蛋氨酸生產(chǎn)技術與發(fā)展前景

苗穎 李大涌

摘要：蛋氨酸是重要的飼料添加劑，在動物體內(nèi)無法合成，必須通過食物獲取。目前主流的合成工藝用到HCN，不僅能解決HCN就地消化的難題，也能拓展下游產(chǎn)業(yè)鏈，本文重點討論蛋氨酸的生產(chǎn)工藝，利用石化副產(chǎn)品，結合我國蛋氨酸市場和生產(chǎn)現(xiàn)狀，展望發(fā)展前景。

關鍵詞：HCN;蛋氨酸;發(fā)展前景

蛋氨酸是α-氨基酸的一種，在它的分子中，含有一個堿性基團（-NH2）和一個酸性基團（-COOH），學名甲硫氨酸或甲硫基丁氨酸。分子式為C5H11NO2S，密度為1.34。結晶形狀為白色六角形片狀，有特殊的氣味、微甜。溶于水、稀酸、稀堿。

DL-蛋氨酸是構成蛋白質的基本單位之一，是必須氨基酸中唯一含硫的氨基酸。蛋氨酸廣泛用于醫(yī)藥、食品、飼料和化妝品等領域，其中飼料添加劑的用量最大。中國是世界第二大飼料生產(chǎn)國，今后還將以每年7-9%的速度增長。

1. 蛋氨酸的供需情況

DL-蛋氨酸的工業(yè)化生產(chǎn)始于1948年。長期以來，全球蛋氨酸工業(yè)發(fā)展較快，數(shù)據(jù)顯示：1993年，全球蛋氨酸產(chǎn)量為26萬噸;1999年，這個數(shù)字達到了45萬噸;2005年增長為60萬噸;2008年為65萬噸左右;2009年產(chǎn)量約為70多萬噸，2015年，全球蛋氨酸產(chǎn)能158萬噸，國內(nèi)蛋氨酸需求量為22.2萬噸，其中15.8萬噸為進口，自給率29%，2018年蛋氨酸的進口依存度為58.8%。目前，國外蛋氨酸生產(chǎn)能力較大的有法國的安迪蘇公司、德國的迪高沙公司、日本的曹達株式會社和住友化學制藥株式會社、法國的羅納-普朗克公司等。

2. 蛋氨酸的生產(chǎn)工藝

制備蛋氨酸主要有生物酶拆分法、微生物發(fā)酵法和化學合成法。生物酶拆分法生產(chǎn)的經(jīng)濟指標低，排污大;發(fā)酵法生產(chǎn)工藝收率低，欠缺工業(yè)化生產(chǎn)價值。因此目前全球蛋氨酸生產(chǎn)主要采用化學法，且研究主要集中在由甲硫基乙基乙內(nèi)酰脲（海因）水解制備蛋氨酸的水解過程和后續(xù)的結晶精制過程。

2.1 生物法

生物法在醫(yī)藥和精細化工生產(chǎn)中發(fā)展迅速。生物法生產(chǎn)蛋氨酸主要有酶拆分法、發(fā)酵法和化學-酶法。

2.1.1 酶拆分法制備L-蛋氨酸

酶拆分法是利用光學拆分的方法把化學合成的DL-蛋氨酸拆分為L-蛋氨酸。先將DL-蛋氨酸乙?；癁镹-乙酰-DL蛋氨酸，再采用氨基酸?；覆鸱諲-乙酰-DL蛋氨酸，最后經(jīng)脫色、濃縮、結晶等過程制的L-蛋氨酸。

2.1.2 發(fā)酵法

發(fā)酵法生產(chǎn)的蛋氨酸均為L型，主要借助微生物具有合成各種氨基酸的能力，通過對菌株的誘變處理，選育出各種異株，以解除代謝中的反饋及阻遏，達到過量合成氨基酸的目的。

2.1.3 化學-酶法

化學-酶法是以化學法合成的氰醇或蛋氨腈為底物，利用腈轉化酶水解制備蛋氨酸。化學法與酶法相結合制備蛋氨酸以達到減少反應步驟，提高效率，減少副產(chǎn)物，減少三廢，降低成本的目的。

2.2 化學合成法

化學法是采用化學法合成海因、氰醇或蛋氨腈，然后利用化學水解的方法制得固態(tài)蛋氨酸或液體蛋氨酸羥基類似物。

2.2.1氨基內(nèi)酯法

Livak等對γ-丁酯內(nèi)酯溴化得α-溴-γ-丁基內(nèi)酯，再氨化得α-溴-γ-羥基丁酸，經(jīng)氰化鉀處理和閉環(huán)合成得5-（β-溴乙基）-乙內(nèi)酰脲，并于堿性溶液中水解即得DL-蛋氨酸，產(chǎn)率為17%。Sizoo等報道了將甲硫基丙醛于30%氰化鈉溶液進行反應，再利用甲硫基丙氨基腈，對其進一少水解從而制得蛋氨酸，使其產(chǎn)率高達61%。

2.2.2丙二酸酯法

barger等以2-甲硫基氯化乙烷和鄰苯二甲酰亞胺基丙二酸乙酯的鈉鹽為原料，縮合，于堿性環(huán)境經(jīng)過一系列反應，再進行水解從而得到DL-蛋氨酸，該工藝所得產(chǎn)品的產(chǎn)率為58%。Goldsmith等將2-甲硫基氯化乙烷與乙酰氨基丙二酸二乙酯在乙醇鈉存在下縮合反應，并加水分解得縮合體即得DL-蛋氨酸，總收率為60.5%。

2.2.3固液相轉移催化法

法國羅納-普朗克公司以2-羥基-4-（甲硫基）丁腈為原料，三乙胺和硫酸鎂為催化劑生成苯亞甲基乙酸乙酯，并在氫氧化鉀、碳酸鉀等催化下，通過取代水解得到蛋氨酸，所得產(chǎn)品選擇性好，收率高;但由于生產(chǎn)成本高，難以實現(xiàn)工業(yè)化應用。

2.2.4丙烯醛法（海因法）生產(chǎn)工藝

丙烯醛和甲硫醇在催化劑作用下進行加成反應，生成甲硫基丙醛;甲硫基丙醛與NaCN或HCN、NH4HCO3發(fā)生縮合反應制得甲硫基乙基乙內(nèi)酰脲（海因）;而后甲硫基乙基乙內(nèi)酰脲在NaOH或K2CO3作用下水解生成蛋氨酸鈉/鉀鹽;進一步采用H2SO4、HCl或CO2酸化即得DL-蛋氨酸，最后濃縮、結晶、分離得到蛋氨酸成品[1-2]。

目前，采用海因法制備蛋氨酸的合成工藝主要集中在以下幾個大型的跨國公司：

法國的安迪蘇公司：2-甲硫基丙醛與NaCN、NH4HCO3縮合生成海因，然后海因在NaOH溶液中水解，生成蛋氨酸鈉，再用硫酸酸化，生成副產(chǎn)物Na2SO4，原料CO2和NH3在工藝中循環(huán)使用，總收率可以達到83%。

日本的曹達公司：2-甲硫基丙醛與NaCN、NH4HCO3縮合生成海因，然后海因在Ca（OH）2溶液中水解，生產(chǎn)蛋氨酸鹽，再用HCl酸化制成蛋氨酸，生成副產(chǎn)物NaCl和CaCO3，工藝過程中NH3循環(huán)使用。

德國的迪高莎公司：工藝主要采用HCN代替NaCN 與甲硫基丙醛縮合，經(jīng)α-氨基γ-甲硫基丁腈與CO和NH3縮合制備海因，然后用K2CO3水解，CO2酸化制備蛋氨酸。此工藝收率高，副產(chǎn)物為（NH4）2SO4。

美國孟山都公司的工藝更為簡答單，主要由β-甲硫基丙醛、HCN和硫酸，經(jīng)過中間物α-羥基γ-甲硫基丁腈和α-氨基γ-甲硫基丁腈，然后再于H2SO4中直接水解生成蛋氨酸。此工藝收率高，副產(chǎn)物為（NH4）2SO4，且生產(chǎn)工藝成本較低。

除了以上4家工藝，其它有關蛋氨酸生產(chǎn)工藝路線都大同小異，其生產(chǎn)工藝中涉及的核心技術主要集中在海因合成。海因水解和蛋氨酸結晶精制工藝的優(yōu)化[3]。

3. 結論

作為重要的飼料添加劑，受益于養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，蛋氨酸越來越多被運用到家禽飼料行業(yè)，技術門檻的突破，讓國內(nèi)企業(yè)開始打破國外壟斷，有能力在蛋氨酸市場上分得一杯羹。

盡管存在著巨大的進口替代空間，但是一窩蜂式的產(chǎn)能擴充，讓蛋氨酸未來該如何劃分成了難題;同時，蛋氨酸生產(chǎn)為高污染項目，頗具爭議的環(huán)保問題也像懸在頭頂?shù)囊话牙麆Α?/p>

在“國產(chǎn)化”過程中，蛋氨酸價格幾經(jīng)起落，一度可以用瘋狂來形容，但狂歡過后卻迅速陷入低谷，更令人擔憂的是，價格過山車背后，所反映的是其產(chǎn)能持續(xù)投放下供需關系的失衡。

綜合來看，不管是供應層面，還是需求層面，短期內(nèi)都難以對蛋氨酸價格形成支撐。若后續(xù)國內(nèi)不再擴大產(chǎn)能或者新上項目，且蛋氨酸需求能夠按照預期速度增長，蛋氨酸還有一定的盈利空間。

參考文獻：

[1]. 黨萬利，金利群，鄭欲國等。蛋氨酸生產(chǎn)工藝研究進展[J] 食品與發(fā)酵工業(yè) 2012，4（38）：151-157

[2]. 高文亮，李林鳳等。蛋氨酸生產(chǎn)工藝及核心制備技術研究進展[J] 化工進展2012，4（31）：866-872

[3] 胡寶龍。2010年蛋氨酸市場回顧及2011年市場展望[J] 飼料廣角 2011（3）：15-17