Производни процесиаспарагинска киселина(Л-аспарагинска киселина, при чему је тип Л- главни у индустрији због своје шире биолошке активности и примене) формирале су три кључна пута: хемијску синтезу, био-ферментацију и ензимску конверзију. Последњих година, са развојем зелене хемије и технологија биопроизводње, ензимске и ферментационе методе су постепено постале главне струје, док се хемијска синтеза користи само у специфичним апликацијама ниске{4}}ће чистоће. Следе детаљни принципи, процеси, предности, недостаци и сценарији примене сваког процеса:
И. Хемијска синтеза (традиционални процес, постепено се гаси)
1. Основни принцип
Користећи анхидрид малеинске киселине, фумарну киселину или малеинску киселину као сировине, врши се реакција адиције са амонијаком (или течним амонијаком) да би се добила со амонијум аспартата. После закисељавања, кристализације, одвајања и пречишћавања, добија се производ аспарагинске киселине. Кључна реакција: фумарна киселина + амонијак → амонијум аспартат → закисељавање и кристализација → Л/Д-аспарагинска киселина (смеша раса)
2. Карактеристике процеса
Једноставан процес: Сировине су лако доступне (анхидрид малеинске киселине и фумарна киселина су основне хемијске сировине), услови реакције су благи (собна температура и притисак или средња и ниска температура), а улагања у опрему су ниска;
Значајни недостаци:
- Производ је рацемична мешавина Л- и Д-аспарагинске киселине (однос 1:1), која захтева додатно одвајање (нпр. хемијско одвајање, оптичко одвајање) да би се добила Л-аспарагинска киселина високе{6}}чистоће, која је гломазна и повећава трошкове;
- Чистоћа производа је релативно ниска (индустријска класа је типично 95%-98%), што не може да испуни високе захтеве за чистоћу фармацеутских и прехрамбених класа;
- Генерише се одређена количина киселих отпадних вода, што представља значајан изазов за пречишћавање животне средине.
3. Сценарији примене
Користи се само у сценаријима ниске{0}}вредности-са додатом вредношћу, као што су индустријски агенси за пречишћавање воде-(сировина полиаспарагинске киселине) и адитиви за храну (није потребна висока чистоћа), што тренутно чини мање од 10% индустрије.
ИИ. Метода био{1}}ферментације (тренутни главни процес, који чини преко 60%)
1. Основни принцип
Користећи метаболичке путеве микроорганизама (бактерија или гљивица), користећи глукозу, сахарозу, кукурузни скроб, итд., као изворе угљеника, Л-аспарагинска киселина се синтетише усмерено кроз ферментацију (сам микробни ензимски систем избегава стварање рацемских смеша). Главни сојеви: Цоринебацтериум глутамицум, Есцхерицхиа цоли, Бревибацтериум флавум (генетски модификовани да оптимизују производњу киселине).
2. Дијаграм тока процеса
Претходни третман сировине (хидролиза скроба → раствор глукозе) → Припрема медијума за културу (извор угљеника + извор азота + елементи у траговима) → Инокулација микроорганизама → Култивација у резервоару за ферментацију (контрола температуре 30-37 степени, пХ 6,5-7,5, брзина аерације) → ферментација, кристална ћелија, конфилтрација бактерија → ферментација, кристални бујон Центрифугирање → Сушење → Производ (Л-аспарагинска киселина)
3. Карактеристике процеса
Кључне предности:
Производ је једна аспарагинска киселина типа Л- високе чистоће (прехрамбена квалитета већа или једнака 99%, фармацеутска квалитета већа или једнака 99,5%), која не захтева додатне кораке;
Сировине су обновљива биомаса (кукуруз, сахароза, итд.), што га чини зеленим и еколошки прихватљивим, у складу са трендом „неутралности угљеника“;
Процес ферментације је благ, са малом потрошњом енергије и минималним испуштањем отпада (отпадне воде се могу третирати и рециклирати).Недостаци:
Циклус ферментације је релативно дуг (24-48 сати), захтева висококвалитетну опрему (потребни су стерилни ферментори и системи за праћење на мрежи);
Узгајање микроорганизама и контрола процеса ферментације су тешки (подложни контаминацији другим микроорганизмима, што захтева строгу контролу параметара).
4. Сценарији примене
-Квалитета хране (пића, зачини, додаци исхрани), фармацеутска-врста (интермедијари лекова, инфузије аминокиселина) и врхунски- адитиви за храну тренутно су главни избори у индустрији.
ИИИ. Метод ензимске конверзије (високо ефикасан{1}}зелени процес, брзо се појављује)
1. Основни принцип
Користећи фумарну киселину као супстрат, аспартаза (ЕЦ 4.3.1.1) катализује реакцију адиције између фумарне киселине и амонијака како би се у правцу генерисала Л-аспарагинска киселина. Кључна реакција: фумарна киселина + НХ3 + Х2О → Л-аспарагинска киселина (ензим посебно препознаје супстрат, стварајући само производ типа Л-)
2. Типови процеса (класификовани према облику ензима)
Метода конверзије слободних ензима: Аспартаза се директно додаје у реакциони систем (фумарна киселина + пуфер амонијака). Након реакције, ензим и производ су одвојени.
Метода конверзије имобилисаног ензима (маинстреам): Аспартаза се имобилише на носачу (као што је натријум алгинат, смола или наноматеријали) да би се формирала имобилизована ензимска колона или реактор. Супстрат се континуирано претвара кроз реактор.
Предности: Ензим се може поново користити (50-100 серија), смањујући трошкове ензима; континуирана реакција, висока ефикасност производње; једноставно раздвајање производа.
3. Дијаграм тока процеса (метода имобилисаног ензима)
Растварање фумарне киселине → Припрема супстрата (подешавање пХ на 8,0-9,0 са амонијаком) → Пролазак кроз имобилизовани ензимски реактор (температура 25-35 степени) → Реакција конверзије (време задржавања 1-2 сата) → Филтрација реакционог раствора → Закисељавање и концентрација → Кристализација → Продукт кристализације
4. Карактеристике процеса
Изузетно висока ефикасност: Брза брзина реакције (стопа конверзије већа или једнака 98%), кратак производни циклус (само неколико сати, далеко краће од метода ферментације);
Изузетно висока чистоћа: Производ нема изомере, а чистоћа Л-аспарагинске киселине може да достигне преко 99,8%, што директно испуњава захтеве фармацеутског-класа;
Зелено и економично: Ниска цена сировина (фумарна киселина), ензим који се може поново користити и минимално испуштање отпада (скоро да нема отпадних вода);
Недостаци: Цена припреме ензима аспарагинске киселине је релативно висока (захтева микробну ферментацију), а стабилност имобилизованог носача утиче на дугорочну{0}}ефикасност рада.
5. Сценарији примене
Врхунски{0}}фармацеутски интермедијери (као што су синтетички антивирусни лекови и лекови са аминокиселинама), електронски-материјали (високе-аспарагинска киселина) и врхунски-адитиви за храну су основни правци за будуће надоградње процеса, који тренутно чине 25%-30% индустрије.
ИВ. Иновативни процеси (од лабораторије до пилот-размера)
1. Генетски модификоване бактерије у комбинацији са ензимском методом
Модификовањем бактеријских сојева (као што је Е. цоли) коришћењем ЦРИСПР-Цас9 технологије, они могу истовремено да поседују способност да „производе ензим аспарагинске киселине“ и „претворе фумарат“, елиминишући потребу за одвојеним припремањем ензима и директно постижући интегрисану „ферментацију + конверзију“, чиме се смањују трошкови.
2. Мембранско одвајање у комбинацији са ферментацијом/ензимском методом
Увођење керамичких мембрана или мембрана за нанофилтрацију током ферментације или ензимске конверзије омогућава-одвајање производа у реалном времену (аспарагинска киселина), избегавање инхибиције производа, побољшање стопе конверзије и ефикасности производње и поједностављивање наредних корака пречишћавања.
3. Биоелектрокаталитичка синтеза
Коришћењем микробних горивих ћелија, Л-аспарагинска киселина се синтетише путем електрокаталитичких реакција коришћењем угљен-диоксида и амонијака као сировина. Ова метода је зелена и одржива, али је тренутно још увек у лабораторијској фази и још увек није индустријализована.
Табела поређења основних процеса
| Врсте процеса | Ниво чистоће: | Производни циклус | Еколошка прихватљивост: | Цост | Применљиви сценарији | Удео индустрије |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Цхемицал Синтхесис | 95%-98% (индустријска класа) | Кратко (неколико сати) | Просечно | Ниско | Индустријски третман воде{0}, адитиви за сточну храну | <10% |
| Био{0}}ферментација | 99%-99,5% (прехрамбени/фармацеутски квалитет) | Средњи (24-48 сати) | Добро | Средње | Прехрамбени, фармацеутски, конвенционални адитиви за сточну храну | 60%-70% |
| Ензимска конверзија | 99,5%-99,8% (фармацеутски/врхунски квалитет) | Кратко (1-2 сата) | Одлично | Средње - Високо | Врхунски-фармацеутски производи, електронски материјали, врхунска-храна | 25%-30% |
| Иновативни процеси (Пилот-Скала) | Веће или једнако 99,8% | Кратко - Средње | Одлично | висока (тренутна) | Будући врхунски{0}}сценарии | <5% |
Трендови развоја индустрије
Од „хемијске синтезе“ до „биопроизводње“: Ензимске и ферментационе методе постају мејнстрим, док се хемијска синтеза постепено повлачи са-врхунског тржишта;
Континуирана оптимизација ензимских процеса: Ензимски инжењеринг (усмерена еволуција) побољшава стабилност и поновну употребу ензима, смањујући трошкове;
Интегрисани развој процеса: Технологија спајања-конверзије-одвајања ферментације скраћује процесе и побољшава ефикасност;
Зелена и ниска{0}}оријентација: Сировине се померају са фосилних-базираних (нпр. анхидрид малеинске киселине) на био-базиране (нпр. био-ферментација фумарне киселине), смањујући угљенични отисак.