摘要：甜菜碱是一种季铵型生物碱，在饲料添加剂、医药工业、食品添加剂等领域都有十分广泛的应用。利用化学合成法合成甜菜碱具有产率高、成本低的优点，但是传统化学合成法由于在合成过程中需使用氢氧化钠，使产品中的副产物氯化钠难以去除，严重影响了产品的纯度，限制了其在药物方面的应用。基于此，本论文提出了一种新的生产工艺：离子交换工艺。该工艺利用强碱离子交换树脂的特殊性能，依次将反应物、三甲胺与树脂交换反应，即得到甜菜碱产品。本文分别考察了交换过程中流量、三甲胺反应温度、反应时间、反应物初始摩尔比等因素对反应收率的影响。结果表明，控制流量在2~4 mL/min之间，三甲胺与浓度为3﹕1，40 ℃反应3 h后收率可达99.8%，产品纯度为99%。因此，本论文提出的工艺具有流程简单、收率高、纯度高、环境友好等特点，所研究的结果为工业化生产提供了有效的理论依据。 关键词：甜菜碱；离子交换树脂；；三甲胺；合成；工艺改进
1 引言
1.1 选题的目的和意义
甜菜碱(Betaine)是具有R-(CH3)2N+CH2COO-结构化合物的总称。较常见的如十八烷基甜菜碱，它是用
途广泛的两性表面活性剂；N,N,N- 三甲基甘胺酸内盐，又称三甲胺内酯或甜菜素，是一种季胺型水溶性生物碱，因最初从甜菜中提取而得名，广泛地存在于动植物体内，是良好的饲料及食品添加剂。分子式为C5H11NO2。吸水后的存在态为C5H11NO2•H2O，分子量为117.15，熔点293℃，分解点为310℃，故对热、酸碱非常稳定，而且不会发生褐变，所以在烹调或食品加工条件下是完全稳定的。甜菜碱在常温下易吸潮呈鳞状或棱状白结晶，味甜，其10％溶液的甜度相当于同浓度蔗糖的一半；极易溶于水，易溶于甲醇，溶于乙醇，难溶于乙醚，经浓KOH溶液的分解反应生成三甲胺，常温不易保存。
甜菜碱在饲料添加剂方面的应用早已被人们所认识和推广，且有不断增长的趋势。在国外，甜菜碱作为饲料添加剂的需求量每年上升8%，其作为食品添加剂也已在澳大利亚、美国等国家被人们所接受。在化妆品行业，其保湿性能也得到一定程度的应用。在我国，甜菜碱的需求量也逐年提高，据饲料
行业提供的2000年统计数字，我国用于饲料添加剂的甜菜碱总需求量为4000 t/a ，并以每年5%的速度增长。
甜菜碱在动物代谢中起着相当重要的作用，具有作为甲基供体促进动物脂肪代谢，调节渗透压，增进食欲，稳定维生素，预防球虫病，提高饲料利用率等多种功效。最近几年，随着生物制药技术的不断进步，人们又发现甜菜碱在生物发酵过程中起着重要作用，它代替氯化胆碱和蜂蜜作为细菌生长的培养基，可以使发酵效果明显提高，从而大大改善了药品的质量和制造成本。
最近几年，随着制药行业发酵技术的不断进步，国内个别制药企业已经掌握了利用甜菜碱进行生物发酵技术，并已应用于生产，效果显著。这标志着甜菜碱已经走进制药行业。所以，甜菜碱的市场前景非常广阔。
甜菜碱在19世纪末被发现后, 长期以来人们主要集中在如何从甜菜中进行提取的研究上，各地生产规模也不大, 一直到上世纪70年代才在芬兰出现了专门进行研究、生产及销售饲料用甜菜碱的CALTER 公司。其他各国也曾进行过在化工、医药、及农药等方面的应用性研究，并取得了一定的进展。目前欧美国家已把甜菜碱作为要推广的重要饲料添加剂品种之一，大量应用于养殖业。我国对这一产品的开发利用也是从制糖业和饲料加工业开始的, 八一糖厂和珧南制药厂分别于上世纪70 年代末从废蜜中以离子交换柱法提取出甜菜碱。此后，沈阳石油化工研究院研究开发出以甜菜、糖蜜、盐酸、液氨、烧碱为原料，采用膜分离技术提取甜菜碱的技术路线，已通过省级技术鉴定，达到国内领先水平。中科院新疆化学研究所又相继开发出从酒醪中分离甜菜碱的新工艺，采用的是离子交换二床法和三床法，该工艺设备简单，成本低，生产的甜菜碱产品不需要精制即可达到医药级产品的纯度。化学合成法最早是在中国农科院饲料研究所开发成功的，并申请了国家专利，其分离方法是离子交换柱法，目前，合成甜菜碱的分离方法几乎都是离子交换柱法。
甜菜碱的传统制备工艺有两类：一是从甜菜糖蜜中提取。该工艺的优点是具有生产成本低，无环境污染，无需耐酸碱设备等优点，具有更大的实用性。利用废糖蜜提取天然甜菜碱的优势是不消耗化工原
料，变废为宝，缺点是产量受制于制糖业所产生的废糖蜜量，回收率不够理想；二是化学法合成。化学合成方法是主要以钠和三甲胺为原料反应进行合成。
反应式如下：
国内的一些生产厂家均用化学合成法生产出了纯品甜菜碱，不少学者对这一领域也进行了相关研究。 柳恒、苏天择等人介绍了用钠和三甲胺为原料合成甜菜碱的方法，然后以强酸性阳离子交换树脂为反应液的分离提纯物质，其收率超过97 % ，产品纯度达到98. 5 %。该方法具有操作简单、反应时ClCH 2COONa + (CH 3 ) 3
3 ) 3N+ CH 2COO- + NaCl 2ClCH 2COOH + Na 2CO 3
2COONa + CO 2 + H 2O
间短、反应条件温和、产品纯度高等优点。杨官娥等人通过溶剂极性及反应物浓度对反应速率的影响对甜菜碱合成反应机制进行了研究，并初步确定了其反应动力学方程。结果表明溶剂极性增大有利于
甜菜碱合成反应的进行，反应物之一三甲胺的浓度对反应速率无影响。反应历程为SN1 亲核取代反应。 采用化学合成法制备甜菜碱原材料来源充足，但由于需使用氢氧化钠，使产品中的副产物氯化钠难以去除，影响了产品的纯度。为此，本实验研究方法利用阳离子树脂的特殊性能对化学合成工艺进行改进，所涉及的化学反应如下：
因此，该工艺具有流程简单、无污染的特点，反应后的树脂经过简单再生后即能重复使用，并能从根本上克服了原有化学工艺中残留NaCl 难以去处的缺陷，更有利于其在药物生产中的应用。
1.2 实验研究内容
（1）基型树脂的转换
（2）交换反
制动减速度（3）三甲胺反应 R-Cl
+NaOH ROH +
NaCl ClCH 2COOH
+
R-OH +H 2O R-COOCH 2Cl (CH 3)3N
+(CH 3)3N +CH 2COO -+R-ClCH 2COO
RCl
2实验部分
2.1 工艺流程
2.2 研究方法
基型树脂的转换：
用量筒称取分析纯盐酸86.20 mL在1000 mL容量瓶中定容制的1 mol/L HCL溶液。用电子电子天平80g NaOH，溶解在水中，在1000 mL容量瓶中定容制的2 mol/L NaOH溶液
用电子天平量取90 g阳离子树脂。置于交换柱中，用1 mol/L HCL对阳离子树脂进行处理(浸泡0.5 h)，
将树脂之中的杂质去除。再用蒸馏水对树脂进行处理，把Cl-去除。用AgNO3溶液检验Cl-是否去除干净。再用2 mol/L NaOH 的对树脂再进行处理，将树脂中的Cl-交换出去，还是用AgNO3溶液检验Cl-是否去除干净。
交换反应：
称取23.5g ，溶于1000 mL容量瓶中，用蒸馏水定容，摇匀。用10 mL 移液管将加到阳离子树脂中，静止10 min，调节流速，流速为2-6 mL/min ，加本着少量多次的原则尽量使加入的精确，滴定到阳离子树脂溶液为微酸性。用精密试纸检验溶液的PH 值，再用蒸馏水将溶液洗成中性。洗液收集备用，测定与阳离子树脂的的准确交换量三甲胺反应：
将交换好的阳离子树脂置于350 mL 磨口锥形瓶中，加入30 mL 三甲胺用生料带绑好的玻璃塞子盖上，密封。将锥形瓶置于水浴锅中，调好温度为30 ℃，反应3 h，取出。此时溶液为强碱性，用蒸馏水将溶液洗至中性。收集洗液，用旋转蒸发仪将洗液蒸干即为产品。（洗液快干时加入适量乙醇把洗液中的水带出。）产品即为甜菜碱，呈白粉末
甜菜碱含量的测定：
将产品在105 ℃烘箱中干燥至恒重，称取0.4 g左右。产品中加入50 mL 冰醋酸，加热至产品溶解，冷却。再将4.35 mL高氯酸溶解于500 mL 容量瓶中，溶剂为冰醋酸，制成0.1 mol/L
测向天线的高氯酸溶液。用高氯酸滴定产品至中性，结晶紫为指示剂。计算产品中的甜菜碱纯度，
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2.3 原料和试剂
薄膜电晕处理机阳离子树脂工业原料
三甲胺工业原料
分析纯北京化工厂
氢氧化钠分析纯北京化工厂
盐酸分析纯北京化工厂
球形接头冰醋酸分析纯北京化工厂
硝酸银分析纯北京化工厂
高氯酸分析纯北京化工厂
设备和仪器：
交换柱：5 cm交换柱口径，柱高30 cm，如图1
烧杯；铁架台；精密试纸；蝴蝶夹；十字架；酸式滴定管；
碱式滴定管；玻璃棒；容量瓶；代码转换
集热式恒温加热磁力搅拌器：巩义市予华仪器责任有限公司
电热恒温鼓风干燥箱：上海一恒生化仪器厂
旋转蒸发仪：上海亚荣生化仪器厂
真空泵：陕西太康生物科技有限公司
图1离子交换柱
