文献综述
设计(论文)题目：年产200吨 D-噻吩丙氨酸酶反应工段车间设计 1.D-噻吩丙氨酸的概况1.1 D-噻吩丙氨酸的简介D-噻吩丙氨酸(3-(2-Thienyl)-L-alanine)，也称作3-(2-噻吩基)-D-丙氨酸，它是一种手性分子。 噻吩丙氨酸的分子式为C7H9NO2S，分子量为171.217，密度为1.30.1g/cm3，沸点为315.932.0Cat760mmHg，闪点144.925.1C。 图1.1D-噻吩丙氨酸结构式1.2 D-噻吩丙氨酸的应用Ｄ-噻吩丙氨酸是一种重要的带有光学活性氮、硫杂环化合物，其衍生物具有良好的抗癌、抗疟疾、抗菌、抗氧化及抗病毒等多种生物活性，被广泛用于药物分子的研发和筛选以及肿瘤化学治疗的研究，可以作为用于医药用加压素及其类似物的侧链基团，主要用于多肽合成、医药化工等领域。 在肿瘤化学治疗的研究方面，研究带有噻吩基氨基酸的抗代谢物是一个新的研究方向。 随着人们对健康的重视，D-噻吩丙氨酸的消费量日益增加，市场需求正日益扩大【1】。 2. D-噻吩丙氨酸的制备D-噻吩丙氨酸的制备一般采用化学法和生物酶法，而目前国内仅有少数几家生产企业小批量生产D-噻吩丙氨酸,大多采用化学拆分法、解氨酶法或酰化酶法生产，其产品质量和制造成本都缺乏与国外大公司竞争的能力。 随着人们对健康的重视，D-噻吩丙氨酸的消费量日益增加，市场需求正日益扩大，采用酶法制备D-噻吩丙氨酸降低成本、提高产品质量显得越来越紧迫，选择较好的生物反应工艺路线制备D-噻吩丙氨酸并进行设计，具有良好的经济效益和社会效益【2】【3】。 2.1 化学合成法化学合成法是借助有机合成和化学工程相结合的技术生产氨基酸衍生物。 由于化学合成法生产得到的氨基酸衍生物一般是外消旋体，必须经过拆分才能得到光学纯产物。 故化学合成法生产氨基酸衍生物时，除考虑合成工艺条件外，还要考虑异构体的拆分与D-异构体的消旋利用【4】。 合成路线如图2.1.1所示。 图2.1.1D-噻吩丙氨酸结构式拆分法指的是首先应当通过将L-噻吩丙氨酸和D-噻吩丙氨酸等量混合，对称合成制备外消旋体D，L-噻吩丙氨酸。 由于L-噻吩丙氨酸和D-噻吩丙氨酸的理化性质类似，只是旋光性不同。 因此用一般的方法难以拆分出D-噻吩丙氨酸【5】【6】。 拆分路线如图2.1.1所示。 图2.1.2D-噻吩丙氨酸结构式2.2不对称合成法不对称合成法需要在反应体系中引入不对称因素，如手性试剂、催化剂等。 在底物分子上引入手性辅助基团控制反应立体选择性，需要大量手性物质，操作繁琐，应用化学计量不对称合成法进行合成，又面临成本昂贵，因此不对称合成除应用廉价天然手性源外，均难以实现工业化，对于大量工业化生产的氨基酸衍生物无实用价值，对于部分特殊的氨基酸衍生物则有意义。 60年代后期出现的手性配体过渡金属络合物催化的不对称合成法，明显优于化学计量不对称合成法。 它仅用少量的手性催化剂即可将大量手性底物对映体选择性地转化为手性化合物，现在已经发展成为最经济有效的合成手性化合物的方法【7】。 不对称合成法即利用特殊的化学试剂将潜手性单元转化为手性单元，从而产生不等量的立体异构产物的反应，是有机合成的热点。 不对称合成法又分为不对称催化氢化、手性自身再生等方法。 【8】2.4 不对称转化法将过饱和体系中光学异构体的分布结晶和其对映异构体的同时消旋化相结合，使晶体拆分和消旋一同进行，把外消旋体直接转化为某一单一构型的手性分子，相比于外消旋的拆分，省去了消旋化的步骤，还利用了外消旋体的另一半的手性分子。 不对称转换作为光学活性化合物的拆分方法，较早是由Havinga等在1954年应用于碘化N一甲基．N一乙基一N一烯丙基苯胺的拆分。 它是将过饱和体系中光学异构体的分步结晶和其对映异构体(或非对映异构体)的同时消旋化(或差向异构化)相结合，使结晶拆分和消旋化一起进行，把外消旋混合物转化成一种光学异构体。 这种方法省去了经典拆分中的消旋化步骤，避免了另一种对映体的损失，使拆分效率大大提高，也避免了经典拆分方法中因对映体浓度增加而导致的夹带析出现象，使光学纯度得到了保证。 近年来，人们将不对称转换应用于氨基酸钧拆分，得到了令人满意的结果，显示出广阔的应用前景。 不对称转换作为一种拆分方法，应用于手性氨基酸衍生物的制备，具有拆分效率高，光学纯度高，不需消旋化步骤，成本低等优点，在氨基酸的工业生产中有着广阔的应用前景。 不对称转换方法在上述两种氨基酸衍生物的拆分中有着极大的应用潜力，因此，开展这方面的研究己成为我国化学工作者面临的课题。 【9】2.5 生物酶法生物法具有反应条件温和、立体选择性高、环境友好等特点，已成为D-噻吩丙氨酸的主流生产技术。 生物法包括生物不对称合成法和生物拆分法。 生物不对称合成法以较难制备的前手性酮为原料，采用需要辅酶参与的氨基酸脱氢酶、转氨酶为合成催化剂，通过不对称还原胺化、转氨化制备非天然手性氨基酸，理论收率100%。 生物拆分法以海因酶、脂肪酶、酯酶、酰化酶、氨肽酶等为拆分催化剂，通过消旋氨基酸的动力学拆分制备D-噻吩丙氨酸，不仅涉及前体如海因、氨基酸酯、N-酰化氨基酸、氨基酸酰胺的化学制备，而且涉及衍生氨基酸的化学脱保护等复杂步骤，理论收率仅为50%。 D-噻吩丙氨酸氧化酶和L-噻吩丙氨酸氧化酶具有高度的对映选择性和对映互补性，与化学还原剂或其他酶如氨基酸脱氢酶或转氨酶的组合是灵活有效的消旋氨基酸去消旋化反应体系，能够有效提高非天然手性氨基酸的合成收率。 2.5.1 一菌双酶法【10】一菌双酶法是利用一种菌产生的D-海因(D-Hydantoinase,EC3.5.2.2)和N-氨甲酰氨基酸水解酶(N-Carbamoylase,EC3.5.1.6)水解D，L-噻吩甲基海因来制备D-噻吩丙氨酸的方法。 此法的优点是两步酶解能保证其产生的氨基酸具有较高纯度的对映体纯度，且双酶的发酵一步完成，省去了酶提取制备的步骤。 例如日本中原生化公司通过基因工程手段将D-海因酶和N-氨甲酰氨基酸水解酶的基因在大肠杆菌中表达，并提取粗酶进行固定化来生产D-苯丙氨酸。 合成路线如图2.5.1所示。 图2.5.1一菌双酶法2.5.2 两菌两酶法该方法与一菌双酶本质相同，通过选用不同的菌种分别产生D-海因酶与N-氨甲酰氨基酸水解酶以保证获取较高的酶活性。 该方法较一菌双酶法成本更高，但较高的酶活性能获得更大的收率，合理设计可能使得收益增大。 2.5.3一酶一酸法一酶一酸法则是通过微生物产生的D-海因酶水解D，L-噻吩甲基海因得到N-氨甲酰-D-噻吩丙氨酸,然后通过化学水解代替一菌双酶法中的N-氨甲酰氨基酸水解酶水解N-氨甲酰-D-噻吩丙氨酸，其反应迅速,且D-噻吩丙氨酸得率在95%以上,但此时酶转化制备中间体N-氨甲酰-D-噻吩丙氨酸的过程却因无法与其相媲美而又成了整个工艺的瓶颈,而无法付诸实践。 研究表明,L-海因的自发消旋需在较高的pH值和较高的温度下方能快速进行,而在实际转化体系中,随着N-氨甲酰氨基酸的不断生成,体系pH值呈下降的趋势,这样不仅不利于海因酶的催化(海因酶的最适作用pH是8～9),而且也不利于L-海因的消旋。 徐晓滢等【11】采用EAHsepharose4B为固定化载体,制备得到了性能稳定的固定化D-海因酶,并在此基础上构建了填充床固定化酶反应器,同时串联了阴离子交换分离单元,形成了一个基于原位分离的固定化酶反应体系,以实现产物与底物的在线分离(又称原位分离，insituproductremoval,缩写为ISPR),达到稳定转化系统的pH值,促进L-海因的消旋,保持酶最适反应条件的目的,同时,也将推动反应平衡向产物生成的方向移动。 合成路线如图2.5.3所示。 【12】图2.5.3一酶一酸法2.5.4 酰化酶拆分法比较常用的酰化酶有L-氨基酰化酶、D-氨基酰化酶、青霉素氨基酰化酶【13】等，其中L-氨基酰化酶法酶易获得，且工艺过程较简单，有较好的生产价值，但是最重要是最终产品的光学纯度，此方法需要对中间产物乙酰-D-噻吩丙氨酸进行二次拆分，分离残留的乙酰-L-噻吩丙氨酸，使得工艺流程延长，收率较低。 其他酰化酶则无此步骤，以乙酰-D，L-噻吩丙氨酸为底物，可以直接拆分成D-噻吩丙氨酸和乙酰-L-噻吩丙氨酸，但后者还需继续进行消旋和拆分。 拆分路线如图2.5.4所示。 【14】【15】【16】图2.5.4酰化酶拆分法3.本课题的研究目标和特色本课题研究目标为年产200吨D-噻吩丙氨酸生物分离工段车间设计，通过建设规模、产品方案、生产方法和生产时间的要求，查找资料和计算，完成主要设备的设计及其它配套设备的选型，完成车间平面的布置、工艺流程及衡算等。 根据所得到的数据，为产品的产业化提供一定的帮助。 本课题计划采用生物酶法中的一菌双酶法来制备D-噻吩丙氨酸。 D-噻吩丙氨酸的制备一般采用生物酶法和化学法，但是化学拆分法所耗原料，生产过程能耗高，产品纯率低等缺点，在企业生产中无法获取大量利润，因此生物酶法是制备D-噻吩丙氨酸较佳的方法。 尤其是生物催化法操作安全、高效、环保，反应条件温和，具有较高的反应收率和较好的产品品质，反应放大也可实现。 而随着相关产业的发展,因其衍生物具有良好的抗癌、抗疟疾、抗菌、抗氧化及抗病毒等多种生物活性，D-噻吩丙氨基酸的市场需求与日俱增。 但目前国内仅有少数几家生产企业小批量生产D-噻吩丙氨酸，相较于其他方法，开发工艺简单、对映选择性高、收率高的D-噻吩丙氨基酸生物催化合成技术，对于氨基酸产业升级和相关产业的发展具有重要意义。 本课题采用的酶催化法以较稳定的2-噻吩亚海因为中间体进行下一反应，生成2-噻吩基丙酮酸，并且及时进行酶转化，损失较小，收率和产品纯度较高。 该制备方法简单易控制，降低了工艺繁琐性，降低了成本，缩短了周期，适用于大规模生产，且制得3-(2-噻吩基)-D-丙氨酸收率高，降低副产物的含量，生产成本低，使用溶剂少，污染小，大幅度提高生产过程的安全性，提高产品的品质，具有突出的实质性特点和显著的进步，具备创造性，因此与本课题工艺设计目标十分契合。 从国内外比较来看，D-噻吩丙氨酸的制备工艺产量都不是很大，据查阅了解到有美国公司约年产几十吨，而国内大约年产120吨，因此本课题目标200吨在产量上也具有相对竞争力。 【17】【18】【19】【20】。 引用【1】乔浩,于荣华,赵航宇,等.一种制备3-(2-噻吩基)-L-丙氨酸的方法.【2】韩建福,富敏霞,祝铃钰,贠军贤.L-苯丙氨酸制备的研究进展【J】.生物加工过程,2019,17(02):117-124.【3】黄冠华,夏仕文.酶法拆分D,L-苯丙氨酸制备D-苯丙氨酸【J】.合成化学,2007(01):69-72.【4】李平.苯丙氨酸的应用与制备简述【J】.河北工业科技,2000(04):45-48.【5】甘明哲,何丹,范成英,赵海,官家发.米曲霉氨基酰化酶酶法拆分制备D型芳香族氨基酸[J].应用与环境生物学报,2009,15(05):734-736.【6】闫博,朱占锋.D-氨基酰化酶拆分D,L-苯丙氨酸制备D-苯丙氨酸【J】.氨基酸和生物资源,2008(02):36-38.【7】未本美,蒋立建.不对称转化拆分制备D-苯丙氨酸【J】.中国医药工业杂志,2007(07):475-476.【8】程菲.外消旋苯丙氨酸及其衍生物的合成与手性拆分【D】.华东师范大学,2006.DOI:10.7666/d.y896380.【9】郭秀斌，刘云彬，薄海静等，不对称转换在alpha;-氨基酸拆分中的应用[J]，化学研究与应用,1998,10(5)：464-469.【10】韦萍，姚忠，李家璜，等.海因酶法制备D-苯丙氨酸的酶催化过程动力学[J].化工学报.2004.55(5):764-769. 【11】徐晓滢,姚忠,马哲,刘辉,周华,韦萍.海因酶法耦合原位分离技术制备N-氨甲酰-D-苯丙氨酸[J]. 化工学报,2007,(4):980～987陈海涛,李继.D-苯丙氨酸的不对称合成新工艺研究.[D]郑州大学.2016.1-83.【12】贾红华, 韦萍, 周华,等. 酶法转化D,L-苄基海因制备N-氨甲酰-D-苯丙氨酸[J]. 现代化工, 2003, 23(6):24-27.【13】夏仕文,熊文娟,韦燕婵,何从林,徐红梅.氨基酸氧化酶催化合成非天然手性氨基酸研究进展【J】.分子催化.2015(03):288～298.【14】莫章桦等.N-氨甲酰基-D-氨基酸酰胺水解酶生产菌的选育.《中国医药工业杂志》.2006,第37卷(第11期),第734-736页.【15】阿米洛吉斯有限公司.制备具有光学活性的噻吩基丙氨酸的方法:CN201680056069.3[P].2018-06-08.【16】胡建强,黄志平,李晶.氨基酸手性拆分研究进展[J].食品与药品,2012,14(01):60-64.【17】Andersen O A , Flatmark T , Hough E . 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