CN105153325A - 一种羧甲基壳聚糖生产工艺技术的改进 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种羧甲基壳聚糖生产工艺技术的改进。制备工艺：壳聚糖碱化；氯乙酸盐催化反应；稀酸中和、离心分离去滤液；乙醇洗涤、脱液；真空干燥得产品。反应体系中水分含量是影响产品得率的首要因素，通过对碱液浓度、乙醇浓度及添加量的控制来实现。该发明的显著成效：极大改善了工作环境，降低了对原料运输和保管、操作使用以及生产设备等的要求；生产更简单、快捷；大幅降低了产品的制造成本；产品得率高。

Description

一种羧甲基壳聚糖生产工艺技术的改进

技术领域

本发明涉及一种羧甲基壳聚糖生产工艺技术的改进。

背景技术

甲壳素广泛分布于甲壳动物、昆虫外壳及真菌的胞壁中，是地球上仅次于纤维素的天然高分子化合物，其年生物合成量达百亿吨之多；甲壳素亦是地球上除蛋白质外数量最大的含氮天然有机化合物，仅此两点，就足以说明甲壳素的重要地位。

壳聚糖是甲壳素脱乙酰基后的产物，是自然界唯一一种带正电的碱性多糖，与甲壳素相比其溶解性能有所改善，但只能溶于酸性溶液，这极大地限制了其应用范围。

因此，对壳聚糖进行化学改性以提高其在水及有机溶剂中溶解性的研究，就具有重要意义。在众多的壳聚糖衍生物中,羧甲基壳聚糖的研究较早，不仅具有良好的水溶性，还具备壳聚糖的优良性质，应用范围非常广泛，也最令人注目。

目前，工业化生产羧甲基壳聚糖都是通过对壳聚糖碱化后，加入氯乙酸进行反应而制得的。在生产中存在了以下问题：

1、氯乙酸的危害性给工业生产造成严重影响

氯乙酸是受公安部门管制品，剧毒、可燃、具腐蚀性和刺激性。皮肤接触其溶液后，可致人体灼伤出现水疱，并迅速被人体大量吸收，造成急性中毒；并且经常接触低浓度本品酸雾，可有头痛、头晕慢性影响现象；另外遇潮时对大多数金属、橡胶和软木塞有强腐蚀性。所以氯乙酸在运输、保管、使用等环节都需要遵守极其严格管理措施和制度，给工业生产造成严重影响。

2、氯乙酸水解副反应的发生降低了氯乙酸利用率

羧甲基壳聚糖制备反应原理为：1、壳聚糖碱化：CTS-OH+NaOH→CTS-ONa+H₂O；2、羧化反应：CTS-ONa+CICH₂COONa→CTS-OCH₂COONa+NaCI。

其中氯乙酸与氢氧化钠的反应是一个剧烈放热反应，极大促进了氯乙酸水解生成羟基乙酸的副反应（水解方程式:ClCH₂COOH+NaOH→HOCH₂COOH+NaCl。），因此极大降低了氯乙酸在羧化反应中的利用率，加大了氯乙酸的添加比例，增加了生产成本。

总之，由于现有生产工艺技术上存在的这些问题，给工业生产造成了极大影响。本专利采用氯乙酸盐替代常规生产中使用的氯乙酸进行反应，并对改进后的反应机理、生产工艺条件进行了研究。

发明内容

本发明的目的在于：采用氯乙酸盐替代常规生产中所用的氯乙酸进行反应，对现有羧甲基壳聚糖的制备工艺技术进行改进。

本发明的技术解决方案

一、改进后方法

先称取一定量的壳聚糖投入到反应罐中，再配制0.5～0.8倍壳聚糖重量40～50%氢氧化钠溶液，冷却后也加入其中，然后倒入5～10倍壳聚糖重量95～99%乙醇，在常温搅拌状态下对壳聚糖进行碱化处理1.0～2.5h；再将1.2～2.5倍壳聚糖重量的氯乙酸盐加入到体系中，在50～75℃时催化作用下进行羧化反应4.0～10.0h；反应结束后用稀酸调pH至中性，离心分离去滤液；再分别用5～10倍壳聚糖重量70～80%或90～95%浓度的乙醇各洗涤一次，脱液、真空干燥得产品。

其中，为提高产品取代度、降低水不溶物含量，原料采用高脱乙酰度壳聚糖，酸不溶物≤1%；氯乙酸盐为氯乙酸钠、氯乙酸钙、氯乙酸钾的其中一种；催化剂为碘化钾、十二烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵的其中一种。

二、对改进后反应体系中反应机理、工艺条件的研究

研究发现反应体系中物料添加比例、反应温度及时间等影响因素中，水分含量是影响产品得率的首要因素。

1、反应体系中适量的含水量必不可少

壳聚糖由于分子内、分子间氢键的存在及分子的规整性，使得壳聚糖的结晶度较高，因此有很稳定的物理化学性质。但在水溶液里，壳聚糖分子内氢键力逐渐减弱，内聚力逐步减少，羟基上的氢原子产生一定的活泼性，氢氧化钠溶于水后产生的水化钠离子和氢氧根离子分别进攻大分子上羟基的活化点,形成结合碱即碱化反应。由于产生结合碱是羧化反应的先决条件，所以结合碱量的多少直接关系到下一步的羧化效率。

2、反应体系中含水量必须控制在一个适量的范围内

生产过程中，反应体系中过多的含水量不但会促使碱式壳聚糖的水解作用，此外过多的含水量也有助于游离的氢氧化钠与氯乙酸钠生成羟乙酸钠（又称乙醇酸钠）的副反应（其反应式为：NaOH+CICH₂COONa→HOCH₂COONa+NaCI）。

另外体系中含水量太大，还会使先行生成的羧甲基壳聚糖在反应系统中溶解，在壳聚糖表面形成屏障，阻止醚化剂进一步向内部的迁移，使反应不彻底。

所以必须严格控制反应体系中的含水量，使其在一个适量的范围内。本发明对反应体系中含水量的控制措施：通过对氢氧化钠溶液配置浓度、乙醇添加量及其浓度的控制来实现的。

本发明的显著成效

采用氯乙酸盐替代常规生产中使用的氯乙酸来制备羧甲基壳聚糖。本发明的显著成效如下（在此仅以其中的一种氯乙酸钠为例进行说明）：

1、氯乙酸钠是氯乙酸钠盐，属非公安部门管制品，对人体的毒性和对皮肤的刺激性都远远小于氯乙酸。采用氯乙酸钠替代氯乙酸，极大地改善了生产环境，同时降低了对原料的运输、保管以及操作使用、生产设备等方面的要求；

2、直接采用氯乙酸钠进行反应，没有了氯乙酸水解副反应的存在，极大提高了氯乙酸的利用率，也就是减少了羧甲基壳聚糖的生产成本。

3、氯乙酸钠是一种重要的工业产品，首先原料来源无问题；并且经核算，采用氯乙酸钠替代氯乙酸制备羧甲基壳聚糖，原料成本更低。

在工业生产中，氯乙酸钠由氯乙酸与氢氧化钠（或碳酸钠）反应而得，其制备原理看起来很简单，但要控制此反应过程中的副反应，使氯乙酸钠产率高，降低制造成本，也不是把氯乙酸与氢氧化钠（或碳酸钠）简单混合反应即可。目前在工业生产中已经开发出了很多制备氯乙酸钠的方法，董建萍等报道，碳酸钠法制备氯乙酸钠的产率明显高于用氢氧化钠法，经测算成本只相当于氢氧化钠法的65.5%。所以直接采用氯乙酸钠替代氯乙酸进行反应，成本会更低就不言而喻、不无道理了。

4、氯乙酸与氢氧化钠的反应是一个剧烈放热反应过程，所以在生产中，为了控制反应体系的温度，需要缓慢加入氯乙酸，并且对反应设备进行冷却降温处理，所以采用氯乙酸钠替代氯乙酸进行生产，生产更简单、快捷。

5、产品经测定，取代度、得率高。

总之，本发明表面看起来只是采用氯乙酸盐替代常规生产中使用的氯乙酸这样一个简单的举措，但整个体系中的反应机理发生了很大变化，必为羧甲基壳聚糖的工业生产带来显著成效。

具体实施式

下面结合具体实施方式进一步说明本发明的技术解决方案，实施例不能理解为是对技术方案的限制。

实施例1：

称取10kg高脱乙酰度壳聚糖原料投入到反应罐中，再加入65kg97%乙醇和7kg浓度为48%的NaOH溶液，常温下搅拌碱化2h后，添加30gKI，再将18kg氯乙酸钠加入体系中，于65℃下反应5h，用稀盐酸溶液调整溶液pH至7.0，离心分离去滤液，先用80kg75%乙醇洗涤、脱液，再用60kg95%乙醇洗涤，离心脱液后真空干燥，粉碎得羧甲基壳聚糖产品。经检测，产品取代度为1.35。

实施例2：

称取50kg高脱乙酰度壳聚糖原料投入到反应罐中，再加入300kg97%乙醇和30kg浓度为46%的NaOH溶液，常温下搅拌碱化2h后，添加180g十二烷基三甲基氯化铵，再将85kg氯乙酸钠加入体系中，于60℃下反应6h，用稀乙酸溶液调整溶液pH至7.0，离心分离去滤液，先用300kg75%乙醇洗涤、脱液，再用250kg95%乙醇洗涤，离心脱液后真空干燥，粉碎得羧甲基壳聚糖产品。经检测，产品取代度为1.32。

Claims (6)

1.一种羧甲基壳聚糖生产工艺技术的改进，其特征是方法为：称取壳聚糖投入到反应罐中，再配制0.5～0.8倍壳聚糖重量40～50%浓度的氢氧化钠溶液，冷却至室温后添加其中，然后加入5～10倍壳聚糖重量95～99%浓度乙醇，进行碱化处理1.0～2.5h；再将1.2～2.5倍壳聚糖重量的氯乙酸盐加入到体系中，在50～75℃时催化作用下反应4.0～10.0h；反应结束后用稀酸调pH至中性，离心去滤液；再分别用5～10倍壳聚糖重量的70～80%或90～95%浓度乙醇各洗涤一次，脱液、真空干燥得产品。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：壳聚糖酸不溶物≤1%。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：采用氯乙酸盐替代常规生产中使用的氯乙酸进行反应。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：氯乙酸盐为氯乙酸钠、氯乙酸钙、氯乙酸钾的其中一种。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：催化剂为碘化钾、十二烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵的其中一种。

6.根据权利要求1所述的反应体系中水分含量影响因素，其特征在于：反应体系中水分含量是通过对氢氧化钠溶液配置浓度、乙醇添加量及浓度控制来实现的。