甘氨酸生產(chǎn)工藝綜述以及新工藝的研究

作者：邢維明、徐偉、陳清平

摘要：

甘氨酸是結(jié)構(gòu)最簡單的α—氨基酸，它的用途非常廣泛，主要用于農(nóng)藥、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、食品、飼料以及制取其它氨基酸，合成表面活性劑等。甘氨酸的生產(chǎn)方法有很多種，本資料簡要介紹了甘氨酸的主要生產(chǎn)工藝以及新工藝的研究進展和未來的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：甘氨酸，新工藝，生物合成法，生物酶解法，收率，生產(chǎn)工藝

引言

目前國內(nèi)主要采用氯乙酸氨解法制備甘氨酸，60年代以前，德國的 Kraut 用氯乙酸和氨水反應(yīng)，在緩慢攪拌、室溫下反應(yīng) 48小時以上，再經(jīng)一系列復(fù)雜的后處理，才得到粗品，收率很低，成本高且再生能力很低。70年代后，法國人 Henri Martin 以烏洛托品、氯乙酸、氨水為原料在水相中合成，反應(yīng)后，經(jīng)醇析、過濾、精制、干燥制得。只有 70%左右的收率，生產(chǎn)周期長達40小時，純度在90%左右。后來用液氨代替氨水，收率達80%以上，此工藝成熟，目前國內(nèi)生產(chǎn)廠家都在此方法前提下不斷的進行改進。自1969年實現(xiàn)工業(yè)化以來，國內(nèi)許多專家對其進行了眾多改進性研究，使甘氨酸收率由約70%提高至85%以上，產(chǎn)品甘氨酸含量從95%提高到98.5%。

1.1甘氨酸的基本性質(zhì)

中文名: 甘氨酸（氨基乙酸）

英文名：GLYCINE

分子式：C2H5NO2

分子量：75.07

結(jié)構(gòu)式：NH2CH2COOH

CAS號：56-40-6

毒性防護：本品無毒，無腐蝕性。

物化性質(zhì)：白色單斜晶系或六方晶系晶體，或白色結(jié)晶粉末。無臭、有特殊甜味，相對密度 1.1607。熔點248℃（分解）。易溶于水，在水中的溶解度25℃時為 25g/100ml，

50℃時為 39.1g/100ml75℃時為 54.4g/100ml100℃時為 67.2g/100ml。極難溶于乙醇，在100g無水乙醇中約溶解0.06g。幾乎不溶于丙酮和乙醚。

1.2 甘氨酸的發(fā)展前景

甘氨酸在氨基酸類中結(jié)構(gòu)最簡單的化合物,是一種重要的有機合成中間體,廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、農(nóng)藥、農(nóng)業(yè)、飼料等行業(yè),隨著人們生活水平的提高,食品、醫(yī)藥行業(yè)逐漸成為使用甘氨酸的用戶,其市場潛力很大,因此國內(nèi)科研機構(gòu)和企業(yè)要借鑒國外的研究思路,加強提高生物合成生物酶解等新技術(shù)的開發(fā)與研究。

1.3  甘氨酸的生產(chǎn)工藝

甘氨酸生產(chǎn)工藝路線很多,目前工業(yè)化和具有工業(yè)化前景的生產(chǎn)工藝主要有氯乙酸氨

解法,施特雷克法(cstercker法),氫氰法,生物合成法以及生物酶解法等。

1.3.1氯乙酸氨解法

該法根據(jù)原料不同,又可分兩種工藝:(1)水相或醇相中以烏洛托品,氯乙酸、氨水(氨氣或液氨均可)為原料合成;(2)水相中以碳酸銨或氨基甲酸胺、氯乙酸、氨水為原料合成。目前國內(nèi)的生產(chǎn)方法以前者為主,收率在70%左右,后者收率較低(約42%),故很少用于工業(yè)化生產(chǎn)。由于水相合成甘氨酸中烏洛托品消耗較大,且烏洛托品價格較高,無法回收,故成本較高,而以醇溶液代替水溶液則會大大降低烏洛托品的消耗量,從而降低生產(chǎn)成本,因此,目前國內(nèi)普遍采用醇相法合成甘氨酸,反應(yīng)方程式如下。

主反應(yīng):ClCH2COOH+2NH3 → NH2CH2COOH+NH4Cl

副反應(yīng):NH2CH2COOH+ClCH2COOH → NH(CH2COOH)2+HCl

NH(CH2COOH)2+ClCH2COOH → N(CH2COOH)3+HCl

氯乙酸氨解法的優(yōu)點是原料易得,合成工藝簡單,對設(shè)備要求不高,易操作,基本無公害,缺點是反應(yīng)時間較長,副產(chǎn)氯化銨等無機鹽類物質(zhì)難以除去,產(chǎn)品質(zhì)量差,精制成本高,作為催化劑的烏洛托品難以回收循環(huán)使用,造成原料的極大浪費,使生產(chǎn)成本增加。國內(nèi)甘氨酸生產(chǎn)廠家及一些科研機構(gòu)本著優(yōu)化反應(yīng)條件降低生產(chǎn)成本,提高產(chǎn)品質(zhì)量的原則,對氯乙酸法合成甘氨酸的工藝進行了大量的研究工作,并取得一定的進展。

1.3.2施特雷克法(cstercker 法)

施特雷克法的反應(yīng)過程是,以甲醛、氰化鈉,氯化銨為原料反應(yīng),在硫酸存在下醇解,然

后與氫氧化鋇一起加水分解而得甘氨酸產(chǎn)品,主要化學(xué)反應(yīng)如下:

6HCHO+3NaCN+3NH4Cl→(CH2=N-CH2CN)+3NaCl+6H2O

將產(chǎn)物過濾,在硫酸存在下加乙醇分解,得到氨基乙腈硫酸鹽。

3(CH2=N-CH2CN)+C2H5OH+3H2S04 →3(H2NCH2CN)H2SO4 +3CH2(C2H5)2

將上述產(chǎn)物用氫氧化鋇分解,得到氨基乙酸鋇:

2(H2NCH2CN)2SO2+3Ba(OH)2 →(NH2CH2COO)2Ba+2BaS04 +2NH3+2N2O

然后加入定量的硫酸,使鋇沉淀,過濾液濃縮,放置冷卻,析出甘氨酸結(jié)晶。

(NH2CH2COO)2Ba+H2S04 →2NH2CH2COOH+BaS04

此工藝路線較長,原料NaCN為劇毒物,反應(yīng)的脫鹽操作較復(fù)雜,操作條件比較苛刻,其

優(yōu)點是易于精制,成本低,適用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

1.3.3氫氰酸法合成法

以氫氰酸、甲醛、碳酸氫銨為主要原料生產(chǎn)，產(chǎn)品收率可達到90%，產(chǎn)品含量可達到95%以上，但三廢排放超標(biāo)。

1.3.4 生物合成法

21世紀是生物合成的世紀， 生物合成甘氨酸成為十分重要潛力巨大的合成路線，美國、日本、歐洲長期以來堅持開發(fā)生物合成甘氨酸的研究。以前由于存在酶的活性低，合成甘氨酸的微生物菌需求量大， 甘氨酸的產(chǎn)率低等因素，使生物合成法的工業(yè)化受到限制。20世紀80年代后期， 日本三菱公司把過篩選的好氧土壤桿菌屬，短桿菌屬，棒狀桿菌屬等微生物加入到含有碳源、氮源及無機營養(yǎng)液的介質(zhì)中進行培植， 然后將該類菌種在25-45度， PH在4-9的情況下，使乙醇胺轉(zhuǎn)化為甘氨酸，用濃縮中和離子交換處理得到甘氨酸。進入20世紀90年代以后，國外合成甘氨酸的技術(shù)有了新的進展。日本Nitto化學(xué)工業(yè)公司將培養(yǎng)的假細胞菌屬、酪蛋白菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬等菌屬以0.5%（質(zhì)量分數(shù)，干重）加入到含甘氨酸胺基質(zhì)中，在30度，PH7.9-8.1情況下反應(yīng)45h，幾乎所有的甘氨酸胺水解生產(chǎn)甘氨酸。轉(zhuǎn)化率達99%。

1.3.5 生物酶解法新工藝

此工藝是以豆粕、葡萄糖為主要原料，先用木瓜蛋白酶將豆粕中的大分子蛋白質(zhì)酶解為胨，再繼續(xù)酶解為小分子的肽，再酶解成游離的復(fù)合氨基酸液體。在復(fù)合氨基酸液體中加入特定的牛奶酪蛋白酶去除氨基酸的支鍵，側(cè)鍵，特定的牛奶蛋白酶在特定的環(huán)境中具有靶向消耗氨基酸中的β-氨基酸（第二位）及γ-氨基酸（第三位）以上的碳原子，而不會為α位（位）氨基酸的氨基與羧基進行消耗，保留了最小氨基酸的結(jié)構(gòu)，這是特異牛奶蛋白酶酶選擇性消耗氨基酸支鍵及側(cè)鍵的結(jié)果，將所有的氨基酸分子中的支鍵與側(cè)鍵靶向切斷并消耗，并用電離出的氫離子來代替，同時氨基與羧基又得到了很好的保護，便得到最小分子量的甘氨酸，產(chǎn)品收率達到95%以上，含量達到99%以上的，通過濃縮，結(jié)晶，干燥得到甘氨酸成品。目前生物酶解法無污染，因此將是極具發(fā)展?jié)摿Φ穆肪€。

1、本方法為新型的前沿生產(chǎn)甘氨酸技術(shù)，由歸國邢維明生物學(xué)博士帶領(lǐng)相關(guān)技術(shù)團隊，通過多年研究選育的特定酶做出來的，僅在國外的日本文獻有少量的提及此方法。與日本味之素公司先用特殊菌種生產(chǎn)甘氨酸的方法類似。特異性酶的選育，特異性菌種的選育是本方法的關(guān)鍵與核心技術(shù)。

2、靶向去除氨基酸支鍵”（去除β-氨基酸（第二位）及γ-氨基酸（第三位）以上的碳原子，而不會對α位（位）氨基酸的氨基與羧基進行消耗），氨基酸的分子通式是： R-NH2-CH-COOH，分子結(jié)構(gòu)式為：α位（位）氨基酸的氨基與羧基中的碳原子鍵能是最強的，也是最牢固的。而且在水中還容易電離出氫離子與氫氧根離子，對α位的碳原子具有很強的保護作用，基本就形成了一個整體，這也是為什么氨基酸具有螯合功能的原因，酶是根本拆解不了的。但遠離氨基與羧基中的碳原子鍵能相對就要弱的多，也沒有基團進行保護，最容易被生物酶攻擊并拆分。氨基酸支鏈與側(cè)鏈中的大量的有機碳原料是保持酶活性的理想載體，深度酶解，消耗掉所有的支鏈碳原子，得到分子量最小的，最簡單的甘氨酸產(chǎn)品。

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