ПУТИ ПОЛУЧЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СИНТЕТИЧЕСКИХ АМИНОКИСЛОТ

Организация и эффективность научных исследований
Академик
В. С. ШПАК,
доктор
технических наук
И. Я. ТЮРЯЕВ
107
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, Lфенилаланин; преимущественно химическим путем — L-валин, L-треонин, Lтриптофан; 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' лизина 4.
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 (диоксифенилаланина) 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-аминокислот (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, Lглутамата 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 хлорциклогексана (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
5
Вестник АН СССР, № 2
ИЗ
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 Главмикробиопрома. 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.