TECHNISCHE HERSTELLUNG VON AMINOSÄUREN

Transkript

1 TECHNISCHE HERSTELLUNG VON AMINOSÄUREN Anastasia Zinchenko Sarah Calcagno Betreuerin: Saskia Hähn OC 6 Vortrag

2 GLIEDERUNG 1. Einleitung 2. Herstellungsmethoden 3. Zusammenfassung und Fazit 4. Literaturquellen

3 EINLEITUNG Erste Entdeckungen: 1806: N. Vauquelin und P. Robiquet - Asparagin 1818: J. Proust - Leucin 1820: H. Braconnot - Glycin Erste technische Herstellung: 1908 in Japan Natriumglutamat aus Salzsäurehydrolysat des Weizenklebers (Gluten)

4 EINLEITUNG Technische Herstellung Warum? Bedarf an Aminosäuren: Jahresproduktion liegt bei 1,6 Millionen Tonnen Glutaminsäure: Tonnen D,L-Methionin: Tonnen L-Lysin: Tonnen L-Threonin: Tonnen

5 EINLEITUNG Verwendung: - Lebensmittelindustrie: Geschmacksverstärker, Süßstoffe (Glu, Gly, Cys) - Futtermittelindustrie: Tierernährung (Met, Lys, Trp, Thr) - Pharmaindustrie: Medikamente, Infusionslösungen (Acetyl-Cys, L-DOPA) Kosmetika, Pflanzenschutzmittel, Stabilisatoren für PVC, Dispersionshilfen, Hilfsmittel in der Galvanotechnik

6 HERSTELLUNGSMETHODEN Extraktionsmethode Enzymatische Methoden Fermentationsmethode Chemische Synthesen

7 EXTRAKTIONSMETHODE Gewinnung von AS aus Proteinen (z.b. Kollagen, Keratin,...) 1. Kochen mit HCl Peptidbindungen werden gespalten 2. Neutralisation Cys- und Tyr-reiche Fraktion fällt in Wasser aus 3. Eindampfen Leu- und Ile-reiche Fraktion fällt aus 4. Trennung der restlichen 16 Aminosäuren über Ionenaustausch-Chromatographie und fraktionierende Kristallisation Cystein Tyrosin Prolin

8 ENZYMATISCHE METHODEN Von technischer Bedeutung sind: 1. Umwandlung von Fumarsäure in L-Asparaginsäure mit Aspartase Aspartase aus Escherichia coli und Brevibacterium flavum Firmen: Naning Only Time, Kyowa Hakko Kogyo, Tanabe Seiyaku (China) Naturstoffe der chemischen Industrie, Spektrum, 1.Auflage, 2007, 139

9 ENZYMATISCHE METHODEN 2. Herstellung von L-3,4-Dihydroxyphenylalanin (L-DOPA) Dreikomponentenreaktion mit einer Ganzzellenzympräperation aus Erwinia herbicola mit Indol: L-Tryptophan Firma: Ajinomoto (Japan) Naturstoffe der chemischen Industrie, Spektrum, 1.Auflage, 2007, 154

10 ENZYMATISCHE METHODEN 3. Herstellung von L-t-Leucin und AS mit anspruchsvollen Seitenketten reduktive Aminierung mit einer AS-Dehydrogenase aus Bacillus spahaericus Firma: Degussa/Rexim (Deutschland) Naturstoffe der chemischen Industrie, Spektrum, 1.Auflage, 2007, 154

11 ENZYMATISCHE METHODEN 4. Racematspaltung überführt D,L-Methionin in L-Methionin 2-stufiger Prozess: Batchbetrieb: Acylase geht bei Aufarbeitung verloren Naturstoffe der chemischen Industrie, Spektrum, 1.Auflage, 2007, 152

12 ENZYMATISCHE METHODEN 4. Racematspaltung Neuentwicklung der Degussa: EMR-Technologie Enzym-Membran-Reaktor (Hohlfasermembran) Rührkesselkaskade Methionin Valin Alanin Phenylalanin Tryptophan

13 FERMENTATIONSMETHODE Von technischer Bedeutung: Herstellung von L-Glutaminsäure aus D-Glucose Chemie in unserer Zeit, 1984, 18, 73

14 FERMENTATIONSMETHODE Mikroorganismen + Nährlösung 1. Schüttelkolben (1 l) 2. Vorfermenter (1000 l) + ständige Luft und 3. Zwischenfermenter ( l) Ammoniakzufuhr 4. Hauptfermenter ( l) Wildtyp-Mikroorganismen Feedbackhemmung auxotrophe Mutanten keine Hemmung Firmen: Degussa/Rexim, Wacker (Deutschland)

15 FERMENTATIONSMETHODE Mikroorganismen + Nährlösung 1. Schüttelkolben (1 l) 2. Vorfermenter (1000 l) + ständige Luft und 3. Zwischenfermenter ( l) Ammoniakzufuhr 4. Hauptfermenter ( l) Leucin Isoleucin Lysin Tyrosin Alanin Valin Phenylalanin Tryptophan Threonin Glutaminsäure

16 CHEMISCHE SYNTHESEN Herstellung von Aminosäuren ausgehend von petrochemischen Rohstoffen 1. Synthese von Valin COOH H 3 O+ CHO + NH 3 + HCN CH NH 2 D,L- Valin 2. Synthese von Methionin

17 CHEMISCHE SYNTHESEN Methionin-Synthese Naturstoffe der chemischen Industrie, Spektrum, 1.Auflage, 2007, 139 Ausbeute > 90%

18 STEREOISOMERENTRENNUNG Methoden zur Trennung anfallender Enantiomere: 1. Enzymatische Verfahren 2. Kristallisationsmethode 3. Trennung über diastereomere Salze

19 STEREOISOMERENTRENNUNG Enzymatische Verfahren Chemie in unserer Zeit, 1984, 18, 73

20 STEREOISOMERENTRENNUNG Kristallisationsmethode Übersättigte Lösung wird mit einem der Enantiomere angeimpft. Anwendung beim Pharmawirkstoff L-(S)- (Carboxymethyl)cystein (L-SCC) Chemie in unserer Zeit, 1984, 18, 73

21 STEREOISOMERENTRENNUNG Trennung über diastereomere Salze Verwendung einer chiralen Substanz als Trennreagenz oder einer Mischung aus Trennreagentien der gleichen Familie Es wird ein Gemisch aus diastereomeren Salzen erhalten. Dieses kann durch Kristallisation getrennt werden.

22 ASYMMETRISCHE SYNTHESE Amidocarbonylierung Verwendung von Cobalt- und Palladiumkatalysatoren Entdeckt von Hachiro Wakamatsu Anfang der 70er Jahre (Ajinomoto) Aufbau des Aminosäuregerüstes nur in einem Schritt Atomökonomisch und ökologisch Chem. Rev., 2003, 103, 2795

23 ASYMMETRISCHE SYNTHESE Cobaltkatalysierte Amidocarbonylierung Angew. Chem., 2000, 112, 1027

24 ASYMMETRISCHE SYNTHESE Palladiumkatalysierte Amidocarbonylierung Angew. Chem., 2000, 112, 1027

25 ASYMMETRISCHE SYNTHESE Amidocarbonylierung Das Strukturmotiv der N-Acylaminocarbonsäuren erscheint in zahlreichen Verbindungen. Angew. Chem., 2000, 112, 1027

26 ASYMMETRISCHE SYNTHESE Enantioselektive Synthese Enantioselektive Hydrierung unter Verwendung von Rhodium mit chiralen Phosphorliganden Entwickelt von W.S. Knowles und L. Horner in den 60er Jahren Von Monsanto in den technischen Maßstab übertragen und für L- Dopa Produktion verwendet

27 ASYMMETRISCHE SYNTHESE Enantioselektive Synthese Es ist eine große Vielfalt der chiralen Liganden vorhanden. Sehr gute Ausbeuten von über 95% erreichbar. Science, 1982, 217, 401

28 ASYMMETRISCHE SYNTHESE Mechanismus der katalytischen Hydrierung Science, 1982, 217, 401

29 ASYMMETRISCHE SYNTHESE Energetische Betrachtung Science, 1982, 217, 401

30 ASYMMETRISCHE SYNTHESE Enantioselektive Strecker-Synthese Chem. Rev., 2003, 103, 2795

31 ASYMMETRISCHE SYNTHESE Enantioselektive Strecker-Synthese Unter Verwendung von: chiralen Organokatalysatoren chiralen Metallkatalysatoren analogen Synthesen Chem. Rev., 2003, 103, 2795

32 ASYMMETRISCHE SYNTHESE Enantioselektive Strecker-Synthese Überblick über die chiralen Organokatalysatoren Chem. Rev., 2003, 103, 2795

33 ASYMMETRISCHE SYNTHESE Enantioselektive Strecker-Synthese Übersicht über Substrate und Ausbeuten Chem. Rev., 2003, 103, 2795

34 ASYMMETRISCHE SYNTHESE Enantioselektive Strecker- Synthese Überblick über die chiralen Metallkatalysatoren Chem. Rev., 2003, 103, 2795

35 ASYMMETRISCHE SYNTHESE Enantioselektive Strecker-Synthese Übersicht über Substrate und Ausbeuten Chem. Rev., 2003, 103, 2795

36 ZUSAMMENFASSUNG UND FAZIT Extraktionsmethoden Vorteile Günstig, wenn natürliche, preiswerte (Abfall-)Proteinquellen verfügbar sind Leichte Herstellung einiger schwerlöslicher Aminosäuren Nachteile Aufwendige Verfahren zur Reinigung Diskontinuierliche Verfahren (Batch) Hohe Personalkosten Die vom Rohstoff gelieferten Mengen an Aminosäuren sind nicht dem Bedarf des Marktes angepasst

37 ZUSAMMENFASSUNG UND FAZIT Fermentationsmethoden Vorteile Preiswerte Kohlenstoff- und Stickstoffquellen als Ausgangsstoffe Es entstehen fast nur L-Aminosäuren Nachteile Geringere Ausbeuten als synthetische Verfahren Aufwendige Isolierung der Aminosäuren Diskontinuierliche Betriebsweise (Batch) Größerer Personaleinsatz notwendig

38 ZUSAMMENFASSUNG UND FAZIT Chemische Synthesen Vorteile Herstellung im großen Maßstab möglich Einfache Isolierung und Reinigung der Produkte Kontinuierlicher Betrieb Nachteile Zusätzliche Schritte zur Enantiomerentrennung und Racemisierung erforderlich

39 ZUSAMMENFASSUNG UND FAZIT Enzymatische Methoden Vorteile Einfache Isolierung wegen der hohen Produktkonzentration Kontinuierliche und automatisierte Durchführung Geringe Personalkosen

40 ZUSAMMENFASSUNG UND FAZIT Schlussfolgerung Aufgrund der Komplexität biologisch aktiver Verbindungen, sowie des Wachstums der Biotechnologiebranche gehören die enzymatischen und fermentativen Methoden zu zukunftsweisenden Verfahren.

41 LITERATURQUELLEN B. Schäfer, Naturstoffe der chemischen Industrie, Spektrum, 1.Auflage, 2007, 139. M. Breuer, K. Ditrich, T. Habicher, B. Hauer, M. Keßeler, R. Stürmer, T. Zelinski, Angew. Chem. 2004, 116, B. Hoppe, J. Martens, Chemie in unserer Zeit 1984, 18, 73. A. Collet, Angew. Chem. 1998, 110, M. Ikeda, R. Katsumata, App. Environ. Microbiol. 1992, 11, 921. M. Beller, M. Eckert, Angew. Chem. 2000, 112, J. Halpern, Science 1982, 217, 401. H. Gröger, Chem. Rev. 2003, 103, E. J. Corey, Org. Lett. 1999, 1, 157. A. Strecker, Ann. Chem. Pharm. 1850, 75, 27.

42 VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT