制备氨甲酰磷酸和尿素的方法技术

本发明专利技术涉及一种制备氨甲酰磷酸的方法，所述方法包括在氨基甲酸激酶的存在下使组合物中的氨、ATP、碳酸氢盐和CO2或其水合形式反应，其中将所述氨和CO2或其水合形式在化学反应中转化为氨基甲酸，并且将所述氨基甲酸和ATP在通过氨基甲酸激酶进行的酶催化反应中转化为氨甲酰磷酸，并且其中所述组合物的pH为约8-约12。本发明专利技术还涉及制备尿素的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】本专利技术涉及一种制备氨甲酰磷酸的方法，所述方法包括在氨基甲酸激酶的存在下使组合物中的氨、ATP、碳酸氢盐和CO2或其水合形式反应，其中将所述氨和CO2或其水合形式在化学反应中转化为氨基甲酸，并且将所述氨基甲酸和ATP在通过氨基甲酸激酶进行的酶催化反应中转化为氨甲酰磷酸，并且其中所述组合物的pH为约8-约12。本专利技术还涉及制备尿素的方法。【专利说明】
本专利技术涉及一种制备氨甲酰磷酸的方法，所述方法包括在氨基甲酸激酶的存在下使组合物中的氨、ATP、碳酸氢盐和CO2或其水合形式反应，其中将所述氨和CO2或其水合形式在化学反应中转化为氨基甲酸，并且将所述氨基甲酸和ATP在通过所述氨基甲酸激酶进行的酶催化反应中转化为氨甲酰磷酸，并且其中所述组合物的PH为约8-约12。本专利技术还涉及制备尿素的方法。
技术介绍
尿素是最常用的氮肥，并且占世界肥料市场的50%以上。这种肥料目前利用能量密集型Bosch-Meiser方法制备自利用Haber方法制备的氨。尿素生产中对大型能量和天然气投入的需求使尿素生产集中在具有丰富的化石染料供应的地区，结果许多国家进口大量的尿素，并且相关的运输成本很高。高能量投入、对天然气和高运输成本的依赖还使得尿素肥料的成本与化石燃料的价格相关连，其对供应依赖性波动敏感。对尿素肥料成本的未来影响的另一考虑是建议引入2015落实到位的碳污染减排计划，这是因为与肥料生产和运输相连的CO2排放的相关成本。作为尿素肥料施用的大部分氮流失至各种废物流，包括动物和市政废物。这些废物流包含大量的氮，为硝酸盐、亚硝酸盐、氨和有机氮化合物(氨基酸和核苷酸)，必须将其从废物流去除以防止富营养化效应(例如细菌大量繁殖(bacterial bloom))。废水处理中的氮最终作为气态的氮氧化物(N2O，强效GHGjPNO)和氮气(N2)。回收这些系统中的氮会:i)提供氮肥的低能量、低GHG来源；ii)从废物流除去氮，防止下游富营养化效应；以及iii)减少氧化亚氮的产生。此外，获得自回收的废氮的尿素肥料的制备可以分布在本地，减少转运成本和产物的总体环境痕迹。尿素循环为代谢过程，通过该过程氮通过一系列的5种酶适当地传播，在动物中将氨解毒为排泄的尿素，并且在其他生物中提供含氮的代谢中间产物。尿素循环中的第一步是通过酶氨甲酰磷酸合成酶从碳酸、有机磷(ATP)以及氨或谷氨酸产生氨甲酰磷酸。氨的pKa为9.25，因此在生物pH下主要是铵而不是氨可用。事实上99.4%的氨在PH7下是质子化的。由于在大多数生物中发现的低水平的氨，需要尿素循环将氨甲酰磷酸转化为尿素(Jones and Lipman, 1960)。氨甲酰磷酸经历另外4个酶促转化,最终导致形成尿素。化学上，这些同时进行的步骤可以在用氨处理时氨甲酰磷酸转化为尿素而消除。氨甲酰磷酸在生理pH和温度下不稳定，具有5分钟的半衰期(Wang etal.，2008)。尽管这种不稳定性，其经历进一步的转化，提供瓜氨酸、精氨酸、嘧啶核苷酸和尿素。通过转氨甲酰酶稳定来避免氨甲酰磷酸的热分解。天冬氨酸和鸟氨酸转氨甲酰酶减少氨甲酰磷酸的热分解率5，000倍。在没有转氨甲酰酶的溶液中，氨甲酰磷酸通过平面中间体分解(Allen and Jones, 1964)。这种几何结构在天冬氨酸和鸟氨酸转氨甲酰酶的活性位点被阻止，因此稳定氨甲酰磷酸并能够将其转化为稳定的脲基产物。 氨甲酰磷酸在水性环境中不稳定并容易分解(Wang et al.，2008)。分解发生的途径是pH依赖性的。在酸水解下，分解发生为铵、正磷酸和二氧化碳(Allen andJones, 1964)，而碱性条件中存在的二价阴离子分解为正磷酸盐和氰酸盐(Allen andJones, 1964)。分解的途径对于随后的转化很重要，因为进一步的氮取代对于氨和碳酸盐是不可能的，但是已知对于氰酸盐容易发生(Wen and Brooker, 1994)。例如，当用氨处理碳酸盐时不发生尿素形成，但是当用氨处理氰酸盐时其的确形成，并且尿素的产生随氨浓度的增加而增加。氨甲酰磷酸的不稳定性使得认为其作为商业中间体是不切实际的。因此，需要制备氨甲酰磷酸的方法以及制备尿素的方法。此外，需要从废料降低氨水平的方法。
技术实现思路
本专利技术人开发了一种可以利用单一的酶将氨转化为氨甲酰磷酸的方法。因此，在第一方面，本专利技术提供一种制备氨甲酰磷酸的方法，所述方法包括在氨基甲酸激酶的存在下使组合物中的氨、ATP、碳酸氢盐和CO2或其水合形式反应，其中将所述氨和CO2或其水合形式在化学反应中转化为氨基甲酸，并且将所述氨基甲酸和ATP在通过所述氨基甲酸激酶进行的酶催化反应中转化为氨甲酰磷酸，并且其中所述组合物的PH为约8-约 12。在一优选实施方案中，pH为约9.9、约9-约11、约9.25-约11.25、约10.25-约11.25或者约10.5-约11.5。在这个实施方案中，优选氨基甲酸激酶来源于超嗜热菌，或者是其生物活性突变体。超嗜热菌的实例包括但不限于热球菌(Pyrococcus sp.)和嗜热球菌(Thermococcus sp.)。热球菌的实例包括但不限于 Pyrococcus abyss1、Pyrococcusendeavor1、Pyrococcus glycovorans、掘越氏热球菌(Pyrococcus horikoshii)和沃氏火球菌(Pyrococcus woesei)。嗜热球菌的实例包括但不限于Thermococcusacidaminovorans、Thermococcus aegaeus、Thermococcus aggregans、Thermococcusalcaliphilus、Thermococcus atlanticus、Thermococcus barophilus、Thermococcusbarossi1、速生热球菌(Thermococcus celer)、Thermococcus celericrescens、Thermococcus chitonophagus、Thermococcus coalescens、Thermococcus fumicolans、Thermococcus gammatoIerans、Thermococcus gorgonarius、Thermococcus guaymasensis、Thermococcus hydrothermal is、Thermococcus kodakarensis、Thermococcus litoralis、Thermococcus marinus>Thermococcus mexicalis、Thermococcus nautiIus>Thermococcusonnurineus、 Thermococcus pacificus、 Thermococcus peptonophilus、 Thermococcusprofundus、Thermococcus radiotolerans、Thermococcus sibiricus、Thermococcussicul1、 Thermococcus stetter1、 Thermococcus thiore本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备氨甲酰磷酸的方法，所述方法包括在氨基甲酸激酶的存在下使组合物中的氨、ATP、碳酸氢盐和CO2或其水合形式反应，其中将所述氨和CO2或其水合形式在化学反应中转化为氨基甲酸，并且将所述氨基甲酸和ATP在通过所述氨基甲酸激酶进行的酶催化反应中转化为氨甲酰磷酸，并且其中所述组合物的pH为约8‑约12。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·E·亨尼西，A·菲尔布鲁克，D·M·巴特库斯，C·J·伊斯顿，C·斯科特，J·G·奥克肖特，HK·金，M·J·拉特，
申请(专利权)人：联邦科学技术研究组织，粮食研究发展公司，
类型：发明
国别省市：澳大利亚;AU