CN104387261B - 改性β分子筛催化转化生物质为乳酸的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种改性β分子筛转化生物质为乳酸的方法。提供一种催化剂制备简易同时可重复利用,反应原料成本低廉,反应条件温和且一步完成,乳酸收率较高的方法。催化剂制备:包括通过硝酸将β分子筛脱铝并以固态离子交换方式实现金属固定至脱铝分子筛上。催化反应:将生物质、催化剂和水加入反应釜,反应釜置于旋转烘箱中加热,产物通过离心分离即得乳酸,离心所得固体催化剂活化后可再次作为催化剂使用。
Description
技术领域
本发明涉及乳酸,尤其是涉及一种以生物质为原料,通过改性β分子筛催化转化生物质为乳酸的方法。
背景技术
乳酸在食品、医药、化工等领域都有广泛的应用。在食品行业,乳酸作为一种安全的食品添加剂,作为酸化剂、乳化剂和防腐剂等。在医药行业,乳酸用于手术室等场所的消毒;乳酸盐以及乳酸酯类可作为药物使用;尤其聚乳酸材料具备生物相容性,可以用作假肢,植入后人体出现炎症、感染几率低,且强度大。在化工行业,乳酸是一种重要的平台化合物,可以转化为其他有用化学品,如乙醛、丙二醇、丙酸、丙酮酸等。此外,乳酸还可作为化妆品中的皮肤增白剂、保湿剂、抗菌剂、稳定剂等。近年来尤其是对生物可降解塑料聚乳酸的巨大需求,乳酸产量在世界范围内存在巨大缺口。
乳酸传统的生产方式依赖于乳酸菌将玉米、大米、小麦等原料,通过厌氧发酵实现,也是目前乳酸生产的主要方法。但是该生产工艺相当复杂,生产周期长,工艺流程中不可避免需要添加酸、碱等物质,而且每生产一吨乳酸将产生一吨的乳酸钙,因而效率低下且不环保。乳酸也可以通过化学合成法制得,主要包括乳腈法、丙烯腈法和丙酸法等,其中乳腈法需用到剧毒物质氢氰酸,而丙烯酸、丙酸本身原料昂贵,因而不能作为大规模工业化生产的方式。
近年来,研究人员试图寻找合适催化剂,将自然界大量存在的生物质通过催化反应制取乳酸。其中,丹麦专利(PA 200801556,PA 200900757)中首次报道了以固体路易斯酸催化剂将葡萄糖、果糖、蔗糖等一步生产乳酸的方法,获得最高乳酸产率达到30%,在世界范围了引起了巨大反响。但是该方法所用固体路易酸催化剂,按照美国专利(US 6.306.364)报道的水热合成方式制得,制备过程复杂,需要长达20天的合成时间,而且过程中使用了剧毒物质HF作为矿化剂。Ive Hermans等在Angewandte Chemie International Edition51. (2012) 11736-11739中报道了以固态离子交换法制备Sn-β的方式。固态离子交换法制备方法相对于
传统水热合成方式具有合成时间短,操作简单,适于规模化生产等优势。中国专利(CN
102603512 A)也报道了采用金属化合物作为催化剂催化转化多糖、二糖和单糖生产乳酸的方式,但是产物与催化剂分离的难题仍未解决。
发明内容
本发明的目的是提供一种以生物质为原料,通过改性β分子筛催化制备乳酸的方法。
本发明提出的改性β分子筛催化转化生物质为乳酸的方法,包括以下步骤:
1) 催化剂制备:将β分子筛与浓硝酸混合,在温度为100oC条件下搅拌脱铝处理20 h, 再离心、洗涤7~9次,80oC干燥2 h,然后150oC干燥10 h,得到脱铝β分子筛,将脱铝β分子筛与金属盐金属混合,研磨15 min~30 min,再焙烧,得到催化剂改性β分子筛;β分子筛与浓硝酸的质量比为1︰(50~200);脱铝β分子筛与金属盐投加量比例为每1 g脱铝β分子筛投加金属盐以金属原子摩尔量计为0.01
mmol~1.00 mmol;
2) 催化反应:将生物质、催化剂改性β分子筛和水加入到反应釜中,反应釜置于旋转烘箱中加热,产物通过离心分离即得乳酸,离心所得固体催化剂活化后,可再次作为催化剂使用;其中:生物质、催化剂改性β分子筛和水的质量比为1︰(0.01~1)︰(1~100)。
本发明中,步骤1)中,所述的金属盐为醋酸盐。
本发明中,所述醋酸盐选自醋酸锡、醋酸锌、醋酸铜、醋酸铈、醋酸铬或醋酸锆等中的一种或几种组合。
本发明中,步骤1)中,所述的焙烧温度为450oC~550oC,空气氛围中焙烧3~6 h以上。
本发明中,步骤2)中,所述生物质选自糖类。
本发明中,所述糖类为蔗糖、乳糖、葡萄糖或果糖等中一种或几种。
本发明中,步骤2)中,所述反应无需惰性气体保护。
本发明中,步骤2)中,所述的旋转烘箱旋转速率为5 r/min~28 r/min。
本发明中,步骤2)中,所述的加热温度为160oC~240oC,加热时间为2 h~24 h。
本发明中,步骤2)中,所述离心速率为1000 r/min~15000
r/min, 离心时间为1 min~20 min。
本发明中,步骤2)中,所述的活化过程为固体在温度为450oC
~550oC,空气氛围中焙烧6 h~10 h。
与现有技术相比,本发明具有乳酸产率高,催化剂制备过程简易,反应原料低廉易得,反应过程无需高压惰性气体保护,催化剂经离心分离,焙烧后可再利用等优点。
附图说明
图1为Zn-Sn-β分子筛催化产物后液相产物的液相色谱图。
具体实施方式
下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。
实施例1
催化剂制备:将β分子筛与浓硝酸以质量比为1︰110混合,在温度为100oC条件下搅拌脱铝处理20 h, 再离心、洗涤8次,80oC干燥2 h,然后150oC干燥10 h,得到脱铝β分子筛,将1 g脱铝β分子筛与83.85 mg醋酸铜(0.42 mmol Cu)混合,研磨15 min,在温度为550oC,空气氛围中焙烧6 h,即可得无铝Cu-β分子筛催化剂。
催化反应:反应在内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中进行,称取葡萄糖225 mg, 无铝Cu-β分子筛催化剂160 mg, 去离子水10 g,无需排气直接将反应釜置于旋转烘箱中反应,旋转烘箱转速20
r/min,温度190oC,反应时间为2 h;产物经离心获得,离心速率为2000 r/min, 时间5 min,采用高效液相色谱(HPLC)分析液相产物获悉,乳酸产率为16.4%。
实施例2
催化剂制备:将β分子筛与浓硝酸以质量比为1︰110混合,在温度为100oC条件下搅拌脱铝处理20 h, 再离心、洗涤8次,80oC干燥2 h,然后150oC干燥10 h,得到脱铝β分子筛,将1 g脱铝β分子筛与92.19 mg醋酸锌(0.42 mmol Zn)混合,研磨20 min,在温度为550oC,空气氛围中焙烧6 h,即可得无铝Zn-β分子筛催化剂。
催化反应:反应在内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中进行,称取蔗糖225 mg, 无铝Zn-β分子筛催化剂160 mg, 去离子水10 g,无需排气直接将反应釜置于旋转烘箱中反应,旋转烘箱转速20
r/min,温度190oC,反应时间为2 h;产物经离心获得,离心速率为1000 r/min, 时间20 min,采用高效液相色谱(HPLC)分析液相产物获悉,乳酸产率为25.5%。
实施例3
催化剂制备:将β分子筛与浓硝酸以质量比为1︰110混合,在温度为100oC条件下搅拌脱铝处理20 h, 再离心、洗涤8次,80oC干燥2 h,然后150oC干燥10 h,得到脱铝β分子筛,将1 g脱铝β分子筛与92.19 mg醋酸锡(0.42 mmol Sn)混合,研磨20 min,在温度为550oC,空气氛围中焙烧6 h,即可得无铝Sn-β分子筛催化剂。
催化反应:反应在内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中进行,称取蔗糖225 mg, 无铝Sn-β分子筛催化剂160 mg, 去离子水10 g,无需排气直接将反应釜置于旋转烘箱中反应,旋转烘箱转速20 r/min,温度190oC,反应时间为2 h;产物经离心获得,离心速率为2000 r/min, 时间5 min,采用高效液相色谱(HPLC)分析液相产物获悉,乳酸产率为26.7%。
实施例4
催化剂制备:将β分子筛与浓硝酸以质量比为1︰110混合,在温度为100oC条件下搅拌脱铝处理20 h, 再离心、洗涤8次,80oC干燥2 h,然后150oC干燥10 h,得到脱铝β分子筛,将1 g脱铝β分子筛与96.24 mg醋酸铬(0.42 mmol Cr)混合,研磨20 min,在温度为550oC,空气氛围中焙烧6 h,即可得无铝Cr-β分子筛催化剂。
催化反应:反应在内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中进行,称取葡萄糖225 mg, 无铝Cr-β分子筛催化剂160 mg, 去离子水10 g,无需排气直接将反应釜置于旋转烘箱中反应,旋转烘箱转速20
r/min,温度190oC,反应时间为2 h;产物经离心获得,离心速率为5000 r/min, 时间2 min,采用高效液相色谱(HPLC)分析液相产物获悉,乳酸产率为34.5%。
实施例5
催化剂制备:将β分子筛与浓硝酸以质量比为1︰110混合,在温度为100oC条件下搅拌脱铝处理20 h, 再离心、洗涤8次,80oC干燥2 h,然后150oC干燥10 h,得到脱铝β分子筛,将1 g脱铝β分子筛与99.46 mg醋酸锡(0.42 mmol Sn)、83.85 mg醋酸铜(0.42 mmol Cu)混合,研磨30 min,在温度为550oC,空气氛围中焙烧6 h,即可得无铝Sn/Cu-β分子筛催化剂。
催化反应:反应在内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中进行,称取蔗糖225 mg, 无铝Sn/Cu-β分子筛催化剂160 mg, 去离子水10 g,无需排气直接将反应釜置于旋转烘箱中反应,旋转烘箱转速20 r/min,温度190oC,反应时间为8 h;产物经离心获得,离心速率为5000 r/min, 时间2 min,采用高效液相色谱(HPLC)分析液相产物获悉,乳酸产率为45.4%。
实施例6
催化剂制备:将β分子筛与浓硝酸以质量比为1︰110混合,在温度为100oC条件下搅拌脱铝处理20 h, 再离心、洗涤8次,80oC干燥2 h,然后150oC干燥10 h,得到脱铝β分子筛,将1 g脱铝β分子筛与198.92 mg醋酸锡(0.84 mmol Sn)混合,研磨30 min,在温度为550oC,空气氛围中焙烧6 h,即可得无铝Sn-β分子筛催化剂。
催化反应:反应在内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中进行,称取蔗糖225 mg, 无铝Sn-β分子筛催化剂160 mg, 去离子水10 g,无需排气直接将反应釜置于旋转烘箱中反应,旋转烘箱转速20 r/min,温度190oC,反应时间为8 h;产物经离心获得,离心速率为2000 r/min, 时间5 min,采用高效液相色谱(HPLC)分析液相产物获悉,乳酸产率为50.1%。
实施例7
催化剂制备:将β分子筛与浓硝酸以质量比为1︰110混合,在温度为100oC条件下搅拌脱铝处理20 h, 再离心、洗涤8次,80oC干燥2 h,然后150oC干燥10 h,得到脱铝β分子筛,将1 g脱铝β分子筛与76.98 mg醋酸铬(0.42 mmol Zr)、133.24 mg醋酸铈(0.42 mmol Ce)混合,研磨30 min,在温度为550oC,空气氛围中焙烧6 h,即可得无铝Cr/Ce-β分子筛催化剂。
催化反应:反应在内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中进行,称取葡萄糖225 mg, 无铝Zr/Ce-β分子筛催化剂160 mg, 去离子水10 g,无需排气直接将反应釜置于旋转烘箱中反应,旋转烘箱转速20 r/min,温度190oC,反应时间为8 h;产物经离心获得,离心速率为5000 r/min, 时间2 min,采用高效液相色谱(HPLC)分析液相产物获悉,乳酸产率为48.6%。
实施例8
催化剂制备:将β分子筛与浓硝酸以质量比为1︰110混合,在温度为100oC条件下搅拌脱铝处理20 h, 再离心、洗涤8次,80oC干燥2 h,然后150oC干燥10 h,得到脱铝β分子筛,将1 g脱铝β分子筛与99.46 mg醋酸锡(0.42 mmol Sn)、92.19 mg醋酸锌(0.42 mmol Zn)混合,研磨30 min,在温度为550oC,空气氛围中焙烧6 h,即可得无铝Sn/Zn-β分子筛催化剂。
催化反应:反应在内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中进行,称取葡萄糖225 mg, 无铝Sn/Zn-β分子筛催化剂160 mg, 去离子水10 g,无需排气直接将反应釜置于旋转烘箱中反应,旋转烘箱转速20 r/min,温度190oC,反应时间为8 h;产物经离心获得,离心速率为5000 r/min, 时间2 min,采用高效液相色谱(HPLC)分析液相产物获悉,乳酸产率为65.2%。
实施例9
催化剂制备:将β分子筛与浓硝酸以质量比为1︰110混合,在温度为100oC条件下搅拌脱铝处理20 h, 再离心、洗涤8次,80oC干燥2 h,然后150oC干燥10 h,得到脱铝β分子筛,将1 g脱铝β分子筛与99.46 mg醋酸锡(0.42 mmol Sn)、92.19 mg醋酸锌(0.42 mmol Zn)混合,研磨30 min,在温度为550oC,空气氛围中焙烧6 h,即可得无铝Sn/Zn-β分子筛催化剂。
催化反应:反应在内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中进行,称取蔗糖225 mg, 无铝Sn/Zn-β分子筛催化剂160 mg, 去离子水10 g,无需排气直接将反应釜置于旋转烘箱中反应,旋转烘箱转速20 r/min,温度190oC,反应时间为8 h;产物经离心获得,离心速率为5000 r/min, 时间2 min,采用高效液相色谱(HPLC)分析液相产物,色谱图如图1所示,乳酸产率为67.5%。
实施例10 阐述催化剂重复利用
将实施例4中产物离心后所得固体在在温度为550oC,空气氛围中焙烧6 h。得到固体144 mg。
催化反应:反应在内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中进行,称取葡萄糖200 mg, 活化后分子筛催化剂144 mg, 去离子水10 g,无需排气直接将反应釜置于旋转烘箱中反应,旋转烘箱转速20 r/min,温度190oC,反应时间为8 h;产物经离心获得,离心速率为5000 r/min, 时间2 min,采用高效液相色谱(HPLC)分析液相产物获悉,乳酸产率为37.8%。
实施例11 阐述催化剂重复利用
将实施例6中产物离心后所得固体在在温度为550oC,空气氛围中焙烧6 h。得到固体148 mg。
催化反应:反应在内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中进行,称取葡萄糖206 mg, 活化后分子筛催化剂148 mg, 去离子水10 g,无需排气直接将反应釜置于旋转烘箱中反应,旋转烘箱转速20 r/min,温度190oC,反应时间为8 h;产物经离心获得,离心速率为5000 r/min, 时间2 min,采用高效液相色谱(HPLC)分析液相产物获悉,乳酸产率为43.8%。
实施例12 阐述催化剂重复利用
将实施例9中产物离心后所得固体在在温度为550oC,空气氛围中焙烧6 h。得到固体148 mg。
催化反应:反应在内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中进行,称取蔗糖206 mg, 活化后分子筛催化剂148 mg, 去离子水10 g,无需排气直接将反应釜置于旋转烘箱中反应,旋转烘箱转速20 r/min,温度190oC,反应时间为8 h;产物经离心获得,离心速率为5000 r/min, 时间2 min,采用高效液相色谱(HPLC)分析液相产物获悉,乳酸产率为47.8%。
Claims (6)
1.改性β分子筛催化转化生物质为乳酸的方法,其特征在于包括以下步骤:
1) 催化剂制备:将β分子筛与浓硝酸混合,在温度为100oC条件下搅拌脱铝处理20 h, 再离心、洗涤7~9次,80oC干燥2 h,然后150oC干燥10 h,得到脱铝β分子筛,将脱铝β分子筛与金属盐金属混合,研磨15 min~30
min,再焙烧,焙烧温度为450oC~550oC;空气氛围中焙烧3~6 h,得到催化剂改性β分子筛;β分子筛与浓硝酸的质量比为1︰(50~200);脱铝β分子筛与金属盐投加量比例为每1 g脱铝β分子筛投加金属盐以金属原子摩尔量计为0.01 mmol~1.00 mmol;
2) 催化反应:将生物质、催化剂改性β分子筛和水加入到反应釜中,反应釜置于旋转烘箱中加热,产物通过离心分离即得乳酸,离心所得固体催化剂活化后,可再次作为催化剂使用;其中:生物质、催化剂改性β分子筛和水的质量比为1︰(0.01~1)︰(1~100);所述金属盐为醋酸盐,醋酸盐选自醋酸锡和醋酸锌。
2.根据权利要求1中所述的改性β分子筛催化转化生物质为乳酸的方法,其特征在于步骤2)中,所述生物质选自糖类。
3.根据权利要求2中所述的改性β分子筛催化转化生物质为乳酸的方法,其特征在于所述糖类为蔗糖、乳糖、葡萄糖或果糖中一种或几种。
4.根据权利要求1中所述的改性β分子筛催化转化生物质为乳酸的方法,其特征在于步骤2)中,所述反应无需惰性气体保护。
5.根据权利要求1中所述的改性β分子筛催化转化生物质为乳酸的方法,其特征在于步骤2)中,所述的加热温度为160oC~240oC,加热时间为2
h~24 h。
6.根据权利要求1中所述的改性β分子筛催化转化生物质为乳酸的方法,其特征在于步骤2)中,所述活化过程为固体在温度为450oC ~550oC,空气氛围中焙烧6
h~10 h。
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