CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG NGÀNH HÓA CHẤT VÀ DƯỢC PHẨM

Các sản phẩm của ngành công nghiệp hoá chất và dược phẩm đóng góp cho nền kinh tế, sự tiến bộ về chất lượng cuộc sống, sức khoẻ hàng ngày, dinh dưỡng và bảo vệ môi trường Các sản phẩm của ngành công nghiệp hoá chất và dược phẩm đóng góp cho nền kinh tế, sự tiến bộ về chất lượng cuộc sống, sức khoẻ hàng ngày, dinh dưỡng và bảo vệ môi trường Các sản phẩm của ngành công nghiệp hoá chất và dược phẩm đóng góp cho nền kinh tế, sự tiến bộ về chất lượng cuộc sống, sức khoẻ hàng ngày, dinh dưỡng và bảo vệ môi trường

TRƯỜNG ĐAI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

KHOA KĨ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ SINH HỌC Thuyết trình: CƠ SỞ CÔNG NGHIỆP CÔNG NGHỆ SINH HỌC

CHẤT VÀ DƯỢC PHẨM

Thành viên

• Nguyễn Thanh Hưng 1511399

• Thân Thị Thanh Trúc 1513762

• Thân Văn Huỳnh Đức 1510813

• Ung Ngọc Phương Tâm 1512938

• Phan Phước Hồng Ân 1510128

1 Giới thiệu

Các sản phẩm của ngành công nghiệp hoá chất và dược phẩm đóng góp cho nền kinh tế, sự tiến bộ về chất lượng cuộc sống, sức khoẻ hàng ngày, dinh dưỡng và bảo vệ môi trường

3

1 Giới thiệu

Nhằm giảm thiểu những bất lợi đáng kể ảnh hưởng của

việc sử dụng và sản xuất hóa chất đối với môi trường và

sức khoẻ con người đòi hỏi sự cải tiến liên tục ở nhiều cấp

độ

1 Giới thiệu

Hạn chế sử dụng dung môi hữa cơ

Các chuyển hóa vi sinh

là hiện đại và tối ưu nhất

trong công nghiệp

1 Kháng sinh họ Beta Lactam

6

Là những kháng sinh có cấu trúc azetidin-2-on (còn

được gọi là vòng Beta- Lactam) – 1 vòng amid 4 cạnh

Thuốc kháng sinh β-lactam đầu tiên có sẵnlactam đầu tiên có sẵn

Penicillin V (Phenoxy penicillin) Penicillin G (Benzyl penicillin)

Beta-Lactam

Cephalosporin Penicillin

Vòng Beta-Lactam

Hạt nhân

1 0

6-lactam đầu tiên có sẵnaminopenicillanic acid (6-lactam đầu tiên có sẵnAPA) 7-lactam đầu tiên có sẵnaminocephalosporanic acid (7 –ACA) hoặc

7-lactam đầu tiên có sẵnADCA

Chuỗi phụ

1 1

Có 2 chuỗi phụ quan trọng là D-phenylglyxin (D-PG)

và D-hydroxyphenylglycine (D-HPG)

1 2

Sức đề kháng vi sinh vật ngày càng tăng

=> cải thiện hoạt tính

Tách biệt nhân Betalactam, thay thế chuỗi

phụ

Tìm kiếm dẫn xuất hoạt động (Penicillin,

Cephalosporin bán tổng hợp)

Penicillin bán tổng hợp

Để nhận được các Penicillin bán tổng hợp gắn kết các

mạch nhánh (các gốc Acyl R) khác nhau vào phần 6-APA

6-lactam đầu tiên có sẵnAPA

Penicillin bán tổng hợp

Trong công nghiệp 6-APA trước hết được điều chế từ Penicillin G bằng phương pháp hóa học, nhưng sau đó chủ yếu bằng enzyme deacylate

=> hiệu suất cao và công nghệ đơn giản, giá thành hạ, giảm chi phí xử lý chất thải

Cephalosporin bán tổng hợp

Cephalosporin bán tổng hợp gắn kết các mạch nhánh (các gốc Acyl R) khác nhau vào phần 7-ACA hoặc 7-ADCA

Loại bỏ chuỗi bên tạo 7-ACA & 7-ADCA bằng

phương pháp sử dụng enzym acyl hóa để thay thế các phương pháp hóa học phức tạp và giá thành cao hơn và giảm việc xử lý các chất thải hóa học độc hại

Cephalosporin bán tổng hợp

2.2 Chiral building blocks

 Một tập hợp các nghiên cứu đã cho rằng :

• Sự tổng hợp các chất sinh học bất đối xứng

Thành công về quy mô nghiên cứu

Cạnh tranh trên quy mô công nghiệp.

• Sản xuất phân sinh học sử dụng enzyme hydrolase được thiết lập trên toàn cầu và hơn 100 phản ứng sinh học được thực hiện trên quy mô công nghiệp

Thay thế các phản ứng oxy hóa bằng các phản ứng enzyme

2.2 Chiral building blocks

• Quy mô lớn đầu tiên có chất xúc tác sinh học là Baeyer-Villiger oxidation đã được thành lập

+ Làm giảm nguy cơ nguy hiểm của phản ứng oxy hóa

+Nó có được thực hiện theo một cách có sự bố trí nhất định trong không gian

• Lợi ích của sản xuất biocata-lytic không chỉ ở sản phẩm mà còn thu được kiến thức về các tuyến không được chọn

2.3 Building Blocks for Polymers

• Hầu hết building block polymers là hóa chất số lượng lớn và

được sản xuất với số lượng lớn.

• Nó là một lĩnh vực khó để xâm nhập vào ngành công nghiệp

sinh học.

• Tuy nhiên một vài thành công đáng kể đã được báo cáo trong

hai thâp kỉ qua.

2.3 Building Blocks for Polymers

2.3 Building Blocks for Polymers

 Acrylamide

• Vào những năm 1970, một vi sinh vật đã được phát hiện

có thể phát triển trên acrylonitrile

Axit acrylic

• Chủng vi sinh vật được sử dụng ban đầu là Pseudomonas chloraphis

nhưng sau đó quá trình này được tối ưu và Rhodococcus

rhodochrous được thay thế

2.3 Building Blocks for Polymers

 Acrylamide

2.3 Building Blocks for Polymers

 Acrylamide

Lợi ích của quá trình

• Chạy ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với quá trình hóa học : 0-10 o C

• Tránh trùng hợp tự nhiên

• Thanh lọc và tinh sạch sau đó

• Yếu tố điều kiện kinh tế : 500 g / l chất nền khi cố định trong polyacrylamide sản phẩm polymerized của nó.

2.3 Building Blocks for Polymers

• Quá trình enzyme lần đầu tiên được thương mại hóa bởi Nitto Chemicals

 Acrylamide

• SNF (Pháp) và Evonik Industries (Đức), với sản

lượng trên 250.000 tấn trên toàn cầu năm.

2.3 Building Blocks for Polymers

 Axit polylactic

• Được thương mại hóa bởi Cargill và Dow Chemical

• Một loại polymer có tiềm năng thương mại lớn có thể đưa vào sản xuất công nghiệp công nghệ sinh học

2.3 Building Blocks for Polymers

 Axit polylactic

• Axit polyclactic (PLA) có các tính chất tương đương với

polyethylene và polypropylene

• Nó ít chịu nhiệt nhưng dễ phân hủy hơn

• Công ty liên doanh NatureWorks (nay thuộc sở hữu của

Cargill) có nhà máy PLA ở Blair (Nebraska) từ năm 2002 với công suất sản xuất 140.000 tấn / năm

2.3 Building Blocks for Polymers

 Axit polylactic

2.4 Fine chemical : Statins

 Hàm lượng cholesterol tăng là một mối quan tâm ngày càng tăng lên sức khoẻ của con người

 Một loại thuốc giảm cholesterol như atorva-statin là loại thuốc bán chạy nhất hiện nay trên toàn thế giới

Statins ?????

2.4 Fine chemical : Statins

• Statins là chất ức chế của HMG-CoA reductase, một enzyme thiết yếu trong luận án sinh học về cholesterol.

• Chúng bao gồm một lõi của nhiều vòng, có thể là

annel-lated (ví dụ, lovastatin) hoặc được thay thế bằng các vòng khác

2.4 Fine chemical : Statins

 Ưu điểm chính

• Phản enzymatic cyanation là phản ứng là sạch sẽ và không có sản

phẩm phụ nào khó loại bỏ được hình thành

• Các sản phẩm phụ điển hình trong quá trình hóa học hóa học của

gây ra sự xuống cấp của sản phẩm nếu không có biện pháp phòng ngừa đặc biệt

• Quy trình Codexis đã giành Giải thưởng Hóa học Xanh của Tổng

thống năm 2006.

2.4 Fine chemical : Satins

 Ngoài ra Diversa đã xây dựng một tuyến đường

thành công cho cùng một khối xây dựng cho các statins như ban đầu được sản xuất bởi Codexis

9.2.5 Amino acid

L-Glutamate: muối của acid Glutamic, dùng để tăng

hương vị của thực phẩm

L-phenylalanine: là thành phần của chất làm ngọt

nhân tạo không cần saccarose

L-lysine: được sử dụng làm thực phẩm và phụ gia

thực phẩm

Amino axit là sản phẩm cực kỳ quan trọng trong các ngành công nghiệp,

đặc biệt là trong ngành công nghiệp thực phẩm và hương liệu

Hai amino acid nhân tạo và được ứng dụng nhiều là

L-tert-leucine và D-valine

• Sản lượng dưới 10 tấn/năm và hợp chất được

sử dụng cho các sản phẩm có giá trị cao

• Được sử dụng như một chất xúc tác trong

ngành công nghiệp dược phẩm

• Độ tinh khiết là yếu tố then chốt quyết định giá

trị của sản phẩm

L-tert-leucine

Quy trình sản xuất L-tert-leucine của cty Evonik

• Là thành phần cấu tạo của thuốc trừ sâu tau-fluvalinate (loại

thuốc trừ sâu không gây độc với con trùng có lợi)

• Tau-fluvalinate thuốc trừ sâu loại pyrethroid

• Prethroid tự nhiên được gọi là Pyrethrin Pyrethrin có trong họ hoa cúc Pyrethrin tự nhiên tương đối dễ dàng bị phân hủy

bằng các enzyme bên trong côn trùng các biến thể được tổng hợp nhân tạo (pyrethroids) đã khắc phục được nhược điểm này

D-valin

tau-fluvalinate

Quy trình sản xuất D-valin

9.2.6 Thuốc nhuộm màu chàm

(Indigotin)

• Là một hợp chất màu xanh đậm

• Được sử dụng như một thuốc nhuộm vải của

hầu hết người phương tây

• Ban đầu, nó là một hợp chất tự nhiên có nguồn gốc từ thực vật gọi là "Indigofera tinc-toria’’

• Sau đó nó được sản xuất công nghiệp từ đầu thế kỷ XX dựa trên chuỗi hóa hoá học, tuy nhiên quá trình tổng hợp hóa học lại sản sinh ra nhiều chất độc và ung thư như nitrobenzene

• Một cách ngẫu nhiên các nhà khoa học ở Amgen đã tìm ra cách sản xuất bằng cách chuyển gen cho E.coli

• Ban đầu người ta có chuyển gen nhằm

mục đích acid salicylic Tuy nhiên, E.coli lại sản sinh ra indole (tiền chất của indogotin) trong môi trường glucose

• E.coli lại sản sinh ra indole (tiền chất của indogotin) trong môi trường glucose nhờ sự phá vỡ cấu trúc phân tử trytophan

• Sau đó indole lại bị oxy hóa thành indoxyl nhờ enzyme naphthalene dioxygenase

• Indoxyl sẽ bị oxy hóa bởi không khí để tạo thành Indigotin

9.3 Các quá trình sinh học:

kinh doanh và tâm nhìn thương mại

• Đa phần nguyên liệu từ ngành công nghiệp hóa chất đều xuất phát

từ nguồn nguyên liệu hóa thạch: polymer, ester

• Công nghệ sinh học công nghiệp đã được thiết lập tốt trong ngành công nghiệp hóa chất trong nhiều thập kỷ, sử dụng nguồn Carbon

từ đường mía, củ cải hoặc thủy phân tinh bột bắp

• Các sản phẩm của ngành CNSH đã được sản xuất với số lượng lớn như axit amin cho thức ăn gia súc (1 triệu tấn mỗi năm, cty: Evonik, ADM,

Ajinomoto), vitamin (cty DSM) và enzyme tẩy rửa (cty Novozymes,

Henkel).

• Các nguyên liệu được chuyển hóa từ dầu mỏ thì ko thể dùng để làm

nguyên liệu cho các sản phẩm trên

• Ngày nay với sự tăng trưởng của giá dầu đã làm giảm lợi thế cạnh

tranh của ngành công nghiệp hóa chất

• 1998 chi phí cho mỗi thùng dầu khoáng là 17 USD so với 88 USD đối với dầu đậu nành, nhưng ngày nay chi phí sản xuất của 2 sp trên là

• Các quá trình sinh học sẽ thu hút các nhà đầu tư khi họ nhận ra nền

tảng của công nghệ sinh học đó là: các chất trung gian cơ bản cho

ngành công nghiệp hóa học như axit lactic, 1,3-propanediol, axit

succinic,, n-butanol, itaconic acid đều được tạo ra bởi các quá trình trao đổi chất của vi sinh vật

9.4 AN TOÀN, SỨC KHOẺ VÀ QUAN ĐIỂM MÔI

9.4 AN TOÀN, SỨC KHOẺ VÀ QUAN ĐIỂM MÔI

o Sự ổn định bị giới hạn và dung sai của các phản

ứng xác định phải là được đưa vào bản tính toán

9.4 AN TOÀN, SỨC KHOẺ VÀ QUAN ĐIỂM MÔI

9.4 AN TOÀN, SỨC KHOẺ VÀ QUAN ĐIỂM MÔI

9.5 Viễn cảnh

Công nghệ sinh học - đóng một vai trò quan

trọng vì vấn đề tinh sạch nghiêm ngặt

 Do đó sự chọn lọc nổi tiếng của enzyme

được khai thác triệt để

Công nghệ sinh học công nghiệp cung cấp các hóa chất, vật liệu, nhiên liệu và dược phẩm một cách bền vững

9.5 Viễn cảnh

o Từ nguyên liệu thô, trung gian đến sản phẩm tiêu dùng

 Các sản phẩm chức năng chiếm ưu thế

o Giá trị của các phân tử phụ thuộc nhiều vào hiệu suất

cuối cùng của sản phẩm so với chi phí sản xuất

(COGS)

o Lợi nhuận trong ngành này cao hơn các ngành khác,

cho phép chi phí sản xuất của các chất xúc tác sinh học (tối ưu hoá) sẽ được giảm bớt

9.5 Viễn cảnh

Công nghệ sinh học công nghiệp cũng đã thâm nhập thành công polyme và ngành nguyên liệu

Axit polyclactic (PLA) là một ví dụ điển hình có một

số đặc điểm chung với polyethylene và

polypropylene hiện có

9.5 Viễn cảnh

Giá thị thể hiện bằng mối tương quan giữa giá dầu thô và chỉ số của các polyme hóa dầu.

9.5 Viễn cảnh

9.5 Viễn cảnh

- 93% lượng dầu thô trên toàn cầu đi vào sản xuất

năng lượng

- 7% là tiêu thụ trong ngành công nghiệp hóa chất

Tác động ngày càng tăng của thị trường năng lượng đối với giá các chất sinh học đã trở nên rõ ràng

9.5 Viễn cảnh

Sản xuất ethanol sinh học tạo ra nhu cầu thị trường đối với nguyên liệu đường

 Mối tương quan giữa đường, ethanol, và giá dầu

Chi phí của dầu và đường có tương quan với 85%

9.5 Viễn cảnh

Năng lượng:

Xăng 32 MJ / l

Ethanol 21 MJ / l

Dựa trên năng lượng tương đương:

Xăng là 60 USD / thùng dầu

Ethanol là 400 euro / tấn

Bioethanol hạn chế chi phí carbon tối đa cho sản xuất lên tới 238 euro / tấn

Liệu các polyme công nghệ sinh học như PLA có khả năng cạnh

tranh trong các thị trường nguyên liệu như mô tả?

Dựa trên số liệu công bố về kinh tế của PLA:

• Năng suất của monome acid lactic là 90%

• Trùng hợp 80%

• Khoảng 40-50% tổng giá vốn hàng bán của PLA có liên

quan đến axit lactic

• Khoảng 30% liên quan đến carbon nguồn đường

Chi phí đường giới hạn lợi nhuận có thể ước tính được:

mức giá bán lẻ khoảng 1100 euro / tấn PLA không được

vượt quá € 210 / t - hơi thấp hơn giá thị trường hiện tại

9.5 Viễn cảnh:

- McKinsey ước tính tổng lượng bán hàng của công nghệ sinh học công nghiệp là 77 tỷ đô la Mỹ trong năm 2006 như được thể hiện trong Hình 9.9 [49]

- Khối lượng bán hàng này chỉ chiếm khoảng 5% khi nhìn vào toàn ngành

9.5 Viễn cảnh:

9.5 Viễn cảnh:

- Mặc dù có sự phức tạp và thay đổi qua lại giữa các

nguyên liệu và thị trường sản phẩm, điều quan trọng là công nghệ sinh học công nghiệp bỏ lại đằng sau doanh

số bán hàng 5% trong ngành công nghiệp hóa chất

- Hàng năm có hàng triệu tấn hóa chất số lượng lớn

được sản xuất và không phải là một nhiệm vụ dễ dàng

để thay thế các quy trình này bằng các quá trình sinh học sạch

9.5 Viễn cảnh:

Ví dụ đề cập đến việc sản xuất phenol:

- Sản xuất dựa trên benzene có nguồn gốc hóa thạch (Sơ đồ 9.15).

- Sản xuất dựa trên nguồn nguyên liệu sinh học (Đề án 9.16).

- Sản xuất dựa trên sự tổng hợp polyketide (Đề án 9.17).

Sản xuất dựa trên benzene có nguồn gốc hóa thạch

Sản xuất dựa trên nguồn nguyên liệu sinh học

Sản xuất dựa trên sự tổng hợp polyketide

9.5 Viễn cảnh:

- Thách thức: Chúng ta cần các vi sinh vật có năng suất

cực kỳ cao, kết hợp với độ ổn định và dung sai cao đối với sản phẩm độc hại này

- Để mục đích được hoàn thành, người ta đã báo cáo rằng

có khả năng phân huỷ sinh khối và sử dụng sản phẩm của dầu, chứa nhiều phenol, như một phụ gia cho phenol

"thực" trong sản xuất nhựa phenol-formaldehyde

- Việc thiếu một giai đoạn làm sạch sẽ làm giảm năng

lượng cần thiết, và khí và than củi được sinh ra có thể

được sử dụng làm nhiên liệu để sưởi ấm sinh khối.Tiết

kiệm chi phí được cho là cao tới 25%

Kết luận:

Quan điểm về công nghệ sinh học công nghiệp trong ngành hóa học và dược phẩm và đối tác của các ngành khoa học sinh học, hóa học và kỹ thuật có liên quan rất mật thiết cho đến ngày hôm nay và tiếp tục truyền

thống tương tác thành công trong thế kỷ vừa qua, dẫn đến những đóng góp to lớn cho chất lượng cuộc sống con người