CN1122802A - 古龙酸钠定量地转化制取抗坏血酸的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种由古龙酸钠定量地转化制取抗坏血酸的方法，它在现有二步发酵法生产Vc的基础上作了重大改进，通过分步酯化反应与溶剂蒸气载带不断除去反应生成的水、使酯化反应的转化率达100％，通过优化内酯化反应条件及溶剂蒸气载带不断除去反应生成的水，使内酯化反应的转化率与VcNa的收率达100％，从而使由二步发酵法生产粗Vc的收率可达98％以上。

Description

古龙酸钠定量地转化制取抗坏血酸的方法

本发明涉及一种抗坏血酸(简称V_C)的制备方法，特别是一种2-酮基-L-古龙酸钠(简称2KGA-Na)直接甲酯化以制备抗坏血酸的方法。

众知周知，目前工业上采用二步发酵法生产V_C，其后续的转化工艺主要包括如下步骤：

(1)离子交换转化与2KGA晶体的制备

将由二步酵所得的含有6～8％(W/V)的2KGA-Na溶液经阳离子交换转化成4～5％(W/V)的2-酮基-L-古龙酸(简称2KGA)溶液，再经浓缩、结晶、分离、干燥制得2KGA晶体；

(2)甲酯化反应

将2KGA晶体投入含硫酸催化剂的甲醇中，催化制取2-酮基-L-古龙酸甲酯(简称2KGA-CH₃)溶液；

(3)内酯化反应制取V_CNa

将NaHCO₃加入到上述的2KGA-CH₃溶液中，进行内酯化反应制得抗坏血酸钠盐(简称V_CNa)沉淀，同时2KGA-CH₃溶液中所含的硫酸催化剂亦被NaHCO₃中和生成Na₂SO₄沉淀，然后进行固液分离得到V_CNa粗品(内含Na₂SO₄)；

(4)酸化制取V_C

将上述的V_CNa粗品投入浓度为80％(V/V)甲醇溶液中，加入硫酸酸化制得V_C溶液，加入活性炭进行脱色处理，然后过滤除去活性炭及部分Na₂SO₄，得到粗制的V_C产品。粗制的V_C再通过进一步精制得到V_C纯品。由2KGA·Na溶液制粗V_C的收率在80％以下。

由上述转化工艺可见：

①步骤(1)用离子交换除去了Na⁺离子，但步骤(3)、(4)中又产生大量的Na^-离子，可见其工艺不尽合理。

②在步骤(4)中采用含水的甲醇溶液进行酸化处理，而Na₂SO₄在水中有相当大的溶解度，必然将Na⁺离子带入V_C的粗制品中，增加了V_C精制的负荷。

③该工艺的粗V_C析纯收率在80％以下，可见相当多的V_C无谓地浪费了。

④此外，步骤(1)使溶液变稀，因此需较多的能耗加以浓缩、结晶。

总之，该工艺的缺点是显而易见的。

为此，1990年E.P.专利0403993A提出了一种2KGA-Na直接甲酯化”的技术方案，旨在克服步骤(1)中费时的离子交换过程和溶液变稀而引起的能耗增加的缺点。将二步发酵法所得的含有2KGA-Na的溶液直接进行浓缩、结晶、分离、干燥、制得2KGA-Na晶体，然后将2KGA-Na晶体在含有硫酸催化剂的甲醇中进行甲酯化，制得2KGA-CH₃溶液，这样做，既可避免费时的离子交换以及由于溶液变稀而引起的能耗增加，又可以利用Na₂SO₄不溶于甲醇的特性，以分离除去Na₂SO₄副产物。可惜该专利所公开的方法存在如下二大缺点：

(1)甲酯化反应时，2KGA-Na的浓度太稀，仅为0.0855(mol/ml)，这样不仅使转化过程设备变得十分庞大，而且溶剂耗量太大，增加溶剂再生的负荷。

(2)由于工艺条件的制约，2KGA-Na的转化率被限制在92％以下，造成2KGA-Na无谓的损失，不仅增加了后续处理的负荷，而且影响V_C的总收率。

总之，由于该法所存在的缺点，影响它的工业化前景，故至今未予工业应用。

本发明的目的在于克服现有技术的上述缺点，对现有的二步发酵法生产V_C的工艺作了重大改进，提出了一种2-酮-L-古龙酸钠定量地转化制取维生索C的方法，使粗V_C的收率达到98％以上，大大地推动V_C工业的技术进步。

本发明的构思是这样的：

一、发明人在长期研究2KGA-Na品体直接在含硫酸催化剂的甲醇中进行甲酯化的过程中发现：

(1)催化剂浓度比(硫酸催化剂/2KGA-Na的摩尔比)高，可以使物系快速地达到化学平衡，有利于缩短甲酯化过程的反应时间；催化剂浓度比低，虽然反应延长了达到了化学平衡的时间，但有利于提高2KGA-Na的转化率。

(2)甲酯化过程是一个可逆过程，反应产生的水是逆反应的主要原因，特别是在高催化剂浓度时，其可逆过程更为显著，因此物系中的2KGA-Na转化率在92％以下。

基于上述认识，发明人在构思“2KGA-Na晶体定量地转化”过程中采用如下二大技术措施：

①分步酯化法，即在甲酯化反应初期采用高催化剂浓度比，在甲酯化反应后期采用低催化剂浓度比，以保证反应物系具有快速达到平衡与高转化率的特点。

②通过溶剂载带法，及时除去反应生成的水，从而消除产生逆反应的主要根源，保证2KGA-Na定量地转化，(即2KGA-Na100％地转化)。

二、发明人通过对2KGA-CH₃溶液在碱性条件下进行内酯化反应的深入研究，发现了现有技术内酯化反应V_CNa收率较低的原因：

(1)由于甲酯化过程的最终产物中仍含有一定量的硫酸催化剂，当它在碱性条件下进行内酯化反应时，其中的硫酸首先被中和，中和反应生成的H₂O残留在物系中。中和反应过程如下述方法所示：

         

(2)由于内酯化反应过程中同样有一定量的水生成，这部分H₂O亦残留在物系中。其内酯化反应过程如下述方程所示：

(3)从理论上讲，2KGA-CH₃可以100％地转化成V_CNa，但由于工艺条件的缺陷，如NaHCO₃过量太多，导致2KGA-CH₃分解成2KGA-Na，使V_CNa的得率降低，再加上反应生成的V_CNa在水中有一定的溶解度，当进行固液分离时，造成V_CNa的流失，所以现有技术其内酯化的收率95％左右(参见E.P.0403351A专利文献)。

基于上述认识，发明人提出了二大技术措施：

①优化反应工艺过程

在适量的NaHCO₃的浓度下(包括中和用NaHCO₃、内酯化反应用NaHCO₃以及适度过量的NaHCO₃)，不仅可以缩短反应时间，而且亦不发生副反应。

②采用甲醇蒸气载带法，将反应生成的水不断地予以除去，并加入与载带量相等的甲醇至反应器中，使反应物系的体积基本维持不变，这样有效地防止了由于V_CNa溶于水而造成固液分离时的流失，使内酯化反应后V_CNa的收率接近100％。

本发明亦是这样实现的：

首先将由二步酵法所得的2-酮基-L-古龙酸钠(简称2KGA-Na)溶液浓缩制取2KGA-Na晶体，然后在酸催化下进行酯化，并藉助溶剂载带除去反应生成的水，以消除由于水而引起的逆反应，使2KGA-Na定量地转化，即2KGA-Na的转化率达100％，再通过优化内酯化反应的条件，使内酯化反应转化率与产物的收率接近100％，最后再按常规的条件进行酸化和活性炭脱色制取V_C。

具体过程如下述：

①2KGA-Na晶体的制备：将二步发酵法所得的浓度6～8％(W/V)2-酮基-L-古龙酸钠(简称2KGA-Na)溶液，按常规的方法，浓缩、结晶、过滤，制得2KGA-Na晶体。

②分步酯化反应与溶剂载带除水

将2KGA-Na晶投入含硫酸催化剂浓度比为15～25％(Mol/Mol比，指H₂SO₄/2KGA-Na之间摩尔比，下同)的无水甲醇中，进行分步酯化反应。在酯化反应过程中，籍助甲醇蒸气载带不断地除去酯化反应所生成的水，同时不断地补充入等量的无水甲醇，使反应器中反应物系的液面基本保持不变。反应初始的条件为：

a.2KGA-Na的浓度为      ：0.15～0.25％(Mol/mol)；

b.催化剂H₂SO₄的浓度为：15～25％(Mol/Mol)；

c.反应温度为           ：65～66℃；

d.反应时间为           ：3～5hr

完成上述第一步反应后，用NaHCO₃中和反应物系中70～85％的催化剂H₂SO₄，使反应物系中的硫酸催化剂浓度降至3～4％(Mol/Mol)，使物系在下列条件下，继续反应：

a.*剩余的物料浓度为    ：0.015～0.025％(Mol/mol)；

b.催化剂H₂SO₄的浓度为：3～4％(Mol/Mol)；

c.反应温度             ：66～68℃；

d.反应时间             ：0.75～1.25hr。

*其中剩余的物料浓度系指2KGA-Na在酸性条件下转化成2-酮基-L-古龙酸的剩余浓度。

反应产物经过滤，除去Na₂SO₄沉淀，得到一含2KGA-CH₃的甲醇溶液。滤饼用无水甲醇洗涤，回收其中夹带的2KGA-CH₃。洗涤液可以直接与滤液合并，再进行内酯化反应，也可以作为下一批酯化反应的溶剂，此时虽然对本批反应来说损失了一点2KGA-CH₃，但对下一批来说增加了2KGA-CH₃，因此当操作趋于稳态后，从总体来看2KGA-CH₃未受任何损失。

总之，通过上述分步酯化反应，可使2KGA-Na定量地转化，即物系中检测不到2KGA-H的存在，2KGA-Na的转化率达100％。

③内酯化反应的优化

向2KGA-CH₃的甲醇溶液中加入适量的NaHCO₃，进行内酯化反应，所说的适量的NaHCO₃可按下列原则确定：

NaHCO₃＝剩余的H₂SO₄浓度×V×2×84＋投料时2KGA-Na的摩尔数×84×1.03～1.06

其中：剩余的H₂SO₄浓度×V×2×84，为中和剩余H₂SO₄的NaHCO₃耗量。

V为投入内酯化反应时的2KGA-CH₃甲醇溶液的体积。

84为NaHCO₃的分子量。

投料时的2KGA-Na×84摩尔数为内酯化反应的NaHCO₃理论耗量。

1.03～1.06为内酯化反应理论所耗NaHCO₃的过量倍数。

内酯反应按下述方程进行；

反应生成的H₂O可藉助甲醇蒸气载带予以除去，同时补加入等量的甲醇入反应器中，使反应物系的液面基本保持不变。

适宜的内酯化反应条件为：

a.2KGA-CH₃溶液的浓度为       ：25～55％(W/V)；

b.内酯化反应NaHCO₃的用量为   ：理论量的1.03～1.06倍；

c.反应温度为                  ：66～68℃；

d.反应时间为                  ：2～4hr

反应生成的V_CNa沉淀，通过过滤，可得到接近理论量的V_CNa粗制品，即V_CNa的得率可达100％。

④酸化制取V_C

将上述所得的V_CNa粗制品，投入含有80％(V/V)甲醇水溶液中，按照现有技术进行酸化，活性炭脱色。过滤，得到V_C溶液，酸化过程的收率可达98％以上。

因此，按照本发明的方法粗V_C的收率(等于甲酯化转化率×内酯化转化率×酸化过程的收率)可达98％以上，与现有技术相比(二步发酵法为80％左右)，至少可提高18个百分点。由此可见本发明的技术必将大大推动VC工业的技术进步，具有良好的工业发展前景。

下面将结合实施例进一步阐明本发明的内容，但它并不限制本发明的保护范围。

原料：

(1)2KGA-Na晶体

由二步发酵法所得的含有6～8％2KGA-Na的溶液，经浓缩、结晶、过滤、干燥，得到2KGA-Na晶体粗制品，其中2KGA-Na含量在85～89％(wt)之间。

(2)无水甲醇(亦可用含水量＜0.3％的甲醇)工业品。

(3)硫酸：为浓度≥97％的工业品。

(4)NaHCO₃：工业产品。

                       实施例

1.分步酯化反应制取2KGA-CH₃

取含量85.66％的2KGA-Na原料129.96g(相当于含纯2-酮基-L-古龙酸100g)，置于一带有搅拌器的反应器中，然后加入300ml甲醇，97％的硫酸37.36g(相当于0.3698mol)，在65℃搅拌下进行甲酯化反应4～5hr，反应生成的水由甲醇蒸气载带除去，同时连续地补充与载带量相等的甲醇入反应器中，使反应物系的液面基本保持不变，然后加入13.56g NaHCO₃以中和反应物系中催化量H₂SO₄的71.85％，继续搅拌反应1小时，停止反应。冷却至40～45℃，过滤除去反应生成的Na₂SO₄沉淀，用300ml无水甲醇洗涤Na₂SO₄滤饼以回收其中夹带的2KGA-CH₃，洗涤液与滤液合并，得到665ml2KGA-CH₃溶液，供下一步操作用，所得的Na₂SO₄经干燥后可作为市售产品。

对2KGA-CH₃溶液检测：其中已不再含有2KGA-H，即2KGA-Na已全部被转化，其转化率达100％(即本发明所说的2KGA-Na定量地转化)。

2.内酯化反应

取上述所得的2KGA-CH₃的溶液625ml，置于反应器中，加入NaHCO₃49.87g然后加热升温，使反应物系缓慢升温至65℃，然后在66～68℃搅拌下反应3小时，反应生成的水由甲醇蒸气载带除去(水由NaHCO₃中和2KGA-CH₃溶液所含的H₂SO₄，以及内酯化反应所生成)，同时补充入与载带量相等的甲醇，使反应物系的液面基本保持不变。反应结束后，将反应生成的物系冷却至0℃，然后过滤，滤饼用0℃的冷甲醇的洗涤，得到含量为89.06％(wt)的粗制V_CNa107.7g，供下一步使用。内酯化转化率100％。

3.酸化和活性炭脱色制取V_C

取410ml80％(V/V)的甲醇水溶液置于一带搅桨的反应器中，先缓缓加入50％(W/V)H₂SO₄溶液16～18.6ml，再加入上述的V_CNa80g，继续加酸调节溶液的pH＝2.0～2.5，加入活性炭2.67g，缓缓升温至40℃，搅拌反应2小时，停止搅拌，将反应液冷却至13～18℃，抽滤除去活性炭与沉淀的Na₂SO₄，得到含V_C15.94％(W/V)的酸化母液440ml。计算可知酸化过程的收率可达98.44％。

将所得含V_C的酸化母液进行浓缩结晶、干燥，一次粗V_C晶体的纯度可达98.79％(W/W)。

Claims (3)

1.一种由古龙酸钠定量地转化制取抗坏血酸的方法，其主要包括将由二步发酵法所得的含有2KGA-Na的溶液首先浓缩得到2KGA-Na晶体、然后在酸催化下进行甲酯化反应、在碱性条件下进行内酸化反应、以及再进行酸转化与活性炭脱色等诸工艺过程，本发明的特征在于：

(1)在酸催化下进行甲酯化反应时，采用分步酯化反应与溶剂甲醇蒸气载带不断除去反应生成的水，使2KGA-Na达到定量地转化，2KGA-Na转化率可达100％；

(2)在内酯化反应时，采用适度过量的NaHCO₃与溶剂甲醇蒸气载带不断除去反应生成的水，使2KGA-CH₃的内酯化反应转化率和V_CNa的得率接近100％。

2.如权利要求1所述的方法，共特征在于用无水甲醇进行分步酯化反应时的条件为：

(1)酯化反应的初始条件为：

(a)2KGA-Na的浓度为      ：0.15～0.25％(Mol/ml)；

(b)催化剂H₂SO₄的浓度为：15～25％(Mol/Mol)；

(c)反应温度为           ：65～66℃；

(d)反应时间为           ：3～5小时。

(2)完成上述第一步反应后，用NaHCO₃中和反应物系中70～85％的催化剂H₂SO₄，使反应物系中的H₂SO₄催化剂浓度降至3～4％(Mol/Mol)，然后使物系在下列条件下继续进行酯化反应：

(a)剩余的物料浓度为     ：0.015～0.025％(Mol/M1)；

(b)催化剂H₂SO₄       ：3～4％(Mol/Mol)；

(c)反应温度为           ：66～68℃；

(d)反应时间为           ：0.75～1.25小时。

(3)在上述酯化反应过程中，籍助溶剂甲醇蒸气载带不断除去反应过程中生成的水，同时不断补加入与载带量相等的甲醇入反应器中，使反应物系的液面基本保持不变。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于内酯化反应时的条件为：

(1)所说的适宜的NaHCO₃用量可按下述原则确定：

NaHCO₃＝剩余的H₂SO₄的摩尔数×V×2×84＋投料时的2KGA-Na的摩尔数×84×1.03～1.06；

(2)内酯化反应条件为：

(a)2KGA-CH₃溶液浓度为    ：25～50％(W/V)；

(b)内酯化反应NaHCO₃用量为：理论量的1.03～1.06倍；

(c)反应温度为             ：66～68℃；

(d)反应时间为             ：2～4小时。

(3)内酯化反应过程中，籍助溶剂甲醇蒸气载带不断除去反应生成的水，并不断补加与载带量相等的甲醇入反应器中，使反应物系的液面基本保持不变。