甘氨酸的生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1、甘氨酸的生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢徐澤輝 刁春霞 黃亞茹 常慧（中國石化上海石油化工股份有限公司，200540）摘要：我國是世界上甘氨酸生產(chǎn)國之一，目前中國甘氨酸的生產(chǎn)技術(shù)基本都采用已經(jīng)被國外淘汰的氯乙酸氨解法工藝，雖然經(jīng)過持續(xù)的改進(jìn)，提高了反應(yīng)的收率和產(chǎn)品的質(zhì)量，但與國外技術(shù)相比較，仍有生產(chǎn)成本高，產(chǎn)品質(zhì)量差的劣勢，且只能生產(chǎn)工業(yè)級甘氨酸。文章分析了國內(nèi)外甘氨酸的生產(chǎn)現(xiàn)狀及市場情況，對制約我國甘氨酸發(fā)展的重要因素進(jìn)行了討論，建議重點(diǎn)發(fā)展以羥基乙腈為原料的直接Hydantion工藝，生產(chǎn)純度在99.5%以上的甘氨酸產(chǎn)品，進(jìn)一步拓展其在食品加工業(yè)中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：甘氨酸 生產(chǎn) 市場 甘氨酸是氨基酸系列中

2、結(jié)構(gòu)最為簡單，人體非必需的一種氨基酸，在分子中同時具有酸性和堿性官能團(tuán)，在水溶液中為強(qiáng)電解質(zhì)，在強(qiáng)極性溶劑中溶解度較大，基本不溶于非極性溶劑，而且具有較高的沸點(diǎn)和熔點(diǎn)，通過水溶液酸堿性的調(diào)節(jié)可以使甘氨酸呈現(xiàn)不同的分子形態(tài)1。根據(jù)甘氨酸的制備工藝和產(chǎn)品的純度可分為食品級、醫(yī)藥級、飼料級和工業(yè)級四種規(guī)格產(chǎn)品。在食品加工中甘氨酸可用作食品的防腐劑，延長其保質(zhì)期；在含酒精飲料和動植物食品的加工中，則作為調(diào)味劑、甜味劑、增香劑、營養(yǎng)增補(bǔ)劑，此外，在甜醬、醬油、醋、果汁中添加甘氨酸，達(dá)到改善食品的風(fēng)味和增加食品營養(yǎng)的目的。在醫(yī)藥方面，甘氨酸可以合成多種藥物，如治療高血壓藥物鹽酸地拉普利、抑制胃潰瘍用碳酸鈣

3、制劑、撲熱息通甘氨酸鹽、單甘氨酸乙酰水楊酸鈣、利血胺注射液、抗巴帕金森氏病藥物L(fēng)-多巴、甲砜霉素等2。工業(yè)級甘氨酸則主要用于大規(guī)模生產(chǎn)除草活性最強(qiáng)的除草劑草甘膦3。甘氨酸化學(xué)合成工藝主要有氯乙酸氨解法、施特雷克法(Strecker)和海因法(Hydantion)三種。目前國內(nèi)仍采用在國外已被淘汰的氯乙酸氨解法技術(shù)，而國外則采用改進(jìn)的施特雷克法和海因法技術(shù)路線。由于原料和工藝的不同，氯乙酸氨解法具有生產(chǎn)成本高，產(chǎn)品質(zhì)量差的特點(diǎn)，所生產(chǎn)的甘氨酸大多為工業(yè)級，純度一般在95左右，嚴(yán)重制約了其下游的應(yīng)用，而國外廠商大多利用丙烯腈副產(chǎn)氫氰酸和羥基乙腈生產(chǎn)甘氨酸，該法生產(chǎn)成本低，產(chǎn)品質(zhì)量好，一般純度可以達(dá)

4、到99以上。1 生產(chǎn)技術(shù)1.1 氯乙酸氨解工藝47 該工藝以氯乙酸與氨水為原料，在烏洛托品催化劑作用下制得。先將催化劑溶解在氨水中，在良好攪拌下滴加氯乙酸，投料結(jié)束后，升高溫度，保溫一段時間，再降溫至一定溫度時，用乙醇或甲醇重結(jié)晶兩次，就可以得到純度為95%左右的甘氨酸。該工藝雖然簡單且對設(shè)備要求不高，但由于產(chǎn)生大量的無機(jī)鹽，使得產(chǎn)品的提純非常困難，只能生產(chǎn)工業(yè)級甘氨酸。并產(chǎn)生大量富含氯化銨和甲醛的廢水，所要求的環(huán)保處理費(fèi)用較高。而且作為催化劑的烏洛托品難以循環(huán)使用，使生產(chǎn)成本增加。1.2 Strecker工藝7將甲醛水溶液、氰化鈉和氯化銨混合后在低溫下進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后加入醋酸使亞氨基乙腈

5、析出，然后溶解在乙醇內(nèi)，加入硫酸后轉(zhuǎn)化為氨基乙腈硫酸鹽，最后加入化學(xué)計(jì)量的氫氧化鋇生成硫酸鋇和甘氨酸。該工藝同樣存在生產(chǎn)成本高、產(chǎn)品質(zhì)量差和環(huán)境污染嚴(yán)重的缺點(diǎn)。1.3 改進(jìn)的Strecker 和Hydantion工藝8,9為了提高甘氨酸的質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本和減少環(huán)境污染，國外開發(fā)了以氫氰酸替代氰化鈉或氰化鉀改進(jìn)的Strecker工藝，反應(yīng)以氫氰酸、甲醛、氨和二氧化碳為原料，反應(yīng)液在管式反應(yīng)器中進(jìn)行。在低溫下析出甘氨酸，母液循環(huán)使用，通過改變反應(yīng)體系中副產(chǎn)物的濃度，使平衡向目標(biāo)產(chǎn)物方向移動，從而達(dá)到提高反應(yīng)收率的目的。雖然該工藝具有流程短、收率高和不產(chǎn)生污染等諸多優(yōu)勢，但由于氫氰酸的劇毒性和易揮

6、發(fā)性，無法長距離運(yùn)輸，裝置只能放在其原料裝置附近，制約了甘氨酸生產(chǎn)的發(fā)展。1.4 直接Hydantion工藝10,11Hydantion工藝的發(fā)展源于尋找氫氰酸的替代品，以消除甘氨酸生產(chǎn)的地域局限性。羥基乙腈是氫氰酸和甲醛的加成產(chǎn)物，其沸點(diǎn)為183 ，在高溫下易分解為氫氰酸和甲醛，因此，從生產(chǎn)和化學(xué)角度來說，以羥基乙腈為原料來生產(chǎn)甘氨酸，既解決了氫氰酸不易處理的缺陷，又保持了改進(jìn)Strecker工藝的優(yōu)點(diǎn)，該工藝目前正成為國外最受關(guān)注的技術(shù)路線之一。1.5 生物法工藝12,13生物法制備甘氨酸工藝目前尚處于技術(shù)開發(fā)階段，有些日本公司在該領(lǐng)域較為活躍，申請了許多專利。它以甘氨腈為原料，在微生物酶

7、的作用下，使甘氨腈水溶液進(jìn)行水解反應(yīng)，從而轉(zhuǎn)化為甘氨酸，同時伴隨產(chǎn)生氨，水解時系統(tǒng)中含有至少一種抑制該微生物酶的有機(jī)物。1.6 甘氨酸的精制14,15由氯乙酸氨解法制取的甘氨酸含量在90%95%之間，雜質(zhì)含量為4%10%，并帶有較深的色澤，如不進(jìn)行精制處理，無法滿足食品及醫(yī)藥級甘氨酸的要求。目前工業(yè)上提純甘氨酸的方法是利用活性炭吸附脫色后進(jìn)行重結(jié)晶。首先將粗甘氨酸溶解在熱水中，加入粉狀活性炭吸附脫色，再經(jīng)過濾分離活性炭后加熱濃縮，當(dāng)濃縮液體積為原先體積的二分之一時，冷卻至室溫，再加入34倍體積的乙醇或甲醇使甘氨酸結(jié)晶析出，為了使甘氨酸達(dá)到所要求的質(zhì)量指標(biāo)，這種精制需反復(fù)進(jìn)行23次。通常精制收率

8、為60%70%，消耗大量的乙醇和活性炭，生產(chǎn)成本較高。為此，有文獻(xiàn)中報(bào)道了以強(qiáng)堿性陰離子樹脂和弱堿性陰離子為吸附劑的改進(jìn)的粗甘氨酸精制工藝，簡化了精制流程，提高了精制的收率。1.7 幾種生產(chǎn)工藝的對比表1 4分別是幾種生產(chǎn)工藝路線原料消耗和原料成本16。 表1 氯乙酸氨解法原料消耗及成本原料名稱純度，%單耗/tt1單價(jià)/元t1成本/元氯乙酸961.5506 50010 075液氨工業(yè)級0.8501 8501 573烏洛托品980.307 2002 160甲醇982.102 3004 830合計(jì)18 638表2 Strecker工藝原料消耗及成本原料名稱純度，%單耗/tt1單價(jià)/元t1成本/元甲

9、醛370.251 570393氰化鈉700.938 5007 905碳酸氫銨701.021 5501 581氫氧化鋇801.432 4503 500硫酸900.725380275合計(jì)13 654表3 改進(jìn)的Strecker和Hydantion工藝原料消耗及成本原料名稱純度，%單耗/tt1 (t/t)單價(jià)/元t1成本/元甲醛371.51 5702 355氰化氫1000.57 0003 500碳酸氫銨2.94001 160乙醇950.13 000300催化劑0.005200合計(jì)7 515表4 直接Hydantion工藝原料消耗及成本原料名稱純度，%單耗/tt1 單價(jià)/元t1成本/元羥基乙腈1000

10、.927 0006 440氨水0.12 900290二氧化碳0.12 000200合計(jì)6 930對比上面幾種工藝的原料消耗及產(chǎn)品的收率可以看出，氯乙酸氨解法原料成本最高，Strecker工藝由于氰化物消耗較大，原料成本仍高達(dá)13 654元/t，改進(jìn)的Strecker和直接Hydantion工藝競爭力最強(qiáng)。2 甘氨酸產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)甘氨酸產(chǎn)品的質(zhì)量決定于所使用的生產(chǎn)工藝和原料，由于中國尚未制定醫(yī)藥級、食品級和飼料級甘氨酸的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，這些產(chǎn)品均參照國際上目前使用的甘氨酸質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，見表5。表6是中國最大的甘氨酸生產(chǎn)商江西電化有限責(zé)任公司目前執(zhí)行的甘氨酸質(zhì)量規(guī)格。表5 國外甘氨酸的質(zhì)量規(guī)格規(guī)格食品和

11、醫(yī)藥級USP24，BP98外觀白色結(jié)晶粉末 白色結(jié)晶粉末 純度(C2H5NO2)，%99.5101.598.5101.5氯 (以Cl-計(jì))，%0.0060.007重金屬,，%0.0010.002鉛(以Pb計(jì))， %0.000 5硫酸鹽(以SO42-計(jì))， %0.0060.006 5砷(以As計(jì))，%0.000 1鐵(以Fe計(jì))，%0.001氨(以NH4+計(jì))， %0.01烘干失重，%0.070.2灰分，%0.050.1PH值5.86.2注：USP-24為美國藥典；BP-98為英國藥典。表6 國產(chǎn)甘氨酸的質(zhì)量規(guī)格規(guī)格醫(yī)藥級食品級飼料級工業(yè)級外觀白色結(jié)晶粉末 白色結(jié)晶粉末 白色結(jié)晶粉末 白色結(jié)晶粉

12、末純度(C2H5NO2)，%99.5101.598.5101.598.597.5氯 (以Cl-計(jì))，%0.0070.0210.500.70重金屬，%0.0020.0020.002鉛(以Pb計(jì))，%0.000 5硫酸鹽(以SO4+計(jì))，%0.0060.006 5砷(以As計(jì))，%0.000 20.000 20.000 3鐵(以Fe計(jì))，%0.003氨(以NH4+計(jì))，%0.020.02烘干失重，%1.00灰分，%pH值6.5 注：食品級符合日本味之素JISK-91標(biāo)準(zhǔn)；工業(yè)級產(chǎn)品規(guī)格符合HG2029-91標(biāo)準(zhǔn)。對比表5和表6可以看出，國外食

13、品和醫(yī)藥級甘氨酸要求的含量大于99.5%，工業(yè)級要求大于98.5%，且對氯含量要求極高，最大值不允許超過0.007%，反觀國內(nèi)生產(chǎn)的甘氨酸，特別是工業(yè)級和飼料級的質(zhì)量與國外有明顯差距，即使通過精制可生產(chǎn)醫(yī)藥級產(chǎn)品，但生產(chǎn)成本將大幅增加，缺乏市場競爭能力。3 國內(nèi)外甘氨酸的生產(chǎn)現(xiàn)狀國外甘氨酸生產(chǎn)廠家主要有美國的查特姆公司、法國的斯帕西亞公司、日本的有機(jī)合成藥品公司、昭和電工公司和味之素公司等，其中日本是甘氨酸生產(chǎn)和消耗大國，這些公司基本都采用改進(jìn)的Strecker工藝和直接Hydantion工藝，目前世界甘氨酸年產(chǎn)量已達(dá)230 kt。國內(nèi)甘氨酸的生產(chǎn)規(guī)模目前約為23 kt/a，生產(chǎn)廠家有40余家

14、，其中江西電化有限責(zé)任公司有兩套5 kt/a生產(chǎn)裝置1，浙江新安江化工集團(tuán)公司建有3 kt/a生產(chǎn)裝置，其他主要生產(chǎn)廠家有江蘇南通化工廠、長春農(nóng)安制藥廠、遼寧本溪化工廠、河北石家莊東華化工總廠等。產(chǎn)品均為工業(yè)級甘氨酸，用于生產(chǎn)農(nóng)藥草甘膦和植物生長調(diào)節(jié)劑增甘膦，此外，還建有一套1 kt/a醫(yī)藥級甘氨酸裝置。4 甘氨酸生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展趨勢從國外甘氨酸現(xiàn)有生產(chǎn)裝置使用的工藝路線及關(guān)于甘氨酸制備技術(shù)所申請專利的數(shù)量和內(nèi)容來分析，國外目前甘氨酸的生產(chǎn)完全淘汰了氯乙酸氨解工藝，主要采用以氫氰酸、羥基乙腈為原料的Strecker工藝和Hydantion工藝，通過工藝的不斷改進(jìn)，提高了產(chǎn)品的收率和產(chǎn)品的質(zhì)量，并

15、有采用生物技術(shù)由甘氨腈生產(chǎn)甘氨酸的發(fā)展趨勢。而在中國氯乙酸氨解工藝生產(chǎn)甘氨酸是目前普遍采用的技術(shù)，自1969年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化以來，雖然對其進(jìn)行了眾多改進(jìn)性研究1820，使甘氨酸收率由約70%提高至85%以上，產(chǎn)品甘氨酸含量從95%提高到98.5%，但其關(guān)鍵性指標(biāo)氯化物含量仍高達(dá)0.06%0.5%，由于所得產(chǎn)品純度低、雜質(zhì)含量多而無法滿足食品和醫(yī)藥行業(yè)生產(chǎn)的使用要求。同樣作為草甘膦原料，國外采用純度為98.5%101.5%的甘氨酸，而國內(nèi)純度只有97.5%98.5%，而且其中的氯化物含量是國外的30倍，生產(chǎn)合格的草甘膦需兩次重結(jié)晶，對產(chǎn)品的收率影響很大。雖然中國已經(jīng)開發(fā)成功了以氫氰酸為原料合成甘氨酸

16、的小試技術(shù)16，但反應(yīng)收率只有73%，產(chǎn)品純度只有95%，如要實(shí)現(xiàn)工業(yè)化還需在反應(yīng)工藝、產(chǎn)品的精制和連續(xù)化方面進(jìn)行大量研究。5 甘氨酸的應(yīng)用及市場狀況5.1 食品在食品加工中添加甘氨酸能改善食品的風(fēng)味和品質(zhì)，并具有抗氧化和防腐作用，可以延長食品保質(zhì)期，在發(fā)達(dá)國家需求量預(yù)計(jì)每年增加10%15%。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料表明，美國用作食品添加劑的甘氨酸達(dá)到10 kt，日本也有3 kt左右，其中僅日本有機(jī)合成公司一家就有2.5 kt用于食品加工。在國內(nèi)，由于沒有相應(yīng)的食品級甘氨酸質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和采用新工藝的生產(chǎn)裝置，使得一些食品加工企業(yè)只能從國外進(jìn)口，并且極大地阻礙了甘氨酸應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，據(jù)預(yù)測中國食品行業(yè)的潛在需求量

17、為10 kt。5.2 農(nóng)藥中間體草甘膦屬內(nèi)吸傳導(dǎo)型廣譜有機(jī)磷農(nóng)藥之一，能有效控制80余種危害較大的雜草的生長，因其具有低毒、易分解、強(qiáng)效、無殘留等優(yōu)點(diǎn)已被美國政府評為最優(yōu)秀農(nóng)藥之一，目前世界年需求量為140 kt。中國生產(chǎn)的草甘膦商品是含量為95%的固體草甘膦和含量為41%的草甘膦異丙胺鹽水劑，中國生產(chǎn)能力超過30 kt/a。目前生產(chǎn)草甘膦的主要工藝是甘氨酸/亞磷酸二甲酯法，每生產(chǎn)1 t需消耗甘氨酸0.96 t，僅生產(chǎn)草甘膦一種產(chǎn)品就消耗了中國市場上80%的甘氨酸。此外，甘氨酸還用于近年在中國發(fā)展較快的增甘膦的生產(chǎn)，它由甘氨酸與三氯化磷和甲醛反應(yīng)制得，每噸需消耗甘氨酸1.3 t。5.3 飼料在

18、國外，牛羊飼料配方中都加入甘氨酸，特別是在10周內(nèi)雞雛用飼料中是不可缺少的成分，而中國飼養(yǎng)業(yè)中尚未使用添加甘氨酸的飼料。我國是世界第二大飼料生產(chǎn)國，并以年均8%的速度增長，可以預(yù)計(jì)隨著中國食品級甘氨酸的規(guī)?；a(chǎn)，甘氨酸作為飼料添加劑的前景非常廣闊，僅從中國目前養(yǎng)雞業(yè)的總規(guī)模來看，每年需耗甘氨酸1.3 kt。6 建議國內(nèi)目前都采用氯乙酸氨解法生產(chǎn)甘氨酸，生產(chǎn)工藝落后，產(chǎn)品質(zhì)量差，裝置規(guī)模小，已嚴(yán)重制約了甘氨酸下游產(chǎn)品的應(yīng)用與發(fā)展，而世界發(fā)達(dá)國家生產(chǎn)廠商大多利用丙烯腈副產(chǎn)氫氰酸或羥基乙腈來生產(chǎn)甘氨酸。我國是丙烯腈生產(chǎn)大國，隨著2005年位于上?；瘜W(xué)工業(yè)區(qū)260 kt/a丙烯腈生產(chǎn)裝置的投運(yùn)，我國

19、丙烯腈生產(chǎn)能力將達(dá)到500 kt/a，副產(chǎn)氫氰酸約50 kt/a，并擁有一套10 kt/a羥基乙腈生產(chǎn)裝置，這為甘氨酸生產(chǎn)提供了充足的資源，而另一原料甲醛國內(nèi)也已供過于求，迫切希望尋找下游產(chǎn)品，因此，只要開發(fā)成功改進(jìn)的Strecker或直接Hydantion工藝，并達(dá)到國外先進(jìn)水平，將會全面提高我國甘氨酸的質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，并在國內(nèi)為其下游產(chǎn)品的發(fā)展，特別是在醫(yī)藥行業(yè)、食品加工業(yè)和飼料行業(yè)的發(fā)展，起到極大的促進(jìn)作用。我國有關(guān)企業(yè)應(yīng)充分利用氫氰酸和羥基乙腈原料優(yōu)勢，采用改進(jìn)的Strecker或直接Hydantion工藝建設(shè)一套萬噸級規(guī)模的甘氨酸生產(chǎn)裝置，必能獲取良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，提高中

20、國相關(guān)產(chǎn)品在世界市場的競爭能力。參 考 文 獻(xiàn)1 徐克勛.精細(xì)有機(jī)化工原料及中間體手冊. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，19982 宋彥梅，尹秋響，王靜康.甘氨酸的應(yīng)用及生產(chǎn)技術(shù).氨基酸和生物資源，2003，25(2)：55603 雷崧僧，陳學(xué)軍.我國草甘膦生產(chǎn)工藝及其技術(shù)進(jìn)步.農(nóng)藥，1999，38(4)：694 程嘉豪. 甘氨酸合成工藝.氨基酸和生物資源，1996，18(1)：9105 曹建軍. 乙醇法循環(huán)生產(chǎn)甘氨酸.化學(xué)世界，1990，（9）：4194206 金煉鐵，吳廣文.甘氨酸生產(chǎn)新工藝研究.化學(xué)世界，1993，（4）：1851897 朱世英.甘氨酸的合成工藝研究.浙江化工，1990，（3）：

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