甘氨酸制备和提纯工艺技术及研究进展

王向龙， 龚文照， 赵 广， 张 伟， 贾 晨， 袁秋华， 冯志武

(阳泉煤业(集团)有限责任公司化工研究院，山西 太原 030021)

综述与论坛

甘氨酸制备和提纯工艺技术及研究进展

王向龙， 龚文照， 赵 广， 张 伟， 贾 晨， 袁秋华， 冯志武

(阳泉煤业(集团)有限责任公司化工研究院，山西 太原 030021)

随着工业化水平的不断提高，食品和医药用甘氨酸市场潜力巨大。国内甘氨酸生产企业采用氯乙酸氨解法生产工业级甘氨酸，介绍了国内外甘氨酸的制备和提纯工艺技术，综述了甘氨酸的应用情况，分析了国内市场发展趋势。

甘氨酸；工艺技术；应用市场

1 概况

甘氨酸，又名氨基乙酸(glycine)，是结构最简单的α-氨基酸，是有机合成的重要中间体，广泛应用于农药、医药、饲料、食品等领域[1-3]。

目前，国内甘氨酸生产企业采用氯乙酸氨解法生产工业级甘氨酸，主要原料是氯乙酸、氨、乌洛托品。国外食品、医药级甘氨酸采用改进的施特雷克法(Strecker)，主要原料为氢氰酸、甲醛、氨和二氧化碳(或碳酸铵、碳酸氢铵)。氯乙酸氨解法在国外已遭到淘汰，国内都是将工业级甘氨酸反复精制后制备食品、医药级甘氨酸，成本相对较高，致使我国医药和食品行业所需甘氨酸大量进口[4-5]。

2 甘氨酸制备工艺技术

2.1 氯乙酸氨解工艺

氯乙酸氨解工艺是以氯乙酸与氨水为原料，以乌洛托品为催化剂，制取甘氨酸。

主要反应方程式见式(1)、式(2)：

(1)

(2)

副反应见式(3)、式(4)：

NH(CH2COOH)2+HCl

(3)

N(CH2COOH)3+HCl

(4)

氯乙酸氨解法的优点是原料来源广泛，工艺简单，操作简便，反应条件温和，易于工业化，对设备要求不高。缺点是，反应时间长；副产氯化铵等无机盐分离困难，产品质量差，主含量最高约95.0%～97.5%；催化剂乌洛托品不能循环使用，单耗高，母液处理量大；污染严重，限制了生产规模。国内围绕该工艺存在的问题进行了大量研究，但产品质量仍然较差，副产品氯化铵纯度仍然较低[6-7]。

2.2 Strecker工艺

施特雷克(Strecker)工艺是以甲醛、氰化钠、氯化铵、氢氧化钡和硫酸为原料制备甘氨酸[2]。

反应式方程式见式(5)～式(7)及第18页式(8)：

(5)

3(NH2CH2CN)+H2SO4+3CH2(OCH2CH3)2

(6)

(NH2CH2COO)2Ba+2BaSO4+2NH3+2H2O

(7)

2NH2CH2COOH+BaSO4

(8)

该方法的优点是，产品质量优于氯乙酸法，易精制，适合大规模生产。缺点是，氰化钠是剧毒物，操作条件苛刻，生产成本高，路线长，除盐工序复杂。

美国、日本等对施特雷克法在原料上进行改进，开发了以氢氰酸替代氰化钠或氰化钾的改进Strecker法，反应是以HCN、甲醛、氨和二氧化碳(或碳酸铵或碳酸氢铵)为原料，在高温、高压下反应，制备甘氨酸。

2.3 直接海因法

为解决直接使用氢氰酸带来的问题，又开发了采用氢氰酸与甲醛先加成得到羟基乙腈，再与氨和二氧化碳(或碳酸铵或碳酸氢铵)进行反应合成甘氨酸的工艺，称为直接Hydantion法。

2.4 羟基乙腈工艺

羟基乙腈采用氢氰酸与甲醛先加成得到羟基乙腈，再与氨进行氨解反应制备氨基乙腈，后经碱解、酸化制得甘氨酸[8-10]。

主要反应方程式见式(9)～式(11)：

(9)

NH2CH2COONa+NH3

(10)

NH2CH2COOH+NaCl

(11)

华东理工大学曾做过此方面的研究；重庆三峡英力公司也采用此工艺。该工艺体系中也存在氯化钠等无机盐分离困难的问题。

2.5 其他方法

另外，还有α-氨基酸酰胺水解法、乙酸法、催化脱氢氧化法、生物合成法、辐射合成法等。但这些技术均处在实验阶段，工业化尚有很大困难[2-6]。

3 甘氨酸的提纯工艺技术

工业级粗甘氨酸含量在90%～95%，杂质含量为5%～10%，并带有较深的色泽，如不进行提纯处理，无法满足食品级及医药级甘氨酸的要求。提纯方法主要包括以下几种。

3.1 醇析法

将粗甘氨酸溶于热水中，加入粉状活性炭吸附脱色，过滤分离活性炭后加热浓缩，将浓缩液冷却至室温，再加入一定体积的甲醇使甘氨酸结晶析出，反复精制2次～3次后，精制收率一般为60%～70%。

采用醇析法提纯甘氨酸，精制成本高，使用有毒的甲醇，且回收甲醇需要增加设备投资，消耗大量蒸汽[7,11-12]。

3.2 离子交换法

离子交换法是利用甘氨酸水溶液等电点接近中性，通过离子交换树脂时，甘氨酸不易被阳离子或者阴离子交换树脂吸附，水溶液中的阳、阴无机离子和色素及其他杂质均易被吸附的原理而将杂质除去。

将工业级甘氨酸配置为15%～25%的水溶液，在pH<7的条件下，采用强碱阴离子交换树脂或强酸阳离子交换树脂进行处理，然后用活性炭脱色，再进行浓缩、冷却结晶。该法制备的甘氨酸的收率在90%以上，但耗能大，生产成本高[11]。

3.3 离子膜分离法

在电场作用下，甘氨酸溶液中的铵离子等正离子通过阳离子膜向负极方向移动，氯离子等负离子通过阴离子膜向正极方向移动，而甘氨酸在等电点时不产生电离，则留在原位。经过一定时间后，甘氨酸溶液经结晶、干燥，获得高纯甘氨酸产品[13]。

3.4 结晶法

在一定的温度下，工业级甘氨酸溶解于去离子水中，同时，加入活性炭进行脱色。对经过脱色的溶液进行除杂和过滤，除去溶液中的杂质离子和机械杂质。溶液经反渗透浓缩后，冷却结晶，再脱水获得滤饼和结晶母液。滤饼进行加热干燥，获得精制的甘氨酸晶体。再对结晶母液进行脱色、除杂和结晶，再次获得甘氨酸晶体[14-15]。

循环提纯法也是根据甘氨酸在水中的溶解度随温度变化的原理，采用结晶法，通过用新的甘氨酸饱和溶液更换部分结晶母液，使该母液能循环用于工业级甘氨酸的精制。

4 甘氨酸的应用

甘氨酸广泛应用于农药、医药、食品、饲料等领域，特别是应用于草甘膦，在国内消耗量约占甘氨酸总产量的80%以上[1-3]。

4.1 农药行业

甘氨酸是合成除草剂草甘膦的重要中间体。草甘膦的主要合成路线有亚氨基二乙酸法和甘氨酸法，我国甘氨酸法占总产能的75%[16-18]。

4.2 医药行业

甘氨酸可作为多种药物的中间体，如，生产强效、长效治疗轻度至重度原发性及肾血管性高血压药物——盐酸地拉普利、扑热息痛甘氨酸盐等。用甘氨酸还可合成丝氨酸、苏氨酸、单甘氨酸阿斯匹林钙、甲砜霉素等，生产肝功能恢复新药硫普罗宁(凯西莱)，及谷胱甘肽、苯基甘氨酸等。此外，早年曾以30%甘氨酸和70%碳酸钙混用，治疗神经性或胃溃疡性胃酸过多。在各种氨基酸输液的配方中，基本上都用到甘氨酸。此外，据报道，日本味之素研究人员发现，部分有睡眠障碍的人在睡前服用甘氨酸，可明显改善其睡眠状态。

4.3 食品行业

主要用作食品氨基酸强化剂、调味剂及营养补充成分；用在食品酿造、肉食加工、清凉饮料等行业；甘氨酸还可单独作为甜味剂，用于糖果和饼干的制作，对高血压的预防很有好处；还可添加在精制食盐中。

4.4 饲料行业

在饲料添加剂中添加甘氨酸，成为各种禽畜的营养补充成分，是孵化10周内小鸡必需养分。但国内饲料业还尚未使用添加甘氨酸的饲料。

4.5 其他方面

甘氨酸还用于表面活性剂和日化行业，也可用于动物药品添加剂、柠檬酸三醋酸酯等行业中，也作为pH调节剂添加在电镀液中。

5 市场情况

在国内，由于绝大部分甘氨酸生产企业采用氯乙酸法制备甘氨酸，生产工艺水平落后，所得产品纯度低、杂质含量多而无法满足食品、医药行业生产的要求，故，主要被用作生产农药中间体。草甘膦消费量的增长主要来自于转基因作物种植面积的持续增加。近年来，由于工业级甘氨酸出现产能过剩情况，导致价格一直较低，很多国内企业多处于不盈利和微盈利状况；而且，世界卫生组织认为，孟山都草甘膦对人类可能致癌，也导致国内草甘膦产业境遇艰难。

国内少数厂家以氯乙酸法甘氨酸反复精制得到的医药级甘氨酸，由于含氯根，不能满足国内医药和食品工业的需要，只能依赖进口。

6 结束语

国内采用氯乙酸法制备甘氨酸的生产技术水平落后，生产成本高，产品质量差，主要应用于农药领域。而甘氨酸在食品、医药等领域的应用正逐步加强，市场潜力巨大，采用氯乙酸法精制所得食品、医药级甘氨酸，成本较高，污染较大，不符合我国环保发展趋势。因此，国内应该引进和开发新技术，建设大规模食品、医药级甘氨酸生产装置。

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Preparation and purification process technology of glycine and research progress

WANG Xianglong, GONG Wenzhao, ZHAO Guang, ZHANG Wei, JIA Chen, YUAN Qiuhua, FENG Zhiwu

(Chemical Research Institute of Yangquan Coal Industry (Group) CO., Ltd., Taiyuan Shanxi 030021, China)

With the continuous improvement of industrial level, market of glycine in food and madicine has huge potential. Domestic glycine production enterprises produce indusreial glycine by ethylene chlorohydrin ammonolysis. The preparation and purification process technology of glycine at home and abroad is introduced. The application of glycine is reviewed, and the development trend of the domestic market is analyzed.

glycine; process technology; application market

2016-12-09

王向龙，男，1983年出生，2010年毕业于中国矿业大学(北京)化工专业，工学硕士，工程师。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.01.05

TQ226.36

A

1004-7050(2017)01-0017-03