Hver eru framleiðsluferlar aspartínsýru?

Framleiðsluferlar áasparasýra(L-asparsýra, þar sem L-gerðin er meginstraumurinn í iðnaði vegna víðtækari líffræðilegrar virkni hennar og notkunar) hafa myndað þrjár kjarnaleiðir: efnamyndun, líf-gerjun og ensímumbreytingu. Á undanförnum árum, með þróun grænnar efnafræði og lífframleiðslutækni, hafa ensím- og gerjunaraðferðir smám saman orðið almennar, á meðan efnasmíði er aðeins notuð í sérstökum notkunum með litlum-hreinleika. Eftirfarandi eru ítarlegar meginreglur, ferlar, kostir, gallar og notkunarsviðsmynd hvers ferlis:

I. Efnasmíði (hefðbundið ferli, smám saman að hætta)

1. Kjarnaregla

Með því að nota maleinsýruanhýdríð, fúmarsýru eða maleinsýru sem hráefni er viðbótarhvarf framkvæmt með ammoníaki (eða fljótandi ammoníaki) til að framleiða ammoníum aspartatsalt. Eftir súrnun, kristöllun, aðskilnað og hreinsun fæst aspartínsýruafurðin. Lykilviðbrögð: Fúmarsýra + Ammóníak → Ammóníumaspartat → Súrun og kristöllun → L/D-Asparssýra (Raceous Mix)

2. Ferlaeiginleikar

Einfalt ferli: Hráefni eru aðgengileg (maleinanhýdríð og fúmarsýra eru grunn efnahráefni), hvarfaðstæður eru vægar (stofuhita og þrýstingur eða miðlungs og lágt hitastig) og fjárfesting í búnaði er lítil;

Verulegir ókostir:

• Varan er rasemísk blanda af L- og D-asparsýru (hlutfall 1:1), sem krefst viðbótaraðskilnaðar (td efnaaðskilnað, sjónrænan aðskilnað) til að fá há-hreinleika L-asparssýru, sem er fyrirferðarmikil og eykur kostnað;
• Hreinleiki vöru er tiltölulega lítill (iðnaðareinkunn er venjulega 95% -98%), sem getur ekki uppfyllt miklar hreinleikakröfur lyfja- og matvælaflokka;
• Tiltekið magn af súru afrennslisvatni myndast, sem veldur verulegri umhverfismeðferð.

3. Umsóknarsviðsmyndir

Aðeins notað í litlum-virðisauka-atburðarásum, eins og vatnsmeðhöndlunarefni í iðnaðar-gráðu (pólýasparatínsýruhráefni) og fóðuraukefni (ekki krafist mikils hreinleika), sem nú er innan við 10% af greininni.

II. Líf-gerjunaraðferð (núverandi almennt ferli, sem stendur fyrir yfir 60%)

1. Kjarnaregla

Með því að nýta efnaskiptaleiðir örvera (bakteríur eða sveppa), nota glúkósa, súkrósa, maíssterkju o.s.frv., sem kolefnisgjafa, er L-asparsýra mynduð í stefnu með gerjun (örveruensímkerfið sjálft forðast myndun kynþáttablöndur). Almennir stofnar: Corynebacterium glutamicum, Escherichia coli, Brevibacterium flavum (erfðabreytt til að hámarka sýruframleiðslu).

2. Ferlisflæðirit

Formeðferð hráefnis (vatnsrof sterkju → glúkósalausn) → Undirbúningur ræktunarmiðils (kolefnisgjafi + köfnunarefnisgjafa + snefilefna) → Sáning á örverum → Ræktun gerjunartanks (hitastýring 30-37 gráður, pH 6,5-7,5, loftunarhraði á bakteríum) → gerjunarfrumuseyðing) → gerjunarfrumur Styrkur og kristöllun → Miðflótta → Þurrkun → Vara (L-asparsýra)

3. Ferlaeiginleikar

Helstu kostir:

Varan er stök aspartínsýra af L-gerð með miklum hreinleika (matvælaflokkur meira en eða jafnt og 99%, lyfjagráða meira en eða jafnt og 99,5%), sem þarfnast ekki frekari skrefa;

Hráefnin eru endurnýjanlegur lífmassi (korn, súkrósa o.s.frv.), sem gerir það grænt og umhverfisvænt, í takt við "kolefnishlutleysi" stefnuna;

Gerjunarferlið er milt, með lítilli orkunotkun og lágmarks losun úrgangs (hægt að meðhöndla og endurvinna skólpvatn).Ókostir:

Gerjunarlotan er tiltölulega löng (24-48 klukkustundir), sem krefst hágæða búnaðar (þörf er á dauðhreinsuðum gerjunartækjum og netvöktunarkerfum);

Ræktun örvera og eftirlit með gerjunarferlinu er erfitt (næmt fyrir mengun af öðrum örverum, krefst strangrar breytueftirlits).

4. Umsóknarsviðsmyndir

Matvæla-gildi (drykki, krydd, fæðubótarefni), lyfjafræðilegt-gildi (lyfjamilliefni, amínósýruinnrennsli) og há-fóðuraukefni eru nú aðalvalkostirnir í greininni.

III. Ensímumbreytingaraðferð (grænt ferli með mikilli-skilvirkni, fljótt að koma fram)

1. Kjarnaregla

Með því að nota fúmarsýru sem hvarfefni, hvetur aspartasi (EC 4.3.1.1) samlagningarhvarfið milli fúmarsýru og ammoníak til að mynda L-asparsýru í stefnu. Lykilviðbrögð: Fúmarsýra + NH3 + H2O → L-asparsýra (Ensím þekkir sérstaklega hvarfefnið og myndar aðeins L-gerð vöru)

2. Ferlategundir (Flokkað eftir ensímformi)

Frjáls ensímbreytingaraðferð: Aspartasi er bætt beint við hvarfkerfið (fúmarsýra + ammoníakbuffi). Eftir hvarfið eru ensímið og afurðin aðskilin.

Óhreyfð ensímumbreytingaraðferð (almennt): Aspartasi er óhreyfður á burðarefni (eins og natríumalgínat, plastefni eða nanóefni) til að mynda óhreyfða ensímsúlu eða reactor. Undirlagið er stöðugt umbreytt í gegnum reactor.

Kostir: Ensím er hægt að endurnýta (50-100 lotur), sem dregur úr ensímkostnaði; stöðug viðbrögð, mikil framleiðslu skilvirkni; einfaldur vöruaðskilnaður.

3. Ferlaflæðirit (Immobilized Enzyme Method)

Fúmarsýruupplausn → Undirbúningur undirlags (stilla pH að 8,0-9,0 með ammoníaki) → Farið í gegnum óhreyfðan ensím reactor (hitastig 25-35 gráður) → Umbreytingarhvarf (dvalartími 1-2 klukkustundir) → Síun hvarflausnar → Súrun og styrking → Kristallun → þurrkuð vara

4. Ferlaeiginleikar

Mjög mikil afköst: Hraður hvarfhraði (umbreytingarhraði meira en eða jafnt og 98%), stutt framleiðslulota (aðeins nokkrar klukkustundir, mun styttri en gerjunaraðferðir);

Mjög hár hreinleiki: Varan hefur engar ísómerur og hreinleiki L-asparsýru getur náð yfir 99,8% og uppfyllir beint kröfur um lyfjafræðilega-gráðu;

Grænt og hagkvæmt: Lítill hráefniskostnaður (fúmarsýra), endurnýtanlegt ensím og lágmarks losun úrgangs (nánast ekkert skólpvatn);

Ókostir: Undirbúningskostnaður aspartínsýruensíms er tiltölulega hár (þarf gerjun örvera) og stöðugleiki óhreyfða burðarins hefur áhrif á langtíma-virkni.

5. Umsóknarsviðsmyndir

Hágæða lyfjafræðileg milliefni (eins og tilbúið veirueyðandi lyf og amínósýrulyf), rafræn-efni (há-hreinindi asparasýra) og há-matvælaaukefni eru kjarnaleiðbeiningar fyrir framtíðarferlauppfærslu, sem nú stendur fyrir 25%-30% af iðnaðinum.

IV. Nýstárleg ferli (rannsóknarstofa til að stýra-skalastigi)

1. Erfðabreyttar bakteríur ásamt ensímaðferð

Með því að breyta bakteríustofnum (eins og E. coli) með því að nota CRISPR-Cas9 tækni, geta þeir samtímis búið yfir getu til að „framleiða asparaginsýruensím“ og „umbreyta fúmarati“, útrýma þörfinni fyrir aðskilda ensímblöndu og ná beint samþættri „gerjun + umbreytingu“ og lækka þannig kostnað.

2. Himnuaðskilnaður ásamt gerjun/ensímaðferð

Að kynna keramikhimnur eða nanósíunarhimnur við gerjun eða ensímbreytingu gerir kleift að-aðskilja vörur í rauntíma (asparssýru), forðast vöruhömlun, bæta umbreytingarhraða og framleiðsluhagkvæmni og einfalda síðari hreinsunarþrep.

3. Lífrafhvatamyndun

Með því að nota örveruefnaeldsneytisfrumur er L-asparsýra mynduð með rafhvatahvörfum með því að nota koltvísýring og ammoníak sem hráefni. Þessi aðferð er græn og sjálfbær, en hún er enn á rannsóknarstofustigi og hefur ekki enn verið iðnvædd.

Samanburðartafla yfir kjarnaferla

Þróunarþróun iðnaðar

Frá „efnafræðilegri myndun“ til „lífframleiðslu“: Ensím- og gerjunaraðferðir eru að verða almennar á meðan efnasmíði er smám saman að draga sig út úr hámarks-markaðnum;

Stöðug hagræðing á ensímferlum: Ensímverkfræði (stýrð þróun) bætir ensímstöðugleika og endurnýtanleika, dregur úr kostnaði;

Samþætt ferliþróun: Gerjun-umbreyting-aðskilnaðartengingartækni styttir ferla og bætir skilvirkni;

Græn og lág-kolefnisstefna: Hráefni eru að breytast úr-grunni (td malínsýruanhýdríði) yfir í líf-undirstaða (td líf-gerjun fúmarsýru), sem minnkar kolefnisfótspor.