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浙江工业大学工程硕士论文；电渗析技术在甘氨酸合成中的应用研究 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 作者签名：易起x 以日期：9 年月侈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口o ( 请在以上相应方框内打“”) 1t o 1 二历 作者签名：a 愀日期：i 夕7 年7 月扩日 导师签名：日期：年 月 日 浙江工业大学工程硕士论文t 电渗析技术在甘氦酸合成中的应用研究 摘要 甘氨酸是一种重要的化工中间产品，广泛应用于医药、农药、食 品、化肥和饲料等行业。随着甘氨酸市场需求的增大，人们对甘氨酸 的生产工艺及分离技术越来越关注。目前我国的甘氨酸生产，主要采 用氯乙酸催化氨解合成工艺，存在的主要问题是产物甘氨酸与副产物 氯化铵的分离。采用甲醇醇析法进行两种产物的分离，主要缺点是需 要消耗大量的甲醇，同时有大量釜残排放，造成环境污染，而且能耗 高，收率低，产品质量差，设备腐蚀严重，直接导致生产成本高，产 品缺乏竞争力。 本文对反应机理进行了深入研究，考察了温度、p h 值等关键因素 对合成反应的影响，改进了传统的甘氨酸生产工艺，提出了一种先进 的甘氨酸合成和分离工艺。以碳酸氢铵代替液氨，不需要液氨钢瓶， 无腐蚀刺激，有利于安全贮运，提高了生产的安全性。 甘氨酸和氯化铵的分离采用了电渗析分离提纯甘氨酸的新工艺。 研究了极限电流及其控制规律，详细考察料液流量对产品的收率及质 量的影响。结果表明，在优化的工艺条件下甘氨酸的收率达9 6 以上， 纯度达到9 9 ，与现行甘氨酸纯化工艺相比，产品收率和纯度都得以 提高。初步估算表明，消耗下降、污染减少、生产成本降低，该工艺 具有良好的开发前景。 关键词：甘氨酸，氯化铵，电渗析 塑坚三些奎兰三堡堡圭堡苎：皇望塑垫查垄堇墨墼垒堕竺堕旦堡壅 a b s t r a c t g l y c i n ei sa l li m p o r t a n ti n t e r m e d i a t ep r o d u c t ，a n de x t e n s i v e l ya p p l i e d i nt h e m e d i c i n e ，p e s t i c i d e ，f o o d ，f e r t i l i z e r , a n i m a lf e e da n dr e l a t e d i n d u s t r i e s w i t ht h ei n c r e a s eo fm a r k e td e m a n df o rg l y c i n e ，m o r ea n d m o r ea t t e n t i o nw a sp a i dt oi t s p r o d u c t i o np r o c e s sa n dp u r i f i c a t i o n t e c h n i q u e s c h i n ai so n eo ft h em a i nc o u n t r i e sp r o d u c i n gg l y c i n e t h e m a i np r o d u c i n gt e c h n o l o g yi st h r o u g ht h ea m m o n i a t i o no fc h l o r o a c e t i c a c i d t h ek e yp r o b l e me x i s t i n gi nt h ei n d u s t r i a lp r o d u c i n gp r o c e s si st h e s e p a r a t i o n o f g l y c i n e f r o ma m m o n i u mc h l o r i d e b yt h e d i l u e n t s c r y s t a l l i z a t i o nw i t hm e t h a n 0 1 t h em a i nd i s a d v a n t a g e so ft h i ss e p a r a t i o n t e c h n o l o g yi n c l u d et h eh i g hc o s to fm e t h a n o l ，t h ev e n to fw a s t e w a t e r , t h e s e r i o u sp o l l u t i o n ，t h eh j i g hc o n s u m p t i o no fe n e r g ya n dr e a c t a n t ，w h i c h w i l lc a u s et h eh i g hp r o d u c i n gc o s t sa n dt h el o wc o m p e t i t i v ep o s i t i o n i nt h i sp a p e r ，t h er e a c t i o nm e c h a n i s mw a ss t u d i e da n dt h ei n f l u e n c e o ft h ek e ye l e m e n t s ，s u c ha st e m p e r a t u r ea n dp h ，o nt h es y n t h e s i sp r o c e s s o fg l y c i n ew a si n v e s t i g a t e d b yi m p r o v i n gt h et r a d i t i o n a l p r o d u c i n g t e c h n o l o g yo fg l y c i n e ，a l la d v a n c e ds y n t h e s i sa n ds e p a r a t i o nt e c h n o l o g y w a s i n t r o d u c e d l i q u i da m m o n i u m w a s r e p l a c e db ya m m o n i u m b i c a r b o n a t ea ss t u f f s ，s os t e e lc y l i n d e rw a sn o tn e e d e df o rl i q u i da m m o n i a a n de r o s i o na n di r r i t a t i o nw a sn o t a p p e a r e di nt h ec o u p eo f p r o d u c t i o n i t w a sb e n e f i tf o rs t o r i n g ，t r a n s p o r t i n ga n dp r o d u c i n g t h er e a c t i o nb e t w e e n 2 浙江工业大学工程硕士论文：电渗析技术在甘氨酸合成中的应用研究 t h e mw a sc a r r i e do u ti nt h ec o m m o ns a t u r a t e ds o l u t i o no fg l y c i n ea n d a m m o n i u me h l o r i d e t h i st h e s i sd e v e l o p e dan e wt e c h n o l o g yo fp u r i f y i n gg l y c i n eb y e l e c t r o d i a l y s i so n t h eb a s eo fs u m m a r i z i n gs e v e r a lg l y c i n e p r o d u c i n g t e c h n o l o g y s e p a r a t i o no fg l y c i n ef r o mt h er e a c t i o nm i x t u r ei n c l u d i n g a m m o n i u mc h l o r i d ea n dg l y c i n ew a se m p h a s i z e d e f f e c t so fo p e r a t i o n p a r a m e t e r ss u c ha sf l u xo fr a ws o l u t i o na n dl i m i t e dc u r r e n to nt h ey i e l d a n dq u a l i t yo fp r o d u c tw e r ed i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a ta y i e l do f g l y c i n ee x c e e d s9 6 w i t h9 9 p u r i f i c a t i o nc a nb ea c h i e v e d c o m p a r e dt o t h ec u r r e n tt e c h n o l o g y , t h ep r o p o s e dt e c h n o l o g yo f f e r sh i g h e ry i e l d ，l e s s p o l l u t i o n ，s i g n i f i c a n t l yl o w e rp r o d u c t i o nc o s t s k e y w o r d s ：g l y c i n e ，a m m o n i u mc h l o r i d e ，e l e c t r o d i a l y s i s 3 浙江工业大学工程硕士论文：电渗析技术在甘氪酸合成中的应用研究 第一章前言 甘氨酸( n h 2 c h 2 c o o h ) 又名氨基乙酸或称乙氨酸，结构最简单，分子量最小 的一种氨基酸，最早从明胶中分解得到，原名为明胶糖。甘氨酸有独特甜味，其 甜度为蔗糖的0 8 倍。甘氨酸广泛应用于医药、食品、饲料、电镀、有机合成等 领域。甘氨酸主要用于除草剂草甘膦的生产。草甘膦为除草活性最强的内吸传导 型广谱有机磷农药之一，能有效控制8 0 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，己被美国政府评为最优秀农药之一，美国 孟山都( m o n s a n t o ) 公司的草甘膦产品专利到期后，世界草甘膦的生产规模迅速扩 大。每吨草甘膦合成约需要消耗甘氨酸o 9 5 吨，甘氨酸的质量及价格直接影响 草甘膦产品的竞争力，国内大型草甘膦生产企业如河北东华化工集团、浙江新安 化工集团等都有自己配套的甘氨酸生产系统。 我国年产草甘膦实际产量1 5 万吨，预计到2 0 0 6 年底将突破2 5 万吨，每年大量 出口。草甘膦的发展拉动了甘氨酸的需求，我国甘氨酸总产量约为1 2 万吨，中国 已经成为甘氨酸生产大国，其中我省的新安化工分别拥有5 万吨甘氨酸生产能力， 其生产技术代表国内先进水平，产量位居亚洲第一。目前甘氨酸工业品价格 1 9 2 o 万元，食品级产品价格2 2 - 2 4 万元。国外甘氨酸生产厂商主要有美国查 特姆( c h a t e m ) 公司、法国斯帕西亚( s k i ) 公司、荷兰阿克苏( a k e o ) 化学公司、捷 克爱格富集团、日本的有机合成药品公司、昭和电工公司和味之素公司等。世界 甘氨酸的总产量为3 0 万吨。我国甘氨酸的出口逐渐增加，1 9 9 5 年美国、欧盟曾先 后对我国出口的甘氨酸发起反倾销调查，以惩罚性关税保护本国生产企业利益。 随着甘氨酸应用的不断拓展，甘氨酸的合成工艺成为各国研究的热点。目前 国外主要采用施特雷克工艺，传统的施特雷克法是将甲醛、氰化钠与氯化铵一起 反应，再加入乙酸，析出得到亚甲基氨基乙睛，在硫酸存在下加入乙醇，亚甲基 氨基乙腊分解得到氨基乙睛硫酸盐，将此硫酸盐用氢氧化钡分解，得到甘氨酸钡 盐，然后加入硫酸使钡沉淀，过滤，滤液浓缩，冷却得到甘氨酸结晶。该法产品 易精制，产品质量好，但需使用剧毒化学原料，操作条件苛刻，反应后脱盐操作 复杂，工艺路线长。目前国外很多企业仍采用施特雷克法，但都进行了不同的技 7 浙江工业大学工程硕士论文；电海析技术在甘氯酸合成中的应用研究 术改进。 ， 我国甘氨酸生产一盍采用氯乙酸氨解生产工艺。1 9 6 9 年中国援建阿尔巴尼亚 化肥厂，合成氨生产需要脱除二氧化碳，当时脱碳工艺是采用砷碱法，即三氧化 二砷和碳酸钾吸收二氧化碳，考虑到砷的毒性，改用甘氨酸法沿用至今。当时国 内甘氨酸生产是空白，河北师范大学受化工部援外处委托配套甘氨酸生产，1 9 6 9 年5 月在国内率先采用氯乙酸氨解工艺实现甘氨酸工业化，1 9 7 4 年无偿转让给正 定二十里铺磷肥厂( 现东华化工集团前身) ，经过近3 0 年的艰苦努力，东华公司现 己成长为较大的甘氨酸生产企业之一。 这条以氯乙酸为原料氨解法生产甘氨酸的工艺中，合成条件温和，设备简单， 合成收率较高，工艺难点是产物甘氨酸与副产物氯化铵的分离。存在的主要问题 是采用醇析法来分离甘氨酸，需消耗有毒、易燃的甲醇，回收甲醇需要增加设备 投资，消耗大量的蒸汽；另外，催化剂乌洛托品一次性消耗不能循环使用，单耗 高，母液处理量大，并形成大量的污染。围绕该工艺存在的问题，国内曾进行了 大量的改进研究，包括在分离过程中采用离子交换法、碱化脱氨法等，但都没有 完全淘汰甲醇，而且仍然只能得到甘氨酸一个产品，氯化铵夹杂在釜残中排放， 浓缩釜残也只能得到农用氯化铵，产品质量较差，成本居高不下，而且污染的制 约限制了生产规模的扩大。在人们环保意识日益提高的今天，实现社会可持续发 展已经成为人类的共识。 甘氨酸生产过程中的废液治理技术成为甘氨酸研究的一个重要课题，从生产 甘氨酸的废水中提取氯化铵主要有三大难点：能耗问题：腐蚀问题：蒸发过 程中存在氯化铵的升华问题，催化剂乌洛托品的分解导致冷凝水排放不达标造成 二次污染。处理废液回收氯化铵，在经济上不合理的，因此各生产企业在研究的 同时，并没有积极实施的热情，使污染的问题久拖不决，污染的难题直接影响着 这条工艺的生命力，也决定着这条工艺的前途。 从绿色化学的观点出发，一条合理的生产工艺路线，应该具有经济竞争力， 但前题是保护环境，应提倡的理念是要从工艺设计上使生产过程不产生或少产生 污染，而不是产生污染后再去讨论如何治理。通过生产技术的提高以降低甘氨酸 的生产成本，增强产品竞争力，并消除环境污染，这是本文研究的出发点。 甘氨酸的合成是一个平行、连串复杂反应过程，甘氨酸是连串反应的中间产 8 浙江工业大学工程硕士论文：电渗析技术在甘氟酸合成中的应用研究 物，与甘氨酸合成主反应平行的副反应是原料氯乙酸的水解反应，这个平行反应 生成羟基乙酸，反应温度是影响产品收率及质量的关键因素。另外，以氯乙酸铵 和碳酸氢铵为原料合成反应后得到的是甘氨酸和氯化铵的混晶，需采用合适的技 术进行分离。 本文在探讨甘氨酸合成反应机理的基础上，主要分析反应温度、p h 值等因素 对合成反应的影响，在深入研究的基础上，提出一种先进的甘氨酸合成和分离工 艺：合成采用氯乙酸铵和碳酸氢铵为原料，代替单纯的氯乙酸，研究重点是在甘 氨酸和氯化铵的分离难题。解决方案采用电渗析法除盐、浓缩、结晶法。与国内 现行生产工艺相比，新工艺彻底淘汰甲醇，原料消耗降低，设备简单，能耗少， 降低了生产成本。生产操作简便，没有易燃易爆或毒害的溶剂，生产过程更安全， 污染少，同时得到两个产品甘氨酸、氯化铵品质量远优于传统工艺，综合效益提 高。 9 浙江工业大学工程硕士论文；电渗析技术在甘氪酸合成中的应用研究 2 1 甘氨酸的简介 第二章文献综述 甘氨酸( g l y c i n e ，本文简称g l y ) ，又名氨基乙酸、乙氨酸，分子式为c 2 h s n 0 2 ， 结构式n h 2 c h 2 c 0 0 h ，分子量7 5 0 7 。甘氨酸为白色单斜晶系或六方晶系的晶体或 r t l 白色性结晶性粉末，是氨基酸中分子量最小、结构最简单的氨基酸。甘氨酸 是不带电的极性氨基酸，为人体非必需氨基酸。甘氨酸属于甜味类氨基酸，具有 独特清凉的甜味，其甜度为蔗糖的0 8 倍。甘氨酸易溶于水，在水中溶解度：2 5 时为2 5 克l o o 毫升，5 0 0 c 时为3 9 1 克1 0 0 毫升，7 5 0 c 时为5 4 4 克1 0 0 毫升，1 0 0 0 c 时为6 2 7 克1 0 0 毫升，微溶于吡啶、甲醇、乙醇，不溶于丙酮、乙醚。熔点为 2 3 2 2 3 6 0 c ( 分解) ，熔程从1 8 2 0 c 一2 3 8 0 c ，密度为1 1 6 0 7 ( 2 1 0 c ) 。0 2 m 水溶液的 p h 值为4 0 0 ( 2 5 ) ，水中的等电点为5 9 7 。大鼠的口服半数致死量l d 5 0 是7 9 3 0 m g k g 。 r 9 1 甘氨酸有a 、b 、y 三种不同晶型，可以由i r 谱及x 射线衍射加以区别，a 和y 两种晶型相互转变，b 晶型是不稳定的晶型，潮湿的空气中b 晶体，极易转 化为a 晶体。通常的工业生产方法所得产品是含a ，y 两种晶体结构的白色粉末状 r q l 混合体。据文献“。报导，这种产品长时间存放或处于潮湿环境会结块，结块的 机理是产品中的a 晶体转变成了y 晶体，其中y 晶体是这一转变的催化剂，不存 在a 晶体不会结块，不存在y 晶体也不会结块。 2 2 甘氨酸的应用 2 2 1 农药行业中 甘氮酸可作为生产除草剂草甘麟和叶面施用的植物生长调节剂增甘膦等的 原料，作为良好的脱叶剂，合成异菌脲杀菌剂，合成除虫菊脂类杀虫剂甲醚菊酯 1 0 浙江工业大学工程硕士论文：电渗析技术在甘氨酸合成中的应用研究 等的中间体或者原料，发展前景广阔。随着国内需求量和出口量的增加，预计 2 0 0 5 年我国农药行业将消费甘氨酸约4 万以。 据统计，目前我国甘氨酸8 0 用于合成草甘膦。由于草甘膦优异的性能和良 好的发展前景，2 0 世纪9 0 年代世界各地纷纷建设草甘膦生产装置，目前全球草 甘膦市场已出现供过于求的局面。 近年来我国草甘膦发展较快，成为农药出口的主要品种。但是由于我国甘氨 酸质量差，不仅纯度低，而且其中的氯化物含量是国外的3 0 倍左右，国产的甘 氨酸要达到国外同等水平，需经过二次结晶，成本较高。有关资料介绍，采用氯 乙酸氨解法生产的成本是氢氰酸法3 倍，严重影响我国草甘膦的质量和竞争力。 随着市场全球化的深入，国外草甘膦产品大量进入我国市场，加之全球产能过剩， 导致我国许多规模较小的甘氨酸和草甘膦生产企业处于停产或半停产状态。加入 w t o 后，我国草甘膦市场出现转机，2 0 0 2 年我国草甘膦出口大幅度增加，尤其 是2 0 0 2 年中期澳大利亚等国对我国草甘膦的倾销起诉失败后，更增加了我国草 甘膦的出口势头。但如今国内企业又将面对严峻的形式，2 0 0 3 年2 月1 5 日欧盟 委员会发布了决定对我国出口的草甘膦进行反倾销复审的公告，同时，巴西外贸 委员会于2 月7 同发布公告决定对我国出口的草甘膦产品实施反倾销措施，欧盟 于2 0 0 3 年9 月对中国草甘膦进行市场经济地位核查，面对跨国公司的反倾销， 反规避及反吸收，中国草甘膦市场形势极为严峻。 2 2 2 医药行业 甘氨酸可用作药物溶剂和缓冲剂等。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、抑制胃溃疡的药用碳酸钙制剂、单甘氨酸乙酞水扬酸钙、 利血胺注射液等。这些药物均是疗效确切，且价格不是十分昂贵的药物，甘氨酸 还可大量用作氨基酸制剂的输液。据报道，国外各种氨基酸输液都已使用了甘氨 酸。甘氨酸还用于金霉素的缓冲剂，且其本身也具有治疗神经性胃酸过多以及抑 制胃溃疡酸过多之功效。甘氨酸更广泛应用是被用作合成药物的原料及药物中间 体。譬如用甘氨酸可以合成抚巴金森氏药物“l 多巴”，用于治疗肌力衰弱的假肥 大性营养失调症。甘氨酸可作为合成其它氨基酸的原料，如用作合成d l 苯丙氨 酸及i 广苏氨酸等。甘氨酸还可以合成甲砜霉素、四氮唑乙酸、单甘氨酸阿斯匹 浙江工业大学工程硕士论文：电渗析技术在甘氪酸合成中的应用研究 林钙、单甘氨酸乙酰水杨酸钙等诸多药物。由于甘氨酸的不可替代性，已被用于 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，甘 氨酸可用于制酸剂、解毒剂、药物助溶剂等。随着我国医疗体制改革的全面实施， 上述药物市场前景看好，预计2 0 0 5 年医药行业对甘氨酸的需求量将达到8 0 0 0 f f a 左右。 2 2 3 在氨基酸行业 甘氨酸可以合成d l 苯丙氨酸及苏氨酸等。d l 苯丙氨酸是重要的医药、食品 和饲料添加剂，2 0 世纪9 0 年代末期，国内合成技术逐渐成熟，而且下游产品不 断被开发出来，近年来发展加快，产量快速增加；苏氨酸是继蛋氨酸、赖氨酸、 色氨酸之后第四种禽畜必需的氨基酸添加剂，其化学合成法便是以甘氨酸为原 料，作为重要的医药原料、营养强化剂和饲料添加剂，目前在国内尚处于启动阶 段，国内产量仅为5 0 t a 左右，但是随着科技进步，国内外苏氨酸市场孕育着巨 大的潜力，预计2 0 0 5 年氨基酸工业将消耗甘氨酸约3 0 0 v a 左右。 2 2 4 在食品行业中的应用 4 5 甘氨酸在食品中主要用作添加剂，能起到改善食品风味，提高食品质量的作 用。目前，国内生产的甘氨酸产品质量达不到食品级标准，因而在此方面的应用 尚未有大的发展；丽在国外，尤其是日本，食品行业是甘氨酸的消费大户。据专 家预测今后食品行业将是直接使用甘氨酸的最大用户。 ( 1 ) 调味和缓冲 甘氨酸的甜度是蔗糖的0 8 倍，具有与糖不同的柔和甜味，在清凉饮料和合 成酒等饮料中作矫味剂，如和丙氨酸合用添加于葡萄酒为0 4 ，威士忌0 2 ，香 槟酒1 o ，在糖果，饼干中单独作为甜味剂。甘氨酸除了本身提供清甜美味外， 还能减少苦味及除去食物中令人不悦的口味，在果汁中加0 0 2 糖精和0 4 甘氨 酸，可除去糖精的苦味，因甘氨酸为具有氨基和羧基的两性离子，故有很强的缓 冲性，对食盐，食醋等的味感能起缓冲作用，减轻对味感的刺激，添加量为盐腌 品0 3 - 0 7 酸渍品0 0 5 一0 5 ，甘氨酸可改善虾肉、碎鱼肉的耐冷冻性和食用 风味，能防止愿类在高压处理时变性。甘氨酸能一定程度呈虾，墨鱼味，可用于 浙江工业大学工程硕士论文：电渗析技术在甘氨酸合成中的应用研究 调味酱。同其他物质混合，可生产各种天然物味道的调味品，如：甘氨酸1 9 5 份， 天然氨基酸8 份，琥珀酸钠0 5 份，可制成具有虾仁味粉末汤料，著名的日本酱菜 在制作过程中不可缺少甘氨酸。 ( 2 ) 杀菌和防腐 防腐剂中既具有防腐作用，又有营养和改善食品风味，还是氨基酸类防腐剂， 其中最有名的就是甘氨酸。甘氨酸能抑制枯草杆菌，大肠杆菌的生长，在鱼块， 鱼丸，火腿，腊肠，花生酱中加入1 一2 甘氮酸可防腐并防止它们发臭。作为防 腐剂，甘氨酸可单独使用，也可与其他化合物复配。甘氨酸与蔗糖酯，甘油酯或 山梨糖醇酯添加到食品中或覆盖在食品表面都能收到防腐保鲜效果。制好的面条 煮熟1 5 m i n ，然后装入塑料袋密封，1 0 0 。c 蒸汽加热灭菌2 0 m i n ，则可使面条的保存 期从3 天延长n 3 0 天。甘氨酸7 0 份，乙醇2 0 份，甘油单酯1 0 份为良好的保鲜剂， 保鲜豆腐效果很好，国外己商品化。甘氨酸和鱼精蛋白，醋酸钠复配也是一种良 好的食物防腐剂。 ( 3 ) 鳌合和抗氧化 天然食品及加工过程中存在的铜、锌、锰、铅等金属离子能促进油脂的氧化， 若在油脂类食品加工中添加甘氨酸后，金属离子与甘氨酸鳌合而失去活性，可抑 制油脂的氧化。将甘氨酸添加到奶油，干酪、人造奶油中可延长保存期3 4 倍。 为使焙烤食品中的猪油稳定，可添加葡萄糖2 5 和甘氨酸0 5 。速煮面用的小 麦粉中添加0 1 一0 5 ，既可抗氧化，同时还起调味作用。日本是一个味精消费 大国，但在市场很少有9 9 5 的结晶味精出售，一般都是9 0 味精和1 0 甘氨酸 的混合物。味精中添加甘氨酸可以达到改善味口，延长保存期和节约用粮的一举 三得的功效。 2 2 5 金属盐在医药工业中的应用 甘氨酸具有较强的抑菌抗癌作用：用甘氨酸、碘化氢和碘构成的复合( h 0 0 c c h 3 n h z ) 2 舡1 2 ，可使水中的伤寒病原菌在5 分钟内，由每m l l 0 万个减少至 卜2 个。甘氨酸与次氯酸反应得到的n 一氯代甘氨酸，对于医治龋齿和牙斑病有特 效。甘氨酸是很有前途的内毒素拮抗剂：根据“干扰内毒素结构或干扰含有内毒 浙江工业大学工程硕士论文：电渗析技术在甘氨酸合成中的应用研究 素结构的膜的药物均可帮助杀死细菌”的理论，陆大祥等研究发现，甘氨酸 对内毒素的致热性有显著的拮抗作用。实验结果证实，甘氨酸在一定程度上改变 f 7 1 了内毒素的构型，甘氨酸还可改善肝脏的微循环，对肝脏有较好的保护作用， f 口1 甘氨酸对于多种原因引起的肝损害有明显的保护作用。甘氨酸还可以减轻内 r 0 1 毒素所致心肌损伤，改善心脏功能。在已公开的专利中，论述了甘氨酸及其 复合物对内毒素的拮抗与临床应用。杀菌及拮抗内毒素，将是甘氨酸在医药领域 中最有价值的应用之一。作为非极化中性氨基酸，甘氨酸具有透明度好，无粘稠 性，不导电，临床使用安全等优点，近年开发的新药l5 甘氨酸冲洗液 1o l ，为 甘氨酸无菌水溶液。作为泌尿外科腔内手术的专用冲洗液，已经获得国家药品监 督管理局的批准。 甘氨酸制剂的应用：甘氨酸作为合成必需氨基酸的氮源，添加到复方氨基酸 r 1 1 1 输液中，在临床上获得改善氮平衡的作用。复方谷氨酸胶囊( 安尿通) ，主要成 分为谷氨酸、丙氨酸、甘氨酸。通过氨基酸的抗水肿作用，直接作用于前列腺细 胞，减轻因前列腺肥大引起的膀肤颈部水肿，改善排尿障碍，每粒4 1 0 mg ，用于 治疗前列腺增生症。复方甘草酸铵注射液( 强力宁) ，每支含甘草酸单铵、盐酸半 胱氨酸、甘氨酸。具有抗炎、抗过敏、解毒的药理作用，作为抗肝炎病毒感染， r t 口1 保护肝细胞的药品，已经得到临床肯定的疗效评价。复方氨基酸胶囊，甘氨酸 作为添加的营养成分之一应用。甘氨酸可以增加小肠对水和钠的吸收，疗效同葡 萄糖，因此可以应用于口服补液盐的配方中。在药物制剂中的应用：甘氨酸作为 蛋白稳定剂，在生物制品中得到广泛的应用，如人白细胞干扰素口含片“、液体 r 1 j 1 干扰素制剂一。，也可作为冻干制剂的骨架成分，混悬剂的稳定剂。另外，甘氨酸 在体内可转化成多种重要的活性物质，如肌酸、叶琳、以及其他非必需氨基酸。 甘氨酸还具有缓冲、制酸作用，用于治疗胃酸过多。此外，甘氨酸还用于辅助治 疗重症肌无力、儿童高脯氨酸血症等“” 甘氨酸金属盐在医药方面，也有重要的应用。甘氨酸作为分子量最小的氨基 酸，价格低廉，是有效的氨基酸载体，在氨基酸鳌合金属元素的理论指导下，甘 1 4 浙江工业大学工程硕士论文：电渗析技术在甘氨酸合成中的应用研究 氨酸金属盐如甘氨酸钙、甘氨酸亚铁、甘氨酸锌、甘氨酸铝等，在医药中已经得 r l t l 到广泛应用。甘氨酸钙是在新理论l i o j 下开发的补钙制剂。即人体缺钙的主要原 因为小肠分泌氨基酸不足，与钙的摄取量没有线性关系，与钙源在体外的溶解度 也没有相关性。钙与氨基酸鳌合经小肠刷状缘细胞膜上的钙通道进入细胞，甘氨 酸钙( 分子量2 0 6 2 6 ) 是分子量最小的氨基酸鳌合钙，在小肠被整体吸收，在细胞 里又自动断开鳌合键，重新分解为氨基酸和钙离子，它具有量小、高效、无阴离 子污染的特点。以甘氨酸钙为主要成分的产品一乐力钙、南新钙已经在市场上销 售。其中乐力钙在2 0 0 4 年单产品销售突破2 亿元。 甘氨酸亚铁是治疗缺铁性贫血药物，属无味易溶有机铁，易溶于水，它具有 吸收率高，稳定性好，口感好，胃肠道刺激性小等优点。该药1 9 5 6 年由c o o p e r 公司 h 7 l 以商品名f e r r o n o r d 在美国最早上市。，补铁效果远优于硫酸亚铁等传统药物。 近年，国内亦有许多相关的研究报道 1 8 】 1 9 】锌以蛋白质和金属酶的形式存在于人 体。甘氨酸锌不受食物因素的影响，整体吸收，进入体内分解成甘氨酸及锌，吸 r o n l 收快，安全性好。，生物利用度高于传统的补锌药物，且对降低血糖有效。甘 氨酸铝主要用于治疗胃酸过多的各种疾病，在胃中成凝胶覆盖于溃疡面，同时调 节神经机能，控制胃酸分泌量。本品l g 可以中和0 1 m o l 盐酸2 0 0 m l ，并有很强的 r 0 1 1 抗胃蛋白酶作用，甘氨酸铝可以作为解酸剂复方应用。 2 2 6 甘氨酸在农业及饲料添加剂中的应用 甘氨酸可以促进植物的光合作用：由于氨基酸本身的特性，对植物生长特别 是光合作用具有独特的促进作用，尤其是甘氨酸，它可以增加植物叶绿素含量， 提高酶的活性，促进二氧化碳的渗透，使光合作用更加旺盛，对提高作物品质， 增加v c 和糖的含量都有重要作用。甘氨酸金属盐抗菌作用的应用：甘氨酸的铜盐、 镍盐、铁盐和稀土金属盐对于细菌均表现出抑制作用。甘氨酸与铜生成的络合物 是一种高效低毒的抗菌剂，主要用于蔬菜、水果的病害防治，对于果树的腐烂防 治效果高达9 4 以上，还可以与其他药物配合用于小麦、棉花等农作物，还能促 进农作物的生长，增加产量，提高质量。 甘氨酸的络合作用补充植物对微量元素的吸收n ，p ，k 等大量元素、z n 、fe 、 浙江工业大学工程硕士论文：电渗析技术在甘氨酸合成中的应用研究 c u 、m 1 1 、m o 等微量元素是作物体内所必需的物质。作物会经常出现缺乏某些元素 的症状，其原因是可被作物吸收的有效部分含量太少，而氨基酸可与难溶性元素 发生鳌合反应，对作物所需元素产生保护作用，并生成溶解度好、易被作物吸收 的鳌合物，从而有利于植物吸收，甘氨酸正是起到络合剂的作用。甘氨酸本身也 能起到氮肥的作用；美国科学家证明：甘氨酸对甘蔗的生长起特殊作用，如1 亩 r 口9 1 地用8 5 的甘氨酸溶液0 2 k g 喷洒，成熟时甘蔗的糖分可增加1 3 。 r o 1 甘氨酸是重要的饲料添加剂：甘氨酸是鸡的必须氨基酸。，这是因为虽然鸡 体能合成甘氨酸，但其合成速度，不能满足小鸡生长所需( 排出尿酸) ，因此当小 鸡日粮蛋白质的甘氨酸含量低时，额外添加甘氨酸有促进小鸡生长的作用。用在 饲料添加剂中，甘氨酸不仅是畜禽饲料中的主要营养补充成分，还可以防止饲料 氧化变质，延长饲料保鲜期。在国外牛羊的饲料中均含有甘氨酸，国内的饲养业 r 口d 尚未普遍采用。甘氨酸铁等金属盐己经广泛应用于家畜的饲料。在这个领域 甘氨酸有应用空间可以扩展。 2 2 7 甘氨酸的其它应用 甘氨酸可作为化肥工业中的脱碳剂。合成氨装置广泛采用甘氨酸热钾碱法脱 碳剂，尿素是以合成氨生产的液氨和副产品二氧化碳为原料，在高温高压下合成 的产物。生产需要在低温、加压条件下吸收造气工序分离出二氧化碳并将其富集， 再经加热减压放出用于尿素合成。甘氨酸主要用作热钾碱溶液中的活化剂，甘氨 酸的加入可以改变吸收反应历程，大大加快吸收反应速度。作为活化剂，甘氨酸 r o 1 的一般用量是3 0 - 5 0 9 1 。 甘氨酸具有很强的络合作用，可以络合各种金属离子。有大量的专利文献报 道了甘氨酸在镀金、镀锌、镀铜、镀铬以及二元合金镀( 包括把合金、镍合金、 银合金、钻合金、铬合金等) 乃至三元合金工艺中的应用，甘氨酸在化学镀工艺 有广泛应用。甘氨酸是一种重要的合成原料，比如用于其他氨基酸的合成。甘氨 酸与硫酸铜络合，在碱催化下与乙醛进行经醛缩合，经树脂脱铜，浓缩、醇析， f o a l 得d l - 苏氨酸。甘氨酸与脂肪醛加成缩合，可一步直接制备d l - 丝氨酸，比其 1 6 浙江工业大学工程硕士论文：电洛析技术在甘氟酸台成中的应用研究 他方法减少了多步反应过程中的损失“。甘氨酸还是d l - 苯丙氨酸化学合成方法 的起始原料。 甘氨酸型两性表面活性剂广泛用作杀菌剂和消毒剂，甘氨酸与高级脂肪酸盐 的复配产物是生产高效洗涤剂的有效成分。甘氨酸可用于生产具有良好调湿性和 染色性的氨基酸染发剂，用于护肤和清洁用化妆品的复配剂。 综上所述甘氨酸作为一种具有良好发展前景的精细化工中间体，其应用领域 在益扩大，对于甘氨酸的合成工艺研究成为各国研究的热点。 2 3 甘氨酸生产工艺概述 甘氨酸化学合成工艺主要有氯乙酸氨解法、旎特雷克法( s t r e e k e r ) 和海因法 ( h y d a n t i o n ) _ 三种。目前国内仍采用氯乙酸氨解法技术，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9 5 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9 9 以上。 2 3 1 氯乙酸氨船工艺 2 8 3 0 该法根据原料不同，又可分为以下几种工艺：( 1 ) 水相或醇相中以乌洛托品， 氯乙酸，氨气( 或液氨均可) 为原料合成；( 2 ) 水相中以碳酸铵或氨基甲酸铵，氯 乙酸，氨水等原料合成。目前国内的生产方法以前者为主，收率在7 0 左右，后 者收率较低，约4 2 ，故很少用于工业化生产。由于水相会成甘氨酸中乌洛托品 消耗很大，而且乌洛托品价格较高，无法回收利用，故成本很高。而以醇溶液代 替水溶液则会大大地降低乌洛托品的消耗量，从而降低生产成本。因此，目前国 内普遍采用醇相法合成甘氨酸。这条工艺路线虽然比较简单，但仍存在许多闯 题：( 1 ) 甘氨酸和氯化铵两种产品只能拿到甘氨酸一种，而氯化铵及占甘氨酸重量 1 0 - 1 6 的催化剂，都留在蒸馏甲醇后的釜残中成为令人头疼的污染源，氯化铵对 设备的腐蚀很严重，含有上述多种污染物的废水对环境造成严重污染，产品成为 污染物；( 2 ) 每得到一吨甘氨酸产品需要处理几十吨的醇液，回收处理量很大。 1 7 浙江工业大学工程硕士论文；电渗析技术在甘氨酸合成中的应用研究 甲醇蒸发损失大( 约2 0 - 3 0 ) ，也造成环境污染，且甲醇的易燃性和毒性也给生 r 1 1 产造成劳保和安全隐患；( 3 ) 反应终点难以判断。，催化剂乌洛托品不能循环使 用造成资源浪费，增加原料成本；( 4 ) 甘氨酸在甲醇水溶液中析出，迅速形成大 量细碎的晶核，因为晶体没有充分的生长，因此晶体碎小、不均匀，晶粒相互粘 结成为大晶簇，包藏大量的氯化铵及其他杂质难以除去，产品质量差，同时得到 的甘氨酸晶体堆密度小，不能满足医药和食品工业的需要，若精制则生产成本较 高，氯化铵含量直接影响草甘麟的质量。( 5 ) 甲醇与反应物料添加比例这个重要 的操作指标难以确定。因为甲醇加少了，产品中c i 超标；加多了不仅回收甲醇 的工作量增大，损耗增加，而且产品收率下降( 甘氨酸在水一甲醇体系中也有一 定量的溶解度) 。比例变化取决下列诸因素：己完成反应物料中甘氨酸和氯化铵 的浓度；所用甲醇的浓度：醇析操作过程的温度；不同规格甘氨酸产品对 c 1 的限制指标。因此机械地规定( 甲醇反应物料) 体积比是不行的。而且由于影 响这个比值的变量这样多，凭经验也有难度。醇析的结果是仍有大量的甘氨酸溶 解在大量的醇水溶液中不能醇析出来，混在釜残中排放。目前现有甘氨酸与氯化 r q 9 1 铵混晶的改进醇析操作是。：采用醇一水混合液( 醇重量百分含量4 0 - 8 5 ) 将混 晶中氯化铵溶解，溶解温度4 0 一9 0 0 c ，溶解后分离出甘氨酸固体，醇溶液蒸馏回 收氯化铵。这种将混晶在醇水溶液高温溶解分离，比直接向反应结束以后的整体 反应液中添加甲醇醇析，有明显改善，这样可以减少醇的用量，相应的回收损耗 减少，同时反应母液可以循环，减少了催化剂的消耗，也减少了排污。但是不难 看出，这个思路仍然是基于甘氨酸与氯化铵在醇水体系中溶解度的不同而分离， 仍然没有脱离醇析法的束缚，不能彻底淘汰有毒有害的甲醇。甘氨酸在醇水体系 仍然有一定的溶解，无法回收。以醇水溶液高温溶解混晶，醇析得到的甘氨酸依 然含有大量氯化铵杂质，回收醇类设备投资大，能耗高，而且蒸馏过程得到的氯 化铵质量很差。因此这条生产工艺决定了催化剂消耗高，产品收率低，生产成本 较高，而且有大量废液排放，这是这条工艺路线的主要缺点。为克服上述缺点， 国内进行了大量的改进工艺研究，包括甘氨酸的废液治理技术就是目前的研究热 r a c l 点”3 。针对此类工业废水的治理，从循环蒸发浓缩一冷却结晶到多效真空降 膜蒸发系统兼热泵技术回收废液中的氯化铵，回收氯化铵后排放的冷凝水进入冷 1 8 浙江工业大学工程硕士论文：电渗析技术在甘氨酸合成中的应用研究 凝水净化系统进行处理的综合治理方案。从实施效果看，废液的治理更多的是环 保的压力，缺乏内在的经济利益吸引。从废中回收氯化铵，在具体操作上非常困 难，从生产甘氨酸的废水中提取氯化铵又有其特殊性，具体说有以下三大难点： 能耗问题，由于废液中含氯化铵的浓度较低，要回收氯化铵就必须先去掉大量 水分，因而能耗较大，成本过高：腐蚀问题，氯化铵溶液对设备的腐蚀性极强， 必须采用先进的蒸发工艺，也必须选用高级的材料制作设备和管道，这又加重了 回收氯化铵的成本，即使采用钛材设备，在温度、浓度较高的情况下，仍然存在 较强的腐蚀性：蒸发过程中存在氯化铵的升华问题。另外催化剂乌洛托品的分 解导致冷凝水排放不达标造成二次污染。由于上述三个原因，使得以往回收氯化 r q r l 铵的成本居高不下。，因为浓缩母液中有乌洛托品的存在，氯化铵含量低，只 能作为农业肥料，从经济的角度来说是回收处理是没有利润的。针对一氯乙酸法 r 7 1 存在的问题，毛建卫等。研究设计了一种多元溶剂循环合成和离子膜分离法合 成甘氨酸的新工艺并应用于生产中，该工艺合成反应甘氨酸和氯化铵结晶析出， 合成后过滤母液后用作多元溶剂，母液里含有催化剂和未反应完的原料，下次反 应时可不再加催化剂，循环反应五次后，母液可蒸馏再生。这样显著提高了合成 得率，降低了催化剂用量6 0 以上，合成后产物为甘氨酸和氯化铵混合物，设计 采用电渗析膜分离技术除去氯化铵，替代了醇析法，省却了使用大量醇的工艺过 程，并降低了能耗5 0 ，并可得到内在质量更好的结晶状甘氨酸，整个过程设计 为绿色化工工艺。 2 3 2s t r e c k e r 工艺 3 8 将甲醛水溶液、氰化钠和氯化铵混合后在低温下进行反应，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 9 浙征工业大学工程硕士论文：电渗析技术在甘氰酸合成中的应用研究 2 3 3 改进的s t r e c k e r 和h y d a n ti 。n 工艺 3 9 】 4 0 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s t r e c k e r 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。在低温下析出甘氨酸，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。 2 3 4 直接h y d a n t i 。n - r e 4 1 4 2 h y d a n t i o n 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1 8 3 ，在高温下易 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s t r e c k e r 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。 2 3 5 生物法工艺 4 3 4 4 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。 2 3 6 醇析法 4 5 4 6 法国专利f r l 2 3 7 3 2 7 所述，考虑到甘氨酸在水中和甲醇中的溶解度的差异， ( 常温下甘氨酸在水中的溶解度为2 5 9 1 0 0 9 水，在甲醇中的溶解度为o 8 9 1 0 0 9 甲醇) 所用可以在溶液中加入甲醇醇析，静置一段时间后用过滤得到白色的甘氨 酸固体，母液再用甲醇醇析，静置一段时间后再过滤，反复醇析几次，甘氨酸的 2 0 浙江工业大