Chemie versus bacterie, # 36. Amoxicilline, de fabriek

In 1972, bijna 10 jaar na Ampicilline, verschijnt Amoxicilline op de markt. Om nooit weer te verdwijnen, zo lijkt het wel. Beide producten komen uit de laboratoria van het Engelse Beecham (nu onderdeel van GSK). Van alle eindproducten afgeleid van penicilline is Amox met ruim 1 miljoen ton (cumulatief tot 2020) verreweg het grootst en meest succesvol. Pen G is met ruim 2 miljoen ton (cumulatief) weliswaar nog groter; maar bijna alle Pen G wordt nu toegepast als grondstof voor de semisynthetische pen’s en cef’s.

Project ‘100 jaar antibiotica’
Aflevering 34. De glorietijd 1960-1980
Aflevering 35. Ampicilline, de fabriek
Aflevering 36. Amoxicilline, de fabriek
Aflevering 37. Cefalosporines, de fabriek
Aflevering 38. 1980-2000, nieuwe successen of toch niet?

fenylglycine, hydroxyfenylglycine
Linksdraaiend fenylglycine en linksdraaiend p-hydroxyfenylglycine

Opnieuw: suiker en olie

De fabrieksmatige productie van Amox lijkt sterk op die van Ampi. We vervangen opnieuw de zijketen van het natuurlijke Pen G door een synthetische variant. De zijketens lijken ook erg op elkaar: fenylglycine voor Ampi en para-hydroxyfenylglycine voor Amox. Ook de industriële processen zijn vergelijkbaar. De petrochemie levert weer de grondstoffen. De start is met fenol in plaats van tolueen. Verder is glyoxylzuur nodig; dat krijgen we door oxidatie van maleïnezuur (ontstaan uit oxidatie van benzeen, butaan of buteen). De meest efficiënte synthese voor glyoxylzuur is ontwikkeld door Chemie Linz in Oostenrijk. We hebben ook weer ammoniak nodig of een afgeleide daarvan. Combinatie van fenol, glyoxylzuur en ammoniak geeft para-hydroxyfenylglycine. Net als bij fenylglycine krijgen we dit als een 50/50 mengsel van de links- en de rechtsdraaiende vorm. Splitsing van dit mengsel lijkt op die bij fenylglycine. Koppeling van de linksdraaiende vorm met de penicillinekern tot Amox laat weer veel parallellen zien met de synthese van Ampi.

Procesintegratie

Nadat Chemie Linz door DSM is overgenomen, is vanaf 1990 de Nederlandse positie voor Amox erg vergelijkbaar met die van Ampi:
– Suiker of melasse uit de suikerfabrieken in Noord Brabant en Groningen
– Aanmaak van de schimmelcultures en de fermentatie tot Penicilline G in de installaties van Gist-Brocades in Delft
– Omzetting naar 6 APA in een afzonderlijke fabriek bij Gist-Brocades in Delft
– Tolueen, benzeen en butaan uit de olieraffinaderijen in de Rijnmond
– Omzetting van tolueen in fenol bij Synres in Hoek van Holland
– Fabriek voor ammoniak bij DSM in Geleen
– Oxidatie van buteen naar maleïnezuur bij Chemie Linz in Oostenrijk
– Ozonolyse van maleïnezuur tot glyoxylzuur bij Chemie Linz in Oostenrijk
– Combinatie van fenol, glyoxylzuur en ammonia tot para-hydroxyfenylglycine bij (Océ) Andeno in Venlo
– Scheiding van de spiegelbeelden van p-hydroxyfenylglycine bij (Océ) Andeno in Venlo
– Voorbereiding van het linkse p-hydroxyfenylglycine op koppeling (met 6 APA) bij Andeno in Venlo
– Koppeling van 6 APA en p-hydroxyfenylglycine tot Amoxicilline (o.a. bij DSM Deretil in Spanje)

Procesverbetering
Procesverbeteringen over een periode van 25 jaar hebben de kosten van de belangrijkste penicillines met een factor 10 teruggebracht. De prijs is geen obstakel meer voor toepassing van levensreddende penicillines.

Door de continue wereldwijde groei van Amox kunnen de processen voortdurend worden verbeterd; daardoor wordt ook de concurrentiepositie beter. De sleutelgrondstoffen blijven fenol, glyoxylzuur en een afgeleide van ammoniak (salmiak, ureum, sulfaminezuur). In 1975 gaat bij de reacties naar Amox nog bijna de helft van de gebruikte Pen G (de duurste grondstof) verloren – hij verdwijnt als afval in riool of afvalwaterzuivering. In 2005 is dat minder dan 10%. Voor glyoxylzuur, de op één na duurste grondstof, neemt de efficiency in die periode toe van 20% naar beter dan 75%. Al met al wordt de totale hoeveelheid afval in de keten suiker/olie tot Amox gedecimeerd: van meer dan 50 kilo afval per kilo Amox in de jaren ‘70 tot minder dan 5 kilo in het begin van de 21e eeuw. Bovendien bestaat het afval van de moderne processen vooral uit ammoniumzouten, zoals ook gebruikt als kunstmest.

Biosynthese

De gedachte om ook Ampi en Amox door de natuur te laten maken is al heel vroeg op tafel gekomen en ook voor de hand liggend. De penicillinekern is al een natuurproduct; de synthetische zijketens zijn weliswaar niet natuurlijke aminozuren, maar ze lijken er wel erg veel op. Bovendien zijn inmiddels beide aminozuren in natuurproducten gevonden. De genetische informatie voor een biosynthese is dus in principe voorhanden (een fermentatie zoals voor vrijwel alle natuurlijke aminozuren de industriële praktijk is). Daardoor is een volledige biosynthese van Ampi en Amox in principe mogelijk. Maar efficiency en kwaliteit van de huidige industrieprocessen zijn zó groot dat het prijsvoordeel van een fermentatie route beperkt zal zijn; terwijl de ontwikkeling van zo’n proces een langdurige en kostbare zaak kan zijn. Zeker voor Ampi, met een afnemende markt, zal dat niet lonen. Als de markt voor Amox blijft groeien, is biosynthese een mogelijkheid. Te meer daar het metabole pad voor de zijketen para-hydroxyfenylglycine inmiddels goed beschreven en toegankelijk is.

Reactieschema voor 4-hydroxyfenylglycine
Reactieschema voor 4-hydroxyfenylglycine

Groene routes

We hebben steeds meer inzicht gekregen in de processen van de natuur en de manier waarop enzymen de natuurproducten in elkaar zetten. Dat heeft op een andere manier grote invloed gehad op de productieprocessen voor alle semisynthetische antibiotica. De meest kostbare en kritische stappen in alle syntheses zijn de verwijdering van de natuurlijke zijketen van de penicilline- (of cefalosporine)kern en het aanbrengen van de nieuwe zijketen. Al vroeg in de ontwikkeling van de chemie en biochemie van penicilline heeft men gezocht naar een enzym dat die klus zou kunnen klaren. Bij de natuurlijke route naar pen G in de schimmel brengt zo’n enzym de G zijketen aan. Veel schimmels en bacteriën produceren dit soort enzymen.

In de jaren ‘80 lukt het, dit enzym zuiver in handen te krijgen. Door inbouw van het betreffende gen in bijvoorbeeld de bekende E.coli, kunnen we de aanmaak op industriële schaal optimaliseren. Als we het enzym vast zetten op bolletjes van een onoplosbare drager kunnen we heel goed Pen G omzetten in 6-APA. De bolletjes worden gesuspendeerd in een waterige oplossing van Pen G (bij een geschikte zuurgraad). Het enzym doet zijn werk en wordt eenvoudig uit het mengsel gezeefd voor een volgende ronde. Uit het filtraat kunnen we door aanpassing  van de zuurgraad het 6-APA in kristallijne vorm winnen. Vanaf ca. 1990 is dit de industriële praktijk. De voordelen ten opzichte van de chemische route zijn groot. Er is maar weinig verlies van de gevoelige penicillinekern, doordat het molecuul zich tijdens het hele proces onder nagenoeg natuurlijke omstandigheden bevindt (waterige omgeving, geen oplosmiddelen, milde temperatuur, milde zuurgraad).

LCA
Biokatalyse (in groen) heeft de footprint van alle belangrijke penicillines en cefalosporines sterk verbeterd.

Biokatalyse

Dit enzymatische proces voor de omzetting van Pen G in 6-APA is één van de allereerste succesvolle toepassingen van geïsoleerde enzymen op industriële schaal. In het laatste kwart van de vorige eeuw wordt duidelijk hoe efficiënt, selectief en subtiel enzymen hun werk doen. Daardoor neemt de wens bij de chemici toe, deze enzymen ook voor hun (vaak  onnatuurlijke) omzettingen toe te passen. Het is al lang bekend dat enzymen een grote variatie van chemische bindingen kunnen maken of breken. De uitdaging is, deze enzymen uit de natuur te isoleren, op grote schaal te maken en vervolgens te stabiliseren voor herhaald industrieel gebruik.

Vanaf de jaren ‘80 komt zo de industriële biokatalyse op gang. Enzymen worden buiten hun natuurlijke omgeving gebruikt bij steeds meer industriële processen. Met alle kennis uit de moleculaire biologie en de biotechnologie kunnen we inmiddels enzymen manipuleren tot in het oneindige. We kunnen daardoor biokatalysatoren verzinnen voor vrijwel elke denkbare chemische omzetting. We kunnen deze katalysatoren nu ook stabiliseren en aanbieden in een groot aantal chemische reacties. Zoals de petrochemie haar bekende metaalkatalyse heeft, zo heeft de fijnchemie nu de biokatalyse. Daarmee kunnen we nu gevoelige medicijnen maken onder milde condities. En ook een steeds groter aantal natuurlijke, semi-natuurlijke of zelfs onnatuurlijke producten, op grote schaal.

Enzymen hebben nu ook de traditionele Nederlandse specialiteit in het scheiden van mengsels van links- en rechtshandige moleculen naar de achtergrond gedrongen. Zo is het zowel voor fenylglycine als p-hydroxyfenylglycine gelukt, met enzymen de links- en rechtsdraaiende vorm efficiënt uit elkaar te halen. Ook is het gelukt de processen naar enzymen voor fenylglycine en p-hydroxyfenylglycine zó te gebruiken dat alleen de gewenste linksdraaiende vorm wordt gekregen. De asymmetrische eigenschappen van het enzym zijn daar natuurlijk verantwoordelijk voor.

amoxicilline
Augmentin, de meest succesvolle toepassing van amoxicilline. Foto: Shutterstock 631106861

Alles enzymatisch

Een algemeen principe van katalyse is dat de katalysator de gewenste omzetting versnelt maar zelf onveranderd blijft (in de praktijk is dat vaak nog al anders); bovendien werkt hij reversibel. Dat wil zeggen dat ook de omgekeerde omzetting kan worden bevorderd door dezelfde katalysator, biokatalysator of enzym. De gedachte ligt dus voor de hand, bij de productie van semisynthetische antibiotica als Ampi en Amox de koppeling van de 6-APA kern met de nieuwe zijketen ook enzymatisch te doen. Het is het omgekeerde van de verwijdering van de natuurlijke zijketen van Pen G die we eerder hebben beschreven. Rond de eeuwwisseling lukt het DSM als één van de eerste ondernemingen, kern en zijketen biokatalytisch te koppelen bij alle grote semisynthetische pen’s en cef’s. Veel van de benodigde (bio)procestechnologische kennis ontwikkelt DSM in samenwerking met Nederlandse universiteiten.

Deze biokatalyse draagt fors bij aan de eerder genoemde verbeteringen in de procesefficiency. De hoeveelheid afval daalt enorm. En er is een onverwachte bonus: een forse verbetering in kwaliteit en houdbaarheid van de eindproducten. Deze resultaten hebben de dominante marktpositie van DSM met minstens tien jaar verlengd. Totdat het rond 2010 verstandig wordt, de business te verkopen aan de Indiase en Chinese partners – gezien de dominantie van de Aziatische markten. Ruim 50 jaar na het vertrek van de meeste sulfaproducties uit Europa zijn nu de pen’s en de cef’s aan de beurt. Tijd om wat anders te gaan doen.

Geraadpleegde literatuur:
Wikipedia: alle genoemde eigennamen en producten
Synthesis of β-lactam antibiotics, Alle Bruggink (ed.), Kluwer Academic Publishers, 2001. ISBN: 0-7923-7060-0

(Visited 84 times, 4 visits today)

Plaats een reactie