Tootmisprotsessidasparagiinhape(L-asparagiinhape, mille L-tüüp on oma laiema bioloogilise aktiivsuse ja rakenduste tõttu tööstuses peavool) on moodustanud kolm põhiteed: keemiline süntees, bio-fermentatsioon ja ensümaatiline muundamine. Viimastel aastatel on rohelise keemia ja biotootmistehnoloogiate arenguga ensümaatilised ja kääritamismeetodid muutunud järk-järgult peavooluks, samas kui keemilist sünteesi kasutatakse ainult teatud madala puhtusastmega rakendustes. Järgnevalt on toodud iga protsessi üksikasjalikud põhimõtted, protsessid, eelised, puudused ja rakendusstsenaariumid.
I. Keemiline süntees (traditsiooniline protsess, järk-järgult kaotatakse)
1. Põhiprintsiip
Kasutades toorainena maleiinanhüdriidi, fumaarhapet või maleiinhapet, viiakse ammooniumaspartaatsoola saamiseks läbi ammoniaagiga (või vedela ammoniaagiga) liitumisreaktsioon. Pärast hapestamist, kristallimist, eraldamist ja puhastamist saadakse asparagiinhappe produkt. Põhireaktsioon: fumaarhape + ammoniaak → ammooniumaspartaat → hapestamine ja kristallimine → L/D-asparagiinhape (rassiline segu)
2. Protsessi omadused
Lihtne protsess: toorained on kergesti kättesaadavad (maleiinanhüdriid ja fumaarhape on põhilised keemilised toorained), reaktsioonitingimused on pehmed (toatemperatuur ja rõhk või keskmine ja madal temperatuur) ning seadmetesse investeerimine on väike;
Olulised puudused:
- Toode on L- ja D-asparagiinhappe ratseemiline segu (suhe 1:1), mis nõuab täiendavat eraldamist (nt keemiline eraldamine, optiline eraldamine), et saada kõrge -puhtusastmega L-asparagiinhapet, mis on tülikas ja suurendab kulusid;
- Toote puhtus on suhteliselt madal (tööstuslik kvaliteet on tavaliselt 95–98%), mis ei vasta farmaatsia- ja toiduaineklassi kõrgetele puhtusnõuetele;
- Tekib teatud kogus happelist reovett, mis kujutab endast märkimisväärset keskkonnakäitlusprobleemi.
3. Rakenduse stsenaariumid
Kasutatakse ainult väikese-lisandväärtusega-stsenaariumide korral, nagu tööstuslikud-puhastusained (tooraine polüasparagiinhape) ja söödalisandid (kõrge puhtusaste pole nõutav), moodustades praegu vähem kui 10% tööstusest.
II. Bio-kääritamismeetod (praegune tavaprotsess, mis moodustab üle 60%)
1. Põhiprintsiip
Kasutades mikroorganismide (bakterite või seente) metaboolseid teid, kasutades süsinikuallikatena glükoosi, sahharoosi, maisitärklist jt, sünteesitakse L-asparagiinhape kääritamise teel suunatult (mikroobne ensüümsüsteem ise väldib ratseemiliste segude teket). Peamised tüved: Corynebacterium glutamicum, Escherichia coli, Brevibacterium flavum (geneetiliselt loodud happe tootmise optimeerimiseks).
2. Protsessi vooskeem
Tooraine eeltöötlemine (tärklise hüdrolüüs → glükoosilahus) → Kultuurisöötme ettevalmistamine (süsinikuallikas + lämmastikuallikas + mikroelemendid) → Mikroorganismide nakatamine → Fermentatsioonipaagis kasvatamine (temperatuuri reguleerimine 30-37 kraadi, pH 6,5-7,5, bakterite aeratsioonikiirus) → rakkude kontsentreerimine ja filtreerimine (filtreerimine) Tsentrifuugimine → Kuivatamine → Toode (L-asparagiinhape)
3. Protsessi omadused
Peamised eelised:
Toode on ühe L{0}}-tüüpi asparagiinhape, millel on kõrge puhtusaste (toiduklass 99% või suurem, farmatseutiline puhtus 99,5% või suurem), mis ei vaja täiendavaid samme;
Tooraineks on taastuv biomass (mais, sahharoos jne), muutes selle roheliseks ja keskkonnasõbralikuks, kooskõlas "süsinikuneutraalsuse" trendiga;
Käärimisprotsess on leebe, madala energiakulu ja minimaalse jäätmekäitlusega (reovett saab puhastada ja taaskasutada).Puudused:
Fermentatsioonitsükkel on suhteliselt pikk (24-48 tundi), mis nõuab kvaliteetseid seadmeid (vaja on steriilseid fermentereid ja võrguseiresüsteeme);
Mikroorganismide kasvatamine ja käärimisprotsessi juhtimine on rasked (tundlikud saastumisele teiste mikroorganismidega, mis nõuavad ranget parameetrite kontrolli).
4. Rakenduse stsenaariumid
Toidu-klassi (joogid, maitseained, toidulisandid), farmaatsia-klassi (ravimite vahesaadused, aminohapete infusioonid) ja kvaliteetsed-söödalisandid on praegu selle tööstuse peamised valikud.
III. Ensümaatiline muundamise meetod (kõrge{1}}tõhususega roheline protsess, kiiresti arenev)
1. Põhiprintsiip
Kasutades substraadina fumaarhapet, katalüüsib aspartaas (EC 4.3.1.1) fumaarhappe ja ammoniaagi vahelist liitumisreaktsiooni, et tekitada L-asparagiinhapet. Põhireaktsioon: fumaarhape + NH3 + H2O → L-asparagiinhape (ensüüm tunneb spetsiifiliselt ära substraadi, tekitades ainult L--tüüpi produkti)
2. Protsessi tüübid (liigitatud ensüümivormi järgi)
Vaba ensüümi muundamise meetod: aspartaas lisatakse otse reaktsioonisüsteemi (fumaarhape + ammoniaagi puhver). Pärast reaktsiooni eraldatakse ensüüm ja produkt.
Immobiliseeritud ensüümi muundamise meetod (peavool): aspartaas immobiliseeritakse kandjale (nagu naatriumalginaat, vaik või nanomaterjalid), et moodustada immobiliseeritud ensüümkolonn või reaktor. Substraati muundatakse pidevalt läbi reaktori.
Eelised: Ensüümi saab taaskasutada (50-100 partiid), vähendades ensüümikulusid; pidev reaktsioon, kõrge tootmistõhusus; lihtne toodete eraldamine.
3. Protsessi vooskeem (immobiliseeritud ensüümi meetod)
Fumaarhappe lahustamine → Substraadi valmistamine (pH reguleerimine 8,0-9,0 ammoniaagiga) → Immobiliseeritud ensüümreaktori läbimine (temperatuur 25-35 kraadi) → Konversioonireaktsioon (reaktsiooniaeg 1-2 tundi) → Reaktsioonilahuse filtreerimine → Hapestamine ja kontsentreerimine → Kristallimine → Kuivatamine →
4. Protsessi omadused
Äärmiselt kõrge efektiivsus: kiire reaktsioonikiirus (konversioonikiirus suurem või võrdne 98%), lühike tootmistsükkel (ainult paar tundi, palju lühem kui fermentatsioonimeetodid);
Äärmiselt kõrge puhtusastmega: tootel ei ole isomeere ja L-asparagiinhappe puhtus võib ulatuda üle 99,8%, mis vastab otseselt farmaatsiataseme nõuetele;
Roheline ja ökonoomne: madal tooraine (fumaarhape) hind, korduvkasutatav ensüüm ja minimaalne jäätmekäitlus (peaaegu puudub reovesi);
Puudused: asparagiinhappe ensüümi valmistamise hind on suhteliselt kõrge (nõuab mikroobset kääritamist) ja immobiliseeritud kandja stabiilsus mõjutab pikaajalist{0}}töötõhusust.
5. Rakenduse stsenaariumid
Kvaliteetsed farmatseutilised vahesaadused (nagu sünteetilised viirusevastased ravimid ja aminohapperavimid), elektroonilised materjalid (kõrge-puhtusastmega asparagiinhape) ja kvaliteetsed-toidulisandid on tulevaste protsesside uuendamise põhisuunad, mis praegu moodustavad 25–30% tööstusest.
IV. Uuenduslikud protsessid (laboratoorsest katsestaadiumini{1}}
1. Ensüümmeetodiga seotud geneetiliselt muundatud bakterid
Bakteritüvede (nagu E. coli) modifitseerimisel CRISPR-Cas9 tehnoloogia abil võivad nad samaaegselt omada võimet "toota asparagiinhappe ensüümi" ja "muundada fumaraati", välistades vajaduse ensüümi eraldi ettevalmistamise järele ja saavutades otseselt integreeritud "käärimise + muundamise", vähendades seega kulusid.
2. Membraani eraldamine koos fermentatsiooni/ensümaatilise meetodiga
Keraamiliste membraanide või nanofiltratsioonimembraanide kasutuselevõtt fermentatsiooni või ensümaatilise muundamise ajal võimaldab tooteid (asparagiinhapet) reaalajas eraldada{0}}, vältida toote inhibeerimist, parandada konversioonikiirust ja tootmise efektiivsust ning lihtsustada järgnevaid puhastamisetappe.
3. Bioelektrokatalüütiline süntees
Mikroobseid kütuseelemente kasutades sünteesitakse L-asparagiinhape elektrokatalüütiliste reaktsioonide kaudu, kasutades toorainena süsinikdioksiidi ja ammoniaaki. See meetod on roheline ja säästev, kuid see on praegu veel laboratooriumi staadiumis ega ole veel industrialiseeritud.
Põhiprotsesside võrdlustabel
| Protsessi tüübid | Puhtuse tase: | Tootmistsükkel | Keskkonnasõbralikkus: | Maksumus | Kohaldatavad stsenaariumid | Tööstuse osa |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Keemiline süntees | 95–98% (tööstuslik) | Lühike (mitu tundi) | Keskmine | Madal | Tööstusliku-kvaliteediga veepuhastus, söödalisandid | <10% |
| Bio-kääritamine | 99–99,5% (toit/ravim) | Keskmine (24–48 tundi) | Hea | Keskmine | Toiduained, farmaatsiatooted, tavapärased söödalisandid | 60%-70% |
| Ensümaatiline muundamine | 99,5%-99,8% (farmaatsiatooted / tipptasemel) | Lühike (1-2 tundi) | Suurepärane | Keskmine - Kõrge | Kvaliteetsed-ravimid, elektroonilised materjalid,-kvaliteetsed toidud | 25%-30% |
| Uuenduslikud protsessid (piloot{0}}skaala) | 99,8% või suurem | Lühike - Keskmine | Suurepärane | Kõrge (praegune) | Tuleviku tipptasemel{0}}stsenaariumid | <5% |
Tööstuse arengu suundumused
"Keemilisest sünteesist" kuni "biotootmiseni": ensümaatilised ja kääritamismeetodid on muutumas peavooluks, samas kui keemiline süntees on järk-järgult taandumas tipptasemel turult;
Ensümaatiliste protsesside pidev optimeerimine: Ensüümitehnoloogia (suunatud evolutsioon) parandab ensüümi stabiilsust ja korduvkasutatavust, vähendades kulusid;
Integreeritud protsessiarendus: fermentatsiooni-konversiooni-eraldussidestamise tehnoloogia lühendab protsesse ja parandab tõhusust;
Roheline ja vähese süsinikusisaldusega-orientatsioon: toorained liiguvad fossiilse-põhiselt (nt maleiinanhüdriid) bio-põhisele (nt fumaarhappe bio-kääritamine), vähendades süsiniku jalajälge.