CN109879786B - 一种氰醇法连续快速合成蛋氨酸的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种氰醇法连续快速合成蛋氨酸的工艺，包括：（1）氨化反应：将氨和2‑羟基‑4‑甲硫基丁腈通入微通道反应器中进行氨化反应，控制反应温度60～200℃，反应物停留时间为0.5～8.0min，得到2‑氨基‑4‑甲硫基丁腈水溶液；（2）碱解反应：将步骤（1）2‑氨基‑4‑甲硫基丁腈水溶液和碱同时加入微通道反应器中进行反应，反应温度80～200℃，压力1.0～2.5MPa，反应停留时间10～60min，经后处理得到DL‑蛋氨酸。本发明采用氨化和无催化碱解工艺制备蛋氨酸，简化了蛋氨酸的制备工艺；选用微通道反应器在无催化剂条件进行氨化和碱解反应，反应时间快，收率高，影响产品收率和质量的原料热解聚合物及副反应产物大大减少，有利于工业化中蛋氨酸的成本降低和品质提高。

Description

一种氰醇法连续快速合成蛋氨酸的工艺

技术领域

本发明涉及化工领域，特别是涉及一种一种氰醇法连续快速合成蛋氨酸的工艺。

背景技术

蛋氨酸又名甲硫氨酸，是构成蛋白质的基本单位之一，是必需氨基酸中唯一含有硫的氨基酸，除了参与动物体内甲基的转移、磷的代谢和肾上腺素、胆碱、肌酸的合成外，还是合成蛋白质和胱氨酸的原料。蛋氨酸广泛用于医药、食品、饲料和化妆品等领域，其中作为饲料添加剂的用量最大，2018年我国的蛋氨酸的需求量达到了23万吨左右，进口量达到了近18万吨，将近80%的需求量依靠进口，国内蛋氨酸产能只有15万吨，远远不能满足需求。

目前DL-蛋氨酸合成工艺主要采用海因法，而海因法又分为钠盐工艺和钾盐工，所谓的钠盐工艺是以甲硫基丙醛为原料，经过与氢氰酸发生氰化加成反应，得到2-羟基-4-甲硫基丁腈（简称氰醇），氰醇再与氨、二氧化碳的水溶液反应，制备得到5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲（简称海因）水溶液（如专利CN1070178C和CN1321979C所述），或者甲硫基丙醛与氰化钠水溶液、碳铵水溶液的“三组分”反应，制备得到5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲和碳酸钠混合水溶液（如专利CN102659650B所述），得到的5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲水溶液或者5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲和碳酸钠混合水溶液再与氢氧化钠在高温（178℃）高压（1.5MPa）反应，得到DL-蛋氨酸钠和碳酸钠水溶液（简称钠盐皂化液），所述的皂化液中，蛋氨酸与钠离子的摩尔比为1:2.0～2.8，皂化液经过汽提脱氨后，经硫酸酸化、结晶，得到DL-蛋氨酸产品，副产硫酸钠，每生产1吨蛋氨酸，至少副产1.5吨的硫酸钠；所谓的钾盐工艺是以甲硫基丙醛为原料，经过与氢氰酸发生氰化加成反应，得到2-羟基-4-甲硫基丁腈（简称氰醇），氰醇再与氨、二氧化碳的水溶液反应，制备得到5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲水溶液，5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲水溶液与碳酸钾在高温（178℃）高压（1.5MPa）反应，得到DL-蛋氨酸钾和碳酸钾水溶液（简称钾盐皂化液），所述的皂化液中，蛋氨酸与钾离子的摩尔比为1:1.8～2.2，皂化液经过汽提脱氨后，经二氧化碳酸化、结晶，得到DL-蛋氨酸产品，含有少量蛋氨酸的碳酸氢钾母液经过加热脱碳后，循环至5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲水溶液水解用碱，整个生产过程中不副产任何无机盐（如专利US4069251、US4303621和CN100410238C所述）。但海因法制备蛋氨酸在海因合成步骤加入氨、二氧化碳，在海因水解后又需将二氧化碳、氨从水解液中分离出来，实际参与合成原子利用的只有当量氨，大量的氨和二氧化碳仅仅在制备过程中不断循环，并消耗了较多能量；而海因法钠盐工艺产生较多低附加值无机盐，增加了成本且难以处理，钾盐工艺母液循环大量杂质会逐渐累积，有色杂质和蛋氨酸二肽等对蛋氨酸结晶和外观颜色品质均有较大影响，需要定期排除或处理一定量的母液，出于经济和环保考虑，处理过程往往较为复杂。

但是蛋氨酸除了上述海因法外，另外一种方法的制备方法是值得关注的，比如专利CN1103066A公开了一种在酮存在下通过将2-氨基-4-甲硫基丁腈化合物水解成蛋氨酸酰胺，随后用碱皂化为蛋氨酸或者一种蛋氨酸盐的方法。在该方法中，2-羟基-4-甲硫基丁腈在高压反应釜中进行氨化，氨水的浓度在60wt%以上，氨化温度为60℃左右，氨化时间在30min左右，得到的2-氨基-4-甲硫基丁腈收率可以达到99%，但是伴随着不可避免的副产物就是蛋氨酸二腈（大约为0.8%）。

在水合和水解过程中，酮都作为催化剂和溶剂参与了反应。酮的使用量是氰醇的20倍以上（以摩尔计）。虽然使用酮作为溶剂和催化剂，但是在水合和水解过程中还是不可避免产生了咪唑烷二酮化合物以及2-氨基-4-甲硫基丁腈发生热解生成的甲硫基丙醛。因此，最后水解液中的杂质是比较多的，这些杂质都会影响蛋氨酸产品的质量，并且目前还无法证实这些杂质对动物饲喂的完全性影响。水解和水合反应过程中使用大量的丙酮作为催化剂和溶剂，使用丙酮的目的是为了在水合和水解反应过程中，物料混合充分，即在均一反应体系中进行，但是虽然丙酮的存在能够促进反应的进行，但是丙酮是易挥发性物质而且丙酮的化学性质在碱性条件下比较活泼，会与氨、碱发生反应，产生大量的副产物，这些副产物会留在水解液中，从而影响蛋氨酸产品的质量，其次是反应过程中丙酮会损失，从而造成蛋氨酸生产成本较高，还有就是丙酮的回收再利用，这些都是需要设备和能耗的。上述制备蛋氨酸的工艺反应条件温和，容易控制，且后处理简单，但是存在如下问题：（1）使用大量的有机溶剂丙酮；（2）氰醇氨化时由于混合不均导致不可避免产生副产物蛋氨酸二腈；（3）水合和水解过程中，由于原料不稳定性及其使用丙酮，产生副产物咪唑烷二酮类化合物；（4）氰化物的水解不彻底，导致水解产物中还含有氰化物，虽然氰化物低于10ppm，证明碱解速率较慢且不彻底，易导致有色杂质的生成，从而增加后续工序脱色难度和脱色剂用量，生产成本较高；（5）生产的蛋氨酸产品质量会受到上述杂质的影响，这些杂质对动物饲喂的安全性影响目前是无法证明的。

发明内容

鉴于以上所述的现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种氰醇法连续快速合成蛋氨酸的工艺，该方法具备原子经济性，利用微通道反应器技术用于解决现有技术中2-羟基-4-甲硫基丁腈氨化容易热聚合、分解和产生副产物蛋氨酸二腈的问题，还有利用微通道反应器碱解2-氨基-4-甲硫基丁腈解决了现有技术中水解不能彻底，需要使用大量的丙酮，产生较多副产物，反应速率较慢、导致有色杂质生成、反应不充分、不具备经济经济性，造成资源浪费，不绿色环保等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种氰醇法连续快速合成蛋氨酸的工艺，包括：1）氨化反应：将氨和2-羟基-4-甲硫基丁腈加入微通道反应器中进行氨化反应，控制反应温度为60～200℃，压力为0.5～2.5MPa，反应物在微通道内的停留时间为0.5～8.0min，得到2-氨基-4-甲硫基丁腈水溶液；（2）碱解反应：将步骤（1）2-氨基-4-甲硫基丁腈水溶液和碱同时加入微通道反应器中进行反应，，控制反应温度为80～200℃，压力为1.0～2.5MPa，反应物在微通道内的停留时间为10～60min，得到DL-蛋氨酸。

在本发明的一些实施例中，在步骤（1）中控制氨化反应的温度为90～170℃，控制氨化反应的压力为0.8～1.5MPa，氨化反应物在微通道内的停留时间为2～8min。

在本发明的一些实施例中，在步骤（1）中所述氨的质量百分含量为20wt%～99.9wt%，其余为水，2-羟基-4-甲硫基丁腈的质量百分含量为70wt%～99.9wt%，氨与2-羟基-4-甲硫基丁腈的投料摩尔比为1.5～6:1。

在本发明的一些实施例中，将2-羟基-4-甲硫基丁腈与氨水混合，得到所述含有2-氨基-4-甲硫基丁腈的氨水溶液。

在本发明的一些实施例中，在步骤（2）中控制水解反应的温度为120～200℃，控制氨化反应的压力为1.0～2.5MPa，氨化反应物在微通道内的停留时间为10～60min。

在本发明的一些实施例中，在步骤（2）中所述的碱选自氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾、氢氧化钙、氢氧化钡水溶液中的至少一种，特别优选氢氧化钠、氢氧化钾或者碳酸钾，所述碱液的质量百分含量为30wt%～50wt%。

在本发明的一些实施例中，在步骤（2）中所述碱中钠离子或者钾离子与2-羟基-4-甲硫基丁腈的投料摩尔比为1.0～1.5:1.0。

在本发明的一些实施例中，所述的水解液经过汽提脱氨后，酸化得到DL-蛋氨酸。

在本发明的一些实施例中，所述的酸化试剂选自硫酸、磷酸、盐酸、硝酸、碳酸、二氧化碳中的至少一种，特别优选硫酸和二氧化碳。

如上所述，本发明的一种氰醇法连续快速合成蛋氨酸的工艺，具有以下有益效果：

1、本发明采用氨化、无催化碱解工艺制备蛋氨酸，避免了现行海因法制备工艺需要大量氨、二氧化碳参与合成，又需在酸化前分离出来的弊端，节省了物料投入和能源，且几乎不产生影响蛋氨酸结晶的副产物蛋氨酸二肽；

2、采用微通道反应器，达到反应物料的充分混合，大大增加分子间的碰撞，大大缩短了2-羟基-4-甲硫基丁腈与氨的反应时间，避免了2-羟基-4-甲硫基丁腈氨化容易热聚合、分解和产生副产物蛋氨酸二腈的问题；

3、解决了现有技术中水解不能彻底，需要使用大量的丙酮（如如专利CN1103066A公开了一种在酮存在下通过将2-氨基-4-甲硫基丁腈化合物水解成蛋氨酸酰胺，随后用碱皂化为蛋氨酸或者一种蛋氨酸盐的方法），产生较多副产物，反应不充分、反应速率较慢、有色杂质多、不具备经济经济性，不绿色环保等问题。

本发明采用氨化和无催化碱解工艺制备蛋氨酸，简化了蛋氨酸的制备工艺；选用微通道反应器在无催化剂条件进行氨化和碱解反应，反应时间快，收率高，影响产品收率和质量的原料热解聚合物及副反应产物大大减少，有利于工业化中蛋氨酸的成本降低和品质提高。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

以下实施例中采用的微通道反应器的生产商为德国美因茨微技术研究所IMM，型号SIMM-V2-SS，微通道内径为50μm。

以下实施例的反应物形态为液态，需要说明的是，反应物不受形态的限制，也可以为气态等其他形态，能够使反应物料与碱在微通道反应器中顺利发生反应即可。

实施例

（1）氨化反应：将2-羟基-4-甲硫基丁腈（氰醇）水溶液（0.5摩尔）预热至60℃，然后同时与氨水同时经过计量泵泵入微通道器中，2-羟基-4-甲硫基丁腈（氰醇）与氨的投料摩尔比为1:1.5～6.0，控制温度为90～170℃，控制氨化反应的压力为0.8～1.5MPa，氨化反应物在微通道内的停留时间为2～8min（即反应液流经微通道的时间），流出的液体为澄清无色透明的2-氨基-4-甲硫基丁腈的氨水溶液，经过分析，未检测出蛋氨酸二腈；

（2）水解反应：将上述流出的2-氨基-4-甲硫基丁腈的氨水溶液与氢氧化钠水溶液（或者氢氧化钾、碳酸钾水溶液）同时经过计量泵泵入微通道器中，2-羟基-4-甲硫基丁腈（氰醇）与钠离子/钾离子的投料摩尔比为1:1.0～1.5，控制水解反应的温度为120～200℃，控制氨化反应的压力为1.0～2.5MPa，氨化反应物在微通道内的停留时间为10～60min（即反应液流经微通道的时间）。经过汽提脱氨后，得到质量百分含量为18wt%～30wt%的DL-蛋氨酸钠/钾水溶液，蛋氨酸收率为99%以上（以2-羟基-4-甲硫基丁腈计）。具体实施例下列表所述。

表1 氰醇法制备蛋氨酸的制备条件及其结果表

注：所述的氰醇为2-羟基-4-甲硫基丁腈；所述氰醇的有效转化率指氰醇只转化为蛋氨酸钠/钾的水溶液；

实施例1～7为氨水浓度为25wt%，氰醇的质量百分含量为98wt%；

对比实施例8※为氨水浓度为60wt%，氰醇的质量百分含量为80wt%；

对比实施例9※为液氨，氰醇的质量百分含量为80wt%；

将上述得到的水解液进行汽提脱氨处理后，再进行脱色处理，得到质量百分含量为18wt%～30wt%的DL-蛋氨酸钠/钾水溶液，然后进行如下操作：

硫酸酸化：将上述得到的蛋氨酸钠水溶液加入硫酸酸化至pH为5.0～6.0，降温至30℃结晶，抽滤，水洗，干燥得到蛋氨酸产品，纯度为99.5%，蛋氨酸单次收率为90%，含有少量蛋氨酸的硫酸钠母液经过电渗析或者色谱脱盐处理，回收蛋氨酸，蛋氨酸总收率达到98%以上，副产硫酸钠，硫酸钠的纯度达到98%以上。

二氧化碳酸化：将上述得到的蛋氨酸钾水溶液（控制钾离子浓度在8wt%～9.0wt%）通入二氧化碳气体，在搅拌状态下控制通入二氧化碳的压力为0.2～0.6MPa，温度为20℃，控制终点pH为8.0，抽滤，水洗，干燥得到蛋氨酸产品，纯度为99.5%，蛋氨酸单次收率为84%，含有少量蛋氨酸的碳酸氢钾水溶液经过脱碳、浓缩后得到含有少量蛋氨酸钾的碳酸钾水溶液，循环至2-氨基-4-甲硫基丁腈水解用碱。经过多次循环套用不，蛋氨酸总收率能够达到99%以上。

综上所述，本发明采用微通道反应器，达到反应物料的充分混合，大大增加分子间的碰撞，大大缩短了2-羟基-4-甲硫基丁腈与氨的反应时间，避免了2-羟基-4-甲硫基丁腈氨化容易热聚合、分解和产生副产物蛋氨酸二腈的问题；解决了现有技术中水解不能彻底，需要使用大量的丙酮，产生较多副产物，反应速率较慢、导致有色杂质生成、反应不充分、不具备经济经济性，造成资源浪费，不绿色环保等问题。本发明对氰醇法合成蛋氨酸的工艺进行改进，上述实施例以德国IMM微通道反应器(50μm-300μm)为实验平台，微反应器传质传热速度快，因此，2-羟基-4-甲硫基丁腈与氨反应时间短以及2-氨基-4-甲硫基丁腈和碳酸钾或氢氧化钠水溶液通过微通道反应器时，传质、传热效果明显，使其在环化过程中分子间的碰撞增加、物料间混合充分均匀、热量传递充分，促进反应向产物方向进行，缩短了氨化和水解时间，有效减少2-羟基-4-甲硫基丁腈和2-氨基-4-甲硫基丁腈的热解及副产物生成；加快氨化和水解反应速率，使2-羟基-4-甲硫基丁腈最大化地转化为蛋氨酸盐，并且降低了碱的使用量，降低了低价值的副产无机盐，提高产物收率，降低生产成本。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种氰醇法连续快速合成蛋氨酸的工艺，其特征在于，包括以下步骤：(1)氨化反应：将氨和2-羟基-4-甲硫基丁腈加入微通道反应器中进行氨化反应，控制反应温度为110～160℃，压力为0.5～2.5MPa，氨与2-羟基-4-甲硫基丁腈的投料摩尔比为1.5～6∶1，反应物在微通道内的停留时间为0.5～8.0min，得到2-氨基-4-甲硫基丁腈水溶液；(2)碱解反应：将步骤(1)2-氨基-4-甲硫基丁腈水溶液和碱同时加入微通道反应器中进行反应，控制反应温度为120～170℃，压力为1.0～2.5MPa，反应物在微通道内的停留时间为15～30min，得到DL-蛋氨酸水解液。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤(1)中控制氨化反应的温度为110～160℃，控制氨化反应的压力为0.8～1.5MPa，氨化反应物在微通道内的停留时间为2～8min。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤(1)中所述氨的质量百分含量为20wt％～99.9wt％，其余为水，2-羟基-4-甲硫基丁腈的质量百分含量为70wt％～99.9wt％，氨与2-羟基-4-甲硫基丁腈的投料摩尔比为1.5～6∶1。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：将2-羟基-4-甲硫基丁腈与氨水混合，得到所述含有2-氨基-4-甲硫基丁腈的氨水溶液。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤(2)中控制水解反应的温度为120～200℃，控制水解反应的压力为1.0～2.5MPa，水解反应物在微通道内的停留时间为10～60min。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤(2)中所述的碱选自氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾、氢氧化钙、氢氧化钡水溶液中的至少一种，碱液的质量百分含量为30wt％～50wt％。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：在步骤(2)中所述碱中钠离子或者钾离子与2-羟基-4-甲硫基丁腈的投料摩尔比为1.0～1.5∶1.0。

8.根据权利要求5～7任一项所述的方法，其特征在于：所述的水解液经过汽提脱氨后，酸化得到DL-蛋氨酸。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述的酸化试剂选自硫酸、磷酸、盐酸、硝酸、碳酸、二氧化碳中的至少一种。