牛磺酸合成工藝的改進

周彩榮，梁歡歡，韓雪巍，黃明星，王嬴權，蘇玉

（鄭州大學化工與能源學院，河南 鄭州 450001）

引 言

牛磺酸的生產和應用前景非常廣闊，但從天然生物中提取的牛磺酸遠遠不夠滿足市場需求，要通過化學合成方法制得牛磺酸。目前，牛磺酸的國內需求量遠不如國外，國內牛磺酸主要用于食品添加劑，但是隨著人們保健意識的提高，牛磺酸在中國這個人口大國的市場是非常具有潛力的。國外牛磺酸工業(yè)生產技術已經成熟，國內起步較晚，牛磺酸合成與分離等問題限制了國內牛磺酸的工業(yè)化生產[1-2]。針對這些狀況，本研究對生產工藝進行優(yōu)化，解決生產過程中的瓶頸問題，研究出一條高效益、高收率、綠色環(huán)保、節(jié)能的工藝路線。

根據合成原料的不同，牛磺酸的制備方法主要有乙醇胺硫酸酯化法、乙醇胺氯化法、羥基乙醇法、2-氨基乙醇法、亞乙基亞胺法、乙二磺酸酐法等十多種[3-4]。近年來，孫華君等[5]以硝基甲烷和甲醛為原料合成硝基乙醇，再與亞硫酸氫鹽反應，然后經還原、硫酸酸化得到牛磺酸。目前，國內外多數生產廠家采用乙醇胺法生產牛磺酸，該方法原料易得，合成工藝簡單，設備投資少。以乙醇胺為原料合成牛磺酸，按合成路線又分為酯化法和氯化法以及亞乙基亞胺法[6]。國內生產牛磺酸主要采用酯化法。該方法是以乙醇胺、硫酸、亞硫酸鈉為原料，濃硫酸與乙醇胺先進行酯化反應合成出中間體2-氨基乙醇硫酸酯，再與亞硫酸鈉進行磺化反應合成牛磺酸[7-10]。

牛磺酸的分離是其工藝的關鍵步驟之一。最初采用的結晶分離溶劑是濃鹽酸和乙醇，因此常稱為鹽酸-乙醇法，此法是根據牛磺酸和無機鹽在濃鹽酸中的溶解度不同將它們分離。牛磺酸溶解于濃鹽酸，而無機鹽不溶，這樣便把不溶的無機鹽分離除去，然后將一定量的乙醇加到含有牛磺酸的濃硫酸溶液中，牛磺酸的溶解度降低，結晶析出[11]。這個方法的缺點是要消耗大量的濃鹽酸和乙醇，而且在牛磺酸結晶中會混入一定量的無機鹽，要經過一次甚至多次重結晶，操作很麻煩。大量使用濃鹽酸，由于其強腐蝕性，會對設備和環(huán)境造成破壞，因此，此方法現在已很少使用。楊潔等[2]利用減壓蒸餾先除去一部分水，然后結晶。通過多次結晶的方法雖然可以在一定程度上提高牛磺酸收率，但由于牛磺酸和雜質在水溶液中的溶解度都較大，牛磺酸的損失仍然較大，分離效果并不理想。為了避免以水為溶劑多次結晶帶來的能量損耗和工藝復雜程度，以有機醇類水溶液為溶劑提高牛磺酸的分離效率是一條提高產物收率的可能途徑[12-18]。除此之外，趙成茂等[19]用電滲法，劉連慶等[20-23]用離子交換法，顧彥龍等[24]用離子液對牛磺酸的分離提純進行了研究。

本研究是將牛磺酸的合成與其分離結合起來的整體工藝，用亞硫酸銨作為磺化劑，與2-氨基乙醇硫酸酯發(fā)生磺化反應。在前期研究[3-4, 7-9, 15-18, 25-26]中已經對牛磺酸的制備方法、物系中各個組分在溶劑中的溶解度數據等物理化學性質進行了探討，本研究在此基礎上進一步完善工藝，優(yōu)化磺化反應及分離提純工藝的條件，建立適應于工業(yè)化生產的工藝過程。

1 實驗部分

1.1 技術方案

1.1.1 反應過程

（1）中間物 2-氨基乙醇硫酸酯的制備 冰浴（＜20℃）下向500 ml四口燒瓶中緩緩注入76 ml濃硫酸，電動攪拌至濃硫酸滴加完畢，撤去冰浴。向反應液中加入140 ml甲苯，裝上分水裝置和冷凝裝置，油浴加熱至回流溫度，無明顯水分時停止加熱，抽濾得到粗酯。然后用無水乙醇洗滌，烘干后得到2-氨基乙醇硫酸酯[3-4,7-9]。

（2）目的產物牛磺酸的制備 在裝有冷凝回流裝置的四口燒瓶中加入煮沸過的蒸餾水，通入氨氣形成氨氣保護，在攪拌條件下加入亞硫酸銨，待亞硫酸銨全部溶解后加入2-氨基乙醇硫酸酯。油浴加熱至105℃，反應12 h后，停止加熱。將反應液冷卻至60℃以下，量取反應液的總體積。然后用硫代硫酸鈉溶液返滴定法測定反應液中剩余亞硫酸銨的濃度，再由式(3)計算出2-氨基乙醇硫酸酯的轉化率。反應液進行濃縮后，冷卻結晶分離得到的固體即為牛磺酸粗品。

式中，m1、m2分別為亞硫酸銨反應加入量和反應后剩余量，m3為反應加入2-氨基乙醇硫酸酯的量。

1.1.2 分離提純過程 牛磺酸合成反應結束后，反應溶液中主要有牛磺酸、硫酸銨、亞硫酸銨和2-氨基乙醇硫酸酯。亞硫酸銨極易氧化，通過攪拌使其充分接觸空氣，加熱促進氧化反應進行，以使其完全氧化為硫酸銨。然后向反應液中加入 Me(OH)2（Me=Ca，Ba）飽和溶液以除去其中的硫酸銨。涉及到的化學反應方程式如下

濾出沉淀物硫酸鹽后，稍微加熱母液，生成的NH3·H2O分解放出的氨氣作為保護氣體用于磺化反應過程。

除掉無機鹽后的物系中含有牛磺酸、未反應的2-氨基乙醇硫酸酯和不到2%的無機鹽，因此提純牛磺酸的難點歸結為牛磺酸和2-氨基乙醇硫酸酯的分離。實驗采用溶劑結晶法對其進行分離，用均勻實驗設計法考察了結晶溫度、結晶時間、降溫速率和攪拌速率對牛磺酸結晶過程的影響。本實驗室先前已經對牛磺酸和2-氨基乙醇硫酸酯在10%乙醇水溶液中的結晶進行了考察[15]，建立了牛磺酸和2-氨基乙醇硫酸酯在溶劑中的介穩(wěn)區(qū)寬度，并對影響介穩(wěn)區(qū)寬度的諸多因素進行考察，最終測定在較高溫度下牛磺酸的介穩(wěn)區(qū)寬度為15～16℃，2-氨基乙醇硫酸酯的介穩(wěn)區(qū)寬度為8～9℃。攪拌速度率大，介穩(wěn)區(qū)寬度越窄；10%乙醇水溶液在pH=6時兩物質的溶解度相對差值最大，所以結晶分離操作考慮在pH=6、體積分數為10%的乙醇水溶液中進行。

1.1.3 工藝流程 工藝流程如圖1所示。

本工藝的特點在于：①在磺化反應過程中增添了保護氣體，避免了在溫度較高的情況下亞硫酸鹽易于被氧化的可能性，提高了反應物的轉化率；②在磺化反應過程中對原料2-氨基乙醇硫酸酯的加料方式進行了改進，分批加料有利于磺化反應原料轉化率的提高；③用化學沉淀除鹽法代替了傳統工藝中的蒸餾濃縮-降溫結晶除去物系中的無機鹽，使得除鹽后的物料中僅存在產物牛磺酸和未反應的2-氨基乙醇硫酸酯；④用溶液結晶法重結晶牛磺酸晶體，通過調整重結晶次數可得到不同規(guī)格的牛磺酸產品；⑤結晶后的母液經溶劑回收后，用于溶解原料亞硫酸銨。

1.2 主要試劑與儀器

乙醇胺、無水乙醇、硫酸、甲苯、硫代硫酸鈉、碘、碘化鉀、氫氧化鈉、氫氧化鋇、氫氧化鈣、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、亞硫酸銨，均為市售分析純。

電子精密天平（FA1004，±0.0001 g，上海精科天平）；電子精密天平（PB203-N，±0.001 g，梅特勒-托利多儀器有限公司）；集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（DF-101S，河南予華儀器有限公司）；循環(huán)水式多用真空泵（SHB-Ⅲ，鞏義市英欲華科儀器廠）；熱重分析儀（DTG-60，日本島津公司）。

1.3 分析方法

本實驗采用硫代硫酸鈉返滴定法，通過分析反應體系中亞硫酸銨的剩余含量示蹤反應進程[3-4]。目的產品牛磺酸的純度用化學分析法結合熱分析儀分析法確定。

2 實驗結果與討論

圖1 亞硫酸銨為磺化劑的工藝流程Fig.1 Process of ammonium sulfite as sulfonating agent

中間物2-氨基乙醇硫酸酯的工藝優(yōu)化見文獻[3]。

2.1 磺化反應條件的優(yōu)化

2.1.1 反應時間對2-氨基乙醇硫酸酯轉化率的影響 亞硫酸銨與2-氨基乙醇硫酸酯的磺化反應是乙醇胺酯化-磺化法合成牛磺酸的關鍵反應。考察反應時間對2-氨基乙醇硫酸酯轉化率的影響時，控制的反應條件為：n亞硫酸銨:n酯=1.3，反應溫度98℃，加料方式為1次；分別設置反應時間為9 h、10 h、11 h、12 h、13 h。實驗結果見表1。

表1 反應時間對磺化反應的影響Table 1 Effects of time on sulphonated reaction

從表1可以看出，在相同的反應條件下，隨著反應時間的延長，2-氨基乙醇硫酸酯的轉化率逐漸提高，但當反應時間達到11 h以后2-氨基乙醇硫酸酯的轉化率變化不大，因此反應時間可以選為11 h。2.1.2 反應溫度對2-氨基乙醇硫酸酯轉化率的影響 分別設置反應溫度為65℃、75℃、85℃、95℃、98℃，反應時間11 h，n亞硫酸銨:n酯=1.3，加料方式為1次的條件下，考察溫度對磺化反應的影響。結果見表2。

表2 反應溫度對磺化反應的影響Table 2 Effects of temperature on sulphonated reaction

從表2可以看出，隨著反應溫度的升高，2-氨基乙醇硫酸酯的轉化率逐漸提高，尤其在75～95℃溫度區(qū)間內2-氨基乙醇硫酸酯的轉化率變化最大，幾乎翻了2倍，但在95℃以后酯的轉化率變化不大。

2.1.3 物料配比對2-氨基乙醇硫酸酯轉化率的影響 亞硫酸銨與2-氨基乙醇硫酸酯的磺化反應以2-氨基乙醇硫酸酯的轉化率為考察指標，故要求反應中亞硫酸銨的加入量為過量。在考察物料配比的影響時，反應條件為：時間11 h，溫度98℃，加料方式為1次；分別設置n亞硫酸銨:n酯為 1、1.3、1.45、1.58、1.75。實驗結果見表3。

表3 物料比對磺化反應的影響Table 3 Effects of material ratio on sulphonated reaction

從表3可以看出，隨著物料配比的增加，2-氨基乙醇硫酸酯的轉化率逐漸提高，在物料配比為1.58～1.75時增加不大，而在物料配比為1.75時達到最大，因此選擇物料配比為1.75。

2.1.4 加料方式對2-氨基乙醇硫酸酯轉化率的影響實驗考察2-氨基乙醇硫酸酯的加入方式時，其他條件保持為：反應時間11 h，反應溫度98℃，物料配比（n亞硫酸銨:n酯）為1.75；加料方式定為：1次、分批2次、分批3次、分批4次和分批5次。實驗結果見表4。研究規(guī)定：在反應開始時加入全部的2-氨基乙醇硫酸酯為1次加入方式。分批加料方式分為4種情況：分批2次，為在開始時加入1/2的2-氨基乙醇硫酸酯，在60℃再加入剩余的2-氨基乙醇硫酸酯；分批3次，為在開始、35℃、65℃時分別加入1/3的2-氨基乙醇硫酸酯；分批4次，為在開始、35℃、50℃、65℃時分別加入1/4的2-氨基乙醇硫酸酯；分批 5次，為在開始、25℃、35℃、50℃、65℃時分別加入1/5的2-氨基乙醇硫酸酯。每次加料后保持溫度10 min。

由表4可以看出，分批加入2-氨基乙醇硫酸酯可以提高2-氨基乙醇硫酸酯的轉化率。當分批4次加料時，2-氨基乙醇硫酸酯的轉化率升高幅度明顯減小；分批5次加料時，轉化率基本不再改變。

表4 加料方式對磺化反應的影響Table 4 Effects of feeding mode on sulphonated reaction

2.1.5 正交實驗 根據單因素實驗結果，對反應溫度、反應時間和物料配比采用四因素三水平（L934）正交表進行了正交實驗設計，對磺化反應工藝條件做進一步的優(yōu)化實驗。實驗結果列于表5。

表5 正交實驗設計及結果Table 5 Design and result of orthogonal experiment

從表5可以看出，因素C（反應溫度）的水平改變時對實驗指標的影響最大，故因素C是要考慮的主要因素。從表5的實驗指標結果對比可以分析出最佳制備方案為 A3B2C2D3, 按此 A3B2C2D3的最佳因素組合進行磺化反應實驗，在相應的條件下：反應溫度為 98℃，反應時間為 12 h，物料配比（n亞硫酸銨:n酯）為 1.65，加料方式為 4次，進行 3次平行實驗得到2-氨基乙醇硫酸酯的平均轉化率為76.43%，實驗結果見表 6。由此結果可知，2-氨基乙醇硫酸酯的轉化率高于之前單因素實驗和正交實驗設計方案中各實驗所能達到的最佳效果。比文獻報道[3-5]的亞硫酸鈉法的轉化率提高了近 20%。

表6 轉化率驗證實驗結果Table 6 Results of x for confirmative test

2.2 除鹽結果與討論

盡量完全地除去磺化反應液中的無機鹽，避免其對之后的牛磺酸的結晶過程產生影響，是本工藝過程的主要目的。由反應式(5)可知，加入Me(OH)2飽和溶液后，可以使硫酸根以沉淀方式析出，而銨根則以氣體方式排出體系，這樣反應液中的硫酸銨就能夠被除去。根據式(4)和式(5)可以看出 S、S和MeSO4呈1:1:1的摩爾比，從而可以通過質量守恒計算出硫酸鹽的理論產量，由原料亞硫酸銨中的 S、 S的量計算除鹽率X。

除鹽率定義為

式中，G和G′分別為除鹽過程中生成的硫酸鹽沉淀物的實際量和理論量。

磺化反應結束后，將反應液置于敞口瓶中靜置24 h，之后取10 ml反應液于50 ml錐形瓶中，在攪拌下將反應液溫度升至65℃，驗證無堿性氣體氨氣生成，則說明亞硫酸銨完全被氧化。將反應液溫度降至室溫，滴加過量 Me(OH)2（Me=Ca，Ba）飽和溶液，直至反應液中不再出現沉淀。抽濾，將所得固體在170℃下烘干至恒重，稱量得到MeSO4的質量。抽濾后的母液加熱，收集產生的氣體，直至無氣體產生為止。實驗結果見表7，其除鹽率在98%以上。由于硫酸銨和牛磺酸的溶解度相差較大[15-18]，殘存的硫酸銨不會對下一步的牛磺酸結晶過程產生影響，故采取沉淀除鹽的措施既有利于牛磺酸結晶過程的進行又能夠提高牛磺酸的得率，而且節(jié)能、環(huán)保。

表7 無機鹽沉淀析出的實驗結果Table 7 Experimental results of inorganic salt precipitated out

2.3 溶劑結晶

2.3.1 結晶過程的條件優(yōu)化 在帶有玻璃夾套的溶解-結晶釜中加入50 ml體積分數為10%的乙醇水溶液，然后加入約10 g經除鹽后結晶析出的牛磺酸粗品，打開磁力攪拌，通入循環(huán)水加熱溶解，用磷酸氫二鈉-磷酸二氫鈉緩沖液調節(jié)pH至6，程序控制降溫，達到條件要求后抽濾。將濾餅于 100℃±5℃的烘箱中干燥至恒重，稱重并計算收率。考慮到各個影響因素的相互作用，本研究采用均勻設計實驗優(yōu)化牛磺酸的結晶條件，以得到較優(yōu)的工藝條件。選取U*12(124)均勻實驗設計表，實驗安排及結果見表 8，通過分析結晶產品的質量計算牛磺酸的收率。

表8 牛磺酸溶劑結晶均勻實驗設計及實驗結果Table 8 Experimental results of solvent crystallization taurine by uniform experiment design

對實驗參數和實驗結果進行二次多項式逐步回歸，以X1為結晶溫度、X2為結晶時間、X3為降溫速率、X4為攪拌速率，以牛磺酸的收率作為指標，擬合的直線為

復相關系數R=0.9999，剩余標準差S=0.0275。

回歸分析所得較優(yōu)條件為：結晶溫度13.9℃，結晶時間1 h，降溫速率0.5℃·min?1，攪拌速率為低速攪拌（350～450 r·min?1）。在其較優(yōu)條件下進行3次平行實驗，結果見表9，牛磺酸的結晶率可達到67.94%。

表9 產率驗證實驗結果Table 9 Results of yield for confirmative test

2.3.2 牛磺酸純度分析 牛磺酸的分析方法有很多，如酸堿滴定法、氨基酸自動分析儀法、高效液相色譜法（HPLC）、離子色譜法、液相色譜質譜聯用法（LC-MS）和毛細管電泳法（CE）等。但是大多檢測分析方法適用于生物體內（如人的血液、尿

液）牛磺酸含量檢測，不適用于本研究的乙醇胺酯化-磺化生產牛磺酸的工藝中[3-4,27-28]。原因在于本研究工藝中含有的雜質在化學沉淀除鹽后主要是未完全反應的2-氨基乙醇硫酸酯，其結構與牛磺酸相近，同樣含有氨基和磺酸基，而大多數牛磺酸分析方法的原理就是通過檢測氨基和磺酸基檢測牛磺酸的，故在含有2-氨基乙醇硫酸酯的體系中會有較大誤差。

本實驗根據2-氨基乙醇硫酸酯和牛磺酸的熱力學性質差異檢測牛磺酸的純度。圖2和圖3分別為市售牛磺酸純品和自制2-氨基乙醇硫酸酯的熱分析圖。可以看出，牛磺酸純品的熱分析圖中只在330℃左右有一個吸熱峰，并伴隨失重發(fā)生；2-氨基乙醇硫酸酯純品的熱分析圖中在 230℃左右存在吸熱峰，沒有失重，在330℃左右有吸熱峰并伴隨失重發(fā)生。

圖4為結晶條件優(yōu)化下得到的結晶產品的熱分析圖譜，可以看出僅在 330℃左右有一個吸熱峰并伴隨失重發(fā)生，此現象與市售牛磺酸樣品的熱分析結果完全相同，故可以確定一次結晶產品中牛磺酸的純度接近 100%。結合化學分析法確認牛磺酸結晶產品的純度達到99%以上。

圖2 市售牛磺酸純品的熱分析圖Fig.2 DSC curve of taurine

圖3 中間物2-氨基乙醇硫酸酯的熱分析圖Fig.3 DSC curve of intermedium 2-aminoethyl hydrogen sulfate

2.3.3 工藝比較 用亞硫酸銨替代亞硫酸鈉，在價格上銨鹽低于鈉鹽。而在磺化反應后的溶液體系中含有未反應的2-氨基乙醇硫酸酯和亞硫酸銨（亞硫酸銨在沒有惰性氣體保護時很容易被氧化成硫酸銨）、生成物牛磺酸和硫酸銨、溶劑水，采用沉淀-分解法可除去牛磺酸體系中的無機鹽硫酸銨，經沉淀反應后氨水分解釋放出氨氣，循環(huán)用作體系保護氣體。幾乎全部沉淀的無機鹽（硫酸鈣或硫酸鋇）在價格上優(yōu)于硫酸鈉，可作為副產品出售。另外，沉淀過程可在短時間內完成，沒有能量消耗。結晶后的母液經溶劑（低碳醇）回收，其主要成分是水和未完全反應的2-氨基乙醇硫酸酯以及少量的牛磺酸，該水溶液可用于溶解固體原料亞硫酸銨，返回到磺化反應器中，循環(huán)利用，可提高牛磺酸總的收率。因而，此方法成本低、無污染，符合“綠色”化工的要求。

圖4 溶劑結晶產品牛磺酸的熱分析圖Fig.4 DSC curve on crystal product of taurine

對于用亞硫酸鈉為磺化劑的工藝，其無機鹽為硫酸鈉，是通過控制溫度結晶析出得以分離除去，其過程時間長，盡管牛磺酸和硫酸鈉的溶解度相差較大，但殘留在母液中的鹽量仍然較多，影響牛磺酸的品質，也不利于牛磺酸結晶收率的提高。

根據實驗結果，針對本工藝和常規(guī)工藝進行初步核算比較，結果表明以亞硫酸銨為磺化劑合成牛磺酸的工藝在經濟效益、社會效益和節(jié)能方面都具有優(yōu)勢，而且亞硫酸銨可以直接取自尿素生產工藝的副產品，可增加工業(yè)生產的產業(yè)鏈。

3 結 論

（1）用亞硫酸銨代替亞硫酸鈉作為磺化反應的原料，在含氨氣體存在下與2-氨基乙醇硫酸酯進行磺化反應，得到的優(yōu)化條件為：反應溫度為98℃，反應時間為12 h，物料配比（n亞硫酸銨:n酯）為1.65，分 4批加料。2-氨基乙醇硫酸酯的轉化率可以達到76.43%，比文獻上報道的亞硫酸鈉法的轉化率提高了近20%。

（2）用沉淀-分解法除去牛磺酸體系中的無機鹽，在磺化反應液中加入無機堿Me(OH)2溶液，使其與硫酸銨進行沉淀反應，過濾除去固體無機鹽，加熱促使生成的銨基化合物分解，所得氨氣回收循環(huán)使用，此過程除鹽率達到98%以上。用均勻設計試驗法優(yōu)化牛磺酸的結晶分離條件為：結晶溫度13.9℃，結晶時間1 h，降溫速率0.5℃·min?1，攪拌速率為低速攪拌（350～450 r·min?1）。牛磺酸的一次結晶率可達到67.94%，純度達到99%以上。

（3）將合成及其分離結合起來得到了一種完整的制備牛磺酸的技術方案，其工藝路線為綠色工藝，無環(huán)境污染，成本低，后續(xù)分離較容易，易于推廣實施。

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