Porównanie metod chemicznych i biochemicznych otrzymywania związków organicznych. Paweł Tumiłowicz

Transkrypt

1 Porównanie metod chemicznych i biochemicznych otrzymywania związków organicznych Paweł Tumiłowicz

2

3 Cechy METODY CHEMICZNE Dwa etapy procesu pierwszy: synteza chemiczna (bądź ekstrakcja i/lub modyfikacja), drugi: oczyszczanie produktu. METODY BIOTECHNOLOGICZNE Zazwyczaj łagodne warunki reakcji. Małe zanieczyszczenie środowiska. Dwa etapy procesu pierwszy: wytwarzanie związku przy pomocy mikroorganizmów; drugi: oczyszczanie.

4 Przykłady związków produkowanych obydwoma metodami Alkohole (etanol, butanol, glicerol). Kwasy organiczne (octowy, cytrynowy, mlekowy, glukonowy). Witaminy. Hormony steroidowe. Ketony (aceton). Aminokwasy.

5 Produkcja kwasu cytrynowego Porównanie koncepcji

6 Jak go otrzymać? Izolacja z owoców. Metoda mikrobiologiczna (biotechnologiczna). Synteza chemiczna.

7 Izolacja z owoców Metoda istotna do lat 30 XX wieku. Do otrzymania 1 kg kwasu zużywano kg cytryn. Zawartość kwasu w cytrynie to około 8%. Jaka jest wydajność procesu?

8 Izolacja z owoców metoda laboratoryjna

9 Roczna produkcja Początki wieku XX 10 tys. ton (wszystko poprzez izolację z cytryn). Rok ton (z czego zaledwie 1800 ton z cytryn). Obecna produkcja (2004) 1,4 mln. ton (znikoma część to produkcja z cytryn).

10 Produkcja biotechnologiczna Wynik zakłóceń w metabolizmie mikroorganizmów. Najczęściej używane są selekcjonowane szczepy Aspergillus niger. Istotny skład medium hodowlanego.

11 Metody hodowli Hodowla w podłożach stałych (marginalna). Hodowla powierzchniowa (klasyczna). Hodowla wgłębna.

12 Wydzielanie i oczyszczanie kwasu cytrynowego

13 Pełna synteza chemiczna kwasu cytrynowego Wiele patentów. Różne substraty: izotetralina, kwas szczawiooctowy, kwas maleinowy, kwas fumarowy, aceton i dwutlenek węgla

14 Kwas cytrynowy z izotetraliny

15 Hormony steroidowe Zastosowanie biotransformacji

16 Hormony steroidowe Związki o budowie opartej na czteropierścieniowym układzie steranu. Androgeny (np. testosteron), estrogeny (np. estradiol), gestageny (np. progesteron), kortykosteroidy (np. kortyzon). Metody otrzymywania: syntetyczne oraz półsyntetyczne (w których ważną rolę odgrywają biotransformacje).

17 Wykorzystanie biotransformacji w produkcji hormonów steroidowych. Wprowadzenie grupy hydroksylowej w pozycję C-11 steranu (Rhizopus). Wprowadzenie grupy hydroksylowej w pozycję C-16 (Streptomyces). Uwodornienie pierścienia w pozycji C-1 (Corynebacterium simplex). Redukcja grupy ketonowej przy C-17 lub C-20 (Saccharomyces).

18 Otrzymywanie kortyzonu Zastosowanie przemian biochemicznych znacznie upraszcza produkcję. Dla przykładu otrzymanie kortyzonu wymaga użycia w metodzie chemicznej kwasu dezoksycholowego i 26 przemian. Wykorzystanie biotransformacji umożliwia zastosowanie tańszych surowców (diosgeniny lub stigmasterolu) i ograniczenie liczby przemian do 12.

19 Produkcja kwasu mlekowego Parę słów o enancjomerach

20 Kwas mlekowy Nazwa systematyczna: kwas 2-hydroksypropionowy; posiada jeden węgiel asymetryczny; enancjomer L tworzy się w mięśniach szkieletowych podczas pracy fizycznej przekształcany jest następnie w kwas cytrynowy, a potem spalany do CO 2 i wody w cyklu kwasu cytrynowego; substancją konserwującą dostępną w handlu jest racemat L-kwasu i D-kwasu mlekowego; mikrobiologicznie kwas mlekowy otrzymuje się poprzez fermentację mlekową bakterii Lactobacillus. Właściwości fizyczne: klarowna lepka ciecz ciemnożółta lub przezroczysta; ciężar właściwy: 1,16 g/cm 3 ; rozpuszcza się w wodzie w każdych proporcjach;

21 Zastosowanie Przemysł spożywczy i rolnictwo: Produkcja kiszonek Mleczarstwo Piekarnictwo Przetwórstwo mięsne Środek konserwujący Lecznictwo weterynaryjne Przemysł farmaceutyczny i chemiczny: Farmaceutyki zawierające mleczan wapnia i żelaza Regulator ph Środki dezynfekujące Składnik kosmetyków Techniczny: Biodegradowalne tworzywa sztuczne polilaktyd Garbarstwo i przemysł tekstylny Produkcja dysków komputerowych polilaktyd z kukurydzy (Sanyo Mavic Media) Lakierowanie samochodów ustalanie konsystencji farb i pigmentów (znów polilaktyd!)

22 Historia 1780 r. odkrycie kwasu mlekowego w skwaśniałym mleku przez szwedzkiego chemika C. W. Scheele 1856 r. odkrycie przez L. Pasteura bakterii Lactobacillus produkujących kwas mlekowy 1881 r. pierwszy patent dotyczący produkcji kwasu mlekowego w wyniku fermentacji przez A. Avery ego (Stany Zjednoczone) 1895 r. pierwsza przemysłowa produkcja kwasu mlekowego przez niemiecką firmę farmaceutyczną Boehringer Ingelheim 1933 r. pierwsze patenty dotyczące chemicznej produkcji kwasu mlekowego Lata 50 pierwsza komercyjna produkcja syntetycznego kwasu mlekowego w Japonii Światowa produkcja kwasu mlekowego wynosi ponad 30 tys. ton/rok z czego 30% produkowane jest syntetycznie.

23 Syntetyczny kwas mlekowy Kwas mlekowy otrzymuje się syntetycznie przez chlorowanie kwasu propanowego a następnie podstawienie atomu chloru grupą hydroksylową. Produktem jest racemat.

24 Fermentacja mlekowa Fermentację mlekową przeprowadza się w warunkach beztlenowych w temperaturze C. Mikroorganizmy: Lactobacillus (np. L. delbrueckii ssp. bulgaricus) Lactococcus Streptobacterium Pożywka: źródło węgla 10 13%: pożywki syntetyczne z sacharozą; źródło azotu: mieszanina aminokwasów, sole amonowe; biostymulatory: kiełki słodowe, zarodki żytnie lub pszenne, autolizaty drożdżowe; makro- i mikroelementy.

25 Oczyszczanie kwasu mlekowego Odbarwianie (sorpcja) na węglu aktywnym i krystalizacja mleczanu wapnia lub cynku, następnie uwalnianie kwasu za pomocą H 2 SO 4. Ekstrakcja eterem. Przeciwprądowa estryfikacja metodą ciągłą. Destylacja (w próżni lub pod ciśnieniem atmosferycznym w obecności przegrzanej pary). Chromatografia jonowymienna. Elektrodializa.

26 Wydajność: g/dm 3 h Hodowle ciągłe Recyrkulacyjny bioreaktor membranowy oczyszczanie cieczy pofermentacyjnej: adsorpcja kwasu na węglu aktywnym lub żywicach i usuwanie adsorbentu nasyconego kwasem; wymiana jonowa z zawracaniem do reaktora wycieku po przepuszczeniu cieczy fermentacyjnej z biomasą komórek przez kolumnę jonitową; ekstrakcja realizowana poprzez ciągły przepływ w cieczy pofermentacyjnej rozpuszczalnika; ekstrakcja cieczy reakcyjnej i jej recyrkulacja do reaktora po usunięciu kwasu.

27 Synteza chemiczna Wysoka wydajność reakcji Stosunkowo tanie reagenty Kwas solny jako produkt uboczny Fermentacja mlekowa Łatwość prowadzenia hodowli (kiszonki w warunkach domowych) Możliwość wykorzystania różnych substratów Następuje inhibicja produktem (zatrzymanie fermentacji przy ok. 3%)

28 Co warto zapamiętać? Czym charakteryzują się biotechnologiczne metody otrzymywania związków organicznych? Jak współcześnie otrzymywany jest kwas cytrynowy? Czego jest to wynikiem? Czym są biotransformacje? Jak produkowany jest kwas mlekowy?

29 DZIĘKUJĘ ZA WSPÓLNE ZAJĘCIA