ผงกรดกลูโคนิก CAS 526-95-4

วิธีนี้ใช้การออกซิเดชันของจุลินทรีย์เพื่อสังเคราะห์กลูโคนิกาซิดาคโซลน์จากกลูโคส ซึ่งสามารถแบ่งออกเป็นการหมักเชื้อรา การหมักแบคทีเรีย การหมักเชื้อรา การหมักเซลล์แบบตรึง และการหมักด้วยเอนไซม์แบบตรึง ปัจจุบันมีการใช้การหมัก Aspergillus niger เซลล์ที่ถูกตรึงและเอนไซม์ที่ตรึงไว้อย่างกว้างขวาง เป็นวิธีการที่พัฒนาขึ้นในทศวรรษปี 1960 วิธีการตรึงเอนไซม์ (เซลล์) สามารถแบ่งออกคร่าวๆ ได้เป็นสี่ประเภท: วิธีการดูดซับ วิธีเชื่อมต่อโควาเลนต์ วิธีเชื่อมโยงข้าม- และวิธีการฝัง

วิธีการดูดซับ: การตรึงเอนไซม์ทำได้โดยอาศัยปฏิสัมพันธ์ของพันธะทุติยภูมิระหว่างพื้นผิวพาหะและพื้นผิวของเอนไซม์

วิธีการมีเพศสัมพันธ์แบบโควาเลนต์: เป็นการรวมกลุ่มสายโซ่ด้านข้างที่ใช้งานของเอนไซม์เข้ากับกลุ่มการทำงานของตัวพาผ่านพันธะโควาเลนต์ เพื่อให้บรรลุหน้าที่ในการตรึงเอนไซม์ วิธีการตรึงเอนไซม์นี้แสดงให้เห็นถึงความเสถียรที่ดีและเอื้อต่อการใช้เอนไซม์อย่างต่อเนื่อง

วิธีการเชื่อมโยงข้าม: หมายถึงการใช้รีเอเจนต์กลุ่มแบบสองฟังก์ชันหรือแบบมัลติฟังก์ชั่นเพื่อเชื่อมโยงข้ามและเชื่อมโยงโมเลกุลของเอนไซม์ ซึ่งสามารถปิดใช้งานได้ง่าย

วิธีการฝังประกอบด้วยการฝังกริด การฝังไมโครแคปซูล และการฝังไลโปโซม วิธีการฝังสามารถรับกิจกรรมของเอนไซม์ที่สูงขึ้นได้เนื่องจากตัวเอนไซม์เองไม่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาการจับทางเคมี อย่างไรก็ตาม การแพร่กระจายของเซลล์ที่ถูกตรึงและเอนไซม์ที่ถูกตรึงนั้นมีจำกัด ดังนั้นการใช้ออกซิเจนจึงมีมาก และการปรับปรุงอัตราการถ่ายโอนออกซิเจนจึงเป็นปัญหาใหญ่

ดังนั้นการออกแบบและการสังเคราะห์วัสดุการตรึงเอนไซม์แบบใหม่ที่มีประสิทธิภาพดีเยี่ยมและการพัฒนาวิธีการตรึงที่ง่ายและใช้งานได้จริงจึงเป็นหนึ่งในจุดสนใจของการวิจัยเอนไซม์ที่ถูกตรึงในปัจจุบัน ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ได้มีการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพเพื่อผลิตกลูโคนิกาซิดาคโซลน์ วิธีนี้ใช้เมมเบรนเพื่อกรองกรดของผลิตภัณฑ์ที่ทำปฏิกิริยา และถ่ายโอนกรดจากสารละลายของปฏิกิริยาได้ทันเวลา ซึ่งช่วยลดการยับยั้งของผลิตภัณฑ์ที่ทำปฏิกิริยา (กรด) ต่อตัวเร่งปฏิกิริยา (แบคทีเรีย) เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการแบบเดิม การรีไซเคิลแบคทีเรียจะเพิ่มปริมาณแบคทีเรีย ซึ่งจะทำให้ผลผลิตเพิ่มขึ้น

ปัจจุบันประเทศส่วนใหญ่ของเราใช้การหมักเพื่อผลิตแคลเซียมกลูโคเนต จากนั้นใช้แคลเซียมกลูโคเนตเพื่อสังเคราะห์กลูโคนิกาซิดาคโซลน์ผ่านการแลกเปลี่ยนไอออน การระเหยและการทำให้เข้มข้น และการตกผลึก

วิธีการหมักทางชีวภาพต้องใช้กระบวนการหลายอย่าง เช่น การเพาะเลี้ยง การคัดกรองและการฆ่าเชื้อ และมีข้อกำหนดที่เข้มงวดเกี่ยวกับอุณหภูมิ ผลพลอยได้หลายอย่าง-จากผลิตภัณฑ์ และรอบการทำงานที่ยาวนาน นอกจากนี้ ความบริสุทธิ์ของผลิตภัณฑ์กลูโคนิกาซิดาคโซลน์ยังได้รับผลกระทบเนื่องจากการเติมสิ่งเจือปน เช่น เซลล์ในระหว่างการผลิตกลูโคนิกาซิดาคโซลน์ ดังนั้นการพัฒนาจึงจำเป็นต้องแก้ไขปัญหาทางเทคนิคมากมายอย่างเร่งด่วน

กลไกการเกิดออกซิเดชันทางเคมีที่เป็นเนื้อเดียวกันมีสองกลไก: กลไกหนึ่งคือการจำกัดความสามารถในการออกซิเดชันของสารออกซิไดซ์ (เช่น โซเดียมไฮโปคลอไรต์และไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์) โดยการปรับสภาวะของปฏิกิริยาให้เป็นสภาวะด่างเข้มข้น เพื่อที่จะออกซิไดซ์กลุ่มอัลดีไฮด์ของกลูโคสให้เป็นหมู่คาร์บอกซิล ประการที่สองคือกลไก Cannizarro ที่เสนอโดย Ashida และคณะ สำหรับการแปลงกลูโคสเป็นกลูโคนิกาซิดาคโซลน์เมื่อเติมตัวรับไอออนไฮโดรเจน (คีโตน อัลคีน และออกซิเจนบางชนิดเป็นตัวรับไอออนไฮโดรเจนที่เหมาะสมเมื่อมี Raney Ni) ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์และโซเดียมไฮโปคลอไรต์ถูกใช้เป็นสารออกซิแดนท์ตามลำดับ และผลผลิตคือ 70% และ 90% ตามลำดับ การทดสอบนำร่องทางอุตสาหกรรมเกิดขึ้นจริง

อย่างไรก็ตาม วิธีการออกซิเดชันทางเคมีที่เป็นเนื้อเดียวกันจำเป็นต้องควบคุมปริมาณส่วนประกอบออกฤทธิ์ของตัวเร่งปฏิกิริยาในสารละลายปฏิกิริยาอย่างเข้มงวด ซึ่งขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและค่า pH ของสารละลาย มีขั้นตอนกลางหลายขั้นตอน หลายขั้นตอนเป็นผลพลอยได้- และเป็นการยากที่จะแยกผลิตภัณฑ์ออกจากกัน นอกจากนี้เกลือที่ใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยานั้นยากต่อการสร้างใหม่และให้ผลผลิตต่ำ เวลาตอบสนองยาวนานและสิ่งแวดล้อมมีมลพิษร้ายแรง

ในแง่ของวิธีการอิเล็กโทรไลซิส การสังเคราะห์กลูโคนิกาซิดาคโซลน์โดยปฏิกิริยาออกซิเดชันด้วยไฟฟ้าสามารถแบ่งออกเป็นการสังเคราะห์ด้วยไฟฟ้าโดยตรง การสังเคราะห์ด้วยไฟฟ้าทางอ้อม และการสังเคราะห์ "อิเล็กโทรไลซิสคู่" ในวิธีนี้ สารละลายกลูโคสจำนวนหนึ่งจะถูกเติมเข้าไปในเซลล์อิเล็กโทรไลต์ จากนั้นจึงเติมอิเล็กโทรไลต์ที่เหมาะสม กลูโคสจะถูกอิเล็กโทรไลต์และออกซิไดซ์ภายใต้อุณหภูมิ แรงดันไฟฟ้า และความหนาแน่นกระแสคงที่ที่กำหนด หลักการของปฏิกิริยาคือการได้รับ "ตัวกลางออกซิเดชัน" ที่เหมาะสมโดยอิเล็กโทรไลซิส จากนั้นใช้ "ตัวกลางออกซิเดชัน" นี้เพื่อออกซิไดซ์กลูโคสเพื่อสร้างกลูโคนิกาซิดาคโซลน์

ตัวอย่างเช่น วิธีการสังเคราะห์ด้วยไฟฟ้าทางอ้อมคือการใช้ตัวกลางในสถานะรีดิวซ์เพื่อสร้างตัวกลางในสถานะออกซิเดชันที่ขั้วบวก กลูโคสทำปฏิกิริยากับตัวกลางที่สร้างขึ้นในสถานะออกซิเดชันเพื่อสร้างกลูโคนิกาซิดาคโซลน์ และอาหารจะกลับสู่สถานะรีดิวซ์ดั้งเดิม ทั้งการสังเคราะห์ด้วยไฟฟ้าโดยตรงและการสังเคราะห์ด้วยไฟฟ้าโดยอ้อมจะทำปฏิกิริยาในบริเวณขั้วบวก ในขณะที่วิธี "การสังเคราะห์ด้วยไฟฟ้าแบบจับคู่" จะทำปฏิกิริยาทั้งในบริเวณแคโทดและขั้วบวกในเวลาเดียวกัน ดังนั้นประสิทธิภาพด้วยไฟฟ้าจึงค่อนข้างสูง

ออกซิเดชันด้วยไฟฟ้าของ gluconicacidaqsoln ได้ถูกนำไปใช้ในอุตสาหกรรมในต่างประเทศ แต่ยังอยู่ในขั้นตอนการทดลองที่บ้าน รูทีเนียมชุบไทเทเนียมเป็นอิเล็กโทรดทำงาน ความหนาแน่นกระแสคือ 0.18A/m ความเข้มข้นของกลูโคสคือ 0.02 โมล/ลิตร อุณหภูมิของปฏิกิริยาคือ 50 องศา และความเข้มข้นปานกลางคือ 0.2 โมล/ลิตร

ภายใต้เงื่อนไขนี้ ประสิทธิภาพในปัจจุบัน (การใช้พลังงานตามทฤษฎีต่อหน่วยโมลของกลูโคนิกาซิดาคโซลน์ที่สร้างขึ้น/การใช้พลังงานจริงต่อหน่วยโมลของกลูโคนิกาซิดาคโซลน์ที่สร้างขึ้น) สามารถเข้าถึง 76.50% และข้อมูลของการทดสอบแบบขนานนั้นดี ซึ่งคาดว่าจะได้รับการทดสอบนำร่องทางอุตสาหกรรม แม้ว่าวิธีการออกซิเดชันทางเคมีไฟฟ้าจะเอาชนะข้อเสียของวิธีการหมักทางชีวภาพและวิธีออกซิเดชันทางเคมีที่เป็นเนื้อเดียวกัน เช่น ผลพลอยได้จาก-ผลิตภัณฑ์และกระบวนการต่างๆ มากมาย แต่ก็ใช้พลังงานจำนวนมากในการผลิตทางอุตสาหกรรม และสภาวะต่างๆ นั้นควบคุมได้ยาก ดังนั้นจึงไม่ค่อยมีการใช้ในการผลิตทางอุตสาหกรรม

การเตรียมกลูโคนิกาซิดาคโซลน์โดยปฏิกิริยาออกซิเดชันของตัวเร่งปฏิกิริยาต่างกันคือการออกซิไดซ์กลูโคสให้เป็นกรดโดยการเติมตัวเร่งปฏิกิริยาเฟสของแข็งของโลหะที่รองรับลงในสารละลายกลูโคสเหลว จากนั้นใช้ O เป็นสารออกซิแดนท์

ปัจจุบันการวิจัยในประเทศยังอยู่ในขั้นตอนห้องปฏิบัติการ การศึกษาบางชิ้นแนะนำเส้นทางการสังเคราะห์และการไหลของกระบวนการของตัวเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันของกลูโคนิกาซิดาคโซลน์ จากการวิเคราะห์ผลการทดสอบ ได้ทำการศึกษานำร่องของผลิตภัณฑ์ Pd ที่ศึกษา ผลลัพธ์ของตัวเร่งปฏิกิริยา Co/C, XPS และ BET แสดงให้เห็นว่าการเติม c0 จะเปลี่ยนโครงสร้างของตัวเร่งปฏิกิริยาและเป็นประโยชน์ต่อการลดลงของ Pd ซึ่งจะช่วยปรับปรุงการแปลงและการเลือกสรรของปฏิกิริยา (การแปลงกลูโคสสูงถึง 92% และความสามารถในการคัดเลือกของตัวเร่งปฏิกิริยาคือ 94%)

วิธีการออกซิเดชันของตัวเร่งปฏิกิริยาที่ต่างกันสามารถสังเคราะห์ได้ผงกรดกลูโคนิกในขั้นตอนเดียว และสภาวะของปฏิกิริยาไม่รุนแรง (ความดันบรรยากาศ ใกล้กับอุณหภูมิห้อง) ผลผลิตสูง ผลพลอยได้-มีน้อย ผลิตภัณฑ์แยกได้ง่าย และตัวเร่งปฏิกิริยาสามารถรีไซเคิลได้ เป็นวิธีการที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมในการสังเคราะห์กลูโคนิกาซิดาคโซลน์ อย่างไรก็ตาม การศึกษาความเสถียรของตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะ Pd ยังคงต้องใช้เวลาพอสมควรเพื่อให้ได้วิธีแก้ปัญหาที่ดี แม้ว่าตัวเร่งปฏิกิริยา Au จะชดเชยข้อบกพร่องของตัวเร่งปฏิกิริยา Pd แต่ก็ยังต้องมีการวิจัยเพื่อใช้ในอุตสาหกรรม