,7 h incubație [30]
E coli
(i)AFP111/pTrc99a-pyc; △ pflAB: Cm R, ldhA: Km R, ptsG -, pyc + 99.21,681.31Faza duală-FB; Glc (40 g l -1; 90 g Glc total) și 20 g l -1 Trn, 10 g l -1 Ye și 40 g l -1 MgCO3; 76 h incubație [37]
(j)SBS550MG/pHL413; △ adhE, △ ldhA, △ iclR, △ ack-pta: Cm R, pyc +, citZ + 40.01,610,80FB; Glc (20 g l -1; 100 g Glc total) în LB cu 1 g l -1 NaHCO3, 200 mg l -1 ampicilină și 1 mM IPTG; 100% CO2 la 1 l/min spațiu STP, 95 h incubație [2]
(k)HL27659k/pKK313; △ sdhAB, △ ackA-pta, △ poxB, △ iclR, △ ptsG, ppc+58.30,941,08FB; Glc (106 g l -1) și 20 g l Trn, 32 g l -1 Ye și 2 g l -1 NaHCO3; Stare aerobă completă, incubare de 59 h [23]
(l)JK060; △ ldhA, △ adhE, △ ackA, △ focA, △ pflB86,61,410,90B; Glc (100 g/-1) în AM1mediu cu 10 g l -1 NaHCO3; pH ajustat cu 1: 1 amestec de 6 M KOH + 3 M K2CO3, 120 h incubație [15]
(m)JK134; △ ldhA, △ adhE, △ (focA-pflB), △ ackA: tss, △ mgsA, △ poxB, △ tdcDE, △ citF: tss, △ aspC, △ sfcA: tss, △ pta-ackA: tss71.61,530,75B; Glc (100 g l -1) în AM1mediu cu 100 mM KHCO3 și 1 mM betaină HCI; pH ajustat cu 6: 1 amestec de 3 M K2CO3 + 6 N KOH, 96 h incubație [16]

Producția de aminoacizi din hidrolizați de paie de orez

Christian Matano,. Volker F. Wendisch, în Grâu și orez în prevenirea și sănătatea bolilor, 2014

Acizi organici

În ultimii ani, interesul cercetării în producția de acizi organici prin fermentația C. glutamicum a crescut constant. Organismul a fost conceput pentru a produce o gamă largă de astfel de molecule, găsindu-se în multe domenii, inclusiv în industria alimentară, cosmetică și farmaceutică. Au fost publicate studii cu privire la producerea acizilor piruvici, lactici, 2-oxoglutarici, 2-cetoizovalerici și pantotenici. Datorită importanței sale, ingineria C. glutamicum pentru producerea acidului succinic va fi prezentată ca exemplu.

Acid succinic

Fundamente inginerești ale biotehnologiei

2.03.2.1.3 Acid succinic

Acidul succinic este un intermediar al ciclului acidului tricarboxilic (TCA). Analiza metabolică arată că există șase căi către acidul succinic în tipurile sălbatice de E. coli. Cu toate acestea, numai urme de acid succinic sunt detectate în fermentații folosind E. coli sălbatică. Pentru a spori formarea acidului succinic, au fost investigate mai multe strategii de inginerie metabolică.

prezentare

Figura 1. Căile metabolice pentru sinteza acidului succinic (a), 1,3-propandiol (b) și PHB (c) în tulpini recombinante de E. coli. FBP, fructoză 1,6-bisfosfat; DHAP, dihidroxiacetonă fosfat; GAP, gliceraldehidă 3-fosfat; 3-HPA, 3-hidroxipropionaldehidă.

Fermentare în stare solidă pentru producția de proteaze și amilaze și aplicarea lor în producția de nutrienți medii

5.4 Acid succinic

Acidul succinic (SA) corespunde unei substanțe chimice bine recunoscute folosite ca precursor în sinteza industrială a diferiților compuși chimici. Obținerea unui randament ridicat de conversie a sursei de carbon în acid succinic atrage după sine o scădere a necesității materialelor de debut [127]. Din acestea, hidrolizații enzimatici regenerabili au fost valorificați în producția fermentativă a SA pentru a înlocui surse convenționale de carbon sau azot, cum ar fi glucoză, xiloză și extract de drojdie sau peptonă. Fezabilitatea utilizării subproduselor de măcinare a grâului pentru a produce SA printr-un bioproces în două etape a fost demonstrată anterior [100]. În special, solidele fermentate provenite din SSF au fost amestecate secvențial cu tărâțe măcinate și subproduse de măcinare a făinii de grâu pentru a formula un supliment bogat în glucoză, conținând o cantitate semnificativă de FAN. Fermentarea Actinobacillus succinogenes folosind hidrolizatele ca unic substrat de fermentare a dus la producerea a 50,6 g/L de SA.

SA a fost, de asemenea, produsă cu succes în cadrul unui concept de biorefinare bazat pe valorificarea pâinii uzate pentru a formula suplimente nutritive bogate în glucoză și FAN [128]. Pâinea uzată a fost utilizată atât în ​​SSF cu A. awamori, cât și în A. oryzae, precum și în reacțiile hidrolitice ulterioare, producând mai mult de 100 g/L de glucoză și 490 mg/L de FAN. Hidrolizatele obținute au condus la producerea a 47,3 g/L de SA în timpul fermentației A. succinogenes, implicând o productivitate de 1,12 g/L/h. Se așteaptă ca, prin integrarea producției fermentative a SA în procesele industriale actuale și înlocuirea substraturilor convenționale de fermentație, rentabilitatea producției SA să fie îmbunătățită.

Fundamente inginerești ale biotehnologiei

2.30.2.4 Fermentarea acidului succinic

Producție de acizi organici și grași, microbieni

Acid succinic

Acid succinic (acid butanedioic, C 4H6O4) Figura 20 ) este un acid dicarboxilic simetric, cu patru atomi de carbon, care formează cristale incolore, inodor, cu gust acid caracteristic. Acidul este solubil în apă și ușor solubil în etanol, eter, acetonă și glicerol.

Figura 20. Acid succinic.

Acidul succinic (din latina succinum, chihlimbar) a fost descoperit în 1546 de Agricola prin distilare uscată (încălzire în vid) a chihlimbarului.

Acidul succinic este distribuit pe scară largă în întreaga lume naturală, în special în chihlimbar (3-8% din greutate) și în țesuturile vegetale și animale și în microorganisme. Acesta joacă un rol semnificativ în metabolismul intermediar (de exemplu, în principal în ciclul TCA ( Figura 2 ) și calea glioxilatului ( Figura 21 ))).

Figura 21. Calea glioxilatului. Cu permisiunea Dr. R. Paltel, Universitatea de Stat Humboldt: CA, SUA.

Acidul succinic este utilizat pentru producerea de polimeri, fibre de îmbrăcăminte, plastifianți, solvenți, vopsele, cerneluri, aditivi alimentari și furaje, produse farmaceutice, parfumuri și o serie de produse industriale și de consum.

Acidul succinic este sintetizat ca intermediar al ciclului TCA ( Figura 2 ), care funcționează în condiții aerobe, din acidul α-ketoglutaric prin α-ketoglutarat dehidrogenază. Acidul succinic este un intermediar în bypass-ul glioxilat ( Figura 21 ). Acidul succinic este produs ca produs final prin ciclul TCA reductiv ( Figura 3 ), în condiții anaerobe. În timp ce biosinteza acidului prin primele două căi aerobe transformă doar patru din cei șase atomi de carbon din glucoză în produsul acidului succinic cu patru carbon, calea TCA reductivă anaerobă produce doi acizi de patru carbon pentru fiecare moleculă de glucoză utilizată, datorită reacția de carboxilare a fosfoenolpiruvatului carboxilazei. Prin urmare, fermentațiile anaerobe sunt preferate fermentațiilor aerobe pentru o producție eficientă și economică de acid succinic.

Acidul succinic este produs în principal prin hidrogenarea catalitică chimică a acizilor maleici sau fumarici (aproximativ 15 000 de tone pe an - vezi tabelul 1 ). Acidul alimentar este produs probabil printr-un proces de fermentare și separare. Potențialul de piață pentru produsele pe bază de acid succinic (de exemplu, 1,4-butandiol, tetrahidrofuran și acid adipic) este mare și, prin urmare, există cercetări intensive în curs de desfășurare pentru a dezvolta o cale biologică eficientă pentru producția sa.

Fundamentele științifice ale biotehnologiei

1.09.6 Alți acizi

O serie de alți acizi sunt produși comercial prin fermentare în cantități mici. Acestea includ acid l-ascorbic, acid malic, acid 2-oxogluconic și acid succinic. Acizii tartrici, fumarici, kojici și galici pot fi, de asemenea, produși în cantități atractive din punct de vedere comercial, dar fie nu au primit practică industrială, fie au fost produși în trecut prin fermentare la scară industrială, dar în prezent nu sunt în măsură să concureze cu producția chimică pe temeiuri economice.

1.09.6.1 Acid succinic

Acidul succinic este un acid dicarboxilic cu patru atomi de carbon (acid butanedioic sau acid chihlimbar, C 4H6O4; Figura 8 ). În cea mai mare parte a fost produs chimic din anhidrida maleică. Volumul său anual de producție este de aproape 16 kt. Acidul poate fi sintetizat biologic atât ca intermediar al ciclului TCA, cât și ca unul dintre produsele mixte de fermentare a acidului bacteriilor (metabolismul anaerob). Bacteria anaerobă, Anaerobiospirillum succiniciproducens, și anaerobii facultativi, Actinobacillus succinogenus și Mannheimia succiniciproducens, produc acid succinic ca produs major de fermentare. Escherichia coli produce, de asemenea, acidul în mod anaerob, dar ca produs de fermentare minoră [3]. A. succiniciproducens și A. succinogenus produc relativ mai mult acid succinic decât alte organisme, dar randamentul este menținut scăzut prin producția concomitentă de produse secundare, cum ar fi acizii acetic, formic și lactic [11] .

Figura 8. Acid succinic.

Formarea acidului succinic anaerob implică fixarea CO2 prin reacții de carboxilare. Prin această etapă, C3 sunt transformați în metaboliți C4. Platforma cu patru carbon sintetizată biologic, care este o platformă chimică pentru sinteza unei multitudini de compuși, și consumul de CO2 în timpul procesului fac din producția biotehnologică de acid succinic un proces foarte atractiv pentru optimizare [11]. Până în prezent, nu a fost stabilit niciun proces industrial pentru producerea microbiană de acid succinic. Procesul microbian poate duce la un produs competitiv numai prin reducerea formării de produse secundare. În acest scop sunt studiate mai multe abordări diferite. Ameliorarea tulpinilor, ingineria genetică și ingineria căilor metabolice ale bacteriilor producătoare și strategiile adecvate de bioprocesare au fost utilizate până acum cu rezultate interesante și promițătoare [3, 4]. Ar trebui, de asemenea, investigată producția fungică de acid succinic.

Inginerie metabolică - Aplicații, metode și provocări

2.6 Acid succinic

Acidul succinic este un acid dicarboxilic cu patru atomi de carbon cu aplicații industriale largi [85]. Poate fi folosit ca precursor pentru multe substanțe chimice importante din punct de vedere comercial, inclusiv 1,4-butandiol. La fel ca acidul lactic și 1,3-propandiolul, acidul succinic poate fi utilizat ca monomer pentru sinteza polimerului [86]. Producția fermentativă de acid succinic din resurse regenerabile a câștigat un mare interes în ultimii 10 ani [87]. Anaerobii obligați precum Anaerobiospirillum succiniciproducens și Actinobacillus succinogenes produc concentrații ridicate (până la 110 g/L) de acid succinic din diferite surse de carbon, cu un randament aparent de 1,2 mol/mol sau 0,78 g/g glucoză consumată [88]. Cu toate acestea, aceste anaerobe stricte sunt dificil de utilizat în fermentațiile industriale la scară largă datorită sensibilității lor ridicate la oxigen și a ratelor de creștere relativ lente.

FIG. 7. Ingineria metabolică a căilor de fermentație aerobă în E. coli cu gene care au fost mutate pentru a schimba fluxul metabolic pentru a supraproduce acidul succinic din glucoză [100]. „X” indică faptul că genele sunt eliminate. ackA, acetat kinaza; icd, izocitrat dehidrogenază; iclR, represor de operon aceBAK; pdc, piruvat dehidrogenază; poxB, piruvat oxidază; ppc, fosfoenolpiruvat carboxilaza; pta, fosfotransacetilaza; ptsG, glucoză fosfotransferază; pyc, piruvat carboxilaza; sdhAB, succinat dehidrogenază.