Производство аминокислот

Сферы практического применения препаратов аминокислот
1) в пищевой промышленности (около 30 % производимых аминокислот):
Цистеин - предотвращает пригорание пищи, улучшает качество хлеба при выпечке, усиливает запах пищи;
Глицин - обладает освежающим, сладковатым вкусом, используется при производстве напитков;
Глутаминовая кислота – для усиления вкуса и консервирования пищи;
2) в медицинской и фармацевтической практики:
лекарственные препараты, смеси для ЛП, для терапии послеоперационных больных, язвенной болезни, печени, психических заболеваний
(серотонин, аспарагин, валин, гистидин, глицин и др.);

3) в химической промышленности аминокислоты используют как предшественники :
в производстве детергенов,
в производстве полиаминокислот,
в производстве полиуретана и т.п.;
4) в сельском хозяйстве:
как кормовые балансирующие добавки.
Существует 4 способа промышленного получения незаменимых аминокислот:
1) гидролиз природного белоксодержащего сырья;
2) химический синтез;
3) микробиологический синтез;
4) биотрансформацией предшественников аминокислот с помощью микроорганизмов или выделенных из них ферментов (химико-микробиологический метод).

Получение аминокислот гидролизом природного белоксодержащего сырья
В качестве источников для гидролиза используют:
отходы мясоперерабатывающей промышленности
(отходы обработки животного сырья, кровь и т.д.),
яичный белок,
казеин молока,
клейковина пшеницы,
соевый шрот и т.д.
При гидролизе белоксодержащее сырье нагревают с растворами кислот и щелочей, при температуре от 100 до 105 ºС в течение 20…48 часов. При этом аминокислоты переходят в гидролизат.

Для выделения отдельных аминокислот из гидролизата проводят сложную многостадийную очистку, включающую в себя:
нейтрализацию среды выделения,
ионообменную хроматографию,
аффинную хроматографию,
концентрирование АК,
лиофилизацию АК с последующей фасовкой.
Основные недостатки данного способа:
Сложность процесса выделения и очистки,
Кроме того, само сырье считается дефицитным и дорогим, поэтому аминокислоты имеют высокую себестоимость.
Часть аминокислот может разрушиться (таких как триптофан, цистеин, метионин, тирозин),
Происходит рацемизация.

Получение аминокислот химическим синтезом
Химический синтез аминокислот занимает второе место по объему производства (около 30%).
Основные недостатки химического синтеза:
1. Получение смеси аминокислот, состоящей из D- и L-изомеров (биологической активностью в организме человека и животных обладают лишь L-изомеры).
Некоторые из D-изомеров токсичны для человека и животных.
Исключением в этом отношении является метионин, у которого биологически активными являются как D-, так и L-изомеры, в связи, с чем данная аминокислота производится преимущественно путем химического синтеза.

2. Производство аминокислот связано с использованием дорогостоящего оборудования и агрессивных токсических соединений в качестве исходного сырья.
3. Процесс, как правило, протекает при высокой температуре,
4. Требует дорогостоящих катализаторов,
5. Сопровождается образованием побочных продуктов,
6. Загрязняет окружающую среду,
7. Небезопасно и вредно для обслуживающего персонала.

Микробиологический способ производства аминокислот
Более 60 % всех производимых чистых препаратов аминокислот получают путем микробиологического синтеза.
Данный способ производства аминокислот включает в себя биосинтез аминокислот высокоактивными штаммами-продуцентами и технологические операции по получению различных товарных форм.
При микробиологическом синтезе образуются только L-аминокислоты.
Чаще всего для синтеза аминокислот используют ауксотрофные мутантные штаммы.
На основе культивирования микроорганизмов для получения чистых препаратов аминокислот применяют промышленные технологии, включающие одно- и двухступенчатый синтез аминокислот.

При одноступенчатом синтезе в промышленных культиваторах выращивают ауксотрофные регуляторные мутанты, являющиеся сверхпродуцентами аминокислот.
После завершения рабочего цикла их выращивания:
культуральную жидкость отделяют от клеток микроорганизмов,
культуральную жидкость сгущают,
получают из нее товарный продукт с высокой концентрацией синтезированной микробами аминокислоты.

В процессе двухступенчатого синтеза аминокислоты:
получают предшественника аминокислоты (часто более дешевым химическим синтезом),
с помощью ферментов, вырабатываемых микроорганизмами, превращают предшественник в аминокислоту, при этом образуется только L-изомеры.
В качестве источника фермента могут быть использованы суспензия клеток микроорганизмов или полученный после разрушения этих клеток ферментный раствор.
Этим методом можно производить практически все аминокислоты, но из-за дороговизны и сложности получения кислот-предшественников этот метод не всегда экономически выгоден и в большинстве случаев уступает методу прямого микробиологического синтеза.

Продуценты аминокислот.
В качестве продуцентов аминокислот используют генетически измененные штаммы, обладающие способностью к сверхсинтезу аминокислот.
Лучшими продуцентами аминокислот являются ауксотрофные мутанты (микроорганизмы, лишенные ряда ферментных систем, поэтому очень требовательны к составу питательной среды, в которой должно присутствовать большое количество факторов роста).
В качестве продуцентов аминокислот используют грамположительные бесспоровые бактерии родов :
Corynebacterium,
Brevibacterium,
Micrococcus.

Для производства аминокислот бактерии стали использовать с начала 50-х гг., при этом штаммы бактерий постоянно улучшали генетическими методами, выделяя ауксотрофные мутанты и мутанты с измененными регуляторными свойствами.
Образовывать аминокислоты способны бактерии многих родов:
Виды Corynebacterium или Brevibacterium, выращиваемые на углеродном сырье, на этиловом спирте или ацетате при наличии достаточного количества биотина в питательной среде способны синтезировать до 30 г/л глутамата.
Производство аминокислот с помощью
ауксотрофных мутантов

Условия накопления глутамата:
Полное или частичное подавление активности α-кетоглутаратдегидрогеназы,
Добавление β-лактамных антибиотиков,
Добавление ПАВ и жирных кислот.
Путем изменения условий среды процесс ферментации, в ходе которого образуется L-глутамат, может быть переключен на синтез L-глутамина или L-пролина:
- при высокой концентрации биотина и ионов аммония создаются благоприятные условия для образования L-пролина,
- при больших концентрациях ионов аммония и цинка в слабо кислой среде усиливается синтез L-глутамина.

Ауксотрофные мутанты применяются, когда необходимо синтезировать соединения являющиеся конечными продуктами разветвленных цепей метаболических реакций:
Например: L-аспартат является общим предшественником для L-лизина, L-треонина, L-метионина и L-изолейцина.
Первая реакция в процессе образования этих аминокислот катализируется аспартокиназой, активность, которой может быть ингибирована по механизму отрицательной обратной связи при совместном действии L-лизина, L-треонина.
У мутантов ауксотрофных по гомосерину или треонину (метионину) существенно уменьшается внутриклеточная концентрация L-треонина, что снимает блокаду с аспартокиназы и позволяет клеткам накапливать L-лизин.

Ауксотрофные мутанты способны накапливать конечные продукты неразветвленных путей биосинтеза.
В таких случаях приходится отбирать мутанты с частично нарушенной регуляцией биосинтеза, что позволяет получить повышенный выход конечного продукта. Такие мутанты называются регуляторными, их отбирают по устойчивости к аналогам аминокислот или среди ревертантов ауксотрофов.
В основе использования аналогов аминокислот лежит сходство с природными аминокислотами. Они ингибируют рост бактерий, но этот эффект может быть уменьшен путем добавления соответствующей аминокислоты.
Таким образом, аналоги выступают в роли искусственных, работающих по принципу отрицательной обратной связи, ингибиторов ферментов, обеспечивающих биосинтез природных аминокислот и одновременно подавляют процесс включения их в белки.

Для увеличения выходааминокислот можно воспользоваться как ауксотрофией, так и дефектами регуляции одновременно.
Например: у Corynebacterium glutamicum и Brevibacterium flavum сверхпродукции L-треонина не наблюдается, т.к. не происходит сочетанного ингибирования по механизму отрицательной обратной связи аспартокиназы L-треонином, и L-лизином, а L-треонин ингибирует гомосеридегидрогеназу.
Мутант, устойчивый к аналогу треонина синтезирует в избыточном количестве треонин, т.к. его ферменты ингибированные этой аминокислотой, десенсибилизированы.
Гомосеридегидрогеназа и киназа, принимающие участие в синтезе треонина также «выключаются» L-метиокином, и поэтому ауксотрофы по метионину образуют L-треонин с еще большим выходом.
Регуляторные мутанты можно получить путем трансдукции, проводя отбор мутаций, вызывающих полное рассогласование регуляторных механизмов, затем объединяя эти признаки путем трансдукции.

L-глутаминовая кислота (α-аминоглутаровая):
– первая аминокислота, полученная путем промышленного микробиологического синтеза;
важнейшая аминокислота растительных и животных белков, не относится к незаменимым;
глутамат натрия усиливает вкус пищевых продуктов,
способствует длительному сохранению вкусовых качеств консервированных продуктов;
за рубежом глутамат натрия добавляют во все продукты не только при консервировании, но и при замораживании и просто хранении;
глутаминовая кислота стимулирует пищеварение.
Производство глутаминовой кислоты является крупно-тоннажным биотехнологическим производством (> 400 000 т/ г).
Ведущие страны–производители - Япония и США.
Получение глутаминовой кислоты

Продуценты глутаминовой кислоты:
- дрожжи,
- микроскопические грибы,
- бактерии (обеспечивают наибольший выход).
Бактерии - продуценты: Micrococcus, Brevibacterium, Corynebacterium.
Сверхсинтез кислоты возможен при торможении скорости роста и увеличении проницаемости клеточной мембраны для глутаминовой кислоты:
наличие биотин (1–5 мкг/л),
присутствие некоторых антибиотиков
высокая концентрация аммония в среде,
высокая активность НАД(Ф)Н-зависимой глутаматдегидрогеназы,
отсутствие или дефект α-кетоглутарат-дегидрогеназы.

Стадии производства глутаминовой кислоты :
Приготовление питательной среды.
- Питательная среда содержит 5 % сахарозы, 1 % мочевины, 1,5 % мелассы и по 0,1 % сульфата магния, одно- и двухзаме-щенного фосфата калия; рН 6,8 – 7,5; температура 30 °С.
- Инкубация на каждой стадии длится 24 ч.
- Инокулят готовят в аэробных условиях на среде такого же состава в ферментерах объемом 200 л и 5 м3 до получения 6–8 г/л сухой биомассы.
2. Производственное культивирование:
- Инокулят (5–6 %) переносят в главный ферментер объемом 50 м3, 70 % общего объема которого занимает питательная среда следующего состава: 8,5–10 % сахарозы, 1,2 % мелассы, 0,5 % мочевины, по 0,1 % одно- и двухзамещенного фосфата калия, по 0,01 % сульфата марганца и сульфата цинка.

- Интенсивность аэрации – 40–45 мг О2 л/мин, рН 7,8–8,0, температура – 30 °С.
- Ферментация длится 2 сут. (за это время в среде накапливается глутаминовой кислоты до 50 г/л).
3. Освобождение целевого продукта из биомассы методом центрифугирования. Фильтрат осветляют активным углем.
4. Концентрирование культуральной жидкости в выпарном аппарате до 40–50 % абсолютно сухого вещества при температуре не выше 70 °С.
5. Кристаллизация и последующее подкисление целевого продукта до рН 3,2 и охлаждение его до 15 °C до тех пор пока в маточном растворе остается не более 20–30 г глутаминовой кислоты.

Постферментационная стадия
(получение высокоочищенных препаратов) :
1. в культуральную жидкость добавляют:
- негашеную известь или известковое молоко,
- затем избыток ионов осаждают кислотой,
- осадок удаляют центрифугированием.
2. фильтрат осветляют активированным углем
3. сорбируют на ионообменных смолах
4. концентрируют вакуум-выпариванием при 40–60 °С.
5. Осаждение кристаллов глутаминовой кислоты проводят в изоэлектрической точке (рН 3,2 при 4–15 °С).
В результате перекристаллизации чистота продукта достигает 99,6 %.
7. кристаллы кислоты отделяют от маточника центрифуги-рованием, промывают и сушат.

Для получения глутамата натрия -
кристаллы глутаминовой кислоты обрабатывают гидроокисью натрия:
1. влажные кристаллы растворяют в воде,
2. нейтрализуют 40–50 % раствором едкого натра,
3. полученный раствор фильтруют,
4. упаривают под вакуумом до содержания сухих веществ 60 %
5. направляют на перекристаллизацию,
6. полученные кристаллы глутамата натрия выделяют из маточного раствора центрифугированием,
7. высушивают током горячего воздуха.
Содержание чистого вещества составляет 98 %.

Лизин – алифатическая незаменимая аминокислота:
- структурные элемент белка,
- является предшественником карнитина и оксилизина,
- способствует секреции пищеварительных ферментов
- способствует транспорту кальция и стронция в клетки,
- улучшает общий азотный баланс в организме.
Наиболее дешевым и освоенным способом получения лизина является микробиологический метод.
Впервые такое производство налажено в Японии в середине 50-х гг.; затем в Голландии и США.
Микробиологический синтез лизина

Лизин – алифатическая незаменимая аминокислота:
- структурные элемент белка,
- является предшественником карнитина и оксилизина,
- способствует секреции пищеварительных ферментов
- способствует транспорту кальция и стронция в клетки,
- улучшает общий азотный баланс в организме.
Наиболее дешевым и освоенным способом получения лизина является микробиологический метод.
Впервые такое производство налажено в Японии в середине 50-х гг.; затем в Голландии и США.
Продуцентами лизина являются - бактерии, актино-мицеты, сине-зеленые водоросли.
Сейчас получены штаммы, способные вырабатывать до 60 г/л и более аминокислоты.

В основе производства положен одноступенчатый микробиологический синтез (включают промышленное культивирование ауксотрофных мутантов бактерий из рода Corynebacterium) .

Мутантные клетки, не образующие гомосерин-дегидрогеназы, при культивировании на искусственной питательной среде обеспечивают высокий выход лизина.
Дефицитные аминокислоты, которые не синтезируются мутантными клетками (гомосерин, треонин, метионин), вводятся в состав питательной среды в таком количестве, чтобы они не были регуляторами синтеза лизина.
В процессе культивирования микроорганизмов обеспечивается подача стерильного воздуха с помощью специальных турбинных мешалок, для предотвращения вспенивания субстрата и клеточной суспензии в среду культивирования добавляют пеногасители.

Приготовление питательной среды :
- источника углерода используют смеси, включающие уксусную кислоту и свекловичную мелассу, небольшие добавки сахара (1 %) повышают выход лизина на 30–50 %;
- в качестве источника азота – соли аммония, мочевину, кукурузный экстракт
- в качестве источника биологически активных веществ (1,2–1,5 % по содержанию сухих веществ), гидролизаты дрожжей.
- дефицитные аминокислоты - гомосерин, треонин, метионин.
- необходимые для жизнедеятельности микроорганизмов микро- и макроэлементы, витамины (биотин и др.).
- среда должна содержать (в л): 200 мг метионина, 800 мг треонина, 15–20 мкг биотина.
- соотношение углерода и азота оптимально как 11: 1.

Посевной материал - вначале выращивается в посевных аппаратах при 28–32 °C, рН 7–7,2 в течение 18–24 ч.
Суспензия клеток подается в ферментеры, в которых поддерживается постоянный режим аэрации, избыточное давление 20–30 кПа, непрерывное перемешивание, контроль за всеми параметрами среды.
Культивирование осуществляется в строго стерильной глубинной аэробной периодической культуре.
Время ферментации составляет 55–72 ч.
Накопление в культуральной жидкости лизина начинается через 25–30 ч после начала выращивания промышленной культуры и к концу ферментации достигает 40–50 г/л.
Культуральную жидкость отделяют от культуры клеток продуцента фильтрованием и используют для получения лизина.

Производство нескольких видов продукции: жидкий концентрат лизина (ЖКЛ), сухой кормовой концентрат лизина (ККЛ), высококонцентрированные кормовые и высокоочищенные кристаллические препараты .
1. ЖКЛ получают выпариванием культуральной жидкости на ваккум-выпарной установке до концентрации 40 %. Для предотвращения деградации лизина при нагревании добавляют бисульфит натрия и соляную кислоту до рН 4,5–5,0, в результате образуется соль – монохлоргидрат лизина.
2. Сухой кормовой концентрат лизина - жидкий концентрат сушат горячим воздухом на распылительной сушилке при 90 °С до влажности 4–8 % (препарат содержит 15–20 % монохлоргидрата лизина, 15–17 % белков, 14 % аминокислот, витамины группы В, минеральные вещества). Далее высушивают на вальцово-ленточной сушилке и гранулируют. Гранулированный препарат ККЛ негигроскопичен, содержит 7–10 % лизина.

3. Для получения очищенного высококонцентрированного препарата лизина культуральную жидкость после фильтрования подкисляют соляной кислотой до рН 1,6–2.
Образовавшийся раствор монохлоргидрата лизина направляют на колонки с катионитом.
Затем проводят десорбцию аминокислоты элюированием 0,5–5 % раствором аммиака.
Элюат выпаривают под вакуумом при 60 °C до концентрации 30–50 %.
После подкисленный соляной кислотой раствор монохлоргидрата высушивают.
Путем перекристаллизации полученной соли можно получить препараты с содержанием монохлоргидрата лизина в количестве 97–98 %

Отсутствие или дефицит триптофана в организме приводит к ряду тяжелых заболеваний (диабет, туберкулез, пеллагра).
Для производства триптофана применяют:
- одноступенчатый синтез с помощью бактериальных ауксотрофных мутантов с нарушенной регуляцией синтеза аминокислот;
- двухступенчатый синтез, включающий вначале получение предшественника триптофана, а затем его ферментативное превращение в триптофан .
Для смещения метаболических реакций по пути преимущественного образования триптофана необходимо блокировать превращение хоризмовой кислоты в префеновую, что достигается действием мутагенных факторов.
Микробиологический синтез триптофана

Продуценты - ауксотрофные мутанты рода Bacillus subtilis с нарушенным синтезом фенилаланина и тирозина.
Все технологические процессы организованы по той же схеме, что и получение лизина. Ферментация длится 48 ч при 37°С, концентрация триптофана в культуральной жидкости достигает 10 г/л
Синтез триптофана в нашей стране производится преимущественно по двухступенчатой схеме:
- Вначале методом химического синтеза получают предшественник триптофана – антраниловую кислоту
- Антраниловую кислоту затем с участием ферментов микробного происхождения превращают в триптофан.

Биохимическое превращение антраниловой кислоты в триптофан происходит в 3 этапа:
- на I этапе из антраниловой кислоты с участием фосфорибозилпирофосфата образуется аминогликозид-N-(5′-фосфорибозил)-антраниловая кислота,
- на 2 этапе аминогликозид-N-(5′-фосфорибозил)-антраниловая кислота в результате внутримолекулярной перегруппировки и декарбоксилирования превращается в индол-3-глицерофосфат.
- на 3 этапе под действием фермента триптофансинтетазы из индол-3-глицерофосфата и серина образуется триптофан.
В качестве активной группы у фермента триптофансинтетазы служит пиридоксальфосфат. В качестве источника ферментов используют дрожжи .