聚天冬氨酸生產技術研究進展

吳 飛

（銅陵化工集團有機化工有限責任公司，安徽 銅陵 244003）

聚天冬氨酸（Polyaspartic acid，PASP）屬于聚氨基酸中的一類。聚天冬氨酸因其結構主鏈上的肽鍵易受微生物、真菌等作用而斷裂，最終降解產物是對環境無害的氨、二氧化碳和水。因此，聚天冬氨酸是生物降解性好的環境友好型化學品。在工業高度發達的今天，環境問題越來越引起人們的重視，聚天冬氨酸的合成與應用備受世界各國的關注。

聚天冬氨酸可以改變鈣鹽的晶體結構，是一種優良的阻垢分散劑，可用于循環冷卻水系統、鍋爐及油氣田水處理[1~2]；聚天冬氨酸具有良好的降粘作用[3]和緩蝕作用[4~5]；還可作為肥料增效劑，能促進植物生長[6]；它還具有優良的保濕性能，可用于日用化妝品和保健用品的制造[7]；聚天冬氨酸可用于制備高吸水樹脂[8]；另外，由聚天冬氨酸制備的給藥載體材料已被廣泛地應用于計劃生育、抗腫瘤等藥物上[9]。因此，聚天冬氨酸用途廣泛，市場容量很大，它的生產和使用必將帶來巨大的經濟效益和社會效益。

1 生產方法

聚天冬氨酸的合成路徑主要分為3個步驟：（1）由原料合成中間體聚琥珀亞酰胺（polysuccinimide，PSI）；（2）PSI水解制取聚天冬氨酸鹽；（3）聚天冬氨酸鹽的分離與純化。其中，中間體聚琥珀酰亞胺的合成是最關鍵的步驟。根據所用原料的不同PSI的合成方法可分為2大類，一是以L- 天冬氨酸為原料直接進行熱縮聚合；二是以馬來酸（酐）或富馬酸為原料，與氨氣、氨水、銨鹽或有機胺類化合物反應生成馬來酰亞胺，再進行聚合。

1.1 以L- 天冬氨酸為原料

以L- 天冬氨酸為原料在有催化劑或無催化劑的條件下生產PASP，有固相縮聚（無溶劑）和液相縮聚（有溶劑）2種生產工藝，其合成路線如圖1所示。

圖1 以天冬氨酸為原料合成聚天冬氨酸路線

1.1.1 L- 天冬氨酸固相縮聚法

以L- 天冬氨酸為原料，在有或沒有催化劑的條件下進行熱縮聚。可采用螺桿式壓出機、捏合機、反應釜、聚四氟乙烯盤等反應器，反應溫度為150~350℃，最佳反應溫度為220~280℃。當PSI聚合過程中產生的水量全部移走時冷卻反應混合物，再將催化劑水洗除去即可。

催化劑的加入，可降低反應所需的溫度和反應時間，節約能量。可選的催化劑有磷酸、硫酸氫鈉、有機膦酸、磷酸二氫鈉、硫酸、對甲基苯磺酸、焦硫酸鹽、硼酸、鹽酸等。總體催化效果磷酸最好，硫酸氫鈉次之。

1.1.2 L- 天冬氨酸液相縮聚法

將L- 天冬氨酸與有機溶劑混合，加熱到140~260℃，反應時間為1~5h。反應過程中需不斷攪拌以防止固體凝固，同時不溶于有機溶劑的水可通過蒸餾移出。制得的固體產物通過傳統的過濾方法可從反應溶劑中分離出來。

溶劑的加入顯著改善了反應體系的傳熱、傳質環境，降低了反應所需溫度，有效提高了產品質量。溶劑可選擇7~14個碳原子的高沸點烷醇，如庚醇、辛醇、異癸醇、正癸醇、十三烷醇、十四烷醇以及它們的混合物等。由于異癸醇的沸騰范圍和易分離性，可作為首選的溶劑。也可以從含有10~20個碳原子的高沸點烷烴中選取，如癸烷、十二烷、十三烷、十四烷、十五烷等。此外，苯、環丁砜及其混合物也可作為該過程的溶劑。由于過程中無溶劑損耗，因此溶劑可循環使用。

1.2 馬來酸酐法

以馬來酸酐為原料生產PASP，其合成路線與天冬氨酸法相比多了一步中間產物馬來酸/富馬酸銨鹽、馬來酰亞胺的生成，其合成路線[10]如圖2所示。

圖2 以馬來酸酐為原料合成聚天冬氨酸路線

1.2.1 以馬來酸酐、氨水為原料的固相縮聚法

馬來酸酐在50~55℃下加水溶解，當溫度升至75℃左右時，緩慢滴加氨水溶液，直至n(氨)∶n(馬來酸酐)=1~1.5；將生成的馬來酸銨鹽抽真空干燥，得到馬來酸銨鹽晶體，再維持體系溫度110~120℃持續1h以徹底除去晶體中的水分；之后在真空狀況下升溫至162~193℃反應4h，得到中間產物PSI；將PSI加堿水解，即可得到重均分子量約1000~4000的產物PASP。

該工藝開辟了以馬來酸酐為原料制備PASP的新路線，顯著降低了原料成本，具有重大意義，但其缺點也較明顯。首先，氨水滴加過程中，氨的揮發損失比較多，造成了原料的浪費和環境污染；其次，聚合前的除水過程需要消耗大量能量，生產成本增加；最重要的是該生產過程需要經過熔融相，工業生產不易控制，同時也會帶來副產水不易脫除等問題。

1.2.2 以馬來酸酐、氨基化合物為原料的固相縮聚法

馬來酸/富馬酸與無機銨鹽在雙螺桿擠出機中混合2~20min，再升溫至160~220℃進行熔融化反應，生成PSI；將PSI在50~70℃堿性條件下水解轉化為相應的鹽；噴霧干燥獲得PASP細粉。其中氨基化合物可以是尿素、氨基甲酸、脲基銨鹽、碳酸銨、硫酸銨等。氨基化合物的種類和用量對PASP重均分子量影響較大，一般選擇碳酸銨，比例控制在1∶1.2左右。

該過程避開了馬來酸/富馬酸銨鹽生成過程中水的參與，節約了過程能耗；同時由于在一定溫度下銨鹽熱分解釋放出的氨很容易被馬來酸吸收，也可提高氨的利用效率。但該過程仍無法解決反應過程中出現高粘階段，易產生泡沫等問題。

1.2.3 以馬來酸酐、氨水為原料的液相縮聚法

馬來酸（酐）或富馬酸與氨溶解于溶劑中，在130~300℃溫度下，攪拌反應5~300min，可制得PSI。有2種方法可得到PASP：一是蒸發溶劑，再進行NaOH水解得到聚天冬氨酸鈉鹽；二是將反應混合物用水稀釋，濾出PSI，再進行NaOH水解得到聚天冬氨酸鈉鹽。為了確保反應在液體環境或低粘度條件下進行，最佳選擇為n（溶劑）：n（馬來酸酐）=1.3~2.2，反應壓力為 0.5~4MPa。

其中，溶劑可選擇水、含醇基的有機溶劑或極性非質子有機溶劑。優選醇類溶劑有單官能團的伯醇、仲醇、叔醇，如甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇、異丙醇、異丁醇等。優選極性非質子溶劑有N- 甲基甲酰胺、N,N- 二甲基甲酰胺、N,N- 二甲基乙酰胺、二甲亞砜等。

1.3 分析比較

從反應介質方面比較，固相聚合設備簡單、操作方便，但體系傳熱效率低，過程控制較為困難，反應過程中生產的水在高粘度環境中不易逸出，導致反應過程中不可避免地有泡沫產生，并且最終產物分子量不高。液相聚合可有效改善反應體系的傳熱效率，降低反應溫度和時間，節約能耗，但同時也存在聚合溶解性弱，化學和熱穩定性差、聚合方法不可控等問題。

從原料方面比較，以馬來酸(酐)為原料制取的聚天冬氨酸，相對分子質量較小，一般在800~15000，而且產率偏低，溫度高時容易導致產品顏色變深，產品的阻垢能力和分散能力較強，但在高分子吸水材料及化妝品等方面效果欠佳，該路線合成的產物主要用于植物生長促進劑、分散劑和水處理劑等方面。以L- 天冬氨酸作原料制取的聚天門冬氨酸，其相對分子質量較大，從800~500000，用途十分廣泛，是日用化學品中理想的中間原料。對于相對分子質量相近的產品，以L- 天冬氨酸為原料制取的聚天冬氨酸的生物降解性較好。

總之，不同的合成路線決定著聚天冬氨酸的分子量和分子結構，從而決定產品的性質和使用性能。最終使用何種路線，需考慮原料優勢、產品定位、市場前景等各方面綜合因素而決定，如對于高分子吸水材料、日用化學品及其他一些特殊用途的產品而言，以L- 天冬氨酸為原料的工藝路線較具優勢。

2 技術進展

1961年，Kovacs等[11]首次報道了真空條件下加熱L- 天冬氨酸到200℃反應120h或加熱萘反應100h制備PSI的反應過程。

1973年，Neri等[12]報道了使用大量85%磷酸作為催化劑和溶劑，減壓下進行L- 天冬氨酸的熱縮聚得到高分子量（大約20000~30000）PSI的方法。這種合成方法的缺點是從反應混合物中分離出PSI有點困難，因為殘存的磷酸很難除去。

1978年，Etsuo Kokufuta等[13]對Kovacs報道的反應過程進行了詳細描述，并提出該過程的最佳反應溫度為163~218℃，最高轉化率為68%，聚合物的分子量隨著反應時間的延長而增加。

20世紀80年代，Wheeler教授與Larry等人開始著手研究聚天冬氨酸工業化制造技術。進入20世紀90年代，其研制與應用開發變得十分熱門。美國Donlar公司以Larry P.Koskan[14~17]為首的研究團隊，對以天冬氨酸為原料制備PASP的過程進行了細致、全面的研究，發表了一系列專利詳細闡述了在該領域的研究成果。于1996年建成了一套1.8萬t·a-1的生產裝置，率先實現了工業規模的生產。該公司榮獲當年美國“綠色化學品總統挑戰獎”。

1994年，Bayer公司 Gunther Boehmke等[18]用馬來酸酐和氨水在有增溶劑的條件下在130~135℃下反應4h得到分子量在2000~4000的PASP。增溶劑的目的是增強馬來酸銨鹽在熔融態聚合物中的溶解度，其本身并不是溶劑。該方法是固相聚合向液相聚合思路轉變的過渡路線，具有重要意義。

1997年，Tomida等[19~21]考察了各種有機溶劑和酸催化劑對天冬氨酸的熱縮聚的影響，發現使用1,3,5- 三甲基苯和環丁砜作為混合溶劑，少量的磷酸作為催化劑，得到比較滿意的結果，轉化率可達90%以上，產物分子量大約60000~70000。

1998年，Matthias等[22]報道了采用鹽酸作催化劑。研究發現，采用鹽酸作為催化劑同樣可以大大縮短反應時間，同時還可避免磷酸的后續分離。但該專利中未見具體的反應器設計與后續報道，可能由于鹽酸具有較強的腐蝕性，對設備的要求較高。

2000年，Nakato等[23]在雙螺桿擠出機上，以磷酸為催化劑進行天冬氨酸本體熱縮聚制備PSI的工業化連續生產的嘗試，轉化率高達99%。

2003年，黃君禮等[24]以馬來酐或富馬酸為主要原料，加入氨水或尿素或銨鹽溶液，以（915±50）MHz或（2450±50）MHz的微波頻率輻射，合成聚琥珀酰亞胺，再進一步水解可生成分子量分布為500~50000的聚天冬氨酸。該方法采用微波輻射加熱，與傳統的加熱技術相比合成速率較快，產率高，產品性能穩定，能耗低。

2007年，韓國愛敬日化集團[25~26]討論了以馬來酸酐為原料的液相聚合制備PASP方法中溶劑類型對反應操作的影響。該研究發現，聚合過程中泡沫產生的程度取決于溶劑的性質。采用不含活性氫的極性溶劑，可有效避免泡沫的形成，但會加劇產物的熱降解，產物質量低、顏色差；采用弱極性或非極性溶劑，可抑制但不能避免泡沫的形成。

2010年，曲濱鴻[27]嘗試了在離子液體體系中合成聚天冬氨酸，選用了3種離子液體AlCl3-NaCl-KCl、[Bmim]BF4、AlCl3-Et3NHCl作為反應介質，結果顯示三者中AlCl3-Et3NHCl效果最佳，產品產率可達35.5%。引入離子液體代替有機溶劑作為反應介質，為聚天冬氨酸反應溶劑的選擇提供了一種新的思路。

2011年，楊士林等[28]以咪唑類離子液體作為反應介質和L- 天冬氨酸混合，加溫至145~158℃并保持0.5~6h得到聚琥珀酰亞胺與離子液體的混合液體；將混合液體冷卻后加入去離子水使聚琥珀酰亞胺析出，聚琥珀酰亞胺洗滌后，用氫氧化鈉水溶液溶解，再用鹽酸調節pH值至3.0~3.5，用乙醇沉析，得到聚天冬氨酸沉淀，再經過濾干燥后得到聚天冬氨酸，產率50%~70%。

總結聚天冬氨酸生產技術的發展歷程，是以提高轉化率、降低反應難度和減少能耗為目標，其研究思路主要圍繞催化劑和溶劑的從無到有，以及對兩者的篩選和合理搭配。從目前的情況看，磷酸作為催化劑效果較佳且比較常見，適合于各種溶劑。溶劑的選擇方面，先后對有機弱極性或非極性溶劑、有機極性溶劑、離子液體溶劑都有不同程度的研究。目前，以天冬氨酸為原料時，選擇碳酸異丙烯酯、異癸醇或環丁砜為溶劑最佳，以馬來酸（酐）為原料時，常用的溶劑有二甲基甲酰胺、二甲基亞砜等。

3 反應過程中的影響因素

3.1 反應溫度

反應溫度對產物轉化率影響較大，在整個反應過程中起決定性作用。例如，天冬氨酸在204℃時反應5d，轉化率只有60%，而在241℃時反應2h，轉化率可達到97%；馬來酐與銨類物質在150℃以下僅發生氨轉移反應，生成馬來酸鹽和天冬氨酸及其鹽的混合物，只有提高到150℃以上才會發生縮聚反應轉化為聚琥珀酰亞胺。可見反應溫度不僅影響轉化率，而且決定著聚合反應是否發生，提高溫度能夠使聚合反應發生并且加快反應速度。

3.2 催化劑

在聚天冬氨酸合成過程中，催化劑可以降低反應活化能加快反應速度，縮短反應時間。德國BASF公司制取聚天冬氨酸時，在160~200℃及無催化劑條件下反應，產物完全轉化所需的時間為50 h；而在相同溫度下有催化劑存在時，獲得相同轉化率的時間僅為5 min~5 h，反應時間縮短了10倍以上。催化劑還能提高聚合物的摩爾質量，使用催化劑以后聚合物摩爾質量提高了3倍。使用催化劑可使反應在較低的溫度下進行，改善產品的顏色，同時催化劑的存在還可明顯改善聚天冬氨酸產品的生物降解性。

3.3 反應介質

反應介質即溶劑，根據是否加入反應介質，聚合工藝可分為液相聚合和固相聚合，前文已有闡述和比較。如果在固相中反應，反應很容易進行，但反應不均勻；如果在溶劑中反應，可以降低反應物粘度，提高傳質和傳熱速度，使反應均勻徹底，加快反應速度，提高產率。例如，天冬氨酸在加熱到188℃時開始聚合反應，加熱5h，產率只有27%，而在碳酸丙烯酯介質中，聚合溫度下降到165℃，且只需反應2h，產率達90%以上。使用溶劑還可以明顯改善產品的顏色，但使用溶劑將增大產品分離和純化難度，提高生產成本。

3.4 外部環境

影響聚天冬氨酸生產的外部環境主要有惰性氣體保護和反應壓力兩方面因素。在聚天冬氨酸的合成過程中，合成反應既可以在空氣條件下進行，也可以在惰性氣體環境中完成。惰性氣體的通入，可降低系統分壓，防止反應物質在高溫下氧化及結焦，同時對反應物及反應產物起到保護作用，降低產品色度，改善產品顏色。聚琥珀酰亞胺聚合過程中發生脫水反應，通入惰性氣體降低環境水蒸汽分壓，加速脫水進程，能使產物平均摩爾質量提高4.5%。常用的惰性氣體有氮氣、二氧化碳等。與常壓情況相比，真空或負壓條件下更有利于水分的去除，產物平均摩爾質量能提高2.5倍，產品顏色變為淺黃甚至白色。

4 結語

聚天冬氨酸是近幾十年發展起來的新型綠色高分子化學品，由于其具有諸多優良性質，因而具有較強的實際應用價值和廣泛的應用前景。進行聚天冬氨酸產品的研究開發必將獲得可觀的經濟效益和巨大的社會效益。

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