TECHNICKÁ VÝROBA Aminokyselín - PDF na stiahnutie zadarmo

TECHNICKÁ VÝROBA Aminokyselín Anastasia Zinchenko Sarah Calcagno Vedúci: Saskia Hähn OC 6 Prednáška 16. júla 2009

aminokyselín

ŠTRUKTÚRA 1. Úvod 2. Výrobné metódy 3. Zhrnutie a záver 4. Zdroje literatúry

ÚVOD Prvé objavy: 1806: N. Vauquelin a P. Robiquet - Asparagín 1818: J. Proust - Leucín 1820: H. Braconnot - Glycín Prvá technická výroba: 1908 v Japonsku Glutaman sodný z hydrolyzátu kyseliny chlorovodíkovej z pšeničného lepku (glutén)

ÚVOD Technická výroba Prečo? Požiadavky na aminokyseliny: Ročná produkcia je 1,6 milióna ton kyseliny glutámovej: 650 000 ton D, L-metionín: 450 000 ton L-lyzínu: 450 000 ton L-treonínu: 30 000 ton.

ÚVOD Použitie: - Potravinársky priemysel: zvýrazňovače chuti, sladidlá (Glu, Gly, Cys) - Kŕmny priemysel: výživa zvierat (Met, Lys, Trp, Thr) - Farmaceutický priemysel: Lieky, infúzne roztoky (Acetyl-Cys, L-DOPA), kozmetika, pesticídy, stabilizátory pre PVC, disperzné pomocné látky, pomocné látky pri galvanickom pokovovaní

VÝROBNÉ METÓDY Extrakčná metóda Enzymatické metódy Fermentačná metóda Chemická syntéza

Extrakčná metóda Extrakcia AA z proteínov (napr. Kolagén, keratín.) 1. Varenie s HCl Peptidové väzby sa štiepia 2. Neutralizácia Frakcie bohaté na Cys a Tyr sa vyzrážajú vo vode 3. Odparenie Frakcie bohaté na Leu a Ile 4. Separácia zvyšných 16 aminokyselín prostredníctvom iónomeničovej chromatografie a frakčnej kryštalizácie cysteín tyrozín prolínu

ENZYMATICKÉ METÓDY Nasledujúce majú technický význam: 1. Konverzia kyseliny fumarovej na kyselinu L-asparágovú s aspartázou Aspartáza z Escherichia coli a Brevibacterium flavum Spoločnosti: Naning Only Time, Kyowa Hakko Kogyo, Tanabe Seiyaku (Čína) Prírodné produkty chemického priemyslu, spektrum, 1. vydanie, 2007, 139

ENZYMATICKÉ METÓDY 2. Výroba trojzložkovej reakcie L-3,4-dihydroxyfenylalanínu (L-DOPA) s celobunkovým enzýmovým prípravkom z Erwinia herbicola s indolom: L-tryptofán Spoločnosť: Ajinomoto (Japonsko), prírodné látky chemického priemyslu, spektrum, 1. vydanie, 2007, 154

ENZYMATICKÉ METÓDY 3. Výroba L-t-leucínu a AS s náročnými postrannými reťazcami redukčnou amináciou s AS dehydrogenázou z Bacillus spahaericus Spoločnosť: Degussa/Rexim (Nemecko) Prírodné látky chemického priemyslu, spektrum, 1. vydanie, 2007, 154

ENZYMATICKÉ METÓDY 4. rozlíšenie premieňa D, L-metionín na L-metionín 2-stupňový proces: Dávková prevádzka: pri spracovaní sa stráca acyláza Prírodné látky chemického priemyslu, spektrum, 1. vydanie, 2007, 152

ENZYMATICKÉ METÓDY 4. Racemátové rozlíšenie Nový vývoj od spoločnosti Degussa: technológia EMR Enzymový membránový reaktor (membrána z dutých vlákien) kaskáda s miešanou nádržou metionín valín alanín fenylalanín tryptofán

FERMENTAČNÁ METÓDA Technického významu: Produkcia kyseliny L-glutámovej z chémie D-glukózy v našej dobe, 1984, 18, 73

SPÔSOB FERMENTÁCIE Mikroorganizmy + výživný roztok 1. Pretrepávacia banka (1 l) 2. Predfermentor (1000 l) + konštantný vzduch a 3. Medzikvasiaci (10 000 l) prívod amoniaku 4. Hlavný fermentor (100 000 l) Divoké mikroorganizmy Inhibícia spätnej väzby auxotrofné mutanty žiadna inhibícia Spoločnosť: Degussa/Rexim, Wacker (Nemecko)

SPÔSOB FERMENTÁCIE Mikroorganizmy + výživný roztok 1. Pretrepávacia banka (1 l) 2. Predfermentor (1000 l) + konštantný vzduch a 3. Medzikvasiaci (10 000 l) prívod amoniaku 4. Hlavný fermentor (100 000 l) Leucín Izoleucín Lyzín Tyrozín Alanín Valín Fenylalanín Tryptofán Treonín Kyselina glutámová

CHEMICKÉ SYNTÉZY Výroba aminokyselín z petrochemických surovín 1. Syntéza valínu COOH H 3 O + CHO + NH 3 + HCN CH NH 2 D, L - valín 2. Syntéza metionínu

CHEMICKÉ SYNTÉZY Syntéza metionínu Prírodné látky v chemickom priemysle, spektrum, 1. vydanie, 2007, výťažok 139> 90%

SEPERÁCIA STEREO IZOMÉROV Metódy separácie výsledných enantiomérov: 1. Enzymatický proces 2. Metóda kryštalizácie 3. Separácia pomocou diastereomérnych solí

STEREOISOMERENTRENNUNG Enzymatic Processes Chemistry in Our Time, 1984, 18, 73

SEPARÁCIA STEREOIZOMÉROV Metóda kryštalizácie Presýtený roztok sa naočkuje jedným z enantiomérov. Aplikácia na aktívnu farmaceutickú zložku L- (S) - (karboxymetyl) cysteín (L-SCC) chémia v našej dobe, 1984, 18, 73

SEPERÁCIA STEREOIZOMÉROV Separácia pomocou diastereomérnych solí Použitie chirálnej látky ako separačného činidla alebo zmesi separačných činidiel rovnakej rodiny. Získa sa zmes diastereomérnych solí. To sa dá oddeliť kryštalizáciou.

AZYMETRICKÁ SYNTÉZA Amidokarbonylácia Použitie kobaltových a paládiových katalyzátorov Objavil Hachiro Wakamatsu na začiatku 70. rokov (Ajinomoto) Štruktúra aminokyselinovej štruktúry iba v jednom kroku Atómovo-ekonomický a ekologický Chem. Rev., 2003, 103, 2795

AZYMETRICKÁ SYNTÉZA Amidokarbonylácia katalyzovaná kobaltom Angew. Chem., 2000, 112, 1027

AZYMETRICKÁ SYNTÉZA Amidokarbonylácia katalyzovaná paládiom Angew. Chem., 2000, 112, 1027

AZYMETRICKÁ SYNTÉZA Amidokarbonylácia Štruktúrny motív N-acylaminokarboxylových kyselín sa objavuje v mnohých zlúčeninách. Angew. Chem., 2000, 112, 1027

ASYMETRICKÁ SYNTÉZA Enantioselektívna syntéza Enantioselektívna hydrogenácia pomocou ródia s chirálnymi fosforovými ligandmi Vyvinutý W.S. Knowles a L. Horner v 60. rokoch 20. storočia Monsanto preniesol do technického rozsahu a použil ich na výrobu L-Dopa

ASYMETRICKÁ SYNTÉZA Enantioselektívna syntéza Existuje široká škála chirálnych ligandov. Je možné dosiahnuť veľmi dobré výnosy nad 95%. Science, 1982, 217, 401

ASYMETRICKÁ SYNTÉZA Mechanism of Catalytic Hydrogenation Science, 1982, 217, 401

ASYMETRICKÁ SYNTÉZA Energetické rozjímanie, 1982, 217, 401

ASYMETRICKÁ SYNTÉZA Enantioselektívna Streckerova syntéza Chem. Rev., 2003, 103, 2795

ASYMETRICKÁ SYNTÉZA Enantioselektívna Streckerova syntéza s použitím: chirálnych organokatalyzátorov chirálnych kovových katalyzátorov analogických syntéz Chem. Rev., 2003, 103, 2795

ASYMETRICKÁ SYNTÉZA Enantioselektívna Streckerova syntéza Prehľad chirálnych organokatalyzátorov Chem. Rev., 2003, 103, 2795

ASYMETRICKÁ SYNTÉZA Enantioselektívna Streckerova syntéza Prehľad substrátov a výťažkov Chem. Rev., 2003, 103, 2795

ASYMETRICKÁ SYNTÉZA Enantioselektívna Streckerova syntéza Prehľad chirálnych kovových katalyzátorov Chem. Rev., 2003, 103, 2795

ASYMETRICKÁ SYNTÉZA Enantioselektívna Streckerova syntéza Prehľad substrátov a výťažkov Chem. Rev., 2003, 103, 2795

ZHRNUTIE A ZÁVER Extrakčné metódy Výhody Lacné, ak sú k dispozícii prírodné, lacné (odpadové) zdroje bielkovín Ľahká výroba niektorých zle rozpustných aminokyselín Nevýhody Komplexné procesy čistenia Diskontinuálne procesy (šarža) Vysoké personálne náklady Množstvo aminokyselín dodávaných surovinou nie je prispôsobené potrebám trhu.

ZHRNUTIE A ZÁVER Fermentačné metódy Výhody Lacné zdroje uhlíka a dusíka ako východiskové látky Vyrábajú sa takmer len L-aminokyseliny Nevýhody Nižšie výnosy ako syntetické procesy Komplexná izolácia aminokyselín Prerušená prevádzka (šarža) Je potrebné väčšie personálne zabezpečenie

ZHRNUTIE A ZÁVER Chemické syntézy Výhody Je možná veľká výroba Ľahká izolácia a čistenie produktov Nepretržitá prevádzka Nevýhody Nevyhnutné ďalšie kroky pre separáciu a racemizáciu enantiomérov

ZHRNUTIE A ZÁVER Enzymatické metódy Výhody Jednoduchá izolácia vďaka vysokej koncentrácii produktu Nepretržitá a automatizovaná implementácia Nízke personálne náklady

ZHRNUTIE A ZÁVER Záver Kvôli zložitosti biologicky aktívnych zlúčenín a rastu biotechnologického priemyslu sú enzymatické a fermentačné metódy priekopníckymi procesmi.

ZDROJE LITERATÚRY B. Schäfer, Prírodné produkty chemického priemyslu, Spectrum, 1. vydanie, 2007, 139. M. Breuer, K. Ditrich, T. Habicher, B. Hauer, M. Keßeler, R. Stürmer, T. Zelinski, Angew. Chem. 2004, 116, 806 843. B. Hoppe, J. Martens, Chemistry in our time 1984, 18, 73. A. Collet, Angew. Chem., 1998, 110, 3429. Ikeda, M., Katsumata, R., App. Environ. Microbiol. 1992, 11, 921. M. Beller, M. Eckert, Angew. Chem., 2000, 112, 1027. J. Halpern, Science 1982, 217, 401. H. Gröger, Chem. Rev. 2003, 103, 2795. E. J. Corey, Org. Lett. 1999, 1, 157. Strecker, A. Ann. Chem. Pharm. 1850, 75, 27.