Технология производства аминокислот для скота. План

АМИНОКИСЛОТЫ. ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО.
ВВЕДЕНИЕ. Аминокислоты стали получать в промышленности примерно в середине 60-х годов XX века, после того как были изучены важнейшие этапы обмена веществ. После этого некоторые аминокислоты стали использоваться в медицине, например для приготовления инфузионных растворов, другие (L-метионин, L-лизин и L-треонин) – в качестве кормовых добавок. Объем производства аминокислот значительно увеличился с тех пор, как было обнаружено, что L-глутамат может усиливать вкус, а дипептид аспартам обладает выраженным сладким вкусом. Молекулы всех белков построены из 20 протеиногенных аминокислот. Некоторые аминокислоты не могут синтезироваться в организме, а должны поступать вместе с пищей (незаменимые аминокислоты). Для человека и многих сельскохозяйственных животных незаменимыми аминокислотами являются L-метионин, L-лизин, ароматические аминокислоты (L-фенилаланин, L-тирозин, L-триптофан) и гидрофобные аминокислоты (L-валин, L-лейцин и L-изолейцин). В природе также встречаются «небелковые» аминокислоты, например D-изомеры аминокислот. Их используют в синтетической химии, в том числе при производстве полусинтетических антибиотиков.
ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АСПЕКТ. Производство аминокислот составляет более 2 000 000 т/год, что оценивается в сумму более 4 млрд долларов США. Значительная часть предприятий, производящих аминокислоты, расположена в азиатском регионе. Лидирует производство L-глутамата натрия (более 1 500 000 т/год), за ним следуют производства L-лизина (700 000 т/год) и L-метионина (600 000 т/год). L-Аспарагиновая кислота и L-фенилаланин – сырье для получения подсластителя аспартама – производятся в количествах 10 000 т/год. Около 65% производимых аминокислот используются в пищевой промышленности, 30% – как кормовые добавки для скота и лишь 5% аминокислот после дополнительной очистки применяют в медицинских целях, прежде всего для инфузионных растворов, а также в производстве косметических препаратов.
ПОЛУЧЕНИЕ.
Существует четыре промышленных метода получения аминокислот: 1) экстракция из гидролизата белка; 2) химический синтез; 3) биотрансформация соединений-предшественников в ферментере или клеточном реакторе; 4) микробная ферментация.
Экстракцией из белкого гидролизата в промышленности получают прежде всего L-цистеин, L-цистин, L-лейцин, L-аспарагин, L-аргинин и L-тирозин. В качестве сырья используют растительные белки или отходы мясной промышленности, которые подвергают кислотному гидролизу, после чего путем кристаллизации или экстракции спиртом отделяют гидрофобные аминокислоты L-фенилаланин, L-лейцин и L-изолейцин. Затем проводят ионообменную хроматографию, разделяя растворимые аминокислоты на основную, кислую и нейтральную фракции, которые далее перекристаллизовывают и подвергают хроматографической очистке. Химический синтез аминокислот всегда приводит к образованию рацемата (смеси L- и D-изомеров аминокислот), который также находит применение. Например, L,D-метионин применяется в качестве кормовой добавки, L,D-аланин добавляют во фруктовые соки для смягчения вкуса. Для разделения рацематов аминокислот на L- и D-изомеры в молекулу аминокислоты вводят еще один хиральный центр при Сα-атоме. Такие реакции биотрансформации осуществляют в ферментере или клеточном реакторе. Биокатализатором могут служить очищенные ферменты или целые клетки, содержащие необходимый фермент. Экономически выгодно использовать иммобилизованные биокатализаторы, которые позволяют проводить реакцию непрерывно в течение длительного срока. Успех промышленного получения аминокислот объясняется тем, что химический синтез соединений-предшественников относительно дешев. Кроме того, для производства практически всех протеиногенных аминокислот разработаны методы ферментации, и имеются штаммы, позволяющие получать большие количества продукта. Во многих случаях такой подход экономически оправдан. Широко используются штаммы, усовершенствованные методами генетической инженерии. К настоящему времени закончено секвенирование генома Corynebacterium glutamicum. Полученная генетическая информация поможет ускорить создание новых высокопродуктивных штаммов. Во многих случаях уже клонированы целые опероны, ответственные за биосинтез аминокислот. Изучаются возможности управления обменом веществ клетки методами так называемой метаболической инженерии.