CN105777523A - 一种温和条件下由糖类制备乳酸的方法 - Google Patents

一种温和条件下由糖类制备乳酸的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种温和条件下由糖类制备乳酸的方法。所涉及催化剂为碱金属或碱土金属氢氧化物，包括Ba(OH)2、NaOH及KOH。N2、Ar或He为保护气。糖类包括葡萄糖、果糖、纤维二糖、二羟基丙酮、丙酮醛、甘油醛等。催化反应体系简单，易操作，反应在低温至中温及常压下进行，所使用的催化剂及底物常见易得，且底物转化率96％以上，乳酸产率最高可达90％以上，乳酸产率及选择性均较高。本发明具有较高的催化转化效率，能耗低，过程安全简单等优点，具有广阔的工业应用前景。

Description

一种温和条件下由糖类制备乳酸的方法
【技术领域】
本发明涉及乳酸制备及生物质转化利用领域，尤其指利用碱性催化剂在低温至中温及常压的温和条件下高效低能耗的制备乳酸的方法。
【背景技术】
随着化石燃料的消耗以及世界各国对环境问题的重视，以可再生资源进行燃料和化学品的制备得到了更多的关注。生物质作为一种广泛存在且价格低廉的可再生资源成为重要的研究对象，以糖为代表的一类生物质可转化为多种重要的平台化合物，如甲酸、乙酸、乙酰丙酸、乳酸、5-羟甲基糠醛等，相关研究的文献报道已经有很多。
乳酸是一种重要的化学平台化合物，是世界公认的三大有机酸之一，它广泛存在于人体及其他有机生物体内，在厌氧代谢过程中起重要作用。乳酸及其聚合物和乳酸盐等在食品、医药、化工等领域具有举足轻重的地位，乳酸的需求量预计可达几百万吨级别，然而其产量与需求仍有巨大的缺口。
目前90％的商业乳酸是通过发酵制得，但是其生产周期较长，效率较低，发酵过程中易受温度、pH等影响，且生产过程中会产生大量固体废弃物。糖类的化学催化是另一种常用的制备乳酸的方法。文献中的报道包括糖类的酸性及碱性催化，酸性催化是指利用均相或异相的bronsted酸或lewis酸为催化剂，包括沸石、碳负载材料、金属材料及多金属氧化物等。碱性催化指利用碱金属的氢氧化物及一些有机碱为催化剂。碱性催化的使用范围较大，是目前常用的一种糖催化制备乳酸的方法。然而大部分催化过程都需要在较高温度下进行，并且维持在一定压力。常见的温度范围为120℃～300℃，压力为0.5MP～3MP。不利于工业化操作，且很多催化剂需要额外步骤进行制备，增加工作量及成本。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题在于提供一种基于惰性气体保护下碱金属/碱土金属氢氧化物催化糖类制备乳酸的方法。该方法是以碱金属及碱土金属氢氧化物为催化剂，在惰性气体保护下，通过常低温至中温及常压条件对糖类进行催化转化，得到较高乳酸产率及选择性。
本发明提供的方法是：以碱金属/碱土金属氢氧化物为催化剂，其浓度为0.125M～1M，催化剂与底物浓度的摩尔比为1～10之间。反应温度为20℃～55℃，惰性气体为N2、Ar或He。反应起始前用高纯惰性气体以0.65～0.8L/min对溶液及反应器进行吹脱，持续时间为3～6min。吹脱完成后将反应器密闭，置于恒温反应器进行反应，反应时间为24h～60h。底物转化率及乳酸产率使用高效液相色谱进行测定。
本发明的优点和积极效果：
本方法使用常见碱金属/碱土金属氢氧化物为催化剂，水相反应，以惰性气体N2、Ar或He为保护气，在低温至中温及常压下进行糖类的催化转化，其乳酸产率最高可达90％以上，底物转化率达96％以上。乳酸产率及选择性均达到很高水平。本方法以常见的原材料为底物，以常规的化学试剂为催化剂，不需要额外进行催化剂的制备，反应器简单易操作，反应过程可控，能耗低，适于大规模工业化应用。
【附图说明】
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明实施例的产物分布随时间变化曲线。
图2是根据本发明实施例的不同催化剂量的结果曲线
图3是根据本发明实施例的不同底物浓度的结果曲线
图4是根据本发明实施例的不同底物的结果曲线
图5是不同时间条件下反应结果的液相色谱图
【具体实施方式】
下面详细描述本发明的实施例并对本发明的技术进行进一步说明，但并非仅限于这些例子，下述实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，且所描述实施例仅是发明的一部分实施例而非全部。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
实施例1：
取3.1548gBa(OH)2·8H2O，溶于20mL去离子水，再称取0.36g葡萄糖与之混合。以0.6L/min的流速通入高纯N2，保持3min，之后迅速密闭反应器，将其转移到25℃恒温摇床中，转速为100r/min，反应48h。反应结束后吸取5mL反应液，用5mL0.5MH2SO4稀释2倍，同时去除Ba2+对色谱柱的影响。稀释后液体进液相色谱测量底物转化率及乳酸产率。得到底物转化率为99.2％，乳酸产率为82.1％，乳酸选择性为82.7％。
实施例2：
取0.4gNaOH，溶于20mL去离子水，再称取0.36g葡萄糖与之混合。以0.6L/min的流速通入高纯N2，保持3min，之后迅速密闭反应器，将其转移到25℃恒温摇床中，转速为100r/min，反应48h。反应结束后吸取5mL反应液，用5mL0.5MH2SO4稀释2倍，稀释后液体进液相色谱测量底物转化率及乳酸产率。得到底物转化率为76.1％，乳酸产率为39.9％，乳酸选择性为52.4％。
实施例3：
取0.561gKOH，溶于20mL去离子水，再称取0.36g葡萄糖与之混合。以0.6L/min的流速通入高纯N2，保持3min，之后迅速密闭反应器，将其转移到25℃恒温摇床中，转速为100r/min，反应48h。反应结束后吸取5mL反应液，用5mL0.5MH2SO4稀释2倍，稀释后液体进液相色谱测量底物转化率及乳酸产率。得到底物转化率为77.1％，乳酸产率为37.9％，乳酸选择性为49.2％。
实施例4：
取0.8gNaOH，溶于20mL去离子水，再称取0.36g葡萄糖与之混合。以0.6L/min的流速通入高纯N2，保持3min，之后迅速密闭反应器，将其转移到25℃恒温摇床中，转速为100r/min，反应48h。反应结束后吸取5mL反应液，用5mL0.5MH2SO4稀释2倍，稀释后液体进液相色谱测量底物转化率及乳酸产率。得到底物转化率为81.4％，乳酸产率为62.8％，乳酸选择性为77.2％。
实施例5：
取1.5774gBa(OH)2·8H2O，溶于20mL去离子水，再称取0.36g葡萄糖与之混合。以0.6L/min的流速通入高纯N2，保持3min，之后迅速密闭反应器，将其转移到25℃恒温摇床中，转速为100r/min，反应48h。反应结束后吸取5mL反应液，用5mL0.5MH2SO4稀释2倍，同时去除Ba2+对色谱柱的影响。稀释后液体进液相色谱测量底物转化率及乳酸产率。得到底物转化率为96.9％，乳酸产率为78.3％，乳酸选择性为80.8％。
实施例6：
取0.7887gBa(OH)2·8H2O，溶于20mL去离子水，再称取0.36g葡萄糖与之混合。以0.6L/min的流速通入高纯N2，保持3min，之后迅速密闭反应器，将其转移到25℃恒温摇床中，转速为100r/min，反应48h。反应结束后吸取5mL反应液，用5mL0.5MH2SO4稀释2倍，同时去除Ba2+对色谱柱的影响。稀释后液体进液相色谱测量底物转化率及乳酸产率。得到底物转化率为86.1％，乳酸产率为42.2％，乳酸选择性为49.1％。
实施例7：
取1.5774gBa(OH)2·8H2O，溶于20mL去离子水，再称取0.18g葡萄糖与之混合。以0.6L/min的流速通入高纯N2，保持3min，之后迅速密闭反应器，将其转移到25℃恒温摇床中，转速为100r/min，反应48h。反应结束后吸取5mL反应液，用5mL0.5MH2SO4稀释2倍，同时去除Ba2+对色谱柱的影响。稀释后液体进液相色谱测量底物转化率及乳酸产率。得到底物转化率为98.9％，乳酸产率为92.4％，乳酸选择性为93.4％。
实施例8：
取1.5774gBa(OH)2·8H2O，溶于20mL去离子水，再称取0.72g葡萄糖与之混合。以0.6L/min的流速通入高纯N2，保持3min，之后迅速密闭反应器，将其转移到25℃恒温摇床中，转速为100r/min，反应48h。反应结束后吸取5mL反应液，用5mL0.5MH2SO4稀释2倍，同时去除Ba2+对色谱柱的影响。稀释后液体进液相色谱测量底物转化率及乳酸产率。得到底物转化率为95.3％，乳酸产率为54.3％，乳酸选择性为57.1％。
实施例9：
取1.5774gBa(OH)2·8H2O，溶于20mL去离子水，再称取0.36g葡萄糖与之混合。以0.6L/min的流速通入高纯N2，保持3min，之后迅速密闭反应器，将其转移到25℃恒温摇床中，转速为100r/min，反应24h。反应结束后吸取5mL反应液，用5mL0.5MH2SO4稀释2倍，同时去除Ba2+对色谱柱的影响。稀释后液体进液相色谱测量底物转化率及乳酸产率。得到底物转化率为85.2％，乳酸产率为55.2％，乳酸选择性为64.7％。
实施例10：
取1.5774gBa(OH)2·8H2O，溶于20mL去离子水，再称取0.36g葡萄糖与之混合。以0.6L/min的流速通入高纯N2，保持3min，之后迅速密闭反应器，将其转移到25℃恒温摇床中，转速为100r/min，反应36h。反应结束后吸取5mL反应液，用5mL0.5MH2SO4稀释2倍，同时去除Ba2+对色谱柱的影响。稀释后液体进液相色谱测量底物转化率及乳酸产率。得到底物转化率为92.7％，乳酸产率为71.8％，乳酸选择性为77.4％。
实施例11：
取1.5774gBa(OH)2.8H2O，溶于20mL去离子水，再称取0.36g葡萄糖与之混合。以0.6L/min的流速通入高纯N2，保持3min，之后迅速密闭反应器，将其转移到25℃恒温摇床中，转速为100r/min，反应60h。反应结束后吸取5mL反应液，用5mL0.5MH2SO4稀释2倍，同时去除Ba2+对色谱柱的影响。稀释后液体进液相色谱测量底物转化率及乳酸产率。得到底物转化率为99.1％，乳酸产率为79.7％，乳酸选择性为80.5％。
实施例12：
取1.5774gBa(OH)2·8H2O，溶于20mL去离子水，再称取0.36g葡萄糖与之混合。以0.6L/min的流速通入高纯N2，保持3min，之后迅速密闭反应器，将其转移到35℃恒温摇床中，转速为100r/min，反应48h。反应结束后吸取5mL反应液，用5mL0.5MH2SO4稀释2倍，同时去除Ba2+对色谱柱的影响。稀释后液体进液相色谱测量底物转化率及乳酸产率。得到底物转化率为100％，乳酸产率为86.8％，乳酸选择性为86.8％。
实施例13：
取1.5774gBa(OH)2·8H2O，溶于20mL去离子水，再称取0.36g葡萄糖与之混合。以0.6L/min的流速通入高纯N2，保持3min，之后迅速密闭反应器，将其转移到35℃恒温摇床中，转速为100r/min，反应36h。反应结束后吸取5mL反应液，用5mL0.5MH2SO4稀释2倍，同时去除Ba2+对色谱柱的影响。稀释后液体进液相色谱测量底物转化率及乳酸产率。得到底物转化率为100％，乳酸产率为86.7％，乳酸选择性为86.7％。
实施例14：
取1.5774gBa(OH)2·8H2O，溶于20mL去离子水，再称取0.36g葡萄糖与之混合。以0.6L/min的流速通入高纯N2，保持3min，之后迅速密闭反应器，将其转移到35℃恒温摇床中，转速为100r/min，反应24h。反应结束后吸取5mL反应液，用5mL0.5MH2SO4稀释2倍，同时去除Ba2+对色谱柱的影响。稀释后液体进液相色谱测量底物转化率及乳酸产率。得到底物转化率为99.9％，乳酸产率为84.9％，乳酸选择性为84.9％。
实施例15：
取1.5774gBa(OH)2·8H2O，溶于20mL去离子水，再称取0.36g葡萄糖与之混合。以0.6L/min的流速通入高纯N2，保持3min，之后迅速密闭反应器，将其转移到45℃恒温摇床中，转速为100r/min，反应48h。反应结束后吸取5mL反应液，用5mL0.5MH2SO4稀释2倍，同时去除Ba2+对色谱柱的影响。稀释后液体进液相色谱测量底物转化率及乳酸产率。得到底物转化率为100％，乳酸产率为81.7％，乳酸选择性为81.7％。
实施例16：
取1.5774gBa(OH)2·8H2O，溶于20mL去离子水，再称取0.36g葡萄糖与之混合。以0.6L/min的流速通入高纯N2，保持3min，之后迅速密闭反应器，将其转移到45℃恒温摇床中，转速为100r/min，反应36h。反应结束后吸取5mL反应液，用5mL0.5MH2SO4稀释2倍，同时去除Ba2+对色谱柱的影响。稀释后液体进液相色谱测量底物转化率及乳酸产率。得到底物转化率为100％，乳酸产率为82.2％，乳酸选择性为82.2％。
实施例17：
取1.5774gBa(OH)2·8H2O，溶于20mL去离子水，再称取0.36g葡萄糖与之混合。以0.6L/min的流速通入高纯N2，保持3min，之后迅速密闭反应器，将其转移到45℃恒温摇床中，转速为100r/min，反应24h。反应结束后吸取5mL反应液，用5mL0.5MH2SO4稀释2倍，同时去除Ba2+对色谱柱的影响。稀释后液体进液相色谱测量底物转化率及乳酸产率。得到底物转化率为100％，乳酸产率为81.7％，乳酸选择性为81.7％。
实施例18：
取1.5774gBa(OH)2·8H2O，溶于20mL去离子水，再称取0.36g葡萄糖与之混合。以0.6L/min的流速通入高纯N2，保持3min，之后迅速密闭反应器，将其转移到55℃恒温摇床中，转速为100r/min，反应24h。反应结束后吸取5mL反应液，用5mL0.5MH2SO4稀释2倍，同时去除Ba2+对色谱柱的影响。稀释后液体进液相色谱测量底物转化率及乳酸产率。得到底物转化率为100％，乳酸产率为79.1％，乳酸选择性为79.1％。
实施例19：
取1.5774gBa(OH)2·8H2O，溶于20mL去离子水，再称取0.36g葡萄糖与之混合。以0.6L/min的流速通入高纯N2，保持3min，之后迅速密闭反应器，将其转移到55℃恒温摇床中，转速为100r/min，反应16h。反应结束后吸取5mL反应液，用5mL0.5MH2SO4稀释2倍，同时去除Ba2+对色谱柱的影响。稀释后液体进液相色谱测量底物转化率及乳酸产率。得到底物转化率为99.9％，乳酸产率为78.4％，乳酸选择性为78.5％。
实施例20：
取1.5774gBa(OH)2·8H2O，溶于20mL去离子水，再称取0.36g果糖与之混合。以0.6L/min的流速通入高纯N2，保持3min，之后迅速密闭反应器，将其转移到25℃恒温摇床中，转速为100r/min，反应48h。反应结束后吸取5mL反应液，用5mL0.5MH2SO4稀释2倍，同时去除Ba2+对色谱柱的影响。稀释后液体进液相色谱测量底物转化率及乳酸产率。得到底物转化率为98.3％，乳酸产率为77.3％，乳酸选择性为78.5％。
实施例21：
取1.5774gBa(OH)2·8H2O，溶于20mL去离子水，再称取0.36g二羟基丙酮二聚体与之混合。以0.6L/min的流速通入高纯N2，保持3min，之后迅速密闭反应器，将其转移到25℃恒温摇床中，转速为100r/min，反应48h。反应结束后吸取5mL反应液，用5mL0.5MH2SO4稀释2倍，同时去除Ba2+对色谱柱的影响。稀释后液体进液相色谱测量底物转化率及乳酸产率。得到底物转化率为100％，乳酸产率为84.1％，乳酸选择性为84.1％。
实施例22：
取1.5774gBa(OH)2·8H2O，加入20mL0.2M的丙酮醛溶液。以0.6L/min的流速通入高纯N2，保持3min，之后迅速密闭反应器，将其转移到25℃恒温摇床中，转速为100r/min，反应48h。反应结束后吸取5mL反应液，用5mL0.5MH2SO4稀释2倍，同时去除Ba2+对色谱柱的影响。稀释后液体进液相色谱测量底物转化率及乳酸产率。得到底物转化率为100％，乳酸产率为100％，乳酸选择性为100％。
实施例23：
取1.5774gBa(OH)2·8H2O，溶于20mL去离子水，再称取0.36g纤维二糖与之混合。以0.6L/min的流速通入高纯N2，保持3min，之后迅速密闭反应器，将其转移到25℃恒温摇床中，转速为100r/min，反应48h。反应结束后吸取5mL反应液，用5mL0.5MH2SO4稀释2倍，同时去除Ba2+对色谱柱的影响。稀释后液体进液相色谱测量底物转化率及乳酸产率。得到底物转化率为99.3％，乳酸产率为37％，乳酸选择性为37.2％。
以上实例仅为本发明较佳实例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种温和条件下由糖类制备乳酸的方法，其特征是，以常见的碱金属或碱土金属氢氧化物为催化剂，在惰性气体保护下，在低温至中温及常压的反应条件下进行糖类的催化反应得到乳酸。
2.根据权利要求1所述的一种温和条件下由糖类制备乳酸的方法，其特征在于：常见的碱金属或碱土金属氢氧化物是Ba(OH)2、NaOH或KOH中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种温和条件下由糖类制备乳酸的方法，其特征在于：惰性气体为N2，Ar或He；反应开始前以高纯惰性气体洗吹反应液及反应器，以0.5～0.8L/min的速度吹脱3～6min，之后将反应器密闭。
4.根据权利要求1所述的一种温和条件下由糖类制备乳酸的方法，其特征在于：所述的糖类是葡萄糖、果糖、纤维二糖、二羟基丙酮、丙酮醛或甘油醛中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的一种温和条件下由糖类制备乳酸的方法，其特征在于：碱金属或碱土金属氢氧化物浓度为0.125M～1M。
6.根据权利要求1所述的一种温和条件下由糖类制备乳酸的方法，其特征在于：碱金属或碱土金属氢氧化物的浓度最优为0.2M～0.3M。
7.根据权利要求1所述的一种温和条件下由糖类制备乳酸的方法，其特征在于：其特征在于：催化剂与底物浓度的摩尔比为1～10。
8.根据权利要求1所述的一种温和条件下由糖类制备乳酸的方法，其特征在于：催化反应时间为24h～60h。
9.根据权利要求1所述的一种温和条件下由糖类制备乳酸的方法，其特征在于：低温至中温指反应温度在20℃～55℃之间；反应器压力为常压。
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