甘氨酸合成方法综述与展望

杨仁俊，张伟，赫瑞元，李鑫，韩萌，龚文照

阳泉煤业（集团）有限责任公司化工研究院（太原 030000）

甘氨酸（Glycine，缩写为Gly），也称氨基乙酸，其化学结构式为NH2CH2COOH，是氨基酸系列中相对分子质量最小、结构最简单的一种。根据甘氨酸的合成工艺与产品质量不同，可分为工业级、饲料级、医药级和食品级四种产品规格。

甘氨酸是一种重要的化工中间体，在各领域根据消费量占比由高到低依次为农药、食品、饲料、医药等。在我国，约80%的甘氨酸用于生产除草剂草甘膦，而国内草甘膦产量从2015年的40万 t增加至2019年的55万 t，年增长率达9.3%[1-2]。在食品行业，甘氨酸可作为营养增补剂、调味剂、防腐剂[3-5]；在饲料和医药行业，甘氨酸作为饲料添加剂和药物中间体[6-8]。

目前，工业化和具有工业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、羟基乙腈法、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为起始原料，在催化剂乌洛托品作用下，合成甘氨酸。其主反应方程式为

副反应为

该方法的优势是反应原料来源广泛，合成工艺简单，反应条件温和，对设备材质要求不高，且操作简便，易于工业化生产。不足在于合成周期长，副产物氯化铵不易分离，产品品质差，乌洛托品催化剂难以回收利用，造成生产成本较高。

目前，氯乙酸氨解法仍是国内企业生产甘氨酸的主要方法。为降低生产成本、提高甘氨酸产品品质，国内甘氨酸生产企业和科研机构进行了大量的科研工作。

沈美忠[9]提出了一种甘氨酸合成新工艺，即引入电渗析处理结晶母液，分离得到的甘氨酸与乌洛托品混合液返回反应釜内进行循环利用，氯化铵水溶液经蒸发浓缩结晶获得氯化铵，该工艺不仅大幅减少了催化剂乌洛托品用量，降低了生产成本，而且还提高了副产氯化铵品质，如图1所示。

图1 一种甘氨酸合成新工艺

任丽君等[10]提供了一种高沸点极性溶剂用于分离甘氨酸与氯化铵，两者回收率均在95%以上，纯度达到99%以上，同时可以降低甘氨酸生产过程中混晶分离工段设备投资，减少溶剂使用量，降低生产成本。

张敏卿等[11]对原工艺进行改进，将一步法拆分为氨溶解、成盐反应、氨化反应三步，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过热或局部料液pH过高而造成的副产物多的问题，提高了甘氨酸收率，减少了乌洛托品消耗。

1.2 施特雷克法

施特雷克法是以氰化钠、甲醛、氯化铵、硫酸、氢氧化钡等为原料合成甘氨酸产品，反应方程式为

该方法的优点是产品品质好，易精制，适合大规模工业化生产；缺点是原料氰化钠为剧毒物，脱盐工序复杂，合成工艺路线长，操作条件苛刻。

为减少环境污染和降低生产成本，国外科研机构在施特雷克工艺基础上，开发了使用氢氰酸代替氰化钠作原料的改进施特雷克工艺，具有合成工艺流程短、生产成本低、产品收率高等优点，已逐渐成为国外甘氨酸生产企业的主流工艺。

1.3 羟基乙腈法

羟基乙腈法是氢氰酸先与甲醛反应生成羟基乙腈，再同氨发生氨解反应生成氨基乙腈，后经碱解、酸化等工序合成甘氨酸。主要反应方程式为

王友仁等[12]介绍了一种甘氨酸制备工艺，包括氨化、碱解、排氨酸化、脱色、浓缩除盐结晶、重结晶等步骤。使用管式反应器进行氨化反应，提高了反应温度和压力，缩短了反应时间，减少了原料分解及副产物生成。采用母液循环利用，减少了废弃母液处理量，提高了产品收率，降低了生产成本，如图2所示。

青木隆典等[13]制备了一种铈化合物催化剂，在由氨基乙腈合成甘氨酸过程中，显示出较高的催化活性和选择性，反应中无杂盐生成，避免了后续酸化、脱盐等操作，活性降低的催化剂可通过洗涤、热处理等方法再生后循环使用，降低了生产成本。

图2 甘氨酸的制备工艺

1.4 直接海因法

氢氰酸有毒、易挥发的特性造成运输、存储较为困难，为寻找氢氰酸替代品，人们开发了直接海因法工艺，该工艺首先让氢氰酸与甲醛反应生成较为稳定的羟基乙腈，再以羟基乙腈与碳源、氨源（二氧化碳与氨水或碳酸铵与碳酸氢铵）为原料，在高温高压条件下（一般反应温度为60～200 ℃、反应压力为3～6 MPa），经海因合成与水解反应，得到产品甘氨酸。反应式为

该工艺流程简单、原子利用率高、清洁环保，极具应用前景。目前，直接海因法合成甘氨酸工艺仍处于实验室小试、中试阶段，尚未见工业化报道。

冯志武等[14]提供了一种羟基乙腈连续化制备甘氨酸的工艺，如图3所示，以羟基乙腈与氨源、碳源为原料，依次经管式填料反应器和釜式反应器，发生海因合成与海因水解反应，再经蒸发、浓缩、结晶、分离、干燥等工序，获得高纯甘氨酸产品。该工艺不仅能保证甘氨酸收率和纯度均在99%以上，还实现了以羟基乙腈为原料连续化生产甘氨酸，且生产过程中无废液排放。

图3 一种羟基乙腈连续化制备甘氨酸的方法

龙晓钦等[15]介绍了一种甘氨酸的清洁生产方法及装置，如图4所示。该方法独特之处是分别在合成反应器与水解反应器后设置汽提塔，通过汽提来排除体系中未反应的二氧化碳和氨，降低对设备的腐蚀。反应器材质采用锆合金，在增加材质的抗腐蚀性能基础上，减少了甘氨酸二肽等副产物的生成，甘氨酸纯度高达99.5%以上。

1.5 生物合成法

生物合成法是利用微生物来合成甘氨酸，具有选择性好、收率高、反应条件温和、无污染等优点，是一种潜力巨大的甘氨酸合成方法。

目前，该方法仍处于研究和开发实验阶段。国内外科研人员在努力开发用于有效合成甘氨酸的微生物和发酵工艺技术，如增强编码在棒状菌属的菌株中参与氨基酸生物合成酶的基因的表达或缺失氨基酸生物合成所不必要的基因。李智软等[16]在ATP磷酸核糖基转移酶（HisG）中引入突变，使得棒杆菌属微生物在维持谷氨酸生产能力的同时提高了甘氨酸的生产能力，提高幅度约1.6倍。

图4 甘氨酸的清洁生产方法及装置

2 甘氨酸主要合成方法对比

已工业化的甘氨酸合成方法与潜力方法指标对比见表1。

表1 已工业化的甘氨酸合成方法与潜力方法指标对比

3 展望

随着环保政策日益严厉和绿色环保概念深入人心，清洁生产已成为社会主流。直接海因法和生物合成法两技术在甘氨酸绿色合成方面潜力巨大，其中直接海因法已处于中试阶段，离工业化生产又迈进了一步。同时，随着基因工程等生物技术的突飞猛进，通过基因重组、改造等技术来提高微生物合成甘氨酸的能力，将推动生物法合成甘氨酸技术的发展。