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《中国化工报》酶法工艺高效合成(R)-硫辛酸

  稿件来源: 中国化工报  |   作者:李闻芝  |  摄影:  |  编辑:媒体华理组  |  访问量:1456

记生物催化剂的快速定制改造及高效合成手性化学品关键技术项目

华东理工大学许建和教授团队完成的生物催化剂的快速定制改造及高效合成手性化学品关键技术项目,采用酶法工艺合成(R)-硫辛酸,反应步骤比传统化学合成减少一半,而产品收率增加一倍以上,经济效益和环保效益显著提升。该技术在日前召开的上海市2018年度科学技术奖励大会上获得技术发明奖一等奖。

提出创新性解决思路

(R)-硫辛酸是一种类似维他命的万能高效抗氧化剂,在预防和治疗心脏病、糖尿病及老年痴呆症中有广泛应用。但其关键中间体手性氯醇的化学合成条件十分苛刻,生产企业的安全和环保压力巨大,一直是制约市场推广应用的瓶颈。为了破解这一难题,许建和带领研发团队将目光锁定在羰基还原酶催化剂上,希望采用生物合成法替代传统的化学合成法,提高收率、减少“三废”排放。

“羰基还原酶是催化合成手性醇等高端化学品的重要工具,在药物合成领域具有独特优势,反应条件温和、立体选择性强。但其产业化应用却存在许多技术难题,包括工业催化用酶创制难、成功率低、工业生产中酶失活,以及酶促反应与化学转化工艺衔接难等。”许建和介绍说。

1996年,华东理工大学组建了国内最早的生物催化研究室,提出创新性解决思路:一是预先建立侦察用先导酶库,缩小目标酶的搜索范围;二是研制pH缓冲系统及设备,保障酶稳定性;三是构建两相介质系统,实现酶与化学工艺的衔接。

技术难关逐一攻克

天然酶基因数量巨大,动辄数以百万,从中筛选出一个高效、稳定的工业生物催化酶,无异于大海捞针。

项目团队通过梳理归纳基因进化树,聚类约简,从每3000条相似基因中挑选一名代表,经过常规分子克隆和发酵技术,制备出可代表300多万条功能未知基因的1214个先导酶,使目标酶基因的搜索范围缩小了3个数量级,提高了工业酶定制的效率和成功率。

许建和解释说:“先导酶分子就像是一个个潜伏在茫茫基因‘林海’中的前线‘侦察兵’,一旦与待测试的目标底物对上‘暗号’,即可引导基因搜索引擎将方向瞄准进化树上活性先导酶邻近的基因群落,再通过高通量筛选方法,快速锁定目标,提高目标生物催化剂从头设计开发的针对性和命中率。过去酶催化剂的开发周期长达1~2年,而现在我们只需要1~2周。在此基础上,针对野生型酶催化剂活力低、稳定性差的问题,我们解析了酶的结构和构效关系,发明了多目标并行的酶分子改造技术,将野生酶的催化效率提高960倍,稳定性提高1940倍。”

获得了高效的羰基还原酶,酶失活问题又摆在了课题组面前。大型反应器中局部过酸或过碱很容易造成酶失活,研发人员通过调节pH值、设计专用的碱液均布及喷雾装置等,开发了酶稳定化技术。项目团队还针对反应底物在水相中不稳定、频繁更换工作介质造成大量浪费和排污等情况,在酶促还原反应中引入后续步骤通用的溶剂,形成了甲苯—水两相酶催化介质体系,抑制了底物酮酯的自发水解,实现了酶反应与后续化学转化之间无缝对接,减少了溶剂损耗,提高了产品收率。

经过十几年艰难攻关,研发团队终于破解了一系列难题,实现了(R)-硫辛酸的酶法工业化生产。

经济环保效益明显

创新带来的是技术性能、经济指标以及环保效益的大幅提升。许建和给出一组数据:采用酶—化学偶联法新工艺,(R)-硫辛酸合成步骤从6步缩短为3步,底物上载量高达330g/L,时空产率达530g/L/d,产品光学纯度在99%以上。相较于传统的化学合成技术,新工艺产品收率从25%增加到55%,单位能源成本从85元降到45元,溶剂消耗从6千克减少到4千克,综合成本从每千克1100元降为800元,环境负荷从27千克减少到15千克。

优异的技术经济指标吸引了国内众多药企前来寻求合作。目前,羰基还原酶不对称合成手性醇的新工艺已在苏州富士莱医药有限公司、江西科苑生物药业有限公司、厦门欧米克生物科技有限公司等10多家企业推广应用。其中,苏州富士莱建成的10吨吸反应器规模工业生产线,可年产(R)-硫辛酸50吨、(R)-硫辛酸氨基丁三醇20;江西科苑也建成降脂药物阿托伐他汀手性中间体的酶法生产线。这两家企业近3年累计新增产值共计9.79亿元、利润1.82亿元。

“化工产业正在面临越来越严峻的市场环境,高端化学品的合成还有许多卡脖子的难题。酶是生物制造产业的核心‘芯片’,也是传统化工产业转型升级的一把利器。我们团队将在坚持源头创新的基础上,结合机器深度学习等智能计算方法,持续深耕,支持我国化工医药行业走向高端。”许建和表示。



  原文来源: 中国化工报  |  发表时间:2019-06-10  |  作者:李闻芝
  原文链接: http://www.ccin.com.cn/detail/bcd751393891ae32722e22d78efee3ac/news

发布日期:2019年06月12日10时44分
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