RS59314B1 - Postupak za proizvodnju derivata furana od glukoze - Google Patents

Description

Predmetni pronalazak se odnosi na postupak za proizvodnju derivata furana od D-glukoze.

Zbog rastućih troškova fosilnih sirovina i smanjene ponude takvih sirovih materijala, što je i za očekivati, postoji veliko interesovanje za upotrebu obnovljivih sirovih materijala. S tim u vezi, oblasti proizvodnje energije i proizvodnje osnovnih hemikalija trebaju razdvojiti. Predmetni pronalazak se odnosi na ovu drugu oblast i odnosi se na postupak za proizvodnju derivata furana od D-glukoze.

D-glukoza je obezbeđena u velikim količinama u različitim biopolimerima, koji su sastojci obnovljivih sirovina. Primeri za to su skrob (npr. kukuruzni skrob) ili celuloza (npr. iz lignocelulozne biomase). Međutim, fruktoza je daleko pogodnija kao početni materijal za proizvodnju derivata furana.

Ustanovljeni način konverzije D-glukoze u D-fruktozu postiže se upotrebom odgovarajuće izomeraze D-glukozne, npr., D-ksiloza izomeraze, koja prihvata D-glukozu kao supstrat. Takvi postupci su već odavno poznati, na primer, iz US2950228 i pogodni su i za industrijsku upotrebu, kao što je opisano, na primer, u US3616221 ili US3868304.

WO 2011/124639 opisuje postupak za proizvodnju derivata furana hidroksimetilfurfurala, polazeći od fruktoze, glukoze ili manoze, pri čemu je obezbeđena konverzija D-glukoze u D-fruktozu pomoću D-glukoza izomeraze.

Problem povezan s tim je što se obično maksimalna količina od oko 42% D-glukoze može pretvoriti u D-fruktozu. Dalje obogaćivanje D-fruktoze u odnosu na D-glukozu može se dobiti postupcima razdvajanja. Mogućnost za to je primena hromatografskih metoda, kao što je opisano, npr. U US5221478. Za prehrambeni sektor se česti su pokušaji samo delimičnog obogaćivanja D-fruktozom. Međutim, hromatografske metode su veoma složene, posebno za proizvodnju D-fruktoze koja je relativno čista ili čak vrlo čista.

Pored upotrebe izomeraza, u literaturi su opisane i enzimske redoks reakcije na ugljenim hidratima.

Na primer, u DE69839381 je opisana sorbitol dehidrogenaza koja se može koristiti za konverziju D-sorbitola u L-sorbozu i može se primeniti za proizvodnju askorbinske kiseline.

U DE10247147 je opisan postupak, u kojem je D-fruktoza redukovana do D-manitola, korišćenjem D-manitol-2-dehidrogenaze.

U US4467033 je opisana enzimska oksidacija L-sorbitola u L-fruktozu.

Primeri redukcije D-ksiloze u ksilitol otkriveni su, na primer, u US20060035353 ili u Woodyer R. et al., FEBS J., 2005, Volume 272, p 3816-3827.

Već je pokazano da se pogodne ksiloza reduktaze mogu koristiti za redukciju D-glukoze u D-sorbitol (npr. Wang X. et al., Biotechnol. Lett., 2007, Volume 29, p 1409-1412).

Redoks enzimi šećera kao što je npr. sorbitol dehidrogenaza se takođe koriste u dijagnostičke svrhe (npr. DE60006330).

Ove metode su pojedinačne redoks reakcije, pri čemu dolazi do redukcije ili oksidacije za formiranje proizvoda.

Enzimski katalizovane redoks reakcije koriste se u industrijskim procesima, na primer, u proizvodnji hiralnih alkohola, α -aminokiselina i α -hidroksi kiselina. Industrijski procesi kao do sada poznati obično koriste redoks enzim za sintezu proizvoda, kao i, opciono, drugi enzim za regeneraciju kofaktora. Postupci u kojima se dve ili više enzimskih redoks reakcija koje učestvuju u stvaranju proizvoda kao i opciono potrebne enzimske reakcije za regeneraciju kofaktora se izvode (istovremeno ili uzastopno) u jednom reakcionom sudu, a da se ne izoluje intermedijer. U poslednje vreme su takve enzimske kaskadne reakcije - ovde nazvane reakcije ujednom sudu - privukle značajnu pažnju, jer efikasno smanjuju operativne troškove, vreme rada i uticaje na životnu sredinu. Pored toga, enzimske kaskade redoks reakcija olakšavaju transformacije koje nije lako provesti uobičajenim hemijskim metodama.

Na primer, opisan je pokušaj izvršenja deracemizacije racemata sekundarnih alkohola preko prohiralnog ketona kao intermedijera pomoću sistema u jednom sudu, (J. Am. Chem. Soc., 2008, tom 130, str. 13969-13972 ). Deracemizacija sekundarnih alkohola postignuta je pomoću dve alkoholne dehidrogenaze (S- i R-specifične) sa različitim specifičnostima kofaktora. Nedostatak postupka je vrlo niska koncentracija supstrata koji se koristi od 0,2-0,5%, što nije prikladno u industrijske svrhe.

Sledeći sistem u jednom sudu je opisan u WO 2009/121785, gde je stereoizomer optički aktivnog sekundarnog alkohola oksidovan u keton i zatim redukovan u odgovarajući optički antipod i pri čemu su korišćene dve alkoholne dehidrogenaze sa suprotnom stereoselektivnšću i različitim specifičnostima kofaktora. Kofaktori su regenerisani pomoću takozvanog „sistema prenosa hidrida“, koristeći samo jedan dodatni enzim. Za regeneraciju kofaktora korišćeni su različiti enzimi kao što je format dehidrogenaza, glukoza dehidrogenaza, laktat dehidrogenaza. Nedostatak pomenute metode je niska koncentracija korišćenih supstrata.

Suprotno tome, mnoge pojedinačne redoks reakcije enzima već su poznate. Primer upotrebe je proizvodnja hiralnih hidroksi jedinjenja, počevši od odgovarajućih prohiralnih keto jedinjenja. U navedenim metodama kofaktor je regnerisan dodatnim enzimom. Ove metode imaju zajedničko to što predstavljaju izolovanu reakciju redukcije i regenerišu NAD(P)H (videti, npr., EP1152054).

Daljnji primeri enzimske proizvodnje hiralnih enantiomerno obogaćenih organskih jedinjenja, npr. alkohola ili aminokiselina, opisani su (Organic Letters, 2003, Volume 5, p. 3649-3650; US7163815; Biochem. Eng. J., 2008, Volume 39(2) p. 319-327; EP1285962). U pomenutim sistemima je kao enzim za regeneraciju kofaktora korištena NAD (P) H-zavisna oksidaza iz Lactobacillus brevis ili Lactobacillus sanfranciscensis. Ispitivanja takođe predstavljaju pojedinačne reakcije za formiranje proizvoda.

Gore navedene reakcije oksidacije ili redukcije koje se odvijaju pojedinačno nemaju prednosti reakcije u jednom sudu, kao što je, na primer, ekonomičnost kao rezultat uštede vremena i materijala.

Moguće je izolovanje fruktoze iz vodenih rastvora, na primer, postupkom opisanim u US4895601 ili US5047088.

Iz literature su poznati različiti primeri proizvodnje derivata frana iz ugljenih hidrata.

U ovim postupcima, korišćeni su brojni kiseli katalizatori: neorganske kiseline (videti, npr., Chheda, J. N.; Roman-Leshkow, Y.; Dumesic, J. A. Green Chem.2007, 9, 342-350), organske kiseline (npr., oksalna kiselina), zeoliti (h-oblik), joni prelaznih metala (videti, npr., Young, G.; Zhang, Y.; Ying, J. Y. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 9345-9348; Tyrlik, S. K.; Szerszen, D.; Olejnik, M.; Danikiewicz, W. Carbohydr. Res. 1999, 315, 268-272), heterogeneno rastvoreni fosfati metala (videti, npr., Asghari, F. S.; Yoshida, H. Carbohydr. Res. 2006, 341, 2379-2387) ili takođe veoma kisele katjonske izmenjivače (videti, npr., Villard, R.; Robert, F.; Blank, I.; Bernardinelli, G.; Soldo, T.; Hofmann, T. J. Agric. Food Chem. 2003, 51, 4040-4045).

Voda kao ekološki rastvarač je ispitivana poželjno kao rastvarač u takvim procesima. Iako se sistem biomase i vode može oceniti kao „ekološki pristup“, on se više ne može posmatrati kao takav na temperaturama od > 300 ° C i pritiscima većim od 20 MPa, koji su potrebni za postizanje prihvatljivih prinosa (vidi , npr., Qi, X.; Watanabe, M.; Aida, T. M.; Smith Jr., R. S. Cat. Commun. 2008, 9, 2244-2249).

Hidroksimetilfurfural (u daljem tekstu HMF) predstavlja posebno jedinjenje furana koje se može proizvesti iz ugljenih hidrata u prisustvu kiselih katalizatora. Procesi proizvodnje HMF-a su takođe poznati iz literature. HMF se može dobiti iz ugljenih hidrata u vodenom rastvoru u prisustvu homogenih i heterogenih kiselina. U zavisnosti od supstrata sa ugljenim hidratima i reakcionih uslova, dobijeni prinosi tako iznose između 30 i 60%. Ukoliko se kao rastvarač koristi voda, u tom su slučaju opisani i reakcioni uslovi od 300 ° C i 27 MPa. Pored toga, opisano je stvaranje sporednih proizvoda poput levulinske kiseline (LS) ili nerastvornih huminskih kiselina (videti npr., Bicker, M., Kaiser, D., Ott, L., Vogel, H., J. of Supercrit. Fluids 2005, 36, 118-126; Szmant, H. H., Chundury, D. D., J. Chem. Techn. Biotechnol.1981, 31, 135-145; Srokol, Z., Bouche, A.-G., van Estrik, A., Strik, R. C. J., Maschmeyer, T., Peters, J. A., Carbohydr. Res. 2004, 339, 1717-1726).

Proces protoka pod superkritičnim uslovima, počevši od D-glukoze, opisali su Aida et al. (Aida, T. A.; Sato, Y.; Watanabe, M.; Tajima, K.; Nonaka, T.; Hattori, H.; Arai, K. J. of Supercrit. Fluids, 2007, 40, 381-388).

Organski rastvarači takođe mogu biti pogodni za proizvodnju HMF. Međutim, njihovo značajno ograničenje je to što ih je u nekim slučajevima teško odvojiti se od proizvoda (vidi npr. Bao, Q.; Qiao, K.; Tomido, D.; Yokoyama, C. Catal. Commun. 2008, 9, 1383-1388; Halliday, G. A.; Young Jr., R. J.; Grushin, V. V. Org. Lett.2003, 5, 2003-2005). Pored toga, mnogi rastvarači koji su korišćeni u prošlosti nisu pogodni za eventualne kasnije reakcije, jer stvaraju nusprodukte, osim ako nisu odvojeni. RAstvarači koji se često koriste za konverziju ugljenih hidrata u HMF su dimetil sulfoksid (DMSO) i dimetil formamid (DMF). U poređenju sa vodom kao rastvaračem, konverzija ugljenih hidrata u HMF se može izvesti u onim slučajevima već na relativno niskim temperaturama od 80 - 140 ° C i daje znatno veće prinose (do 95% u DMF-u) u kraćim reakcionim vremenima (30 min do 2 h) (videti npr. Halliday, G. A., Young Jr., R. J., Grushin, V. V., Org. Lett. 2003, 5, 2003-2005; WO2009076627. Pretpostavlja se da DMSO deluje kao katalizator u dehidrataciji D-fruktoze (ili drugog ugljenog hidrata) u HMF (i uporedna jedinjenja) (videti: Amarasekara, A. S.; Williams, L. D.; Ebede, C. C. Carbohydr. Res. 2008, 343, 3021-3024).

Reakciona smeše voda/ DMSO ili voda/ toluen je takođe korišćena u režimu kontinuirane reakcije, gde je potrebno reakciono vreme od 4-6 h na 140-180 ° C da bi se dobio prinos HMF od 80%, u najboljem slučaju (videti Chheda, J. N., Roman-Leshkov, Y., Dumesic, J. A., Green Chem. 2007, 9, 342-350).

Jonske tečnosti mogu delovati i kao neutralni rastvarači i kao aktivne Brønstedove kiseline, pri čemu odvajanje jonskih tečnosti i dalje predstavlja problem. Pored toga, imobilisane jonske tečnosti korišćene su kao katalizatori Brønsted-kiseline (videti Bao, Q.; Qiao, K.; Tomido, D.; Yokoyama, C. Catal. Commun.2008, 9, 1383-1388).

Svi dosad poznati procesi pokazuju različite nedostatke, na primer, nisku početnu koncentraciju supstrata, niske ukupne prinose.

Neočekivano, sada je pronađena mogućnost postizanja boljeg ukupnog prinosa tokom proizvodnje derivata furana iz D-glukoze, pri čemu se mogu koristiti iznenađujuće visoke početne koncentracije D-glukoze.

U jednom aspektu, predmetni pronalazak obezbeđuje postupak za proizvodnju derivata furana od D-glukoze, koji je karakterisan u tome što

D-glukoza se pretvara u D-fruktozu u enzimskom procesu, pri čemu se koriste redoks kofaktori i regenerišu,

pri čemu se D-glukoza pretvara u D-fruktozu, koja uključuje dve ili više oksidoreduktaza, a tokom konverzije D-glukoze u D-fruktozu, prvo se izvodi enzimski katalizovana redukcija u D-sorbitol i posle toga enzimski katalizovanu oksidaciju, D-sorbitol u D-fruktozu,

pri čemu su NAD / NADP i NADP<+>/NADPH korišćeni kao redoks kofaktori i, kao rezultat najmanje dve dalje enzimski katalizovane redoks reakcije koje se odvijaju u istoj reakcionoj seriji/šarži, jedan od dva redoks kofaktora nakuplja se u redukovanom obliku, odnosno drugi u oksidovanom obliku i

B) D-fruktoza je konvertovana u derivate furana i u fazi A)

- u reakciji regeneracije koja ponovo konvertuje redukovani kofaktor u svoj originalni oksidovani oblik, kiseonik ili jedinjenje opšte formule

pri čemu R1predstavlja (C1-C4)-alkil grupu linearnog lanca ili razgranatu ili (C1-C4)-karboksialkil grupi, je redukovano, i

- u reakciji regeneracije ponovo konvertovanje oksidovang kofaktora u svoj originalni redukovani oblik, (C4-C8)-cikloalkanol ili jedinjenje opšte formule

gde R2i R3su nezavisno odabrani iz gurupe koju čine H, (C1-C6)-alkil, gde alkil je linearan ili razgranat, (C1-C6)-alkenil, pri čemu alkenil je linearnog ili razgranatog lanca i sadrži jednu do tri dvostruke veze, aril, a posebno C6-C12-aril, karboksil, ili (C1-C4)-karboksialkil, a takođe cikloalkil, npr., C3-C8-cikloalkil, je oksidovan.

U narednom aspektu, u postupku prema predmetnom pronalasku, R1je supstituisan ili nesupstituisan, npr., nesupstituisana C1-C4-alkil grupa.

U sledećem aspektu, u postupku prema ovom pronalasku, R2i R3su nezavisno izabrani iz grupe koja se sastoji od H, (C1-C6) -alkila, gde je alkil linearnog lanca ili razgranat, (C1-C6) -alkenila, pri čemu je alkenil linearnog lanca ili razgranat i sadrži jedan do tri dvostruke veze, aril, posebno C6-C12-aril, karboksil, ili (C1-C4)-karboksialkil.

Postupak koji je obezbeđen ovim pronalaskom se ovde naziva i postupak prema / shodno ovom pronalasku.

Enzimski kataliziovane redoks reakcije koje nisu deo regeneracije kofaktora i koje učestvuju u stvaranju proizvoda u postupku prema ovom pronalasku su ovde nazvane „reakcija (e) oksidacije“ i „reakcija(e) redukcije“ . „Reakcija (reakcije) oksidacije“ i „reakcije (reakcije) redukcije“ date su su pod terminima „reakcije formiranja/dobijanja proizvoda“. Reakcije formiranja proizvoda u postupku prema predmetnom pronalasku obuhvataju, u svakom slučaju, najmanje jednu reakciju oksidacije i najmanje jednu reakciju redukcije.

U poželjnoj realizaciji predmetnog pronalaska, postupak prema predstavljenom pronalasku je okarakterisan time što se reakcija oksidacije i redukcije odvijaju hronološki paralelno.

Enzimi i redoks enzimi u postupku prema predmetnom pronalasku uključuju oksidoreduktaze. Oksidoreduktaze su enzimi koji katalizuju redoks reakcije. Oksidoreduktaze uključuju, na primer, dehidrogenaze, reduktaze, oksidaze, katalaze.

Oznaka kiseline ili soli kiseline ovde uključuje odgovarajući termin koji nije naznačen. Slično tome, indikacija kiselina, posebno žučnih kiselina, uključuje ovde sve estre koji su od njih izvedeni. Pored toga, jedinjenja (delom) obezbeđena zaštitnim grupama uključene su tamo gde su naznačene osnovne supstance.

U poželjnoj realizaciji predmetnog pronalaska, postupak prema ovomm pronalasku je okarakterisan time što se kao jedinjenje formule I (2-okso kiselina) koristi piruvat (redoks kosubstrast) koji je redukovan do laktata pomoću laktat dehidrogenaze, što znači da se u reakciji regeneracije ponovne konvertoverzije eredukovanog kofaktora u prvobitni oksidovani oblik, piruvat je redukovan do laktata pomoću laktatne dehidrogenaze.

U poželjnoj realizaciji predmetnog pronalaska, postupak prema ovom pronalasku je okarakterisan u tome što se kao jedinjenje formule II (redoks kobsupstrast) koristi sekundarni alkohol, naročito 2-propanol (izopropil alkohol, IPA) koji je oksidovan u aceton pomoću alkohol-dehidrogenaze, što znači da, u reakciji regeneracije ponovne konverzije oksidovanog kofaktoru u njegov originalni redukovani oblik, 2-propanol se oksiduje u aceton pomoću alkohol-dehidrogenaze.

U poželjnoj realizaciji predmetnog pronalaska, postupak prema predstavljenom pronalasku je okarakterisan time što se kao redoks kosubstrat koristi kiseonik koji je redukovan pomoću NADH oksidaze.

U poželjnoj realizaciji predmetnog pronalaska, postupak prema predstavljenom pronalasku je okarakterisan time što se kao redoks kosubstrat koristi sekundarni alkoholni malat koji je oksidovan u piruvat i CO2pomoću oksaloacetat-dekarboksijuće malat dehidrogenaze („enzim malat “), npr. da se u reakciji regeneracije konvertuje oksidovan kofaktor u njegov originalni redukovani oblik, malat je oksidovan u piruvat i CO2pomoću malat dehidrogenaze.

U ovom aspektu, nascentni piruvat reaguje u daljnjoj redoks reakciji koja ne služi za stvaranje proizvoda, ali predstavlja drugu reakciju regeneracije kofaktora.

Odgovarajući izvori D-glukoze u postupku prema ovom pronalasku uključuju, na primer, enzimske ili neenzimske hidrolize skroba, posebno kukuruznog skroba, enzimske ili neenzimske hidrolize saharoze ili enzimske ili neenzimske hidrolize celuloze . Celuloza koja se koristi u postupku prema ovom pronalasku može se dobiti, na primer, iz biomase, poželjno iz lignocelulozne biomase, kao što su, na primer, drvo, slama kao što su pšenična slama, kukuruzna slama, bagasa (otpaci šećerne trske), sisale, energetske trave. Na primer, amilaze se mogu koristiti za enzimsku hidrolizu kukuruznog skroba. Na primer, invertaze su pogodne za enzimsko cepanje saharoze. Na primer, celulaze se mogu koristiti za enzimsko cepanje celuloze. Kiselo katalizirano cepanje, na primer, je pogodno za neenzimsko cepanje navedenih višestrukih šećera.

Faza A) u postupku prema ovom pronalasku se izvodi u vodenom sistemu kome je opciono dodat pufer. Pogodni puferi uključuju, na primer, acetat, kalijum fosfat, Tris-HCl i glicinske pufere, koji, na primer, imaju pH vrednost od 5 do 10,5, poželjno od 6 do 10. Pored toga, joni za stabilizaciju enzima, ili alternativno , kao što su, na primer, Mg<2+>ili drugi aditivi, kao što je, na primer, glicerol, mogu da se dodaju u sistem tokom konverzije D-glukoze u D-fruktozu.

U postupku prema ovom pronalasku, u fazi A), D-glukoza je konvertovana u D-fruktozu prema reakcijskoj šemi 1

Reakciona šema 1

Predmetni pronalazak je karakterističan po tome što se tokom konverzije D-glukoze u D-fruktozu prvo vrši enzimski katalizovana redukcija i potom enzimska katalizovana oksidacija.

U specifičnom aspektu, predmetni pronalazak je okarakterisan u tome što se izomerizacija D-glukoze odvija redukcijom u D-sorbitol, koji se oksiduje u D-fruktozu, naročito prema sledećoj reakcionoj šemi 2

Reakciona šema 2

Postupak u skladu sa predmetnim pronalaskom je karakterističan po tome što se reakcije redukcija i oksidacije za konverziju D-glukoze u D-fruktozu odvijaju se u istoj reakcionoj šarži, bez izolovanja bilo kakvih intermedijara.

Odgovarajući enzimi za redukciju D-glukoze u D-sorbitol su poznati i uključuju, na primer, ksiloza reduktazu koji se može dobiti, na primer, iz Candida tropicalis ili Candida parapsilosis.

Odgovarajući enzimi za oksidaciju D-sorbitola u D-fruktozu poznati su i uključuju, na primer, sorbitol dehidrogenaze koji se mogu dobiti, na primer, iz jetre ovaca, Bacillus subtilis ili Malus domestica.

Posebna realizacija postupka prema predmetnom pronalasku je karakteristična po tome što je upotrebljena najmanje jedna dehidrogenaza za konverziju D-glukoze u D-fruktozu.

I enzimi i redoks kofaktori mogu se upotrebiti ili u rastvornoom obliku ili imobilizovani na (čvrstom) nosaču.

Redoks enzimi koji su pogodni za regeneraciju NAD<+>/NADH i/ili NADP<+>/NADPH poznati su stručnjacima u oblasti tehnike i uključuju, na primer, dehidrogenaze.

U postupku prema predmetnom pronalasku, u fazi A) mogu da se koriste i pojedinačni enzimi i fuzioni proteini koji sadrže dva redoks enzima.

Naredna specifična realizacija postupka prema predmetnom pronalasku je karakteristična po tome što su enzimske redoks reakcije za konverziju D-glukoze u D-fruktozu katalizovane takvim dehidrogenazama koje koriste redoks kofaktore NAD<+>/NADH i / ili NADP<+>/NADPH.

Tako, NAD<+>označava oksidovani oblik, a NADH označava redukovani oblik nikotinamid adenin dinukleotida, dok NADP<+>označava oksidovani oblik, a NADPH označava redukovani oblik nikotinamid adenin dinukleotid fosfata. Dodavanje redoks kofaktora je verovatno nepotrebno ako ih rastvori enzima već sadrže u dovoljnim koncentracijama. Ako se dodaju redoks kofaktori NAD(P)<+>i / ili NAD (P) H tokom konverzije D-glukoze u D-fruktozu, dodata koncentracija u postupku prema ovom pronalasku obično se kreće od 0,001 mM do 10 mM , poželjno od 0.01 mM do 1 mM.

Dodatni redoks enzimi za regeneraciju redoks faktora poznati su stručnjacima i uključuju, na primer, alkohol dehidrogenaze, NADH oksidaze, hidrogenaze, laktat dehidrogenaze ili formate dehidrogenaze.

1

Sledeća specifična realizacija postupka prema predmetnom pronalasku je karakteristična po tome što je NAD<+>regenerisan u istoj reakcionoj šarži pomoću NADH oksidaze tokom konverzije D-glukoze u D-fruktozu.

NADH oksidaze i alkohol dehidrogenaze su poznate stručnjaku u ovoj oblasti tehnike. Alkohol dehidrogenaze uključuju, na primer, one iz Lactobacillus kefir -a. Pogodne NADH oksidaze mogu se dobiti, na primer, iz Leuconostoc mesenteroides, Streptococcus mutans, Clostridium aminovalericum.

Naredna specifična realizacija postupka prema predstavljenom pronalasku je karakteristična po tome što je NADPH regenerisana u istoj reakcionoj šarži alkohol dehidrogenazom iz Lactobacillus kefir tokom konverzije D-glukoze u D-fruktozu.

Za regeneraciju redoks kofaktora potrebno je obezbediti kosubstrate i opciono ih dodati.

Supstance koje se redukuju ili oksiduju tokom regeneracije NAD<+>/NADH i / ili NADP<+>/NADPH (ili drugih redoks kofaktora) nazivaju se kosubstratama. Odgovarajući kosubstrati u postupku prema ovom pronalasku uključuju, na primer, alkohole (npr. 2-propanol), mlečnu kiselinu i njene soli, piruvinsku kiselinu i njene soli, kiseonik, vodonik i / ili mravlju kiselinu i njene soli.

NADPH može da se regeneriše, na primer, alkohol dehidrogenazom iz Lactobacillus kefir , dodajući kosupstrat 2-propanol (izopropanol), koji se oksiduje u aceton.

Mogući reakcioni putevi za konverziju D-glukoze u D-fruktozu prema postupku predmetnog pronalaska ilustrovani su u sledećim reakcionim šemama 3 i 4:

Reakciona Šema 3

CtXR = ksiloza reduktaza iz Candida tropicalis SISDH = sorbitol dehidrogenaza iz jetre ovce LkADH = NADP(H)-zavisna alkohol dehidrogenaza iz Lactobacillus kefir,

LacDH = NAD(H)-zavisna laktat dehidrogenaza,

Rakciona Šema 4

CtXR = ksiloza reduktaza iz Candida tropicalis BsSDH = sorbitol dehidrogenaza iz Bacillus subtilis LkADH = NADP(H)-zavisna alkohol dehidrogenaza iz Lactobacillus kefir, SmOxo = NADH oksidaza iz Streptococcus mutans

Nađeno je da je, u postupku prema predmetnom pronalasku, visoka početna koncentracija D-glukoze u vodenoj reakcionoj smeši od ≥5% (t / z) D-glukoze, poželjno ≥ 10% (t / z) Dglukoza, posebno poželjno ≥ 15% (t / z) D-glukoza, može se koristiti u konverziji D-glukoze u D-fruktozu.

U sledećoj poželjnoj realizaciji, D-glukoza je korišćena u vodenoj reakcionoj smeši u postupku prema predmetnom pronalasku u koncentraciji od ≥5% (t / z) D-glukoze, poželjno ≥ 10% (t / z) D-glukoze, posebno poželjno ≥ 15% (t / z) D-glukoze, pri čemu koncentracija od 50% (t / z), poželjno 40% (t /z), posebno pogodno 35% (t / z), ne treba da bude prekoračena.

Zbog rastvorljivosti D-glukoze u zavisnosti od temperature, koncentracija glukoze se mora prilagoditi odgovarajućoj reakcionoj temperaturi tokom primene postupka.

U postupku prema predmetnom pronalasku, enzimi se mogu koristiti kao takvi, opciono u obliku ćelijskih lizata, opciono kao rekombinantno prekomerno eksprimirani proteini, na primer, kao proteini koji su rekombinantno prekomerno eksprimirani u E. coli, pri čemu, takođe poželjno, odgovarajući ćelijski lizati se mogu koristiti bez daljeg prečišćavanja. U zavisnosti od enzima koji se proizvodi, mogu se koristiti i drugi mikroorganizmi za ekspresiju, na primer, mikroorganizmi poznati stručnjacima. U postupku prema ovom pronalasku, čvrste komponente odgovarajućih mikroorganizama se mogu ili odvojiti ili koristiti u reakciji (npr., biokatalizatori celih ćelija). Supernatanti kulture ili lizati mikroorganizama koji već pokazuju dovoljno enzimskih aktivnosti bez tehnologije rekombinantne DNK takođe se mogu koristiti. U postupku prema predmetnom pronalasku, i enzimi i redoks kofaktori mogu se koristiti ili u rastvornoom obliku ili imobilizovati na čvrstim nosačima. Pri tome enzimska jedinica 1 U odgovara količini enzima koja je potrebna za reakciju 1 µmol supstrata u minuti.

Neočekivano, otkriveno je da se u procesu prema predmetnom pronalasku može postići visok prinos tokom konverzije D-glukoze u D-fruktozu, na primer, prinos od ≥ 70% (t / z), kao što je ≥ 90% (t / z), npr., ≥ 98% (t / z) i do 99.9% (t / z), ili čak ukupni promet.

U zavisnosti od upotrebljenih enzima, postupak prema predmetnom pronalasku može se izvesti, na primer, u fazi A) na temperaturama u opsegu od 10 ° C do 70 ° C, poželjno od sobne temperature, npr., 20 ° C, do 50 ° C

D-fruktoza koja se može dobiti prema fazi A) predmetnog pronalaska može da se izoluje, npr., kristalizacijom.

Procentualni udeo D-glukoze od 50% koji se nakuplja, na primer, tokom cepanja saharoze, može se konvertovati u D-fruktozu dvostepenim enzimskim redoks procesom prema predmetnom pronalasku, što dovodi do povećanja udela D- fruktoze u ukupnom sadržaju šećera. Time je dostupan pogodan polazni materijal za dalju konverziju u derivate furana, pri

1

čemu je iznenađujuće otkriveno da se intermedijarna D-fruktoza, koja je dobijena postupkom prema predmetnom pronalasku, može posenmo dobro da se upotrebi za dalju konverziju u derivate furana.

Konverzija D-fruktoze u derivate furana u fazi B) prema predmetnom pronalasku može da se izvede prema odgovarajućem postupku, npr., uobičajenim postupkom, ili kao što je ovde opisano.

Prema uobičajenim metodama, konverzija D-fruktoze u derivate furana može se izvede u postupku prema ovom pronalasku u prisustvu katalizatora, npr.k katalizatora kao što je neorganska kiselina, organska kiselina, npr. oksalna kiselina , zeolit (H-oblik), joni prelaznih metala, heterogeno rastvoreni metalni fosfat, visoko kiseli kationski izmenjivač

Voda ili organski rastvarač, npr. dimetil sulfoksid (DMSO), dimetil formamid (DMF), N-metilpirolidon, može se koristiti kao rastvarač u takvim procesima.

Konverzija D-fruktoze u derivate furana u fazi B) poželjno se odvija prema predmetnom pronalasku u prisustvu kiselog katalizatora i u prisustvu N-metil-pirolidona (N-metil-2-pirolidon, NMP) formule

Konverzija D-fruktoze u derivate furana u fazi B) prema predmetnom pronalasku može se izvesti kao šaržni /serijski proces ili kao kontinuirani proces.

U poželjnoj realizaciji, faza B) je izvedena u skladu sa predmetnim m pronalaskom uz mikrotalaso zagrevanje.

Posebne realizacije postupka prema ovom pronalasku su karakteristične po tome što je tokom konverzije D-fruktoze u derivate furana, koišćen N-metil-2-pirolidon (NMP) ili kao reakcioni rastvarač ili kao ko-rastvarač, odnosno kao dodatak drugom rastvaraču.

U posebnoj realizaciji postupka prema ovom pronalasku, NMP se koristi u fazi B) kao (ko)-rastvor, npr., kao reakcioni rastvarač ili kao dodatak drugom rastvaraču.

U posebnoj realizaciji postupka prema ovom pronalasku, NMP se koristi u fazi B) kao korastvarač, npr., kao reakcioni rastvarač ili kao dodatak drugom rastvaraču.

U postupku prema predmetnom pronalasku, kada se NMP koristi kao rastvarač, NMP se može koristiti jedino kao rastvarač, ili se NMP koristi zajedno sa ko-rastvaračem, pri čemu je koncentracija NMP do 70% (z / z) na primer, do 60% (z / z), na osnovu ukupne količine rastvarača, može se koristiti u slučaju upotrebe ko-rastvarača. Na primer, voda ili organski rastvarači, npr. poznati iz stanja tehnike, npr. N, N-dimetil sulfoksid (DMSO) ili N, N-dimetil formamid (DMF), mogu se smatrati ko-rastvaračima.

U postupku prema fazi B) predmetnog pronalaska, D-fruktoza se može koristiti u količini do 40% (t / z) i generalno se koristi u količini od 5 do 20%, mada se reakcija takođe odvija pri nižim koncentracijama, na primer, pri koncentraciji D-fruktoze od (oko) 1% (t / z). Minimalna vrednost je stoga definisana ekonomičnošću, a ne hemijskim putem.

Kiseli katalizatori u fazi B) u postupku prema ovom pronalasku uključuju uobičajene kisele katalizatore koji se mogu koristiti za konverziju fruktoze u derivate furana. Poželjno, katalizator je Brønsted-ova kiselina. Tako se mogu koristiti homogenikiseli katalizatori, npr. sumporna kiselina ili hlorovodonična kiselina, ili heterogeni kiseli katalizatori, na primer, kation-izmenjivačke smole, poput montmorilonita, poželjno Montmorillonite KSF®, ili amberlita, npr. Amberlite®, po mogućnosti Amberlite 15®. Pored toga, u procesu prema ovom pronalasku mogu se koristiti Levis-ove kiseline katalizatori kao CrCl2, AlCl3, SiO2-MgCl2ili SILP katalizator (jonska tečna faza na silicijum dioksidu). Međutim, generalno, oni ne daju rezultate kao dobri kao gore navedeni katalizatori.

U daljem aspektu, postupak prema ovom pronalasku je karakterisan u tome

- homogeni kiseli katalizator, poželjno sumporna kiselina ili hlorovodonična kiselina;

- heterogeni kiseli katalizator, poželjno jonski izmenjivač, npr. montmorillonit kao što je Montmorillonite KSF® ili amberlit poput Amberlite®, poželjno Amberlite 15®,

- Levis-ova kiselina katalizator, kao što je npr. CrCl2, AlCl3or SiO2-MgCl2,

- SILP katalizator, poželjno

homogeni ili heterogeni katalizator, koristi se kao kiseli katalizator tokom konverzije D-fruktoze u derivate furana u fazi B).

Prosečan stručnjak u ovoj oblasti tehnike može lako da odredi količinu katalizatora koja je potrebna u fazi B) jednostavnim preliminarnim testovima. Količina tako zavisi od vrste katalizatora koji se koristi.

1

U daljem tekstu, količine katalizatora, zasnovane na količini upotrebljene fruktoze, prikazane su primerima, posebno u slučaju kada se NMP koristi kao rastvarač:

Katalizator količina

1N HCl 20 do 200% (z/t)

HCl (37%) 2 do 25% (z/t)

1N H2SO420 do 200% (z/t)

H2SO4conc 2 do 25% (z/t)

Montmorillonite KSF® 1 do 50% (t/t)

Amberlite 15® 1 do 50% (t/t)

CrCl2, AlCl31 do 20% (t/t)

SiO2-MgCl220 do 200% (t/t)

SILP 10-200% (t/t)

Pri tome navedene vrednosti su neproblematične u koncentraciji od oko 10% (t / z) D-fruktoze, pri većim koncentracijama fruktoze, količina katalizatora mora biti ograničena tako da fruktoza i dalje može da se rastvara u preostaloj količini rastvarača.

Proces u fazi B) prema ovom pronalasku se izvodi na odgovarajućim temperaturama. Odgovarajuće temperature uključuju temperature od 100 do 220 ° C, poželjno od 115 do 200 ° C, posebno pogodno od 135 do 185 ° C, posebno kada se NMP koristi kao rastvarač.

Reakcije u fazi B), koristeći NMP kao rastvarač, eksperimentalno su izvođene u zatvorenim posudama (šarža/serija, mikrotalasna), bez aktivne kontrole pritiska. Iz mikrotalasnih pasaža, oko 2-4 bara može da se odredi kao maksimalni pritisak sa NMP, što u mnogome zavisi od aditiva. Ako se, na primer, HCl koristi kao katalizator, nascentni pritisak raste do 15 bara. U kontinuiranom radu, primenjen je konstantan povratni pritisak do oko 40 bara kako bi se izbeglo ključanje rastvarača. Pritisak se stvara ili kao pritisak pare rastvarača (a) ili aditiva, ili je primenjen kao sistemski pritisak (pumpa). Međutim, čini se da za mehanizam reakcije pritisak nije presudan.

Pokazalo se da, u postupku prema ovom pronalasku, derivat furana prevashodno predstavlja hidroksimetilfurfural (HMF) formule

1

U daljem aspektu, postupak prema predmetnom pronalasku je okarakterisan time što derivat furana je hidroksimetilfurfural.

U postupku prema ovom pronalasku, udeo potrošene D-fruktoze koja je konvertovana u HMF treba da bude shvaćen kao selektivnost „HMF“.

Derivati furana koji su dobijeni postupkom prema ovom pronalasku mogu se direktno koristiti ili se u daljim hemijskim reakcijama mogu knvertovati u sekundarne proizvode. Na primer, hidroksimetilfurfural može da se oksiduje dalje u 2,5-furandikarboksilnu kiselinu (FDCA) formule

Poznato je da je FDCA pogodan kao monomer za proizvodnju polimera, kao što je, na primer, polietilen furanoat (PEF), koji se može koristiti slično kao polietilen tereftalat (PET), na primer za šuplja tela, posebno boce kao što su npr. , boce za piće, bočice za kozmetiku ili boce za sredstva za čišćenje. Kada se etilen glikol iz regenerativnih izvora i FDCA, koji je dostupan iz HMF-a, proizveden postupkom prema ovom pronalasku, istovremeno koriste, može se dobiti PEF koji se gotovo u potpunosti sastoji od obnovljivih sirovina.

U daljem aspektu, predmetni pronalazak je okarakterisan time što se derivati furana koji se proizvode dalje konvertuju, na primer, hidroksimetilfurfural se dalje oksiduje u 2,5-furan dikarboksilnu kiselinu, koja je, opciono, podvrgnuta polimerizaciji, na primer, za proizvodnju polimera kao što je, na primer, polietilen furanoat (PEF).

1

Opis slika

Sl. 1 pokazuje rezultate dehidratacije D-fruktoze u N-metil-2-pirolidonu, sa sumpornom kiselinom kao katalizatorom, prema primeru 5

Sl. 2 i Sl. 3 pokazuju rezultate dehidratacije D-fruktoze u N-metil-2-pirolidonu, sa sumpornom kiselinom kao katalizatorom - primena u mikrotalasnom reaktoru u skladu sa primerom 12 Sl. 4 i Sl.5 pokazuju rezultate dehidratacije D-fruktoze u N-metil-2-pirolidon, sa hlorovodoničnom kiselinom kao katalizatorom - primena u mikrotalasnom reaktoru u skladu sa primerom 13

Slika 6 pokazuje rezultate dehidratacije D-fruktoze u N-metil-2-pirolidonu, sa Montmorillonite KSF® kao katalizatorom - primena u mikrotalasnom reaktoru, u skladu sa primerom 14

Sl. 7 pokazuje rezultate dehidratacije D-fruktoze u N-metil-2-pirolidonu, sa hlorovodoničnom kiselinom kao katalizatorom - reakcija u protočnom reaktoru prema Primeru 15

Sl. 8 prikazuje pregled testiranih stanja tokom dehidratacije D-fruktoze

Sl. 9 prikazuje shematski raspored reakcija za mikrotalasne reakcije zaustavljenog toka i reakcije kontinuiranog toka za dobijanje derivata furana iz D-fruktoze

U sledećim primerima sve temperature su u stepenima Celzijusa (° C). Korišćene su sledeće skraćenice:

EtOAc etil acetat

FDCA furan dikarbiksilna kiselina

h sat(i)

HMF 5-hidroksimetilfurfural

HPLC tečna hromatografija visokih performansi

IPA izopropil alkohol (2-propanol)

LS levulinska kiselina

MeOH metanol

NMP N-metil pirolidon (N-metil-2-pirolidon)

PET polietilen tereftalat

PEF polietilen furanoat

RT sobna temperatura

SILP jonska tečna faza na nosaču

1

TFA trifluorsirćetna kiselina

Primer 1

Konverzija D-glukoze u D-fruktozu pomoću ksiloza reduktaze i sorbitol dehidrogenaze, koristeći alkohol dehidrogenazu za recikliranje NADPH i laktat dehidrogenazu za recikliranje NAD<+>

Šarža od 0,5 ml sadrži 50 mg / ml D-glukoze i 6 U / ml rekombinantne ksiloza reduktaze iz Candida tropicalis (prekomerno eksprimirana u E.coli BL21 (DE3)) i 0,1 mM NADP<+.>Za regeneraciju kofaktora, dodato je 7% (z / z) IPA i 6 U / ml rekombinantnog alkohol dehidrogenaza iz Lactobacillus kefir (prekomerno eksprimriana u E.coli BL21 (DE3)). Enzimi se koriste u obliku ćelijskih lizata. Reakcija se odvija tokom 24 sata na 40 ° C i pH = 9 (50 mM Tris HCl-pufer) u otvorenom sistemu, uz kontinuirano mućkanje (900 o / min). Otvoreni sistem dovodi do uklanjanja formiranog acetona, koji vodi reakciju ka stvaranju D-sorbitola. I u otvorenom sistemu voda i IPA uparavaju, tako da se dodatno doziraju nakon 6 h i posle 21 h. Pri tome se, svaki put, podesi ukupna zapremina od 0,5 ml, kao i IPA koncentracija od 7% (z / z). Nakon 24 sata, reakciona posuda je inkubirana na 60 ° C pod vakuumom da bi se inaktivirali enzimi i upare organski rastvarači. Nakon hlađenja na RT, dodata je rekombinantna D-sorbitol dehidrogenaza iz Bacillus subtilis (prekomerno eksprimirana u E.coli BL21 (DE3)) u krajnjoj koncentraciji od 5 U / ml, ZnCl2u krajnjoj koncentraciji od 1 mM i NAD<+>u konačnoj koncentraciji od 0,1 mM. Za regeneraciju kofaktora koristi se 5 U / ml (krajnja koncentracija) laktat dehidrogenaze iz zečjih mišića (Sigma Aldrich) i 300 mM piruvata. Šarža je dopunjena vodom do 0,5 ml. Reakcija se odvija tokom 24 sata na 40 ° C u zatvorenom sistemu uz neprestano mućkanje (900 o / min). Postignuta je konverzija D-glukoze u D-fruktozu od > 90%.

Primer 2

Konverzija D-glukoze u D-fruktozu pomoću ksiloza reduktaze i sorbitol dehidrogenaze, koristeći alkohol dehidrogenazu za recikliranje NADPH i oksidaze za recikliranje NAD

+

Šarža od 0,5 ml sadrži 50 mg / ml D-glukoze, 6 U / ml rekombinantne ksiloza reduktaze iz Candida tropicalis (prekomerno eksprimirana u E.coli BL21 (DE3)) i 0,1 mM NADP<+>. Za regeneraciju kofaktora, dodato je 7% (z / z) IPA i 6 U / ml rekombinantne alkohol dehidrogenaza iz Lactobacillus kefir (prekomerno eksprimirane u E.coli BL21 (DE3)). Enzimi

1

su korišćeni u obliku ćelijskih lizata. Reakcija je izvedena tokom 24 sata na 40 ° C i pH = 8 (50 mM Tris HCl pufer) u otvorenom sistemu, uz kontinuirano mućkanje (900 o / min). Otvoreni sistem dovodi do uklanjanja nascentnog acetona, koji vodi reakciju ka stvaranju D-sorbitola. U otvorenom sistemutakođe uparavaju voda i isparavaju, tako da se dodatno doziraju nakon 6 h i posle 21 h. Pri tome se, svaki put, podesi ukupna zapremina od 0,5 ml, kao i IPA koncentracija od 7% (z / z). Nakon 24 sata, reakciona posuda je inkubirana na 60 ° C pod vakuumom da bi se inaktivirajli enzimi i da upario IPA kao i aceton koji je formiran. Nakon hlađenja do sobne temperature, dodata je rekombinantna D-sorbitol dehidrogenaza iz Bacillus subtilis (prekomerno eksprimriana u E.coli BL21 (DE3)) u krajnjoj koncentraciji od 5 U / ml, CaCl2u krajnjoj koncentraciji od 1 mM i smeša ( 1: 1) NAD<+>i NADH u krajnjoj koncentraciji od 0,1 mM. Za regeneraciju kofaktora koristi se 10 U / ml (krajnja koncentracija) NADH oksidaze iz Leuconostoc mesenteroides (prekomerno eksprimirana u E.coli BL21 (DE3)). Enzimi su upotrebljeni u obliku ćelijskih lizata. Šarža je dopunjena vodom do 0,5 ml. Reakcija je izvedena još 24 sata na 40 ° C u otvorenom sistemu, uz neprestano mućkanje (900 o / min), kako bi se obezbedilo dovoljno kiseonika iz vazduha za NADH oksidazu. U tom otvorenom sistemu na 40 ° C voda isparava. Tako je sistem posle 6 h i posle 21 h dopunjen vodom do zapremine 0,5 ml. Postignuta je konverzija D-glukoze u D-fruktozu od oko 98%

Primer 3

Ponovna obrada i analiza šećera

Šarža je inkubirana 10 minuta na 65 ° C radi inaktivacije enzima i nakon toga centrifugirana. Supernatant je zatim profiltriran kroz 0,2 µM PVDF filter analiziran na HPLC na bazi (zasnovana na) izmene liganada (Agilent Technologies Inc.). Pri tome su šećeri i polioli razdvojeni propuštanjem kroz olovnu kolonu Showa Denko K.K. (Shodek® Sugar SP0810) sa protokom 0,5 ml / min vode (VWR International GmbH, HPLC stepena) na 80 ° C. Detekcija je izvedena pomoću detektora refrakcije svetlosti (RID, Agilent 1260 Infinity<®>, Agilent Technologies Inc.). Linijski postavljen filter kompanije Agilent Technologies Inc. i, kao predkolona, anjonska-izmenjivčka kolona (Shodex<®>Axpak-WAG), reversno-fazna kolona (Shodex<®>Asahipak<®>ODP-50 6E) i šećerna pretkolona (SUGAR SP-G ), svaka od Showa Denko K.K.,

Primer 4

Materijali i postupci za konverziju D-fruktoze u derivate furana

2

U kontekstu ovog pronalaska, reakcije dehidratacije D-fruktoze u HMF su izvedene pod različitim reakcionim uslovima, opciono kao standardni postupak u šarži, uz pomoć mikrotalasnog zagrevanja ili korišćenjem „kontinuiranog protoka“. Sl. 8 prikazuje pregled testiranih uslova. Iznenađujuće, otkriveno je da NMP kao rastvarač daje veći ukupni prinos u reakciji u poređenju sa do sada poznatim sistemima, u kombinaciji sa homogenim ili heterogenim katalizatorima, kako u mikrotalasnoj metodi, tako i u uslovima „kontinuiranog protoka“.

Sinteza SiO2-MgCl2

SiO2-MgCl2je proizveden u skladu sa Yasuda et al. (Yasuda, M.; Nakamura, Y.; Matsumoto, J.; Yokoi, H. Shiragami, T. Bull. Chem. Soc. Jpn.2011, 84, 416-418).

Sinteza SILP

SILP katalizator je proizveden u skladu sa poznatim tehnikama (Fu, S.-K.; Liu, S.-T. Synth. Commun. 2006, 36, 2059-2067) korišćenjem N-metil imidazola. Za imobilizaciju, dobijena jonska tečnost je pomešana sa 200 tež.% silika gela u suvom hloroformu (100 mL pro 10 g SiO2) i zagrevana na 70 ° C tokom 24 h. Dobijena čvrsta supstanca je profiltrirana, isprana hloroformom i osušena pod sniženim pritiskom. Dobijeni silikagel dodat u količini od oko 16% težine katalizatora.

Opšti uslovi šaržnih reakcija

Ako nije drugačije određeno, sve reakcije šarže izvedene su u posudi od 4 ml sa zatvaračem. Zagrijavanje do željene temperature izvršeno je u odgovarajućim aluminijumskim blokovima.

Mikrotalasne reakcije u šaržnom procesu

U šaržnom procesu, mikrotalasne reakcije su izvedene u mikrotalasnoj mikrotalasnoj pećnici Biotage-Initiator Sixty, opremljenoj autosamplerom kako bi se omogućili redosled reakcionih režima. Nivo apsorpcije podešen je na maksimalnu vrednost, pri čemu je maksimalno snabdevanje energijom automatski postavljeno na 400 W.

Mikrotalasne reakcije sa zaustavljenim tokom i reakcije sa kontitniranim tokom

Reakcije sa zaustavljenim tokom za optimizaciju upravljanja polu-kontinuiranim procesom izvedene su na CEM® Discover System with CEM® Voyager Upgrade i pomoću spoljnog senzora pritiska. Za reakcije sa kontinuiranim upravljanjem procesima, korišćen je kasetni reaktorski sistem system X-Cube from ThalesNano®, opremljen Gilson® GKS-271 autosmaplerom za automatsko prikupljanje proizvoda. Tako su dva kertridža sa peskom (CatCart®, 70 x 4 mm) inkorporirani kao reakciona zona.

Alternativno, korišten je kapilara perfluoroalkoksi alkana (PFA kapilara, unutrašnjeg prečnika 0,8 mm, spoljneg prečnika 1,6 mm), koji je namotan oko aluminijumskog cilindra koji se može zagrejati. Supstrati su dodavani pri željenom protoku pomoć Shimadzu LC-10AD HPLC pumpe. Tačne zapremine (kolona 16,0 ml; prazna (mrtva) zapremina pre i posle kolone, u svakom slučaju 1,0 ml) određene su pronalaženjem utvrđenih brzina protoka čistog rastvarača pomoću digitalnog časovnika. Postavka reakcije je ilustrovana na slici 9.

Analiza reakcija za konverziju D-fruktoze u derivate furana

Za kvantitativnu HPLC analizu, uzorci reakcionih uzoraka (22 µL, osim ako nije drugačije naznačeno) razblaženi su u sa1 ml dejonizirovane vode. U reakcionim uzorcima različitih koncentracija, razblaživanje je podešeno tako da maksimalna koncentracija nije prelazila 2 mg / ml.

Dodato je 100 µL 3-hidroksibenzil alkohola u navedeni rastvor kao unutrašnji standard, nakon čega je uzorak detaljno promešan. Čvrsti ostaci su razdvojeni centrifugiranjem (5 min, 20000 G) ili filtracijom (Phenex PTFE, 4 mm, 0,2 um). Kvantifikacija je izvršena na osnovu površina vrhova RI spektra u poređenju sa unutrašnjim standardom.

Uzorci su analizirani pomoću HPLC na sistemu Thermo Scientific® Surveyor Plus System ili Shimadzu® Nexera System, koji su opremljeni PDA Plus- i RI detektorima. Za razdvajanje korišćena je kolona za isključenje jona iz Phenomenex® Rezex RHM-monosaharid H+ (8%), 150 x 7,8 mm, sastavljena od umreženih matrica sulfoniranog stirola i divinilbenzola, H<+>-form) kao stacionarna faza, i kao eluent korišćena je smeša rastvarača vode (HPLC-klasa) i 0,1% TFA (HPLC-klasa). Temperatura kolone je održavana konstantnom i na 85 ° C, dok je vreme rada optimizovano na 25 minuta. Kvantifikacija proizvoda izvedena je na osnovu internog standarda integrisanjem RI signala. Pomoću PDA, talasne dužine 200 nm, 254 nm i 280 nm su dodatno zabeležene za dalju analizu reakcija.

GP1 - dehidratacija D-fruktoze u šaržnom procesu

U standardnoj reakciji za optimizaciju reakcije, 100 mg D-fruktoze (0,56 mmol) i odgovarajući katalizator stavljeni su u željenoj količini u staklenu bočicu i pomešani sa 1 ml sveže destilovane NMP. Dobijeni rastvor / suspenzija je zagrejan do izabrane temperature i ostavljen je da reaguje tokom željenog vremena.

GP2 - Dehidratacija D-fruktoze u mikrotalasnom šaržnom postupku

U standardnoj reakciji za optimizaciju reakcije, 100 mg D-fruktoze (0,56 mmol) i odgovarajući katalizator dodati su u željenoj količini u mikrotalasnu posudu (0,5 - 2,0 ml). Posuda je opremljena magnetnom mešalicom i napunjena sa 1 ml NMP. Intenzitet zračenja mikrotalasne pećnice automatski je podešavan algoritmom regulacije u vlasništvu kompanije da bi se postigla željena temperatura. Brzo hlađenje reakcione posude ostvareno je pod pritiskom vazduha od najmanje 6 bara koji je ubrizgan.

GP3 - Dehidratacija D-fruktoze u mikrotalasnom postupku za zaustavljenim tokom

U standardnoj reakciji za optimizaciju reakcije, standardni rastvor D-fruktoze (1 mL; c = 100 mg / mL NMP) i hlorovodonične kiseline (100 µL; c = 1 mol / L) su dodati u mikrotalasnu posudu i opremljeni magnetnom mešalicom. Posle zaptivanja bočice sa Snap-Cap poklopcem, rastvor je zagrejan do željene temperature tokom željenog vremena. Da bi se postiglo najbrže moguće zagrevanje, dostavljena energija je podešena u skladu sa sledećom Tabelom 1.

Tabela 1

Podešavan a sna e mikrotalsne ećnice i ri adauće tem erature

Brzo hlađenje reakcione posude ostvareno je pod pritiskom vazduha od najmanje 6 bara koji je ubrizgan.

GP4 - Dehidratacija D-fruktoze u reaktorskom sistemu na bazi kaseta

U standardnoj reakciji za optimizaciju reakcije, standardni rastvor D-fruktoze (1 mL; c = 100 mg / mL NMP) je pomešan sa hlorovodoničnom kiselinom (c = 1 mol / L) i unet u reakcioni sistem preko pumpe za reagens. Tokom procesa zagrevanja uzeto je nekoliko preliminarnih uzoraka kako bi se pratila stabilna temperatura i stabilan protok.150 ° C, 180 ° C i 200 ° C su izabrane kao reakcione temperature, dok je reakcioni pritisak postavljen na 40 bar. U tu svrhu su odabrane brzine protoka između 0,2 i 0,6 ml / min. Reakcioni uzorci su sakupljeni u količinama od 2,5 ml i analizirani.

Primer 5

Upotreba sumporne kiseline kao katalizatora za dehidrataciju D-fruktoze

2

Upoređivane su različite temperature, vreme reakcije i koncentracije kiselina. Reakcije su izvedene u skladu sa „GP1“ (Primer 4). Kao katalizator korišćeno je 100 µl 1 N sumporne kiseline ili 10 µl koncentrovane sumporne kiseline. U Tabeli 2, rezultati su dati sumirano.

Tabela 2

Sum orna kiselina kao katalizator dehidrataci e D-fruktoze

Nije ustanovljeno stvaranje crnog nerastvornog polimera i humina pod optimalnim uslovima koji su primenjeni. Za analizu toka reakcije uključena je vremenska serija za reprezentativnu reakciju (H2SO4konc., 150 ° C, vidi Sliku 1).

Primer 6

Upotreba hrom- (II) -hlorida kao katalizatora za dehidrataciju D-fruktoze

Kao što su opisali Zhao, H.; Holladay, J. E.; Brown, H.; Zhang, Z. C. Science 2007, 316, 1597-1600, hrom- (II) -hlorid se može koristiti kao efikasan katalizator za dehidrataciju D-fruktoze. U pomenutom primeru je prikazan efekat CrCl2u N-metil-2-pirolidonu. Eksperimenti su sprovedeni u skladu sa odredbom „GP1“ (primer 4). Iako su postignuti relativno niski prinosi HMF-a, mogu se primetiti značajne količine jedinjenja sličnih katranu (karamelizacija) (Tabela 3).

Tabela 3

Hrom- (II) -hlorid kao katalizator dehidratacije D-fruktoze

Primer 7

Upotreba Montmorillonite KSF® kao katalizatora za dehidrataciju D-fruktoze

100 mg D-fruktoze inkubirano je u prisustvu 1 ml N-metil-2-pirolidona uz mešanje (odredba „GP1“, primer 4).3 h je konstantno odabrano kao vreme reakcije. Pri tome su dodate različite količine Montmorrilonite KSF® kao katalizatora. Tabela 4 rezimira rezultate. Pod najboljim uslovima, mogao bi se dobiti HMF prinos od 61% sa selektivnošću HMF od 63%.

Tabela 4

Montmorillonite KSF® kao katalizator dehidratacie D-fruktoze

2

Primer 8

Upotreba Amberlite 15® kao katalizatora za dehidrataciju D-fruktoze

Ovaj primer pokazuje upotrebu snažnog jonoizmenjivača na bazi makro umrežene smole sa ostacima sulfonske kiseline. 100 mg D-fruktoze inkubirano je u prisustvu 1 ml N-metil-2-pirolidona na 100 ° C tokom 3 sata, uz mešanje (odredba „GP1“, primer 4). Amberlite 15® je zatim dodat kao katalizator. U Tabeli 5 prikazani su rezultati navedenog eksperimenta. Za razliku od Montmorillonite KSF®, veći prinos može se dobiti na relativno niskoj temperaturi. Izbegnuto je stvaranje jedinjenja sličnih katranu (karamelizacija).

Tabela 5

Amberlite 15® kao katalizator dehidrataci e D-fruktoze

Primer 9

Upotreba SiO2-MgCl2kao katalizatora za dehidraciju D-fruktoze

Pošto kompleks silikagel -magnezijum hlorida pokazuje katalitičku aktivnost tokom dehidratacije ugljenih hidrata u acetonitrilu (Yasuda, M.; Nakamura, Y.; Matsumoto, J.; Yokoi, H. Shiragami, T. Bull. Chem. Soc. Jpn. 2011, 84, 416-418), navedeni katalizator je testiran na podobnost u N-metil-2-pirolidonu. Pod reakcionim uslovima kao u „GP1“ (Primer 4), postignut je prinos od 26% HMF u najboljem slučaju (videti Tabelu 6). Međutim, ako se koristi samo silikagel, prinos je pao ispod 1%. Na taj način uočeno je formiranje velike količine jedinjenja nalik katranu (karamelizacija).

Tabela 6

SiO2-M Cl2kao katalizator za dehidrataci u D-fruktoze

2

Primer 10

Upotreba AlCl3kao katalizatora za dehidrataciju D-fruktoze

AlCl3je testiran u reakcionim uslovima „GP1“ (primer 4) kao primer katalizatora Luisove kiseline. U tu svrhu je korišćen sveže sublimisan AlCl3.Postignuti su slični rezultati kao i kod Amberlite 15®. Međutim, katalizator je osetljiv na hidrolizu i zbog toga se ne može koristiti za ponovnu primenu ili u kontinuiranim procesima. Pored toga, formirane su relativno velike količine jedinjenja nalik katranu (karamelizacija) (za rezultat videti Tabelu 7).

Tabela 7

AlCl3kao katalizator dehidrataci e D-fruktoze

Primer 11

Upotreba SILP u kombinaciji sa hrom-(II) -hloridom kao katalizatorom za dehidrataciju D-fruktoze

Ispitana je kombinacija CrCl2i SILP (jonska tečna faza na nosaču od silicijumdioksida, videti primer 4), gde su primenjeni reakcioni uslovi „GP1“ (Primer 4). Nakon 20 min, može se dobiti prinos od skoro 50% HMF. To se, međutim, ne može povećati dužim reakcionim vremenima. Nadalje, može se otkriti konverzija D-fruktoze u D-glukozu sa kraćim reakcionim vremenima (Tabela 8).

Tabela 8

SILP u kombinaci i sa CrCl2kao katalizatorom za dehidrataci u D-fruktoze

2

Primer 12

Upotreba sumporne kiseline kao katalizatora za dehidrataciju D-fruktoze (mikrotalasno zagrevanje)

Da bi se postigla bolja kontrola nad fazom zagrevanja i faze hlađenja kao i nad reakcionom temperaturom, korišćen je mikrotalasno-baziran sistem za podešavanje temperature. Koristeći N-metil-2-pirolidon, uzorci su pripremljeni kako je navedeno u odredbi "GP2" (primer 4). Nije ustanovljeno stvaranje jedinjenja sličnih katranu (karamelizacija) pod reakcionim uslovima koji su primenjeni. Potpuna konverzija D-fruktoze i prinos od 83% HMF-a mogu se maksimalno postići (Sl.2 i Sl.3).

Primer 13

Upotreba hlorovodonične kiseline kao katalizatora za dehidrataciju D-fruktoze (mikrotalasno zagrevanje)

Dehidratacija D-fruktoze izvedena je u mikrotalasnom reaktoru sa zaustavljenim tokom u skladu sa odredbom „GP3“ (primer 4). Za postizanje potpune konverzije D-fruktoze neophodne su više temperature. Dok su, pri nižim temperaturama, duža reakciona vremena poboljšavala prinos HMF, potonji se smanjio na višim temperaturama s porastom vremena reakcije (slike 4 i 5). Sa potpunom konverzijom D-fruktoze, mogao bi se postići maksimalni prinos od 89% HMF.

Primer 14

Upotreba Montmorillonite KSF® kao katalizatora za dehidrataciju D-fruktoze (mikrotalasno zagrevanje)

Pošto se brzo zagrevanje / hlađenje kao i veoma dobra kontrola temperature u reakcionoj posudi mogu izvršiti mikrotalasnim metodama, heterogeni katalizator Montmorillonite KSF® je takođe upotrebljen za dehidraciju D-fruktoze u N-metil-2- pirolidon. Upotrebljeni su reakcioni uslovi prema „GP2“ (Primer 4). Vreme reakcije je iznosilo 5 min. Iako su postignute samo relativno niske konverzije D-fruktoze i prinosi HMF, može se izbeći stvaranje jedinjenja sličnih katranu (karamelizacija) (za rezultate vidi Tabelu 9).

2

Tabela 9

Montmorillonite KSF® kao katalizator za dehidrataciju D-fruktoze (mikrotalasno

za revan e

Da bi se pronašli najbolji uslovi reakcije, različita vremena reakcije testirana su na 150 ° C, koristeći 20 mg katalizatora (Sl.6).

Primer 15

Upotreba sumporne kiseline za katalizu konverzije D-fruktoze u derivate furana (kontinuirani proces)

D-fruktoza (10% t / z) i koncentrovana sumporna kiselina (1% z / z) rastvorene su u N-metil-2-pirolidonu. Smeša je pumpana kroz reaktor pomoću PFA kapilare sa kontinuiranim protokom (temperatura reakcije 150 ° C). Nakon odbacivanja prvih 18 ml, prikupljeno je još 10 ml za analizu. Pomoću većih brzina protoka, testiran je efekat različitih vremena zadržavanja u reaktoru (Tabela 10).

Tabela 10

Sum orna kiselina za katalizu konverzi e D-fruktoze u derivate furana kontinuirani roces

U ispitivanim uslovima nije primećeno stvaranje crnih nerastvornih polimera i humina.

Primer 16

Upotreba hlorovodonične kiseline za katalizau konverzije D-fruktoze u derivate furana (kontinuirani proces)

U tom primeru, hlorovodonična kiselina je korišćena kao katalizator za dehidraciju D-fruktoze u NMP pod neprekidnim tokom (za reakcione uslove, vidi odredbu „GP4“, primer 4). Maksimalni prinos od 75% HMF može se postići pri reakcionoj temperaturi od 180 ° C i protoku od 0,6 ml / min. Time je postignuta selektivnost od 76% HMF. U većini slučajeva udeo levulinske kiseline (LS) bio je ispod 1% (za rezultate, videti Sliku 7).

2

Claims (20)

1. Patentni zahtevi 1. Postupak za proizvodnju derivata furana od D-glukoze, naznačen time, što A)D-glukoza je konvertovana u D-fruktozu u enzimskom procesu, pri čemu su regenerisani i korišćeni redoks kofaktori, pri čemu se D-glukoza konvertuje u D-fruktozu, uključujući dve ili više oksidoreduktaza, i tokom konverzije D-glukoze u D-fruktozu, prvo je izvedena enzimski katalizovana redukcija u D-sorbitol i zatim enzimski katalizovana oksidacija D-sorbitola u D-fruktozu, pri čemu su NAD<+>/NADH i NADP<+>/NADPH korišćeni kao redoks kofaktori i, kao rezultat najmanje dve dodatne enzimski katalizovane redoks reakcije koje se odvijaju u istoj reakcionoj šarži, jedan od dva redoks kofaktora nakuplja se u redukovanom obliku, a drugi u oksidovanom obliku i B) D-fruktoza je konvertovana u derivate furana i u fazi A) - u reakciji regeneracije koja ponovo konvertuje redukovani kofaktor u svoj originalni oksidovani oblik, kiseonik ili jedinjenje opšte formule

   pri čemu R1predstavlja (C1-C4)-alkil grupu linearnog ili razgranatog lanca ili (C1-C4)-karboksialkil grupi, je redukovano, i - u reakciji regeneracije ponovo konvezija oksidovang kofaktora u svoj originalni redukovani oblik, (C4-C8)-cikloalkanol ili jedinjenje opšte formule

   gde R2i R3su nezavisno odabrani iz gurupe koju čine H, (C1-C6)-alkil, gde alkil je linearnog ili razgranatog lanca, (C1-C6)-alkenil, pri čemu alkenil je linearnog ili razgranatog lanca i sadrži jednu do tri dvostruke veze, aril, a posebno C6-C12-aril, karboksil, ili (C1-C4)-karboksialkil, a takođe posebno cikloalkil, npr., C3-C8-cikloalkil, je oksidovano.
2. 2. Postupak prema zahtevu 1, naznačen time što se za konverziju D-glukoze u D-fruktozu koristi najmanje jedna dehidrogenaza.
3. 3. Postupak prema zahtevu 2, naznačen time, što se kao redoks kofaktor(i) koriste NAD / NADH i NADP / NADPH, bilo u rastvorljivom obliku ili imobilizovani na čvrste supstance.
4. 4. Postupak prema bilo kom od patentnih zahteva 1 do 3, naznačen time, što je najmanje jedan redoks kofaktor regenerisan tokom konverzije D-glukoze u D-fruktozu u istoj reakcionoj šarži sa najmanje jednim dodatnim redoks enzimom odabranim od alkohola dehidrogenaze, NADH oksidaze, hidrogenaze, laktat dehidrogenaze ili format dehidrogenaze, uz utrošak kosupstrata.
5. 5. Postupak prema zahtevu 4, naznačen time, što su ko-supstrati odabrani od alkohola, mlečne kiseline i njenih soli, piruvinske kiseline i njenih soli, kiseonika, vodonika i / ili mravlje kiseline i njenih soli.
6. 6. Postupak prema bilo kom od patentnih zahteva 1 do 5, naznačen time, što se reakcija u fazi a) odvija u skladu sa reakcionom šemom 3

   1 gde CtXR = ksiloza reduktaza iz Candida tropicalis SISDH = sorbitol dehidrogenaza iz jetre ovce LkADH = NADP(H)- zavisna alkohol dehidrogenaza iz Lactobacillus kefir LacDH = NAD(H)-zavisna laktat dehidrogenaza, Ili prema Reakcionoj Šemi 4

   gde CtXR = ksiloza reduktaza iz Candida tropicalis BsSDH = sorbitol dehidrogenaza iz Bacillus subtilis LkADH = NADP(H)-zavisna alkohol dehidrogenaza iz Lactobacillus kefir, SmOxo = NADH oksidazee iz Streptococcus mutans.
7. 7. Postupak prema bilo kom od prethodnih zahteva, naznačen time, što je izolovana D-fruktoza dobijena prema fazi A) predmetnog pronalaska.
8. 8. Postupak prema zahtevu 7, naznačen time, što je D-fruktoza izolovana u kristalnom obliku.
9. 9. Postupak prema bilo kom od prethodnih zahteva, naznačen time, što su u fazi B) korišćeni kiseli katalizator i rastvarač. 2
10. 10. Postupak prema zahtevu 9, naznačen time, što N-metil-2-pirolidon formule

    je korišćen kao rastvarač.
11. 11. Postupak prema patentnom zahtevu 10, naznačen time, što N-metil-2-pirolidon je korišćen kao reakcioni rastvarač ili kao ko-rastvarač.
12. 12. Postupak prema bilo kom od prethodnih zahteva, naznačen time, što se konverzija D-fruktoze u derivate furana u fazi B) izvodi kao šaržni proces ili kao kontinuirani proces.
13. 13. Postupak prema zahtevu 12, naznačen time, što se konverzija D-fruktoze u derivate furana u fazi B) vrši uz mikrotalasno zagrevanje.
14. 14. Postupak prema bilo kom od zahteva 9 do 13, naznačen time, što se - homogeni kiseli katalizator, - heterogeni kiseli katalizator , - katalizator Luisove kiseline, - katalizator SILP, koristi kao kiseli katalizator tokom konverzije D-fruktoze u derivate furana u fazi B).
15. 15. Postupak prema zahtevu 14, naznačen time, što se kao homogeni katalizator koristi sumporna kiselina ili hlorovodonična kiselina.
16. 16. Postupak prema zahtevu 14, naznačen time, što se kao heterogeni kiseli katalizator koristi jonski izmenjivač, naročito montmorillonit ili Amberlit.
17. 17. Postupak prema zahtevu 14, naznačen time, što je kao katalizator Luisove kiseline upotrebljen CrCl2, AlCl3ili SiO2-MgCl2.
18. 18. Postupak prema bilo kom od prethodnih zahteva, naznačen time, što derivat furana je hidroksimetilfurfural formule

    .
19. 19. Postupak prema bilo kom od prethodnih zahteva, naznačen time, što su dobijeni derivati furana dalje konvertovani.
20. 20. Postupak prema zahtevu 19, naznačen time, što je hidroksimetilfurfural dalje oksidovan u 2,5-furan dikarboksilnu kiselinu (FDCA) formule

    koja se, opciono, podvrgava polimerizaciji, posebno za proizvodnju polietilen furanoata. 4