Kakšni so proizvodni postopki za asparaginsko kislino?

Proizvodni procesiasparaginska kislina(L-asparaginska kislina, pri čemer je vrsta L- glavni tok v industriji zaradi svoje širše biološke aktivnosti in uporabe) so oblikovale tri glavne poti: kemično sintezo, bio-fermentacijo in encimsko pretvorbo. V zadnjih letih so z razvojem zelene kemije in tehnologij bioproizvodnje encimske in fermentacijske metode postopoma postale glavne, medtem ko se kemična sinteza uporablja samo v posebnih aplikacijah z nizko-čistostjo. Sledijo podrobna načela, postopki, prednosti, slabosti in scenariji uporabe vsakega postopka:

I. Kemijska sinteza (tradicionalni postopek, ki se postopoma opušča)

1. Temeljno načelo

Z uporabo maleinskega anhidrida, fumarne kisline ali maleinske kisline kot surovin se izvede adicijska reakcija z amoniakom (ali tekočim amoniakom), da se proizvede sol amonijevega aspartata. Po nakisanju, kristalizaciji, ločevanju in čiščenju dobimo produkt asparaginske kisline. Ključna reakcija: fumarna kislina + amoniak → amonijev aspartat → nakisanje in kristalizacija → L/D-asparaginska kislina (Raceous Mexture)

2. Značilnosti procesa

Enostaven postopek: surovine so na voljo (anhidrid maleinske kisline in fumarna kislina sta osnovni kemični surovini), reakcijski pogoji so blagi (sobna temperatura in tlak ali srednja in nizka temperatura), naložbe v opremo pa nizke;

Pomembne slabosti:

• Produkt je racemna zmes L- in D-asparaginske kisline (razmerje 1:1), ki zahteva dodatno ločevanje (npr. kemično ločevanje, optično ločevanje), da dobimo visoko{6}}čistoto L-asparaginsko kislino, kar je okorno in povečuje stroške;
• Čistost izdelka je razmeroma nizka (industrijska stopnja je običajno 95 %-98 %), kar ne more izpolniti zahtev visoke čistosti za farmacevtske in prehrambene razrede;
• Nastane določena količina kisle odpadne vode, kar predstavlja velik okoljski izziv za čiščenje.

3. Scenariji uporabe

Uporablja se le v scenarijih z nizko-dodano-vrednostjo, kot so sredstva za-industrijsko obdelavo vode (surovina poliasparaginske kisline) in krmni dodatki (ni potrebna visoka čistost), ki trenutno predstavljajo manj kot 10 % industrije.

II. Metoda bio-fermentacije (trenutni glavni proces, ki predstavlja več kot 60 %)

1. Temeljno načelo

Z uporabo presnovnih poti mikroorganizmov (bakterij ali gliv), z uporabo glukoze, saharoze, koruznega škroba itd., kot virov ogljika, se L-asparaginska kislina sintetizira usmerjeno s fermentacijo (sistem mikrobnih encimov se sam izogiba tvorbi racemičnih zmesi). Glavni sevi: Corynebacterium glutamicum, Escherichia coli, Brevibacterium flavum (gensko spremenjeni za optimizacijo proizvodnje kisline).

2. Diagram poteka procesa

Predobdelava surovin (hidroliza škroba → raztopina glukoze) → Priprava gojišča (vir ogljika + vir dušika + elementi v sledovih) → Inokulacija mikroorganizmov → Gojenje v fermentacijski posodi (kontrola temperature 30-37 stopinj, pH 6,5-7,5, stopnja prezračevanja) → Filtracija fermentacijske brozge (odstranitev bakterijskih celic) → Koncentracija in kristalizacija → Centrifugiranje → Sušenje → Produkt (L-asparaginska kislina)

3. Značilnosti procesa

Ključne prednosti:

Izdelek je ena sama asparaginska kislina tipa L- z visoko čistostjo (prehrambena stopnja večja ali enaka 99 %, farmacevtska kakovost večja ali enaka 99,5 %), ki ne zahteva nobenih nadaljnjih korakov;

Surovina je obnovljiva biomasa (koruza, saharoza itd.), zaradi česar je zelena in okolju prijazna, v skladu s trendom »ogljične nevtralnosti«;

Proces fermentacije je blag, z nizko porabo energije in minimalnim izpustom odpadkov (odpadno vodo je mogoče prečistiti in reciklirati).Slabosti:

Cikel fermentacije je razmeroma dolg (24-48 ur), zahteva visokokakovostno opremo (potrebni so sterilni fermentorji in spletni sistemi za spremljanje);

Gojenje mikroorganizmov in nadzor nad procesom fermentacije sta težavna (občutljiva za kontaminacijo z drugimi mikroorganizmi, kar zahteva strog nadzor parametrov).

4. Scenariji uporabe

Živilska -razrednost (pijače, začimbe, prehranska dopolnila), -farmacevtska kakovost (vmesni izdelki za zdravila, infuzije aminokislin) in vrhunski-dodatki za krmo so trenutno glavna izbira v industriji.

III. Metoda encimske pretvorbe (visoko-učinkovit zeleni postopek, ki se hitro razvija)

1. Temeljno načelo

Z uporabo fumarne kisline kot substrata aspartaza (EC 4.3.1.1) katalizira adicijsko reakcijo med fumarno kislino in amoniakom, da usmerjeno proizvede L-asparaginsko kislino. Ključna reakcija: Fumarna kislina + NH3 + H2O → L-asparaginska kislina (Encim posebej prepozna substrat in ustvari samo produkt tipa L-)

2. Vrste procesov (razvrščeno po obliki encima)

Metoda pretvorbe s prostimi encimi: aspartazo dodamo neposredno v reakcijski sistem (fumarna kislina + amonijev pufer). Po reakciji se encim in produkt ločita.

Metoda pretvorbe z imobiliziranim encimom (glavni tok): Aspartaza je imobilizirana na nosilcu (kot je natrijev alginat, smola ali nanomateriali), da se oblikuje imobilizirana encimska kolona ali reaktor. Substrat se neprekinjeno pretvarja skozi reaktor.

Prednosti: Encim je mogoče ponovno uporabiti (50-100 serij), kar zmanjša stroške encima; neprekinjena reakcija, visoka učinkovitost proizvodnje; enostavno ločevanje izdelkov.

3. Diagram poteka postopka (metoda z imobiliziranim encimom)

Raztapljanje fumarne kisline → Priprava substrata (prilagodite pH na 8,0-9,0 z amoniakom) → Prehod skozi imobiliziran encimski reaktor (temperatura 25-35 stopinj) → Reakcija pretvorbe (čas zadrževanja 1-2 uri) → Filtracija reakcijske raztopine → Nakisanje in koncentracija → Kristalizacija → Sušenje → Končni produkt

4. Značilnosti procesa

Izjemno visoka učinkovitost: hitra stopnja reakcije (stopnja pretvorbe večja ali enaka 98 %), kratek proizvodni cikel (le nekaj ur, veliko krajši od metod fermentacije);

Izjemno visoka čistost: izdelek nima izomerov, čistost L-asparaginske kisline pa lahko doseže več kot 99,8 %, kar neposredno izpolnjuje zahteve farmacevtske-kakovosti;

Zeleno in ekonomično: Nizki stroški surovin (fumarna kislina), encim za večkratno uporabo in minimalen izpust odpadkov (skoraj brez odpadne vode);

Slabosti: Stroški priprave encima asparaginske kisline so relativno visoki (zahteva mikrobno fermentacijo), stabilnost imobiliziranega nosilca pa vpliva na dolgoročno-učinkovitost delovanja.

5. Scenariji uporabe

Visokokakovostni-farmacevtski intermediati (kot so sintetična protivirusna zdravila in zdravila z aminokislinami), elektronski-materiali ({-čistost asparaginske kisline) in visoko-aditivi za živila so glavne usmeritve za prihodnje nadgradnje procesov, ki trenutno predstavljajo 25 %-30 % industrije.

IV. Inovativni procesi (od laboratorija do pilot-faze)

1. Gensko spremenjene bakterije v kombinaciji z encimsko metodo

S spreminjanjem bakterijskih sevov (kot je E. coli) s tehnologijo CRISPR-Cas9 imajo lahko istočasno sposobnost "proizvodnje encima asparaginske kisline" in "pretvorbe fumarata", s čimer odpravijo potrebo po ločeni pripravi encimov in neposredno dosežejo integrirano "fermentacijo + pretvorbo", s čimer zmanjšajo stroške.

2. Membransko ločevanje skupaj s fermentacijo/encimsko metodo

Uvedba keramičnih membran ali nanofiltracijskih membran med fermentacijo ali encimsko pretvorbo omogoča-ločevanje produktov (asparaginske kisline) v realnem času, izogibanje inhibiciji produkta, izboljšanje stopnje pretvorbe in učinkovitosti proizvodnje ter poenostavitev naslednjih korakov čiščenja.

3. Bioelektrokatalitična sinteza

Z uporabo mikrobnih gorivnih celic se L-asparaginska kislina sintetizira z elektrokatalitskimi reakcijami z uporabo ogljikovega dioksida in amoniaka kot surovin. Ta metoda je zelena in trajnostna, vendar je trenutno še v laboratorijski fazi in še ni industrializirana.

Primerjalna tabela osnovnih procesov

Trendi razvoja industrije

Od »Kemične sinteze« do »Bioproizvodnje«: Encimske in fermentacijske metode postajajo glavne tokove, medtem ko se kemična sinteza postopoma umika s tržišča visoke-cenov;

Nenehna optimizacija encimskih procesov: Encimsko inženirstvo (usmerjena evolucija) izboljšuje stabilnost in ponovno uporabnost encimov, kar zmanjšuje stroške;

Razvoj integriranega procesa: tehnologija-pretvorbe-ločevanja fermentacije skrajša procese in izboljša učinkovitost;

Zelena in nizko{0}}ogljična usmerjenost: surovine se premikajo od fosilnih-osnov (npr. anhidrid maleinske kisline) k bio-osnovani (npr. bio-fermentacija fumarne kisline), kar zmanjšuje ogljični odtis.