ứng dụng enzyme trong thương mại

Hệ thống xúc tác sinh học, bao gồm cả dầu thô và các enzym tinh khiết cũng như hệ thống toàn bộ tế bào thực hiện các phản ứng có tính chọn lọc trong điều kiện nhẹ, được sử dụng rộng rãi

BỘ CÔNG THƯƠNGTRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CNSH & KTMT

TIỂU LUẬN MÔN: CÔNG NGHỆ ENZYME

M C L C Ụ Ụ

1 Ứng dụng trong thương mại

1.1 Tổng quát

Kể từ những năm 1970 chuyển hoá sinh học đã trở thành một công cụ được thiết lập trongcác ngành công nghiệp hóa chất Hệ thống xúc tác sinh học, bao gồm cả dầu thô và các enzym tinh khiết cũng như hệ thống toàn bộ tế bào thực hiện các phản ứng có tính chọn lọc trong điều kiện nhẹ, được sử dụng rộng rãi , đặc biệt là trong tổng hợp và sản xuất các hợp chất hoạt tính sinh học trong lĩnh vực hoá chất nông nghiệp và dược phẩm

Xúc tác sinh học đã được chứng minh trong nhiều trường hợp để ức chế tổng hợp

sản phẩm riêng Do đó, nhu cầu thuốc thử độc hại, sự hình thành của các tạp chất cụ thể hoặc các sản phẩm phụ có thể tránh được Hơn nữa, xúc tác sinh học có thể cung cấp tuyệt vời regio và stereo selectivity, và con số doanh thu cao hơn nhiều so với các chất xúc tác hóa học là có thể Vì vậy, nó không phải là đáng ngạc nhiên rằng xúc tác sinh học cũng đã tìm thấy một vị trí quan trọng trong phương thức công nghiệp để sản xuất các hợp chất đối xứng tinh khiết (EPC, xem hình 94) Doanh số bán hàng báo cáo của EPC vượt quá $ 100 _ 109 vào năm 1999 lần đầu tiên

Trong tổng hợp quy mô lớn, hiệu quả chi phí và giảm thiểu các vấn đề môi trường

là những yếu tố quan trọng nhất trong phát triển thành công các quá trình Chi phí cho hệ thống xúc tác, tách, và trong nhiều trường hợp phục hồi của quá trình tổng hợp là rất quantrọng và được tối ưu hóa Một yếu tố quan trọng trong tính toán chi phí là''

số tiêu thụ chất xúc tác'' (so sánh với các TON trong xúc tác đồng nhất tinh khiết) cho mỗi

kg sản phẩm sản xuất Trong trường hợp của một loại enzyme, con số này thể hiện có bao nhiêu đơn vị enzyme hoặc gam sinh khối đang ngừng hoạt động và phải được thay thế trong quá trình sản xuất 1 kg sản phẩm Vì vậy, sự ổn định thường là quan trọng hơn hoạt động Các xúc tác sinh học phù hợp nhất, có thể là một enzyme nội bào hoặc một loại enzyme cố định, hoặc một hệ thống toàn các tế bào, phải được lựa chọn cẩn thận Điều tratổng kỹ thuật phản ứng (bao gồm cả hệ thống phản ứng) cho điều kiện phản ứng tối ưu, phản ứng và bể phản ứng động học, cũng như chế biến tốt, cung cấp cơ hội cao nhất để thành công

Các ví dụ được lựa chọn ở đây có tính chất thương mại có liên quan và tập trung vào chủ

đề cụ thể thảo luận ở trên Họ chứng minh lợi thế của xúc tác sinh học trong việc chuyển đổi nhóm chức năng và cấu hình, độ phân giải đẳng phân , và tổng hợp bất đối xứng

1.2 Chọn lọc phản ứng với chất xúc tác sinh học

Ngay cả đối với đơn giản, chuyển đổi chọn lọc của các nhóm chức năng, phương

pháp xúc tác sinh học có thể cạnh tranh cao so với quy trình chuẩn hóa

Hình 94: Sản xuất công nghiệp áp dụng phương pháp tiếp cận để đối xứng hợp chất tinh khiết (EPC)

Điều này đã được chứng minh bởi Nitto Chemical Industries (nay Mitsubishi Rayon) với sản xuất chất xúc tác acrylamide, một khối xây dựng cơ bản đối với polyme và copolyme,được sản xuất với số lượng trên 200000 tấn / năm [1231] Các con đường chuyển hóa xúc tác để acrylamide (32) sử dụng một chất xúc tác giảm đồng Raney cho hydrat hóa Quá trình kim loại xúc tác này đã được chứng minh để hydrat hóa axít xúc tác, nhưng ngộ độc chất xúc tác và nước thải , do dùng kim loại nặng gây ra một số vấn đề [1232], [1233]

Nitto công nghiệp hóa chất phát triển và thành lập một cách khác để sản xuất

acrylamide bởi một sự bổ sung enzym xúc tác của nước acrylonitrile, sử dụng

cố định tế bào của vi khuẩn Rhodococcus sp N-774 và sau đó là một chủng đột biến tối

ưu hóa Pseudomonas chloraphis B 23 [1232], [1234], [1235] Sử dụng một cấu trúc

corban có chứa Nitrile hydratase cải thiện cao từ Rhodococcus rhodochrous J1, nó có thể

đạt tới 700 g /L acrylamide trong dung dịch phản ứng Nhiệt độ phản ứng cho chất xúc tác

là đồng hydrat hóa là khoảng 100oC, trong khi quá trình enzym được thực hiện dưới 100C.Sản xuất acrylamide Nitto sử dụng vi khuẩn nitrile hydratase là ước tính

Hình 95: So sánh các vi sinh vật và hóa học quá trình thông thường để sản xuất

acrylamide

để sản xuất khoảng 30 000 tấn / năm, tiêu thụ ít năng lượng hơn, và tránh các vấn đề kim loại nặng trong nước thải Trong hình 95, quy trình sản xuất chất xúc tác sinh học và hoá học cho acrylamide được so sánh

Ngoài ra, việc chuyển đổi nitriles thơm để axit cacboxylic hoặc Amit đã được áp dụng để sản xuất hóa chất tốt Ví dụ, Lonza báo cáo sản xuất chất xúc tác sinh học của

niacinamide bắt đầu từ 3 cyanopyridine [1236] là cho biết rằng quá trình này sẽ được thực hiện trong tương lai trên nhiều ngàn tấn trên mỗi năm

Công nghệ mới này, cũng phát triển ở Lonza, đã được áp dụng thành công trên quy mô công nghiệp trong sản xuất acid 5-methylpyrazine-2-carboxylic, một khối xây dựng linh hoạt cho dược phẩm [1236]

Đáng chú ý là sự hình thành chất xúc tác sinh học của một nhóm methyl qua phản ứng khử carboxyl cũng có thể được thực hiện trên một quy mô kỹ thuật Ứng khử carboxyl của L-asparagin trong sự hiện diện của một aspartate-4-decarboxylase (EC 4.1.1 12) cho phép một tổng hợp của L-alanine riêng [1237]

Một ứng dụng khác của nonstereoselective thương mại là chuyển đổi chất xúc tác sinh học của các nhóm methyl cho axit cacboxylic Công nghệ mới này, cũng phát triển ở Lonza, đã được áp dụng thành công trên quy mô công nghiệp trong sản xuất acid 5-

methylpyrazine-2-carboxylic, một khối xây dựng linh hoạt cho dược phẩm [1236]

Đáng chú ý là sự hình thành chất xúc tác sinh học của nhóm amethyl thông qua khử cacbon cũng có thể được thực hiện trên quy mô kĩ thuật Sự khử cacbon của L-asparagine

trong sự hiện diện của một aspartate-4-decarboxylase (E.C 4.1.1.12) cho phép loại bỏ tổng hợp L-alanine.

1.3 Quá trình phân giải chất xúc tác sinh học

Quy mô công nghiệp, độ phân giải hợp chất đồng đẳng vẫn còn trong nhiều trường hợp, cách thích hợp của sản xuất các hợp chất enantiomerically tinh khiết Nếu hợp chất bất đối xứng không có sẵn như vật liệu bắt đầu hoạt quang, so sánh chi phí của quá trình giải quyết bất đối xứng và thường cho thấy lợi thế cho sau này Trong số 15 dược phẩm có hoạt động quang học, một quá trình bất đối xứng hóa học có thể chỉ được thành lập trong trường hợp của naproxen Cho tất cả các sản phẩm khác, và chất xúc tác sinh học

diastereomeric độ phân giải là phương pháp lựa chọn, ngoài việc lên men, để tạo ra các hợp chất quang học tinh khiết

Thông thường, chỉ có một enantiomer là cần thiết, vì vậy, các phương pháp có hiệu quả cao cho sự đồng hóa một chất không mong muốn phải được tích hợp vào quá trình này Bên cạnh những ví dụ điển hình tách muối diastereomeric bằng cách kết tinh, độ phân giải gốc chất xúc tác sinh học là được nhiều hơn và quan tâm nhiều hơn Có một số yếu tốquan trọng mà phải được tối ưu hóa cho phát triển công nghiệp thành công, ví dụ, bề mặt

và các chi phí enzyme (bao gồm cả thu hồi); hóa học, quang học, và sản lượng không-thờigian, số lượng bước phản ứng và định vị của độ phân giải bước trong toàn bộ quá trình;

và chế biến sâu, cùng với cần thiết thiết bị

Trong chất xúc tác sinh học, hydrolases là những lớp học quan trọng nhất của các enzym

để thực hiện các nghị quyết enzyme Nhiều hydrolases, chẳng hạn như esteraza, lipaza, hydrolases epoxide, protease, peptidase, acylases, và amidases, là thương mại có sẵn, một

số lượng đáng kể trong số họ là các enzym số lượng lớn [1238-1240] Hệ thống tế bào nghỉ ngơi, nếu họ không cố định , được sử dụng trong hệ thống treo loãng và có thể được

xử lý như bán đồng nhất chất xúc tác

Enzyme thủy phân của Amit mạch hở Sản xuất axit amin Sử dụng Amino

Acylases: Các Degussa cấu trúc đặc biệt hủy phân của axit N-axylamin bởi

amin acylase I từ Aspergillus oryzae (EC 3.5.1.14) là tốt nhất thành lập quy mô lớn

quá trình cho L- axit amin Cả hai L-và axit D-amino có thể được sản xuất theo công nghệnày Tanabe đã phát triển một quá trình sử dụng một loại enzyme cố định [1241],

[1242], trong khi ở Degussa một quá trình sử dụng có nguồn gốc amin acylase I từ

Aspergillus oryzae trong dung dịch đồng nhất được áp dụng Cho mục đích này, một côngnghệ mới sử dụng một màng lò phản ứng enzyme (EMR) đã được thiết kế, chủ yếu dựa vào công việc của Kula và Wandrey [1243-1245]

Đặc tính chất nền của acylase amin từ Aspergillus oryzae là rất rộng, và một loạt các proteinogenic và nonproteinogenic N-acetyl và N-chloroacetyl axit amin được biến đổi bởi enzyme Enzyme màng bể phản ứng (hình 96) được vận hành liên tục như một bể phản ứng tái chế, và các enzyme giữ lại bởi một màng siêu lọc sợi rỗng (trọng lượng phân

tử cắt bỏ: 10 000 Da)

Sản xuất axit amin Sử dụng Amidases: Quá trình DSM, DSM đã phát triển một

quá trình công nghiệp áp dụng rộng rãi để sản xuất enantiomerically tinh khiết, amin axit thủy phân bởi enantioselective của amit axit amin đổng đẳng Các hợp chất tiền thân

có thể dễ dàng thu được bằng cách thủy phân kiềm của một aminonitriles Các enzymeL- amidase cụ thể (aminopeptidase) đã được tìm thấy trong Pseudomonas putida

(ATCC 12.633), và cho thấy một bề mặt rộng Các phương pháp cho không mong muốn cũng được đồng hoá đồng đẳng enantiomer hợp trong quá trình (Đề án 17) [1248]

Sử dụng enzyme không liên quan

Hình 96: Rác thải lò phản ứng sử dụng cho độ phân giải amin acylase của

N-acetyl-D, L-amino acid

Sản xuất carboxylic acid Sử dụng Amidases: (S)

-2,2Dimethylcyclopropanecarboxylic Acid [(S)-Ibuprofen] (S) - axit

2,2-Dimethylcyclopropanecarboxylic là một chất trung gian để tổng hợp cilastatin (hợp chất hóa học mà ức chế sự nhận enzyme dehydropeptidase), một dehydropeptidase I ức chế Lonza đã phát triển một quá trình công nghiệp hai bước chuyển dạng sinh học bắt đầu từ

sự đồng đẳng của 2,2-dimethylcyclopropane nitrile (34; Đề án 18) Các amidase

stereoselective đã được tìm thấy trong vi khuẩn

Comomonas acidovorans và nhân bản vô tính thành một chủng E.coli phát triển nhanh chóng trong đó sản xuất số lượng lớn các chất xúc tác sinh học [1249], [1250].

Để sản xuất các thuốc giảm đau (S)-ibuprofen từ amide racemic ibuprofen,(S) chọn lọc cóchứa các vi sinh vật amidase thuộc chi Brevibacterium và Corynebacterium, loài đặc biệt Brevibacterium R312, Corynebacterium N771, N774 và Corynebacterium, đã được tìm thấy là chất xúc tác sinh học phù hợp [1251]

Sản xuất 6-APA, 7-ADCA, và 7-ACA Sử dụng Amidases: 6 Aminopenicillanic

axit (6-APA, 35), acid 7-aminocephalosporanic (7-ACA, 36), và

axit 7-aminodesacetoxycephalosporanic (7 -ADCA, 37) là những tiền chất quan trọng nhất cho các kháng sinh b-lactam bán tổng hợp hoạt động cao Trên toàn thế giới sản lượng của chúng vượt quá 20 000 tấn / năm

Trước năm 1980, 6-APA, 7-ADCA được sản xuất chỉ bằng hóa học hữu cơ của

penicillin G và phenacetyl-7-ADCA, có thể thu được bằng cách vòng hóa

mở rộng của penicillin G (Đề án 19) Từ năm 1980, quá trình enzym tránh

việc sử dụng các thuốc thử quan trọng với môi trường với số lượng lớn đã được phát triển [1252-1254] Đáng chú ý là, ngoài lợi thế về môi trường, các con đường tìm thấyenzyme là rẻ hơn đáng kể so với quá trình hóa học

[1255] Enzyme nổi bật nhất là penicillin G amidase (Pen G amidase,

Sơ đồ 16 Quá trình Degussa L-methionine sử dụng acylase

EC 3.5.1.11) [1255], [1256], trong đó ưu tiên thủy phân penicillin G và

penicilin Vas cũng như phenacetyl-7-ADCA mà không ảnh hưởng rộng đến vòng lactam A các môi trường có thể được sử dụng cho sản xuất quy mô lớn của enzyme này, bao gồm E coli [1257] Các penicillin G amidase từ E enzyme coli là một trong những nghiên cứu tốt nhất acylases, và đã được mô tả như là một enzyme sao chép ngược với trọng lượng phân tử của 19 500 và 60 000 Đà cho hai tiểu đơn vị a, b tương ứng [1258] hai tiểu đơn vị a, b, tương ứng [1258] Ngày nay, Pen Gamidase (EC 3.5.1.11) được áp dụng dưới hình thức cố định Một hỗ trợ vững chắc ưa thích là Eupergit C, một loại polymer có chứa hạt chức năng epoxide phản ứng mà liên kết hóa trị ràng buộc để các enzyme [1259] Đáng chú ý là với penicillin Eupergit-cố định G amidase có thể được tái

b-sử dụng lên đến 600 lần Các phản ứng thủy phân enzym trên quy mô công nghiệp được thực hiện tại 30-40oC và pH 7,5-8,0 [1260]

Cho sản xuất công nghiệp 6-APA, 7-ADCA (xem Đề án 19) giá trị chuyển đổi tuyệt vời của ít nhất 98% đã được báo cáo Ngoài ra, sản lượng sản phẩm bị cô lập và chọn lọc cao.Thường là phản ứng công nghiệp được thực hiện hàng loạt

Tóm tắt chi tiết các dữ liệu sản xuất có sẵn trong các tài liệu [1260]

Sơ đồ 17 Quá trình amidase DSM cho enantiomerically tinh khiết một-amino axit

Sơ đồ 18 Sản xuất enzyme của (S) -2,2-dimethylcyclopropane axit cacboxylic

Sơ đồ 19 Sản xuất enzyme của 6-APA, 7-ADCA

7-ACA (36) [1261] được sản xuất trong một quy trình ba bước sử dụng hai enzyme, bắt đầu từ cephalosporin C (sơ đồ 20) Sau khi khử amin của một acid oxidase D-amino, các aketoadipyl-7-ACA tự decarboxylates, và số còn lại bên glutaryl chuỗi được thủy phân bởi glutaryl-7-ACA-acylase

1.3.1 Enzyme acyl hóa của nhóm amin

Sản xuất Ampicillin và Cephalexin: Ngoài việc được sử dụng để sản xuất các tiền thân

của 6 -APA, 7 - ADCA , amidases với penicillin cũng có thể vài 6 -APA, 7-ADCAwith este D- phenylglyxin hoặc amide trong một peptide enzyme kiểm soát động họctổng hợp

để tạo thành ampicillin hoặc cephalexin ( 38,39 ) Những phản ứng (Đề án 21) có

mộttiềm năng lớn cho được sử dụng cho mục dích thương mại hóa trong tương lai gần [ 1262 ]

Sản xuất Amin Sử dụng lipase : Quy trình BASF giải quyết xúc tác sinh học có được áp

dụng có hiệu quả của BASF cho sản xuất của các amin hoạt quang , chẳng hạn như

phenylethylamine [ 1263 ], [ 1264 ] Quá trình này được dựa trên một chất đồng phân chọn lọc có độ phân giải của các amin đồng phân bằng một phản ứng acyl hóa trong sự hiện diện của một lipase như chất xúc tác (Đề án 22) Các sản phẩm thu được năng suất cao và với việc hình thành hình đối xứng đặc biệt Các hình đối xứng không mong muốn

có thể được hỗn hợp đẳng phân sau đó Do đó ,bắt đầu từ một đông đẳng, truy cập hiệu quả ( về mặt lý thuyết với 100% năng suất ) đến (R) – và( S ) - amin có sẵn Công nghệ này, được cho là được thực hiện trên một quy mô lớn hơn1000 t, đã được mở rộng gần đây của BASF cho việc sản xuất rượu chiral

1.3.2 Enzyme thuỷ phân Hydantoin

Sản xuất D-Amino Acids: D- Amino axit amin đóng vai trò quan trọng trong tổng hợp và

sản xuất các hợp chất hoạt tính sinh học Nổi bật nhất Axit D-amino là D- phenylglyxin

và 4 hydroxyphenylglycine

Đề án 20: Sản xuất 7ACA bắt đầu từ cephalosporin C

mà hình thức chuỗi phụ của thuốc kháng sinh bán tổng hợp b -lactam ampicillin,

amoxicillin, vàcephalexin Sản xuất của cả hai axit amin , chất xúc tác sinh học bề mặt tế bào được phát triển, có chứa một D- hydantoinase và đôi khi cũng là một D-

carbamoylase và một racemase [ 1265 ] D- hydantoinase có thể biến đổi một racemic 5 monosubstitutedhydantoin vào axit D- hydantoic ; L- hydantoin có thể racemize tại pH kiềm của hỗn hợp phản ứng Khi carbamoylase và Hiện nay racemase đều xảy ra chuyển đổi hoàn toàn với axit D-amino Các racemase có thể hỗ trợ hydantoin raxemic hóa nếu quá trình đó quá chậm theo phản ứng điều kiện phản ứng Nếu không có sự carbamoylasegiải phóng acid D-amino phải thực hiện bởi nitro hóa của axit hydantoic

Đề án 21: Enzyme tổng hợp Ampicillin và cephalexin

Đề án 22: Quá trình BAFS cho sản xuất amine