CN101139290A - 酯化反应-渗透汽化膜分离集成工艺生产维生素c的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种酯化反应－渗透汽化(PV)膜分离集成工艺生产维生素C(VC)的方法，包括甲醇与2－酮基－L－古龙酸(2－KLG)甲酯化反应生成2－酮基－L－古龙酸甲酯(2－Me－KLG)的过程，该过程包括如下步骤：(1)将固态或液态的2－KLG溶入甲醇，然后升温，添加催化剂；(2)将步骤(1)得到的反应液泵入PV膜分离装置，经膜脱水后的反应液循环返回酯化反应器；(3)产物2－Me－KLG或反应液直接提供后续VC生产。本发明方法采用的膜面积少，原料液的醇/酸质量比以及反应温度都较低，大幅度提高2－Me－KLG的纯度和得率，工艺简单，过程稳定，易在VC工业生产线应用。

Description

酯化反应-渗透汽化膜分离集成工艺生产维生素C的方法
技术领域
本发明涉及酯化工业中渗透汽化膜技术的应用，尤其涉及是采用酯化反应-渗透汽化膜分离集成工艺生产维生素C的方法。
背景技术
VC是人体必需而自身不能合成的营养成份，是世界卫生组织和联合国工业发展组织共同确定的26种基本药物之一，对人体有防病保健功能及辅助治疗作用，因此，VC的生产规模和产量不断扩大。
VC的生产过程中的重要环节之一是甲醇与2-酮基-L-古龙酸(以下简称：2-KLG)甲酯化反应生成2-酮基-L-古龙酸甲酯(以下简称：2-Me-KLG)。目前，传统工艺进行VC生产的酯化反应大多都维持在甲醇与2-KLG的重量比为1～1.5的液态体系中。其反应式如下：
上述甲酯化反应所得到的2-Me-KLG与碳酸氢钠反应生成维生素C钠，再通过氢型树脂即可将维生素C钠转化为产品VC。但此步酯化反应的酯转化率受到副产物--水的抑制；使反应收率难以提高，影响到VC工艺及其产率。
Q.L.Liu，H.F.Chen.的文章“Modeling of esterification of acetic acidwith n-butanol in the presence of Zr(SO4)24H2O coupled pervaporation”(《Journal of Membrane Science》2002，196：171-178)采用PVA复合膜研究酯化反应-渗透汽化集成技术对乙酸与正丁醇酯化反应的影响，实验表明在初始正丁醇/乙酸质量比为1.98、膜面积与反应液体积的比值0.23cm-1、80℃的条件下，采用集成技术的酯产率由原来的75％左右升至90％左右。
王乐夫，李雪辉的“酯化反应耦联渗透汽化膜过程对平衡移动的影响”(《化学反应工程与工艺》1999，15(4)：443～449)中，采用PVA/PAN复合膜，考察了渗透汽化-酯化反应耦联复合膜反应器中乙酸正丁酯的合成过程因素对酯化反应化学平衡移动的影响，结果显示，在较高反应温度(80℃)和较高的初始反应液中醇/酸质量比(大于1.24)以及高的膜面积与反应液体积之比(0.5cm-1)的条件下，反应9小时后达到酯的高产率。
Benedict D.J，Parulekar S.J，Tsai Shih-Perng.在文章“Pervaporation-assisted esterification of lactic and succinic acids withdownstream ester recovery”(《Journal of Membrane Science》2006，281：435-445)公布了采用GFT-1005膜的酯化反应-渗透汽化集成技术在乳酸乙酯合成反应中的实验研究，结果表明，在膜面积与反应液体积的比值0.091cm-1、初始乙醇/乳酸质量比为0.64、95℃的条件下，8小时后，乳酸乙酯产率约为85％。
M.T.Sanz和Jurgen Gmehling先后在“Esterification of acetic acid withisopropanol coupled with pervaporation Part I：Kinetics and pervaporationstudies”(《Chemical Engineering Journal》.2006，123：1-8)和“Esterificationof acetic acid with isopropanol coupled with pervaporation Part II：Study of apervaporation reactor”(《Chemical Engineering Journal》2006，123：9-14)中表明，使用PERVAP2201膜选择性脱除异丙醇/醋酸酯化反应中的生成水，随着异丙醇/醋酸投料摩尔比、膜面积与反应液体积的比值、操作温度以及催化剂的添加量的增大，酯产率均有不同程度的提高，但是反应时间过长，10小时后才突破常规酯化反应平衡。
上述文献涉及的酯化反应-渗透汽化膜集成技术，都是或者在较高的反应温度或者在高的膜面积与反应液体积之比的条件下，分别用于或乙酸正丁酯或乳酸乙酯或醋酸异丙酯等的液态原料的酯化反应，尚未涉及反应物中固态原料的酯化合成反应，更未涉及VC生产过程酯化反应组合膜技术的应用。
发明内容
本发明提供了一种采用酯化反应-渗透汽化膜分离集成工艺促进2-KLG甲酯化反应，改善VC生产工艺的方法。
一种酯化反应-渗透汽化膜分离集成工艺生产维生素C的方法，包括甲醇与2-酮基-L-古龙酸进行甲酯化反应生成2-酮基-L-古龙酸甲酯，其中甲醇与2-酮基-L-古龙酸进行甲酯化反应生成2-酮基-L-古龙酸甲酯的过程包括如下步骤：
(1)在反应器中将固态粉末状的2-KLG在40～55℃溶入甲醇，2-KLG完全溶解后升温至65～70℃，加入浓硫酸；
(2)将步骤(1)得到的反应液连续不断通入渗透汽化膜分离装置，经膜分离除去水后的反应液循环返回反应器继续进行甲酯化反应；
(3)将反应液冷却得到白色结晶产物2-Me-KLG，或将反应液直接移入后续工序，用于VC的生产。
步骤(1)中所述的甲醇与2-KLG的质量比为1.74～2.89，以维持反应体系的液体状态；
步骤(1)中催化剂浓硫酸与2-酮基-L-古龙酸的质量比：0.014～0.032；
步骤(2)中所述的渗透汽化膜为PERVAP2201型渗透汽化脱水膜。
步骤(2)中所述的渗透汽化分离装置的有效膜面积与反应液体积之比0.08～0.12cm-1；
步骤(2)中泵入渗透汽化膜分离装置的反应液的循环流量为40～105L/h。
步骤(2)中所述的渗透汽化膜分离装置的膜下游侧真空度为500～700Pa。
本发明将优先透水的渗透汽化膜用于2-KLG甲酯化反应过程，形成酯化反应-膜分离集成工艺，使反应产物中的副产物水透过膜被及时地除去，使酯化反应突破常规酯化反应平衡的限制，反应稳定。所获高纯度的2-酮基-L-古龙酸甲酯液，可直接进入后续生产工序，明显改进VC的生产工艺，提高VC的产量。本发明的集成工艺采用的膜面积少，初始反应液中醇/酸质量比以及反应温度都较低，能大幅度提高2-酮基-L-古龙酸甲酯(2-Me-KLG)的得率。本发明的工艺可以在现有的VC工业生产的酯化反应生产线实施，将膜分离装置与酯化反应器连接安装即可，工艺简单，易投产。
附图说明
图1本发明方法工艺流程图；
图2为本发明酯化反应-渗透汽化膜分离集成工艺的实验装置示意图，图中：
1-酯化反应液，2-料液泵，3-渗透汽化膜分离器，4-渗透汽化膜，5-取样瓶，6-冷阱，7-真空泵，8-冷凝回流管，9-三口烧瓶，10-恒速电子搅拌器，11-恒温水浴锅。
具体实施方式
实施例1
参见图1，2-KLG甲酯化反应-渗透汽化膜分离集成工艺流程为：
配制2-KLG和甲醇的二元反应液→酯化反应-渗透汽化膜分离→甲酯化反应终止。本发明方法从2-KLG原料开始，经过酯化反应-渗透汽化膜分离集成过程，最后获得用于VC生产的高纯度的2-酮基-L-古龙酸甲酯液。
在图2所示的集成工艺的实验装置中进行酯化反应-渗透汽化膜分离。取400mL甲醇(密度0.792g/mL)，注入带有搅拌器、回流冷凝器的三口烧瓶中，打开搅拌器，接着注入120.43g纯度为91％的2-KLG(甲醇与2-KLG质量比为2.89)，反应液温度恒定于50℃，20分钟后2-KLG完全溶解于甲醇中，再升温至66℃，然后加入1.5mL浓硫酸(密度1.84g/mL，浓硫酸与2-KLG质量比为0.0252)，打开冷凝水循环，同时打开渗透汽化膜分离装置的进料泵，酯化反应-渗透汽化膜集成工艺开始计时。所用德国SULZER公司生产的型号为PERVAP2201的渗透汽化膜的有效膜面积为60cm2(有效膜面积与反应液体积之比为0.126cm-1)，进料泵的料液流量为80L/h，膜下游侧真空度为650Pa。通过高效液相色谱仪(HPLC)检测各个时刻反应液中各组分及其含量。酯化反应-膜分离集成系统进行的酯化反应8～9小时后，HPLC分析表明，反应液中的99.06％的2-KLG已转化为2-Me-KLG，此时终止甲酯化反应，获得476mL淡黄色2-酮基-L-古龙酸甲酯液，将其移入后续工序，用于VC的生产。将反应液冷却，即得到白色结晶的酯化产品-2-Me-KLG。
HPLC的色谱操作条件如表1所示。表1操作条件同样应用于本发明的其他的实施例。
表1.HPLC及其色谱操作条件
  高效液相色谱仪   色谱操作条件
  型号生产厂商色谱柱   LC-10AT岛津(香港)有限公司Shim-Pack HRC-ODS   流动相流动相流速检测器检测波长  5％甲醇水溶液0.5mL/minSPD-I0AVP208nm
实施例2
按照实施例1的操作，其中，仅改变渗透汽化膜的有效膜面积与反应液体积之比为0.083cm-1，膜下游侧真空度为600Pa，甲酯化反应结束时，HPLC分析表明，反应液中的93.86％的2-KLG转化为2-Me-KLG，获得479mL淡黄色2-酮基-L-古龙酸甲酯液。
实施例3
按照实施例1的操作，其中，仅改变甲醇与2-KLG质量比为1.74，膜下游侧真空度为670Pa，HPLC分析表明，反应液中的98.17％的2-KLG转化为2-Me-KLG，获得516mL淡黄色2-酮基-L-古龙酸甲酯液。
实施例4
按照实施例1的操作，其中，分别改变仅改变甲醇与2-KLG质量比为1.34，3mL，膜下游侧真空度为600Pa，HPLC分析表明，反应液中的98.73％的2-KLG转化为2-Me-KLG，获得536mL淡黄色2-酮基-L-古龙酸甲酯液。
实施例5
按照实施例1的操作，其中，改变渗透汽化膜分离系统的进料液流量为48L/h与浓硫酸与2-KLG质量比为0.0314，膜下游侧真空度为620Pa，HPLC分析表明，反应液中的98.98％的2-KLG转化为2-Me-KLG，获得476mL淡黄色2-酮基-L-古龙酸甲酯液。
实施例6
按照实施例1的操作，其中，改变渗透汽化膜分离系统的进料液流量为100L/h，以及浓硫酸与2-KLG质量比为0.0142，膜下游侧真空度为670Pa，HPLC分析表明，反应液中的99.93％的2-KLG转化为2-Me-KLG，获得470mL淡黄色2-酮基-L-古龙酸甲酯液。

Claims (6)

1.一种酯化反应-渗透汽化膜分离集成工艺生产维生素C的方法，包括甲醇与2-同基-L-古龙酸进行甲酯化反应生成2-酮基-L-古龙酸甲酯，其特征在于：甲醇与2-酮基-L-古龙酸进行甲酯化反应生成2-酮基-L-古龙酸甲酯的过程包括如下步骤：
(1)在反应器中将固态粉末状的2-同基-L-古龙酸在40～55℃溶入甲醇，2-酮基-L-古龙酸完全溶解后升温至65～70℃，加入浓硫酸；
(2)将步骤(1)得到的反应液连续不断通入渗透汽化膜分离装置，经膜分离除去水后的反应液循环返回反应器继续进行甲酯化反应；
(3)将反应液冷却得到白色结晶产物2-酮基-L-古龙酸甲酯，或将反应液直接移入后续工序，用于VC的生产。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中所述的甲醇与2-酮基-L-古龙酸的质量比为1.74～2.89，维持反应体系的液体状态。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中催化剂浓硫酸与2-同基-L-古龙酸的质量比为0.014～0.032。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)中所述的渗透汽化分离装置的有效膜面积与反应液体积之比为0.08～0.12cm-1。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)中泵入渗透汽化膜分离装置的反应液的循环流量为40～105L/h。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)中所述的渗透汽化膜分离装置的膜下游侧真空度为500～700Pa。
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