1 — Производство аминокислот
Аминокислоты производят с помощью выделения, органического синтеза, ферментации или ферментативного синтеза. В 1908 году из экстрактов пшеничного протеина была получена первая промышленная партия глютаминовой кислоты. В 1955 году был изобретен метод ферментации, при котором бактерия засеивается с сахаром и аммиаком (для источников углерода и азота соответственно), в результате чего аккумулируется аминокислота в больших количествах. L-глютаминовая кислота была первой аминокислотой, полученной в промышленных масштабах. В настоящее время большая часть аминокислот может быть произведена ферментативным методом.
2 — Диссоциация аминокислот и ионный обмен
α-аминокислоты имеют общую структуру: R-CH(NH2)-COOH и делятся на следующие категории по радикалу:
Неполярные: аланин, валин, изолейцин, лейцин, пролин, метионин, фенилаланин, триптофан;
Полярные незаряженные (заряды скомпенсированы) при pH=7: глицин, серин, треонин, цистеин, аспарагин, глутамин, тирозин;
Полярные заряженные отрицательно при pH=7: аспартат, глутамат;
Полярные заряженные положительно при pH=7: лизин, аргинин, гистидин.
Все аминокислоты – амфотерные электролиты, поэтому могут диссоциировать как основания в кислотных условиях, и как кислоты – в щелочных условиях. Точка, при которой диссоциированные катионы равны анионам, называется – изоэлектрической точкой. Когда уравнения диссоциации принимают вид:
коэффициенты диссоциации выражаются:
Используя данные равенства, а также соответствующие значения pK1 и pK2 из Табл.VIII-6-1, можно построить кривые диссоциации (Рис VIII-6-1). Другими словами, нейтральные аминокислоты проявляют нейтральные свойства в диапазоне между pK1 и pK2, поэтому:
Катионная обработка – при pH ≤ pK1;
Анионная обработка – при pH ≥ pK2.
Аминокислоты, адсорбированные ионообменными смолами, могут быть десорбированы и элюированы при помощи растворов NaOH или аммиака, а также растворами кислот, например, HCl. В общем, иониты используются для обработки аминокислот и аммиака, которые накапливаются в процессе концентрации в качестве элюентов. Также раствор аммиака используется для увеличения ионной силы в сочетании с аммиачными солями.
Производственный процесс L-лизина гидрохлорида изображен на Рис.VIII-6-2, он включает в себя следующие процедуры: 1) окисление сброженного маточного раствора; 2) обработка сильнокислотным катионитом, который адсорбирует лизин, пропуская при этом большинство примесей; 3) лизин, адсорбированный ионообменной смолой, десорбируется растворами аммиака или растворами на основе аммиачных солей.
Аналогичным способом производятся и нейтральные аминокислоты: гистидин, фенилаланин, лейцин, изолейцин, валин, метионин, треонин, пролин и тирозин.
Аминокислоты с низкой растворимостью, как например, фенилаланин, осаждаются из ионообменных смол, которые адсорбируют их в процессе десорбции. Постоянная диссоциация с постоянным добавлением щелочи, перемешиванием и флюидизированием помогут избежать осаждения.
3 — Разделение и обработка эксклюзионным методом
Нейтральные аминокислоты (глютамин, изолейцин, валин и треонин) могут быть отделены от примесей (например: кислые аминокислоты, сульфаты, хлориды, красители и тд.) с помощью эксклюзионной хроматографии с применением сильнокислотного катионита в NH4- или Na-форме. Нейтральные аминокислоты обрабатываются в нейтральной условиях.
При разделении основных аминокислот (например, выделение аргинина из лизина, гистидина и др.) лизин и гистидин проявляют себя как анионы, поэтому катионообменная смола должна быть в такой же ионной форме, что и контр-катион этих анионов. При выделении аргинина, pH воды должен равняться или превышать изоэлектрическую точку аргинина.