آدیپیک اسید طرحی مناسب جهت تولید مواد زیست‌ توده در یک اقتصاد زیست‌ پایه

به گزارش زیست آنلاین، در یک اقتصاد زیست‌پایه از زیست‌توده به عنوان ماده خام برای تولید سوخت‌ها، مواد شیمیایی، دیگر مواد و حامل‌های انرژی استفاده می‌شود. مقدار تولید این ماده در جهان حدود سه میلیون تن بر سال بوده است و بازاری در حدود شش میلیارد دلار را به خود اختصاص می‌دهد، به طوری که رشد سالانه سه الی پنج درصدی دارد. بیشتر آدیپیک اسید در صنعت نایلون به کار می‌رود و مقادیر کمتری نیز برای تولید پلاستیسایزرها و پلی‌یورتان‌ها استفاده می‌شود؛ اما کاربردهای دیگری نیز در صنایع غذایی و دارویی دارد.
از نظر تاریخی آدیپیک اسید از اکسیداسیون چربی‌های مختلف به دست می‌آمده است. روش کنونی مبتنی بر پیش‌سازهای پتروشیمیایی است و رایج‌ترین روش از ترکیب سمی بنزن آغاز می‌گردد. در یک سری واکنش‌های متوالی، ابتدا بنزن به سیکلوهگزان احیاء می‌شود که سپس به روغن KA (روغن کتون- الکل، ترکیبی از کتون سیکلوهگزان و الکل سیکلوهگزان) اکسید می‌شود. در نهایت روغن KA با نیتریک اسید و هوا واکنش داده تا آدیپیک اسید تولید شود. در طی این واکنش آخر، گاز گلخانه‌ای نیتروزاکسید (N۲O) تشکیل می‌گردد که اثر آن ۳۰۰ بار بیشتر از کربن‌دی‌اکسید است. تخمین زده می‌شود که فرایند مبتنی بر روش‌های پتروشیمیایی حاضر با روشی که از پیش‌سازهای تجدیدپذیر استفاده می‌کند بسته به فرایند مورد استفاده، منجر به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای تا ۹۵ درصد خواهد شد.

ساختار شیمیایی آدیپیک اسید

در یک اقتصاد زیستی ماده خام مورد استفاده باید به صورت پایدار تولید شود. در سال‌های اخیر، بر روی استفاده از مواد لیگنوسلولزی مانند پسماندهای کشاورزی و جنگل‌داری تمرکز شده که با تولید غذا در رقابت نیستند. مواد لیگنوسلولزی متشکل از پلیمرهای سلولز، همی‌سلولز و لیگنین هستند. سلولز و همی‌سلولز می‌توانند هیدرولیز شوند که از این طریق یک طرح قندی حاصل شده و از آن محصولات دلخواه می‌توانند تولید شوند. لیگنین به دلیل ماهیت سخت و غیرهمگن به شکل معمول در پالایشگاه‌های زیستی به عنوان یک ماده زائد در نظرگرفته شده که معمولاً برای تولید انرژی سوزانده می‌شود.
ایجاد ارزش از لیگنین می‌تواند نقشی کلیدی در تداوم برخی از فرایندهای زیست‌پایه ایفا کند. لیگنین پلیمری متشکل از واحدهای آروماتیک است و به عنوان یک ماده خام جهت تولید زیستی موکونیک اسید مورد بررسی قرار گرفته است، که خود می‌تواند به آدیپیک اسید تبدیل شود. مواد خام زیست‌پایه جایگزین ممکن است از لیپیدهایی مانند روغن پالم مشتق شوند، با این وجود اگر منابع حاصل از چربی در تولید غذا و خوراک نیز کاربردهایی داشته باشند، ممکن است تضادهایی به وجود آید.

بیشتر بخوانید: مزایای ذاتی انرژی زیست توده تولید زیست‌پایه آدیپیک اسید در حال حاضر توسعه یافته است و سه مسیر تولیدی در حال بروز هستند: ۱. فرایندهای شیمیایی ۲. تخمیر غیرمستقیم همراه با تبدیل شیمیایی ۳. تخمیر مستقیم. در مورد اول شرکت Rennovia آدیپیک اسید زیست‌پایه را از طریق یک فرایند شیمیایی- کاتالیستی با استفاده از گلوکز به عنوان ماده خام تولید کرده است. در طی این فرایند غیر زیست‌فناورانه، گلوکز ابتدا به صورت هوازی به گلوکاریک اسید اکسید می‌شود، پس از آن گلوکاریک اسید برای تولید آدیپیک اسید تحت فرایند هیدروداکسیژناسیون قرار می‌گیرد. گرچه این فرایند به مقیاس تولید آزمایشگاهی رسید، مخلوطی از ترکیبات حاصل شد و بازده به دست آمده حدود ۶۰ درصد بود. در رابطه با مورد دوم یعنی تخمیر غیرمستقیم، پیش‌سازهای موکونیک اسید یا گلوکاریک اسید تولید می‌شوند که سپس برای تشکیل آدیپیک اسید تحت دهیدروژناسیون شیمیایی قرار می‌گیرند. در سومین نوع فرایند، یعنی تخمیر مستقیم، مواد خوام مستقیماً با استفاده از میکروب‌ها (میزبان تولیدکننده) به آدیپیک اسید تبدیل می‌شوند. چنین فرایندی توسط شرکت Verdezyne مورد استفاده قرار می‌گیرد که از یک گونه مخمر اصلاح ژنتیکی شده برای تبدیل اسیدهای چرب مانند روغن نارگیل به آدیپیک اسید بهره برد.

کاربرد آدیپیک اسید

توسعه بیشتر برای تولید آدیپیک اسید با استفاده از مواد خام ارزان‌تر به شدت احساس می‌شود، به خصوص وقتی بدانیم دو شرکت Verdezyne و Rennovia فرایندهای تولید خود را متوقف کرده‌اند و از مسیر تولید خارج گشته‌اند. با اینکه مسیرهای زیادی برای تولید آدیپیک اسید از طریق تخمیر مستقیم قندها معرفی و آزمایش شده‌اند، مشخص گردیده که از نظر تیتر و بازده مورد انتظار برای یک فرایند صنعتی موفقیت کمتری داشته‌اند. با این حال پتانسیل تولید آدیپیک اسید مبتنی بر قند قابل توجه است به طوری که بازده تئوری بیشینه چندین مسیر معرفی شده و فراوانی مواد خام مبتنی بر کربوهیدرات را یادآوری می‌کند. برای دستیابی به یک راهنما جهت انتخاب مسیر متابولیکی مناسب به منظور تولید آدیپیک اسید یک تجزیه و تحلیل عمیق نسبت به مسیرهای متابولیکی مختلف ممکن می‌تواند سودمند باشد. نه تنها مسیرهای متابولیکی ممکن اهمیت دارند بلکه انتخاب مواد خام و میزبان تولید کننده نیز مهم است.
از نظر تاریخی میزبان‌هایی نظیر باکتری‌های طبیعی و نوترکیب، مخمرها و قارچ‌های فیلامنتوس معرفی شده و برای تولید ترکیبات مختلف توسعه داده شده‌اند. با این حال هیچ تولید کننده طبیعی برای تولید آدیپیک اسید موجود نبوده و از این رو تولیدکننده‌های نوترکیب باید توسعه داده شوند. مقاومت ذاتی و مهندسی شده مخمرها به مهارکننده‌های حاصل از مواد لیگنوسلولزی آن‌ها را تبدیل به میزبان‌های جذاب برای فرایندهای مبتنی بر مواد لیگنوسلولزی می‌کند. به علاوه تولید اسیدها فرایندهای پایین‌دستی پرهزینه را پیچیده‌تر می‌کند. یافته‌های اخیر نشان می‌دهد که مخمرها بر خلاف باکتری‌ها، سطوح تولید صنعتی آدیپیک اسید را تحت شرایط اسیدی تحمل می‌کنند که خود نشان می‌دهد مخمرها ممکن است انتخاب جذابی برای تولید زیست‌پایه آدیپیک اسید باشند.
تحمل مذکور ممکن است ناشی از این موضوع باشد که درون مخمرها بر خلاف باکتری‌ها اجزایی احاطه شده با غشاء موجود است (compartments) که ممکن است انتقال بین بخش‌ها را در مخمر محدود کند. از طرفی با وجود تحمل پایین‌تر شرایط اسیدی، باکتری‌هایی وجود دارند که قادر به تولید تیترهای بالای سوکسینیک اسید هستند. میزبان جذاب دیگر می‌تواند قارچ R. arrhizus باشد که در حال حاضر تیترهای بالای فوماریک اسید را تولید می‌کند. این میزبان‌ها می‌توانند به مسیرهای تجزیه‌ای معکوس مجهز شوند، به طوری که تیترهای بالای سوکسینیک و فوماریک اسید به سمت آدیپیک اسید روانه شوند. این میزبان‌ها مقادیر بالاتر تیتر سوکسینیک اسید و فوماریک اسید تولید می‌کنند و بنابراین می‌توانند میزبان‌های بالقوه بسیار مناسب باشند. تا کنون هیچ تولید کننده طبیعی برای آدیپیک اسید یافت نشده است و بنابراین به نظر می‌رسد که مهندسی یک تولید کننده نوترکیب برای تولید آن ضروری باشد.
با فرض گلوکز به عنوان متابولیت آغازکننده تولید، حداقل هشت مسیر متابولیکی مستقیم و غیرمستقیم برای تولید آدیپیک اسید وجود دارد. بسیاری از مسیرها بخش‌های مشترک قابل توجهی دارند و مسیرهای پیشنهاد شده به شکل خاصی متشکل از ترکیبی از واکنش‌های متابولیکی اساسی (بسته به میزبان) هستند و دیگر مراحل که باید به صورت هترولوگ گنجانده شوند. بنابراین در هنگام انتخاب مسیر متابولیکی جهت مهندسی فرد باید مسیرهای متابولیکی اساسی میزبان تولیدی را در نظر بگیرد.
استفاده از قندها یا مشتقات لیگنین به عنوان سوبسترا با موفقیت منجر به تولید غیرمستقیم آدیپیک اسید از گلوکاریک اسید شده است. با این حال هر دو نیازمند هوادهی به عنوان یک فرایند پردازش شیمیایی پایین‌دستی بعد از تولید زیستی برای رسیدن به آدیپیک اسید هستند. این امر جذابیت کمی دارد، زیرا مراحل اضافی هزینه تولید را افزایش می‌دهد. مسیر ۲- اگزوپیملیک و مسیر تجزیه معکوس برای تولید مستقیم آدیپیک اسید از گلوکز، به صورت کارامد ثابت شده‌اند. با این حال تیتر، نرخ‌های تولید و بازده‌های گزارش شده برای هر دو مورد هنوز از مقدار صنعتی مورد انتظار بسیار فاصله دارند. دیگر مسیرهای مستقیم شناخته شده هنوز تئوری هستند و قابلیت آنها هنوز به اثبات نرسیده است.
منبع: زیست فن

https://zistonline.com/vdccp0qm.2bqo48laa2.html