Gyógyszer és finomkémiai technológiák

Gyógyszer és finomkémiai technológiák TKME4304 Vegyészmérnök MSc Gyógyszeripari specializáció Szerda 10:00–12:00 Csütörtök: 14:00–16:00 Péntek: 08:00–10:00

13 hét tematikája: • Biofinomítás (biorefinery). A növényi biomasszában található főbb szénhidrát komponensek (szacharóz, keményítő, cellulóz, hemicellulóz) kinyerése, feldolgozása és átalakítása értékes kémiai komponensekké vagy üzemanyaggá. A Lignocellulózok biofinomítása; A biomassza előkezelése: fizikai, kémiai, biológiai, fizikokémiai. A kinyert poliszacharidok (cellulóz, hemicellulóz) hidrolízise: híg savas vagy enzimes hidrolízis. A poliszacharidok hidrolízisével nyert monoszacharidok (glükóz, mannóz, xilóz, arabinóz, stb.) kémiai szintézissel valamint fermentációs eljárásokkal történő átalakítása számos értéknövelt komponenssé (metanol, etanol, furfurol és származékai, hidroximetil-furfurol, levulinsav, borostyánkősav, tejsav, szorbitol, stb). Hulladék rákpáncél feldolgozása. A kitin és kitozán kinyerése és átalakítása értékes vegyületekké. • Felhasznált irodalom: (a) Birgit Kamm, Patrick R. Gruber, Michael Kamm - Biorefineries - Industrial Processes and Products: Status Quo and Future Directions. 949 pages. July 2010 WILEY-VCH. (b) Xi Chen, Huiying Yang, and Ning Yan. Shell Biorefinery: Dream or Reality? Chemistry - A European Journal, 2016, 22 (38), 13402–13421. (c) Réczey Istvánné Csorba Katalin. Lignocellulózok biofinomítása és konverziója második generációs üzemanyagalkohollá. MTA doktori értekezés. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék, 2012. (d) K. Wilson. and A. F. Lee. Advances in Biorefineries: chapter 19: Bio-based chemicals from biorefining: carbohydrate conversion and utilisation. Woodhead Publishing Series in Energy, 2014. (e) H. Kobayashi and A. Fukuoka. Synthesis and utilisation of sugar compounds derived from lignocellulosic biomass. Green Chem., 2013, 15, 1740–1763. (f) Somsák László és Pintér István. Szénhidrátok mindenütt. Magyar Kémiai Folyóirat. 121. évfolyam, 1. szám, 2015, 27-33.

A biomassza összetétele Lignin 20% Szénhidrátok 75%

Zsírok, Fehérjék, Terpenoidok, Alkaloidok, Nukleinsavak 5%

A Földön évente újratermelődő biomassza mintegy 200 milliárd tonna/év tömegűnek becsülhető.

A szénhidrátok szerepe a természetben  Az élő sejtek • sejtmembránját szénhidrátok (glikánok) borítják (glikokalix) vagy sejtfalának alkotóelemeként glikán-polimereket tartalmaznak  Kulcsszerepük van a jelátvitelben, molekuláris felismerésben, az immunitás és gyulladások kialakulásában  Sejtfelszíni molekulákként meghatározzák pl. az AB0-s vércsoportokat, „ujjlenyomat”-ként azonosítják a sejteket (szénhidrátkód: felismerő fehérjék a lektinek)  Fehérjékhez kötve módosítják azok biológiai funkcióját  Vázanyagok, nyálkaanyagok  (Tartalék) tápanyagok

A biomassza és összetétele (tonna/év) A világ biomassza termelése: 2x1011 Gabonatermelés: 1.8x109 Lignocellulóz: 50x109

Fa: 13x109

Betakarított fa: 1.55x109

Cellulóz termelés: 1.5x108

Keményítő: 1.1x109

Répa(nád)cukor: 1.2x108

The total energy used in our life in a year is equivalent to 1.2 × 1010 t of crude oil. The global annual production of plastics was 2.7 × 108 t in 2010.

Növényi biomassza (fa, gabona, fűfélék, algák) Szénhidrát biomassza források mono- és diszacharidok

Növényi szár, gyökér HO HO HO

HO HO HO

O OH OH

D-glükóz HO

HO HO OH

OH

OH

HO

O HO

OH OH

O

OH

HO

HO HO HO

OH OH

O

O OH OH

D-xilóz

D-allóz

HO OH

OH

OH

O

O

O

OH

HO O

O

HO HO

HO O

maltóz

HO HO

OH O HO

OH

OH

OH

D-ribóz

OH

HO OH

-laktóz

D-galaktóz

O

HO

D-mannóz

O HO

OH O

OH

szacharóz

OH

A szacharóz alkalmazása: Élelmiszeriparban édesítőszerként. Bioetanol előállítása.

cukornád, cukorrépa

OH

Cellulóz

Növényi szövet OH O HO

fa (40%) gyapot (50%) len (80%) kender (80%)

OH O

OH

O HO

O

HO

n

Hemicellulóz

Növényi sejtfal

HO O HO

OH

O HO

O

O O

O

HO

lignocellulóz

OH HO HO

OH

O HO

keményítõ

HO O

Amilóz

O HO

OH

O

HO

O HO

HO O

O

O

OH OH O HO

n

HO O

- Elágazó heteropoliszacharid (hexózok: Dglükóz, D-mannóz, D-galaktóz és pentózok: D-xilóz, L-arabinóz). - Amorf szerkezet; könnyen hidrolizál

OH

OH HO

A cellulóz alkalmazása: Fonalak, textíliák, csomagolóés bevonó anyagok, szivacsok előállítása.

OH

OH O

O

Mag, gumó

- Ismétlődő D-glükóz egységek béta-1,4 kötéssel - Homopoliszacharid (hosszú láncok, 300-10000 monomer) - Erős inter- és intramolekuláris hidrogénhidak (nagyon merev, kristályos szerkezet), nem oldódik vízben és nehezen hidrolizál enyhe savas vagy enzimatikus körülmények között. Vízben csak 320 °C-on és 25 MPa nyomáson veszti el kristályos jellegét.

HO O

O HO

HO O

Amilopektin

OH O HO

HO O

búza rozs zab kukorica burgonya rizs

Keményítő alkalmazása: Élelmiszeripari sűrítőanyagként, állományjavítóként. Kozmetikumokban, gyógyszerekben, textíliák és papíráruk készítéséhez

- α-D-glükóz monomer egységek - Amilóz: lánc szerkezet; alfa-1,4-glükozidos kötések (300-600 monomer) - Amilopektin: elágazó szerkezet; alfa-1,4- és alfa-1,6- glükozidos kötések - Részben kristályos szerkezet, könnyen hidrolizálható, enzimmel (amiláz) lebontható - Vízben 60-70 oC-on teljesen amorf szerkezet (főzés) - A keményítő általában 20-25% amilózt és 75-80% amilopektint tartalmaz

Az üzemanyag-adalékként is használható etanol előállítása ma is szinte kizárólag fermentációs úton történik, amihez a nyersanyagot (szacharóz és keményítő) az emberi élelmezésre és takarmányozásra is szolgáló cukornádból és cukorrépából, illetve gabonafélékből és burgonyából nyerik. Ezek az ún. első generációs bioüzemanyag technológiák – az alapanyagok ilyen célú felhasználása miatt – szükségképpen felvetnek etikai, sőt környezeti és politikai aggályokat is. Jelentős erőkkel folyik ezért a második generációs eljárások kifejlesztése, amelyek lignocellulózt tartalmazó mező- és erdőgazdasági, valamint ipari hulladékokat/maradékokat és nem táplálkozási célra szolgáló, akár rossz minőségű termőterületeken is megélő növényeket használnak fel. Szemben az első generációs módszerekkel, amelyek a növényeknek csak viszonylag kis hányadát (pl. gyökér, szár, termés) dolgozzák fel, a második generációs eljárásokban a teljes biomassza hasznosítása lehetséges. A harmadik generációs módszerekkel (még a fejlesztés kezdeti fázisában van) algák és mikroorganizmusok bioüzemanyaggá történő feldolgozása várható.

Somsák László és Pintér István. Szénhidrátok mindenütt. Magyar Kémiai Folyóirat. 121. évfolyam, 1. szám, 2015, 27-33.

Biofinomítás (Biorefinery) • A növényi biomassza hulladékok és melléktermékek rendkívüli jelentőséggel bírnak, mint olcsó, széles körben elérhető, megújuló szénforrások, melyekből a fosszilis nyersanyagok kiváltására üzemanyagok és értékes kémiai komponensek állíthatóak elő. A biomassza nyersanyagok fenntartható módon történő, teljes körű feldolgozásának igénye hívta életre a biofinomítás fogalmát, mely fogalmat az olajfinomítók analógiájára alkottak meg. Biofinomítás során nyersanyagként biomasszát használunk fel, melyet különböző, integrált feldolgozási lépéseken keresztül számos értéknövelt termékké és energiává alakítunk. Biofinomítás során a biomassza minden komponense felhasználásra kerül. Különös jelentőséggel bír azonban a biomasszából nyert nyersanyagok szénhidrát tartalma. A szénhidrátok hidrolízisével nyert monoszacharidokból számos értéknövelt komponens állítható elő mind kémiai szintézis, mind pedig fermentációs eljárások segítségével. • Biofinomítás: A biomassza fenntartható feldolgozása széles spektrumú piacképes termékekké és energiává.

Lignocellulóz • A legelterjedtebb ehetetlen biomassza a lignocellulóz (a növényi sejtfalak fő komponense), amely cellulózból, hemicellulózból és ligninből áll.

Hirokazu Kobayashi and Atsushi Fukuoka. Green Chem., 2013, 15, 1740-763.

• A cellulóz β-1,4-glikozidos-kötésű glükóz egységekből álló vízben oldhatatlan lineáris polimer, míg a hemicellulóz tartalmaz különböző pentózokat (D-xilóz és L-arabinóz) és hexózokat (D-glükóz, D-mannóz és D-galaktóz), amelyeket glikozidos kötések számos formája kapcsol össze. A lignin egy fenil-propán alapú háromdimenziós polimer. • A lignocellulózban a hemicellulóz köti össze a cellulóz és lignin részeket, ezért először ezt kell hidrolizálni, hogy aztán elválasztható legyen a cellulóz a lignintől. • A lignocellulóz biomassza három komponensének aránya függ a növény típusától és régiótól is. Általánosan elmonható, hogy a lignocellulóz cellulóz és hemicellulóz tartalma általában több mint 60%.

A lignocellulóz biomassza összetétele (tömeg%) Növényi anyag

Cellulóz

Hemicellulóz

Lignin

Keményfa szár Puhafa szár Ezüst fű Köles Rizs szalma Búza szalma Kipréselt cukornád Kukoricaszár Kukoricacső Cukorrépapép Kókusz héj

40–55 45–50 37 31–45 35–38 35–40 41–50 27–48 34 23 44

24–40 25–35 29 24–31 25–26 21–27 25–30 13–27 34 36 12

18–25 25–35 19 12–23 13–25 15–25 18–25 14–31 18 1 33

A lignocellulóz biofinomítása • Az utóbbi időben egyre nő az érdeklődés a lignocellulóz biomassza átalakítását célzó technológiák iránt. Ezt a növekvő érdeklődést elsősorban az motiválja, hogy a lignocellulóz feldolgozásából származó bioüzemanyagok és vegyszerek használatának elterjedése csökkentheti a világ ásványolaj függőségét, ezáltal javulhat a levegő minősége és az üvegházhatást okozó gázok kibocsátása is csökkenhet. A lignocellulóz biomassza feldolgozására tett első nagyüzemi kísérletek (főként EtOH előállítás céljából):

Savas hidrolízis: 1900-1910 Hattiesburg, Mississippi USA fahulladék feldolgozó üzem, kénessavas (H2SO3) hidrolízis, soha nem működött sikeresen.

Enzimatikus hidrolízis:

1910-1920 Georgetown, South Carolina, USA fahulladék feldolgozó üzem, híg kénsav, alacsony etanol hozamok.

1970-1980 Pittsburg, Kansas, USA Papírgyári hulladék feldolgozó üzem, szimultán cellulóz lebontás (celluláz enzim) és fermentáció, 3-3.5 %-os etanol tartalom.

A cellulóz savas hidrolízisével nyert termékek kereskedelmi forgalomba hozatalára irányuló korai erőfeszítések sikertelen voltak, mert nem tudták felvenni a versenyt az alacsonyabb költségű ásványolaj eredetű anyagokkal.

A lignocellulóz biomassza előkezelése • A lignocellulóz componensei (cellulóz, hemicellulóz és lignin) észter és éter kötéseken keresztül összekapcsolódva komplex térhálós szerkezetet alkotnak, ami ellenállóvá teszi a lignocellulózt a hidrolízissel szemben, megakadályozva annak kémiai átalakulását. Ahhoz, hogy a lignocellulózban található cellulózt enzimesen hidrolizálni tudjuk, a lignocellulóz szerkezetét fel kell lazítani. Ezt a fellazítást nevezzük előkezelésnek. Ennek célja a lignin és hemicellulózok részleges vagy teljes eltávolítása, a cellulóz kristályosságának csökkentése, és a porozitás növelése. • A ligninmentesítéssel jelentősen növelhető a hidrolízis sebessége mert a lignin gátolhatja az enzimeknek a szubsztráthoz történő hozzáférését a hidrolízis során. • A hemicellulózok oldatba vitele kettős célt szolgál, egyrészt a cellulóz rostok felszínéről eltávolítva azokat, nő a cellulázok számára hozzáférhető szubsztrátfelület, másrészt, mivel a lignint a cellulózhoz kötik, kioldásukkal a lignin egy része is eltávolítható, vagy a cellulóz-lignin kapcsolat fellazítható. • Az előkezelés erősségének növelésével az előkezelt szilárd anyagban maradó xilán tartalom általában csökken, a folyadék fázisban xilooligomerek, xilóz (és esetleges degradációs termékei) jelennek meg, egyúttal nő a cellulóz enzimes bonthatósága is.

Fizikai előkezelés • A fizikai előkezelés célja a szemcseméret csökkentése őrléssel illetve darálással. Ezeknek energiaigénye általában nagy, ezért ipari méretben nem lehetnek gazdaságos eljárások. • A legegyszerűbb előkezelés az un. „hidrotermolízis”, vagy „aquasolv” eljárás, melynek során az alapanyagot vízzel keverik, majd 200°C körüli hőmérsékleten termosztálják kb. 15 percig (van Walsum és mtsi., 1996). Ezzel a módszerrel a ligninnek és a hemicellulóznak egy része oldatba megy, a módszer hatékonyságát növeli, ha savas vagy lúgos katalizátort is alkalmazunk, ekkor az eljárást híg savas, illetve lúgos előkezelésnek nevezzük. A savak elsősorban a hemicellulózt viszik oldatba, a lúgok inkább a lignint.

Kémiai előkezelés • A kémiai előkezelések egyik lehetséges módja az ózonnal történő lignin bontás, mely szobahőfokon, légköri nyomáson végbemegy, és alkalmazása során nem keletkeznek toxikus melléktermékek. Ez a módszer azonban az ózon használata miatt nagyon költséges. • A gyakorlatban nagyobb jelentőségű a savas vagy lúgos hidrolízis. Előbbire jellemző példa a kénsavval végrehajtott híg savas előkezelés, mely kivitelezhető nagy hőmérsékleten folyamatos üzemű reaktorban kis szárazanyag koncentráció mellett, illetve alacsonyabb hőmérsékleten, szakaszos reaktorban nagy szárazanyag koncentrációval. Hemicellulózok a növényi sejtfalból lúggal kioldhatók. A lúgos extrakciót követően a legtöbb hemicellulóz frakció vízben oldódik. Az izolálás valójában egy kétlépcsős folyamat: az első lépésben az észterkötések lúgos hidrolízisével a hemicellulóz kiszabadul a lignocellulóz mátrixból, majd átoldódik a vizes közegbe. Az ammóniás, nátrium-, kálium vagy kálcium-hidroxidos kezelés hatékonysága a nyersanyag lignintartalmától függ. Mezőgazdasági melléktermékek kezelésére általában alkalmasabb, mint fás anyagokra.

Kémiai előkezelés (folytatás) • A kémiai előkezelések nagy előnye, hogy egyszerű kémiai laboratóriumban kivitelezhetők, és viszonylag egyszerű eszközökkel megvalósíthatók méretnövelt rendszerekben is. • Az utóbbi években az ionos folyadékokat (pl. 3-metil-N-butilpiridinium klorid) használták előkezelésre. Az általános tapasztaltok azt mutatják, hogy az ionos folyadékokkal történő kezelés hatására a szénhidrátok és a lignin egyaránt oldódnak, de nem degradálódnak.

• További lehetőség a kémiai előkezelésre a szerves oldószerek alkalmazása („organoszolv” eljárás), ebben az esetben szerves oldószert vagy annak vizes elegyét használják valamilyen szervetlen sav katalizátor jelenlétében a hemicellulózok és a lignin közti kötések bontására, a lignin oldatba vitelére.

Biológiai előkezelés Biológiai előkezelés alatt többnyire mikrobiológiai lignin eltávolítást értünk. Leginkább különböző gombákat használnak e célra (Trametes, Polyporus, Plaerotus nemzetségből), melyek oxido-reduktáz enzimjeik révén (mangán-peroxidázok, lakkázok, lignin-peroxidázok) bontják a lignint. Hátrányuk egyrészt, hogy nemcsak a lignint támadják meg, hanem gyakran a cellulózt és a hemicellulózokat is, így az előkezelés során cukor veszteség jelentkezhet, másrészt, hogy a kezelések nagyon időigényesek.

Fiziko-kémiai előkezelések • AFEX - Ammonia Fiber Explosion: Az AFEX kezelés során nagy hőmérsékleten (~90°C) és nyomáson folyékony ammóniával (1-2 kg ammónia / kg nyersanyag) kezelik a nyersanyagot, majd a nyomást hirtelen lecsökkentik. E módszer előnye a lúgos kezeléssel szemben, hogy az ammónia, illékonysága következtében, a folyamat végén könnyen visszanyerhető. Az előkezelt nyersanyagot nem szükséges méregteleníteni, sőt a rostokban maradó ammónia az etanolfermentáció során a mikroorganizmusok számára hasznosítható.

• Nedves oxidáció: Nagy hőmérsékleten (150-200°C-on) vizes közegben, nagynyomású oxigénnel vagy levegővel kezelik a nyersanyagot. A folyamat katalízise céljából lehetséges gyenge sav vagy lúg alkalmazása. A kezelés eredményeként cellulózban gazdag szilárd fázist, és hemicellulózokban, illetve hemicellulóz hidrolízis termékeiben gazdag folyadékfázist kapunk. • Gőzrobbantás: Az aprított nyersanyagot néhány percig nagynyomású (0,69-4,83 MPa) telített gőzzel kezelik, majd a nyomást hirtelen atmoszférikusra csökkentik, minek következtében a rostok szerkezete egyfajta robbanás mellett fellazul. A nagy hőmérsékletnek köszönhetően (160-260°C) a hemicellulózok egy része hidrolizál és oldatba megy, a lignin részben átalakul, így a cellulóz jobban hozzáférhetővé válik. Az előkezelés hatékonyságát befolyásoló tényezők a hőmérséklet, tartózkodási idő, a nyersanyag szemcsemérete és nedvességtartalma. Hátrányok: az alapanyag bomlásából gyakran képződnek olyan inhibitor komponensek, melyek a későbbi fermentáció vagy hidrolízis lépésében a mikroorganizmusokat, illetve az enzimeket gátolják. Ilyen inhibitorok a pentózokból keletkező furfurol, a glükózból keletkező hidroximetil-furfurol (HMF), az ezek további bomlásából keletkező hangyasav, a hemicellulózból felszabaduló ecetsav, valamint a savoldható ligninből származó aromás komponensek.

A biomassza savas átalakítása • A cellulóz és hemicellulóz (elsősorban xilán) hidrolízisét különböző savakkal lehet katalizálni, többek között a kénsavval, sósavval, hidrogén-fluoriddal és salétromsavval. • Ha a biomasszát híg kénsav oldattal impregnálják és 140-260 oC-os gőzzel kezelik: alacsonyabb hőmérsékleten (140-180 oC-on) a lignocellulóz (xilán) gyorsan hidrolizál xilózzá, kismértékű cellulóz lebomlással. Magasabb hőmérsékleten, a cellulóz is gyorsan hidrolizál glükózzá, a xilán pedig gyorsan átalakul furfurollá és kisebb kondenzációs termékekké. Tömény savak használata esetén 100-120 oC-on végrehajtott reakcióknál jellemzően viszonylag jó hozamokkal kapjuk a szénhidrát monomereket, kevés bomlástermék mellett. A folyamat gazdaságossága attól függ, hogy sikerül e alacsony költséggel visszanyerni a savat.

• A savas hidrolízis során a szénhidrát monomerek hozamát a belőlük képződő bomlástermékek mennyisége korlátozza.

A biomassza enzimatikus átalakítása • A legfontosabb enzimek a cellulóz hidrolíziséért felelős cellulázok, melyek termelésére több aerob és anaerob baktérium és gombafaj is képes. Főleg gomba (Trichoderma, Penicillum és Aspergillus fajok) eredetű cellulázokat kapni, mivel a gombák extracellulárisan termelik a celluláz enzimeket. • A savas hirolízissel szemben a celluláz enzim 100%-os szelektivitással katalizálja a cellulóz hidrolízisét, ezért a szőlőcukor ebben az esetben elvileg magasabb hozamokkal nyerhető ki. A Cellulóz konverzió mértéke attól függ, hogy az enzim számára mennyire hozzáférhető a cellulóz szubsztrát. A megközelíthetőség megnövelése érdekében, a biomasszát fizikai és kémiai kezeléseknek vetik alá, amelyek megbontják a biomassza szerkezetét, általában a hemicellulóz és/vagy a lignin egy részének eltávolításával. Jó cellulóz-glükóz konverziós hozamok eléréséhez hatékony előkezelés szükséges.

A lignocellulóz biofinomítása, hátrányok • A lignocellulóz fő hátránya az, hogy nem lehet közvetlenül felhasználni biokémiai folyamatokhoz (pl: fermentáció), így a benne található hasznos nyersanyagok (pl: a cellulózból hidrolízissel előállítható glükóz) kinyerése költséges és komplex előkezelést igényel. A lignin és a hemicellulózból nyert pentózok (C-5) nem használhatók fel fermentációs eljárásokban (pl: etanol termeléshez), így első lépésben ezeket a komponenseket el kell választani a lignocellulóz biomasszában található cellulóztól. Ez a tisztítási folyamat általában savas vagy lúgos hidrolízissel, gőz robbantásos eljárással, szerves oldószeres oldással vagy ionos folyadékkal történő kezeléssel történik. A szétválasztást követően, a cellulózt többnyire hidrolizálják erjeszthető szénhidrátokká, amelyekből további kezelésekkel (enzim, sav, lúg, szuperkritikus víz, ionos folyadék) üzemanyagokat és/vagy finomvegyszereket állítanak elő.

• Mivel a hemicellulóz viszonylag amorf, kémiailag vagy termikusan könnyebben lebomlik mint a cellulóz, pentózok és hexózok keverékét eredményezve. A jelenlegi előkezelési lépések energiaigényesek, és jelentős mennyiségű hulladékot termelnek (pl: a sav/bázis semlegesítési lépések során). Ezért a jelenlegi technológiák további fejlesztésére nagy szükség van.

A lignocellulóz biofinomítása (folytatás) A továbbiakban áttekintjük a cellulóz és hemicellulóz alapú cukorszármazékokból nyert kemikáliák szintézisét és hasznosíthatóságát (műanyagok, finomvegyszerek vagy jó minőségű tüzelőanyagok). A bemutatás során eltekintünk a biomassza előkezelésétől, a különböző összetevők és szennyező anyagok okozta problémáktól, a szubsztrátok előkezelésével és a termékek elválasztásával kapcsolatos bonyodalmaktól, amiket egy működő biofinomító esetében figyelembe kellene venni.

Cellulózból nyerhető szénhidrátok és azok származékai Cellobióz • A cellobiózt főleg cellulózból celluláz enzimek (endoglükanázok, cellobiohidrolázok és β-glükozidázok) alkalmazásával szintetizálják, de a cellulóz ásványi savas hidrolízisével is előállítható. A cellulázok szerepe a cellulóz hidrolízisénél. EG: endoglükanáz; CBH: cellobiohidroláz; BG: β-glükozidáz.

A cellobióz nehezen emészthető és nehezen szívódik fel, csak specifikus enterobaktériumok, mint pl. a Lactobacillus és Bifidobacterium használják fel. A cellobióz takarmány adalékként, a bélflóra megváltoztatásával javítja az állatok bélfunkcióit.

Glükóz • A glükózt jelenleg túlnyomórészt keményítőből nyerik. Az első lépés a zselatinizálás amit vízben 55-85 oC-on végeznek, aztán α-amilázok hidrolízisével maltodextrinek (3-19 tagú 1→4 kötésű α-Dglükózegységből álló oligoszacharidok/poliszacharidok) képződnek, amiket a glükoamilázok további hidrolízissel glükózzá alakítanak. • Az utóbbi időben egyre inkább a cellulóz kerül előtérbe mint fenntartható glükóz forrás. A cellulóz lebontására általánosan alkalmazott módszerek a hidrolízis ásványi savakkal vagy cellulázokkal. Manapság az enzimatikus módszer terjedt el leginkább gyakorlati alkalmazásként világszerte.

• Savas hidrolízis: Ahogy azt korábban már láthattuk, az ásványi savak gyakorlati alkalmazása a biomassza feldolgozásánál a 20-dik század elején kezdődött. A két legfontosabb módszer a hígított és tömény H2SO4 alkalmazása volt. Híg H2SO4 alkalmazása: Tipikus példa a Scholler folyamat, amit Németországban fejlesztettek ki az 1920as években. Cellulózt 0.5%-os H2SO4 vizes oldatában 170 oC-on hidrolizálva 50%-os glükóz kitermelést értek el, majd a glükózt fermentálták etanollá.

Tömény H2SO4 alkalmazása: Az 5 lépéses Hokkaido eljárást az 1950-es években Japánban dolgozták ki. A fás biomasszát 0-5%-os H2SO4-el kezelték (főként a hemicellulóz hidrolizált, furfurol vagy xilóz képződött belőle). A szilárd maradékot 7080%-os H2SO4-el előkezelték, hogy csökkentsék a cellulóz molekulatömegét, majd 30-40%-os H2SO4-el tovább hidrolizálták glükózzá. A H2SO4-et elválasztották ioncserélő membránokon, és a glükóz kristályokat kicsapták. Az glükóz izolált hozama 80%, 99.5%-os tisztasággal.

A közelmúltban, Rinaldi és munkatársai a cellulózt lebontották mechano-katalitikus (mechanocatalytic) hidrilízissel oligomerekké, majd azokat, viszonylag kis mennyiségű H2SO4 alkalmazásával, átalakították glükózzá. Ez a kétlépéses reakció 91% -os glükóz konverziót eredményezett. (N. Meine, R. Rinaldi and F. Schüth, ChemSusChem, . 2012, 5, 1449–1454) Az ionos folyadékok is hatékony eszközök lehetnek a reakciók teljesítményének javítására, mivel képesek feloldani a cellulózt.

A leggyakrabban használt kationok és anionok ionos folyadékokban (imidazólium, piridínium, ammónium és foszfónium sók)

Enzimes hidrolízist alkalmazó üzemek: BLUE Sugars Corporation (Upton, Wyoming, USA) 2008 óta fás hulladékok és kipréselt cukornád enzimes hidrolízisével etanol gyártás. Gyártási folyamat: (I) a biomassza impregnálása kevés savval; (II) mechanikai és termikus kezelés; (III) többlépcsős enzimatikus hirolízis; (IV) a szilárd anyag és az enzimek elválasztása a cukoroldattól; (V) erjesztés etanollá; (VI) desztilláció és szárítás.

Scotland, South Dakota (USA) 2008 óta kukoricacsutka, héj, levelek átalakítása etanollá: gőz- és savas kezelések, enzimes hidrolízis és fermentáció

Kure, Hiroshima (Japan) 2011 Fás biomasszából etanol termelés. Nedves őrlés / hidrotermális kezelés, enzimes hidrolízis, fermentáció etanollá.

A fő probléma a cellulázok magas költsége, nagy mennyiségű enzimre van szükség (inhibíciós okok miatt) ahhoz, hogy magas koncentrációjú glükóz oldatot kapjunk.

A glükóz alkalmazása a hétköznapi életben elég korlátozott, csak édesítőszerként használják és energiaforrás adalékként adják hozzá intravénás folyadékokhoz, mivel a glükóz az agysejtek és néhány más szerv számára üzemanyagkén szolgál. Ellenben, a biofinomítóban, a glükóz egy kiváló platform kemikália műanyagok és üzemanyagok előállításához.

Glükóz származékok és alkalmazásaik

lactic acid

(Bio)etanol • A glükózból erjesztéssel (fermentálással) állítják elő. A vizet nagy hatékonyságú Zeolit membránok segítségével választják el az etanoltól. (Hitachi Zosen bioetanol üzem, Shimizu, Hokkaido, 1.5 × 107 L bioetanol / év). • Az etanol üzemanyagként használható fel benzinüzemű motorokhoz. A világ éves bioetanol termelése 2010-ben megközelítette a 1011 L. (G. Sorda, M. Banse and C. Kemfert, Energy Policy, 2010, 38, 6977–6988), aminek a fűtőértéke az akkori éves benzinfogyasztás (1,2 × 1012 L) körülbelül 5%-át fedezte volna (a benzin fűtőértéke 1.6szor magasabb, mint az etanolé). • Az USA-ban a bioetanolt főként kukoricából Brazíliában pedig cukornádból állítják elő. Japánban a bioetanolt először átalakítják terc-butil-etil-éterré, izobutén reakciójával, hogy elkerüljék az autóalkatrészek korrózióját.

Etilén és propilén • Az etilén és a propilén a vegyipar alapvető alapanyagai, legnagyobb mennyiségben az elsőből polietilént (7 × 107 t / év) a másodikból polipropilént (5 × 107 t / év) állítanak elő. • Az etanolt alumínium-oxid alapú katalizátorokkal dehidratálják, majd katalizátor (pl.:Kaminsky katalizátorok) jelenlétében polimerizálják.

• A Braskem Vállalat már 2010 óta gyárt polietilént (2 × 105 t / év) a Rio Grande do Sulban. Dow és Mitsui 2015-től egy 3.5 × 105 t / év kapacitású polietilén gyártására alkalmas üzemet nyitottak Brazíliában. polietilén

polipropilén

Butanol • Az etanolhoz hasonlóan a butanol is jó tüzelőanyag, az etanollal összehasonlítva jobb hidrofobicitása és magasabb a fűtőértéke (1.286 x). Az olajipar jelenlegi butanol termelési kapacitása 4 × 106 T / év. • A butanolt nyersanyagként már széles körben felhasználják, oldószerek, akrilátok, lágyítók és parfümök készítésénél. Glükózból fermentációval lehet szintetizálni butanolt. A Pasteur által 1861-ben felfedezett fermentációs folyamat során a butanollal együtt aceton és etanol is képződik, jellemzően 6: 3: 1 mólarányban. • Weizmann (Izrael első elnöke) egy viszonylag hatékony aceton-butanol fermentációs eljárást dolgozott ki aceton gyártásához (az acetont oldószerként használták füstmentes lőpor készítéshez). Az 1960-as évektől a fermentációs módszer háttérbe szorult, mert az olajipar hatékonyabban állította elő a butanolt. • A közelmúltban a Kobalt Technologies kifejlesztett cukrok (glükóz, stb) erjesztésén alapuló hatékony és folyamatos butanol előállítására alkalmas eljárást. Az fermentációhoz Clostridium mikrobiális törzset alkalmaztak. A fermentációhoz szükséges szénhidrátokat lignocellulóz tartalmú biomasszából salétromsavas hidrolízissel nyerték. A cég állítása szerint, az általuk előállított butanol 30-60%-kal olcsóbb, mint a kőolajból nyert butanol, így felhasználható 1-butén, butadién és kerozin gyártásához. A Cobalt Technologies az amerikai haditengerészet együttműködésével tesztelik az előállított üzemanyagokat.

Polihidroxi-karboxilátok és azok monomerei • Poli-hidroxi-karboxilátok biomassza alapú polimerek egyik kiemelkedő csoportja, a legfontosabb képviselőjük a polilaktid (PLA). A PLA-t használták már pl.: autóalkatrészek, notebook, élelmiszerek csomagoló anyagok, táskák, evőeszközök gyártásához. A NatureWorks vállalat már 2002 óta évente 1.4 × 105 T PLA-t termel (Blair, Nebraska). A Teijin cég kifejlesztett egy termikusan stabil, és viszonylag vízálló PLA-t, amiből 1 × 103 tonnát szintetizálnak évente (Matsuyama, Ehime).

• A PLA gyártása: (I) a glükózt biológiai úton átalakítják tejsavvá és aztán (II) a tejsavat polimerizálják közvetlenül vagy (di)laktidon keresztül. laktid További fontos Polihidroxi-karboxilátok: a polihidroxialkanoátok (PHA) és a poli(3-hidroxi-butirát) (P3HB) ezeket a biopolimereket glükóz fermentációval mikrobák állítják elő.

PHA

tejsav

P3HB

PLA

• A fermentációs folyamatokhoz szükséges glükóz termelésnél csökkenteni kell a toxikus melléktermékek, különösen az 5-hidroximetil-2-furfurol (5-HMF) képződését, mert az 5-HMF gátolja a baktériumok növekedését. Például a kipréselt cukornád savas (H2SO4) kezelése után nyert hidrolizátumot a fermentáció előtt semlegesítik és tisztítják, hogy eltávolítsák a savat és a mérgező melléktermékeket. • PLA gyártáshoz szükséges tejsav a biomassza közvetlen kémiai átalakításával is előállítható. A cellulóz bomlásakor, bázikus körülmények között, tejsav képződik (hozam < 20%). Bázis helyett Lewis-sav katalizátorok alkalmazásával a hozam növelhető. Volframát-alumínium-oxid-alapú katalizátorral kristályos cellulózból, 190 oC-on 24 órás reakcióban, 28%-os kitermeléssel állítottak elő tejsavat. • A közelmúltban H3PMo12O40 katalizátor jelenlétében glikolsavat is szintetizáltak közvetlenül cellulózból 50%-os hozammal (további reakciókörülmények: 0.6 MPa O2, víz, 180 oC, 1 óra). A katalizátor 10 ciklusban újrahasználható, a glikolsavat észteresítéssel, majd azt követő bepárlással választották el. A cellulózból közvetlenül nyert glikolsavból bio-alapú poliglikolsav (PGA) készíthető, amit jelenleg kőolaj-alapú kemikáliákból szintetizálnak. glikolsav

PGA

Borostyánkősav (butándisav) • A borostyánkősavat használják monomerként polibutilén-szukcinát (PBS) előállításához, savanyúságot szabályozó élelmiszeradalékként és kelátképző szerként. PBS egy műanyag, amiből biológiailag lebomló csomagoló anyagokat állítanak elő. A PBS másik monomerjét, az 1,4-butándiolt, borostyánkősav redukciójával lehet szintetizálni. A Showa Highpolymer és a Mitsubishi Chemical vállalatok, már több mint 10 éve, 3 × 103 illetve 6 × 103 T PBS-t állítanak elő évente. PBS

• Egyéb kereskedelemben kapható borostyánkősav műanyagok: polibutilén-szukcinát-coadipát) (Showa Highpolymer és Ire Chemical), polibutilén-szukcinát-co-karbonát) (Mitsubishi Gas Chemical), polibutilén-szukcinát-co-tereftalát) (DuPont), polietilénszukcinát) és a polietilén-szukcinát-co-adipát) (Nippon Shokubai). • A (bio)borostyánkősavat glükózból fermentációval állítják elő.

Itakonsav • Itakonsav és észterei olyan co-monomerek amelyek javítják a szintetikus latexek stabilitását és tapadási tulajdonságát. Ezt a karbonsavat savanyúságot szabályozó élelmiszer adalékanyagként is használják. A Pfizer által kidolgozott eljárást alkalmazva, glükózból erjesztése útján (Aspergillus terrous) évente 8 × 104 t itakonsavat állítanak elő. Itakonsav

Glükonsav • A glükonsav a glükóz oxidált terméke, melyet kelátképző szerként, élelmiszeradalékként és gyógyszeralapanyagként használnak fel. A kalcium-glükonát méregtelenítő szer HFnak kitett betegeknél (a glükonát segítí a Ca2+ ionok felszívódását bőrön keresztül, majd a Ca2+ befogja a F- ionokat CaF2-ként). A vas(II)glükonát javítja az olajbogyó fekete színét és az élelmiszerek vastartalmának a növeléséhez is használják. A kinin-glükonátot gyógyszerként használják a trópusi malária kezelésére.

• A glükonsavat glükózból főként fermentációval állítják elő (Aspergillus niger gomba, 6 × 104 T / év). A fermentáció során képződő glükono-delta-lakton vízben kémiai egyensúlyban van a glükonsavval, ezért a fermentációs során szükség van a képződő glükonsav semlegesítésére, hogy elkerüljük az enzimek deaktiválódását. glükono-delta-lakton

glükonsav

• Oxigén atmoszférában szilárd katalizátorok alkalmazásával is lehet a glükózt glükonsavvá oxidálni. Szén hordozóra rögzítet Pd-Bi kétfémes katalizátorokkal, bázis jelenlétében 99%-os hozammal nyerték a glükonsavat. A fő gond az volt, hogy ezek a drága katalizátorok nagyon hamar elvesztítik az aktivitásukat. • A poliszacharidok közvetlen glükonsavvá alakítása is lehetséges. Cellulózból H3PW12O40 és Au/Cs3PW12O40 katalizátorok keverékével aktivált reakcióban, 1.0 MPa-os O2 atmoszférában, 145 oC-on, 66-77% hozammal nyerték a glükonsavat. Ezeknek a katalizátoroknak az előnye, hogy többször is újrafelhasználhatók.

Alkil-glükozidok • Az alkil-glükozidok környezetbarát (kevésbé toxikus) nem-ionos felületaktív anyagok. Az alkil-glükozidokat a glükóz sav- vagy enzim-katalizált glikozilezési reakcióival szintetizálják. Tipikus termékek a decil- és dodecil-Dglükopiranozidok, melyeket hipoallergén tulajdonságuk miatt samponok, kozmetikumok és mosogatószerek készítésénél használnak. • Villandier és munkatársai cellulózból kiindulva Amberlyst-15 (erősen savas kationcserélő gyanta) és ionos folyadékok alkalmazásával alkil-(oktil-tól dodecilig)-β-D-glükopiranozidokat állítottak elő 80% közeli hozammal. (N. Villandier and A. Corma, ChemSusChem, 2011, 4, 508–513) R = alkil dodecil-D-glükopiranozid

5-Hidroximetil-2-furfurol (5-HMF) • A 5-HMF egy heterociklusos aromás vegyület, amely egy nagyon hasznos platform kemikália. • Az 5-HMF leghatékonyabban inulinból (fruktóz polimerből) nyert fruktózból és cellulózból származó glükózból szintetizálható. • A fruktóz majdnem kvantitatív átalakítására 5-HMF-é már több módszert is kidolgoztak: pl,: (a) DMSO oldószerben Amberlyst-15 ioncserélő gyanta (katalizátor) jelenlétében; (b) 1-etil-3metilimidazólium-kloridban [EMIM]Cl Cr2+-N-heterociklusos-karbén (NHC) katalizátor jelenlétében. • A glükóz átalakítása 5-HMF-é nehezebb, mivel ez a reakció magában foglalja a glükóz izomerizációját fruktózzá (anélkül sok nemkívánatos melléktermék képződik). Azonban, Chidambaram és munkatársai [EMIM]Cl-acetonitril oldószerben H3PMo12O40 katalizátor jelenlétében 99%-os konverzióval és 98%-os szelektivitással alakítottak át glükózt 5-HMF-é. (M. Chidambaram and A. T. Bell, Green Chem., 2010, 12, 1253–1262)

• Az 5-HMF közvetlen szintézise cellulózból nagyobb kihívást jelent. [EMIM]Cl oldószerben CuCl2 és CrCl2 katalizátorok jelenlétében, 8 órás reakcióidővel, 120 oC-on, 58% -os hozammal kapták az 5-HMF-t. Az 5-HMF kialakulásához vetető dehidratáló lépésnek kedvez az alacsony víztartalom.

A glükóz 5-HMF-é alakulásának lehetséges útvonala

5-Hidroximetil-2-furfurol származékok • Furán-2,5-dikarbonsav (FDCA): Az 5-HMF Pt, Au vagy Pd katalizátor és O2 jelenlétében, bázikus körülmények között, kiváló hozammal oxidálható furán-2,5-dikarbonsavvá. Az FDCA egy lehetséges alternatívája a tereftálsavnak (1,4-benzoldikarbonsav) olyan poliészterek szintéziséhez, mint a polietilén-tereftalát (PET). FDCA

tereftálsav

PET

• Furán-2,5-dikarbonsav dimetil-észter: Az FDCA dimetil-észter előállítása 5-HMF-ból, egy lépésben, 95%-os kitermeléssel megvalósítható. Reakciókörülmények: metanol, 1%-os Au/TiO2 katalizátor, nátrium-metoxid, 4 MPa O2 atmoszféra, 130 oC, 3 h. • Alkánok: Az 5-HMF hidrogénezett termékei potenciális üzemanyagok. A 5-HMF kondenzációs reakciói acetonnal vagy anélkül, Mg-Al vegyes oxid katalizátor jelenlétében, majd azt követő hidrogénezéssel Pt/Al2O3 katalizátorral C7C15 szénhidrogéneket termelnek.

• p-Xilol: Az 5-HMF hidrogénezése során, Cu vagy Pd alapú katalizátorok jelenlétében, 2,5-dimetil-furán képződik. A 2,5-dimetilfurán titanocén-dikloridot és SiO2-Al2O3 katalizátorok jelenlétében 91%-os hozammal átalakítható p-xilollá. A reakció egy edényben megy végbe (one-pot reaction), etilén gáz atmoszférában. Első lépésben a p-xilol és az etilén Diels-Alder reakciója megy végbe, amit egy dehidratációs lépés követ.

Bis(cyclopentadienyl)titanium(IV) dichloride

Levulinsav • A levulinsav egy lineáris C5 g-ketosav, amely előállítható pl. cellulózból, sav-katalizált hidrolízissel. A folyamat intermediere glükóz, amely fruktózzá izomerizálódik, majd dehidratációval 5-HMF-on keresztül levulinsav és hangyasav 1:1 arányú elegye keletkezik. • A levulinsav bio-üzemanyagok, adalékanyagok prekurzora.

gyógyszeripari

termékek,

lágyítók

és

egyéb

• Mivel a levulinsav szénhidrátokból történő előállításához hagyományosan nagy mennyiségű oldható savakra volt szükség, ezért a közelmúltban új, hatékonyabb eljárásokat dolgoztak ki. Pl.: Kristályos cellulózból In(OTf)3 és 2-naftalin-szulfonsav katalizátorok jelenlétében, metanolban, 180 oC-on, 5 óra elteltével, 75%-os kitermeléssel kaptak metil-levulinátot.

Levulinsav származékok • A levulinsav γ-valerolaktonná alakítható Ru-Sn (kétfémes) katalizátor jelenlétében. • A levulinsav redukciója és ciklizálása által 2-metil-tetrahidrofurán (2-MeTHF) képződik, amely egy hasznos oldószer lehet, mivel könnyebben elválasztható a víztől, mint a THF.

• A Cosmo Oil cég glükóz fermentációjával δ-aminolevulinsavat állít elő. A δ-aminolevulinsavat a mezőgazdaságban alkalmazzák : megkönnyíti a fotoszintézist, így elősegíti a növények növekedését.

Levoglükozán (1,6-anhidro-β-D-glükopiranóz) • Levoglükozánt potenciális alapanyaga lehet daganatellenes gyógyszereknek, antibakteriális hatású szereknek, és királis polimereknek. • A glükóz dehidratálása levoglükozánná, 1-butil-3-metil-imidazólium-bisz (trifluor-metánszulfonil)imid ([bmim] [TFSA]) alkalmazásával (katalizátor nélkül), 200 oC-on, 53%-os hozammal ment végbe. levoglükozán ([bmim] [TFSA])

Cukor alkoholok C6 többértékű alkoholok és származékaik:

Szorbitol (szorbit) • A szorbitol egy alacsony kalóriatartalmú édesítőszer, amelynek oldódása endoterm folyamat, ezért hűvös érzést kelt. Gyakorlatilag nem okoz fogszuvasodást, mert a szorbitol tejsavá alakulása a szájban lévő baktériumok által korlátozott. Szorbitolt elsősorban diétás élelmiszerek édesítésére használják, de számos funkcionális származékot is elő lehet belőle állítani. Évente 6.5 × 105 t szorbitolt állítanak elő. • A szorbitolt hagyományosan a glükóz hidrogénezésével állítják elő, elsősorban RANEY® Nikatalizátor jelenlétében. Ezt a redukciós lépést, 10-15 MPa nyomású H2 atmoszféra alatt, 100-150 oC-on végzik. • A szorbitol közvetlenül cellulózból is előállítható. A számos létező eljárás közül az egyik leghatékonyabbat Geboers és munkatársa írták le. A H2SO4-el impregnált α-cellulózt golyós őrlésű malomban hidrolizálták oldható oligomerekké (előkezelés). Majd 5 tömeg%-os Ru/C, H2SO4 (pH = 1) katalizátorok jelenlétében 5 MPa nyomású H2 atmoszféra alatt, 150 oC-on, vízben, 1 órás reakcióidővel, 86%-os hozammal kapták a szorbitolt. J. Geboers, S. Van de Vyver, K. Carpentier, P. Jacobs and B. Sels, Chem. Commun., 2011, 47, 5590–5592.

Szorbitol származékok és alkalmazásaik

Szorbitán • A szorbitán-zsírsav-észtereket szorbitolból dehidratációval és az azt követő észteresítéssel állítják elő. Mivel A szorbitán szerkezete négy hidroxilcsoportot tartalmaz, az észterek tulajdonsága az alkil-csoportok típusával és az észtercsoportok számával változtatható. • Ezeket az észtereket az élelmiszeriparban emulgeálószerként használják, alkalmazzák még gyógyszerek és kozmetikai szerek, valamint alacsony környezeti hatású rovarirtó és gombaölő szerek készítésénél. A teljes éves kereslet az ilyen szorbitán-észterek iránt meghaladja az 1 × 104 tonnát.

Izoszorbid • Az izoszorbid egy dehidratált származéka a szorbitolnak, a jellegzetes szerkezete két hidroxilcsoportot és két kondenzált öttagú gyűrűt tartalmaz. Izoszorbidnak számos gyógyászati alkalmazása van, többek között használják agydaganatok és fejsérülések esetén fellépő intracerebrális nyomás csökkentésére.

• Az izoszorbid ígéretes monomer műanyagok gyártásához, mivel a különleges szerkeze miatt, egyedi tulajdonsággal ruházhatja fel a belőle készült műanyagokat.

Aszkorbinsav (C-vitamin) • Az iparban az aszkorbinsavat szorbitolból állítják elő. A szorbitolt mikrobiológiai folyamatban (vegyszerek nélkül vagy vegyszerek felhasználásával) L-szorbózon és 2-keto-L-gulonsavon, mint fő intermediereken keresztül alakítják át aszkorbinsavvá. • Az aszkorbinsavat főként antioxidáns tulajdonságú élelmiszeradalékként alkalmazzák. Az aszkorbinsav hiánya skorbutot okoz. A C-vitaminnak számos egyéb farmakológiai funkciói is vannak.

Mannitol (mannit) • A mannitolt a gyógyászatban az agyban vagy szemben kialakult nagy nyomás csökkentésére, valamint műtétek vagy sérülések esetén az akut veseelégtelenség megelőzésére használják. Az élelmiszeriparban a mannitolt édesítőszerként valamint csomósodást gátló anyagként alkalmazzák. • A mannitol a szorbitol sztereoizomerje. Mannitolból évente kb. 3 × 104 tonnát állítanak elő, túlnyomórészt a szacharózból hidrolízisével, majd azt követő Ni-katalizált hidrogénezéssel. A képződött mannit átkristályosítással könnyen leválasztható a reakcióelegyben szintén jelenlévő szorbit mellől. A mannánt tartalmazó hemicellulózok új potenciális prekurzorai lehetnek a mannitolnak.

Hemicellulózból nyerhető szénhidrátok és azok származékai Xilóz • A xilóz egy alacsony kalóriatartalmú édesítőszer és sokoldalú alapanyag, számos vegyület (pl: xilitol) állítható elő belőle. • A xilózt túlnyomórészt a (xilán) hemicellulóz híg savakkal (140-180 oC-on) végzett hidrolízisével szintetizálják. Egy másik eljárásban, a lignocellulóz előkezeléseként, 150-200 oC-on forró-sűrített vízzel kioldják a hemicellulózból származó oligoszacharidokat, majd ezeket szobahőmérsékleten hemicellulázokkal xilózzá hidrolizálják.

A xilóz fermentációs termékei: • Xilitol

• Tejsav • Etanol (néhány mutáns E. coli képes átalakítani a xilózt és glükózt párhuzamosan etanollá)

Furfurol (furánaldehid) és származékai

* A furfurol egy heterociklusos telítetlen

aldehid, amelyet közvetlenül xilánból (hemicellulózból), xilózon keresztül, egy egyedényes reakcióban szintetizálnak. A furfurol előállítása főleg kipréselt cukornádból és kukoricacsőből történik. * Az éves furfurol termelés: 2.1 × 105 t. Szilárd hordozóhoz kötött szulfonsav katalizátorral toluol/víz oldószerben, 140 oC-on, 76%-os kitermelés.

C2-C5 többértékű alkoholok és származékaik: Xilitol • A xilitolt széles körben használják édesítőszerként, mivel nagy szerepe van a fogszuvasodás elkerülésében. A xilitol előnye a szorbitollal szemben a proaktív védelem. A xilitol öt szénatomos szerkezetéből adódóan, hamis tápanyagként, gátolja a szájban megtalálható baktériumok anyagcseréjét, így a fogszuvasodást előidéző savak termelése csökken. • A xilitol előállítása éves szinten már 4 × 104 t körül mozog. A xilitol gyártása során hemicellulóz tartalmú mezőgazdasági (pl.: kukoricaszár) vagy erdészeti (pl.: nyírfa) alapanyagokból indulnak ki. • A dániai DuPont Danisco vállalat nyírfából kinyert xilózból állítja elő a xilitolt. Aprítás után a nyersanyagot nagy nyomáson és magas hőmérsékleten sósavval hidrolizálják, az így keletkező monoszacharidokból elválasztják a xilózt. A xilózt ezután vagy vegyi úton redukálják, vagy fermentációval alakítják xilitollá. A vegyi redukció RANEY® Ni-katalizátor jelenlétében, nagy nyomáson és magas hőmérsékleten történő hidrogénezéssel történik. Fermentációhoz különféle mikroorganizmusokat használnak, melyek a xilózt xilitollá alakítják.

Arabitol • Az arabitol prekurzora lehet biológiailag aktív hatóanyagoknak, kisebb polihidroxi-alkoholoknak, amelyek felhasználhatók funkcionális polimerek előállításához. • Az arabitolt az arabinán Ru/AC katalizálta hidrolitikus hidrogénezésével lehet szintetizálni (5 MPa H2, 155 oC).212

C2-C5 többértékű alkoholok és származékaik, felhasználás

A rákfélék kitines vázának biofinomítása A kitin előfordulása: gombák, algák és ízeltlábúak (rovarok és rákok). • Ez a második legbőségesebben előforduló biopolimer a Földön, amelyből körülbelül 100 milliárd tonna keletkezik évente.

A kitin szerkezete: A cellulózéval analóg, az ismétlődő N-acetil-D-glükózamin alegységek béta-1,4 kötéssel hosszú láncokat alkotnak. A kitin oldhatatlan közönséges oldószerekben, de dezacetilezésel át lehet alakítani savban oldódó kitozánná. (A kitin átlagos molekulatömege 1.03 x 106-2.5 x 106, a kitozáné 1 x 1055 x 105)

cellulóz

kitin

kitozán

A rákfélék páncéljának főbb összetevői: fehérje (20-40%), kalcium-karbonát (CaCO3, 20-50%) és kitin (15-40%), kisebb arányban tartalmaz még lipideket, asztaxantint (antioxidáns) és egyéb ásványi anyagokat is. Az összetevők aránya fajonként változhat.

Forrás: Xi Chen, Huiying Yang, and Ning Yan. Shell Biorefinery: Dream or Reality? Chemistry - A European Journal, 2016, 22 (38), 13402–13421.

A rákpáncél kereskedelmi értéke: A halászatból származó rákok feldolgozózása során évente 6-8 millió tonna hulladék héj keletkezik. Szárított és porított formában 100-120 USD/tonna ami összevethető a mezőgazdaságból származó lignocellulóz tartalmú hulladék biomassza kereskedelmi értékével.

Jelenleg a rákhalászatból származó hulladék hasznosítása nem megoldott, többnyire hulladéklerakókba kerül.

A rákpáncél biofinomítása: A utóbbi évtizedben a növényi biomassza feldolgozására kifejlesztett módszerek és eljárások analógiájaként nemrég elkezdték kutatni a rákhalászatból származó hulladékok (elsősorban rákpáncél) biofinomításának lehetőségeit (feldolgozás és átalakítás értékes kémiai komponensekké) • (A rákpáncél biofinomítására kidolgozott módszerek majd a rovarok esetében is alkalmazhatók, a hasonló összetételű kitinvázuk miatt) Frakcionálási módszerek: 1. Hagyományos hulladék héj feldolgozás 1.1 Szevetlen sók kivonása: HCl, HNO3, H2SO4, AcOH vagy HCO2H jelenlétében. Főként HCl (koncentráció: 0.275-2 M; reakcióidő: néhány óra-több nap; hőmérséklet: szobahő-100 oC).

1.2. Fehérjekivonás: Általában lúgos kezeléssel végzik. NaOH koncentráció:

0.1-2 M;

reakcióidő: 1-72 óra; hőmérséklet: 65-100 oC.

1.3. Szinezőanyagok eltávolítása: oxidatív fehérítés (H2O2) Hátrányok: Destruktív, pazarló, és környezetszennyező gyártási eljárás. Költséges mert korrózióálló berendezések szükségesek. Az eljárás során nagy mennyiségű szennyvíz keletkezik, melynek kezelése extra költségekkel jár. Ezeknek a tényezőknek köszönhetően az így előállított kitin drága, ami korlátozza a belőle előállított anyagok széleskörű alkalmazását. Ennek köszönhetően egy sor alternatív módszert fejlesztettek ki, amelyek ezeket a problémákat próbálták különböző mértékben kiküszöbölni. Ezeket az új módszereket két csoportba lehet sorolni: oldószeres extrakciós módszerek és bio feldolgozási módszerek.

2. Új feldolgozási technikák 2.1. Oldószeres extrakciós módszerek

2.1.1. Ionos folyadékok A kitin oldhatatlan közönséges oldószerekben a szomszédos láncok közötti erős hidrogénkötések miatt. Azonban, néhány ionos folyadékkal sikerült a kitint feloldani: 1butil-3-metil-imidazolium-klorid, 1-allil-3-metil-imidazolium-bromid, 1-butil-3-metilimidazolium-acetát, 1-etil-3-metil-imidazolium-acetát.

2.1.1. Ionos folyadékok (folytatás) • 2010-ben írták le először (Qin et al.) nagy molekulatömegű kitin kinyerését garnélarák páncéljából ionos folyadék extrakcióval. A vizsgált ionos folyadékok közül az 1-etil-3metil-imidazolium-acetát bizonyult a leghatékonyabbnak. Ezt a módszert, az így nyert kitin polimer magas sótartalma miatt (főként CaCO3) később, egy sómentesítési lépés hozzáadásával, továbbfejlesztették (Setoguchi et al).

• Első lépés: a rákpáncél és az ionos folyadék 1:10 arányú keverékét 24 órán át 100 oC-on tartották. Második lépés: A keveréket centrifugálták és az extraktumot 3 órán keresztül 1.5% (w/v) citromsav vizes oldatával kezelték. A kivált terméket vákuumszűréssel izolálták (kitermelés: 7.5 wt% a kiindulási rákpáncél tömegéhez képest). Tisztasági paraméterek: Fehérjetartalom: kevesebb mint 0.1 wt%. Molekulatömeg: 2.2 x 105 Da. Dezacetilezett származék kevesebb mint 5%. • A hőmérséklet növelésével (120 oC) kissé nőtt a kitin hozama (12.5%), de ezzel együtt csökkent a molekulatömeg (1.5 105 Da) és nőt a dezacetilezett származék aránya is (7%). A reakcióidő növelése hasonló tendenciát mutatott: 48 óra 100 oC-on: 8.8 wt%, 1.5 x 105 Da, 6% dezacetilezett termék.

2.1.2. DES (Deep Eutectic Solvent) oldószerek • Az ionos folyadékok mellett DES (Deep Eutectic Solvent) oldószereket is alkalmaztak, mint például a kolin-klorid-tiokarbamid, klórkolin-klorid-karbamid és betain-hidroklorid-karbamid. Ezek az oldószerek melegítés hatására kb. 9 tömeg% kitin beoldására alkalmasak (mikrohullám és ultrahang alkalmazásával csökkenthető a feloldódáshoz szükséges időtartam és hőmérséklet).

2.2. Bio feldolgozási módszerek: A bio feldolgozás egy olyan folyamat, amelyben teljes élő sejteket vagy azok összetevőit (például baktériumok, enzimek, kloroplasztisz) használjuk fel a kívánt termék előállításához. 2.2.1. Enzimes bontás 2.2.1.a. • Az enzimes kezelés előtt elvégzik a szervetlen sók kivonását HCl vagy AcOH jelenlétében 2.2.1.b. Enzimes fehérjekivonás • Proteázok (peptidázok) jelenlétében: pepszin, tripszin, papain (pH 5.5–6.0 és 37.5 oC), tonhalból nyert proteináz (pH 8.6 és 37.5 oC), bakteriális proteináz (pH = 7.0 és 60 oC, > 60 óra). A kitin maradék fehérje tartalma az enzimes kezelések után mintegy 5%. Gagne és Simpson optimalizálták az enzimatikus módszereket kimotripszin (emésztőenzim) alkalmazásával (40 oC, pH = 8.0, enzim/szubsztrát arány 7:1000 (w/w), 1.3% fehérjetartalom)

2.2.2. Tejsav fermentáció

Egyesíti a fehérje és a szervetlen sók kivonását egyetlen folyamattá. • Lactobacillus paracasei: fermentáció után (5 nap, 30 oC) fehérjetartalom: 22.5%, sótartalom: 39% (az eredetihez képest). • Bacillus subtilis: 15 nap, 30 oC, fehérjetartalom: 16%, sótartalom: 28%. • Pseudomonas aeruginosa: fehérjetartalom: 15%, sótartalom: 21.5%.

• Lactobacillus acidophilus SW01 (Duan et al.): 48 óra fermentáció után: fehérjetartalom: 7.8%, sótartalom: 0.7%.

A rákpáncél három fő frakcionálási módszerének folyamatábrája

A kitin és kitozán felhasználása mint funkcionális polimerek: • A kitin és kitozán biokompatibilis anyagok, biológiai úton könnyen lebonthatók, kiváló antibakteriális és antitumor aktivitást mutatnak. • Orvosbiológia és gyógyszeripar: gyógyszerhatóanyag-szállítás, sebkötözés, csontregeneráció és szövetsebészet. • Mezőgazdaság: rovarirtó szerek • Élelmiszer- és kozmetikai tartósítószerek, antioxidánsok

ipar:

étrend-kiegészítők,

élelmiszer-

• Vízkezelésnél: jó abszorbens tulajdonságok mind a szerves mind a szervetlen szennyeződésekkel szemben (pl: Mu, Wang és munkatársai, újrahasznosítható szintetizált mágneses cellulóz-kitozán hidrogélt fejlesztettek ki, amivel nehézfémeket tudnak vízből kiszűrni)

A kitin és kitozán hidrolízise Kitin és kitozán monomerek: A kitin és kitozán hidrolízise során elsősorban GlcNAc és GlcNH2, vagy ezek oligomerjei képződnek. Ezeket az aminocukrokat (GlcNAc és GlcNH2) széles körben alkalmazzák az élelmiszeripar, az orvosbiológia és a gyógyszeripar területén. Hagyományos előállítási módszerek:

• Enzimes hidrolízis: cellulázok vagy kitinázok • Kémiai hidrolízis: koncentrált savakkal (pl: HCl, H2SO4, H3PO4), hevítés hatására. Modern technológiák:

1-propil-3szulfopiridinium hidrogén-szulfát

• A kitin savas hidrolízise mikrohullámú melegítés (1/10 reakcióidő) és ultrahang (elősegíti a kitin feloldódását) alkalmazásával • Ionos folyadékok alkalmazása: példák: 1) kitozán depolimerizálása: 1-butil-3-metil-imidazolium klorid, 6 tömeg%-os HCl, 100 oC, 7 óra, 60%-os hozam (GlcNH2). 2) kitozán mikrohullámmal támogatott hidrolízise: 1-allil-3-metilimidazolium-klorid és 1-H-3-metil-imidazolium-klorid (ionos folyadékok keveréke, a savas IF katalizátorként működik), kevés víz, DMSO és 1-propil-3-szulfopiridinium hidrogén-szulfát oldat. Hozam: 90%. • Előkezelt (malomban őrölt) kitin hidrolízise: víz, 170 oC, 1 óra, 53% GlcNAc. Az egyik legfontosabb előnye a mechanikusan katalizált rendszernek, hogy az acetamid-csoport nagymértékben megmarad, amit nehéz elérni hagyományos savas hidrolízissel.

Kitin és származékai

• Biológiailag rögzített nitrogén az oldalláncban • N-tartalmú vegyületek előállítása (hagyományosan nagyon energiaigényes ammónia szintézissel indul)

• Az elmúlt öt évben számos új vegyület

Nitrogént nem tartalmazó furán származékok: 5-hidroximetil-2-furfurol (5-HMF) • A cellulózhoz hasonlóan a kitin is alkalmas kiindulási anyag furán származékok előállításához. Az 5-hidroximetil-2-furánaldehid (5-HMF) az egyik legértékesebb bioalapú vegyület. Nagyon sokoldalú alapanyag, kulcs intermedier számos hasznos vegyület szintézisénél. • Mascal és Nyikityin írták le először a kitin átalakítását 5-klorometil-2-furfurollá (5-CMF), amelyből enyhe körülmények között lejátszódó hidrolízissel könnyen megkapható az 5-HMF. Az átalakítást egy kétfázisú reaktorban (konc. HCl-oldat és 1,2-diklór-etán) és a keveréket többször melegítve (100 oC) és extrahálva végezték. Ugyanezt az eljárást alkalmazva, a cellulóz esetében 84%-os hozammal kapták az 5-CMF-t, ami arra utal, hogy a kitint nehezebb átalakítani.

• A kitin és kitozán közvetlen átalakítására 5-HMF-é több eljárást is kidolgoztak, melyek közül a leghatékonyabbat Li és munkatársai publikálták. N-metil-imidazolium-hidrogén-szulfát (savas ionos folyadék) alkalmazásával, 180 oC, 5 óra, kitozánból: 29.5%, kitinből: 19.3% 5-HMF hozam.

Mivel az 5-HMF (nem N-tartalmú vegyület) könnyen előállítható cellulóztartalmú biomasszából, a kitin átalakítása 5-hidroximetil-2-furánaldehiddé egyelőre nem gazdaságos, mivel a tisztított kitin ára jelenleg lényegesen magasabb, mint a cellulózé és a konverzió is sokkal alacsonyabb. 5-formiloximetil-2-furánaldehid (FMF) • előállítás: A kitint hangyasavval kezelték 100 oC-on, 24 órán át. Hozam: 35%.

A kitin mint megújuló nyersanyag N-tartalmú vegyületek előállítására Nitrogént tartalmazó furán származékok: 3-Acetamido-5-acetilfurán (3A5AF)

3A5AF

• Kerton és munkatársai elsőként nyertek ki magas hozammal GlcNAc-ból (kitin monomer) Ntartalmú vegyületet, amely a 3-acetamido-5-acetilfurán (3A5AF) volt. A 3A5AF egy furán-alapú vegyület mely a C-3 helyzetben acetamid csoportot tartalmaz, a C-5 pozícióban pedig acetilcsoportot. Reakciókörülmények: a GlcNAc-ot Bórsav (H3BO3) és 1-butil-3-metil-imidazoliumklorid keverékében reagáltatták, mikrohullámú besugárzással (kitermelés: 60%). Korábban GlcNAc pirolízissel 400 oC-on csak 2%-os hozammal nyerték a 3A5AF vegyületet.

• A fenti reakció végrehajtható szerves oldószerekben is. Kerton és munkatársai dimetil-acetamidban (DMAC) bórsav és NaCl jelenlétében, mikrohullámú melegítéssel, 220 oC-on, 15 perc. 3A5AF hozam: 62%. • A kitin közvetlen átalakítása 3A5AF vegyületté: A leghatékonyabb átalakulást N-metil-2-pirrolidon oldószerben bórsav, lítium-klorid és HCl jelenlétében érték el. Reakcióidő: 1.5 óra 220 oC-on, 50% kitin konverzió és 7.5%-os 3A5AF hozam. A kitin előkezelése (száraz állapotban) golyós malomban történő őrléssel, 3 x-os 3A5A kitermelés (28.5%).

Kitin és származékaiból közvetlen átalakítással nyert 3A5AF vegyület jelentősen leegyszerűsítheti egy sor bioaktív molekula szintézisét, mint például a proximicin A antibiotikum és a hyrtioseragamine A és B, valamint a pyrrolosine alkaloidok szintézisét, amelyek mindegyike tartalmazza a 3A5AF szerkezetet.

3A5AF 3

proximicin A pyrrolosine

Kromogén (színképző) I és III: • A GlcNAc magas hőmérsékletű vízzel történő (katalizátor nélküli) kezelése főtermékként két Ntartalmú furán-származékot eredményez: N-(5-(1,2-dihidroxietil)-2-hidroxi-2,5-dihidrofuran-3il)acetamid (Kromogén I) és N-(5-(1,2-dihidroxietil)furán-3-il)acetamid (Kromogén III). A főtermékek hozama függ a hőmérséklettől és a reakcióidőtől is. A Kromogén I-re a legmagasabb hozamot 190 oC-on 20 s alatt, a Kromogén III-ra 220 oC-on 10-15 s alatt kapták. Hasonló körülmények között a kitin konverziója jelentősen alacsonyabb hozamot eredményezett mindkét Kromogén (I és III) esetében.

Kromogén I

Kromogén III

Javasolt reakció hálózatok az 5-HMF, LA, 3A5AF, kromogének I és III kitinből és kitozánból történő előállítására

Szerves savak: Levulinsav (LA)

• Az 5-hidroximetil-2-furfurol (5-HMF) előállítását gyakran kíséri levulinsav (LA) képződése, ez a gyakori melléktermék az 5-HMF rehidratációja során képződik. Általában minél mostohábbak a körülmények annál több 5-HMF alakul át levulinsavvá. Például, ha a kitint vagy a kitozánt mikrohullámmal 2M-os H2SO4 jelenlétében 190 oC-on 30 percig kezeljük már teljes az átalakulás (ilyen körülmények között az 5-HMF-LA átalakulás gyorsabb mint az 5-HMF képződése). • Glükózaminból (GlcNH2) kiindulva, SnCl4 katalizátor alkalmazásával 59.4%-os hozammal kapták a levulinsavat és 34.7% kitermelést értek el kitozánból kiindulva mikrohullámú besugárzással 220 oC-on. • Kitinből kiindulva: a) 4 tömeg%-os vizes H2SO4, 190 oC, 29% LA; b) 2M-os NaOH vízben, CuO katalizátor, O2 gáz (5 bár), 300 oC, 35 perc, 38% kitermeléssel ecetsav.

LA

2-Amino-2-dezoxi-D-glükonsav (GlcNA) • Ebitani és munkatársai kidolgoztak egy módszert α-aminosavak oxidatív szintézisére. Kitin és kitozán monomereket (GlcNAc és GlcNH2) szilárd hordozóhoz kötött arany nanorészecskék jelenlétében, vízben enyhe körülmények között reagáltatták. GlcNH2-ból főtermékként a 2-amino2-dezoxi-D-glükonsavat kapták, amelyet különböző aminosavak aszimmetrikus szintézisénél használnak, valamint orvosbiológiai alkalmazásai is lehetnek. • A GlcNA (GlcNH2-ből kiindulva) legmagasabb hozammal (93%) Au/MgO katalizátor jelenlétében, 40 oC-on, 3 órán át O2 áramlásban képződött. GlcNAc-ból kiindulva, azonos reakciókörülményeket alkalmazva, a GlcNA acilezett származéka (GlcNAcA) hasonló hozammal képződik.

Au/MgO

Amino-cukor-éterek: • Előkezelt (malomban őrölt) kitin hidrolízise: MeOH, 170 oC, 1 óra, 70%-os kitermeléssel 1-Ometil-N-acetil-D-glükózamin képződött, amely hasznos alapanyaga a biológiailag lebontható poliészter és poliamid gyártásnak. • A kitin alkoholízise: katalizátor: 8 tömeg%-os H2SO4, etilén-glikol, 165 oC, 1.5 óra. Fő termékek: hidroxi-etil-2-amino-2-dezoxihexopiranozid (HADP, 24%) és hidroxi-etil-2-acetamido-2dezoxihexopiranozid (HAADP, 15%). A kitin maradékoknál a dezacetileződés mértéke elhanyagolható volt, ami arra utal, hogy az acetil csoport hidrolízise a depolimerizáció után történik.

HADP

HAADP

Amin és amid poliolok: 2-Acetoamido-2-dezoxi-D-szorbitol (rNAG) és 2-acetoamido-hexán-1,4,5,6-tetraol (rDNAG) • A GlcNAc Ru/C (1 tömeg%) által katalizált hidrogénezése/hidrogenolízise (4 MPa H2, 1 óra, 80 oC) 97.7%-os hozammal adta a 2-acetoamido-2-dezoxi-D-szorbitolt. • A termékeloszlás nagymértékben függ a reakció-hőmérsékletétől. • A 120 oC-on, az rNAG hozama 66.2%-ra csökkent és mellette az rDNAG-t 5%-os kitermeléssel nyerték. A 210 oC-on végrehajtott reakció során csak 7.9% rNAG és 12,3% rDNAG képződött, illetve kisebb molekulákat, N-acetiletanolamint (NMEA, 8.7%) és bután-1,2,3,4-tetraolt (BTO, 4.1%) is izoláltak.

rNAG

rDNAG

Heterociklusos pirazinok

DOF

pirrol FZ

• Már az 1980-as években azonosítottak heterociklusos vegyületeket, mint például pirazinok, pirrolok és piridinek a kitin/kitozán pirolízis termékei között, de hozamok alacsonyak voltak, mivel a pirolízis nem szelektív. Nemrégiben kitinből és származékaiból jobb hozammal több heterociklusos vegyületet, mint például pirrol, dezoxifruktoszazin (DOF) és fruktoszazin (FZ), sikerült kinyerni. • A pirrol értékes építőköve biológiailag aktív molekuláknak és funkcionális anyagoknak. 2016-ban kezeletlen kitinből, 1 M-os NaOH-dal 325 oC-on 1 percig kezelve, 12%-os hozammal sikerült a pirrolt kinyerni.

• A DOF és a FZ polihidroxi-pirazin származékokat ízesítőszerekként alkalmazzák az élelmiszeriparban, és potenciális farmakológiai hatásokkal rendelkeznek. • A fruktoszazin (FZ) képződését GlcNH2 monomer kondenzációval először 1966-ban írták le.

• Később GlcNH2-ból kiindulva, lúgos közegben fenil-bórsav jelenlétében, jó szelektivitással kapták a dezoxifruktoszazint (DOF, 0.4 M-os NaOH, 2.5 ekv. fenil-ecetsav, 3 óra, rt, 58%). • Majd 1-Butil-3-metil-imidazolium-hidroxid/etanol oldószerben, 120 oC-on, 3 óra után a DOF kitermelése 35% és az FZ hozama 12% lett.