CN107868064A - 一种微通道反应器中合成ak糖前体ash的方法 - Google Patents

一种微通道反应器中合成ak糖前体ash的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种微通道反应器中合成安赛蜜(AK糖)的工艺，具体涉及该工艺中的关键反应——前体ASH的环化合成；其主要技术方案是：将浓度20～60％的反应中间体乙酰乙酰胺基磺酸三乙胺原料、和质量浓度为25～100％的SO3环化剂输送到微通道反应器1中环化，生成的环化液连续进入微通道反应器2中与水进行水解反应，得到前体ASH。在环化及水解过程中，利用集成的微通道换热器迅速移出环化及水解反应热：环化反应温度控制在‑30～10℃。与现有釜式工艺比，本发明反应时间短，环化反应温度高，SO3环化剂的溶剂用量少；ASK总收率45～60％，可连续化操作。

Description

一种微通道反应器中合成AK糖前体ASH的方法
技术领域
本发明涉及一种在微通道反应器中合成安赛蜜(AK糖)的工艺，具体涉及该工艺中的关键反应——前体ASH的环化合成，即在微通道环化、水解反应器中合成安赛蜜前体：6-甲基-3,4-二氢-1,2,3-氧噻嗪-4-酮-2,2-二氧化物(ASH)。
背景技术
ASH是一种可与碱形成酰基磺胺酸盐的化合物，学名：6-甲基-3,4-二氢-1,2,3-氧噻嗪-4-酮-2,2-二氧化物，其与KOH中和后生成的无毒钾盐——安赛蜜是一种广泛应用于食品、乳制品及饮料行业的甜味剂。具有易溶、高甜度、无热量及不代谢的特点。
在目前所有合成安赛蜜的方法中，如：以氯或氟磺酰基异氰酸酯为起始原料与活性亚甲基化合物加成的制备法，以氯或氟磺酰基异氰酸酯分解产物氨基磺酰氟或氨基磺酰氯为起始原料经酰基化再以碱环化的制备法(西德公开专利2453063号)，以及工业化生产中普遍使用的氨基磺酸(盐)-SO3法(US4695629)，所有方法中生成中间体ASH这一步的收率都很低，且需在-40～-25℃的低反应温度区间内反应，且大量使用惰性溶剂作为反应介质，方便传热、传质过程。
在已有合成安赛蜜方法的专利和文献中，乙酰化、环化、水解、成盐4步反应，仍然围绕搅拌釜式反应器进行，或循环喷料靠涡流混合方式强化反应传质(CN 1927850A)，反应器外围以夹套换热，或循环抽料入列管换热器中冷却再回流反应釜中，环化和水解反应受传质传热的影响很大，收率不高，而能耗很高。
由于现有安赛蜜合成方法中都无法避开环化合成ASH化合物的关键步骤，而ASH合成控制着整个AK糖生产的最终收率和成本，因而，本发明目的是为解决环化和水解过程控制难、收率低、能耗(低温环化)物耗(SO3和溶剂)高的问题。
发明内容
本发明的目的是改进现有AK糖生产核心环节——ASH合成反应关键工艺条件，并且发展一种可连续合成的新环化和水解反应器技术，以及提供适用于此反应器的环化、水解工艺参数。
本发明采用一种微通道环化、水解、换热反应器集成技术。
用泵设备将质量浓度20～60％的环化反应中间体原料乙酰乙酰胺基磺酸三乙胺、和质量浓度为25～100％的SO3环化剂输送到微通道反应器1(环化与换热一体化)中环化，环化反应方程式如下：
控制环化反应关键组分SO3与中间体的摩尔比(反应方程式中的n值)为(3～6):1，环化反应温度-30～25℃；生成的环化液进入到微通道反应器2(水解与换热一体化)中与输入的水进行水解反应，水解反应用水量为SO3环化剂体积流量3～8倍，水解后合成出AK糖前体ASH；在环化、水解反应的同时，用冷却液移热方式控制环化和水解反应温度。
优选地，环化剂SO3溶液和中间体溶液以等体积流率进入微通道反应器1，环化反应关键组分SO3与中间体的摩尔进料比为(3～6):1，更优选地为(4.5～5.5):1。
按上述环化反应控料比要求，所使用的环化剂和反应中间体皆以卤代脂肪烃二氯甲烷或二氯乙烷为溶剂，优选地，以二氯甲烷为溶剂，反应中间体原料的质量浓度为20～50％，SO3环化剂中的SO3质量浓度为20～50％。
本发明采用微通道反应器进行环化合成，由于微通道内反应停留短(液时空速高)，要求环化反应速率快、反应温度略高，优选地，环化反应温度控制在-10～10℃，该温度调控是通过冷却液连续流过第一微通道反应器1中的移热微通道实现。由第一微通道反应器1所获得的环化液进入第二微通道反应器2。在第二微通道反应器2中进行水解反应，并进行移热。水解反应用水量为SO3环化剂体积流量的3～8倍，保证与SO3充分反应。水解过程发生如下反应：
水解反应本质是SO3与水生成硫酸，为强放热反应，水解时反应温度过高可能会使产物分解，因此必需通过冷却液移除反应热。优选的水解反应温度为-10～10℃。
本发明所采用的第一微通道反应器与第二微通道反应器，其中的环化与水解反应通道的特征尺寸为100μm～3mm，一体化集成的微换热通道的特征尺寸为100μm～3mm。反应通道的长度及数量则根据反应物产量控制，反应空速原则上不受约束，因反应在接近常压下进行，为获取最佳的混合效果、同时选择一个恰当的环化反应时间，环化反应的液时空速选择为500～10000h-1，优选为1000～4000h-1，更优选为1500～2000h-1。
反应过程操作方法：先以计量泵将溶剂分两股打入第一微通道反应器1中，溶剂流量可分别与待反应的中间体溶液和SO3环化剂流量相同(即切换后可不再设置泵输出)，开动制冷液循环泵控制反应器温度，然后切换成中间体原料和SO3原料同时计量输送，在第二微通道反应器2中通入水解用水与环化液进行水解反应。停止反应时，关闭SO3及中间体进料，切换成溶剂清洗反应器。微通道反应器2的出料包含硫酸相和二氯甲烷相，硫酸相用二氯甲烷萃取其中溶解的产物，合并入二氯甲烷相中，以纯净水萃取二氯甲烷相中的ASH产物，最后以氢氧化钾中和成钾盐，精馏即得AK糖。
与现有釜式工艺比，本发明反应时间短，环化反应温度高，SO3环化剂的溶剂用量少；ASK总收率50～70％，可连续化操作。
具体实施方式
以实例进一步说明本发明，但不构成对本发明保护范围的限定。
实施前，先配制如下几个反应混合物：
1.在常规反应器中，以氨基磺酸、双乙烯酮和三乙基胺为原料进行乙酰化反应，反应方程式如下：
合成出质量浓度为57.2％的乙酰乙酰氨基磺酸三乙胺的二氯甲烷溶液，然后分别以添加二氯甲烷的方式稀释成21.7％、30％、40％的浓度，并置于低温下保存备用。
2.准备液态SO3和SO3质量浓度为50％的二氯甲烷溶液。
将上述反应混合物按本发明的浓度与比例通入微通道反应器中环合，并水解为中间产物ASH。所采用的第一、第二微通道反应器内部都含有用于环化或水解反应的微通道，并集成微通道换热器，其中的微通道特征尺寸(又称为水力直径)为0.3mm。
采用的冷却液为冷盐水，对于本发明所需的制冷温度(-10～10℃)，可选择质量浓度为20％以下的氯化钠、氯化钙等水溶液为冷却液。
实施例1
采取质量浓度为50％的SO3-二氯甲烷溶液和质量浓度为21.7％的中间体-二氯甲烷溶液，经高压液体平流泵连续进料到微通道反应器1中进行环合反应，反应关键组分SO3与中间体反应摩尔比为6:1，环化剂与中间体溶液的进料体积比为1:1.6；环化液进入微通道反应器2中进行水解反应，水量为过量SO3的5倍。环化与水解反应器的控制温度分别为4.5℃、1.5℃。环化反应器的液时空速为1890h-1，从水解反应器流出的产物经相分离、二氯甲烷萃取、水三次提取再经KOH水溶液中和，取中和液少许用水稀释至一定体积，以液相色谱分析ASK浓度并计算ASK收率。收率为56.7％。
实施例2
采用液态纯SO3(浓度为100％)为环化剂，和质量浓度为21.7％的中间体-二氯甲烷溶液，经高压液体平流泵连续进料到微通道反应器1中进行环合反应，反应关键组分SO3与中间体反应摩尔比为5.4:1，环化剂与中间体溶液的进料体积比为1:4.6；环化液进入微通道反应器2中进行水解反应，水量为过量SO3的8倍。环化与水解反应器的控制温度分别为23℃、7℃。环化反应器的液时空速为1890h-1，从水解反应器流出的产物经相分离、二氯甲烷萃取、水三次提取再经KOH水溶液中和，取中和液少许用水稀释至一定体积，以液相色谱分析ASK浓度并计算ASK收率。收率为41.5％。
实施例3
采取质量浓度为50％的SO3-二氯甲烷溶液和质量浓度为30％的中间体-二氯甲烷溶液，经高压液体平流泵连续进料到微通道反应器1中进行环合反应，反应关键组分SO3与中间体反应摩尔比为5.6:1，环化剂与中间体溶液的进料体积比为1:1.2；环化液进入微通道反应器2中进行水解反应，水量为过量SO3的4.5倍。环化与水解反应器的控制温度分别为6℃、8℃。环化反应器的液时空速为1830h-1，从水解反应器流出的产物经相分离、二氯甲烷萃取、水三次提取再经KOH水溶液中和，取中和液少许用水稀释至一定体积，以液相色谱分析ASK浓度并计算ASK收率。收率为47.8％。
实施例4
采用液态纯SO3(浓度为100％)为环化剂，和质量浓度为40％的中间体-二氯甲烷溶液，经高压液体平流泵连续进料到微通道反应器1中进行环合反应，反应关键组分SO3与中间体反应摩尔比为5.7:1，环化剂与中间体溶液的进料体积比为1:2.4；环化液进入微通道反应器2中进行水解反应，水量为过量SO3的7.5倍。环化与水解反应器的控制温度分别为24℃、10℃。环化反应器的液时空速为1830h-1，从水解反应器流出的产物经相分离、二氯甲烷萃取、水三次提取再经KOH水溶液中和，取中和液少许用水稀释至一定体积，以液相色谱分析ASK浓度并计算ASK收率。收率为37.5％。
实施例5
采取质量浓度为50％的SO3-二氯甲烷溶液和质量浓度为30％的中间体-二氯甲烷溶液，经高压液体平流泵连续进料到微通道反应器1中进行环合反应，反应关键组分SO3与中间体反应摩尔比为5.5:1，环化剂与中间体溶液的进料体积比为1:1.3；环化液进入微通道反应器2中进行水解反应，水量为过量SO3的4.6倍。环化与水解反应器的控制温度分别为-3℃、-0.5℃。环化反应器的液时空速为1800h-1，从水解反应器流出的产物经相分离、二氯甲烷萃取、水三次提取再经KOH水溶液中和，取中和液少许用水稀释至一定体积，以液相色谱分析ASK浓度并计算ASK收率。收率为42％。

Claims (6)

1.一种微通道反应器中合成AK糖前体ASH的方法，其特征在于：将质量浓度20～60％的环化反应中间体原料乙酰乙酰胺基磺酸三乙胺、和质量浓度为25～100％的SO3环化剂输送到第一微通道反应器中环化，环化反应关键组分SO3与中间体原料的摩尔比为(3～6):1；生成的环化液进入第二微通道反应器中与水进行水解反应，水解反应用水量为SO3环化剂体积流量3～8倍，水解后合成出AK糖前体ASH；在环化、水解反应过程中，用冷却液移热方式控制环化和水解反应温度为-30～25℃。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，SO3环化剂以卤代脂肪烃二氯甲烷和/或二氯乙烷为溶剂；SO3的质量浓度优选为20～50％。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，SO3环化剂和中间体溶液优选以等体积流量进入微通道反应器1，反应关键组分SO3与中间体原料反应摩尔比优选为(4.5～5.5):1。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，环化、水解反应温度优选为-10～10℃。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第一微通道反应器与第二微通道反应器，其反应通道的特征尺寸为100μm～3mm，在第一微通道反应器与第二微通道反应器上均一体化集成有微换热通道，其微换热通道的特征尺寸为100μm～3mm；第一微通道反应器内的流体液时空速为500～10000h-1。
6.如权利要求1或5所述的方法，其特征在于，环化与水解反应的液时空速优选为1000～4000h-1。
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