
книги из ГПНТБ / Аймухамедова Г.Б. Пирролидонкарбоновая кислота (свойства, применение, способы ее получения и определения)
.pdfН а у ч н ые основы физико-химических ионообменных мето-
•дов получения |
глутаминовой кислоты изучены |
недостаточно |
[5, 71, 99—101]. |
При разработке ионообменного |
сбособа по |
лучения глутаминовой кислоты и бетаина из отходов свекло сахарного производства, а т а к ж е для контроля за процессом необходимо было иметь представление о порядке хроматогра -
фического распределения аминокислот, входящих в |
мелас |
су, на ионитах КУ-2 и Э Д Э - 1 0 П и о поглотительной |
способ |
ности иоиитов по этим веществам. Указанные вопросы реша лись нами в процессе изучения кривых пропускания. Пр и ис следовании поведения аминокислот на анионите Э Д Э - 1 0 П бы
ли использованы растворы чистых аминокислот |
(глутамино |
вой, пирролидонкарбоновой) и фильтрат мелассы |
с катиоин- |
та КУ-2. |
|
Меласса — отход свеклосахарного производства — содер |
ж и т |
до 30% несахаров, включающих соли органических и не |
||
органических кислот, в том числе 4,4—11,3% |
(по весу |
несаха |
|
ров) |
глутаминовой кислоты [ 5 ] , около 90% |
которой |
находит |
ся в |
виде ее л а к т а м а — п и р р о л и д о н к а р б о н о в о й кислоты. |
i |
, |
.J—= |
r |
|
г - — |
.1- |
, € |
2 |
4 |
'8 |
fl |
«0 |
12 |
Рис. 20. Кривая изменения веществ при пропускании через ЭДЭ-10П раствора чистых продуктов (0.25% глутаминовой, 0,5% пироглутаминовой и 0,64% соляной кислот), °Бр. Проскоки кислот: Л — глутаминовой; 2' — пироглутаминовон; З 2 — соляной.
40
Рис. 21. Выходные кривые пропускания через ЭДЭ-10П раствора чистых кислот (0,1% глутаминовой и 1% пироглутаминовой). Изменение концентрации: / — глутаминовой; 2 — пироглутаминовой кислоты; 3 — сухих веществ по рефракто метру. Проскоки кислот: Л — глутаминовой; 21 — пироглутаминовой.
i'J
Рис. 22. Кривые элюировання чистых кислот 0.1 и. КаОЫ. Измененье садержания: / — глутаминовой; 2 — пнроглутамшювой киьготы; 3 — сухих веществ по рефрактометру. Проскоки кислот: Л — глутаминовой; 21 — пн
роглутамшювой.
И с п о л ь з о в а н н ый нами фильтрат |
разбавленной |
мелассы |
||||
после катионита имел |
следующие показатели: р Н раствора — |
|||||
1,2—1,4, содержание |
сухих |
в е щ е с т в — 1 0 — 1 2 ° Б р , |
содержа |
|||
ние пирролидонкарбоновой |
кислоты — 0,33—0,37 |
г в |
100 мл, |
|||
содержание |
глутаминовой |
кислоты — следы. |
Соотношение |
|||
концентрации |
глутаминовой |
и пирролидонкарбоновой кисло г |
||||
в их чистых растворах |
соответственно |
равно 1 : 2 и 1 : 10. |
Анионит ЭДЭ - 10П, обменная•способность которого обус ловливается наличием активных вторичных, третичных и чет вертичных ионогеикых N-групп переводился в ОН - форму и помещался в стеклянную колонку размером 18X70 мм. При насыщении скорость пропускания растворов составляла 2 мл/мин, при элюации — 1 мл/мин. Фильтрат с анионита
42
Рис. 23. Кривые элюпровапня чистых кислот 0.1 и. Н2 0.|. Изменение содер жания: 1 — глутаминовой; 2 — пироглутаминовой кислоты; 3 — сухих веществ по рефрактометру. Проскоки кислот: Л — глутаминовой; 21 —
пироглутаминовой.
о т б и р а л ся порциями и в них определялось содержание сухих веществ в градусах Брикса, присутствие аминокислот и анио нов С1~ и S 0 4 — .
В случае элюироваиия в фильтрате кроме сухих веществ определялись количественное содержание глутаминовой л пирролидонкарбоновой кислот, а т а к ж е величина удельного вращения .
Полученные данные |
в ы р а ж а л и с ь графически |
(рисун |
ки 19—26) в координатах: |
концентрация — отношение |
коли |
чества пропущенного раствора к объему ионита. Появление отдельных кислот или групп на кривых отмечено соответству ющими точками ( Г , 2', 3 ) .
При пропускании мелассы в вышеописанных условиях з
43
Рис. 24. Кривые элюирования кислот, адсорбированных из мелассы раствором 0,1 н. NaOH. Изменение содержания: / — глутаминовой; пироглутаминовой кислоты; 3 — сухих веществ по рефракто метру. Проскоки кислот: Л — глутаминовой; 2' — пироглутами-
новой.
филътрате прежде всего появляются основные и нейтральные аминокислоты, затем одновременно глутаминовая, пирролидонкарбоиовая и аспарагиновая кислоты (рис. 19).
П о выходным кривым растворов чистых препаратов при соотношении концентраций глутаминовой и пирролидонкар
боновой кислот |
1:10 (т. е. |
соотношение примерно такое |
же, |
как в мелассе) |
появление |
кислот в фильтрате т а к ж е |
было |
одновременным |
(рис. 21, точки 1' и 2'). |
|
Из кривых изменения концентрации глутаминовой и пир ролидонкарбоновой кислот видно, что после «проскока» ука
занных кислот |
последняя продолжает еще сравнительно дол |
||
го поглощаться |
аиионитом. При этом |
глутаминовая кислота |
|
выталкивается |
пирролидонкарбоновой |
в фильтрат |
(рис. 21). |
В том случае, когда разница в концентрациях |
кислот в |
44
Рис. 25. Кривые элюироваиня 4% NaOH пироглутаминовой кислоты, адсор бированной анионитом ЭДЭ-10П при насыщении его до ПДОЕ по сухим веществам мелассы. Изменение: / — содержания сухих веществ по реф рактометру, °Бр; 2 — угла поляризации элюата по сахариметру в трубке 2 дм; 3 — содержания глутаминовой кислоты.
растворе была небольшой (0,25% глутаминовой и 0,5% пирро лидонкарбоновой), глутаминовая кислота в фильтрате появ
лялась |
раньше |
пирролидонкарбоновой (рис. |
20, точка |
1'). |
|
Это доказывает, |
что |
пирролидонкарбоновая |
кислота |
более |
|
прочно |
удерживается |
анионитом. Об этом ж е |
свидетельству |
ют кривые элюироваиня указанных кислот 0,1 н. растворами
гидроокиси |
натрия |
и серной |
кислоты |
(рис. 23—24). |
Причем |
|||
последний |
алюат |
способствует |
большему |
хроматографичес- |
||||
кому разделению |
глутаминовой |
и пирролидонкарбоновой кис |
||||||
лот (рис. 23). |
|
|
|
|
|
|
|
|
При элюировании 0,1 н. раствором |
гидроокиси |
натрия с |
||||||
Э Д Э - 1 0 П |
аминокислот, адсорбированных |
из фильтрата ме |
||||||
лассы с катионита, |
получается |
несколько |
другая |
картина. |
||||
Во-первых, |
начало |
выхода в |
элюат обеих |
кислот происходит |
одновременно, во-чторых, максимумы концентраций глутами новой и пирролидонкарбоновой кислот в э л ю а т а х совпадают
45
Рис. 26. |
Кривые элюирования 4%-ным |
раствором аммиака пироглутаминовои |
кислоты, |
адсорбированной анионитом |
ЭДЭ-10П при насыщении его до ПДО.л |
|
по сухим веществам мелассы. |
Изменение: 1 — содержания сухих вещестп по рефрактометру, °Бр; 2 — угла поляризации элюата по сахариметру в трубке 2 дм; 3 — содержания пироглу
таминовои кислоты.
(рис. 24, 1 и 2). Это подтверждает наше предположение о том, что на адсорбционио-десорбциониые процессы указанных кис
лот влияет |
как |
их |
концентрация |
в мелассе, |
так |
и присут |
||||||
ствие других |
несахаров |
Особенно |
хорошо |
видно |
влияние |
пс- |
||||||
сахаров мелассы |
на |
поглотительную способность |
ЭДЭ - 10П |
по |
||||||||
п и р р ол и до н к а р бо н ов ой к и сл оте. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Динамическая |
обменная |
емкость |
ЭДЭ-10П |
|
||||||||
|
по пирролидонкарбоновой |
кислоте |
|
|
1 |
|||||||
Поглотительную |
способность |
ЭДЭ - 10П в ОН - форме |
по |
|||||||||
пирролидонкарбоновой |
кислоте определяли |
как |
в |
растворе |
||||||||
чистого препарата, так и в разбавленной |
мелассе, |
предвари |
||||||||||
тельно пропущенной через катионит КУ-2 в Н-форме. |
|
|||||||||||
Концентрацию |
чистого |
раствора |
пирролидонкарбоновой |
|||||||||
кислоты взяли равной 0,7%, что, примерно, |
соответствует мак |
|||||||||||
симальному |
содержанию |
пирролидонкарбоновой |
кислоты в |
разбавленной мелассе с бриксом 15—16°. Смола в ОН - форме
(10 |
г с |
влажностью |
10%) |
засыпалас ь в |
стеклянную колонку |
|||||||||||
размером |
18x120 мм. |
Раствор |
пропускали |
до уравнивания |
||||||||||||
концентрации |
кислоты |
во |
входящем |
и выходящем |
растворах. |
|||||||||||
О |
количестве пирролидонкарбоновой |
кислоты, |
поглощен |
|||||||||||||
ной |
ионптом, |
судили |
по |
|
разности |
между ее |
содержанием |
в |
||||||||
растворе, |
пропущенном |
|
через колонку, и |
количеством |
кисло- |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица |
20 |
|
Результаты |
насыщения ЭДЭ-10П раствором пирролидонкарбоновой |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
кислоты |
до |
уравнивания |
концентраций |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Элюацпя |
1н. NaOH |
Элюация 4% |
NH4 OH |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
содержа |
|
|
содержа |
|
||
|
|
Раствор |
|
|
|
объем, |
ние |
пирро |
объем, |
ние |
пирро |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мл |
лидонкар |
|
мл |
лидонкар |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
боновой |
|
|
боновой |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
кислоты, г |
|
|
кислоты, |
г |
||
Раствор |
пирролидонкарбо |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
новой кислоты, пропущен |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
ной через ЭДЭ-10П |
до |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
уравнивания |
концентра |
|
|
880 |
6,16 |
880 |
|
6,16 |
|
|||||||
ций |
|
от насыщения |
|
|
|
|
|
|||||||||
Фильтрат |
|
|
|
880 |
0.85 |
880 |
|
1,12 |
|
|||||||
аммонита |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Промой |
анионита после на |
|
3700 |
1,96 |
3950 |
|
1,61 |
|
||||||||
сыщения |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Элюат |
|
|
|
ки |
|
|
590 |
3,39 |
260 |
|
3.40 |
|
||||
Пирролидонкарбоновая |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
слота, |
задержанная |
10 г |
|
|
|
3,35 |
|
|
|
3.43 |
|
|||||
воздушно-сухой смолы |
|
|
|
— |
- — |
|
|
47
ты, «проскочившей» при насыщении . и промывке после насы
щения в |
фильтрат и промой, а т а к ж е |
по количеству пирроли |
||||||
донкарбоновой кислоты, снятой со смолы во время |
элюацни. |
|||||||
Содержание |
пирролидонкарбоновой |
кислоты |
в |
растворах |
||||
| пределяли после предварительного |
гидролиза |
электрофоре- |
||||||
тическим |
методом. Д а н н ы е |
этих опытов |
приведены |
в табл . 20. |
||||
Как видно из таблицы, |
до уравнивания концентраций су- |
|||||||
MIX веществ во входящем и выходящем |
растворах |
пропущено |
||||||
го 880 мл раствора с |
содержанием |
|
пирролидонкарбоновой |
|||||
кислоты |
6,16 г, |
из них |
примерно 2,8 г кислоты |
|
перешло в |
фильтрат и промой после насыщения, а на аммоните в обоих
случаях з а д е р ж а л о с ь |
около |
3,4 г. |
Такое ж е |
количество |
кисло- |
|
•| ы снято с ионита во время |
элюации. |
|
|
|||
Таким образом, |
полная |
динамическая |
обменная |
емкость |
||
1 г воздушно-сухой |
смолы |
Э Д Э - 1 0 П |
по пирролидон |
карбоновой кислоте равна 0,34 г, или с учетом влажности — L',93 мг. экв/г.
Д л я производственных целей большой интерес представ ляет динамическая обменная емкость вышеуказанного аммони та по пирролидонкарбоновой кислоте, входящей в мелассу, а именно то максимальное количество кислоты, которое спо
собно з а д е р ж а т ь с я на аниомите в |
ОН - форме . |
|
||
Этот показатель определялся путем пропускания в выше |
||||
описанных |
условиях |
фильтрата |
мелассы после |
катионита с |
1 ой только |
разницей, |
что помимо |
насыщения до |
уравнивания |
концентраций во входящем и выходящем растворах проводи-
.юсь насыщение смолы до различных рН фильтрата с аниопита.
При |
насыщении |
анионита до |
уравнивания |
концентрации |
||||
сухих веществ во входящем |
и выходящем растворах |
(до рН |
||||||
:',3—2,4) примерно |
20% пирролидонкарбоновой |
кислоты, по |
||||||
ступившей |
в колонку, переходит в фильтрат, 1 0 % — в промой |
|||||||
после |
насыщения и только |
около |
70% |
з а д е р ж и в а е т с я анио- |
||||
питом |
и |
составляет |
0,5 мг. |
экв/г, |
или 0,052 г |
на 1 г |
сухого |
|
анионита. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Низкое |
значение |
П Д О Е |
Э Д Э - 1 0 П |
по пирролидонкарбоно- |
пой кислоте из мелассы можно объяснить наличием в фильт
рате |
после КУ-2 анионов кислот |
более сильных, |
чем упомя |
|
нутая |
кислота (например, S 0 4 |
и С1~), которые |
и вытес |
|
няют |
ее. |
|
|
|
Исследования показали, что наибольшее количество ука |
||||
занной кислоты из |
мелассы поглощается при насыщении до |
|||
рН 4,3—4,5. В этом |
случае анионит з а д е р ж и в а е т до 98—100% |
пирролидонкарбоновой кислоты, поступающей на анионитную
.солонку, и только около 2% ее «проскакивает» в промой после
48
насыщения. Н о г здесь количество |
кислоты, |
адсорбированной |
|
смолой, составляет лишь около 30% |
от П Д О Е |
из чистых раст |
|
воров, т. е. на 1 г смолы приходится примерно 0,83 |
мг-экв. |
||
пирролидонкарбоновой кислоты. У к а з а н н а я величина |
зависит |
||
от состава фильтрата мелассы после |
катионнта. |
|
Гидролиз и кристаллизация пирролидонкарбоновой кислоты
При получении глутаминовой кислоты гидролиз пирроли донкарбоновой кислоты является одним из наиболее в а ж н ы х процессов производства. От того, насколько полно пройдет гидролиз, будет зависеть выход готового продукта. В настоя щее время применяется два вида гидролиза: кислотный и ще лочной. Первый наиболее распространен при переработке протеинсодержащего сырья [42—45], второй — при перера ботке отходов производства по обессахариванию мелассы [46—50].
В случае применения ионитов для извлечения глутамино вой кислоты из мелассы пли соков свеклосахарного производ
ства, |
а |
т а к ж е из |
барды |
паточноспнртового |
производства |
ис |
пользуются и кислотный, и щелочной гидролизы [51—54]. |
К а к |
|||||
тот, |
так |
и другой |
имеют |
своп преимущества |
и недостатки. |
Ос |
новным недостатком кислотного гидролиза, особенно соляно кислого, является корродирующее действие реакционной сре
ды на аппаратуру . |
Д л я щелочного |
гидролиза это |
не х а р а к |
||||
терно, и в последнее |
время он начинает находить все большее |
||||||
распространение |
в |
производстве. |
Но |
процессы |
щелочного |
||
гидролиза еще |
недостаточно |
изучены, |
и |
поэтому |
некоторые |
||
исследователи |
рекомендуют |
применять |
этот способ с боль |
||||
шой осторожностью |
[ 5 ] . |
|
|
|
|
|
Существует мнение, что щелочной гидролиз может приве сти к рацемизации глутаминовой кислоты. Но более поздние
исследования |
[55], а |
т а к ж е опыт |
работы |
промышленных |
||||
предприятий |
Франции |
и Паневежского |
спирткомбината в |
|||||
Литовской С С Р показывают, |
что |
рацемизация в определен |
||||||
ных условиях |
невелика. Так, М. Н . Б а р а б а н о в и И. М. Л и т в а к |
|||||||
установили, что после четырехчасового нагревания 0,8% |
раст |
|||||||
вора |
в присутствии 5—10% |
гидроокиси натрия |
при темпера |
|||||
туре |
кипящей |
водяной |
бани, |
а т а к ж е после |
одночасового |
наг |
ревания при температуре 105° 0,5—2%-ных растворов глута миновой кислоты в 10%-ном растворе гидроокиси натрия из менения поляризации растворов небольшие и находятся в пре
делах точности поляриметрических измерений. Это |
позволи |
ло сделать вывод, что рацемизация глутаминовой |
кислоты |
4 |
2367 |
49 |