אבקת חומצה גלוקונית CAS 526-95-4

שיטה זו משתמשת בחמצון של מיקרואורגניזמים כדי לסנתז גלוקוניקאצידאקסולן מגלוקוז, אותו ניתן לחלק לתסיסה פטרייתית, תסיסה חיידקית, תסיסה פטרייתית, תסיסה של תאים מקובעים ותסיסת אנזים משותק. נכון לעכשיו, נעשה שימוש נרחב בתסיסה של אספרגילוס ניז'ר, תאים משופעים ואנזימים משותקים. זוהי שיטה שפותחה בשנות ה-60. ניתן לחלק באופן גס את שיטות האימוביליזציה של אנזימים (תאים) לארבעה סוגים: שיטת ספיחה, שיטת צימוד קוולנטי, שיטת קישור צולב- ושיטת הטבעה.

שיטת ספיחה: אימוביליזציה של האנזים מושגת באמצעות אינטראקציה של קשרים משניים בין משטח הנשא למשטח האנזים.

שיטת צימוד קוולנטי: היא משלבת את קבוצת השרשרת הצדדית הפעילה של האנזים עם הקבוצה הפונקציונלית של הנשא באמצעות קשרים קוולנטיים, על מנת להשיג את הפונקציה של השבתת האנזים. שיטה זו של קיבוע האנזים מראה יציבות טובה, ותורמת לשימוש מתמשך באנזים.

שיטת קישור צולב: היא מתייחסת לשימוש בריאגנטים קבוצתיים דו-פונקציונליים או רב-תכליתיים כדי להצליב ולגשר על מולקולות אנזים, שקל לנטרל.

שיטות ההטבעה כוללות הטבעת רשת, הטבעת מיקרו-מובלעת והטבעת ליפוזומים. שיטת ההטבעה יכולה להשיג פעילות אנזים גבוהה יותר מכיוון שהאנזים עצמו אינו משתתף בתגובת הקישור הכימית; עם זאת, הדיפוזיה של תאים מקובעים ואנזימים מקובעים מוגבלת, ולכן צריכת החמצן היא עצומה, והשיפור בקצב העברת החמצן מהווה בעיה גדולה.

לכן, התכנון והסינתזה של חומרים חדשים לקיבוע אנזימים עם ביצועים מצוינים ופיתוח שיטות אימוביליזציה פשוטות ומעשיות הם אחד המוקדים של חקר אנזימים משוקעים כיום. בשנים האחרונות פותחה גם ביו-קטליזה להפקת גלוקוניקאצידאקסולן. שיטה זו משתמשת בממברנות כדי לסנן את חומצת תוצר התגובה, ומעבירה את החומצה מתמיסת התגובה בזמן, ומפחיתה את העיכוב של תוצר התגובה (חומצה) על זרז (חיידקים). בהשוואה לשיטות מסורתיות, מיחזור חיידקים מגדיל את תכולת החיידקים ובכך מגדיל את התפוקה.

כיום, רוב ארצנו משתמשת בתסיסה לייצור סידן גלוקונאט, ולאחר מכן משתמשת בסידן גלוקונאט לסינתזה של גלוקוניקאצידאקסולן באמצעות חילופי יונים, אידוי וריכוז והתגבשות.

שיטת התסיסה הביולוגית דורשת תהליכים רבים כגון תרבית, הקרנה ועיקור, ויש לה דרישות קפדניות לגבי טמפרטורה, תוצרי לוואי רבים ומחזור ארוך. בנוסף, הטוהר של מוצרי gluconicacidaqsoln מושפע עקב הוספת זיהומים כמו תאים במהלך ייצור gluconicacidaqsoln, ולכן הפיתוח שלו צריך בדחיפות לפתור בעיות טכניות רבות.

ישנם שני מנגנונים של חמצון כימי הומוגנית: האחד הוא הגבלת יכולת החמצון של חומרים מחמצנים (כגון נתרן היפוכלוריט ומי חמצן) על ידי התאמת תנאי התגובה לתנאים אלקליים חזקים, כדי לחמצן את קבוצת האלדהיד של גלוקוז לקבוצת קרבוקסיל; השני הוא מנגנון Cannizarro שהוצע על ידי Ashida et al. להמרה של גלוקוז ל- gluconicacidaqsoln בעת הוספת מקבלי יוני מימן (כמה קטונים, אלקנים וחמצן הם קולטי יוני מימן מתאימים בנוכחות Raney Ni). מי חמצן ונתרן היפוכלוריט שימשו כמחמצנים בהתאמה, והתשואות היו 70% ו-90%, בהתאמה. מבחן הפיילוט התעשייתי התממש.

עם זאת, שיטת החמצון הכימי ההומוגנית צריכה לשלוט בקפדנות על התוכן של הרכיבים הפעילים של הזרז בתמיסת התגובה, התלויה בטמפרטורה ובערך ה-pH של התמיסה. ישנם שלבי ביניים רבים, רבים-מוצרי לוואי, וקשה להפריד בין המוצרים. יתרה מכך, קשה לחדש את המלח המשמש כזרז, והתשואה נמוכה. זמן התגובה ארוך והסביבה מזוהמת קשות.

מבחינת שיטות אלקטרוליזה, ניתן לחלק את הסינתזה של gluconicacidaqsoln על ידי חמצון אלקטרוליטי לסינתזה אלקטרוליטית ישירה, סינתזה אלקטרוליטית עקיפה וסינתזה של "אלקטרוליזה זוגית". בשיטה זו מוסיפים כמות מסוימת של תמיסת גלוקוז לתא האלקטרוליטי ולאחר מכן מוסיפים אלקטרוליט מתאים. הגלוקוז עובר אלקטרוליזה ומחומצן תחת טמפרטורה, מתח וצפיפות זרם קבועה מסוימים. עקרון התגובה הוא להשיג "מדיום חמצון" מתאים על ידי אלקטרוליזה, ולאחר מכן להשתמש ב"מדיום חמצון" זה כדי לחמצן גלוקוז ליצירת gluconicacidaqsoln.

לדוגמה, שיטת הסינתזה האלקטרוליטית העקיפה היא להשתמש במדיום במצב מופחת כדי ליצור את המדיום במצב חמצון באנודה. הגלוקוז מגיב עם המדיום שנוצר במצב חמצון ליצירת gluconicacidaqsoln, והמדיום חוזר למצב המופחת המקורי. גם סינתזה אלקטרוליטית ישירה וגם סינתזה אלקטרוליטית עקיפה מגיבים באזור האנודה, בעוד ששיטת "סינתזה אלקטרוליטית זוגית" מגיבה בו-זמנית גם באזור הקתודה וגם באזור האנודה, כך שהיעילות האלקטרוליטית גבוהה יחסית.

החמצון האלקטרוליטי של gluconicacidaqsoln תועש בחו"ל, אך הוא עדיין בשלב הניסוי בבית. רותניום מצופה על טיטניום כאלקטרודת העבודה. צפיפות הזרם היא 0.18A/m, ריכוז הגלוקוז הוא 0.02 מול/ליטר, טמפרטורת התגובה היא 50 מעלות, והריכוז הבינוני הוא 0.2 מול/ליטר.

בתנאי זה, היעילות הנוכחית (צריכת חשמל תיאורטית ליחידת מול של גלוקוניקסידקסולן / צריכת חשמל בפועל ליחידת מול של גלוקוניקסידקסולן שנוצרה) יכולה להגיע ל-76.50%, והנתונים של בדיקה מקבילה טובים, מה שצפוי לממש מבחן פיילוט תעשייתי. למרות ששיטת החמצון האלקטרוכימי מתגברת על החסרונות של שיטת התסיסה הביולוגית ושיטת החמצון הכימית ההומוגנית, כמו רבים-תוצרי לוואי ותהליכים, היא צורכת אנרגיה רבה בייצור תעשייתי, והתנאים קשים לשליטה, ולכן משתמשים בה לעתים רחוקות בייצור תעשייתי.

ההכנה של gluconicacidaqsoln על ידי חמצון קטליטי הטרוגני היא לחמצן גלוקוז לחומצה על ידי הוספת זרז פאזה מוצק של מתכת נתמכת לתמיסת הגלוקוז הנוזלית, ולאחר מכן שימוש ב-O כמחמצן.

נכון לעכשיו, המחקר המקומי עדיין בשלב המעבדה. כמה מחקרים הציגו את מסלול הסינתזה ואת זרימת התהליך של חמצון קטליטי של gluconicacidaqsoln. בהתבסס על ניתוח תוצאות הבדיקה, בוצע מחקר פיילוט של המוצר. מחקר Pd תוצאות ה-Co/C catalyst, XPS ו-BET מראות שהוספת c0 משנה את מבנה הזרז ומועילה להפחתת Pd, ובכך משפרת את ההמרה והסלקטיביות של התגובה (המרה של גלוקוז מגיעה ל-92% והסלקטיביות של הזרז היא 94%).

שיטת החמצון הקטליטי ההטרוגני יכולה לסנתזאבקת חומצה גלוקוניתבשלב אחד בלבד, ותנאי התגובה מתונים (לחץ אטמוספרי, קרוב לטמפרטורת החדר), התשואה גבוהה, תוצרי הלוואי- מועטים, קל להפריד את המוצר וניתן למחזר את הזרז. זוהי שיטה ידידותית לסביבה לסנתז gluconicacidaqsoln. עם זאת, מחקר היציבות של זרז מתכת Pd עדיין צריך קצת זמן כדי לקבל פתרון טוב. למרות ש-Au catalyst מפצה על החסרונות של זרז Pd, הוא עדיין זקוק לכמה מחקרים ליישום תעשייתי.