新安集团草甘膦新剂型创制及柔性制造关键技术开发纪实

  自主创新 绿色发展 拥抱智能

  

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草甘膦颗粒剂生产车间

  12月22日,农业农村部公布了2018~2019年度神农中华农业科技奖获奖名单。新安集团草甘膦新剂型创制及柔性制造关键技术开发项目荣获一等奖。该项目的开发与应用极大提升了我国除草剂主导产品的绿色化和智能化制造水平,促进了我国水性化制剂全球竞争力的持续增强。

  市场倒逼技术创新

  自主才有竞争力

  每一项关键技术的突破都充满了艰辛和曲折。“现在回想起来,在全球首次制备出草甘膦铵盐、钾盐、异丙胺盐以及二甲胺盐原药,实际上是被跨国公司逼出来的。”新安集团技术中心主任周曙光如是说。

  当时,几大跨国公司在草甘膦盐方面都取得了一系列专利,尤其是新型可溶粒剂方面,常规技术路线根本绕不开。但对方的技术得不到草甘膦盐的原药,只能以一种糊状物的中间状态直接加工成固体制剂,且反应过程中有致癌性杂质生成,反应中需要添加抑制剂。而新安最终开发的合成技术不仅得到了纯度95%以上的固体原药,且避免了致癌性杂质的生成,产品细度等方面也更利于后续制剂的加工。这些技术形成了新安特有的知识产权体系,为产品替代进口并走向国际市场奠定了基础。

  目前,新安不仅成为全球首次获得草甘膦铵盐、钾盐、异丙胺盐以及二甲胺盐原药并实现产业化的企业,其合成技术获得我国发明专利4项、PCT专利2项,还在美国、澳大利亚、南非、巴西等10个国家获得了专利授权。

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草甘膦颗粒剂生产现场。

  顺应绿色发展趋势

  主动探索新领域

  在获得草甘膦盐固体原药的基础上,新安立即着手开展了草甘膦固体新剂型的创制。当时,我国该类新剂型研究少,连试验设备都没有,新安的技术人员自主设计了加工设备并开始配方的探索,逐步解决了配方中常规赋形剂功能单一、产品存储稳定性差、应用范围小、药效差异大等一系列问题。

  比如,草甘膦制剂中牛脂胺聚氧乙烯醚是最常用的表面活性剂,但在使用过程中逐渐发现该类化合物对哺乳动物和水生生物毒性较高,在欧洲等国家和地区被禁用或者限用。我国虽然尚未开始限制使用,但从绿色发展的角度看,寻找替代产品十分重要。而且草甘膦是内吸传导型除草剂,对药液的铺展、润湿及渗透要求很高,一般产品在农业应用中喷施后要求4小时内没有降水以避免药液被冲刷,否则需要重新补喷。这一问题导致产品在我国海南及东南亚等热带地区应用效果不佳。另外,近年来逐渐推广的普通有机硅助剂存在易水解的问题,对应用体系的pH值范围要求很高,一般难以在制剂配方中添加。

  针对上述问题,新安开发了含硅氧烷的新型复合助剂,既避免了牛脂胺聚氧乙烯醚的使用,提升了制剂稳定性,还可在快速降低药液动态表面张力、减小植物叶面接触角的同时提升药液滞留、铺展和吸收能力,从而提高制剂耐雨水冲刷等性能。同等效果下,该助剂可降低近30%的施药量,缩短施药后降水间隔时间要求90%,也在草铵膦等其他除草剂中得到了应用。

  此外,针对固体制剂配方中的赋形剂,新安研发了独特的功能性赋形剂,一方面解决了热敏性物料难以烘干无法制备固体新剂型的问题,创造性地开发了含水物料直接加工成固体制剂的工艺路线;同时提高了产品成型率及产品颗粒强度,降低了产品加工难度。采用该赋形剂的产品还提升了低温条件下的除草效果,并有良好的抗硬水性能,可以避免不同国家地区水质硬度差异对产品药效带来的波动。该应用技术也获得了相应的发明专利。

  制剂配方的不断创新,不仅提升了制剂本身与环境的相容性,而且在农药减施、农药废弃包装物处理等方面带来了显著效果。

  如采用了高效聚醚硅油类有机硅表面活性剂的757草甘膦铵盐可溶粒剂,相对于常规水剂产品,可降低施药量30%,相当于每亩土地可减少施药量90克。按照项目产品推广面积达5亿亩计算,每年可减施常规液体制剂4500吨。

  新配方还缩短了施药后降水间隔时间要求,避免了在多雨水地区施药后的重新喷施,也减少了农药使用量。此外,采用水性化固体新剂型,一方面可提高制剂产品中活性成分的含量,减少常规水剂产品的包装、运输、存贮和使用量,另一方面可极大减少水剂剂型的包装瓶使用,从而减少农药废弃包装物回收处置成本。我国年需处理废弃包装瓶近30万只,以1只聚乙烯包装瓶质量为70克计算,年可减少回收费用近2亿元。

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  草甘膦颗粒剂生产流水线。

  制造才是核心竞争能力

  技术装备结合智能化

  开发出固体原药及制剂配方仅仅解决了产品从无到有的问题,如何实现产业化生产还需要相应的设备来支撑。

  为此,新安联合设备厂家开始了自主生产装置的设计。在实验室原始装置的基础上,新安及其伙伴通过集成式创新以开连续双螺杆刮刀式挤出机替代筛板挤出,以流化振动床替代托盘式烘干,以振动筛代替手动筛分,实现相应产品的连续化生产,也使装置的年产能由200吨提高至6000吨,提升了30倍。他们开发的草甘膦固体新剂型大规模连续化生产成套技术,提升了生产的批次稳定性,降低了劳动强度,目前已成为我国行业内通用技术。依靠该技术,新安不仅在非洲建立了3万吨/年的草甘膦制剂生产基地,相应设备还实现了向“一带一路”沿线国家的输出,

  以成套连续化生产技术为基础,新安近年来先后通过制造执行系统(MES)、供应商管理(SRM)、智能仓储(WMS)等系统及智能装备应用,建立了协同生产和敏捷供应链大数据平台。通过对平台数据进行筛选、分析并建立智能控制模型,新安形成草甘膦及其他除草剂制剂生产智能化调控体系,与传统制造控制相比年新增产值近2000万元。同时,新安还入选国家智能制造试点等多项国家级示范项目。

  创新效益持续体现

  未来之路更加清晰

  新安通过全新的原药合成工艺、高效绿色的制剂配方与柔性生产和智能化市场响应三个领域创新并将其系统整合,形成了主导除草剂产品研发、生产制造和全球化推广的特有竞争力。

  他们的产品经全球不同地区的客户应用评价,效果优于国外竞争对手,海外销量逐年增长。如草甘膦颗粒剂产品,经澳大利亚、阿根廷等国家的试验单位测评,效果优于境外主推产品。据海关统计数据显示,2015~2018年,我国颗粒剂产品出口总量由3.3万吨上升至6.2万吨。

  围绕除草剂制剂的配方及生产技术提升,新安仍在持续努力,相应的技术应用也在逐步扩大,除了草甘膦这一大宗品种之外,草铵膦、二氯喹啉酸等其他制剂品种也逐步走向应用。“通过技术创新,新安已建成15万吨/年的制剂生产能力,未来我们将进一步聚焦平台化技术的开发与应用。”新安技术负责人这样表示。

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  草甘膦颗粒剂系列产品。  

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草甘膦钾盐系列产品。

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  草甘膦目前是总用量最大的除草剂品种,全球总年产能在140万吨左右;国内生产企业近30家,总年产能约100万吨,其中90%以上出口。

  草甘膦原粉不能直接应用,必须配制成各种制剂才能在农业生产中应用,常规制剂以水剂为主。由于草甘膦盐在水中的溶解度限制,水剂的含量一般偏低,不利于运输和储存。为保证药效的发挥,水剂中还需要添加大量的农用助剂,最多的是牛脂胺聚氧乙烯醚。该助剂对水生生物存在一定不利的影响,环境相容性较差,发达国家逐步开始限制使用。此外,水剂采用的包装瓶往往难以回收利用,也给环境带来不利的影响。针对上述不足,美国孟山都公司在上世纪90年代开发了草甘膦可溶粒剂专利产品,其产品销售价格远高于常规水剂。但上述可溶粒剂的加工关键技术仅极少数国外公司掌握,相应的生产设备更是一片空白。

  随着环保要求及监管力度的不断提升,行业产能大幅度缩减,国内草甘膦产量不断向几大龙头企业集中。新安集团是中国农药行业龙头企业,甘氨酸绿色生产工艺的创造者,“草甘膦—有机硅联产系列知识产权体系”奠定了新安草甘膦行业地位;磷资源化利用知识产权体系奠定了清洁生产新形势下新安集团的发展基础。为了实现草甘膦制剂领域的跨越性发展,避免沦为国外公司的原料供应商,打破高端制剂产品的海外公司垄断,新安自1998年开始进行了长达17年的不间断研究,先后取得了草甘膦延伸原药与制剂绿色配方体系等关键技术的突破。近年来随着业务的全球化以及工业控制智能化,新安又针对设备及生产体系进行了智能化设计,形成了独特的“市场需求—配方数据库—柔性生产—敏捷供应链”智能化平台,成为我国工业智能制造的示范标杆。

  神农中华农业科技奖是2006年1月经农业部、科技部批准设立的面向全国农业行业的综合性科学技术奖,主要奖励为我国农业科学技术进步和创新作出突出贡献的集体和个人。该奖项两年评选一次。

关键字:草甘膦
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