Производство глицина

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

В 1819 году французский химик Анри Браконно получил глюкозу из целлюлозы, подействовав на нее серной кислотой. После этого ученый решил посмотреть, что получится при такой же обработке веществ животного происхождения. Сначала Браконно кипятил в воде кожу, сухожилия, хрящи и нервные сплетения животных. У него получался препарат желатины, - он знаком нам по холодцу, где образует прозрачную часть, желе. Желатина, или желатин - это белок коллаген (от греческого «колла» - клей), составляющий основное вещество соединительной ткани. Одну часть желатины Браконно смешивал с двумя частями концентрированной серной кислоты, настаивал 24 часа и кипятил образовавшийся раствор 5 часов, добавляя при этом воду. Получившуюся жидкость он нейтрализовал мелом, фильтровал и выпаривал. Полученный густой раствор Браконно выдерживал в течение месяца. За это время в нем выпадали сладкие зернистые кристаллы. За сладкий вкус ученый назвал полученное вещество «клеевым сахаром», или «гликоколлом».

Эта была первая попытка понять, из каких компонентов состоят белки.

Гликол (позже его переименовали в глицин, поскольку он входит не только в коллаген) был первой аминокислотой, найденной в составе белков.

Это открытие Браконно было первым указанием на то, что молекулы белков состоят из более простых молекул, однако ученые еще не могли прийти к такому выводу, для этого не хватало фактов.

В 1846 году Э. Хорсфорд в лаборатории Ю. Либиха впервые правильно определил состав глицина и вывел его эмпирическую формулу. А, кроме того, Хорсфорд отметил амфотерную, кислотно-щелочную природу глицина и других, похожих на него соединений, известных в то время: лейцина, цистеина и аспарагина. Он предложил выделить эти вещества в особый класс: «Можно считать гликоли и кислотами, и щелочами, и солями, в них проявляются все свойства, чем и отличается этот класс соединений от других». (Ранее Волластон, выделивший из мочевых камней цистин, заметил его кислотно-щелочную природу, но предложения по классификации не сделал.) Эти наблюдения стали основой представлений об амфотерности аминокислот

Открытие Браконно сыграло особенно важную роль, поскольку оно явилось первым случаем получения аминокислот из гидролизата белка; в дальнейшем из гидролизатов белков были выделены и идентифицированы и остальные аминокислоты, содержащиеся в составе белковых молекул.

1. ХАРАКТЕРИСТИКА И БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ГЛИЦИНА

Глицин (аминоуксусная кислота, аминоэтановая кислота) -- простейшая алифатическая аминокислота, единственная аминокислота, не имеющая оптических изомеров. Так же называется лекарственный препарат, состоящий из глицина и вспомогательных веществ (метилцеллюлоза водорастворимая, магния стеарат). Глицином («глицин-фото») также иногда называют параоксифениламиноуксусную кислоту, проявляющее вещество в фотографии.

Глицин начали производить уже несколько десятков лет назад. Его продуцируют из соединительной ткани сельскохозяйственных животных.

Глицин, как простая аминокислота для начала производится в организме человека, где он имеется во всех клетках, особенно высоко его содержание в нервных клетках головного мозга. В фармацевтической промышленности организовано полное синтетическое его производство.

Глицин входит в состав многих белков и биологически активных соединений. Из глицина в живых клетках синтезируются порфирины и пуриновые основания.

Химическая формула

NH2-CH2-COOH

Глицин также является нейромедиаторной аминокислотой ( это биологически активные химические вещества, посредством которых осуществляется передача электрического импульса нервной клетки через синоптическое пространство между нейронами). Рецепторы к глицину имеются во многих участках головного мозга и спинного мозга и оказывают «тормозное» воздействие на нейроны, уменьшают выделение из нейронов «возбуждающих» аминокислот, таких, как глутаминовая кислота, и повышают выделение гаммааминомасляной кислоты.

Активно участвует в обеспечении кислородом процесса образования новых клеток. Является важным участником выработки гормонов, ответственных за усиление иммунной системы. Эта аминокислота является исходным веществом для синтеза других аминокислот, а также донором аминогруппы при синтезе гемоглобина и других веществ. Глицин очень важен для создания соединительных тканей; в анаболической фазе потребность в этой аминокислоте повышается. Недостаток ее вызывает нарушение структуры соединительной ткани. Повышенное потребление глицина снижает содержание фермента катепсина D и в катаболической ситуации препятствует распаду белков. Он способствует мобилизации гликогена из печени и является исходным сырьем в синтезе креатина, важнейшего энергоносителя, без которого невозможна эффективная работа мышц. Глицин необходим для синтеза иммуноглобулинов и антител, а следовательно, имеет особое значение для работы иммунной системы. Недостаток этой аминокислоты ведет к снижению уровня энергии в организме. Глицин также способствует ускоренному синтезу гипофизом гормона роста. Природные источники глицина: Желатин Говядина Печень Арахис Овес .

2. ПРИМЕНЕНИЕ ГЛИЦИНА

Применяется глицин в основном в медицинской, пищевой и химической промышленности. Физические свойства: Белый кристальный порошок, имеет сладкий вкус, легко растворяется в воде, хуже в метиловом спирте, не разлагается в ацетоне и эфире. Точка плавления 232-236? .

Назначение глицина медицинской категории:

- Используется, как лекарство для изучения обмена аминокислоты в области медицинских микробов и биохимии.

- Как синтетическое сырье для производства аминокислот, например: дуомицин, лекарство от болезни Паркинсона, витамин В6 и треонин и т.д..

- Как аминокислотная питательная жидкость.

- Как сырье для цефалоспорина, уксусной кислоты и Thiamphenicol и.т.д.

- Как сырье для косметики.

Фармакологический препарат глицина оказывает седативное (успокаивающее), мягкое транквилизирующее и слабое антидепрессивное действие, уменьшает чувство тревоги, страха, психоэмоционального напряжения, усиливает действие противосудорожных препаратов, антидепрессантов, антипсихотиков, уменьшает проявления алкогольной и опиатной абстиненции. Обладает некоторыми ноотропными свойствами, улучшает память и ассоциативные процессы.

Назначение глицина пищевой категории:

- Используется в качестве пищевой добавки Е 640. Вместе с DL-аланином и лимонной кислотой используется на производстве сока и спирта как добавка предохраняющая от кислого вкуса, при солении соленых овощей, изготовлении сладкой пасты, соуса, уксуса и сока; используется для улучшения, сохранения и создания сладкого вкуса и.т.д.

- Используется как консервант для изделий из рыбной муки, пасты арахиса, способен к торможению размножения сенной палочки и кишечной палочки.

- Используется как средство для удаления горького запаха у пищевых продуктов, как стабилизатор для масла, сыра, исскуственного молока, лапши быстрого приготовления, пшеничной муки и т.д.

- В пищевом производстве стабилизирует витамин С .

Назначение глицина промышленной категории:

- Используется как добавка для гальванической жидкости;

- Как регулирующее PH средство ;

- Как в корме для домашних птиц и животных.

Разновидности глицина и его свойства

Пункты	USP32 Медицинская категория	RCCV Пищевая категория	Категория для корма	Промышленная категория
Основное вещество (в расчете на сухое вещество)	98.5Ѓ`101.5%	98.5Ѓ`101.5%	?98.5%	?98.5%
Хлорид	?0.007%	--	?0.4%	?0.5%
Тяжелые металлы	?0.002%	--	?20%	--
сульфаты	?0.0065%	--	--	--
Остаток после прокаливания	?0.1%	?0.1%	?0.1%	--
Потеря веса при сушке	?0.2%	?0.2%	?0.5%	?1.0%
Продукт гидролиза	в соответствии со стандартами	--	--	--
Свинец	--	?5mg/kg	--	--
Внешний вид	белый кристаллический порошок	белый кристаллический порошок	белый кристаллический порошок	белый кристаллический порошок

3. ПРОИЗВОДСТВО ГЛИЦИНА

Химический синтез глицина

Аминокислоты получают путем химического синтеза, биосинтеза или экстракцией из белковых гидролизатов. К химическому синтезу относят способ получения глицина через аммонолиз и последующее омыление водных растворов гликолонитрила

HOCH2CN H2NCH2CN____> H2NCH2COOH

Однако исходный гликолонитрил не является доступным реагентом, а должен быть специально получен из формальдегида и синильной кислоты или ее солей. Необходимость применения этих сильно-ядовитых веществ в синтетической цепи - один из основных недостатков способа. К другим относятся: проведение стадий аммонолиза и омыления в разбавленных водных растворах и количественные затраты минеральных кислот и щелочей, что обусловливает наличие больших количеств загрязненных сточных вод и невысокий выход глицина в расчете на гликолонитрил, который составляет 69% или 85%.

Известен способ получения глицина щелочным гидролизом гидантоина. Выход глицина составляет 95% , тем не менее ему присущи недостатки описанного способа, поскольку для получения исходного гидантоина необходима синильная кислота (синтез Штрекера), а его гидролиз требует количественных затрат водной щелочи.

В промышленной практике наиболее распространен способ получения глицина аммонолизом монохлоруксусной кислоты (МХУК), доступного многотоннажного реагента, в водном растворе в присутствии гексаметилентетрамина

ClCH2COOH+NH H2NCH2COOH+NH4Cl

Так известен способ получения глицина обработкой МХУК или ее аммонийной или натриевой солей аммиаком и NaOH в водной среде, содержащей гексаметилентетрамин и NH4+-ионы в молярном соотношении с МХУК не менее, чем 1 : 3 (5).

Первые 1/4 - 1/2 количества МХУК обрабатывают аммиаком в молярном соотношении 1 : 2, затем оставшуюся МХУК обрабатывают водным раствором NaOH в молярном соотношении 1 : 2 при 65-70оС. Общая продолжительность синтеза 3 ч. Выход глицина 93,0% .

Способ имеет высокие расходные показатели: 0,57 т NaOH, 0,30 т гексаметилентетрамина, 2,85 т воды на 1 т неочищенного глицина, а главное -большой объем загрязненных сточных вод, что недоступно в современной экологической ситуации.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому является способ синтеза глицина из МХУК и аммиака в присутствии гексаметилентетрамина, проводимый в среде метилового или этилового спирта (6-прототип).

Глицин по этому способу получают одновременным введением метанольного раствора МХУК и газообразного аммиака в реакционный сосуд, заполненный водно-метанольным раствором гексаметилентетрамина при температуре, близкой к температуре кипения реакционной смеси.

Продукт, представляющий из себя, близкую к эквимолекулярной, смесь хлористого аммония и глицина, выпадает в виде кристаллического осадка при охлаждении реакционной смеси.

Согласно способу-прототипу в 1000 л 90% -ного водного метанола растворяют 70 кг гексаметилентетрамина, нагревают смесь до 40-70оС, и одновременно добавляют к ней раствор 189 кг МХУК в 80 л 90% -ного метанола и 68 кг газообразного аммиака. После охлаждения реакционной смеси удаляют кристаллический глицин в смеси с NH4Cl. Выход глицина в расчете на затраченную МХУК составляет 144 кг или 95% . Чистота глицина после очистки - 99,5% .

Недостатками прототипа являются:

недостаточно высокий выход глицина;

недостаточно высокая производительность процесса - 36 кг/час с 1 м3 реакционного пространства;

низкие технико-экономические показатели процесса (расходные показатели процесса в расчете на 1 т полученного после синтеза глицина составляют: метанол 100% -ный - 5,7 т, гексаметилентетрамин 0,5 т, вода 0,64 т, МХУК 1,35 т, NH3 - 0,5 т);

большое количество сточных вод: около 1,5 т на 1 т глицина, загрязненных гексаметилентетрамином, метанолом, аммонийным азотом и хлорид-ионами.

Биотехнологический синтез глицина

К микрооганизмам-продуцентам глицина относят Brevibacterium lactofermentum и бактерии рода Corynebacterium.

Технология получения глицина с помощью микроорганизмов базируется на принципах ферментации продуцентов и выделении вторичных метаболитов, то есть размножают маточную культуру вначале на агаризованной среде в пробирках, затем - на жидкой среде в колбах, инокуляторах и посевных аппаратах, а затем в головных (основных ) ферментаторах. Обработку культуральных жидкостей и выделение аминокислот проводят по схеме, аналогичной схеме получения антибиотиков. Изолированные чистые кристаллы целевого продукта обычно высушивают под вакуумом и упаковывают.

Известны два способа получения аминокислоты: одноступенчатый и двухступенчатый.

Одноступенчатый способ получения глицина

Согласно первому способу, например, мутантный полиауксотрофный штамм - продуцент аминокислоты культивируют на оптимальной для биосинтеза среде. Целевой продукт накапливается в культуральной жидкости, из которой его выделяют согласно схеме на рисунке:

аминокислота глицин химический биотехнологический



Рис. Биотехнологическая схема производства глицина в одну ступень

1 - ферментатор;2 - охладитель; 3,9 - рефрижераторы;4 - емкость для предварительной обработки;5 - центрифуга;6 - вакуум - упариватель;

7 - аппарат прямой;8 - барабанный фильтр, А,Б - пути ( при необходимости смыкающиеся );10 - аппарат для ультрофилырации;11 - емкость для консервации раствора фермента;12 - мембранный фильтр;13 - накопитель жидкого консерванта;14-емкость для осаждения фермента;15 - фильтр - пресс;16 - распылительная сушилка;17 - накопитель сухого концентрата.

Двухступенчатый способ получения глицина

Двухступенчатый метод получения аминокислот. В двухступенчатом способе микроб - продуцент культивируют в среде, где он получается и синтезирует все необходимые ингредиенты для последующего синтеза ( в идиофазу ) целевого продукта.

Если ферменты биосинтеза аминокислоты накапливаются внутриклеточно, но после 1 - ой ступени клетки сепарируют, дезинтегрируют и применяют клеточный сок. В других случаях для целей биосинтеза целевых продуктов применяют непосредственно клетки.

Если аминокислота предусмотрена в качестве добавки к кормам, то биотехнологический процесс кормового продукта включает следующие стадии: ферментацию, стабилизацию аминокислоты в культуральной жидкости перед упариванием, вакуум - упаривание, стандартизацию упаренного раствора при добавлении наполнителя, высушивание и упаковку готового продукта, в котором должно содержатся не более 10 % основного вещества. Например, в промышленности изготавливают сухой кормовой и жидкий кормовой концентраты лизина наряду с кристаллическим лизином.



Рис 4.1 Биотехнологическая схема производства глицина в две ступени

1 - емкость для культуральной жидкости (КЖ);2- ионообменные колонны; 3- сборник элюата;4- сборник фильтрата;5- емкость для элюата;6- насос; 7- вакуум - выпарной аппарат;8- циклон;9- сушилка кормового концентрата; 10- сборник;11- реактор - кристаллизатор;12 - центрифуга;13- сушилка.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение хотелось бы сказать, что аминокислота глицин является очень важным веществом, которое применяется в основном в медицинской, пищевой и химической промышленности. Так, в химической промышленности глицин используется в качестве сырья для получения очищенного глицина с помощью процесса перекристаллизации и для синтеза различных органических соединений.

Аминоуксусную кислоту применяют * для приготовления буферных растворов, * для синтеза пептидов, гиппуровой и аминогиппуровой кислот * как комплексообразующий реагент и др.

Применяют для получения удобрений, нитратов целлюлозы, красителей, серной кислоты, для травления металлов и полупроводниковых материалов, как окислитель ракетного топлива, компонент "нитрующей смеси" (с серной кислотой).

В медицине он применяется в качестве лекарства благодаря своим полезным свойствам. Основным действующим веществом фармацевтического препарата глицина является аминокислота глицин, фармацевтическим носителем - метилцеллюлоза (0,5-2,0 масс%). Исследования действия глицина у здоровых добровольцев и ограниченного количества больных с разнообразной неврологической патологией продемонстрировало полную его безопасность и хорошую переносимость. Являясь естественным метаболитом мозга, глицин не проявлял токсичности даже в дозах более 10 г/сут. Единственным побочным эффектом препарата может считаться легкая седация. Препарат глицин в дозах 300-600 мг/сут оказывает антистрессовый и ноотропный эффекты.

В пищевой промышленности глицин используется в качестве одного из модификаторов аромата и вкуса(зарегистрирован в качестве пищевой добавки под названием Е640).

ЛИТЕРАТУРА

1. Е.А. Строев. Биологическая химия. М., Высшая школа, 1986.

2. М.Е. Беккер, Г.К. Лиепинын, Е.П. Райпулис. Биотехнология. М., ВО Агропромиздат, 1990.

3. У.Э. Виестур, И.А. Шмите, А.В. Жилевич. Биотехнология. Био технологические агенты, технология, аппаратура. Рига, Зинатне, 1987.

4. Г.К. Лиепинын, М.Э. Дунцэ. Сырье и питательные субстраты для промышленной биотехнологии. Рига, Зинатне, 1986.

5. Н.П. Блинов. Основы биотехнологии. СПБ., Наука, 1995.

6. Л.И. Воробьев. Промышленная микробиология. М., МГУ, 1989.

7. С.Д. Варфоломеев, С.В. Калюжный. Биотехнология. Кинетические основы микробиологических процессов. М., Высшая школа, 1990.

8. В.М. Беликов. Аминокислоты, их химический синтез и применение. Вестн. АН СССР, 1973.

9. Дж. Бейли, Д. Оллис. Основы биохимической инженерии, т. 1. М„ Мир, 1989.

10. Г.С. Муровцев, Р.Г. Бутенко, Т.Н. Тихоненко, М.И. Прокофьев. Основы сельскохозяйственной биотехнологии. М., ВО Агропромиздат, 1990.

11. Биотехнология: принципы и применение. Под ред. И. Хиггинса, Д.Беста, Дж. Джонса. М., Мир, 1988.

Размещено на Allbest.ru