楊仁俊，張偉，赫瑞元，李鑫，韓萌，龔文照

陽泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司化工研究院（太原 030000）

甘氨酸（Glycine，縮寫為Gly），也稱氨基乙酸，其化學(xué)結(jié)構(gòu)式為NH2CH2COOH，是氨基酸系列中相對分子質(zhì)量最小、結(jié)構(gòu)最簡單的一種。根據(jù)甘氨酸的合成工藝與產(chǎn)品質(zhì)量不同，可分為工業(yè)級、飼料級、醫(yī)藥級和食品級四種產(chǎn)品規(guī)格。

甘氨酸是一種重要的化工中間體，在各領(lǐng)域根據(jù)消費量占比由高到低依次為農(nóng)藥、食品、飼料、醫(yī)藥等。在我國，約80%的甘氨酸用于生產(chǎn)除草劑草甘膦，而國內(nèi)草甘膦產(chǎn)量從2015年的40萬 t增加至2019年的55萬 t，年增長率達(dá)9.3%[1-2]。在食品行業(yè)，甘氨酸可作為營養(yǎng)增補劑、調(diào)味劑、防腐劑[3-5]；在飼料和醫(yī)藥行業(yè)，甘氨酸作為飼料添加劑和藥物中間體[6-8]。

目前，工業(yè)化和具有工業(yè)化前景的甘氨酸合成方法主要有氯乙酸氨解法、施特雷克法、羥基乙腈法、直接海因法、生物合成法等。

1 甘氨酸合成方法

1.1 氯乙酸氨解法

氯乙酸氨解法是以氯乙酸和氨水為起始原料，在催化劑烏洛托品作用下，合成甘氨酸。其主反應(yīng)方程式為

副反應(yīng)為

該方法的優(yōu)勢是反應(yīng)原料來源廣泛，合成工藝簡單，反應(yīng)條件溫和，對設(shè)備材質(zhì)要求不高，且操作簡便，易于工業(yè)化生產(chǎn)。不足在于合成周期長，副產(chǎn)物氯化銨不易分離，產(chǎn)品品質(zhì)差，烏洛托品催化劑難以回收利用，造成生產(chǎn)成本較高。

目前，氯乙酸氨解法仍是國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)甘氨酸的主要方法。為降低生產(chǎn)成本、提高甘氨酸產(chǎn)品品質(zhì)，國內(nèi)甘氨酸生產(chǎn)企業(yè)和科研機構(gòu)進(jìn)行了大量的科研工作。

沈美忠[9]提出了一種甘氨酸合成新工藝，即引入電滲析處理結(jié)晶母液，分離得到的甘氨酸與烏洛托品混合液返回反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行循環(huán)利用，氯化銨水溶液經(jīng)蒸發(fā)濃縮結(jié)晶獲得氯化銨，該工藝不僅大幅減少了催化劑烏洛托品用量，降低了生產(chǎn)成本，而且還提高了副產(chǎn)氯化銨品質(zhì)，如圖1所示。

圖1 一種甘氨酸合成新工藝

任麗君等[10]提供了一種高沸點極性溶劑用于分離甘氨酸與氯化銨，兩者回收率均在95%以上，純度達(dá)到99%以上，同時可以降低甘氨酸生產(chǎn)過程中混晶分離工段設(shè)備投資，減少溶劑使用量，降低生產(chǎn)成本。

張敏卿等[11]對原工藝進(jìn)行改進(jìn)，將一步法拆分為氨溶解、成鹽反應(yīng)、氨化反應(yīng)三步，使得氨水能按所需量同料液混合，避免了因氨吸收引起局部過熱或局部料液pH過高而造成的副產(chǎn)物多的問題，提高了甘氨酸收率，減少了烏洛托品消耗。

1.2 施特雷克法

施特雷克法是以氰化鈉、甲醛、氯化銨、硫酸、氫氧化鋇等為原料合成甘氨酸產(chǎn)品，反應(yīng)方程式為

該方法的優(yōu)點是產(chǎn)品品質(zhì)好，易精制，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)；缺點是原料氰化鈉為劇毒物，脫鹽工序復(fù)雜，合成工藝路線長，操作條件苛刻。

為減少環(huán)境污染和降低生產(chǎn)成本，國外科研機構(gòu)在施特雷克工藝基礎(chǔ)上，開發(fā)了使用氫氰酸代替氰化鈉作原料的改進(jìn)施特雷克工藝，具有合成工藝流程短、生產(chǎn)成本低、產(chǎn)品收率高等優(yōu)點，已逐漸成為國外甘氨酸生產(chǎn)企業(yè)的主流工藝。

1.3 羥基乙腈法

羥基乙腈法是氫氰酸先與甲醛反應(yīng)生成羥基乙腈，再同氨發(fā)生氨解反應(yīng)生成氨基乙腈，后經(jīng)堿解、酸化等工序合成甘氨酸。主要反應(yīng)方程式為

王友仁等[12]介紹了一種甘氨酸制備工藝，包括氨化、堿解、排氨酸化、脫色、濃縮除鹽結(jié)晶、重結(jié)晶等步驟。使用管式反應(yīng)器進(jìn)行氨化反應(yīng)，提高了反應(yīng)溫度和壓力，縮短了反應(yīng)時間，減少了原料分解及副產(chǎn)物生成。采用母液循環(huán)利用，減少了廢棄母液處理量，提高了產(chǎn)品收率，降低了生產(chǎn)成本，如圖2所示。

青木隆典等[13]制備了一種鈰化合物催化劑，在由氨基乙腈合成甘氨酸過程中，顯示出較高的催化活性和選擇性，反應(yīng)中無雜鹽生成，避免了后續(xù)酸化、脫鹽等操作，活性降低的催化劑可通過洗滌、熱處理等方法再生后循環(huán)使用，降低了生產(chǎn)成本。

圖2 甘氨酸的制備工藝

1.4 直接海因法

氫氰酸有毒、易揮發(fā)的特性造成運輸、存儲較為困難，為尋找氫氰酸替代品，人們開發(fā)了直接海因法工藝，該工藝首先讓氫氰酸與甲醛反應(yīng)生成較為穩(wěn)定的羥基乙腈，再以羥基乙腈與碳源、氨源（二氧化碳與氨水或碳酸銨與碳酸氫銨）為原料，在高溫高壓條件下（一般反應(yīng)溫度為60～200 ℃、反應(yīng)壓力為3～6 MPa），經(jīng)海因合成與水解反應(yīng)，得到產(chǎn)品甘氨酸。反應(yīng)式為

該工藝流程簡單、原子利用率高、清潔環(huán)保，極具應(yīng)用前景。目前，直接海因法合成甘氨酸工藝仍處于實驗室小試、中試階段，尚未見工業(yè)化報道。

馮志武等[14]提供了一種羥基乙腈連續(xù)化制備甘氨酸的工藝，如圖3所示，以羥基乙腈與氨源、碳源為原料，依次經(jīng)管式填料反應(yīng)器和釜式反應(yīng)器，發(fā)生海因合成與海因水解反應(yīng)，再經(jīng)蒸發(fā)、濃縮、結(jié)晶、分離、干燥等工序，獲得高純甘氨酸產(chǎn)品。該工藝不僅能保證甘氨酸收率和純度均在99%以上，還實現(xiàn)了以羥基乙腈為原料連續(xù)化生產(chǎn)甘氨酸，且生產(chǎn)過程中無廢液排放。

圖3 一種羥基乙腈連續(xù)化制備甘氨酸的方法

龍曉欽等[15]介紹了一種甘氨酸的清潔生產(chǎn)方法及裝置，如圖4所示。該方法獨特之處是分別在合成反應(yīng)器與水解反應(yīng)器后設(shè)置汽提塔，通過汽提來排除體系中未反應(yīng)的二氧化碳和氨，降低對設(shè)備的腐蝕。反應(yīng)器材質(zhì)采用鋯合金，在增加材質(zhì)的抗腐蝕性能基礎(chǔ)上，減少了甘氨酸二肽等副產(chǎn)物的生成，甘氨酸純度高達(dá)99.5%以上。

1.5 生物合成法

生物合成法是利用微生物來合成甘氨酸，具有選擇性好、收率高、反應(yīng)條件溫和、無污染等優(yōu)點，是一種潛力巨大的甘氨酸合成方法。

目前，該方法仍處于研究和開發(fā)實驗階段。國內(nèi)外科研人員在努力開發(fā)用于有效合成甘氨酸的微生物和發(fā)酵工藝技術(shù)，如增強編碼在棒狀菌屬的菌株中參與氨基酸生物合成酶的基因的表達(dá)或缺失氨基酸生物合成所不必要的基因。李智軟等[16]在ATP磷酸核糖基轉(zhuǎn)移酶（HisG）中引入突變，使得棒桿菌屬微生物在維持谷氨酸生產(chǎn)能力的同時提高了甘氨酸的生產(chǎn)能力，提高幅度約1.6倍。

圖4 甘氨酸的清潔生產(chǎn)方法及裝置

2 甘氨酸主要合成方法對比

已工業(yè)化的甘氨酸合成方法與潛力方法指標(biāo)對比見表1。

表1 已工業(yè)化的甘氨酸合成方法與潛力方法指標(biāo)對比

3 展望

隨著環(huán)保政策日益嚴(yán)厲和綠色環(huán)保概念深入人心，清潔生產(chǎn)已成為社會主流。直接海因法和生物合成法兩技術(shù)在甘氨酸綠色合成方面潛力巨大，其中直接海因法已處于中試階段，離工業(yè)化生產(chǎn)又邁進(jìn)了一步。同時，隨著基因工程等生物技術(shù)的突飛猛進(jìn)，通過基因重組、改造等技術(shù)來提高微生物合成甘氨酸的能力，將推動生物法合成甘氨酸技術(shù)的發(fā)展。