получение аминокислот

Организация и эффективность научных исследований

107

Академик В. С. ШПАК,

доктор

технических наук

И. Я. ТЮРЯЕВ

ПУТИ ПОЛУЧЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СИНТЕТИЧЕСКИХ АМИНОКИСЛОТ

В последние годы ученые-химики во всем мире уделяют большое внимание исследованию свойств, путей получения и возможностей применения аминокислот. Эти вещества, из которых в при­роде строятся все растительные и животные белки, представляют огром­ный практический интерес. Синтетические аминокислоты могут быть очень эффективно использованы в различных областях народного хозяйства.

Большое значепие приобрели аминокислоты как пищевые добавки, на­пример: добавление лизина в хлебобулочные изделия повышает качество входящего в них растительного белка, применение глутамата натрия улучшает вкусовые свойства пищевых продуктов и т. д. Аминокислоты нашли применение и в здравоохранении (лекарственные препараты), и в изготовлении косметических средств, и в качестве питательных сред для производства вакцин, и в других, целях. Намечаются пути использова­ния аминокислот в химической промышленности (получение полимерных материалов).

Однако главная область применения синтетических аминокислот — улучшение качества кормовых растительных белков в животноводстве: путем добавления тех или иных недостающих аминокислот их ценность может быть доведена до уровня, соответствующего наиболее ценным бел­кам животного происхождения. При этом регулирование аминокислотного состава кормовых рационов обеспечивает не только существенное увели­чение эффективности использования кормов (экономия 20—25%) \ но и одновременно повышение выхода продукции животноводства. Установле­но, что из общего количества 20 обязательных аминокислот для регулиро­вания аминокислотного состава кормов необходимы прежде всего лизин, метионин, триптофан, треонин.

Мировое производство синтетических аминокислот вследствие своей исключительно высокой экономической эффективности бурно развивается и достигло к настоящему времени примерно 500 тыс. т в год. В самые последние годы расширены и создаются новые производства аминокислот в странах Европы (Франция, ФРГ, Италия, Испания, Бельгия) и Америки

¹ См.: Справочник по кормовым добавкам. Под ред. Солнцева К. И. Минск: Уро­жай, 1975; Рядчиков В. Г. Применение препаратов синтетических аминокислот в жи­вотноводстве. М.: Изд-во СОЙТИ, 1971.

Организация и эффективность научных исследований 10&

(США, Мексика, Бразилия) ². Во всех странах товарной продукцией явля­ются кристаллические аминокислоты либо их соли.

Основой крупнотоннажного производства аминокислот в настоящее время служит как микробиологический процесс, так и химический синтез. Только химическим путем в промышленности производится глицин, DL-метионин, L-фенилаланин; преимущественно химическим путем — L-валин, L-треонин, L-триптофан; преимущественно микробиологическим путем L-лизин и L-глутамат натрия³. По всем экономическим показателям (то есть по удельным капитальным затратам на строительство, себестоимо­сти, качеству и т. д.) оба способа промышленного получения L-амипо-кислот примерно равноценны, однако их сырьевые базы существенно различны.

Основным сырьем для микробиологического синтеза служит побочная продукция сахарной промышленности — меласса (патока), расход которой при самых благоприятных условиях превышает 6 т на 1 т получаемого' лизина⁴. Меласса и сама является ценной кормовой добавкой, особенно в сочетании с карбамидом; вместе с тем как сырье для микробиологиче­ской промышленности она характеризуется рядом недостатков: нестан­дартностью по составу и качеству, зараженностью дикой микрофлорой, сезонностью производства (что вынуждает создавать годичный запас этого сырья). Другой возможный исходный продукт для микробиологического синтеза аминокислот — уксусная кислота, однако организация ее произ­водства для указанных целей требует больших капитальных затрат, что значительно увеличивает стоимость аминокислот. Расход уксусной кисло­ты также превышает 6 т на 1 т лизина. Заметим, что в микробиологиче­ском процессе из-за низкой концентрации лизина в рабочей среде (око­ло 3%) его выделение в чистом виде встречает большие трудности, и оте­чественный лизин выпускается в основном в виде 10—15%-ного кормового-концентрата.

С учетом перечисленных обстоятельств во всем мире ведутся широкие исследования, направленные на создание и развитие химических методов производства аминокислот, особенно таких крупнотоннажных продуктов, как лизин, глутамат натрия, триптофан. Соответствующие работы широко развернуты и в Советском Союзе — в Институте элементоорганических соединений им. А. Н. Несмеянова АН СССР (В. М. Беликов, Ю. Н. Бело-конь, В. А. Даванков и др.), в ГИПХе — Государственном институте при­кладной химии (В. С. Шпак, И. Я. Тюряев, Р. И. Помиленко, Н. А. Пет­ров, Ю. П. Ваучский) и в ряде других научных учреждений. В результате этих исследований и работ, проведенных на опытном заводе ГИПХа, уда­лось создать технологию производства L-лизина из циклогексанона, глу-тамата натрия из нитрила акриловой кислоты и триптофана из индола; разработана также технология получения L-ДОФА (диоксифенилалани-на) для медицинских целей.

Положительные стороны промышленного производства аминокислот химическим путем по сравнению с микробиологическим: широкая сырьевая база (производство каждой из аминокислот основывается на независимом источнике сырья), возможность создания крупных единичных мощностей, отсутствие серьезных проблем, связанных с защитой окружающей среды.

² См.: Anon. Chim. Actual, 1981, N 1686, p. 8; Jap. Chem. Week, 1980, v. 21, N 1014, p. 5.

³ См.: Котова Г. А., Волкова М. В., Татарникова Е. В. Состояние и перспективы развития производства аминокислот за рубежом.— В сб.: Химическая промышлен­ ность за рубежом. Вып. 2 (206). М.: Изд-во НИИТЭХИМ, 1980, с. 61; Journ. Izumi a. a. Angew. Chem., 1978, В. 17, N 3, S. 17.

⁴ См.: Anon. Chemische Industrie, 1974, N 10, S. 384.

Пути получения синтетических аминокислот

109>

В условиях нашей страны, исходя из имеющихся сырьевых ресурсов, круп­нотоннажное производство кристаллических аминокислот следует в зна­чительной мере основывать на химических способах.

Если в микробиологическом производстве аминокислоты сразу полу­чаются в L-форме, то во всех химических процессах получение L-амино-кислот (кроме глицина) идет через образование их рацематов, то есть сме­сей D- и L-изомеров, с их последующим разделением, а D-изомеры направ­ляются на рацемизацию и разделение. К настоящему времени разработаны весьма эффективные способы осуществления этих процессов, что и обеспе­чивает примерно равноценные технико-экономические показатели произ­водства кристаллических L-аминокислот химическими и микробиологиче­скими способами и равные возможности их использования. Тем не менее затраты на эти две завершающие технологические стадии химического нроизводства (разделение рацематов и рацемизация D-форм) достаточно велики и сопоставимы с затратами на само производство рацематов. По­этому в тех случаях, когда допустимо использование аминокислот в виде рацемата (это справедливо для метионина, триптофана), химические спо­собы намного экономичнее микробиологических. С другой стороны, сле­дует отметить, что и при микробиологическом способе примерно половина всех затрат относится к выделению L-аминокислот в кристаллическом виде.

В задачу данной статьи не входит рассмотрение проблем микробиоло­гического производства, и в частности упоминавшегося выше процесса получения кормовых концентратов L-лизина: этот процесс осуществлен в промышленных масштабах и продолжает развиваться. Мы остановимся здесь на химических методах получения ряда аминокислот, методах, кото­рые должны найти более широкое применение наряду с микробиологи­ческими.

Организация и эффективность научных исследований 110

Пути получения синтетических аминокислот 111

Организация и эффективность научных исследований 112

Перспективность применения асимметрического синтеза и биокатализаторов

Технологические процессы получения L-лизина, L-глутамата натрия, триптофана и L-ДОФА отработаны на укрупненных опытных установках с выдачей всех данных для проектирования соответ­ствующих производств. Предпроектная проработка показала, что назван­ные процессы характеризуются достаточной экономичностью и по всем технико-экономическим показателям (себестоимость, удельные капитало­вложения, фондоотдача, выработка на одного работающего и др.) удовле­творяют существующим нормам. Эти химические способы получения ами­нокислот имеют большие резервы усовершенствования как за счет опти­мизации технологических режимов отдельных стадий (что подтверждено работами последних лет), так и путем использования новых способов про­ведения тех или иных стадий процесса.

В частности, можно ожидать существенного удешевления и упрощения производства аминокислот в случае благоприятного развития работ по при­менению асимметрического катализа, который в принципе позволяет полу­чать из прохиральных предшественников только L-изомеры или избира­тельно превращать в рацемической смеси только L-изомер. Работы эти в последние годы начали развиваться в Институте органической химии им. Н. Д. Зелинского АН СССР (Е. И. Клабуновский, Е. И. Карпейская •с сотрудниками) и в Институте элементоорганических соединений им. А. Н. Несмеянова АН СССР (В. М. Беликов, Ю. Н. Белоконь с сотруд­никами) .

Если бы удалось в ближайшие годы разработать асимметрические ка­тализаторы с приемлемыми для промышленности характеристиками (ак­тивность, избирательность, стоимость и др.), то их можно было бы исполь­зовать без существенной перестройки производств, подготовленных к проектированию в соответствии с разработанной технологией, лишь пу­тем усовершенствования отдельных стадий.

Отсутствие в настоящее время промышленных катализаторов асим­метрического синтеза для избирательного получения L-изомеров амино­кислот предопределило интерес к использованию в химическом процессе биокатализаторов (ферментов) на стадиях, связанных с разделением ра­цематов и рацемизацией. Первым случаем успешного применения биока­тализаторов в крупнотоннажном химическом производстве аминокислот было освоение разработанного фирмой Торей⁹ процесса получения L-лизи­на, включающего шесть стадий: получение циклогексена избирательным дегидрированием циклогексана из циклогексанола или из хлорциклогекса-на (по патентным данным, выход циклогексена из циклогексанола со­ставляет 97% теоретического), нитрозирование циклогексена (выход, по

⁹ См.: Journ. Ito. CEER, 1975, v. 7, N 8, p. 36; Chem. Eng., 1974, v. 81, N 3, p. 67; 1975, v. 82, N 5, p. 72; Chem. Age Intern., 1974, v. 108, N 2853, p. 13.

Пути получения синтетических аминокислот

ИЗ

5 Вестник АН СССР, № 2

Организация и эффективность научных исследований 114

100 тыс. т аминокислот позволило бы увеличить годовое производство мяса на 1,5 млн. т и сэкономить до 8 млн. т зерна. Таким образом, создание крупнотоннажного производства ряда кристаллических синтетических аминокислот следует рассматривать в качестве важной составной части реализации Продовольственной программы.

В ближайшее время нужно четко определить объемы и номенклатуру аминокислот, производимых предприятиями Минхимпрома и Главмикро-биопрома. По-видимому, такие аминокислоты как глицин, метионин, триптофан, ДОФА, аланин, валин, лейцин, а также аминокислоты реак­тивного назначения, целесообразно производить только на предприятиях Минхимпрома; целесообразные соотношения объемов производства лизина и глутамата натрия химическим и микробиологическими способами опре­деляются исходя из имеющихся ресурсов сырья для этих процессов и их технико-экономических показателей.

Создание крупнотоннажного производства синтетических аминокислот требует больших затрат, но, учитывая его высокую эффективность и быст­рую окупаемость, несомненно, заслуживает всестороннего внимания и быстрой реализации ¹².

УДК 547.466:66

¹² См.: Великое В. М., Дебабов В. Г., Тюряев И. Я. Аминокислоты для сельского хозяйства, пищевой промышленности и здравоохранения.— Вестник АН СССР, 1980, № 4.