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【英国C-Tech中心案例】生物催化氧化酶:分批到连续 2020-04-24

【背景先容】
虽然药物研究中自动化的趋势越来越强,但是高通量化学仍往往以釜式的形式进行;而使用连续流的工艺却仅限于生产过程中。与间歇反应器不同,流动装置的产出可以在不改变硬件或设置条件的情况下做出改变。这种灵活性节省了开发的时间和成本。连续方法的主要优点在于易于自动化、可重复性进行、反应安全以及过程更容易控制。其改进的控制能力还可以提供更好的产量和生产率(图1)。完全优化的流程可用于在单一工艺中从低价和简单的起始原料连续合成复杂的产品。这在釜式工艺中是一项无法完成的任务。

图1 连续方法的主要优点


传统上的观点认为,流动系统不能有效地处理多相体系和长反应时间的反应。现代合成化学的高速发展却弥补了连续流动过程的不足,即使用固定化催化剂或试剂。在合成化学中已经有很多运用连续流动过程的实例。然而,流动反应器在生物反应中的应用仍然是很有限的。


在微型反应器中,层流反应器占有主导地位,其在一个非常小的通道中混合反应物。当然,这些类型的反应器受到其规模的限制,但它们所表现出的优势对流动化学的成功至关重要。C-Tech Innovation企业的工作将利用这些优势,将工艺扩大到生产前规模的级别。


三家英国科技企业,C-Tech Innovation、Ingenza和AM Technology正在合作开发用于生物转化的新流动化工艺技术。该项目将整合生物工艺开发的各个方面,从催化剂的发现和工程,到工艺设计,再到高价值产品的小规模制造。该项目的主要重点是间歇工艺和连续流工艺之间进行比较。使用简单的手性拆分作为试验反应,比较了1L罐式反应、Coflore ACR(实验级连续多级搅拌反应器)和Coflore ATR(工业级连续多级搅拌反应器)反应器的表现。该项目提供了一个机会,使反应器形式发生必要的根本改变,以适应生物催化过程的特点,并将反应过程比较发表于chemical engineering research and design 9 0 ( 20 1 2 ) 726–731 ,doi:10.1016/j.cherd.2012.01.018。


过程强化从根本上提高了空间和时间的产出,同时也开发了能够容纳游离和固定化酶/细胞的装置,以提高生物催化剂的性能,建立不受压降与许多柱式连续反应器相关的不良传质和催化剂载体磨损等问题困扰的连续工艺。该项目中提出的反应器改造、重新设计与试验将为反应器的安全运行提供便利。这些工具将缩短工艺开发进程,并帮助建立高效的连续生物催化过程。


【实验过程】

使用野生型D-氨基酸氧化酶(DAAO)可将D-氨基酸氧化,得到L-氨基酸和酮酸的混合物,从而生物催化拆分DL-氨基酸(图2)。该生物催化剂由表达DAAO酶的毕赤酵母发酵生产。将发酵产生的完整细胞冻干并加入到生物转化容器中。氧气作为氧化剂,通过一个充气的气体入口加入反应。由于所用容器的气液传质限制,氧气通常是限制因素。反应由HPLC监测,当L-氨基酸的对映体过量(ee)>99%时,认为反应完成。

图2 生物催化拆分DL氨基酸


在氨基酸氧化酶的情况下,将金属催化还原与氧化酶生物催化剂结合,以实现外消旋起始材料的去对称化,进而制备高光学纯度的目标产物。在生物过程中其他试剂的使用引入了额外的参数,这些参数若使用传统的搅拌槽反应器容器,就会增加为实现每个目标而开发和优化流程的复杂性和时间。反应的副产物是过氧化氢,它可以通过以下方式影响反应:(a)引起生物催化剂的分解,(b)与酮酸产物反应产生C-1羧酸(例如丙酮酸至乙酸)。


因此,该项目的主要创新点是将高度适应性和可控性的Coflore反应器与生物转化相结合,该生物工艺从根本上具备成本竞争力,并且其工艺的开发时间也大大缩短。


【Coflore连续多级搅拌反应器】

Coflore ACR是一种多级流动反应器,用于金沙集团娱乐官网在线开发和基于传统化学工艺的小规模制造。ACR的核心是一个反应模块,其上有10个大小相等的反应池,通过沟槽通道相互连接(图3)。设计中采用了传热板和10个玻璃窗来监控每个单元。在每个反应池内部,可以安装搅拌器,它们可以承载不同的功能,例如提供灵活的反应池体积,确保一致的混合,适应不同粘度的流体,并为催化剂提供控制。反应器块安装在搅拌平台上,该搅拌平台使搅拌器移动,并且可以通过改变搅拌强度以实现从轻微到剧烈的震动(图4).简单的内部几何结构和贯穿Coflore反应器的强烈混合能力提供了保持多相混合物悬浮和分散的有效方法,进而保持反应物通过反应器时的有序流动。

图3 ACR装置图



图4 安装在振动台中的ACR


整个装置占地面积小,适合在标准研究金沙集团娱乐官网在线台面或通风柜上使用。该反应器的初步试验集中在了解反应物的物理行为,如混合、悬浊液的吞吐量以及三相反应的性能。这些试验的结果显示了在工艺效率方面的实际改善(与传统搅拌槽系统相比,显示出了产量增加、混合改善以及试剂的有效使用等优势)。在本研究中,产品在控温的条件下流过十个搅拌槽。动态混合可允许在金沙集团娱乐官网在线规模上测试不同的停留时间(最多几个小时),且不会对混合和塞流能力产生不利影响。氧气从第一个反应池的前端注入,并向上流向出口。这种混合足以使得气体在液体中实现很好的分散,从而实现良好的传质和快速的反应时间(图5)。标准连续流反应器最棘手的问题是,由于在背压调节器和小规管接头处或在反应器通道的急转弯处出现固体堆积而产生的垢。而Coflore ACR可以很好的防止结垢的产生。

图5 在ACR中的气固两相


搅拌器快速反向横向移动,从而产生无需挡板的高效混合。与传统的旋转混合方法相比,这种横向混合方法避免了不同密度材料的离心分离问题。搅拌器不使用驱动轴作为动力,这就否定了进一步机械密封或磁力联轴器的要求,并避免了与密封泄漏、缓冲液和稳定衬套相关的问题。关于混悬体系的处理,目前可用的反应器只是针对具体的反应路线而并没有给出一般的解决方案。而Coflore ACR的设计非常简单,没有死体积导致固体堆积。这种特殊的混合方式是保持悬浮液均匀分散和防止固体沉降的理想方式。

图6–ATR是工业级连续多级搅拌反应器,使用与ACR相同的混合技术。容量:0.25–10 L



图7- COFLORE ATR工业级连续多级搅拌反应器平台


【CofloreTM搅拌管式反应器】

Coflore ATR是一个具有松散搅拌元件的管式反应器(图6)。通过增加反应池的长度,当从金沙集团娱乐官网在线规模扩大到工业规模时,工艺关键参数(塞流、混合和传热)基本保持不变。

图8 从侧面看,大直径弹簧以高混合速度工作,具有高气体分数。增加的气体浓度导致更高的混合强度,以产生良好的小气泡的分散



图9从上方观察。以中等速度运转的小直径弹簧。这会产生大小均匀的气泡和良好的分散性


反应器本体安装在摇动平台上,由一系列夹套反应器管组成。当反应器主体被摇动时,松散的搅拌器元件产生强烈的径向混合。搅拌器的设计可以进行改变与调整,以实现良好的混合和适应的表面体积比(高达1000m2/m3)。


Coflore ATR原型是一个10级反应器,容量为10升,总长度为8米(图7)。初始混合试验在40mm玻璃反应器管(为了获得良好的可视性)中进行,使用简单弹簧作为混合器。这次实验的目的是观察空气/水混合物在搅拌条件下的分布情况。反应器的管道安装在水平位置,照片(图8和9)给出了不同操作条件下反应器管内气泡的扩散模式。


【实验结果】

间歇反应器

测试中的系统是使用非固定化酶全细胞体系分解DL-丙氨酸、产生L-氨基酸和酮酸的混合物。反应中需要氧气作为氧化剂,并通过充气气体入口加入到反应中。反应在每升水1摩尔丙氨酸(89.09g)的浓度下进行。所有实验都进行了两次,结果取平均值。如果结果之间存在较大差异,则重复单个实验。


图10显示了具有两种不同催化剂负载量的1L间歇反应器中的反应过程。结果表明,在此条件下,催化剂负载量对反应速率的影响很小。在图11中,搅拌器速度作为考察的自变量。结果表明,随着搅拌器转速的增加,反应速率显著增加。然而,在大约5小时后,该反应似乎下降到相当低的速率,并且保持恒定。在较高搅拌速度下,初始反应速率的提高可归因于与更有效的混合相关联的氧摄取效率的提高。5h后反应速率较慢且相对恒定,这可以说明为由于酶的消耗,反应的限制因素由氧摄取转变为酶限制。

图 101L釜式反应器中的酶装载量对反应的影响。搅拌速度为400rpm。氧气:1L/min


该反应也在一个较小的250毫升间歇式反应器中进行,并且在相同的搅拌器速度下,给出了比1L容器更高的反应速率。这可归因于容器尺寸较小,而对混合效果的改善。在4L下进一步放大(图12)。随着反应过程的扩大,反应速率大大减慢。因此随着容器尺寸的增大,在较大范围内,由于混合效率较低,这一问题将更加严重。


连续流条件

该反应在流动条件下重复进行。使用Coflore ACR反应器是因为它能提供良好的气/液混合,并能容忍不溶性固体的存在。


图13显示了在金沙集团娱乐官网在线规模的ACR中与250ml间歇反应器相比反应速率略有增加。ACR较高的性能归因于其较小的直径与横向混合的使用。在ATR反应器中,将1L釜式与1L连续流的结构进行比较时,也可看到此处的效果(图14)。ACR结果显示在2.5小时左右出现"平台"效应,这在ATR中并没有出现。编辑拟进行进一步的实验,以研究生物催化剂在不同搅拌条件下每个单独的反应器系统中的稳定性。

图11–1升间歇反应器中搅拌器速度的影响。酶载量为7G/L,氧流量为0.625L/min



图12–釜式过程的放大。酶量为21g/L,搅拌速度为400rpm。氧气:如图例所示



图13-连续流和釜式过程的比较。酶量为21g/L,搅拌速度为400rpm



图14-连续流和釜式处理的比较。酶量为21g/L,搅拌速度为400rpm



图15–ATR中的放大。酶载量为21g/L


在连续模式下按比例放大的主要优点是避免在使用较大反应器时出现图12所示的性能损失。由于连续流反应器几何形状、不同尺寸之间的相似性和动态混合技术,当从1升放大到10升时,可以实现几乎相同的结果,而不会看到釜式系统中从1升放大到4升时酶的活性已经明显的损失(图15)。编辑还预计通过多级添加氧气(以优化反应器内的气/液分散)和更高的操作压力(以增加吸氧率)可实现对该工艺的进一步改进。


【结论】

1、釜式反应不仅混合效率会随着放大而降低,而且大型容器上的高搅拌速度会带来各种问题。本实验的结果报告了一种方法和技术,它允许从金沙集团娱乐官网在线规模研究水平快速转移到生产规模的工艺开发,并且减少优化时间。


2、与间歇系统相比,AM连续多级搅拌反应器的优点如下:

(1)    柔性的容量:Coflore ACR为0.01–0.1L,Coflore ATR为0.25–10L;

(2)    灵活的热传递:外冷/加热夹套可达1000m2/m3;

(3)    混合:与保留时间无关的强径向混合;

(4)    压降低:流道大,压降低;

(5)    良好的产品处理能力:大的混合通道可以很好地处理2到3相混合物;

(6)    简单的设计:简单的管道,没有旋转轴、密封或挡板;

(7)    结构材料多样:可选择不锈钢、各类合金或塑料。


原文:

Biocatalytic oxidase: Batch to continuous,chemical

engineering research and design 9 0 ( 2 0 1 2 ) 726–731 ,doi:10.1016/j.cherd.2012.01.018。


【金沙集团娱乐官网在线概况】

作为荷兰Chemtrix微通道反应器(适合液液气液快速反应),英国AM连续多级搅拌反应器(适合气液固多相慢反应),瑞典SpinChem旋转床反应器(酶催化,固定化酶,催化剂需要回收的反应),澳大利亚CSIRO催化剂固定化连续反应器(适合催化剂固定的连续流反应),比利时Creaflow光催化反应器(气液固光催化反应),英国C-Tech电化学连续反应器,英国Nitech连续结晶器,德国CINC连续萃取分离器,英国AWL连续过滤器在中国区的独家代理商和技术服务商,深圳市金沙集团娱乐官网在线金沙集团娱乐官网在线为广大高校和企业提供连续合成、在线萃取、连续结晶、在线过滤干燥、在线分析等整套连续工艺解决方案。


企业与复旦大学、南京大学、中山大学、华东理工大学、南京工业大学、浙江工业大学、河北工业大学等高校研究机构合作成立微通道连续流化学联合金沙集团娱乐官网在线,致力于推动连续流工艺在有机合成、精细化工、制药行业、能源材料、食品饮料等领域的应用,合作金沙集团娱乐官网在线可以为客户的传统间歇釜式工艺在连续流工艺上的转变提供工艺验证、连续流工艺开发工作,促进制药及精细化工企业由传统间歇工艺向绿色、安全、快速、经济的连续工艺转变。


企业与荷兰Chemtrix B.V.在浙江台州、江苏南京合作组建了连续流微通道工业化应用技术中心(以下简称“工业化技术中心”),旨在打造集连续流微通道工艺开发、中试试验、工业化验证、技术交流于一体的综合性连续流微通道应用技术服务中心,以为广大生物医药企业、化工类企业提供专业、完善的智能化连续流工艺整套系统解决方案及一流的技术服务方案。


企业网址:www.e-zheng.com

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Biocatalytic oxidase Batch to continuous

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