电渗析技术在蛋氨酸和苯甘氨酸绿色循环生产过程中的关键科学问题研究

To achieve the green and recycling production of methionine and phenylglycine, the electrodialysis based technology is introduced to the cleaner production of these chemicals by using "hydantoin" as a intermediate template. These preparation route is satisfied with the urgent national demands for cleaner and green production in resource and environmental engineering. By takes the advantages of water dissociation in bipolar membranes, the water dissociated OH- and H+ ions can be used for alkaline hydrolysis of hydantoin intermediate and the following acidification process, respectively. Meantime, the bipolar membranes electrodialysis process can be used for the regeneration and recycling of asymmetric transformation agents. To overcome some key fundamental scientific issues regarding the novel production process, this project focuses on the investigation of electrodilaysis prodcution of hydantion and water migration phenomenon as well as transformation agents regeneration process. Successful conduction of this project will result in a green and recycling of these two amino acids. This preparation strategy can lead to not only the rational and durable recycling of intermediate products, but also achieve the maximal utilization of resources and pollution prevention. This project can also lays some scientific and technological basis for green and recycling of some other fine chemicals.

本项目以国家在环境与资源化工方面的重大需求为基本出发点，以实现蛋氨酸和苯甘氨酸的绿色循环生产为目的，拟把电渗析技术引入这两种氨基酸的"海因法"的制备过程中。借用双极膜水解离产生的氢氧根离子和氢离子分别用于"海因"的碱水解过程及其后的酸化过程，并实现了电渗析技术对氨基酸手性分离过程中不对称手性拆分剂的资源化回收。通过开展"海因法"电渗析制备过程研究、电渗析过程中"水迁移"现象研究、手性拆分剂再生过程研究，为电渗析技术在这两种精细化工氨基酸产品的循环生产过程所遇到的几个关键科学问题提供解决途径。该项目的顺利实施，可实现中间化工原料在氨基酸生产过程中得到合理和持久的绿色循环利用，不仅可以减少这类精细化工氨基酸生产过程中对化工原料的消耗，而且可大大降低成本和控制环境污染源的产生，也为我国其他精细化工产品生产的环境化和绿色化奠定科学与技术基础。

为了解决蛋氨酸和苯甘氨酸“海因法”制备过程中生产工艺路线长，分离成本高，环境污染严重等难题，本项目利用双极膜水解离产生的氢离子和氢氧根离分别作为苯海因水解和酸化过程的化学品供应源，成功的应用于蛋氨酸和和苯甘氨酸的生产过程。在蛋氨酸的生产中，本项目系统比较和优化了日本Astom公司（AMX/CMX）、北京庭润（JCM-II-05/JAM-II-05）、合肥科佳（LabA/LabC）三种离子交换电渗析法生产蛋氨酸的效率。结果表明，合肥科佳ChemJoy膜（LabA/LabC）的蛋氨酸产品收率为84%，而日本Astom公司（AMX/CMX）和北京庭润（JCM-II-05/JAM-II-05）收率分别为56.66%和60.59%，这主要是与LabA/LabC膜具有更加疏松的结构导致的，蛋氨酸根离子更容易通过这种疏松结构的离子交换膜，从而获得更高的产品收率和脱盐率。后续的中试实验，利用双极膜法生产蛋氨酸的收率为82.23%，其产品脱盐率为95.18%，同时获得0.45mol/L NaOH作为副产品。在苯甘氨酸的生产过程中，通过采用BP-C-BP的膜池构型，将Na2SO4转化为H2SO4和NaOH，产生的硫酸用于酸化苯甘氨酸钠，产生的碱可用于海因的水解过程，通过设置一个固液分离装置，实现了无化学品消耗的绿色闭合循环，整个生产过程的电流效率高达82.7%，产品的转化率为94.1%，产品能耗为0.69KWh/kg。在蛋氨酸和苯甘氨酸的研究基础上，项目进一步的拓展了双极膜法清洁生产有机酸的应用领域，成功拓展至烟酸、肌氨酸、氨基丁酸等有机酸生产中，相关研究成果发表在J. Membr. Sci、Ind. Eng. Chem. Res、ACS Sustain Chem. Res. 、Desalination 等期刊上发表论文21篇，英文章节2篇，申请发明专利3项。本项目的成功实施，证明双极膜电渗析完全可用于精细化工氨基酸的生产过程，大大降低对化工原料的消耗和对环境的危害，也为我国其他精细化工产品生产的环境化和绿色化提供了很好的参照。