CN112760353A - 一种l-草铵膦的生产方法 - Google Patents
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Abstract
一种L‑草铵膦的生产方法，特别是提供一种L‑草铵膦酶转化反应液的纯化精制方法，采用双级超滤工艺，首先对L‑草铵膦酶转化反应液进行合理的预处理，用第一超滤膜将反应液中的大分子蛋白等物质进行拦截。第一超滤滤液再经过蒸发浓缩，除去反应液中的丙酮等可挥发副产物。蒸发母液再进入第二超滤膜进行浓缩过滤，得到精制L‑草铵膦料液。该精制L‑草铵膦料液可直接用于配制制剂或通过甲醇结晶及干燥得到L‑草铵膦固体产品。该方法工艺流程短，投资省，运行费用低，节能节水，操作简单，便于实现自动化控制，同时，还具有产品回收率高，产品质量稳定可靠等优点。
Description
技术领域
本发明涉及农药生产技术领域，特别是提供了一种L-草铵膦的生产方法。
背景技术
草铵膦属于次磷酸类高效、低毒、环境友好型非传导性灭生性除草剂。由于其在土壤中易于降解，对作物安全，不易飘移，除草谱广，活性高，用量少，环境压力小，是替代草甘膦、百草枯的最优秀的农药品种。草铵膦最早在上世纪80年代由赫斯特公司（后属于拜耳公司）首先开发成功。
草铵膦具有两种不同的光学异构体，目前市场销售的草铵膦均为外消旋体，是L-草铵膦与D-草铵膦等比例的混合物。植物受药后，只有L-草铵膦才能抑制L-谷氨酰胺合成酶的生物活性，导致铵离子累积中毒，从而抑制光合作用，最终使植株死亡，而D-草铵膦不具备该性能。因此只有L-草铵膦才有除草活性，L-草铵膦除草活性为普通草铵膦的两倍。
L-草铵膦的开发及商品化由日本明治公司率先完成，因为其产品为单一有效异构体，具有环境化学物质投放量更少，生产过程更加环保等优势，具有良好的市场前景及环境相容性。
L-草铵膦的合成方法主要可以分为三类：（1）立体化学合成；（2）先合成DL型，然后再化学手性拆分；（3）生物酶催化合成。其中立体化学合成工艺步骤多，收率低，手性原料昂贵，生产成本高，不利于大规模制备。化学手性拆分需要使用昂贵的手性拆分试剂，理论收率只能达到50%，单次拆分效率低，工艺复杂。生物酶催化具有反应条件温和，收率高，专一性强等优点，是生产L-草铵膦的优势方法。
生物酶催化制备L-草铵膦按起始原料和合成途径不同分为3大类：（1）以L-草铵膦的衍生物为底物，通过酶法直接水解获得；（2）以外消旋草铵膦的前体为底物，通过酶的选择性拆分获得；（3）以外消旋草铵膦的前体为底物，通过多酶反应，先将D-草铵膦转化为2-羰基-4-（羟基甲基膦酰基）丁酸，再将2-羰基-4-（羟基甲基膦酰基）丁酸转化为L-草铵膦。其中第（1）种方法需要昂贵的手性原料为前体，原料不易获得。第（2）种方法理论收率只能达到50%，造成原料浪费。第（3）种方法原料易得，生产成本低，具有广阔市场前景。
以外消旋草铵膦的前体为底物，通过酶的选择性转化获得L-草铵膦的方法为多步酶催化反应。专利CN111321193A，CN111363775A分别公开了一种生物多酶偶联法氧化还原不对称制备L-草铵膦的方法，以外消旋草铵膦为原料，经酶催化体系催化获得L-草铵膦，所述酶催化体系包括用于将外消旋草铵膦中的D-草铵膦催化为2-羰基-4-[羟基(甲基)膦酰基]丁酸的D-氨基酸氧化酶突变体、以及用于将2-羰基-4-[羟基(甲基)膦酰基]丁酸催化还原为L-草铵膦的转氨酶，并获得了D-氨基酸氧化酶突变体及草铵膦脱氢酶突变体的基因工程菌株。
双酶法以外消旋草铵膦为底物制备L-草铵膦的酶解液成分复杂，其中不仅包含用作催化剂的酶和其它杂蛋白，还包括酶转化反应产生的副产物如丙酮等。因此，开发一条步骤简单、原料易得、成本可控的L-草铵膦酶转化反应液后处理工艺具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种L-草铵膦的生产方法，特别是提供一种L-草铵膦酶转化反应液的纯化精制方法，采用双级超滤工艺，首先对L-草铵膦酶转化反应液进行合理的预处理，用第一超滤膜将反应液中的大分子蛋白等物质进行拦截。第一超滤滤液再经过蒸发浓缩，除去反应液中的丙酮等可挥发副产物。蒸发母液再进入第二超滤膜进行浓缩过滤，得到精制L-草铵膦料液。该精制L-草铵膦料液可直接用于配制制剂或通过甲醇结晶及干燥得到L-草铵膦固体产品。
本发明采取以下技术方案：
一种L-草铵膦的生产方法，包括以下步骤：
（1）预处理：L-草铵膦酶转化反应液加入pH调节剂、混凝剂及絮凝剂进行预处理，得到预处理液；
（2）第一超滤：预处理液进入第一超滤进行浓缩和洗涤处理，得到第一超滤滤液；
（3）蒸发浓缩：第一超滤滤液进行蒸发浓缩处理，得到蒸发母液；
（4）第二超滤：蒸发母液进入第二超滤进行浓缩和洗涤处理，得到精制L-草铵膦料液；
（5）结晶：精制L-草铵膦料液进行甲醇结晶，得到湿L-草铵膦固体；
（6）干燥：湿L-草铵膦固体进行干燥，得到L-草铵膦固体产品；
以上步骤中，第二超滤可根据工艺需要进行省略。
以上所述的一种L-草铵膦的生产方法，预处理使用的pH调节剂为盐酸或硫酸，加酸调节L-草铵膦酶转化反应液的pH范围为2.0-4.0；所使用的混凝剂为硫酸铝、聚合氯化铝、三氯化铁或聚合硫酸铁中的一种或两种以上组合，混凝剂使用量为0.01-1%（w/v）；所使用的絮凝剂为聚丙烯酸钠或聚丙烯酰胺，絮凝剂使用量为0-0.005%（w/v）。
作为优化，以上所述的一种L-草铵膦的生产方法，预处理使用的pH调节剂为盐酸，加酸调节L-草铵膦酶转化反应液的pH范围为3.0-4.0；所使用的混凝剂为聚合氯化铝，混凝剂使用量为0.05-0.5%（w/v）；所使用的絮凝剂为阴离子型或无离子型聚丙烯酰胺，絮凝剂使用量为0-0.005%（w/v）。
作为进一步优化，以上所述的一种L-草铵膦的生产方法，预处理使用的pH调节剂为盐酸，加酸调节L-草铵膦酶转化反应液的pH范围为3.0-3.6；所使用的混凝剂为聚合氯化铝，混凝剂使用量为0.08-0.2%（w/v）；所使用的絮凝剂为阴离子型或无离子型聚丙烯酰胺，絮凝剂使用量为0.0005-0.001%（w/v）。
以上所述的一种L-草铵膦的生产方法，其中第一超滤和第二超滤所使用的超滤膜为管式膜、平板膜、卷式膜或中空纤维膜中的一种或两种，所用膜的材质包括金属膜、陶瓷膜、有机膜或其它无机膜，所用膜的分离精度为1.0-50.0纳米之间或者膜的切割分子量为1.0-500kD之间。
作为优化，以上所述的一种L-草铵膦的生产方法，其中第一超滤和第二超滤所使用的超滤膜为有机管式膜、无机管式膜、有机平板膜或无机平板膜中的一种或两种，所用膜的分离精度为2-20纳米之间或者膜的切割分子量为2.0-200kD之间。
作为进一步优化，以上所述的一种L-草铵膦的生产方法，其中第一超滤和第二超滤所使用的超滤膜为管式金属烧结膜、管式陶瓷膜或管式有机烧结膜中的一种或两种，所用膜的分离精度为5-20纳米之间或者膜的切割分子量为2.0-20kD之间。
以上所述的一种L-草铵膦的生产方法，其中第一超滤和第二超滤操作时，在所处理料液中加入硅藻土作为助滤剂，助滤剂加入量为0.1-1%（w/v）之间。
以上所述的一种L-草铵膦的生产方法，适用于各种L-草铵膦酶转化反应液的纯化精制处理。其有益效果为，工艺流程短，投资省，运行费用低，节能节水，操作简单，便于实现自动化控制，同时，还具有产品回收率高，产品质量稳定可靠等优点。
具体实施方式
以下结合实例进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例1
一种L-草铵膦酶转化反应液料液，其中L-草铵磷含量14.3wt%，温度24.5℃，pH6.7，密度1.05g/ml，该料液中含有蛋白、丙酮等杂质。对该料液进行以下预处理：
取该料液50ml，电磁搅拌下加入絮凝剂和/或混凝剂，并用酸调节料液pH，搅拌5分钟，滤纸过滤，考察过滤速度和效果。结果如下。
实施例2
实施例1中的L-草铵膦酶转化反应液料液100kg，以盐酸调节pH3.2，并加入500ppmPAC、500ppm三氯化铁以及5ppm聚丙烯酰胺（HPAM），搅拌5-10分钟，得到预处理液。
用过滤精度为5nm（截留分子量10kD）的陶瓷膜进行循环浓缩处理，收集渗透液。
操作条件：物料温度24-50℃，进膜压力0.39MPa，出膜压力0.27MPa，渗透背压0.18MPa，平均操作压力（TMP）0.15MPa。
收集渗透液体积达到85kg时，开始给浓缩液中加水，进行洗涤过滤，总加水量为15kg，分三次加入，每次渗透产水5kg，加水5kg。最后一次加水后，继续浓缩至浓缩液15kg（减量法）。
试验过程中，膜的总平均渗透流量为46.3LMH。
最终得到总渗透液100kg，总浓缩液15kg（减量法）。经分析化验，总浓缩液中L-草铵磷含量4.6wt%，总渗透液中L-草铵磷含量11.9wt%，总收率83.2%。
所得总渗透液为澄清琥珀色液体，总浓缩液为黄色浑浊液体。
实施例3
实施例1中的L-草铵膦酶转化反应液料液100kg，以盐酸调节pH3.2，并加入500ppmPAC、500ppm三氯化铁以及5ppm聚丙烯酰胺（HPAM），搅拌5-10分钟，得到预处理液。
用过滤精度为5.5nm（截留分子量15kD）的陶瓷膜进行循环浓缩处理，收集渗透液。
操作条件和方法同实施例2。
试验过程中，膜的总平均渗透流量为54.2LMH。
经分析化验，总浓缩液中L-草铵磷含量3.2wt%，总渗透液中L-草铵磷含量13.6wt%，总收率95.1%。
所得总渗透液为澄清琥珀色液体，总浓缩液为黄色浑浊液体。
实施例4
某L-草铵膦酶转化反应液料液，其中L-草铵磷含量14.7wt%，温度24℃，pH6.7，密度1.05g/ml。
取上述L-草铵膦酶转化反应液料液100kg，以盐酸调节pH3.5，并加入1000ppmPAC以及5ppm聚丙烯酰胺（HPAM），搅拌5-10分钟，得到预处理液。
用过滤精度为5nm（截留分子量10kD）的陶瓷膜进行循环浓缩处理，收集渗透液。
操作条件：同实施例2。
收集渗透液体积达到85kg时，开始给浓缩液中加水，进行洗涤过滤，总加水量为30kg，分六次加入，每次渗透产水5kg，加水5kg。最后一次加水后，继续浓缩至浓缩液15kg（减量法）。
试验过程中，膜的总平均渗透流量为52.6LMH。
最终得到总渗透液115kg，总浓缩液15kg（减量法）。经分析化验，总浓缩液中L-草铵磷含量2.1wt%，总渗透液中L-草铵磷含量12.2wt%，总收率95.4%。
所得总渗透液为澄清琥珀色液体，总浓缩液为黄色浑浊液体。
实施例5
实施例4中的L-草铵膦酶转化反应液料液100kg，预处理方法同实施例4。
用过滤精度为5.5nm（截留分子量15kD）的陶瓷膜进行循环浓缩处理，收集渗透液。
操作条件：同实施例1。
收集渗透液体积达到85kg时，开始给浓缩液中加水，进行洗涤过滤，总加水量为30kg，分六次加入，每次渗透产水5kg，加水5kg。最后一次加水后，继续浓缩至浓缩液15kg（减量法）。
试验过程中，膜的总平均渗透流量为58.6LMH。
最终得到总渗透液115kg，总浓缩液15kg（减量法）。经分析化验，总浓缩液中L-草铵磷含量1.2wt%，总渗透液中L-草铵磷含量12.3wt%，总收率96.2%。
所得总渗透液为澄清琥珀色液体，总浓缩液为黄色浑浊液体。
实施例6
取实施例4中的L-草铵膦酶转化反应液料液100kg，以盐酸调节pH2.8，并加入1000ppmPAC，搅拌5-10分钟，得到预处理液。
用过滤精度为5nm（截留分子量10kD）的陶瓷膜进行循环浓缩处理，收集渗透液。
操作条件：同实施例2。
收集渗透液体积达到85kg时，开始给浓缩液中加水，进行洗涤过滤，总加水量为45kg，分九次加入，每次渗透产水5kg，加水5kg。最后一次加水后，继续浓缩至浓缩液15kg（减量法）。
试验过程中，膜的总平均渗透流量为55.8LMH。
最终得到总渗透液130kg，总浓缩液15kg（减量法）。经分析化验，总浓缩液中L-草铵磷含量1.09wt%，总渗透液中L-草铵磷含量10.8wt%，总收率95.5%。
所得总渗透液为澄清琥珀色液体，总浓缩液为黄色浑浊液体。
实施例7
实施例4中的L-草铵膦酶转化反应液料液100kg，预处理方法同实施例4。
用过滤精度为5.5nm（截留分子量15kD）的陶瓷膜进行循环浓缩处理，收集渗透液。
操作条件：同实施例1。
收集渗透液体积达到85kg时，开始给浓缩液中加水，进行洗涤过滤，总加水量为45kg，分九次加入，每次渗透产水5kg，加水5kg。最后一次加水后，继续浓缩至浓缩液15kg（减量法）。
试验过程中，膜的总平均渗透流量为62.2LMH。
最终得到总渗透液130kg，总浓缩液15kg（减量法）。经分析化验，总浓缩液中L-草铵磷含量0.59wt%，总渗透液中L-草铵磷含量10.9wt%，总收率96.4%。
所得总渗透液为澄清琥珀色液体，总浓缩液为黄色浑浊液体。
实施例8
将实施例2，4，6中得到的陶瓷膜渗透液合并，得到总料液345kg，其中L-草铵磷含量11.5wt%。
将上述料液进行蒸发浓缩处理，得到澄清琥珀色浓缩液102kg，检测其中L-草铵磷含量37.7wt%。
实施例9
将实施例3，5，7中得到的陶瓷膜渗透液合并，得到总料液345kg，其中L-草铵磷含量12.1wt%。
将上述料液进行蒸发浓缩处理，得到浓缩液105kg，该浓缩液浑浊不透明，有明显白色絮状物质。检测其中L-草铵磷含量38.6wt%。
实施例10
实施例9中得到的L-草铵磷浓缩液，再次用陶瓷膜处理。
用过滤精度为5.5nm（截留分子量15kD）的陶瓷膜进行循环浓缩处理，收集渗透液。
操作条件和方法同实施例7。
试验过程中，膜的总平均渗透流量为45.6LMH。
最终得到总渗透液135kg，总浓缩液15kg（减量法）。经分析化验，总浓缩液中L-草铵磷含量1.89wt%，总渗透液中L-草铵磷含量28.6wt%，总收率95.3%。
所得渗透液为澄清琥珀色液体，总浓缩液为黄色浑浊液体。
Claims (8)
1.一种L-草铵膦的生产方法，包括以下步骤：
（1）预处理：L-草铵膦酶转化反应液加入pH调节剂、混凝剂及絮凝剂进行预处理，得到预处理液；
（2）第一超滤：预处理液进入第一超滤进行浓缩和洗涤处理，得到第一超滤滤液；
（3）蒸发浓缩：第一超滤滤液进行蒸发浓缩处理，得到蒸发母液；
（4）第二超滤：蒸发母液进入第二超滤进行浓缩和洗涤处理，得到精制L-草铵膦料液；
（5）结晶：精制L-草铵膦料液进行甲醇结晶，得到湿L-草铵膦固体；
（6）干燥：湿L-草铵膦固体进行干燥，得到L-草铵膦固体产品；
以上步骤中，第二超滤可根据工艺需要进行省略。
2.根据权利要求1所述一种L-草铵膦的生产方法，预处理使用的pH调节剂为盐酸或硫酸，加酸调节L-草铵膦酶转化反应液的pH范围为2.0-4.0；所使用的混凝剂为硫酸铝、聚合氯化铝、三氯化铁或聚合硫酸铁中的一种或两种以上组合，混凝剂使用量为0.01-1%（w/v）；所使用的絮凝剂为聚丙烯酸钠或聚丙烯酰胺，絮凝剂使用量为0-0.005%（w/v）。
3.根据权利要求1所述的一种L-草铵膦的生产方法，预处理使用的pH调节剂为盐酸，加酸调节L-草铵膦酶转化反应液的pH范围为3.0-4.0；所使用的混凝剂为聚合氯化铝，混凝剂使用量为0.05-0.5%（w/v）；所使用的絮凝剂为阴离子型或无离子型聚丙烯酰胺，絮凝剂使用量为0-0.005%（w/v）。
4.根据权利要求1所述的一种L-草铵膦的生产方法，预处理使用的pH调节剂为盐酸，加酸调节L-草铵膦酶转化反应液的pH范围为3.0-3.6；所使用的混凝剂为聚合氯化铝，混凝剂使用量为0.08-0.2%（w/v）；所使用的絮凝剂为阴离子型或无离子型聚丙烯酰胺，絮凝剂使用量为0.0005-0.001%（w/v）。
5.根据权利要求1所述的一种L-草铵膦的生产方法，其中第一超滤和第二超滤所使用的超滤膜为管式膜、平板膜、卷式膜或中空纤维膜中的一种或两种，所用膜的材质包括金属膜、陶瓷膜、有机膜或其它无机膜，所用膜的分离精度为1.0-50.0纳米之间或者膜的切割分子量为1.0-500kD之间。
6.根据权利要求1所述的一种L-草铵膦的生产方法，其中第一超滤和第二超滤所使用的超滤膜为有机管式膜、无机管式膜、有机平板膜或无机平板膜中的一种或两种，所用膜的分离精度为2-20纳米之间或者膜的切割分子量为2.0-200kD之间。
7.根据权利要求1所述的一种L-草铵膦的生产方法，其中第一超滤和第二超滤所使用的超滤膜为管式金属烧结膜、管式陶瓷膜或管式有机烧结膜中的一种或两种，所用膜的分离精度为5-20纳米之间或者膜的切割分子量为2.0-20kD之间。
8.根据权利要求1所述的一种L-草铵膦的生产方法，其中第一超滤和第二超滤操作时，在所处理料液中加入硅藻土作为助滤剂，助滤剂加入量为0.1-1%（w/v）之间。
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