甘氨酸合成方法及發(fā)展前景

龔文照

(1.華陽新材料科技集團(tuán)有限公司，山西 陽泉 045000；2.華陽集團(tuán)碳基合成材料研發(fā)中心，山西 太原 030006)

1 概況

甘氨酸(Glycine)又名氨基乙酸，為人體非必須氨基酸的一種，是具有最小相對分子質(zhì)量且有最簡單分子結(jié)構(gòu)的α氨基酸[1-3]?；瘜W(xué)結(jié)構(gòu)式為C2H5NO2，其在常溫下呈白色晶體或結(jié)晶性粉末狀態(tài)，在水中溶解較易，部分溶于乙醇、乙醚等有機(jī)溶劑。甘氨酸作為一種重要的精細(xì)化工中間體，應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋廣泛，包括農(nóng)藥、醫(yī)藥、食品、動物飼料及日用化學(xué)品等多個行業(yè)[4-5]。

國內(nèi)外對甘氨酸的合成技術(shù)研究高度重視，已開發(fā)多種工藝路線，包括已實現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的氯乙酸氨解法、Strecker法(施特雷克法)、處于開發(fā)中的綠色工藝：Hydantion法(海因法)和生物化學(xué)合成法。

2 甘氨酸合成方法

2.1 氯乙酸氨解法

氯乙酸氨解法是早期開發(fā)并實現(xiàn)甘氨酸合成工業(yè)化的一種技術(shù)[6]，以氯乙酸、氨水(氨氣或液氨)為主要原料，烏洛托品為催化劑，在反應(yīng)釜中水相或醇相條件反應(yīng)，后利用醇析法獲取甘氨酸。其主要反應(yīng)方程式如式(1)。

ClCH2COOH+2NH3→NH2CH2COOH+NH4Cl

(1)

副反應(yīng)如式(2)、式(3)。

ClCH2COOH+NH2CH2COOH→

NH(CH2COOH)2+HCl

(2)

NH(CH2COOH)2+ClCH2COOH→

N(CH2COOH)3+HCl

(3)

氯乙酸氨解法工藝的優(yōu)點是原料價廉易得，生產(chǎn)工藝簡單，操作便捷，設(shè)備要求較低，合成條件溫和，利于工業(yè)化；缺點為反應(yīng)周期長，副產(chǎn)物氯化銨量大且和產(chǎn)品的分離難度大，直接影響后續(xù)產(chǎn)品的純度，所產(chǎn)廢水處理工藝難度和費(fèi)用較高，催化劑烏洛托品回收利用難度高，導(dǎo)致生產(chǎn)成本上升。

目前，國外的主要甘氨酸生產(chǎn)企業(yè)已淘汰該工藝，但我國的生產(chǎn)廠家仍以此法為主。為提升產(chǎn)品品級，減少生產(chǎn)成本，適應(yīng)新的環(huán)保要求，我國的相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)和學(xué)者針對當(dāng)前工藝中存在問題進(jìn)行了深入研究。

劉長飛[7]提出了一種醇水溶劑固體氯乙酸制備甘氨酸的方法，其以甲醇(或乙醇)與水配制混合溶劑，采用吡啶堿類化合物、傳統(tǒng)催化劑烏洛托品和多聚甲醛的一種或多種組合為催化劑，在反應(yīng)器內(nèi)利用氯乙酸、氨合成甘氨酸，通過直接離心分離得到甘氨酸產(chǎn)品。該法極大地減少生產(chǎn)中烏洛托品用量，母液后處理難度較小，降低生產(chǎn)成本，同時可獲得更多品質(zhì)提升的氯化銨產(chǎn)品，帶來可觀的間接經(jīng)濟(jì)效益。

沈美忠[8]公開了一種新的甘氨酸合成工藝。其反應(yīng)原料仍采用氯乙酸和氨氣，催化劑為烏洛托品，反應(yīng)在水溶液中完成，較傳統(tǒng)工藝不同點在于，反應(yīng)母液經(jīng)過電滲析處理，分離得到甘氨酸、烏洛托品混合液和氯化銨水溶液；甘氨酸和烏洛托品混合液送回前道工序?qū)崿F(xiàn)循環(huán)套用，氯化銨水溶液蒸發(fā)濃縮結(jié)晶后得到氯化銨。本方法解決了現(xiàn)有技術(shù)中采用醇水混合液加大生產(chǎn)成本、母液蒸餾需要大量能耗和副產(chǎn)物氯化銨品質(zhì)不高的問題。

2.2 Strecker法(施特雷克法)

Strecker法(施特雷克法)首先是將甲醛、氰化鈉、氯化銨混合反應(yīng)，后加入適量乙酸使亞甲基氨基乙腈析出，將其在乙醇中溶解并加入一定量硫酸得到乙酸氨基乙腈硫酸鹽[9]。利用氫氧化鋇與該硫酸鹽進(jìn)一步反應(yīng)得到甘氨酸鋇鹽，最后再加入硫酸使鋇沉淀，經(jīng)過濾，濾液濃縮，冷卻結(jié)晶后獲得甘氨酸產(chǎn)品。其反應(yīng)方程如式(4)～式(7)。

3NaCN+6HCHO+3NH4Cl→CH2=NCH2CN)3+

3NaCl+6H2O

(4)

(CH2=NCH2CN)3+6C2H5OH+3H2SO4→

3(NH2CH2CN)+H2SO4+3CH2(OCH2CH3)2

(5)

2(NH2CH2CN)+H2SO4+3Ba(OH)2→

(NH2CH2COO)2Ba+2BaSO4+2NH3+2H2O

(6)

(NH2CH2COO)2Ba+H2SO4→2NH2CH2COOH+

BaSO4

(7)

該方法的優(yōu)點是所獲甘氨酸品質(zhì)好，且產(chǎn)品易于后續(xù)精制，滿足工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)需求；缺點是該合成工藝路線繁瑣，操作條件要求嚴(yán)苛，除鹽工序復(fù)雜，且原料氰化鈉為劇毒化學(xué)品，安全風(fēng)險高。為進(jìn)一步提高甘氨酸產(chǎn)品品質(zhì)，提升產(chǎn)品市場競爭力，使得工藝更加綠色環(huán)保，國外科研機(jī)構(gòu)在原施特雷克工藝基礎(chǔ)上，成功研發(fā)出改進(jìn)的施特雷克工藝，即以氫氰酸代替氰化鈉作原料。該法具有合成工序少、產(chǎn)品收率高、生產(chǎn)成本低、對環(huán)境綠色友好等特點，但因氫氰酸有毒且易揮發(fā)，長距離運(yùn)輸不便，較適合在原料生產(chǎn)或儲存地附近生產(chǎn)。當(dāng)前，美國的查特姆公司、法國的斯帕西亞公司等國外主要甘氨酸生產(chǎn)企業(yè)均采用該工藝。

2.3 Hydantion法(海因法)

Hydantion法(海因法)工藝技術(shù)來源于尋找氫氰酸替代品的過程中[10]。改進(jìn)的Strecker法其主要原料氫氰酸為劇毒化學(xué)品，易揮發(fā)且存儲不易，在找尋其可替代品的過程中，人們研發(fā)了Hydantion法(海因法)制備甘氨酸生產(chǎn)工藝。即首先利用氫氰酸與甲醛合成穩(wěn)定性較好的羥基乙腈，再在一定溫度和壓力條件下利用羥基乙腈、碳源、氨源合成海因，之后在高溫高壓條件下水解后得到甘氨酸。反應(yīng)式為式(8)。

該法工藝流程簡單，原料利用充分，技術(shù)綠色環(huán)保，同時產(chǎn)品收率較好，是目前受到國內(nèi)外甘氨酸生產(chǎn)企業(yè)關(guān)注度高的工藝路線之一。20世紀(jì)70年代開始，德國德信利化學(xué)公司、日本的三菱化成等多家企業(yè)均開展了海因法工藝的研究，我國重慶紫光公司2005年開始開發(fā)海因法合成甘氨酸技術(shù)并建成50 t/a中試裝置。華陽集團(tuán)袁秋華等開發(fā)了一種羥基乙腈連續(xù)化制備甘氨酸的工藝[11]，采用羥基乙腈、氨源、碳源為原料，利用管式填料反應(yīng)器和釜式反應(yīng)器組成裝置合成甘氨酸，經(jīng)蒸發(fā)、濃縮、結(jié)晶、干燥等工序，獲得高純甘氨酸產(chǎn)品，且甘氨酸收率和純度均高于99%。但較遺憾的是當(dāng)前國內(nèi)外均未見Hydantion法(海因法)實現(xiàn)工業(yè)化的報道。

(8)

2.4 生物合成法

甘氨酸本質(zhì)是一種氨基酸，因此當(dāng)前利用生物技術(shù)合成氨基酸對其具有同樣的適用性。自20世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)外的科研機(jī)構(gòu)和學(xué)者對利用生物技術(shù)合成甘氨酸開展了大量的研究，并在一定范圍內(nèi)取得了可喜的進(jìn)展和突破。日本Nitto化學(xué)工業(yè)公司在30 ℃，弱堿環(huán)境下，利用假細(xì)胞菌屬，酪蛋白菌屬，產(chǎn)堿桿菌屬等菌屬和甘氨酸胺基質(zhì)反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)甘氨酸胺近乎全部水解，轉(zhuǎn)化率為99%。國內(nèi)學(xué)者張真淑等通過基因手段使ATP磷酸核糖基轉(zhuǎn)移酶(HisG)產(chǎn)生突變，提升了棒桿菌屬微生物生產(chǎn)甘氨酸的能力，提幅將近2倍[12]。

整體來看，生物合成甘氨酸的技術(shù)尚處于初步研究階段，局限在實驗室開發(fā)研究，仍然有諸多技術(shù)難題需要攻克，如尋找適應(yīng)范圍廣的高效活性酶、更有效的基因改造手段等。從長遠(yuǎn)看，生物合成法具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，其突出?yōu)點包括：選擇性好、產(chǎn)品收率高、反應(yīng)條件溫和、環(huán)保無污染。

2.5 甘氨酸合成方法對比

當(dāng)前正在開發(fā)中的甘氨酸綠色環(huán)保合成工藝同已實現(xiàn)工業(yè)化的甘氨酸生產(chǎn)工藝在采用原料、技術(shù)難度、設(shè)備要求等方面均存在一定的差異。各合成甘氨酸工藝指標(biāo)對比如第23頁表1所述。

表1 各種合成甘氨酸工藝指標(biāo)對比

3 甘氨酸的應(yīng)用

甘氨酸作為一種重要的精細(xì)化工品，其應(yīng)用領(lǐng)域廣，涉及農(nóng)藥、醫(yī)藥、食品、飼料、日用化學(xué)品等行業(yè)，其中以農(nóng)藥領(lǐng)域尤為突出，目前我國甘氨酸總產(chǎn)量的80%以上主要用于農(nóng)藥草甘膦的合成。相關(guān)領(lǐng)域的消費(fèi)大致占比(公開資料整理)如圖1所示。

圖1 甘氨酸主要消費(fèi)領(lǐng)域

3.1 農(nóng)藥行業(yè)

甘氨酸是生產(chǎn)高效廣譜除草劑草甘膦[13-14]的重要中間體。我國目前草甘膦的合成工藝主要有亞氨基二乙酸法和甘氨酸法，其中甘氨酸法約占草甘膦產(chǎn)能的80%左右。絕大部分的工業(yè)級甘氨酸用于生產(chǎn)草甘膦。隨著轉(zhuǎn)基因大豆、玉米的大規(guī)模種植，草甘膦需求日漸增長，進(jìn)而帶動國內(nèi)工業(yè)級甘氨酸產(chǎn)能大幅提升，并呈現(xiàn)供過于求的趨勢，但整體市場較穩(wěn)定。

3.2 醫(yī)藥行業(yè)

在醫(yī)藥方面，甘氨酸可作為醫(yī)學(xué)微生物和生物化學(xué)氨基酸代謝研究用藥；用作金毒素緩沖劑、抗帕金森氏病藥物L(fēng)-多巴、維生素B6、以及蘇氨酸等氨基酸、肝功能恢復(fù)新藥硫普羅寧的合成原料；或與阿司匹林一起共用，以減少其對胃的刺激；另外，其可生成非必需氨基酸的氨源，加入混合氨基酸注射液中。日本味之素研究人員發(fā)現(xiàn)，睡前服用適量甘氨酸可以有效改善部分有睡眠障礙的人的睡眠狀態(tài)。

3.3 食品行業(yè)

甘氨酸在食品行業(yè)中的主要功能包括：增味劑、香料功能，以及營養(yǎng)增補(bǔ)、防腐、穩(wěn)定劑作用等。在動植物食品和含醇飲料的加工中使用可改善食品風(fēng)味、增加甜味；美拉德反應(yīng)體系香料中添加甘氨酸，可使食物呈現(xiàn)出烘烤味和肉香味；由于甘氨酸能抑制枯草桿菌及大腸桿菌的繁殖，在食品加工可作為防腐劑和穩(wěn)定劑；另外，甘氨酸還可用作配制調(diào)節(jié)胃液酸度、提高肌肉活力的運(yùn)動員營養(yǎng)飲料及其他氨基酸食品的原料。

3.4 飼料行業(yè)

甘氨酸是一種重要的動物飼料添加劑。甘氨酸是雞的必須氨基酸。雖然雞本身可以合成甘氨酸，但其合成速度遠(yuǎn)不能滿足10周內(nèi)小雞生長需求。在飼料中添加甘氨酸可以有效促進(jìn)小雞的生長。同時，用在飼料添加劑中,甘氨酸不僅可以為畜禽的成長提供營養(yǎng)補(bǔ)充成分，還能防止飼料氧化變質(zhì),延長飼料保鮮期。目前，國外牛羊的飼料中普遍添加甘氨酸，國內(nèi)的飼養(yǎng)業(yè)普遍采用甘氨酸鐵等金屬鹽。

3.5 市場情況

目前氯乙酸法仍是我國甘氨酸生產(chǎn)主流工藝。由該工藝生產(chǎn)的甘氨酸純度低、雜質(zhì)氯含量較高，主要用作農(nóng)藥草甘膦的合成。只有少數(shù)企業(yè)可以生產(chǎn)用于食品、醫(yī)藥、飼料行業(yè)的高品質(zhì)產(chǎn)品，因此導(dǎo)致這些領(lǐng)域甘氨酸的需求長期依賴進(jìn)口。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國甘氨酸的產(chǎn)能逐步增長，近年來趨于平穩(wěn)(如第24頁圖2所示)。目前國內(nèi)主要甘氨酸生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)能統(tǒng)計見第24頁表2。受國際市場需求變化和國家環(huán)保政策調(diào)整等因素影響，甘氨酸的價格存在一定范圍的波動。

圖2 2012年-2020年甘氨酸產(chǎn)量走勢圖

表2 國內(nèi)主要甘氨酸生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)能統(tǒng)計表

4 展望

國內(nèi)甘氨酸生產(chǎn)企業(yè)普遍采用的氯乙酸氨解工藝相較國外同行存在較大差距，該法能耗大，產(chǎn)品成本高、環(huán)境污染問題多、產(chǎn)品品質(zhì)差，隨著現(xiàn)在環(huán)保政策日漸加強(qiáng)和綠色可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的不斷深入，該工藝正陷于關(guān)停風(fēng)險高的困境。同時，我國對食品級、飼料級等高質(zhì)量甘氨酸產(chǎn)品的需求日益增長，市場潛力不斷加大。因此，國內(nèi)甘氨酸生產(chǎn)工藝應(yīng)朝著綠色環(huán)保、高效節(jié)能的可持續(xù)方向發(fā)展，加強(qiáng)直接海因法和生物合成法的開發(fā)研究，盡早實現(xiàn)工業(yè)化，在減輕對外進(jìn)口依賴的同時提升我國產(chǎn)品的國際市場競爭力，以期收獲巨大的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會效益。