Semi-pilot scale-up of a continuous packed-bed bioreactor system developed for the lipase-catalyzed production of pseudo-ceramides

Abstract

-Ceramides are sphingolipid compounds that are very attractive as active components in both the pharmaceutical and the cosmetic industries. In this study, the synthesis of 1-O,3-N-diacyl 3-amino-1,2-propanediol-type pseudo-ceramides was developed at the semi-pilot scale, starting from a two-step continuous enzymatic process with immobilized Candida antarctica lipase B (Novozym ® 435) in a packedbed bioreactor, previously optimized at the laboratory scale. This process involved the selective N-acylation of 3-amino-1,2-propanediol (step 1), followed by the selective O-acylation of the N-acyl 3-amino-1,2-propanediol synthesized in the first step, with various fatty acids as acyl donors, to produce N,O-diacyl 3-amino-1,2-propanediol-type pseudo-ceramides (step 2). Under partially optimized operating conditions, high synthesis yields and production rates were obtained, within the ranges 76-92% and 3.7-4.6 g h À1 (step 1), or 23-36% and 1-1.4 g h À1 (step 2), respectively, depending on the fatty acids used as acyl donors. The overall synthesis yields varied from 20 to 33%: the best yield was obtained using palmitic acid and lauric acid as first and second acyl donors, respectively. Together with the high production rates also obtained with these acyl donors, this confirms that this two-step process has great potential for the production of differently functionalized 1-O,3-N-diacyl 3-amino-1,2-propanediol-type pseudo-ceramides on an industrial scale.Keywords: pseudo-ceramide / continuous bioprocess / packed-bed bioreactor / lipase / semi-pilot scale Résumé -Passage à l'échelle semi-pilote d'un bioréacteur continu à lit fixe, développé pour la production de pseudo-céramides catalysée par une lipase. Les céramides sont des sphingolipides, composés actifs d'intérêt majeur pour les industries pharmaceutique et cosmétique. Lors de la présente étude, la synthèse de pseudo-céramides de type 1-O,3-N-diacyl 3-amino-1,2-propanediol a été développée à l'échelle semi-pilote, à partir d'un procédé enzymatique continu en deux étapes impliquant la lipase B de Candida antarctica (Novozym ® 435) utilisée au sein d'un bioréacteur à lit fixe, préalablement optimisé à l'échelle du laboratoire. Ce procédé conjuguait la N-acylation sélective du 3-amino-1,2-propanediol (étape 1) suivie de la O-acylation sélective du N-acyl 3-amino-1,2-propanediol synthétisé lors de la première étape, impliquant différents acides gras comme donneurs d'acyles, pour produire des pseudo-ceramides de type N,O-diacyl 3-amino-1,2-propanediol (étape 2). Sous conditions opératoires partiellement optimisées, de hauts rendements de synthèse et vitesses de production ont été obtenus, respectivement de l'ordre de 76-92 % et 3,7-4,6 g h À1 (étape 1), ou 23-36 % et 1-1,4 g h À1 (étape 2), en fonction des acides gras utilisés comme donneurs d'acyles. Les rendements de synthèse globaux ont évolué de 20 à 33 % : le meilleur rendement a été obtenu en utilisant respectivement l'acide palmitique et l'acide laurique comme premier et second donneurs d'acyles. Associé à la...