Биоконверсия

Бродильные чаны для виноделия

Когда биоконверсия ( дайте вики. Βίος bíos " жизнь " и лат. Conversio "поворот", "обратный") относится к превращению, в основном, органических соединений ( биомассы ), используемых в энергии или материальных продуктах. Преобразование происходит через организмы , в основном через микроорганизмы , или через изолированные ферменты или ферментные системы ( метаболические пути ). Прежде всего, биотехнологические процессы, такие как ферментация ( производство биогаза , промышленная биотехнология ) иприменена ферментативная конверсия. Биоконверсия также имеет место в приложениях, которые нельзя или нельзя однозначно отнести к биотехнологии, например: Б. при выпечке хлеба или приготовлении квашеной капусты ( брожение этанола и молочной кислоты ).

Иногда термин биоконверсия используется как синоним биокатализа и биотрансформации . Однако в некоторых случаях проводится различие в том, что биоконверсия классифицируется как подобласть биокатализа.

биохимия

Консервирование скошенной травы для кормовых целей путем молочнокислого брожения ( силосования ).
Биореактор (ферментер) в лабораторном масштабе
Биореактор для бактериального производства вакцин

Во время биоконверсии происходит химическая реакция, которая катализируется изолированными ферментами или ферментами, присутствующими в используемых организмах . Можно классифицировать разные виды биоконверсии, которые различаются по принципу, по которому образуется интересующий продукт.

Метаболические отходы

Первые применения биоконверсии человеком произошли тысячи лет назад. Таким образом, ферментация этанола для производства пива и вина и ферментация молочной кислоты z. Б. используется для консервирования молока путем подкисления ( простокваша , кефир ). В этих приложениях используются микроорганизмы ( дрожжи , бактерии ), которые превращают органические соединения (в основном сахар ) в основном для обеспечения энергии ( катаболизм ). Поскольку это преобразование происходит в анаэробных (бескислородных) условиях или анаэробными организмами, не происходит полного преобразования органических соединений (особенно в CO 2 и H 2 O), а в органические соединения, такие как этанол (спирт) и молочная кислота .

Не только в пищевой промышленности, но и в материальных и энергетических целях, таких как B. в качестве сырья для производства пластмасс на биологической основе (например, полилактида из молочной кислоты) или биотоплива (например, так называемого биоэтанола в качестве заменителя или смеси с бензином) происходит биоконверсия так называемого возобновляемого сырья .

По такому принципу получают и многие другие продукты:

Метаболические продукты

Из органических соединений или некоторых неорганических соединений гетеротрофные или автотрофные существа могут синтезировать соединения, которые служат строительными материалами для клетки ( анаболизм ). Этот синтез представляет собой форму биоконверсии, которая используется для различных целей. Примеры - производство таких антибиотиков . B. пенициллин с грибком Penicillium chrysogenum , лизин и глутаминовая кислота ( аминокислоты ) с бактерией Corynebacterium glutamicum или пептидный инсулин в бактерии Escherichia coli .

Синтез таких соединений, как пенициллин, требует больших затрат энергии, поэтому организмы производят их только в небольших количествах. Урожайность может быть значительно увеличена путем селекции и селекции, а также путем выбора определенных условий во время выращивания . Другие варианты включают изменение метаболических путей ( метаболическая инженерия ) или введение новых метаболических путей от других организмов с помощью генной инженерии . Например, человеческий ген был перенесен в бактерии для производства инсулина .

Производство обычно происходит в стерильных условиях в ферментере , поскольку примеси могут нарушить процесс. Кроме того, фармацевтические продукты, такие как инсулин, требуют высокой степени чистоты.

Метаболические показатели

Метаболические показатели живых существ можно использовать для z. Б. для разложения токсичных или пахучих соединений или веществ, загрязняющих сточные воды, например. B. Соединения азота для связывания. Это касается z. B. в загрязненных почвах, при очистке отработанного воздуха в биофильтрах или фиксации соединений азота и фосфора, растворенных в воде, во время очистки на очистных сооружениях .

Продукты изолированных ферментов

Изолированные ферменты и ферментные системы могут катализировать определенные реакции. Например, сычужный фермент - смесь различных ферментов - получают из желудков теленка и используют в производстве сыра . Различные ферменты также могут играть роль в производстве кожи . Среди прочего, в моющих средствах обнаружены ферменты, разлагающие жиры и белки ( липазы или протеазы ).

Классификация по области применения

(см. также статью биотехнология )

В биотехнологии обычно существует классификация не по принципу биоконверсии, а по области применения. В белой биотехнологии , также известной как промышленная биотехнология, применяются все упомянутые принципы. Есть также красная биотехнология (медицинская биотехнология) и зеленая биотехнология ( биотехнология растений). Другие, пока менее четко определенные биотехнологии - это серые биотехнологии и синие биотехнологии . Иногда используются другие цвета (коричневый и желтый, полученные в результате биотехнологии), но четко не обозначены. Помимо биоконверсий, биотехнологии могут также включать другие приложения, в которых также имеют место химические реакции. Однако реакция или полученный продукт не находятся на переднем плане, например Б. в диагностических методах красной биотехнологии.

важность

Ферментация этанола используется в крупных промышленных масштабах для производства топлива.

Биоконверсия играет важную роль во многих технических процессах. Это позволяет создавать соединения, которые невозможно синтезировать другими методами. В химической промышленности химические процессы иногда преобразуются в биоконверсию (биохимические процессы), поскольку они часто требуют менее экстремальных условий и, таким образом, можно сэкономить энергию и химические вещества. Чтобы сделать возобновляемое сырье пригодным для использования, используются классические и новые процессы. В больших количествах этанол производится из сахара и крахмала.

Посредством новых процессов биоконверсии части биомассы, которые ранее не использовались в качестве топлива, такие как солома и древесина, содержащие лигноцеллюлозу , должны быть разработаны как целлюлоза-этанол или целлюлоза-бутанол . Другой подход - ферментация синтез-газа , при которой биомасса превращается в синтез-газ посредством газификации биомассы, а затем превращается в пригодные для использования спирты и другие химические вещества при ферментации. Поскольку целлюлоза составляет значительную часть биомассы, она предлагает большой, до сих пор почти не используемый потенциал для обеспечения энергией и сырьем.

набухать

  1. ↑ Глоссарий на веб-сайте Центра экологических исследований им. Гельмгольца (UFZ), доступ 10 января 2010 г.
  2. ^ Гарабед Антраникян: «Прикладная микробиология», 1-е издание, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2006, ISBN 3-540-24083-7
  3. ↑ а б «Исследование промышленной биотехнологии» на веб - сайте Института Биопроцесс инженерии в техническом университете Брауншвейга

литература

  • Б. Камм, П. Грубер, М. Камм: Биоперерабатывающие заводы - промышленные процессы и продукты. Wiley-VCH, Weinheim 2006; u. а. С. 104, ISBN 978-3-527-31027-2 .
  • Гарабед Антраникян : Прикладная микробиология , 1-е издание, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2006, ISBN 3-540-24083-7

Смотри тоже