Які процеси виробництва аспарагінової кислоти?

Виробничі процесиаспарагінова кислота(L-аспарагінова кислота, причому тип L- є основним у промисловості завдяки своїй ширшій біологічній активності та застосуванню) сформували три основні шляхи: хімічний синтез, біо-ферментацію та ферментативне перетворення. Останніми роками з розвитком екологічної хімії та технологій біовиробництва ферментативні та ферментаційні методи поступово стали основними, тоді як хімічний синтез використовується лише в певних -застосуваннях із низькою чистотою. Нижче наведено докладні принципи, процеси, переваги, недоліки та сценарії застосування кожного процесу.

I. Хімічний синтез (традиційний процес, який поступово припиняється)

1. Основний принцип

Використовуючи малеїновий ангідрид, фумарову кислоту або малеїнову кислоту як сировину, реакцію приєднання проводять з аміаком (або рідким аміаком) для отримання солі аспартату амонію. Після підкислення, кристалізації, поділу та очищення отримують аспарагінову кислоту. Ключова реакція: фумарова кислота + аміак → аспартат амонію → підкислення та кристалізація → L/D-аспарагінова кислота (рацеідна суміш)

2. Характеристики процесу

Простий процес: сировина є легкодоступною (малеїновий ангідрид і фумарова кислота є основною хімічною сировиною), умови реакції м’які (кімнатна температура і тиск або середня і низька температура), а інвестиції в обладнання невеликі;

Істотні недоліки:

• Продукт є рацемічною сумішшю L- і D-аспарагінової кислоти (співвідношення 1:1), що потребує додаткового розділення (наприклад, хімічного розділення, оптичного розділення) для отримання високо{6}}чистої L-аспарагінової кислоти, що є громіздким і збільшує витрати;
• Чистота продукту відносно низька (промисловий рівень зазвичай становить 95%-98%), що не може відповідати вимогам високої чистоти для фармацевтичних і харчових сортів;
• Утворюється певна кількість кислих стічних вод, що створює значну проблему очищення навколишнього середовища.

3. Сценарії застосування

Використовується лише в сценаріях із -доданою вартістю-, наприклад промислових{2}}реагентів для очищення води (сировина поліаспарагінової кислоти) і кормових добавок (високої чистоти не вимагається), наразі це менше 10% галузі.

II. Метод біо-ферментації (поточний основний процес, що становить понад 60%)

1. Основний принцип

Використовуючи метаболічні шляхи мікроорганізмів (бактерій або грибів), використовуючи глюкозу, сахарозу, кукурудзяний крохмаль тощо як джерела вуглецю, L-аспарагінова кислота синтезується напряму шляхом бродіння (мікробна ферментна система сама по собі уникає утворення рацемічних сумішей). Основні штами: Corynebacterium glutamicum, Escherichia coli, Brevibacterium flavum (створені за допомогою генної інженерії для оптимізації виробництва кислоти).

2. Схема процесу

Попередня обробка сировини (гідроліз крохмалю → розчин глюкози) → Підготовка культурального середовища (джерело вуглецю + джерело азоту + мікроелементи) → Інокуляція мікроорганізмів → Культивування у ферментаційному резервуарі (контроль температури 30-37 градусів, pH 6,5-7,5, швидкість аерації) → Фільтрація ферментаційного бульйону (видалення бактеріальних клітин) → Концентрація та кристалізація → Центрифугування → Сушка → Продукт (L-аспарагінова кислота)

3. Характеристики процесу

Ключові переваги:

Продукт являє собою одну аспарагінову кислоту L-типу високої чистоти (харчова якість більше або дорівнює 99%, фармацевтична якість більше або дорівнює 99,5%), що не потребує подальших кроків;

Сировиною є відновлювана біомаса (кукурудза, сахароза тощо), що робить її екологічно чистою, відповідно до тенденції «вуглецевої нейтральності»;

Процес бродіння є м’яким, з низьким споживанням енергії та мінімальним скиданням відходів (стічні води можна очищати та переробляти).Недоліки:

Цикл бродіння є відносно довгим (24-48 годин), що вимагає високоякісного обладнання (потрібні стерильні ферментери та системи онлайн-моніторингу);

Культивування мікроорганізмів і контроль процесу бродіння складні (сприйнятливі до зараження іншими мікроорганізмами, що вимагає суворого контролю параметрів).

4. Сценарії застосування

Харчові-класи (напої, приправи, харчові добавки),-фармацевтичні-класи (лікарські проміжні продукти, амінокислотні інфузії) та високоякісні-кормові добавки наразі є основним вибором у галузі.

III. Метод ферментативної конверсії (високо-ефективний екологічний процес, що швидко розвивається)

1. Основний принцип

Використовуючи фумарову кислоту як субстрат, аспартаза (EC 4.3.1.1) каталізує реакцію приєднання між фумаровою кислотою та аміаком для спрямованого утворення L-аспарагінової кислоти. Ключова реакція: Фумарова кислота + NH3 + H2O → L-аспарагінова кислота (Фермент спеціально розпізнає субстрат, утворюючи лише продукт типу L-)

2. Типи процесів (класифіковані за формою ферменту)

Метод конверсії вільного ферменту: аспартазу безпосередньо додають до реакційної системи (фумарова кислота + аміачний буфер). Після реакції фермент і продукт розділяють.

Метод конверсії іммобілізованого ферменту (основний): аспартазу іммобілізують на носії (такому як альгінат натрію, смола або наноматеріали) для формування іммобілізованої ферментної колонки або реактора. Субстрат безперервно перетворюється через реактор.

Переваги: ​​Фермент можна використовувати повторно (50-100 партій), зменшуючи витрати на фермент; безперервна реакція, висока ефективність виробництва; просте розділення продукту.

3. Блок-схема процесу (метод іммобілізованого ферменту)

Розчинення фумарової кислоти → Підготовка субстрату (доведіть pH до 8,0-9,0 за допомогою аміаку) → Проходження через іммобілізований ферментний реактор (температура 25-35 градусів) → Реакція конверсії (час перебування 1-2 години) → Фільтрування реакційного розчину → Підкислення та концентрація → Кристалізація → Сушка → Готовий продукт

4. Характеристики процесу

Надзвичайно висока ефективність: швидка швидкість реакції (коефіцієнт конверсії більше або дорівнює 98%), короткий виробничий цикл (лише кілька годин, набагато коротше, ніж у методів ферментації);

Надзвичайно висока чистота: продукт не містить ізомерів, а чистота L-аспарагінової кислоти може досягати понад 99,8%, що безпосередньо відповідає вимогам фармацевтичного-класу;

Екологічний та економічний: низька вартість сировини (фумарова кислота), багаторазовий фермент і мінімальний скид відходів (майже відсутність стічних вод);

Недоліки. Вартість приготування ферменту аспарагінової кислоти є відносно високою (потрібна мікробна ферментація), а стабільність іммобілізованого носія впливає на -тривалу ефективність роботи.

5. Сценарії застосування

Фармацевтичні проміжні-продукти високого класу (такі як синтетичні противірусні препарати та амінокислотні препарати), електро-матеріали (-аспарагінова кислота-високої чистоти) та високоякісні-харчові добавки є основними напрямками для майбутньої модернізації процесів, на які наразі припадає 25%-30% галузі.

IV. Інноваційні процеси (від лабораторії до пілотного-етапу)

1. Генетично модифіковані бактерії в поєднанні з ферментним методом

Завдяки модифікації штамів бактерій (таких як E. coli) за допомогою технології CRISPR-Cas9 вони можуть одночасно володіти здатністю «виробляти фермент аспарагінової кислоти» та «перетворювати фумарат», усуваючи потребу в окремому приготуванні ферменту та безпосередньо досягаючи інтегрованої «ферментації + перетворення», таким чином зменшуючи витрати.

2. Мембранне розділення в поєднанні з ферментативним/ферментативним методом

Введення керамічних мембран або нанофільтраційних мембран під час ферментації чи ферментативної конверсії дозволяє-розділяти продукти (аспарагінова кислота), уникаючи інгібування продукту, покращуючи швидкість конверсії та ефективність виробництва, а також спрощуючи наступні етапи очищення.

3. Біоелектрокаталітичний синтез

За допомогою мікробних паливних елементів L-аспарагінова кислота синтезується за допомогою електрокаталітичних реакцій із використанням вуглекислого газу та аміаку як сировини. Цей метод є екологічно чистим і стійким, але наразі він все ще знаходиться на лабораторній стадії та ще не був індустріалізований.

Порівняльна таблиця основних процесів

Тенденції розвитку галузі

Від «хімічного синтезу» до «біовиробництва»: ферментативні методи та методи бродіння стають основними, тоді як хімічний синтез поступово відходить від-ринку високого класу;

Постійна оптимізація ферментативних процесів: ензимна інженерія (спрямована еволюція) покращує стабільність ферментів і повторне використання, знижуючи витрати;

Інтегрована розробка процесу: технологія-конверсії-сепарації з ферментацією скорочує процеси та підвищує ефективність;

Зелена та низька-вуглецева орієнтація: сировина переходить від викопного-(наприклад, малеїнового ангідриду) до біо-основи (наприклад, біо-ферментація фумарової кислоти), зменшуючи вуглецевий слід.