Fatty acid production Flashcards
1
Q
Welche verschiedene Fettsäuren gibt es?
A
- short-chain fatty acids (SCFA) = <5 Kohlenstoffkettenlänge: durch niedriges Molekulargewicht sind sie flüssig und flüchtig: z.B Essigsäure/Propionsäure/Buttersäure
- medium-chain fatty acids (MCFA) = 6-12 Kohlenstoffatome: Capronsäure, Laurinsäure
- long-chain fatty acids (LCFA) = 13-22 C-Atome: Palmitinsäure, Stearinsäure
- Poly unsaturated fatty acids (PUFA) = ungesättigte Kohlenstoffbindungen (Doppelbindung und Knick): Docosahexaensäure (DHA)
2
Q
Wie werden Fettsäuren produziert?
A
über Algen, Hefen, Protisten und anaerobe
Gärung (Dunkelgärung/ dark fermentation)
» Nutzung für Biodiesel, Nahrung/Additive und feed substrate
3
Q
Was besagt der Überblick der Dark Fermentation?
A
- AD ist ein dreiphasiger Prozess:
- Abbau von komplexen organischen Materials
- Bildung von VFA und Wasserstoff (durch Hydrolyse und Acidification (bei Biogas dann noch Methanogenese)
- Bildung von Biogas (VFA + H2-Verbrauch)
» Energetic use
- DF = Im Grunde der Biogasprozess ohne Methanogenese
- Organische Abfallströme als Substrat (Lebensmittelabfälle, Klärschlamm, lignozellulosehaltiges Ausgangsmaterial, …)
- Möglichkeit, Biogasanlagen in Bioraffinerien umzuwandeln
- Produkte: Essigsäure, Propionsäure, Buttersäure, Milchsäure, CO2 und H2
- VFA fallen im Abwasser an, direkte Nutzung für Bioprozesse oder Rückgewinnung der einzelnen Säuren in hoher Reinheit (Verdampfung)
4
Q
Was ist der Prozess-Überblick der Dark Fermentation?
A
- Mesophile Temperatur (35°C) und saures Milieu
- Die Mischkulturfermentation bietet ein breites Spektrum an Substraten (verschiedene organisch-chemische Verbindungen). Die Fermentation kann gespeist werden mit kommunalen, landwirtschaftlichen und industriellen Abfallströmen (keine Human-Nahrungsmittel-Ressourcen)
- Inokula aus verschiedenen Quellen (Schlamm aus dem Fermenter eines Milchviehbetriebs,
Abwässer aus Palmölmühlen, anaerober Schlamm aus Kläranlagen) - Wasserstoff- und VFA-verbrauchende Methanogene im mikrobiellen Konsortium sollten deaktiviert werden (methanogene Archaeen sind bei pH 7,0 am aktivsten und werden außerhalb von pH 6,5-8,2 deaktiviert)
- Hydrolytische und säurebildende Bakterien können optimal kultiviert werden bei pH-Werten von 5,5-6,5 optimal kultiviert werden, obwohl ein breiterer Bereich von bis zu pH 4,0 möglich ist
5
Q
Wie sieht der SCFA- Dark Fermentation Prozess aus?
A
- Hydrolyse: geschwindigkeitsbeschränkender Schritt; Lignocellulose ist schwer verdaulich (Lignin Struktur und Kristallinität der Zellulose → Vorbehandlung erforderlich). Widerspenstige Eigenschaften, die MOs daran hindern, die primäre Substrat Cellulose (und Hemicellulose), sterische Hemmung
- Hydrolytische Bakterien: Acetivibrio, Cellulolyiticus, Bacillus, Peptococcus, Vibrio
- Acetogenese/Acitogenese: schnell wachsende MOs wandeln die löslichen Substanzen in VFAs um. Die Anhäufung von VFAs führt zu einem starken pH-Abfall (pH-Hemmung möglich, wenn unterhalb der Säure Dissoziationskonstante → Diffusion in die Zelle)
- Geeignete Extraktionsstrategien zur Umgehung potenzieller Produkthemmung (z. B. Entfernung des Abwassers)
- Acido/Aceto-Bakterien: Butyribacterium, Clostridium, Thermo-anaerobacter, Acetomicrobium
- Die Zusammensetzung der VFAs hängt von verschiedenen physikochemischen
Parametern (T, Futter, Rühren, mikrobielle Dynamik, Inokulum) → Produktprofil kann variieren
6
Q
Gib einen Überblick zur Algal cultivation
A
- Biokraftstoffe der dritten Generation: aus Mikroalgen als praktikablem Ausgangsmaterial (hoher Fett- und Proteingehalt, keine Konkurrenz für landwirtschaftliche Flächen und Fähigkeit zur CO2-Bindung)
- Biokraftstoffe der ersten Generation können aus essbaren Nutzpflanzen gewonnen werden; Biokraftstoffe der zweiten Generation können aus nicht essbaren Nutzpflanzen, lignozellulosehaltiger Biomasse oder Lebensmittelabfällen gewonnen werden
- Mikroalgen haben eine hohe Wachstumsrate, einen effizienten Photosyntheseprozess (assimilieren 200-mal mehr CO2 als Bäume) und eine hohe Biomasseproduktivität
- Gesamtlipidgehalt von 20-80 % des CDW möglich
- Mikroalgen-Arten: Nannochloropsis sp., Chlorella sp., Scenedesmus sp.
- Produkte: Pigmente, Fettsäuren (→ Biodiesel), Biomasse, SC-Proteine
7
Q
Wie sieht der Prozess bei der Algal cultivation aus?
A
- Die Kultivierung in offenen Teichen eignet sich besser für die Massenproduktion und ist kostengünstiger, während Photobioreaktoren eine Qualitätsproduktion und eine Regulierung der Kultivierungsbedingungen bieten (teurer) → zwei am häufigsten verwendete Systeme
- Keine hohen Zelldichten möglich aufgrund von Beschränkungen: Lichtzufuhr (max. 10 cm), Sauerstofftoxizität, CO2-Beschränkungen, Kontaminationen, Reinigung
- Stickstoffmangel erhöht die Lipidakkumulation (siehe unten)
- Nachgeschaltete Probleme: feste Zellwände, Zentrifugation führt zu Beschädigung der Zellen, geringe Biomasse im Vergleich zum Energiebedarf
- Biodieselproduktion aus Mikroalgen steckt noch in den Kinderschuhen
- (“Super”) Lebensmittelzusatzstoffe (Chlorella, Spirulina) werden kommerziell produziert
8
Q
Wie sieht die Biodiesel Produktion aus?
A
- Umesterung von Pflanzen-/Algenöl oder tierischem Fett
- Reaktion mit kurzkettigen Alkoholen (Ethanol oder Methanol)
- Biodiesel enthält 10 - 12 % Sauerstoff. fortgeschrittene Verbrennung
- Alkalische Katalyse
- Glycerin und Methanol werden durch voneinander durch Destillation in einer Kolonne getrennt. Die kondensierte Methanolphase wird wieder in den Prozess zurückgeführt
- Glycerin kann als billiges Ausgangsmaterial verwendet werden
9
Q
Wie sieht die Lipid-Produktion mit Hefe aus?
A
- Yarrowia lipolytica: Modellorganismus für die
Lipidproduktion - Produziert Lipide bis zu 40 % des CDW
- Anhäufung in intrazellulären Lipidtröpfchen
- Stickstoffmangel führt zu erhöhter Fettbildung
Fettbildung (zum Mechanismus siehe S. limacinum) - Anwendung als Biokraftstoff oder Lebens-/Futtermittel
Zusatzstoff (Einstufung als sicheres neuartiges Lebensmittel) - Hauptsächlich Palmitinsäure C16:0
10
Q
Was ist DHA und wie wird es produziert?
A
- DHA - Docosahexaensäure spielt eine wichtige Rolle für die menschliche Gesundheit (Netzhaut und graue Substanz enthält hohe Mengen an DHA)
- Vielfältige positive Einflüsse auf das Wohlbefinden und bioaktive Fettsäure für Herz, Nervensystem und Gehirn
- DHA ist hauptsächlich in Fisch und Meeresfrüchten enthalten → EMA empfiehlt 1-2 Portionen pro Woche
- Probleme entstehen durch Überfischung
- Produktion durch marine MOs wie Schizochytrium limacinum / Crypthecodinium cohnii
- Bemerkenswert ist ihre Fähigkeit, große Mengen an Fettsäuren zu produzieren, hauptsächlich DHA und Palmitinsäure; Anhäufung als Triacylglycerine in Lipidtröpfchen
- Schnelles Wachstum auf verschiedenen Kohlenstoff- und Stickstoffquellen
11
Q
Wie sieht der DHA Produktions-Pathway aus?
A
- Zwei wesentliche Moleküle: Acetyl-CoA als C-Quelle und NADPH (FAs sind stark reduzierte Moleküle)
- NADPH wird durch die Decarboxylierung von Malat zu Pyruvat hergestellt durch das Apfelsäureenzym (ME) im Transhydrogenasezyklus (TH-Zyklus):
CO2 wird abgespalten, NADPH wird gebildet und Pyruvat wird recycelt - Acetyl-CoA wird in der Zelle durch die Citratfähre bereitgestellt: Citrat wird
über den TCA-Zyklus gebildet und aus dem Mitochondrium ausgeschleust - Citrat wird im Zytosol durch ATP:Citrat-Lyase (ACL) in ein Molekül Acetyl-CoA und Oxalacetat gespalten. Oxalacetat wird weiter zu Malat umgewandelt und als Ausgleich zu Citrat in das Mitochondrium zurückgeführt
- Der Zitrat-Malat-Zyklus liefert Acetyl-CoA für die Fettsäuresynthese
- Unter Stickstofflimitierung ist die Funktion der Isocitrat Dehydrogenase (ICD) eingeschränkt und Isocitrat kann nicht weiter zu α-Ketoglutarat abgebaut werden (rote Linien) → Anstieg von Citrat
12
Q
Was sind die Probleme des Fischkonsumes?
A
- Seit den 1990er Jahren liegt die Fischerei auf einem konstanten Niveau von etwa 90 Millionen Tonnen pro Jahr → Die Weltmeere haben ihre Kapazitätsgrenzen erreicht
- Die gestiegene Nachfrage wurde durch Aquakulturen gedeckt. Heute stammt mehr als die Hälfte des produzierten Fisches aus Aquakulturen
- Fleischfressende Arten (Lachs) benötigen tierisches Eiweiß für optimales Wachstum und Entwicklung → Fischmehl und Fischöl werden in industriellen Futtermitteln verwendet
- FM und FO werden hauptsächlich aus Makrelen und Sardinen hergestellt (auch die Fischbestände stoßen an ihre Grenzen, aber die Nachfrage steigt weiter → Anstieg des Preises für FM/FO
- Versuche, den Anteil von FM und FO im Fischfutter zu reduzieren:
Hauptsächlich werden Soja und andere Landpflanzen gefüttert (pflanzlicher Gehalt stieg von ca. 20 % auf über 50 % in den Jahren
1995 bis 2010) - Diese Substitution funktioniert in den meisten Fällen sehr gut und hat nur geringen Einfluss auf die Qualität des Fleisches und das Wachstum
- Grundlegendes Problem: Die DHA-Konzentration im Fisch nimmt ab
- Grundproblem: es gibt keine Landpflanze, die DHA produzieren kann
- DHA wird in großen Mengen nur von marinen Mikroorganismen produziert und wird über die Nahrungskette in Fischen angereichert und damit für den Menschen verfügbar gemacht
- Eine wirtschaftliche und nachhaltige Alternative und Lösung des Problems
ist die biotechnologische Kultivierung von PUFA-produzierenden Mikroorganismen - Heterotrophe Protisten wie Schizochytrium sp. oder Crypthecodinium cohnii produzieren DHA in großen Mengen.
- MOs können in Bioreaktoren unter höchsten hygienischen und technischen Standards gezüchtet und weiterverarbeitet
13
Q
Was sind Lösungsansätze für einen nachhaltigen fish feed?
A
- Herstellung von Fischfutter aus Spirulina, Y. lipolyctica, S. limacinum → hoher Fett-, Protein- und DHA-Gehalt
- Keine tierischen Substrate, Fischmehl und -öl erforderlich
- DHA als Komponente mit dem höchsten Wert / niedrigster Konzentration → geeignet für Prozesskopplung: DFxDHA
- Dunkle Fermentationsabwässer werden zur Fütterung von S. limacinum während der Lipidproduktionsphase genutzt
- Acetat, Propionat und Butyrat als C-Quelle + DF Abwässer können für die CH4-Produktion weiterverwendet werden
- Lokale Produktion möglich, keine Abhängigkeiten (z.B. el Niño) oder lange Lieferkette → wirtschaftlich machbar als
eine Kreislaufwirtschaft?
14
Q
A
