SAMENVATTING INDUSTRIËLE MICROBIOLOGIE
Inhoud
1. Inleiding .......................................................................................................................................... 3
2. Productie van microbiële cellen: bakkersgist ................................................................................. 3
3. Productie van Single Cell Protein (SCP) ........................................................................................ 5
4. Productie van biomassa als technische hulpstof ............................................................................. 6
4.1 Ruimtevluchten ...................................................................................................................... 6
4.2 Zaad- en bodeminocula .......................................................................................................... 6
4.3 Ice-nucleating bacteriën ......................................................................................................... 7
4.4 Biopesticiden (bioagrochemicaliën) ...................................................................................... 7
4.5 Afvalbehandeling ................................................................................................................... 8
4.6 Bacteriën als bouwvakkers..................................................................................................... 8
4.7 Mijnbouw ............................................................................................................................... 8
5. Biologische wapens: bioterrorisme................................................................................................. 9
1. Producten van het anaeroob metabolisme van micro-organismen................................................ 10
1.1 Ethanol ................................................................................................................................. 10
1.2 Glycerol.................................................................................................................................11
1.2.1: Overproductie van glycerol d.m.v. gist ............................................................................... 12
1.2.2 Gebruik van glycerol als substraat ....................................................................................... 12
1.3 ABE-fermentatie .................................................................................................................. 13
2. Productie van organische zuren ..................................................................................................... 15
2.1 Anaerobe processen ............................................................................................................. 15
2.1.1 Melkzuur (CH3CHOHCOOH oftewel C₃H₆O₃) .......................................................... 15
2.1.2 Propionzuur (C3H6O2) ................................................................................................ 17
2.1.3 Boterzuur (C₄H₈O₂) ..................................................................................................... 18
2.2 Intermezzo: Productie van propionzuur en boterzuur door colonbacteriën ......................... 18
2.2.1 Fermentatie in de dikke darm ...................................................................................... 19
2.2.2 Boterzuurproductie in de dikke darm .......................................................................... 20
2.2.3 Cross-feeding mechanismen ................................................................................................. 21
2.2.4 Overzicht van de productie van propionzuur en boterzuur door colonbacteriën ........ 23
2.2.5 Mechanisme in dieren ................................................................................................. 23
2.3 Aerobe processen ................................................................................................................. 23
2.3.1 Azijnzuur (CH3COOH) ............................................................................................... 24
2.3.2 Citroenzuur (C6H8O7) .................................................................................................. 27
2.3.3 Itaconzuur (C5H6O4) .................................................................................................... 30
2.3.4 Gluconzuur (C6H12O7) ................................................................................................. 32
3. Productie van aminozuren ............................................................................................................. 33
1
, 3.1 Productiewijzen.................................................................................................................... 33
3.2 Toepassingen ........................................................................................................................ 34
3.3 C. glutamicum ...................................................................................................................... 34
3.4 Productie van glutaminezuur door een mutant..................................................................... 35
3.5 Productie van L-lysine door C. glutamicum ........................................................................ 37
4. Productie van nucleotiden ............................................................................................................. 39
5. Productie van vitaminen ................................................................................................................ 40
5.1 Productie van carotenoïden [intermezzo gepigmenteerde MO] ........................................... 40
5.2 Productie van vitamine B12 ................................................................................................. 40
2
,DEEL II: INDUSTRIËLE FERMENTATIEPROCESSEN
Hoofdstuk 1: Productie van Biomassa
1. Inleiding
Bovenstaande grafieken geven weer welke producten het meest worden geproduceerd met industriële
fermentatieprocessen in de EU. Vooral antibiotica is hier een groot deel van.
2. Productie van microbiële cellen: bakkersgist
Onderstaande lijst geeft allerlei microbiële cellen weer die industrieel geproduceerd kunnen worden.
Bakkersgist zal verder worden besproken.
Saccharomyces cerevisiae moet geproduceerd worden met als beoogde eigenschappen: hoge
fermentatiecapaciteit en goede bewaring. Het wordt gekweekt en grote reactoren met als medium:
• Melasse (sucrose) als C-bron, al dan niet voorbehandeld (want soms worden er mengsel
gebruikt en die hebben allemaal een verschillende samenstelling, wat we niet willen).
• Ammoniak of ammoniumzouten (of ureum)
3
, • Vitaminen (biotine voor onvoldoende melasse compensatie, pantotheenzuur, thiamine)
• Minerale zouten (fosforzuur, magnesiumsulfaat)
• Stikstofverbindingen: aminozuren, peptiden, nitraat (geen eiwit) → soms
Fermentatie en downstream processing:
• Vienna-proces (1860): afschepproces, waarbij bovendrijvende gist werd afgeschept en verder
gekweekt.
• 1880: beluchtingsproces
• Fed-batch (Zulauf, 1915): sterke aeratie met hoge OTR, pH-regulatie met ammoniumhydroxide,
continue centrifugatie gevolgd door roterende vacuümfilters.
Soorten geproduceerde gisten:
• Bakkersgist (broodbereiding):
o Vloeibare gist of gistroom: bevat veel water; bewaring bij koele T. Korte bewaartijd,
want er is kans op groei van andere MO (door het hoge vochtgehalte).
o Verse gist of persgist of actieve droge gist: ook hoog percentage water, bewaring bij
koele T. Dit is de gist die je in de winkel koopt.
o Gedroogde gist of instantgist: zeer hoog percentage droge stof, 5-10 % water, bewaren
bij koele, iets hogere T. Vochtgehalte te regelen met zout (dehydratatie-effect door
onttrekken van water), zorgt zo voor een betere bewaring.
• Gedroogde gist (voedingssupplement, eiwit en B-vitaminen)
• Gedroogde voedergist (veevoeding)
• Andere gisten
o Gisten voor suikerrijke degen: Saccharomyces rouxii, Saccharomyces rosei
o Smaakversterkende gisten: Saccharomyces delbrueckii, Saccharomyces lustaniae
o Zuurdesemgisten: Saccharomyces exiguus, Torulaspora holmii, Candida milleri
Fermentatieproducten:
• Drinkalcohol: bier, wijn, …
• Gedistilleerde, alcoholische dranken: whiskey, brandy, vodka, rum
• Andere: technische ethanol, glycerol, ...
Gistproducten (autolyse van S. cerevisiae, ook hydrolyse):
• Gistextract (microbiologische cultuurmedia, levensmiddelen zoals soepen, sausen en worst
waarbij gist wordt gebruikt als zoutvervanger)
• Vitamines (B-vitamines, vitamine D)
• Enzymen voor de voedingsindustrie (invertase, galactosidase)
• Additieven: smaak- en aromacomponenten, antioxidantia, kleurstoffen, polysachariden
(gistglucaan)
• Biochemicaliën voor onderzoek (ATP, NAD+, RNA)
4
, 3. Productie van Single Cell Protein (SCP)
Gist kan een bron van eiwitten zijn: single cell protein. Dit bestond als sinds de jaren 60, maar is nu
terug actief door de protein shift: zoektocht naar proteïnes uit andere bronnen van vlees door de stijgende
populariteit van vegetarisme en veganisme.
Doelstelling:
• Bron van eiwit voor mens en dier (microbieel eiwit, low-cost?)
• Voedseltekort (oorlog, ontwikkelingslanden)
• Bron van niet-dierlijk eiwit (vegetarisme)
• Veevoeder in intensieve veeteelt (ter vervanging van sojabonen als eiwitbron zodat er minder
landbouwgrond nodig is voor productie van sojabonen)
• Afvalverwerking (ontwassen van petroleum)
• Single cell protein is een bron van eiwit, koolhydraten, vetten, nucleïnezuren (hoger dan in
proteïnen), minerale zouten en vitaminen.
• Microbieel eiwit, bacterieel eiwit, mycoproteïne, petroproteïne
Fermentatie en downstream processing:
• Mediumbereiding: fysische of chemische voorbehandeling, substraathydrolyse, …
• Fermentatie: aspetisch/septisch, continu, …
• Downstream processing: filtratie/centrifugatie, thermische shock (verhouding eiwit/RNA
verhogen), verdere zuivering (solventbehandeling), pasteurisatie, dehydratatie, verpakking
Voordelen van SCP:
• Snel groeiende, aerobe micro-organismen met hoge productiviteit
• Hoog eiwitgehalte (30-85 % van de droge stof): gehalte en kwaliteit afhankelijk van het
gebruikte micro-organisme en het toegepaste fermentatieproces
• Mogelijkheid om een wijd spectrum aan (goedkope) koolstofbronnen (inclusief afvalmateriaal)
te gebruiken: CO2, methaan, methanol, ethanol, melasse, inuline, glucose, wei,…
• Weinig landoppervlakte vereist
• Productie onafhankelijk van het seizoen en de weersomstandigheden
• Consistente eindproductkwaliteit
Voorbeeld van geproduceerde SCP: spirulina = klein groen algje.
De koolstofbron wordt echter niet volledig opgebruikt voor de productie van SCP. Vanuit de
koolfstofbron gaat er assimilatie (dus opbouw) van SCP zijn, maar het overschot wordt afgebroken
(dissimilatie), waardoor er energie vrijkomt die dan weer gebruikt kan worden in assimilatieprocessen.
5
Inhoud
1. Inleiding .......................................................................................................................................... 3
2. Productie van microbiële cellen: bakkersgist ................................................................................. 3
3. Productie van Single Cell Protein (SCP) ........................................................................................ 5
4. Productie van biomassa als technische hulpstof ............................................................................. 6
4.1 Ruimtevluchten ...................................................................................................................... 6
4.2 Zaad- en bodeminocula .......................................................................................................... 6
4.3 Ice-nucleating bacteriën ......................................................................................................... 7
4.4 Biopesticiden (bioagrochemicaliën) ...................................................................................... 7
4.5 Afvalbehandeling ................................................................................................................... 8
4.6 Bacteriën als bouwvakkers..................................................................................................... 8
4.7 Mijnbouw ............................................................................................................................... 8
5. Biologische wapens: bioterrorisme................................................................................................. 9
1. Producten van het anaeroob metabolisme van micro-organismen................................................ 10
1.1 Ethanol ................................................................................................................................. 10
1.2 Glycerol.................................................................................................................................11
1.2.1: Overproductie van glycerol d.m.v. gist ............................................................................... 12
1.2.2 Gebruik van glycerol als substraat ....................................................................................... 12
1.3 ABE-fermentatie .................................................................................................................. 13
2. Productie van organische zuren ..................................................................................................... 15
2.1 Anaerobe processen ............................................................................................................. 15
2.1.1 Melkzuur (CH3CHOHCOOH oftewel C₃H₆O₃) .......................................................... 15
2.1.2 Propionzuur (C3H6O2) ................................................................................................ 17
2.1.3 Boterzuur (C₄H₈O₂) ..................................................................................................... 18
2.2 Intermezzo: Productie van propionzuur en boterzuur door colonbacteriën ......................... 18
2.2.1 Fermentatie in de dikke darm ...................................................................................... 19
2.2.2 Boterzuurproductie in de dikke darm .......................................................................... 20
2.2.3 Cross-feeding mechanismen ................................................................................................. 21
2.2.4 Overzicht van de productie van propionzuur en boterzuur door colonbacteriën ........ 23
2.2.5 Mechanisme in dieren ................................................................................................. 23
2.3 Aerobe processen ................................................................................................................. 23
2.3.1 Azijnzuur (CH3COOH) ............................................................................................... 24
2.3.2 Citroenzuur (C6H8O7) .................................................................................................. 27
2.3.3 Itaconzuur (C5H6O4) .................................................................................................... 30
2.3.4 Gluconzuur (C6H12O7) ................................................................................................. 32
3. Productie van aminozuren ............................................................................................................. 33
1
, 3.1 Productiewijzen.................................................................................................................... 33
3.2 Toepassingen ........................................................................................................................ 34
3.3 C. glutamicum ...................................................................................................................... 34
3.4 Productie van glutaminezuur door een mutant..................................................................... 35
3.5 Productie van L-lysine door C. glutamicum ........................................................................ 37
4. Productie van nucleotiden ............................................................................................................. 39
5. Productie van vitaminen ................................................................................................................ 40
5.1 Productie van carotenoïden [intermezzo gepigmenteerde MO] ........................................... 40
5.2 Productie van vitamine B12 ................................................................................................. 40
2
,DEEL II: INDUSTRIËLE FERMENTATIEPROCESSEN
Hoofdstuk 1: Productie van Biomassa
1. Inleiding
Bovenstaande grafieken geven weer welke producten het meest worden geproduceerd met industriële
fermentatieprocessen in de EU. Vooral antibiotica is hier een groot deel van.
2. Productie van microbiële cellen: bakkersgist
Onderstaande lijst geeft allerlei microbiële cellen weer die industrieel geproduceerd kunnen worden.
Bakkersgist zal verder worden besproken.
Saccharomyces cerevisiae moet geproduceerd worden met als beoogde eigenschappen: hoge
fermentatiecapaciteit en goede bewaring. Het wordt gekweekt en grote reactoren met als medium:
• Melasse (sucrose) als C-bron, al dan niet voorbehandeld (want soms worden er mengsel
gebruikt en die hebben allemaal een verschillende samenstelling, wat we niet willen).
• Ammoniak of ammoniumzouten (of ureum)
3
, • Vitaminen (biotine voor onvoldoende melasse compensatie, pantotheenzuur, thiamine)
• Minerale zouten (fosforzuur, magnesiumsulfaat)
• Stikstofverbindingen: aminozuren, peptiden, nitraat (geen eiwit) → soms
Fermentatie en downstream processing:
• Vienna-proces (1860): afschepproces, waarbij bovendrijvende gist werd afgeschept en verder
gekweekt.
• 1880: beluchtingsproces
• Fed-batch (Zulauf, 1915): sterke aeratie met hoge OTR, pH-regulatie met ammoniumhydroxide,
continue centrifugatie gevolgd door roterende vacuümfilters.
Soorten geproduceerde gisten:
• Bakkersgist (broodbereiding):
o Vloeibare gist of gistroom: bevat veel water; bewaring bij koele T. Korte bewaartijd,
want er is kans op groei van andere MO (door het hoge vochtgehalte).
o Verse gist of persgist of actieve droge gist: ook hoog percentage water, bewaring bij
koele T. Dit is de gist die je in de winkel koopt.
o Gedroogde gist of instantgist: zeer hoog percentage droge stof, 5-10 % water, bewaren
bij koele, iets hogere T. Vochtgehalte te regelen met zout (dehydratatie-effect door
onttrekken van water), zorgt zo voor een betere bewaring.
• Gedroogde gist (voedingssupplement, eiwit en B-vitaminen)
• Gedroogde voedergist (veevoeding)
• Andere gisten
o Gisten voor suikerrijke degen: Saccharomyces rouxii, Saccharomyces rosei
o Smaakversterkende gisten: Saccharomyces delbrueckii, Saccharomyces lustaniae
o Zuurdesemgisten: Saccharomyces exiguus, Torulaspora holmii, Candida milleri
Fermentatieproducten:
• Drinkalcohol: bier, wijn, …
• Gedistilleerde, alcoholische dranken: whiskey, brandy, vodka, rum
• Andere: technische ethanol, glycerol, ...
Gistproducten (autolyse van S. cerevisiae, ook hydrolyse):
• Gistextract (microbiologische cultuurmedia, levensmiddelen zoals soepen, sausen en worst
waarbij gist wordt gebruikt als zoutvervanger)
• Vitamines (B-vitamines, vitamine D)
• Enzymen voor de voedingsindustrie (invertase, galactosidase)
• Additieven: smaak- en aromacomponenten, antioxidantia, kleurstoffen, polysachariden
(gistglucaan)
• Biochemicaliën voor onderzoek (ATP, NAD+, RNA)
4
, 3. Productie van Single Cell Protein (SCP)
Gist kan een bron van eiwitten zijn: single cell protein. Dit bestond als sinds de jaren 60, maar is nu
terug actief door de protein shift: zoektocht naar proteïnes uit andere bronnen van vlees door de stijgende
populariteit van vegetarisme en veganisme.
Doelstelling:
• Bron van eiwit voor mens en dier (microbieel eiwit, low-cost?)
• Voedseltekort (oorlog, ontwikkelingslanden)
• Bron van niet-dierlijk eiwit (vegetarisme)
• Veevoeder in intensieve veeteelt (ter vervanging van sojabonen als eiwitbron zodat er minder
landbouwgrond nodig is voor productie van sojabonen)
• Afvalverwerking (ontwassen van petroleum)
• Single cell protein is een bron van eiwit, koolhydraten, vetten, nucleïnezuren (hoger dan in
proteïnen), minerale zouten en vitaminen.
• Microbieel eiwit, bacterieel eiwit, mycoproteïne, petroproteïne
Fermentatie en downstream processing:
• Mediumbereiding: fysische of chemische voorbehandeling, substraathydrolyse, …
• Fermentatie: aspetisch/septisch, continu, …
• Downstream processing: filtratie/centrifugatie, thermische shock (verhouding eiwit/RNA
verhogen), verdere zuivering (solventbehandeling), pasteurisatie, dehydratatie, verpakking
Voordelen van SCP:
• Snel groeiende, aerobe micro-organismen met hoge productiviteit
• Hoog eiwitgehalte (30-85 % van de droge stof): gehalte en kwaliteit afhankelijk van het
gebruikte micro-organisme en het toegepaste fermentatieproces
• Mogelijkheid om een wijd spectrum aan (goedkope) koolstofbronnen (inclusief afvalmateriaal)
te gebruiken: CO2, methaan, methanol, ethanol, melasse, inuline, glucose, wei,…
• Weinig landoppervlakte vereist
• Productie onafhankelijk van het seizoen en de weersomstandigheden
• Consistente eindproductkwaliteit
Voorbeeld van geproduceerde SCP: spirulina = klein groen algje.
De koolstofbron wordt echter niet volledig opgebruikt voor de productie van SCP. Vanuit de
koolfstofbron gaat er assimilatie (dus opbouw) van SCP zijn, maar het overschot wordt afgebroken
(dissimilatie), waardoor er energie vrijkomt die dan weer gebruikt kan worden in assimilatieprocessen.
5
