甘氨酸的生产现状及发展趋势

甘氨酸的生产现状及发展趋势徐泽辉刁春霞黄亚茹常慧（中国石化上海石油化工股份有限公司）摘要：我国是世界上甘氨酸生产国之一，目前中国甘氨酸的生产技术基本都采用已经被国外淘汰的氯乙酸氨解法工艺，虽然经过持续的改进，提高了反应的收率和产品的质量，但与国外技术相比较，仍有生产成本高，产品质量差的劣势，且只能生产工业级甘氨酸。文章分析了国内外甘氨酸的生产现状及市场情况，对制约我国甘氨酸发展的重要因素进行了讨论，建议重点发展以羟基乙腈为原料的直接Hydantion工艺，生产纯度在99.5％以上的甘氨酸产品，进一步拓展其在食品加工业中的应用。关键词：甘氨酸生产市场甘氨酸是氨基酸系列中结构最为简单，人体非必需的一种氨基酸，在分子中同时具有酸性和碱性能团，在水溶液中为强电解质，在强极性溶剂中溶解度较大，基本不溶于非极性溶剂，而且具有较高的沸点和熔点，通过水溶液酸碱性的调节可以使甘氨酸呈现不同的分子形态[1]。根据甘氨酸的制备工艺和产品的纯度可分为食品级、医药级、饲料级和工业级四种规格产品。在食品加工中甘氨酸可用作食品的防腐剂，延长其保质期；在含酒精饮料和动植物食品的加工中，则作为调味剂、甜味剂、增香剂、营养增补剂，此外，在甜酱、酱油、醋、果汁中添加甘氨酸，达到改善食品的风味和增加食品营养的目的。在医药方面，甘氨酸可以合成多种药物，如治疗高血压药物盐酸地拉普利、抑制胃溃疡用碳酸钙制剂、扑热息通甘氨酸盐、单甘氨酸乙酰水杨酸钙、利血胺注射液、抗巴帕金森氏病药物L-多巴、甲砜霉素等[2]。工业级甘氨酸则主要用于大规模生产除草活性最强的除草剂草甘膦[3]。甘氨酸化学合成工艺主要有氯乙酸氨解法、施特雷克法（Strecker）和海因法（Hydantion）三种。目前国内仍采用在国外已被淘汰的氯乙酸氨解法技术，而国外则采用改进的施特雷克法和海因法技术路线。由于原料和工艺的不同，氯乙酸氨解法具有生产成本高，产品质量差的特点，所生产的甘氨酸大多为工业级，纯度一般在95％左右，严重制约了其下游的应用，而国外厂商大多利用丙烯腈副产氢氰酸和羟基乙腈生产甘氨酸，该法生产成本低，产品质量好，一般纯度可以达到99％以上。1生产技术1.1氯乙酸氨解工艺[4～7]该工艺以氯乙酸与氨水为原料，在乌洛托品催化剂作用下制得。先将催化剂溶解在氨水中，在良好搅拌下滴加氯乙酸，投料结束后，升高度，保一段时间，再降至一定度时，用乙醇或甲醇重结晶两次，就可以得到纯度为95％左右的甘氨酸。该工艺虽然简单且对设备要求不高，但由于产生大量的无机盐，使得产品的提纯非常困难，只能生产工业级甘氨酸。并产生大量富含氯化铵和甲醛的废水，所要求的环保处理费用较高。而且作为催化剂的乌洛托品难以循环使用，使生产成本增加。1.2Strecker工艺[7]将甲醛水溶液、氰化钠和氯化铵混合后在低下进行反应，反应结束后加入醋酸使亚氨基乙腈析出，然后溶解在乙醇内，加入硫酸后转化为氨基乙腈硫酸盐，最后加入化学计量的氢氧化钡生成硫酸钡和甘氨酸。该工艺同样存在生产成本高、产品质量差和环境污染严重的缺点。1.3改进的Strecker和Hydantion工艺[8、9]为了提高甘氨酸的质量，降低生产成本和减少环境污染，国外开发了以氢氰酸替代氰化钠或氰化钾改进的Strecker工艺，反应以氢氰酸、甲醛、氨和二氧化碳为原料，反应液在管式反应器中进行。在低下析出甘氨酸，母液循环使用，通过改变反应体系中副产物的浓度，使平衡向目标产物方向移动，从而达到提高反应收率的目的。虽然该工艺具有流程短、收率高和不产生污染等诸多优势，但由于氢氰酸的剧毒性和易挥发性，无法长距离运输，装置只能放在其原料装置附近，制约了甘氨酸生产的发展。1.4直接Hydantion工艺[10、11]Hydantion工艺的发展源于寻找氢氰酸的替代品，以消除甘氨酸生产的地域局限性。羟基乙腈是氢氰酸和甲醛的加成产物，其沸点为183℃，在高下易分解为氢氰酸和甲醛，因此，从生产和化学角度来说，以羟基乙腈为原料来生产甘氨酸，既解决了氢氰酸不易处理的缺陷，又保持了改进Strecker工艺的优点，该工艺目前正成为国外最受关注的技术路线之一。1.5生物法工艺[12、13]生物法制备甘氨酸工艺目前尚处于技术开发阶段，有些日本公司在该领域较为活跃，申请了许多专利。它以甘氨腈为原料，在微生物酶的作用下，使甘氨腈水溶液进行水解反应，从而转化为甘氨酸，同时伴随产生氨，水解时系统中含有至少一种抑制该微生物酶的有机物。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％之间，杂质含量为4％～10％，并带有较深的色泽，如不进行精制处理，无法满足食品及医药级甘氨酸的要求。目前工业上提纯甘氨酸的方法是利用活性炭吸附脱色后进行重结晶。首先将粗甘氨酸溶解在热水中，加入粉状活性炭吸附脱色，再经过滤分离活性炭后加热浓缩，当浓缩液体积为原先体积的二分之一时，冷却至室，再加入3～4倍体积的乙醇或甲醇使甘氨酸结晶析出，为了使甘氨酸达到所要求的质量指标，这种精制需反复进行2～3次。通常精制收率为60％～70％，消耗大量的乙醇和活性炭，生产成本较高。为此，有文献中报道了以强碱性阴离子树脂和弱碱性阴离子为吸附剂的改进的粗甘氨酸精制工艺，简化了精制流程，提高了精制的收率。1.7几种生产工艺的对比表1～4分别是几种生产工艺路线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称纯度，％单耗/t·t－1单价/元·t－1成本/元氯乙酸961.550650010075液氨工业级0.85018501573乌洛托品980.3072002160甲醇982.1023004830合计18638表2Strecker工艺原料消耗及成本原料名称纯度，％单耗/t·t－1单价/元·t－1成本/元甲醛370.251570393氰化钠700.9385007905碳酸氢铵701.0215501581氢氧化钡801.4324503500硫酸900.725380275合计13654表3改进的Strecker和Hydantion工艺原料消耗及成本原料名称纯度，％单耗/t·t－1单价/元·t－1成本/元甲醛371.515702355氰化氢1000.570003500碳酸氢铵2.94001160乙醇950.13000300催化剂0.005200合计7515表4直接Hydantion工艺原料消耗及成本原料名称纯度，％单耗/t·t－1单价/元·t－1成本/元羟基乙腈1000.9270006440氨水0.12900290二氧化碳0.12000200合计6930对比上面几种工艺的原料消耗及产品的收率可以看出，氯乙酸氨解法原料成本最高，Strecker工艺由于氰化物消耗较大，原料成本仍高达13654元/t，改进的Strecker和直接Hydantion工艺竞争力最强。2甘氨酸产品的质量指标甘氨酸产品的质量决定于所使用的生产工艺和原料，由于中国尚未制定医药级、食品级和饲料级甘氨酸的质量标准，这些产品均参照国际上目前使用的甘氨酸质量标准执行，见表5。表6是中国最大的甘氨酸生产商江西电化有限责任公司目前执行的甘氨酸质量规格。表5国外甘氨酸的质量规格规格食品和医药级USP－24，BP－98外观白色结晶粉末白色结晶粉末纯度（C2H5NO2），％99.5～01.598.5～101.5氯（以Cl-计），％≤0.006≤0.007重金属,，％≤0.001≤0.002铅（以Pb计），％≤0.0005硫酸盐（以SO42-计），％≤0.006≤0.0065砷（以As计），％≤0.0001铁（以Fe计），％≤0.001氨（以NH4＋计），％≤0.01烘干失重，％≤0.07≤0.2灰分，％≤0.05≤0.1PH值5.8～6.2注：USP-24为美国药典；BP-98为英国药典。表6国产甘氨酸的质量规格规格医药级食品级饲料级工业级外观白色结晶粉末白色结晶粉末白色结晶粉末白色结晶粉末纯度（C2H5NO2），％99.5～101.598.5～101.5≤98.5≤97.5氯（以Cl-计），％≤0.007≤0.021≤0.50≤0.70重金属,，％≤0.002≤0.002≤0.002铅（以Pb计），％≤0.0005硫酸盐（以SO4＋计），％≤0.006≤0.0065砷（以As计），％≤0.0002≤0.0002≤0.0003铁（以Fe计），％≤0.003氨（以NH4＋计），％≤0.0≤0.02烘干失重，％≤0.20≤0.2≤0.2≤1.00灰分，％≤0.1≤0.1≤0.1PH值5.5～6.55.5～6.5注：食品级符合日本味之素JISK-91标准；工业级产品规格符合HG2029-91标准。对比表5和表6可以看出，国外食品和医药级甘氨酸要求的含量大于99.5％，工业级要求大于98.5％，且对氯含量要求极高，最大值不允许超过0.007％，反观国内生产的甘氨酸，特别是工业级和饲料级的质量与国外有明显差距，即使通过精制可生产医药级产品，但生产成本将大幅增加，缺乏市场竞争能力。3国内外甘氨酸的生产现状国外甘氨酸生产厂家主要有美国的查特姆公司、法国的斯帕西亚公司、日本的有机合成药品公司、昭和电工公司和味之素公司等，其中日本是甘氨酸生产和消耗大国，这些公司基本都采用改进的Strecker工艺和直接Hydantion工艺，目前世界甘氨酸年产量已达230kt。国内甘氨酸的生产规模目前约为23kt/a，生产厂家有40余家，其中江西电化有限责任公司有两套5kt/a生产装置[17]，浙江新安江化工集团公司建有3kt/a生产装置，其他主要生产厂家有江苏南通化工厂、长春农安制药厂、辽宁本溪化工厂、河北石家庄东华化工总厂等。产品均为工业级甘氨酸，用于生产农药草甘膦和植物生长调节剂增甘膦，此外，还建有一套1kt/a医药级甘氨酸装置。4甘氨酸生产技术的发展趋势从国外甘氨酸现有生产装置使用的工艺路线及关于甘氨酸制备技术所申请专利的数量和内容来分析，国外目前甘氨酸的生产完全淘汰了氯乙酸氨解工艺，主要采用以氢氰酸、羟基乙腈为原料的Strecker工艺和Hydantion工艺，通过工艺的不断改进，提高了产品的收率和产品的质量，并有采用生物技术由甘氨腈生产甘氨酸的发展趋势。而在中国氯乙酸氨解工艺生产甘氨酸是目前普遍采用的技术，自1969年实现工业化以来，虽然对其进行了众多改进性研究[18～20]，使甘氨酸收率由约70％提高至85％以上，产品甘氨酸含量从95％提高到98.5％，但其关键性指标氯化物含量仍高达0.06％～0.5％，由于所得产品纯度低、杂质含量多而无法满足食品和医药行业生产的使用要求。同样作为草甘膦原料，国外采用纯度为98.5％～101.5％的甘氨酸，而国内纯度只有97.5％～98.5％，而且其中的氯化物含量是国外的30倍，生产合格的草甘膦需两次重结晶，对产品的收率影响很大。虽然中国已经开发成功了以氢氰酸为原料合成甘氨酸的小试技术[16]，但反应收率只有73％，产品纯度只有95％，如要实现工业化还需在反应工艺、产品的精制和连续化方面进行大量研究。5甘氨酸的应用及市场状况5.1食品在食品加工中添加甘氨酸能改善食品的风味和品质，并具有抗氧化和防腐作用，可以延长食品保质期，在发达国家需求量预计每年增加10％～15％。据统计资料表明，美国用作食品添加剂的甘氨酸达到10kt，日本也有3kt左右，其中仅日本有机合成公司一家就有2.5kt用于食品加工。在国内，由于没有相应的食品级甘氨酸质量标准和采用新工艺的生产装置，使得一些食品加工企业只能从国外进口，并且极大地阻碍了甘氨酸应用领域的扩展，据预测中国食品行业的潜在需求量为10kt。5.2农药中间体草甘膦属内吸传导型广谱有机磷农药之一，能有效控制80余种危害较大的杂草的生长，因其具有低毒、易分解、强效、无残留等优点已被美国评为最优秀农药之一，目前世界年需求量为140kt。中国生产的草甘膦商品是含量为95％的固体草甘膦和含量为41％的草甘膦异丙胺盐水剂，中国生产能力超过30kt/a。目前生产草甘膦的主要工艺是甘氨酸/亚磷酸二甲酯法，每生产1t需消耗甘氨酸0.96t，仅生产草甘