阿斯巴甜工艺制作过程分析摘要根据生产实践经验,本文介绍了使用L-苯丙氨酸和L-天门冬氨酸作为原料制造阿斯巴甜的工艺过程,分析制作过程中仍然存在的关键问题和需要改进的事项,提出了仍有待进一步攻关的科研目标。
关键词阿斯巴甜;合成工艺;过程控制Analysis of the Production Process of AspartameMA Dejin,ZHANG Kai,TANG GenshengAnhui BBCA Chemical Equipment Co.,Ltd.,Bengbu,Anhui 233010,ChinaAbstract Based on production experience , technological process of aspartame was introduced by use of the main materials of L-phenylalanine and L-aspartic acid in this paper, any key solutions and matters needing improvement were analyzed in the process of aspartame, the related scientific researches will be needful to be explored in the future.Keywords Aspartame; synthesizing process;process control阿斯巴甜(aspartame)是由L-天门冬氨酸和L-苯丙氨酸两种主要原料合成的一种氨基酸二肽衍生物,作为人造甜味剂已经被食品添加剂行业广泛使用。
基于该产品合成过程中的不完全反应和母液回收等特点,同时也鉴于国内外同行业工艺技术的差异和技术保护等问题,正如资料[1]也曾提到美国Nutrasweet公司采用一锅法生产工艺,日本Ajinomoto采用内酐法工艺。
在同部分国外知名厂家行进行交流时,他们也提到母液回收采用一步法,有些厂家采用DL-苯丙氨酸作为L-苯丙氨酸的替代原料,通过对国内生产工艺过程的比较,他们曾提出其实施的合成工艺路线更为简洁,但真正的差距并不十分清楚,本文就生产实践过程中若干工艺与技术要素进行分析。
1 阿斯巴甜生产的基本流程文献[2]中提到,阿斯巴甜的基本生产方法有3种:化学合成法、酶合成法和基因工程法。
根据对国内外行业的了解,目前广泛采用的工业化生产方法主要是化学合成法。
目前国内不少厂家采取的合成工艺路线不完全一致,但其合成原理几乎是一样的,一般运用分步合成法,并对每步骤产生的母液进行回收,而回收产物的质量、数量、收率等直接影响综合制造成本,这也或多或少决定各家的制造水平。
根据生产实践和对同行业的粗略了解,其生产工艺流程大体分以下步骤:1)在某一种催化剂作用下,借助醋酐(Acetic Anhydride)作为溶剂,利用L-天门冬氨酸(L-aspartic acid)和甲酸(formic acid)作为原料,生成中间体为N-甲酰-L-天冬氨酸酐。
L-天门冬氨酸化学名称为L-(+)-氨基丁二酸,也称L-(+)-天门冬氨酸或L-(+)-氨基琥珀酸,结构式为HCOOH-CH2-CH(NH2)-COOH,分子式为C4H7NO4,分子量为133.10;甲酸又称蚁酸,分子式为HCOOH,分子量为46.03;N-甲酰-L-天冬氨酸酐(简称天冬酸酐)分子式为C5H5NO4,分子量为143.10。
该步反应式如下:在该反应步骤中,向反应釜内真空吸入50kg甲酸,加入一定量的催化剂,在室温条件下混溶约30min,再加入200kg醋酐,升温到45℃,反应45min后投入120kg 的L-天门冬氨酸,在45±2℃的温度下保持8h,夹套进入冷却水使釜内温度保持在15℃以下,然后进入离心机离心获得湿品N-甲酰-L-天冬氨酸酐,在进入干燥设备,干燥温度控制在60℃左右,时间为4h,得到干燥失重不大于5%的天冬酸酐。
经过物料平衡计算,本步骤中有约11.5kg的L-天门冬氨酸和12kg甲酸没有参与反应,同时作为溶剂的醋酐将转化成醋酸(acetic acid)233kg,反应过程也生成水约29.4kg,在合成过程产生的水以及原料中含有的水分被醋酐吸附转化成醋酸,醋酐的投入量基本满足吸附本过程水分的要求即可。
天冬酸酐在离心过程中会造成约36kg醋酸挥发,可以利用碳酸钠溶液吸收醋酸,生成72kg的CH3COONa·3H2O。
离心过程形成的母液约254kg,母液中含有醋酸、甲酸、L-天门冬氨酸和少量天冬酸酐等,对于母液经过常压蒸馏,在100℃~120℃下蒸馏出醋酸约206kg(含量约95%),此醋酸的馏分中含有约12kg甲酸和少量水分,在蒸馏釜中余下的残渣有11.7kg,该渣物中主要是没有参与反应的L-天门冬氨酸和少量的天冬酸酐与醋酸混合物,在经过常压蒸馏后回收DL-天门冬氨酸。
2)成肽是阿斯巴甜的第二步合成过程,利用L-苯丙氨酸(L-Phenylalanine)和第一步生成的含量大于95%的天冬酸酐作为原料,借助于99.3%的冰醋酸作为溶剂,投入反应釜中合成后生成a-L-天冬氨酰-L-苯丙氨酸(简称FAPA),再用盐酸和氢氧化钠调整反应过程的PH值,生成的中间体有a-异构体和b-异构体两种存在结构形式,分子式为C14H16N2O6,分子量为308.30。
L-苯丙氨酸分子式为C9H11NO2,分子量为165.19,含量不低于99.8%。
该步反应式如下:投入155kg天冬酸酐、150kg的L-苯丙氨酸作为主要原料和600kg冰醋酸作为溶剂于反应釜中,结晶后用板框压滤机或离心机生成湿品FAPA和母液,湿品经过长网干燥后生成干基中间体FAPA260kg含量为99.9%),经测定其a-异构体的含量约为85%。
根据生产过程实际投入与产出之间关系可以计算出:11.6kg的L-苯丙氨酸和27.5kg天冬酸酐没有参与反应,以及由天冬氨酸带来的约7.8kg甲酸混入母液中,冰醋酸不参与过程反应;反应结束后通过离心引起醋酸挥发性气体约180kg和468kg母液;醋酸气体需要回收,利用吸收塔回收醋酸钠(CH3COONa·3H2O)约364kg,468kg母液中含有421kg冰醋酸,然后进行负压蒸馏,可以产出含有甲酸约7.5kg的冰醋酸408kg,再对蒸馏结束后的60kg残液进行处理,分别加入水约20kg、31%盐酸5kg、30%氢氧化钠5kg可以产生约9kg的L-苯丙氨酸,再用活性炭脱色后过滤对其进行精制,此滤液可以进一步回收天门冬氨酸。
3)酯化反应主要使用第二步生成的a-FAPA,分别向反应釜中加入CH3OH、高纯度HCl,然后升温至30℃~45℃,再加入FAPA,搅拌约2小时,升温至60℃,待物料澄清后降温至25℃,再加入36%的HCl,通过保温8小时后,再用冰盐水降温至0℃~5℃,3h后结晶生成阿斯巴甜盐酸盐(C14H18N2O5·HCl)溶液和副产品甲酸,转入晶体过滤系统,获得阿斯巴甜盐酸盐,该中间体的分子量为308.30。
该步反应式如下:投入原料数量:FAPA492kg、盐酸374kg、甲醇123kg和去离子水222kg,生成残渣不大于0.5%的阿斯巴甜盐酸盐370kg。
根据物料平衡关系和生产实际数据,本步骤中有约147kgFAPA、333kg盐酸、87kg甲醇没有参与反应,以及反应过程生成的副产品52kg甲酸及水形成母液。
本步处理母液的目的是将母液不断回流,在98℃下蒸馏回收甲醇,然后冷凝成甲醇液体,在母液温度降低至53℃加入NaOH,调整PH为6,其目的是为了回收苯丙氨酸和天冬氨酸,二者的回收率分别可以达到70%。
4)利用甲醇作为溶剂,将阿斯巴甜盐酸盐与碳酸钠进行反应,生产阿斯巴甜和副产品氯化钠,投入原料数量:600kg阿斯巴甜盐酸盐、400kg甲醇和160kg碳酸钠,可以产出成品阿斯巴甜440kg,此处的母液与第三步骤产生的母液合并处理,实现苯丙氨酸和天门冬氨酸的回收。
最终成品阿斯巴甜(aspartame,简称APM),化学名称为N-L-α-天冬氨酰-L-苯丙氨酸甲酯(L-Aspartyl-L-phenylalaninemethylester),分子式为C14H18N2O5,分子量294.31。
该步反应式如下:由于反应过程中会产生金属离子,导致晶体溶液中电导率指标偏高,为此须经过电渗析或钛棒等形式除盐,然后再进入离心和干燥系统。
2 生产过程存在问题分析1)通过上述4个步骤的分析可以看出,阿斯巴甜的每一步生产过程基本属于不完全反应,而且母液回收存在一定的技术诀窍或难题,具体综述如下:实践表明,生产过程的物料投入比例和工艺过程参数控制非常重要,正如第一步甲酰化合成反应投入120kgL-天门冬氨酸,理论产出129kg干基天冬酸酐,如果产出干燥失重为5%的天冬酰酐123kg,其收率仅为90.6%,显然需要改善天冬参与反应的完全性。
在第二部成肽过程的FAPA理论产出量为280kg,通常本步的实际产出应不低于263kg,用液相色谱检测a-FAPA和b-FAPA的含量,尽可能提高a-FAPA的含量,其理想的含量指标是不低于95%;然后检测挥发分的含量,控制指标不大于0.5%,具体做法可以用烘箱加热70℃,时间为4h;对于第一步中的醋酸回收及反应过程母液中的苯丙氨酸与天门冬氨酸的回收等环节,直接决定制造成本的高低,也是需要不断改进的工作。
2)合成阶段也可以采取一步合成法,投入的原料分别为天门冬氨酸140kg、醋酐225kg、甲酸68.7kg、异丙醇24kg、苯丙100kg和符合使用要求的回收苯丙(控制旋光度指标)55kg、冰醋酸310kg、醋酸丁酯72kg,最终形成含水量低于0.5%的FAPA 250kg,按照本合成方法进行,其母液的回收过程相对简单。
3)酯化阶段测定阿斯巴甜盐酸盐的残渣,控制指标不大于0.5%,具体检测方法:取1g阿斯巴甜盐酸盐加入98%的硫酸0.5ml,摇匀后用用电炉加热40min,然后放在马弗炉中加热4h,温度为800℃,然后测定残渣含量。
4)对于精制阶段,采取何种碱性物质去除阿斯巴甜盐酸盐中的HCl,各个厂家可能有自己的生产经验,可以采用Na2CO3或氨水,但各存在弊端,诸如:采用Na2CO3时会在阿斯巴甜溶液中含有大量的Na+,需要采用电渗析或离子交换等方法去除金属离子,增加耗电成本和运行费用,如果使用氨水往往会在成品中残留未完全挥发的氨水,带来刺激味道,这对食品添加剂而言是不容许的。
控制精制阶段阿斯巴甜的结晶温度和颗粒成型非常重要,这往往影响成品阿斯巴甜的溶解时间,特别是将阿斯巴甜加入到软饮料的生产过程中,同国外同行产品相比,国内部分企业所显现的溶解时间偏长,由于含有一定量的右旋阿斯巴甜,该物质尽管与左旋阿斯巴甜属于掌性异构体,但其具有苦味,因此只有在成肽阶段提高a-FAPA的含量,才有可能在最终步骤获得甜度更高的成品,尽管阿斯巴甜的甜度相当于蔗糖的180~200倍,如果忽视这个问题,那么其甜度偏低已经成为不争事实。