CN116178457B - 一种利用锶改性羟基磷灰石高效催化葡萄糖制备果糖的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用锶改性羟基磷灰石高效催化葡萄糖制备果糖的方法，反应体系采用锶改性羟基磷灰石作为催化剂，纯乙醇作为溶剂，催化高浓度葡萄糖溶液进行反应。包括以下步骤：首先制备锶改性羟基磷灰石；然后向反应容器中加入葡萄糖、锶改性羟基磷灰石、纯乙醇，搅拌进行反应；反应完成后，用水稀释产物，过滤后，进一步稀释，葡萄糖和果糖浓度由高效液相色谱测定；催化剂反应前后的元素组成由电感耦合等离子体质谱仪分别进行测定。本发明采用上述的一种利用锶改性羟基磷灰石高效催化葡萄糖制备果糖的方法，能够解决葡萄糖异构化制备果糖过程中催化剂成本高、稳定性差、难以循环使用和容易造成二次污染的问题。
Description
技术领域
本发明涉及固体碱催化和生物质基化学品技术领域，尤其是涉及一种利用锶改性羟基磷灰石高效催化葡萄糖制备果糖的方法。
背景技术
由于化石资源的消耗和环境问题的加剧，国内外学者正在持续开发利用生物质生产精细化学品、燃料和材料的技术。在生物质转化为高价值产品的一系列催化过程中，葡萄糖高效异构化为果糖是将生物质转化为高价值产品的重要先决条件。葡萄糖异构为果糖是一个典型的可逆反应，它需要使用酶、路易斯酸或布朗斯特碱催化剂，并在适当加热条件下加速异构化过程。工业上采用固定化酶将葡萄糖异构化为果糖以生产高果糖浆，该工艺已经在半个世纪前实现了产业化，这也是当前工业中规模最大的酶促反应之一。然而，酶本身价格较高且会逐渐失活，导致该过程成本高昂，只适合生产食品级的高果糖浆，却并不适合用在生物质资源化工艺中。一些路易斯酸催化剂，包括四氯化锡、三氯化铬和含锡的β型沸石(Sn-Beta)可以有效催化葡萄糖异构为果糖，但四氯化锡和三氯化铬作为均相催化剂，很难进行回收和循环利用。Sn-Beta沸石作为最典型的非均相路易斯酸催化剂，依然面临着成本高、活性有限和稳定性差的问题。
为降低葡萄糖催化制备果糖的成本，国内外学者研究尝试了各式各样的布朗斯特碱，包括含胺基的有机碱、金属氧化物、金属氢氧化物、铝镁水滑石、含碱金属和碱土金属复合材料等。固体碱的主要优势是采用廉价易得的碱金属和碱土金属作为原材料通过相对简单的合成方法制备而成。然而，这类材料目前遇到了共性的瓶颈问题，即固体碱催化剂的稳定性和可重复利用性较差。由于固体碱的稳定性较差，在水溶液中反应时会滤出大量的金属离子，不仅会造成环境污染，还会导致催化剂的不可逆失活。与此同时，由于活性位点结构变化导致的失活也是一个很普遍的难题。
为了解决上述问题，本发明提出了一个新的技术方案，实现了较好的效果，为实现葡萄糖异构化制备果糖的产业化进程推进了一大步。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用锶改性羟基磷灰石高效催化葡萄糖制备果糖的方法，解决了葡萄糖异构化制备果糖过程中催化剂成本高、稳定性差、难以循环使用和容易造成二次污染的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种利用锶改性羟基磷灰石高效催化葡萄糖制备果糖的方法，反应体系采用锶改性羟基磷灰石作为催化剂，纯乙醇作为溶剂，催化高浓度葡萄糖溶液，反应体系包括浓度为2％-15％的葡萄糖溶液、反应溶剂纯乙醇、锶改性羟基磷灰石与葡萄糖的质量比为(0.1-1)：1，反应温度100℃-130℃、反应时间2-4h。
优选的，锶改性羟基磷灰石与葡萄糖的质量比2：5。
上述锶改性羟基磷灰石的制备方法如下：
将2.0g SrCl2溶于100mL去离子水中，将5g羟基磷灰石加入SrCl2水溶液中，室温下剧烈搅拌24h，过滤并充分洗涤得到固体材料，在马弗炉中900℃煅烧1h，煅烧后的固体材料即为锶改性羟基磷灰石。
上述的一种利用锶改性羟基磷灰石高效催化葡萄糖制备果糖的方法，包括以下步骤：
S1、制备锶改性羟基磷灰石；
S2、向反应容器中加入0.5g葡萄糖，0.2g锶改性羟基磷灰石，5mL纯乙醇，磁力搅拌，加热至120℃，反应时间为2h；
S3、反应完成后，用水稀释产物，过滤后，进一步稀释至25mL，葡萄糖和果糖浓度由高效液相色谱测定；
S4、锶改性羟基磷灰石的元素组成和反应后催化体系中的元素组成由电感耦合等离子体质谱仪分别进行测定。
优选的，所述步骤S3中高效液相色谱测定时流动相为5mM H2SO4，柱温60℃。
优选的，所述锶改性羟基磷灰石的可重复利用实验，在第一次反应完后过滤再次加入新的反应容器中，重复4次。
本发明所述的一种利用锶改性羟基磷灰石高效催化葡萄糖制备果糖的方法的优点和积极效果是：
1、锶改性羟基磷灰石在乙醇中的离子淋出率低于0.018％，并可催化转化浓度高达10％的葡萄糖，反应效率高，还能减少副产物和离子淋出造成的二次污染。
2、锶改性羟基磷灰石回收率高达95.8％，在重复使用过程保持高选择性；通过简单的煅烧即可使催化剂再生，完全恢复催化活性。
3、将锶改性羟基磷灰石和纯乙醇组成的催化体系首次应用于催化葡萄糖异构制备果糖，将来在放大试验中有极大地参考和应用价值。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明一种利用锶改性羟基磷灰石高效催化葡萄糖制备果糖的方法实施例1中果糖产率和果糖选择性折线图；
图2为本发明一种利用锶改性羟基磷灰石高效催化葡萄糖制备果糖的方法锶改性羟基磷灰石的循环性能图。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
实施例1
一种利用锶改性羟基磷灰石高效催化葡萄糖制备果糖的方法包括以下步骤：
S1、制备锶改性羟基磷灰石：将2.0g SrCl2溶于100mL去离子水中，将5g羟基磷灰石加入SrCl2水溶液中，室温下剧烈搅拌24h，过滤并充分洗涤得到固体材料，在马弗炉中900℃煅烧1h，煅烧后的固体材料即为锶改性羟基磷灰石；
S2、向反应容器中加入0.5g葡萄糖，0.2g锶改性羟基磷灰石，5mL纯乙醇，磁力搅拌，加热至120℃，反应时间为2h；
S3、反应完成后，用水稀释产物，过滤后，进一步稀释至25mL，葡萄糖和果糖浓度由高效液相色谱测定，测定时流动相为5mM H2SO4，柱温60℃；
S4、锶改性羟基磷灰石的元素组成和反应催化体系的元素组成由电感耦合等离子体质谱仪分别进行测定。
为了测定羟基磷灰石和锶改性羟基磷灰石在不同溶剂中的回收率，设置对比例1、对比例2和对比例3。
对比例1
反应体系为0.5g葡萄糖，0.2g锶改性羟基磷灰石，5mL蒸馏水，磁力搅拌，加热至120℃，反应时间为2h；其他步骤与实施例1相同。
对比例2
反应体系为0.5g葡萄糖，0.2g羟基磷灰石，5mL蒸馏水，磁力搅拌，加热至120℃，反应时间为2h；其他步骤与实施例1相同。
对比例3
反应体系为0.5g葡萄糖，0.2g羟基磷灰石，5mL纯乙醇，磁力搅拌，加热至120℃，反应时间为2h；其他步骤与实施例1相同。
催化剂的可重复利用实验，在第一次反应完后过滤再次加入新的反应容器中，连续四次。
测定羟基磷灰石和锶改性羟基磷灰石在不同溶剂中的回收率如表1所示：
表1
由表1可知，锶改性羟基磷灰石回收率为95.8％，表明锶改性羟基磷灰石可重复使用，果糖的选择性几乎不变，回收的催化剂经过煅烧之后果糖产率和选择性可以完全恢复。为了测定锶改性羟基磷灰石在不同反应体系中的离子淋出率，设置对比例4、对比例5。
对比例4
反应体系为0.2g锶改性羟基磷灰石，5mL蒸馏水，磁力搅拌，加热至120℃，反应时间为2h；其他步骤与实施例1相同。
对比例5
反应体系为0.2g锶改性羟基磷灰石，5mL纯乙醇，磁力搅拌，加热至120℃，反应时间为2h；其他步骤与实施例1相同。
测定锶改性羟基磷灰石在不同反应体系中的离子淋出率如表2所示：
表2
由表2可知，纯乙醇反应体系中，锶离子淋出率和磷酸根淋出率都较低，更加绿色环保。
图1为实施例1锶改性羟基磷灰石催化葡萄糖异构化制备果糖的果糖产率图，由图1可知，纯乙醇反应体系中，锶改性羟基磷灰石催化浓度为10％的葡萄糖溶液，果糖的产率为34.8％，接近反应平衡的极限，果糖选择性为83.4％。高选择性不仅有助于实现葡萄糖原料的最大化利用，还能减少副产物造成的二次污染。
因此，本发明采用上述的一种利用锶改性羟基磷灰石高效催化葡萄糖制备果糖的方法，能够解决葡萄糖异构化制备果糖过程中催化剂成本高、稳定性差、难以循环使用和容易造成二次污染的问题。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种利用锶改性羟基磷灰石高效催化葡萄糖制备果糖的方法，其特征在于：反应体系采用锶改性羟基磷灰石作为催化剂，纯乙醇作为溶剂，催化高浓度葡萄糖溶液进行反应，反应体系包括浓度为2％-15％的葡萄糖溶液、反应溶剂纯乙醇、锶改性羟基磷灰石与葡萄糖的质量比为(0.1-1)：1，反应温度100℃-130℃、反应时间2-4h。
2.根据权利要求1所述的一种利用锶改性羟基磷灰石高效催化葡萄糖制备果糖的方法，其特征在于：所述锶改性羟基磷灰石的制备方法如下：
将SrCl2溶于去离子水中，将羟基磷灰石加入SrCl2水溶液中，室温下剧烈搅拌24h，过滤并充分洗涤后得到固体材料，将固体材料放置于马弗炉中900℃煅烧1h，煅烧后的固体材料即为锶改性羟基磷灰石。
3.根据权利要求1-2任一项所述的一种利用锶改性羟基磷灰石高效催化葡萄糖制备果糖的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、制备锶改性羟基磷灰石；
S2、向反应容器中加入葡萄糖，锶改性羟基磷灰石，纯乙醇，搅拌进行反应。
4.根据权利要求3所述的一种利用锶改性羟基磷灰石高效催化葡萄糖制备果糖的方法，其特征在于：所述步骤S2中反应温度为120℃，反应时间为2h。
5.根据权利要求3所述的一种利用锶改性羟基磷灰石高效催化葡萄糖制备果糖的方法，其特征在于：所述锶改性羟基磷灰石可重复利用，在第一次反应完后过滤，再次加入新的反应容器中，重复多次，经过煅烧后催化活性可以完全恢复。
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| Synthesis, characterization and biological performance study of Sr-doped hydroxyapatite/chitosan composite coatings;Qiuhua Yuan et al.;《Materials Chemistry and Physics》;20210601;第270卷;第1-11页 * |
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