甘氨酸合成方法及發展前景

龔文照

(1.華陽新材料科技集團有限公司，山西 陽泉 045000；2.華陽集團碳基合成材料研發中心，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量且有最簡單分子結構的α氨基酸[1-3]。化學結構式為C2H5NO2，其在常溫下呈白色晶體或結晶性粉末狀態，在水中溶解較易，部分溶于乙醇、乙醚等有機溶劑。甘氨酸作為一種重要的精細化工中間體，應用領域涵蓋廣泛，包括農藥、醫藥、食品、動物飼料及日用化學品等多個行業[4-5]。

國內外對甘氨酸的合成技術研究高度重視，已開發多種工藝路線，包括已實現工業化大規模生產的氯乙酸氨解法、Strecker法(施特雷克法)、處于開發中的綠色工藝：Hydantion法(海因法)和生物化學合成法。

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并實現甘氨酸合成工業化的一種技術[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，在反應釜中水相或醇相條件反應，后利用醇析法獲取甘氨酸。其主要反應方程式如式(1)。

ClCH2COOH+2NH3→NH2CH2COOH+NH4Cl

(1)

副反應如式(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點是原料價廉易得，生產工藝簡單，操作便捷，設備要求較低，合成條件溫和，利于工業化；缺點為反應周期長，副產物氯化銨量大且和產品的分離難度大，直接影響后續產品的純度，所產廢水處理工藝難度和費用較高，催化劑烏洛托品回收利用難度高，導致生產成本上升。

目前，國外的主要甘氨酸生產企業已淘汰該工藝，但我國的生產廠家仍以此法為主。為提升產品品級，減少生產成本，適應新的環保要求，我國的相關生產企業和學者針對當前工藝中存在問題進行了深入研究。

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，在反應器內利用氯乙酸、氨合成甘氨酸，通過直接離心分離得到甘氨酸產品。該法極大地減少生產中烏洛托品用量，母液后處理難度較小，降低生產成本，同時可獲得更多品質提升的氯化銨產品，帶來可觀的間接經濟效益。

沈美忠[8]公開了一種新的甘氨酸合成工藝。其反應原料仍采用氯乙酸和氨氣，催化劑為烏洛托品，反應在水溶液中完成，較傳統工藝不同點在于，反應母液經過電滲析處理，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實現循環套用，氯化銨水溶液蒸發濃縮結晶后得到氯化銨。本方法解決了現有技術中采用醇水混合液加大生產成本、母液蒸餾需要大量能耗和副產物氯化銨品質不高的問題。

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，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一步反應得到甘氨酸鋇鹽，最后再加入硫酸使鋇沉淀，經過濾，濾液濃縮，冷卻結晶后獲得甘氨酸產品。其反應方程如式(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)

該方法的優點是所獲甘氨酸品質好，且產品易于后續精制，滿足工業化大規模生產需求；缺點是該合成工藝路線繁瑣，操作條件要求嚴苛，除鹽工序復雜，且原料氰化鈉為劇毒化學品，安全風險高。為進一步提高甘氨酸產品品質，提升產品市場競爭力，使得工藝更加綠色環保，國外科研機構在原施特雷克工藝基礎上，成功研發出改進的施特雷克工藝，即以氫氰酸代替氰化鈉作原料。該法具有合成工序少、產品收率高、生產成本低、對環境綠色友好等特點，但因氫氰酸有毒且易揮發，長距離運輸不便，較適合在原料生產或儲存地附近生產。當前，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企業均采用該工藝。

2.3 Hydantion法(海因法)

Hydantion法(海因法)工藝技術來源于尋找氫氰酸替代品的過程中[10]。改進的Strecker法其主要原料氫氰酸為劇毒化學品，易揮發且存儲不易，在找尋其可替代品的過程中，人們研發了Hydantion法(海因法)制備甘氨酸生產工藝。即首先利用氫氰酸與甲醛合成穩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。反應式為式(8)。

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

(8)

2.4 生物合成法

甘氨酸本質是一種氨基酸，因此當前利用生物技術合成氨基酸對其具有同樣的適用性。自20世紀90年代以來，國內外的科研機構和學者對利用生物技術合成甘氨酸開展了大量的研究，并在一定范圍內取得了可喜的進展和突破。日本Nitto化學工業公司在30 ℃，弱堿環境下，利用假細胞菌屬，酪蛋白菌屬，產堿桿菌屬等菌屬和甘氨酸胺基質反應，發現甘氨酸胺近乎全部水解，轉化率為99%。國內學者張真淑等通過基因手段使ATP磷酸核糖基轉移酶(HisG)產生突變，提升了棒桿菌屬微生物生產甘氨酸的能力，提幅將近2倍[12]。

整體來看，生物合成甘氨酸的技術尚處于初步研究階段，局限在實驗室開發研究，仍然有諸多技術難題需要攻克，如尋找適應范圍廣的高效活性酶、更有效的基因改造手段等。從長遠看，生物合成法具有巨大的發展潛力，其突出優點包括：選擇性好、產品收率高、反應條件溫和、環保無污染。

2.5 甘氨酸合成方法對比

當前正在開發中的甘氨酸綠色環保合成工藝同已實現工業化的甘氨酸生產工藝在采用原料、技術難度、設備要求等方面均存在一定的差異。各合成甘氨酸工藝指標對比如第23頁表1所述。

表1 各種合成甘氨酸工藝指標對比

3 甘氨酸的應用

甘氨酸作為一種重要的精細化工品，其應用領域廣，涉及農藥、醫藥、食品、飼料、日用化學品等行業，其中以農藥領域尤為突出，目前我國甘氨酸總產量的80%以上主要用于農藥草甘膦的合成。相關領域的消費大致占比(公開資料整理)如圖1所示。

圖1 甘氨酸主要消費領域

3.1 農藥行業

甘氨酸是生產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能的80%左右。絕大部分的工業級甘氨酸用于生產草甘膦。隨著轉基因大豆、玉米的大規模種植，草甘膦需求日漸增長，進而帶動國內工業級甘氨酸產能大幅提升，并呈現供過于求的趨勢，但整體市場較穩定。

3.2 醫藥行業

在醫藥方面，甘氨酸可作為醫學微生物和生物化學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-多巴、維生素B6、以及蘇氨酸等氨基酸、肝功能恢復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現，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。

3.3 食品行業

甘氨酸在食品行業中的主要功能包括：增味劑、香料功能，以及營養增補、防腐、穩定劑作用等。在動植物食品和含醇飲料的加工中使用可改善食品風味、增加甜味；美拉德反應體系香料中添加甘氨酸，可使食物呈現出烘烤味和肉香味；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定劑；另外，甘氨酸還可用作配制調節胃液酸度、提高肌肉活力的運動員營養飲料及其他氨基酸食品的原料。

3.4 飼料行業

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，但其合成速度遠不能滿足10周內小雞生長需求。在飼料中添加甘氨酸可以有效促進小雞的生長。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補充成分，還能防止飼料氧化變質,延長飼料保鮮期。目前，國外牛羊的飼料中普遍添加甘氨酸，國內的飼養業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主流工藝。由該工藝生產的甘氨酸純度低、雜質氯含量較高，主要用作農藥草甘膦的合成。只有少數企業可以生產用于食品、醫藥、飼料行業的高品質產品，因此導致這些領域甘氨酸的需求長期依賴進口。經過多年的發展，我國甘氨酸的產能逐步增長，近年來趨于平穩(如第24頁圖2所示)。目前國內主要甘氨酸生產企業產能統計見第24頁表2。受國際市場需求變化和國家環保政策調整等因素影響，甘氨酸的價格存在一定范圍的波動。

圖2 2012年-2020年甘氨酸產量走勢圖

表2 國內主要甘氨酸生產企業產能統計表

4 展望

國內甘氨酸生產企業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，產品成本高、環境污染問題多、產品品質差，隨著現在環保政策日漸加強和綠色可持續發展戰略的不斷深入，該工藝正陷于關停風險高的困境。同時，我國對食品級、飼料級等高質量甘氨酸產品的需求日益增長，市場潛力不斷加大。因此，國內甘氨酸生產工藝應朝著綠色環保、高效節能的可持續方向發展，加強直接海因法和生物合成法的開發研究，盡早實現工業化，在減輕對外進口依賴的同時提升我國產品的國際市場競爭力，以期收獲巨大的經濟效益和良好的社會效益。