王向龍， 龔文照， 趙 廣， 張 偉， 賈 晨， 袁秋華， 馮志武

(陽泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司化工研究院，山西 太原 030021)

綜述與論壇

甘氨酸制備和提純工藝技術(shù)及研究進(jìn)展

王向龍， 龔文照， 趙 廣， 張 偉， 賈 晨， 袁秋華， 馮志武

(陽泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司化工研究院，山西 太原 030021)

隨著工業(yè)化水平的不斷提高，食品和醫(yī)藥用甘氨酸市場潛力巨大。國內(nèi)甘氨酸生產(chǎn)企業(yè)采用氯乙酸氨解法生產(chǎn)工業(yè)級甘氨酸，介紹了國內(nèi)外甘氨酸的制備和提純工藝技術(shù)，綜述了甘氨酸的應(yīng)用情況，分析了國內(nèi)市場發(fā)展趨勢。

甘氨酸；工藝技術(shù)；應(yīng)用市場

1 概況

甘氨酸，又名氨基乙酸(glycine)，是結(jié)構(gòu)最簡單的α-氨基酸，是有機(jī)合成的重要中間體，廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥、醫(yī)藥、飼料、食品等領(lǐng)域[1-3]。

目前，國內(nèi)甘氨酸生產(chǎn)企業(yè)采用氯乙酸氨解法生產(chǎn)工業(yè)級甘氨酸，主要原料是氯乙酸、氨、烏洛托品。國外食品、醫(yī)藥級甘氨酸采用改進(jìn)的施特雷克法(Strecker)，主要原料為氫氰酸、甲醛、氨和二氧化碳(或碳酸銨、碳酸氫銨)。氯乙酸氨解法在國外已遭到淘汰，國內(nèi)都是將工業(yè)級甘氨酸反復(fù)精制后制備食品、醫(yī)藥級甘氨酸，成本相對較高，致使我國醫(yī)藥和食品行業(yè)所需甘氨酸大量進(jìn)口[4-5]。

2 甘氨酸制備工藝技術(shù)

2.1 氯乙酸氨解工藝

氯乙酸氨解工藝是以氯乙酸與氨水為原料，以烏洛托品為催化劑，制取甘氨酸。

主要反應(yīng)方程式見式(1)、式(2)：

(1)

(2)

副反應(yīng)見式(3)、式(4)：

NH(CH2COOH)2+HCl

(3)

N(CH2COOH)3+HCl

(4)

氯乙酸氨解法的優(yōu)點是原料來源廣泛，工藝簡單，操作簡便，反應(yīng)條件溫和，易于工業(yè)化，對設(shè)備要求不高。缺點是，反應(yīng)時間長；副產(chǎn)氯化銨等無機(jī)鹽分離困難，產(chǎn)品質(zhì)量差，主含量最高約95.0%～97.5%；催化劑烏洛托品不能循環(huán)使用，單耗高，母液處理量大；污染嚴(yán)重，限制了生產(chǎn)規(guī)模。國內(nèi)圍繞該工藝存在的問題進(jìn)行了大量研究，但產(chǎn)品質(zhì)量仍然較差，副產(chǎn)品氯化銨純度仍然較低[6-7]。

2.2 Strecker工藝

施特雷克(Strecker)工藝是以甲醛、氰化鈉、氯化銨、氫氧化鋇和硫酸為原料制備甘氨酸[2]。

反應(yīng)式方程式見式(5)～式(7)及第18頁式(8)：

(5)

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

(6)

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

(7)

2NH2CH2COOH+BaSO4

(8)

該方法的優(yōu)點是，產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)于氯乙酸法，易精制，適合大規(guī)模生產(chǎn)。缺點是，氰化鈉是劇毒物，操作條件苛刻，生產(chǎn)成本高，路線長，除鹽工序復(fù)雜。

美國、日本等對施特雷克法在原料上進(jìn)行改進(jìn)，開發(fā)了以氫氰酸替代氰化鈉或氰化鉀的改進(jìn)Strecker法，反應(yīng)是以HCN、甲醛、氨和二氧化碳(或碳酸銨或碳酸氫銨)為原料，在高溫、高壓下反應(yīng)，制備甘氨酸。

2.3 直接海因法

為解決直接使用氫氰酸帶來的問題，又開發(fā)了采用氫氰酸與甲醛先加成得到羥基乙腈，再與氨和二氧化碳(或碳酸銨或碳酸氫銨)進(jìn)行反應(yīng)合成甘氨酸的工藝，稱為直接Hydantion法。

2.4 羥基乙腈工藝

羥基乙腈采用氫氰酸與甲醛先加成得到羥基乙腈，再與氨進(jìn)行氨解反應(yīng)制備氨基乙腈，后經(jīng)堿解、酸化制得甘氨酸[8-10]。

主要反應(yīng)方程式見式(9)～式(11)：

(9)

NH2CH2COONa+NH3

(10)

NH2CH2COOH+NaCl

(11)

華東理工大學(xué)曾做過此方面的研究；重慶三峽英力公司也采用此工藝。該工藝體系中也存在氯化鈉等無機(jī)鹽分離困難的問題。

2.5 其他方法

另外，還有α-氨基酸酰胺水解法、乙酸法、催化脫氫氧化法、生物合成法、輻射合成法等。但這些技術(shù)均處在實驗階段，工業(yè)化尚有很大困難[2-6]。

3 甘氨酸的提純工藝技術(shù)

工業(yè)級粗甘氨酸含量在90%～95%，雜質(zhì)含量為5%～10%，并帶有較深的色澤，如不進(jìn)行提純處理，無法滿足食品級及醫(yī)藥級甘氨酸的要求。提純方法主要包括以下幾種。

3.1 醇析法

將粗甘氨酸溶于熱水中，加入粉狀活性炭吸附脫色，過濾分離活性炭后加熱濃縮，將濃縮液冷卻至室溫，再加入一定體積的甲醇使甘氨酸結(jié)晶析出，反復(fù)精制2次～3次后，精制收率一般為60%～70%。

采用醇析法提純甘氨酸，精制成本高，使用有毒的甲醇，且回收甲醇需要增加設(shè)備投資，消耗大量蒸汽[7,11-12]。

3.2 離子交換法

離子交換法是利用甘氨酸水溶液等電點接近中性，通過離子交換樹脂時，甘氨酸不易被陽離子或者陰離子交換樹脂吸附，水溶液中的陽、陰無機(jī)離子和色素及其他雜質(zhì)均易被吸附的原理而將雜質(zhì)除去。

將工業(yè)級甘氨酸配置為15%～25%的水溶液，在pH<7的條件下，采用強堿陰離子交換樹脂或強酸陽離子交換樹脂進(jìn)行處理，然后用活性炭脫色，再進(jìn)行濃縮、冷卻結(jié)晶。該法制備的甘氨酸的收率在90%以上，但耗能大，生產(chǎn)成本高[11]。

3.3 離子膜分離法

在電場作用下，甘氨酸溶液中的銨離子等正離子通過陽離子膜向負(fù)極方向移動，氯離子等負(fù)離子通過陰離子膜向正極方向移動，而甘氨酸在等電點時不產(chǎn)生電離，則留在原位。經(jīng)過一定時間后，甘氨酸溶液經(jīng)結(jié)晶、干燥，獲得高純甘氨酸產(chǎn)品[13]。

3.4 結(jié)晶法

在一定的溫度下，工業(yè)級甘氨酸溶解于去離子水中，同時，加入活性炭進(jìn)行脫色。對經(jīng)過脫色的溶液進(jìn)行除雜和過濾，除去溶液中的雜質(zhì)離子和機(jī)械雜質(zhì)。溶液經(jīng)反滲透濃縮后，冷卻結(jié)晶，再脫水獲得濾餅和結(jié)晶母液。濾餅進(jìn)行加熱干燥，獲得精制的甘氨酸晶體。再對結(jié)晶母液進(jìn)行脫色、除雜和結(jié)晶，再次獲得甘氨酸晶體[14-15]。

循環(huán)提純法也是根據(jù)甘氨酸在水中的溶解度隨溫度變化的原理，采用結(jié)晶法，通過用新的甘氨酸飽和溶液更換部分結(jié)晶母液，使該母液能循環(huán)用于工業(yè)級甘氨酸的精制。

4 甘氨酸的應(yīng)用

甘氨酸廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥、醫(yī)藥、食品、飼料等領(lǐng)域，特別是應(yīng)用于草甘膦，在國內(nèi)消耗量約占甘氨酸總產(chǎn)量的80%以上[1-3]。

4.1 農(nóng)藥行業(yè)

甘氨酸是合成除草劑草甘膦的重要中間體。草甘膦的主要合成路線有亞氨基二乙酸法和甘氨酸法，我國甘氨酸法占總產(chǎn)能的75%[16-18]。

4.2 醫(yī)藥行業(yè)

甘氨酸可作為多種藥物的中間體，如，生產(chǎn)強效、長效治療輕度至重度原發(fā)性及腎血管性高血壓藥物——鹽酸地拉普利、撲熱息痛甘氨酸鹽等。用甘氨酸還可合成絲氨酸、蘇氨酸、單甘氨酸阿斯匹林鈣、甲砜霉素等，生產(chǎn)肝功能恢復(fù)新藥硫普羅寧(凱西萊)，及谷胱甘肽、苯基甘氨酸等。此外，早年曾以30%甘氨酸和70%碳酸鈣混用，治療神經(jīng)性或胃潰瘍性胃酸過多。在各種氨基酸輸液的配方中，基本上都用到甘氨酸。此外，據(jù)報道，日本味之素研究人員發(fā)現(xiàn)，部分有睡眠障礙的人在睡前服用甘氨酸，可明顯改善其睡眠狀態(tài)。

4.3 食品行業(yè)

主要用作食品氨基酸強化劑、調(diào)味劑及營養(yǎng)補充成分；用在食品釀造、肉食加工、清涼飲料等行業(yè)；甘氨酸還可單獨作為甜味劑，用于糖果和餅干的制作，對高血壓的預(yù)防很有好處；還可添加在精制食鹽中。

4.4 飼料行業(yè)

在飼料添加劑中添加甘氨酸，成為各種禽畜的營養(yǎng)補充成分，是孵化10周內(nèi)小雞必需養(yǎng)分。但國內(nèi)飼料業(yè)還尚未使用添加甘氨酸的飼料。

4.5 其他方面

甘氨酸還用于表面活性劑和日化行業(yè)，也可用于動物藥品添加劑、檸檬酸三醋酸酯等行業(yè)中，也作為pH調(diào)節(jié)劑添加在電鍍液中。

5 市場情況

在國內(nèi)，由于絕大部分甘氨酸生產(chǎn)企業(yè)采用氯乙酸法制備甘氨酸，生產(chǎn)工藝水平落后，所得產(chǎn)品純度低、雜質(zhì)含量多而無法滿足食品、醫(yī)藥行業(yè)生產(chǎn)的要求，故，主要被用作生產(chǎn)農(nóng)藥中間體。草甘膦消費量的增長主要來自于轉(zhuǎn)基因作物種植面積的持續(xù)增加。近年來，由于工業(yè)級甘氨酸出現(xiàn)產(chǎn)能過剩情況，導(dǎo)致價格一直較低，很多國內(nèi)企業(yè)多處于不盈利和微盈利狀況；而且，世界衛(wèi)生組織認(rèn)為，孟山都草甘膦對人類可能致癌，也導(dǎo)致國內(nèi)草甘膦產(chǎn)業(yè)境遇艱難。

國內(nèi)少數(shù)廠家以氯乙酸法甘氨酸反復(fù)精制得到的醫(yī)藥級甘氨酸，由于含氯根，不能滿足國內(nèi)醫(yī)藥和食品工業(yè)的需要，只能依賴進(jìn)口。

6 結(jié)束語

國內(nèi)采用氯乙酸法制備甘氨酸的生產(chǎn)技術(shù)水平落后，生產(chǎn)成本高，產(chǎn)品質(zhì)量差，主要應(yīng)用于農(nóng)藥領(lǐng)域。而甘氨酸在食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用正逐步加強，市場潛力巨大，采用氯乙酸法精制所得食品、醫(yī)藥級甘氨酸，成本較高，污染較大，不符合我國環(huán)保發(fā)展趨勢。因此，國內(nèi)應(yīng)該引進(jìn)和開發(fā)新技術(shù)，建設(shè)大規(guī)模食品、醫(yī)藥級甘氨酸生產(chǎn)裝置。

[1] 楊華.甘氨酸的生產(chǎn)應(yīng)用概況[J].四川化工,2004,7(3):31-34.

[2] 黃平，李云政，張青山.甘氨酸的應(yīng)用與合成工藝進(jìn)展[J].化學(xué)研究,2004,15(2):77-80.

[3] 宋彥梅，尹秋響，王靜康.甘氨酸的應(yīng)用與生產(chǎn)技術(shù)[J].甘氨酸和生物資源，2003,25(2):55-66.

[4] 徐澤輝，刁春霞，黃亞茹，等.甘氨酸的生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].石油化工技術(shù)經(jīng)濟(jì),2004,20(5):41-45.

[5] 王立輝.甘氨酸的生產(chǎn)技術(shù)及發(fā)展趨勢[J].精細(xì)與專用化學(xué)品,2015,23(8)：14-16.

[6] 張漢銘.氯乙酸氨解法甘氨酸合成工藝的研究[J].化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù),2010,31(6):1-3.

[7] 盧金龍.5 000 t/a甘氨酸生產(chǎn)技術(shù)總結(jié)[J].氯堿工業(yè),2001(4):24-25.

[8] Fujiwara K,Yoshinaga S,Matsuu Y,et al.Method for purifying glycine:US,5,254,729[P].1993-10-19.

[9] Fujiwara K,Ueda N,Matsuu Y,et al.Process for preparing glycine:US Patent 5,202,479[P].1993-04-13.

[10]Fujiwara K,Ueda N,Matsuu Y,et al.Heating glycolonitrile,carbon dioxide and ammonia in water to cause a two stage reaction:US,5,258,550[P].1993-11-02.

[11]毛建衛(wèi)，崔艷麗.甘氨酸合成與分離新工藝[J].北京化工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,1997,24(4):64-66.

[12]馬學(xué)雷.甘氨酸醇析工序中甲醇用量的確定[J].河北化工,2007,30(8):58-58.

[13]趙妙.離子膜法分離制備甘氨酸工藝技術(shù)的研究[D].石家莊：河北科技大學(xué),2010.

[14]宋彥梅.甘氨酸結(jié)晶過程及多晶型現(xiàn)象研究[D].天津:天津大學(xué),2004.

[15]張晨鵬.淺議甘氨酸結(jié)晶控制[J].商品與質(zhì)量:消費研究,2014(10):188.

[16]李玉芳.甘氨酸合成草甘膦技術(shù)研究新進(jìn)展[J].乙醛醋酸化工，2015(12):21-24.

[17]胡景煥，李福祥.草甘膦生產(chǎn)的技術(shù)進(jìn)展[J].山西化工,2010,30(1):38-43.

[18]胡志鵬.草甘膦生產(chǎn)工藝路線比較[J].化學(xué)工業(yè),2008,26(2):31-35.

Preparation and purification process technology of glycine and research progress

WANG Xianglong, GONG Wenzhao, ZHAO Guang, ZHANG Wei, JIA Chen, YUAN Qiuhua, FENG Zhiwu

(Chemical Research Institute of Yangquan Coal Industry (Group) CO., Ltd., Taiyuan Shanxi 030021, China)

With the continuous improvement of industrial level, market of glycine in food and madicine has huge potential. Domestic glycine production enterprises produce indusreial glycine by ethylene chlorohydrin ammonolysis. The preparation and purification process technology of glycine at home and abroad is introduced. The application of glycine is reviewed, and the development trend of the domestic market is analyzed.

glycine; process technology; application market

2016-12-09

王向龍，男，1983年出生，2010年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化工專業(yè)，工學(xué)碩士，工程師。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.01.05

TQ226.36

A

1004-7050(2017)01-0017-03