Способ получения d,l-метионина или его соли (варианты) - RU2176240C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к способу получения D,L-метионина или соли D,L-метионина с использованием следующих компонентов: 3-метилмеркаптопропионового альдегида, цианистого водорода, аммиака и двуокиси углерода или 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина или соли D, L-метионина или с использованием соединений, из которых могут быть синтезированы вышеуказанные компоненты в присутствии воды.

Ниже приведены уравнения реакции для получения: 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина:

Стадии получения 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина, соли метионина и свободного метионина целесообразно проводить непрерывно и, следовательно, синтез метионина должен представлять собой непрерывный процесс.

Особенно выгодно подвергать рециркуляции аммиак и двуокись углерода, то есть использовать выделяющиеся на соответствующих стадиях синтеза указанные компоненты для следующего цикла синтеза. Прежде всего целесообразно при использовании соединений калия возвращать их в цикл.

Уровень техники
Способ получения 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина в основном известен. Согласно этому способу для синтеза целевого продукта используют компоненты, указанные в уравнении (1), или соединения, из которых можно получить указанные компоненты. Так, например, используют щелочи или соли аммония наряду с цианистым водородом, аммиаком и двуокисью углерода или акролеин и метилмеркаптан наряду с 3-метилмеркаптопропионовым альдегидом. Известен способ получения замещенных гидантоинов с помощью превращения соответствующих альдегидов и кетонов в присутствии цианидов щелочных металлов и карбоната аммония (Chem.Rev. 46 (1959) 422-425). Превращение проводят с использованием стехиометрических количеств исходных компонентов при 80^oC и давлении 3 бар или в присутствии многократного избытка аммиака при температуре при 60^oC и нормальном давлении (DT-PS 1166201). Известен также способ получения 5-(2 метилмеркаптоэтил)-гидантоина из 3-метилмеркаптопропионового альдегида в присутствии карбоната аммония и цианидов. Реакцию проводят при 40-120^oC, далее pH реакционной смеси доводят до 4 и для завершения реакции смесь нагревают до 50-100^oC (US-PS 2557913). Согласно другому известному способу 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоин получают путем добавления 3-метилмеркаптопропионового альдегида в водный растворе, содержащий аммиак, двуокись углерода и синильную кислоту или их соли, в котором в данном случае частично или полностью происходит превращение. Затем в этот раствор добавляют водный раствор аммиака, двуокиси углерода или их солей и ранее полученный 3-метилмеркаптопропионовый альдегид и проводят реакцию превращения при 100^oC и при нормальном давлении. (DT-OS 1620332). В японском патенте 48-005763 описан способ получения 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина из 3-метилмеркаптопропионового альдегида и цианистого водорода или цианида и карбоната аммония в присутствии аммиака при 80^oC в течение 1,5 часов с выходом 98,5%. Проведение реакции в присутствии комплексонов ионов металлов в воде приводит к выходу 97,8% (JP 48-004465). Аналогичный способ с использованием органических растворителей при 50-200^oC под давлением описан в патенте JP 40-36676. Одностадийный способ получения D,L-метионина включает нагревание смеси акролеина, метилмеркаптана, цианистого водорода и карбоната аммония в воде при 50-70^oC в течение 2 часов и омыление полученного гидантоина до D,L-метионина (JP 50-004018).

Подобным образом проводят реакцию, описанную в патенте Японии 52-027768, но в отличие от вышеописанного способа в реакционную смесь добавляют аминокислоты, такие как метионин, треонин, глицин, аланин или лейцин. Нагревание смеси 3-метилмеркаптопропионового альдегида, двуокиси углерода, аммиака, цианистого водорода и едкой щелочи при 80^oC в течение 2 часов приводит к получению 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина с выходом 97% (JP 50-018467).

Известен способ получения 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина из 3-метилмеркаптопропионового альдегида, цианида натрия и карбоната аммония в воде в присутствии тиосульфата калия или карбоната калия (SU 740770). Известен также одностадийный способ получения 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина из акролеина, метилмеркаптана, цианистого водорода и карбоната аммония с выходом 85% (Asahi Chem. Ind., Agric. Biol. Chem. 52, 589 (1988). Аналогичный способ описан в китайском патенте CN 851085905, но в отличие от предыдущего способа в реакционную смесь добавляют раствор метионина в уксусной кислоте, выход 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина составляет 91%.

Полученный по известным методам 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоин содержит значительные количества примесей: 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоиновую кислоту, амид 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоиновой кислоты, метионинамид, метиониннитрил, а также циангидрин метилмеркаптопропионового альдегида, иминонитрил и полимеры. В то время как первые три из перечисленных соединений, так же как и гидантоин, превращаются в метионин в результате щелочного гидролиза, остальные соединения и их продукты гидролиза остаются в реакционной смеси и при дальнейшем выделении полученного метионина удаление этих примесей представляет значительные трудности. Эти проблемы возникают в тех случаях, когда для получения метионина используют гидантоин и для выделения метионина из реакционной смеси используют двуокись углерода с последующим возвращением маточного раствора в следующий цикл синтеза. Полученный метионин окрашен и нестабилен при хранении.

Щелочной гидролиз 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина является известным методом. Например, известен способ гидролиза 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина в водном растворе гидроксида бария под давлением и повышенной температуре (US-A 2527366 и US-A 2557913). Недостатками этого способа является необходимость использования больших количеств дорогостоящего гидроксида бария с последующим выделением нейтральной соли бария. Из патента США US-A 2557920 известно, что при использовании гидроксида натрия для гидролиза гидантоинов образуются альфа-аминокислоты. Однако недостатком этого способа является необходимость использования по меньшей мере трехкратного избытка гидроксида натрия на моль гидантоина. Те же самые недостатки характерны при использовании гидроксида калия.

Кроме того, из патента США US-A 4272631 известно, что для гидролиза 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина можно использовать смесь гидроксидов щелочных и щелочноземельных металлов. Однако при выделении метионина возникает необходимость отделить ионы щелочноземельных металлов, что приводит к снижению выхода целевого продукта до 80,5%.

Известен способ гидролиза 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина при 105 - 230^oC под давлением в среде, содержащей гидроксид металла и спирт с температурой кипения от 125 до 130^oC (US-A 4259925). Недостатком этого метода является необходимость регенерировать высококипящий спирт. Кроме того, выход составляет 65%.

В патенте DE-PS 1906405 описан гидролиз 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина в водных растворах карбонатов щелочных металлов и/или гидрокарбонатов щелочных металлов. В процессе гидролиза наблюдается непрерывное выделение аммиака и двуокиси углерода. При этом предпочтительно использовать карбонат калия и молярное соотношение гидантоин - щелочь от 1:1 до 1:5. Гидролиз проводят под давлением при температуре 120 - 220^oC. Непрерывно действующий аппарат под давлением состоит из трех последовательно соединенных циркуляционных испарителей. D, L-метионин выделяют из раствора метионата щелочных металлов с использованием двуокиси углерода; затем маточный раствор, полученный после отделения кристаллического метионина, возвращают в цикл для дальнейшего гидролиза 1-2% остаточного гидантоина.

Известен способ смещения равновесия реакции гидролиза в сторону образования аминокислоты путем удаления образующихся газообразных продуктов реакции (аммиака и двуокиси углерода) из реакционной смеси, что приводит к увеличению выхода целевого продукта (DE-AS 1518339). При этом требуется сложная аппаратура для регулирования давления газового потока.

В японском патенте 49/116008 описан способ гидролиза 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина в присутствии ванадиевых, молибденовых, вольфрамовых кислот или их производных. Выход составляет около 70%. Недостатком этого метода является необходимость отделения катализатора. Кроме того, для получения высококонцентрированого раствора метионина необходимо добавлять щелочь, например, соединение калия.

Известен способ (заявка на патент Японии 75/106901, С.А. 84, 44666k (1976)) получения метионина из 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина путем гидролиза в присутствии приблизительно 1,2 эквивалентов гидроксида натрия и приблизительно 9 эквивалентов аммиака при 180^oC. При этом образующийся раствор метионата натрия содержит выпадающий в осадок карбонат натрия, что значительно осложняет осуществление непрерывного процесса. Аналогичный способ с использованием гидроксида калия описан в патенте Германии DE-PS 1906405.

В патенте Германии DE 2614411 A описан гидролиз 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина в водном растворе в присутствии имидазола при 160^oC. Метод характеризуется низким выходом, кроме того, необходимо добавлять соединения щелочных металлов для получения высококонцентрированного раствора.

В заявках на патент Японии (JP 03/95145 и JP 03/95146) описан гидролиз гидантоинов в водных растворах при повышенной температуре и повышенном давлении в присутствии оксидов металлов или смесей оксидов металлов, таких как ZrO₂, TiO₂, Nb₂O₅ или TiO₂ -Nb₂O₅; способ характеризуется низкими выходами целевого продукта 65-66%. Кроме того, полученные растворы необходимо нейтрализовать соединениями щелочных металлов.

Вышеперечисленные способы характеризуются низкими выходами или существенными недостатками, связанными с выпадением в осадок образующихся метионина или солей в виде карбонатов, что приводит к включению в процесс дополнительных стадий и значительно усложняет проведение непрерывного процесса.

Способ получения свободного метионина из его соли щелочного металла в основном известен. При этом используется принцип вытеснения сильными кислотами слабых кислот из их солей, так например, при обработке солей метионата соляной, серной, фосфорной кислотами или сильным катионообменником получают свободный D,L-метионин (DE 2140506 C; DE 2122491 C; DE 2912066 A; BE 877200, US-A 3433832, FR 1532723). К недостаткам этого метода относится необходимость удаления выпадающих в процессе реакции в осадок солей щелочных металлов, а также невозможность регенерации используемых кислот. В связи с этим данный способ не пригоден для осуществления непрерывного, безопасного и экономичного процесса получения метионина.

Известен практичный способ получения D,L-метионина путем гидролиза 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина в водном растворе в присутствии двуокиси углерода (US-A 2557913, DE-PS 1906405 и JP 42/44056). Согласно методу, как правило, D, L-метионин получают в виде тонких пластинок или чешуек, что приводит к плохой фильтруемости продукта и усложняет процесс промывки кристаллического осадка; кроме того, выпавший в осадок D,L-метионин характеризуется плохой текучестью и имеет тенденцию к комкованию. Для преодоления этих трудностей при использовании двуокиси углерода для получения D, L-метионина согласно японскому патенту JP 42/44056 в реакционную смесь добавляют казеин или водорастворимые высокомолекулярные производные целлюлозы.

Сущность изобретения
Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа получения D, L-метионина или его соли, при осуществлении которого образуются по возможности минимальные количества побочных продуктов реакции, причем они должны легко удаляться, а выпадающий в осадок конечный продукт - легко фильтроваться. Отдельные компоненты, выделяющиеся в процессе реакции, должны быть регенерированы и возвращены в процесс получения целевого продукта. Кроме того, полученный D,L-метионин должен быть практически неокрашенным и устойчивым при хранении. Разработанный способ должен обеспечивать создание непрерывного крупномасштабного производства D,L-метионина.

Задача изобретения достигается при использовании способа получения D, L-метионина или его соли путем превращения следующих компонентов: 3-метилмеркаптопропионового альдегида, цианистого водорода, аммиака и двуокиси углерода или соединений, из которых можно получить указанные компоненты, в 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоин в данном случае в присутствии воды. Первой стадией процесса получения D,L-метионина или его соли из указанных компонентов является приготовление смеси 1, содержащей по крайней мере преобладающее количество 3-метилмеркаптопропионового альдегида (минимум 5/10) и по крайней мере 1/10 цианистого водорода или соответствующие количества соединений, из которых можно получить указанные компоненты. Кроме того, смесь 1 должна содержать менее 5/10 каждого из следующих компонентов: аммиака, двуокиси углерода либо соединений, из которых можно получить указанные компоненты. Затем для получения 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина к смеси 1 добавляют один или несколько компонентов, причем этот/эти последний/последние компонент/компоненты могут быть добавлены к смеси 1 или в другие смеси. К соединениям, из которых могут быть получены вышеуказанные компоненты, относятся, например, соли цианистого водорода, аммиак, двуокись углерода, например, цианид натрия и калия, карбонат аммония или бикарбонат аммония, карбонат натрия или калия или бикарбонат натрия или калия, предпочтительно водные растворы. Компонентами, из которых можно получить 3-метилмеркаптопропионовый альдегид, являются акролеин и метилмеркаптан. Особенно важно в процессе этой реакции добавлять соли металлов по возможности в недостатке, так, чтобы альдегидный и/или цианидный компоненты были в стехиометрическом избытке по отношению к постепенно добавляемым ионам металлов. В этом случае предпочтительно добавлять не соли металлов, такие как цианид натрия и цианид калия, а соединения, перечисленные выше. Кроме того, при непрерывном процессе можно дополнительно добавлять другие соли металлов, например, катализаторы, указанные выше, при соответствующем дозировании которых соотношение добавляемых ионов металлов к компонентам реакции не изменяется.

В данной заявке добавляемыми компонентами называют также такие компоненты, при добавлении которых в реакционную смесь изменяется их строение. Например, при добавлении аммиака и двуокиси углерода в воду часть этих компонентов находится в виде карбоната или бикарбоната аммония.

По заявляемому способу получают бесцветный, высокоочищенный 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоин с практически количественным выходом. Полученный гидантоин используют в непрерывном процессе получения D,L-метионина или его соли при постоянном рециркулировании маточного раствора. Полученный D,L-метионин обладает чрезвычайной стабильностью при хранении, то есть не изменяет цвет и не комкуется. По заявляемому способу смесь 1 содержит по крайней мере 5/10 цианистого водорода, предпочтительно 9/10, наиболее предпочтительно 99/100 или соответствующую часть компонента, из которого получают цианистый водород. Вышеуказанные соотношения (например, 5/10), а также следующие всегда относятся к добавляемым компонентам (а не к стехиометрии реакции). Таким образом, общее количество добавленного компонента 1/1 не зависит от стехиометрии.

По заявляемому способу целесообразным является добавление в смесь 1 аммиака или двуокиси углерода или таких компонентов, из которых они могут быть получены, в количестве менее 5/10 от их добавляемого количества, предпочтительно не более 1/10 и наиболее предпочтительно не более 1/100.

Целесообразно также, чтобы количество добавленной воды в смеси 1 составляло не более 5/10, предпочтительно не более 1/10 и наиболее предпочтительно не более 1/100.

Предпочтительно также, чтобы все компоненты в начале превращения находились в реакционной смеси в указанных количествах, то есть требуется строгая дозировка всех компонентов. Целесообразно также предварительно приготовить две смеси, содержащие все необходимые для проведения реакции компоненты, с последующим их перемешиванием.

Особенно благоприятно, если отдельные компоненты или смеси быстро и тщательно перемешивать при их добавлении в реакционную смесь.

Нежелательно, чтобы реакционная смесь содержала органические растворители, или, в случае использования, их содержание должно составлять не более 20 частей (по массе), предпочтительно не более 10 частей (по массе) в пересчете на 100% (массовых) воды.

Целесообразно, чтобы маточную смесь/смеси и в данном случае отдельные компоненты вносить в предварительно подготовленную реакционную смесь, содержащую 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоин. Причем в случае использования двух или более маточных смесей необходимо, чтобы в них содержались все используемые компоненты. При этом особенно важно, если все маточные растворы, и в данном случае отдельные компоненты, необходимые для проведения периодического или непрерывного способов, добавляют в реакционную смесь в течение не более 30 с.

Согласно предлагаемому способу реакцию проводят в указанных условиях при температуре выше 80^oC; под давлением значительно выше устанавливающегося равновесного давления реакции; предпочтительно при давлении не менее 3 бар, лучше - выше 10 бар.

Варианты предлагаемого способа особенно пригодны для проведения непрерывного процесса получения D,L-метионина.

Из перечисленных выше способов получения D,L-метионина или его соли наиболее целесообразно использовать два приема, один из которых наиболее предпочтителен. Таким образом предлагаемый способ касается непрерывного способа получения D, L-метионина или его соли путем превращения следующих компонентов: 3-метилмеркаптопропионового альдегида, цианистого водорода, аммиака и двуокиси углерода или таких соединений, из которых могут быть получены указанные компоненты, в данном случае в присутствии воды. При этом полученный 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоин используют для дальнейшего его превращения в D, L-метионин или его соль, причем компоненты вносят в реакционную смесь, которая состоит из вышеназванных компонентов и уже содержит по крайней мере 1/10 часть от теоретического количества 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина. Указанную реакцию проводят при повышенном давлении, по крайней мере 3 бар.

Целесообразно проводить реакцию при давлении не менее 7 бар, предпочтительно не менее 10 бар. Кроме того, особенно важно при проведении реакции добавлять компоненты в реакционную смесь либо непосредственно, либо в виде непрерывного потока с предварительным перемешиванием в течение не более 30 с, то есть необходимо, чтобы отдельные компоненты находились в контакте с другими компонентами не более 30 с до их добавления в реакционную смесь.

Кроме того, при проведении процесса по этому варианту целесообразно проводить перечисленные выше приемы.

Предпочтительно объединить вышеописанные приемы в один процесс, причем возможно в последующем добавлять в этот процесс дополнительные приемы для усовершенствования заявляемого способа. Далее приводятся спецификации способа, касающиеся стехиометрии, температуры и так далее, причем эти параметры относятся ко всем вышеперечисленным способам.

Согласно заявляемому изобретению получения 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина готовят раствор цианистого водорода в 3-метилмеркаптопропионовом альдегиде и раствор аммиака и двуокиси углерода в воде, затем полученные растворы быстро и тщательно перемешивают и проводят реакцию превращения. Выделяющиеся в процессе реакции гидролиза гидантоина аммиак и двуокись углерода можно возвращать в процесс получения D,L-метионина. Раствор цианистого водорода в 3-метилмеркаптопропионовом альдегиде готовят таким образом, чтобы их соотношение было эквимолярным, причем допускается избыток цианистого водорода. При этом предпочтительно, чтобы в растворе на каждый моль 3-метилмеркаптопропионового альдегида приходилось не более чем 1,1 молей цианистого водорода; лучше - от 1,005 до 1,05 молей цианистого водорода на моль 3-метилмеркаптопропионового альдегида.

Целесообразно использовать насыщенные или разбавленные растворы аммиака и двуокиси углерода в воде, предпочтительно содержание аммиака должно составлять не менее 5 мас.%. Для получения раствора можно использовать гидрокарбонат аммония, карбонат аммония, карбаминовую кислоту, карбамидат аммония, синильную кислоту или смесь перечисленных соединений. Молярное соотношение аммиака и двуокиси углерода должно составлять примерно от 1,2 до 4,0 моль, предпочтительно от 1,6 до 1,8 моль аммиака на каждый моль двуокиси углерода. Раствор цианистого водорода в 3-метилмеркаптопропионовом альдегиде смешивают с раствором аммиака и двуокиси углерода таким образом, чтобы молярное соотношение аммиака и 3-метилмеркаптопропионового альдегида в смеси составляло от 1,2 до 6 к 1,0; предпочтительно от 2,0 до 4,0 к 1,0; лучше - от 2,5 до 3,0 к 1,0.

Согласно изобретению процесс проводят при температуре окружающей среды или выше, предпочтительно выше 60^oC, лучше в интервале от 80^oC до 140^oC. Целесообразно проводить процесс в интервале от 80^oC до 130^oC, лучше - в интервале от 90^oC до 120^oC. Хотя процесс можно проводить при любом давлении, целесообразно использовать повышенное давление до 20 бар, предпочтительно выше устанавливающегося равновесного давления реакции на 2 - 3 бар. Время проведения процесса выбирают с учетом прежде всего температуры и соотношения компонентов.

Особенно важно использовать раствор цианистого водорода в 3-метилмеркаптопропионовом альдегиде и раствор аммиака и двуокиси углерода в воде для получения реакционной смеси, так как при смешивании всех этих компонентов происходит частичное или полное образование гидантоина.

Целесообразно проводить реакцию непрерывно, то есть реакционную смесь непрерывно подают в цикл через два расположенных рядом отверстия, предназначенных для добавления раствора цианистого водорода в 3-метилмеркаптопропионовом альдегиде и раствора аммиака и двуокиси углерода в воде соответственно: другое отверстие предназначено для постоянного вывода соответствующей части реакционной смеси. Хотя соотношение объема вводимых в цикл растворов по отношению к объему реакционной смеси в реакторе может быть любым, предпочтительно выбирать это соотношение таким образом, чтобы на каждую объемную часть вводимых растворов приходилось большее количество объемных частей реакционной смеси, в данном случае 1000 или более, предпочтительно от 5 до 100, лучше - от 10 до 25 объемных частей реакционной смеси. Особенно важно обеспечивать быстрое и тщательное перемешивание добавляемых растворов с реакционной смесью. Для этого можно использовать смесительные сопла, статический смеситель, а также увеличение скорости циркулирующего потока или комбинацию перечисленных способов перемешивания. В выводимой из цикла части реакционной смеси в данном случае реакция превращения проходит частично, поэтому целесообразно направлять эту часть в дополнительный реактор для завершения реакции. Однако в случае если на 1 объемную часть дозируемых растворов приходится менее чем 5 объемных частей реакционной смеси, существует опасность полимеризации исходных компонентов, в результате чего смесь окрашивается в темный цвет, происходит выделение осадка, что в свою очередь приводит к снижению выхода и/или повреждению аппаратуры.

Согласно предлагаемому изобретению целевой продукт можно получить как по вышеуказанному способу, так и по другим вариантам метода, например, путем превращения 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина в соль щелочного металла D, L-метионина с последующим ее превращением в D,L-метионин. При реализации этого способа D, L-метионин или соль щелочного металла D,L-метионина получают с помощью гидролиза 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина в присутствии водного раствора щелочи и двуокиси углерода с последующим превращением в D,L-метионин. Причем в самом начале процесса предпочтительно проводить гидролиз в присутствии по крайней мере 0,1 эквивалента (лучше до 7 эквивалентов) аммиака на каждый эквивалент 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина. Способ также осуществляют путем гидролиза 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина в присутствии водного раствора щелочи и двуокиси углерода с последующим превращением в D,L-метионин, причем гидролиз проводят в присутствии металлического циркония или сплава циркония, содержащего по крайней мере 10 мас.% циркония.

Поставленная задача достигается путем комбинирования обоих способов.

Особенно целесообразно в самом начале процесса проводить гидролиз в присутствии щелочи и двуокиси углерода, то есть прежде всего в присутствии соединений щелочных металлов: гидрокарбоната щелочного металла, карбоната щелочного металла, гидроксида щелочного металла, предпочтительно калия и натрия. При этом целесообразно добавлять щелочь и двуокись углерода в стехиометрическом количестве по отношению к гидатоину, причем это соотношение можно значительно превысить. Предпочтительно молярное соотношение (рассчитанное на гидантоин), равное приблизительно 3:1. В принципе возможны еще большие соотношения, однако при реализации метода предпочтительны соотношения 1,5: 1 - 2:1. Согласно изобретению в реакционную смесь добавляют дополнительное количество аммиака, который частично присутствует в виде соединений аммония. Наиболее целесообразно, если в начале гидролиза на каждый моль 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина приходится максимум 7 молей аммиака (включая соединения аммония). При этих условиях гидролиз проходит с высоким выходом и практически без образования побочных продуктов реакции, однако при этом может выпадать незначительное количество карбоната щелочного металла. Наиболее предпочтительно в процессе гидролиза выводить аммиак и/или двуокись углерода вместе с водой из реакционной смеси, что позволяет регулировать условия протекания реакции, избегать выпадение карбоната щелочного металла и провести реакцию до конца. Целесообразно, чтобы в состав внутреннего покрытия аппарата входил цирконий или соответствующий сплав циркония. Показано, что цирконий оказывает благоприятное действие на гидролиз, по-видимому, проявляя каталитическое действие. Дополнительное преимущество такого покрытия заключается в стабильности и долговечности аппарата при эксплуатации. Кроме того, использование аппаратов с циркониевым покрытием не приводит к недостаткам, свойственным другим аппаратам.

Гидролиз проводят при температуре от 120 до 250^oC и при давлении от 5 до 30 бар. При проведении гидролиза в этих условиях наблюдается практически количественный выход и образование незначительных количеств побочных продуктов реакции. При этом целесообразно добавлять в реакционную смесь щелочной компонент по крайней мере в эквимолярном соотношении в расчете на 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоин. В этих условиях гидролиз гидантоина проходит полностью и образуется соль щелочного металла метионина с практически количественным выходом. Предпочтительно в начале гидролиза добавлять в реакционную смесь метионин или его соль, так как, по-видимому, эти соединения оказывают автокаталитическое действие на гидролиз.

На этой стадии процесса и после завершения гидролиза предпочтительно выводить образующиеся аммиак и двуокись углерода из реакционной смеси, так чтобы эти соединения практически отсутствовали в гидролизате.

При реализации способа особенно важно проводить процесс гидролиза непрерывно, причем целесообразно объединить эту стадию с описанными ранее в один непрерывный процесс, при этом образующиеся аммиак и двуокись углерода можно возвратить на стадию получения гидантоина.

Ниже приводится подробное описание стадии гидролиза гидантоина на примере проведения реакции с использованием соединений калия, причем отдельные спецификации можно применить и к другим вышеописанным стадиям процесса.

Согласно изобретению раствор метионата калия получают с помощью гидролиза 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина в присутствии гидроксида калия, карбоната калия и/или гидрокарбоната калия или их смеси и в присутствии избытка аммиака, двуокиси углерода, угольной кислоты, синильной кислоты или их смеси в воде. Реакцию проводят при температуре от 120 до 250^oC и давлении от 5 до 30 бар. Гидролиз гидантоина проводят предпочтительно в присутствии от 1 до 15 эквивалентов одного или нескольких соединений калия (например, KOH, KHCO₃, K₂CO₃, метионат калия) в пересчете на гидантоин. Кроме того, целесообразно выводить из реакционной смеси полностью или частично аммиак и двуокись углерода, содержащиеся или образующиеся в реакционной смеси. В принципе можно использовать 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоин, полученный любым другим способом, однако предпочтительно использовать гидантоин, полученный по вышеуказанному способу.

В начале гидролиза молярное соотношение аммиака к двуокиси углерода в растворе составляет от 1,1 до 8,0, при этом соотношение аммиака к гидантоину должно составлять от 0,2 до 5. Согласно изобретению остающиеся в реакционной смеси, полученной на предыдущей стадии синтеза, аммиак и двуокись углерода вместе с гидантоином можно подавать на стадию гидролиза, при этом может установиться другая концентрация аммиака и/или двуокиси углерода.

Согласно изобретению гидролиз 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина проводят при температуре от 120 - 250^oC, предпочтительно от 150 - 200^oC, лучше при 160 - 180^oC; под давлением 5 - 30 бар, предпочтительно 5 - 10 бар, лучше 7 - 9 бар.

Гидролиз проводят в колонне, обогреваемой паром, с внутренней поверхностью и встроенными элементами из циркония или сплава циркония, содержащего не менее 10 мас. % циркония. Раствор 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина непрерывно подают в верхнюю часть колонны с такой скоростью, чтобы обеспечить удаление продукта гидролиза - раствора метионата калия, через нижний вывод колонны после завершения гидролиза. Газообразные продукты реакции: водяной пар, аммиак и двуокись углерода соответствующим образом выводят из верхней части колонны и используют их для повторного приготовления раствора аммиака и двуокиси углерода в воде, который в свою очередь используют для получения 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина.

Согласно изобретению гидролиз 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина проводят в водном растворе гидроксида калия, карбоната калия и/или гидрокарбоната калия, содержащем 100 - 200 г, предпочтительно 140 - 160 г ионов калия в литре гидролизуемого раствора, причем при использовании аппарата с внутренней поверхностью и встроенными элементами из циркония проявляется каталитическое действие циркония на гидролиз. В указанных условиях не наблюдается образование побочных продуктов реакции. При этом целесообразно возвращать в цикл маточный раствор, полученный после отделения кристаллического D, L-метионина, так как содержащиеся в маточном растворе остаточное количество D,L-метионина может благоприятно влиять на процесс.

Среднее время нахождения реакционной смеси в колонне в процессе гидролиза составляет 10 - 20 мин. При этом целесообразно, чтобы молярное соотношение ионов калия к суммарному количеству 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина и D, L-метионина было менее 10, предпочтительно 1,3 -5, лучше 1,5 - 2. При проведении процесса в этих условиях выход метионата калия в растворе составляет 99,0 - 100%. Концентрацию метионата калия можно определить по соответствующей концентрации гидантоина или с помощью разбавления или концентрирования раствора, полученного после гидролиза.

К предлагаемому изобретению также относится выделение D, L-метионина из метионата щелочного металла, предпочтительно из водного раствора, полученного на предыдущей стадии. Кроме того, изобретение касается способа получения D,L-метионина из метионата щелочного металла в водном растворе в присутствии двуокиси углерода, причем в водный раствор, содержащий метионат щелочного металла, перед выделением D,L-метионина добавляют пеногаситель. Изобретение также касается способа получения D,L-метионина из метионата щелочного металла в водном растворе в присутствии двуокиси углерода, причем выделение проводят в реакторе импеллерного типа с интенсивным перемешиванием или в реакторе с квазиидеальным перемешиванием.

Целесообразно комбинировать эти два метода друг с другом. В качестве пеногасителя можно использовать все соединения, обладающие пеногасящими свойствами. Предпочтительно применять пеногаситель в виде дисперсии в растворе, так как при этом пеногаситель не концентрируется на поверхности водного раствора, а равномерно распределяется по всему объему раствора. В этих условиях пеногаситель оказывает благоприятное действие на процесс выделения D, L-метионина, и при этом исключается образование D,L-метионина в виде тонких пластинок или чешуек. Метионин образуется в виде твердых шарообразных кристаллов, в основном диаметром от 100 до 200 мкм. Предпочтительно добавлять пеногаситель в количестве от 1000 до 10000 ppm, по отношению к суммарному количеству D,L-метионина (метионин + метионат, пересчитанный на метионин).

При выделении D,L-метионина из водного раствора с помощью двуокиси углерода особенно предпочтительно подавать двуокись углерода в водный раствор через систему сопл, расположенных в нижней части аппарата. Кроме того, целесообразно проводить процесс выделения D,L-метионина под давлением от 1 до 30 бар, предпочтительно при температуре от 0 до 100^oC. Очень важно применять водный раствор, практически не содержащий аммиак.

Особенно предпочтительно проводить последнюю стадию непрерывно. Целесообразно комбинировать последнюю стадию с предыдущими стадиями процесса, причем предпочтительно объединить все стадии в один процесс.

Далее приводится способ выделения D,L-метионина предпочтительно из D, L-метионата калия, причем можно использовать другие щелочные металлы, например, натрий. Предпочтительные условия способа, приведенные ниже, относятся также к вышеописанным стадиям.

При выделении D,L-метионина из D, L-метионата калия в присутствии двуокиси углерода предпочтительно использовать раствор, полученный при гидролизе 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина, при условии если раствор практически не содержит аммиак. Предпочтительно также, если в растворе содержится D,L-метионин. Кроме того, раствор может содержать определенные количества карбоната калия и гидрокарбоната калия. Перед добавлением двуокиси углерода раствор обрабатывают активированным углем. Двуокись углерода обычно добавляют при температуре от 0 до 100^oC, предпочтительно от 20 до 35^oC, под давлением от 1 до 30 бар, предпочтительно от 2 до 5 бар. По заявляемому способу двуокись углерода добавляют в реакционную смесь до тех пор, пока значение pH не достигнет приблизительно от 7 до 9, предпочтительно от 7,5 до 8, 5 и/или до полного выпадения D, L-метионина. Особенно предпочтительно, если двуокись углерода добавляют непосредственно в нижнюю часть реактора, или лучше подавать двуокись углерода через систему сопл, что позволяет получить тонкое распределение газа в реакционной смеси. При этом целесообразно использовать реактор импеллерного типа или реактор квазиидеального перемешивания. Кроме того, при непрерывном процессе получения метионина предпочтительно добавлять пеногаситель, что значительно повышает производительность способа. Пеногаситель обычно добавляют в количестве по крайней мере 1000 до 10000 ppm, предпочтительно от 3000 до 5000 ppm в пересчете на общее количество метионина, содержащегося в реакционной смеси; прежде всего в виде водной эмульсии. Полученный метионин целесообразно выделять из маточного раствора с последующим его высушиванием в рукавном фильтре, что позволяет получить целевой продукт с хорошей текучестью и высоким насыпным весом. Преобладающий диаметр частиц полученного метионина составляет от 100 до 200 мкм. Выход D, L-метионина, полученного по описанному способу, составляет от 98 до 100%. Маточный раствор, полученный после отделения D,L-метионина, прежде всего после фильтрации, можно возвращать на стадию гидролиза 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина после концентрирования и/или удаления двуокиси углерода соответственно.

Для лучшего понимания сущности заявляемого изобретения далее приводятся примеры его конкретного осуществления и следующие чертежи.

Описание фигур чертежей
Фиг. 1- принципиальная схема непрерывного процесса получения 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина;
фиг. 2 - принципиальная схема непрерывного гидролиза 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина до метионата щелочного металла, и
фиг. 3 - принципиальная схема непрерывного получения и выделения D,L-метионина из D,L-метионата щелочного металла.

Для упрощения на фигурах не указаны побочные продукты, а также остаточные NH₃ /CO₂, например, при выведении этих компонентов.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Примеры 1-4
Примеры получения 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина
На фиг. 1 представлена общая схема процесса, описанного в примерах 1-4. При непрерывном способе цианистый водород смешивают с 3-метилмеркаптопропионовым альдегидом с помощью сопла 1 и затем дополнительно перемешивают в статическом смесителе 2. В смесителе 3 готовят раствор двуокиси углерода и аммиака в воде, причем эти компоненты можно возвращать в смеситель 3 из последующих стадий процесса. Обе смеси подают непрерывно в реакционную смесь в реакторе циклического действия. В смесителе 4 происходит интенсивное перемешивание растворов с циркулирующей реакционной смесью, которая прокачивается через теплообменник с помощью насоса 6 и нагревается до требуемой температуры. Соответствующая часть реакционной смеси непрерывно выводится в дополнительный реактор 7 для завершения реакции. Полученная смесь продуктов реакции может сразу или через некоторое время подаваться на следующую стадию процесса.

Пример 1
На этой стадии используется оборудование, приведенное на фиг. 1. Прежде всего в цикл подают воду, нагретую до 90^oC; затем непрерывно подают 10,5 молей цианистого водорода в 10 молях 3-метилмеркаптопропионового альдегида в час и 6,8 л водного раствора карбоната аммония, содержащего 9,6 мас.% аммиака и 15,2 мас.% двуокиси углерода, в час. Скорость циркулирующего потока составляет 300 л в час. Процесс проводят при температуре 90^oC, под давлением 14 бар. Из реактора постоянно выводится реакционная смесь в количестве, соответствующем объему подаваемых исходных компонентов, и направляется в дополнительный реактор для полного завершения реакции. Среднее время нахождения реакционной смеси в цикле составляет 10 минут, в дополнительном реакторе - 2 часа. Выход 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина, из которого путем последующего гидролиза получают D, L-метионин, в пересчете на загруженный 3-метилмеркаптопропионовый альдегид составляет 99,8%. (Это величина получена в пересчете на 100%-ный 3-метилмеркаптопропионовый альдегид).

Пример 2
Реакцию проводят в условиях, описанных в примере 1, но в начале процесса вместо воды подают насыщенный раствор карбоната аммония при комнатной температуре, содержащий 9,6 мас.% аммиака и 15,2 мас.% двуокиси углерода. Выход составляет 99,7%.

Пример 3
Реакцию проводят в условиях, описанных в примере 1, но при температуре в цикле и в дополнительном реакторе 115^oC. Давление составляет 15 бар. Скорость циркулирующего потока составляет 150 л/час. Среднее время нахождения реакционной смеси в цикле - 6 минут, в дополнительном реакторе - 20 минут. Выход составляет 99,9%.

Пример 4
Реакцию проводят в условиях, указанных в примере 1, но в реактор подают раствор 10,1 молей цианистого водорода в 10,0 молях 3-метилмеркаптопропионового альдегида в час и 6,8 л водного раствора карбоната аммония, содержащего 5,5 мас. % аммиака и 8,5 мас.% двуокиси углерода, в час. Температура в цикле и в дополнительном реакторе составляет 115^oC. Давление - 16 бар. Скорость циркулирующего потока составляет 150 л/час; среднее время нахождения реакционной смеси в цикле составляет 6 минут, в дополнительном реакторе - 40 минут. Выход - 99,8%.

Примеры 5 и 6
Примеры получения раствора метионата калия
Принципиальная схема процесса получения раствора метионата калия приведена на фиг. 2.

Пример 5
В этом примере используется оборудование для работы под давлением без встроенных элементов из циркония.

В колонну 8, обогреваемую паром, подают 100 кг гидрокарбоната калия в водном растворе и 41 кг 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина в 400 л воды в час с помощью непрерывно работающего нагнетательного насоса. Процесс проводят при температуре 180^oC и под давлением 8 бар; среднее время нахождения реакционной смеси в колонне составляет 15 минут. Выделяющиеся в процессе реакции аммиак и двуокись углерода выводятся из верхней части колонны с помощью специального вентиля. Из колонны реакционная смесь выводится без давления и подается в теплообменник 9 для охлаждения. При этом скорость образования метионата калия в растворе составляет 41,9 кг в час, выход - 94,5% от теории.

Пример 6
Для проведения процесса используют оборудование, указанное на фиг. 2, включающее колонну для работы под давлением со встроенными элементами из циркония.

В верхнюю часть колонны 8 подают с помощью насоса реакционную смесь в количестве 1600 л в час (полученную на стадии синтеза гидантоина, см. фиг. 1), содержащую 553 кг 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина, и 3550 л в час смеси карбоната/гидрокарбоната калия и гидроксида калия в воде, возвращенной после выделения твердого метионина с содержанием калия 140 г/л и остаточным содержанием метионина 120 г/л. Колонна 8 содержит встроенные элементы из циркония. Температура реакции - 165^oC, давление - 7 бар. Выделяющиеся аммиак и двуокись углерода выводятся из верхней части колонны с помощью специального вентиля и направляются на стадию синтеза 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина.

Из нижней части колонны выводится водная смесь в количестве 5150 л/час, содержащая 96,5 г/л калия и 175 г/л метионина (что соответствует образованию метионина в общей системе 476 кг/час). Выход составляет 100%. Реакционную смесь охлаждают в теплообменнике 9 и направляют на стадию выделения метионина.

Пример 7
Пример выделения D,L-метионина из D,L-метионата калия (фиг. 3)
В верхнюю часть реактора перемешивания 10 объемом 340 л подают непрерывно 686 л/час водного раствора с содержанием D,L-метионата калия 83,6 кг, полученного после гидролиза 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина, и с содержанием 39,77 кг остаточного метионина в циркулирующем маточном растворе и соединения калия. Одновременно в нижнюю часть реактора подают двуокись углерода, при этом в реакторе устанавливается давление 2 - 3 бар. Кроме того, в реактор вводят пеногаситель в виде водной эмульсии со скоростью 0,30 кг/час, причем это количество соответствует приблизительно 3940 ppm на 1 кг общего содержания метионина. Процесс проводят при 25^oC. В реакторе поддерживают постоянный уровень с помощью непрерывного выведения соответствующей части реакционной смеси из нижней части реактора. Выведенную из реактора часть реакционной смеси отфильтровывают, причем получают 66,5 кг в час твердого D, L-метионина (в пересчете на сухое вещество) и маточный раствор с остаточным содержанием D,L-метионина 39,77 кг, который направляют на стадию гидролиза гидантоина. Выход целевого продукта количественный.

Реферат

Изобретение относится к способу получения D,L-метионина или соли D,L-метионина. Описывается способ получения D,L-метионина или его соли путем превращения следующих компонентов: 3-метилмеркаптопропионового альдегида, цианистого водорода или соли цианистоводородной кислоты, аммиака или соли аммония и двуокиси углерода или соли угольной кислоты, в присутствии воды, в 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоин с последующим его гидролизом до соответствующего целевого продукта. Способ отличается тем, что перед превращением компонентов предварительно готовят смесь, содержащую преобладающую часть, по меньшей мере 5/10, 3-метилмеркаптопропионового альдегида, по меньшей мере 1/10 цианистого водорода или соли цианистоводородной кислоты и менее чем 5/10 каждого из компонентов аммиака или соли аммония, двуокиси углерода или соли угольной кислоты, и затем смесь смешивают с по меньшей мере одним компонентом с получением 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина, причем последний по меньшей мере один компонент может быть предварительно перемешан в одной или нескольких смесях. Описывается также способ непрерывного получения D,L-метионина или его соли. Также описываются два варианта способа, отличающиеся тем, что в первом варианте способа гидролиз проводят в присутствии от 0,1 до 7 эквивалентов аммиака на каждый эквивалент 5-(2-метилмеркаптоэтил)-гидантоина, а во втором варианте гидролиз проводят в присутствии металлического циркония или сплава циркония, содержащего по меньшей мере 10 мас.% циркония. Также описывается выделение D,L-метионина из метионата щелочного металла. Технический результат - повышение степени очистки и выхода целевого продукта. 5 с. и 36 з.п.ф-лы, 3 ил.

Формула