Технологія виробництва аскорбінової кислоти

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВА РОБОТА

Технологія виробництва аскорбінової кислоти

Вступ

аскорбіновий сорбітний кислота хімічний

Аскорбінова кислота вперше виділена в чистому вигляді Сцент-Гіоргі 1928 р. під назвою гексуронова кислота. У 1933 р. була встановлена її структура. Синтез її здійснено вперше Рейхштсйном в Швейцарії. Значення вітаміну С для організму людини дуже велике. Аскорбінова кислота бере активну участь у окислювально-відновних процесах в організмі і входить до складу ряду складних ферментів, що обумовлюють процеси клітинного дихання. Вітамін С бере участь у процесах вуглеводного і білкового обміну, підвищує опір організму до інфекційних захворювань, регулює холестериновий обмін, бере участь в нормальному функціонуванні шлунка, кишечника та підшлункової залози; спільно з вітаміном Р забезпечує нормальну еластичність стінок кровоносних капілярів, знешкоджує дію ряду лікарських речовин і отрут. Аскорбінова кислота застосовується при лікуванні цинги, інфекційних захворювань, ревматизму, туберкульозу, виразковій хворобі, при гепатитах, шоковому стані. При недостатності аскорбінової кислоти розвивається гіповітаміноз, у важких випадках - авітаміноз (цинга, скорбут). У терапевтичних дозах аскорбінова кислота добре переноситься і побічних ефектів не викликає. При введенні в великих дозах і протягом тривалого часу вона може пошкоджувати острівцевий апарат підшлункової залози і опосередковано нирки. Аскорбінова кислота міститься в значних кількостях в овочах, плодах, ягодах, хвої, шипшині, в листі чорної смородини.

Під впливом високих температур, кисню, особливо в присутності важких металів, вітамін С легко руйнується. В організмі людини і більшості тварин аскорбінова кислота не синтезується. Орієнтовна добова доза становить 50-100 мг. У той же час, в деяких випадках (важкі фізичні навантаження, простудні захворювання) показані збільшені (ударні) дози аскорбінової кислоти (до 0,5-1,0г і більше на прийом).

1. Виникнення та зміст вітаміну С

1.1 Історія появи вітаміну С

Вперше в чистому вигляді вітамін С був виділений в 1928 р., а в 1932 р. було доведено, що саме відсутність аскорбінової кислоти в їжі людини викликає цингу.

У ряді випадків фармакологи покладали на вітамін С великі надії, засновані насамперед не на експериментальних доказах клінічної ефективності препарату, а на теоретичних передумовах, в першу чергу - щодо можливої антирадикального дії аскорбінової кислоти. У 1970 р. Лайнус Полінг опублікував в Доповідях національної академії США статтю «Еволюція і потреба в аскорбіновій кислоті», в якій висунув концепцію необхідності високих доз вітаміну С, припускаючи їх оптимальними для здоров'я. До цього висновку прийшов Полінг шляхом теоретичних міркувань на основі доступної йому в той час літератури. Полінг припускав, що високі дози вітаміну С здатні захистити людину від багатьох захворювань, зокрема вірусних (ГРВІ, грип) і онкологічних. Вітамін С також необхідний для формування волокон колагену, для захисту тканин організму від вільних радикалів. Полінг запропонував підвищити щоденну дозу вітаміну С в 100-200 разів. Сам він повідомляв, що разом з дружиною встановив для себе денну норму вітаміну С в 10 грамів.

В даний час думка про ефективність низьких доз (до 1000 мг) вітаміну С при застуді і раніше не знаходить підтвердження, а експерименти з дозуванням більше 2000 мг/добу (відповідно до теорії Полінга) так і не проведені. З іншого боку, дози аскорбінової кислоти, що істотно перевищують потребу, можуть призводити до певних фізіологічних розладів також не доведені.

У 1996 р. в Норвегії був прийнятий закон, який забороняв продавати капсули, що містили більше 250 мг аскорбінової кислоти. За Норвегією в 1997 р. пішли Фінляндія і Німеччина. Обмежувальні закони забороняли рекламу вітамінів як лікувальних препаратів проти конкретних захворювань, якщо не було необхідної для ліків серії клінічних випробувань. Ці закони, як виявилося, зачіпали інтереси безлічі харчових і фармакологічних фірм. Оскільки вітаміни класифікувалися в Європейському союзі як харчові продукти, то для їх надходження в комерційний продаж ніяких клінічних випробувань не було потрібно. У 2005 р. Європейський суд прийняв рішення про обмеження дозувань препаратів вітаміну С в країнах ЄС. З 1 серпня 2005 р. Змінено формулювання рекомендацій (слова «лікує», «виліковує», «продовжує» і т. п. замінені на «сприяє збереженню», «захищає»).

Висловлені Л. Полінгом надії на активацію захисних сил за допомогою вітаміну С, що сприяє лікуванню від раку, також не знайшли чіткого дозволу. Більше того, доведено, що при променевій терапії використання аскорбінової кислоти призводить до підвищеної стійкості пухлинних клітин. Існують дослідження, що проводив Марк Левін, у яких вітамін С вводився ін'єкціями внутрішньовенно в дозі до 4 грамів на кілограм ваги тварини на добу. В яких доводилося протиракову дію вітаміну С приблизно на 75% ракових клітин, без впливу на здорові клітини. При цьому зростання пухлини сповільнювався на 41-53%.

1.2 Хімічна будова та властивості вітаміну С

Таблиця 1

Вітамін C
Систематична назва (IUPAC)
2-Oxo-L-threo-hexono - 1,4 - lactone - 2,3 - enediol or (R) - 3,4 - dihydroxy-5 - ((S) - 1,2 - dihydroxyethyl) furan-2 (5H) - one
Ідентифікатори
Номер CAS	50-81-7
Код ATC	A11G
PubChem	5785
DrugBank	DB00126
Хімічні дані
Формула	C6H8O6
Молярна маса	176.12 г./моль
SMILES	eMolecules & PubChem
Синоніми	L-ascorbic acid
Фізичні дані
Густина	1.694 г./смі
Температура плавлення	190°C (374°F)
Температура кипіння	553°C (1027°F)
Фармакокінетичні дані
Біодоступність	rapid & complete
Зв'язування	negligible
Метаболізм	-
Період напіврозпаду	varies according to plasma concentration
Виділення	renal
Терапевтичні застереження
Кат. вагітності	A
Лег. статус	general public availability
Використання	oral

Вітаміни - це життєво необхідні органічні сполуки, які постійно потрібні для нормального перебігу біохімічних реакцій в організмі.

Вченими описано понад 50 відсотків вітамінів і вітаміноподібних речовин. З цієї кількості 20 вітамінів людина повинна одержувати неодмінно. Серед них як на чільному місці стоїть вітамін С (аскорбінова кислота).

Аскорбінова кислота - органічна сполука, родинне глюкози, є одним з основних поживних речовин у людському раціоні, яка необхідна для нормального функціонування сполучної і кісткової тканини. Виконує біологічні функції відновлення і коферменту деяких метаболічних процесів, є антиоксидантом. Біологічно активний лише один з ізомерів - L-аскорбінова кислота, яку називають вітаміном C.

У природі аскорбінова кислота міститься у фруктах, ягодах і овочах (особливо в плодах шипшини, чорної смородини, в болгарському перці і яблуках).

Основні властивості:

Малюнок 1.

Оптичні ізомери аскорбінової кислоти:

1a - L-аскорбінова кислота,

2a - L-ізоаскорбінова кислота,

1b - D-ізоаскорбінова кислота,

2b - D-аскорбінова кислота.

По фізичних властивостях аскорбінова кислота являє собою білий кристалічний порошок кислого смаку. Легко розчинний у воді і у спирті.

Через наявність двох асиметричних атомів існують чотири енантіомери аскорбінової кислоти. Дві умовно іменуються L-і D-форми хіральних щодо атома вуглецю в фуранові кільці, а з-форма є D-ізомером по атому вуглецю в бічній етилової ланцюга.

L-ізоаскорбіновая, або еріторбовая, кислота використовується як харчової добавки E315.

Основні функції аскорбінової кислоти:

· антиоксидантна;

· синтезує колаген;

· синтезує карнітин;

· синтезує нейромедіатори (норепінефрин і серотонін);

· детоксикація і виведення хімічних речовин;

· модуляція імунітету;

· розклад і виведення холестерину;

· сприяє абсорбції заліза;

· захищає фолати і вітамін Е від окиснення і підтримує ці вітаміни в активній формі;

· контроль рівня гістаміну в крові.

2. Технологія виробництва вітаміну С

2.1 Стадія 1: виробництво D-сорбіту з D-глюкози

У виробництві синтетичної аскорбінової кислоти D-сорбіт є першим проміжним продуктом синтезу. D-сорбіт являє собою білий кристалічний порошок, легко розчинний у воді. Сировиною для його виробництва є D-глюкоза. Це порівняно дорога сировина, вартість його становить 40-44% від собівартості аскорбінової кислоти, тому заміна D-глюкози на нехарчові види сировини є важливою проблемою.

Методи відновлення глюкози

Процес відновлення D-глюкози можна здійснювати двома методами:

- електролітичним відновленням;

- каталітичним гідруванням.

Електролітичне відновлення D-глюкози в D-сорбіт здійснюється при кімнатній температурі в електролізерах зі свинцевими анодами і катодами зі сплаву нікелю. Процес проводять в присутності NaOH і сульфату натрію або амонію при рН=10. Перевага процесу полягає в м'яких умовах його проведення, у відсутності дорогих каталізаторів і автоклавів. Однак у процесі електролітичного відновлення виходить розчин D-сорбіту, забруднений його ізомером-D-манітом (до 15%). Поділ цих ізомерів представляє великі труднощі. Недоліком процесу є також висока лужність розчину і складність конструкції електролізера. Тому в даний час на вітамінних підприємствах прийнятий каталітичний метод.

Каталітичне гідрування (відновлення) можна представити наступною схемою: вихід становить 98-99% від теоретично можливого. Особливістю цієї стадії виробництва є протікання ряду побічних реакцій:

Ю окислювання D-глюкози (I) в D-глюконову кислоту (VI) киснем повітря у присутності каталізатора;

Ю фенолізація D-глюкози в лужному середовищі з подальшою ізомеризацією в D-фруктозу (II) і D-манозу (IV).

Ю D-фруктоза може далі перетворюватися в D-сорбіт (III) і D-маніт (V).

Ю у побічних процесах гідрогенолізу глюкози, крім D-сорбіту, утворюються також етиленгліколь, гліцерин, пропіленгліколь і інші побічні продукти.

Основне завдання при здійсненні технологічного процессу - звести до мінімуму утворення цих побічних продуктів. Це досягається низкою заходів, які будуть розглянуті кілька пізніше.

Технологічна схема отримання D-сорбіту включає наступні операції:

1) Приготування і регенерація скелетного нікелевого каталізатора.

2) Приготування 50-55%-ного розчину D-глюкози.

3) Одержання D-сорбіту.

4) Очищення водного розчину D-сорбіту від іонів важких металів.

5) Отримання кристалічного D-сорбіту для випуску харчового D-сорбіту.

Способи гідрування глюкози

Процес гідрування глюкози здійснюють двома способами: або автоклавним періодичним способом, або в безперервно діючих апаратах.

Періодичний спосіб: для гідрування готують 50-55%-ний водний розчин D-глюкози при 70-75 В° С, очищають розчин активованим вугіллям при 75 В° С, фільтрують через нутч-фільтр. У очищений розчин додають вапняну воду до рН 8,0-8,1 і розчин направляють на гідрування.

В даний час розроблено спосіб безперервного очищення 50%-них розчинів глюкози на гранульованому вугіллі АГ-3. Витрата його значно менше, ніж порошкоподібного, він легше регенерується. Поряд з цим проводяться дослідження з очищення 50%-них водних розчинів глюкози з використанням полімерних мембран та іонообмінних смол.

Автоклавний процес гідрування здійснюють при температурі 135-140 В° С, і рН=7,5-7,8 під тиском 70-100 атм. при безперервній подачі водню, отриманого електролітичним шляхом, в автоклав. Закінчення процесу визначають з припинення падіння тиску водню в автоклаві протягом 20 хв. Розчин сорбіту охолоджують до 75-80 В° С, знижують тиск в автоклаві до 5-7 атм. і направляють розчин сорбіту спільно з каталізатором на фільтрацію. Каталізатор відокремлюють на друк-фільтрі і ретельно відмивають гарячою водою. Потім каталізатор направляють на регенерацію. Як вже вказувалося, процес гідрування супроводжується низку побічних реакцій. Для того, щоб звести їх до мінімуму, необхідно в періодичному процесі:

- не допускати зберігання лужного розчину D-глюкози з каталізатором;

- проводити реакцію гідрування при рН, близькому до нейтрального (7,3-7,5), так як в лужному середовищі D-глюкоза буде піддаватися розпаду при t=135-140 В° С.

Однак при змішуванні каталізатора з розчином D-глюкози в автоклаві спостерігається деяке зниження величини рН, тому рН розчину на початку процесу слід доводити до 8.0, а розчин глюкози готувати на дистильованій воді (він повинен бути прозорим і не містити сторонніх солей). Слід використовувати особливо чистий, електролітичний водень. Каталізатор необхідно ретельно підготувати і промити. Величина зерен каталізатора - 1-2 мм. Залишковий вміст глюкози по закінченні гідрування не повинно перевищувати 0,1% за масою.

Безперервний спосіб: на підприємствах Угорщини, Німеччини, деяких американських фірм, в Росії (м. Йошкар-Ола) процес гідрування глюкози в сорбіт ведуть безперервним способом.

При безперервному способі більш ефективним є застосування суспензованого каталізатора, оскільки при цьому досягається підвищення контактної поверхні каталізатоpa і найкращого використання обсягу автоклава. На основі угорської ліцензійної технології процес гідрування у Йошкар-Олі здійснюють у каскаді з колонних автоклавів при температурі 140-165 В° С і тиску 150 атм.

Попередньо готують 50%-ний розчин глюкози при t=80 В° С, охолоджують його до 30-40 В° С і подають на гідрування через спеціальний змішувач з каталізатором. В системі змішувачів готують 10%-ву суспензію нікелевого каталізатора у вапняній або аміачної воді, змішують її з 50%-ним розчином глюкози і насосами-дозаторами направляють в три послідовно з'єднані колони. Водень подається в той же змішувач. За закінчення процесу гідрування розчин сорбіту спільно з каталізатором надходить для сепарації водню до збірки, а потім на фільтрацію (система сепаратор-фільтр). Відпрацьований каталізатор промивають гарячою водою і передають на регенерацію, а розчин D-сорбіту - на очищення.

В даний час проведені випробування більш технологічного і простого процесу гідрування на стаціонарному нікелевому каталізаторі. Мідно-нікелевий стаціонарний каталізатор застосовують в НДР для гідрування глюкози при t=120-140 В° С. Безперервний процес гідрування дозволяє застосовувати автоматичний контроль і регулювання, забезпечувати більш високу якість продукту і збільшувати продуктивність праці.

Очищення сорбітного розчину

Очищення проводиться двома способами:

1) хімічним - методом осадження іонів важких металів (міді, заліза, нікелю) за допомогою двузамещенного фосфорнокислого натрію (Na2HPО4). До 20-25%-ного розчину сорбіту додають 1,5-2% Na2HP04 і 2-S% крейди (до маси розчину), нагрівають протягом 1 год до 85-90 В° С, фільтрують через нутч-фільтр або фільтр-прес з застосуванням азбестового або вугільної подушки. По закінченні фільтрації розчин сорбіту піддають аналізу.

2) на іонообмінних смолах - 25-30%-ний розчин сорбіту пропускають через дві колони, заповнені катионитом (Н- + - форма) 1 У-2. При цьому рН розчину значно знижується за рахунок іонного обміну. Для підвищення рН до 4,0-4,6 розчин пропускають через 3 безперервнодіючі колони, заповнені слабоосновним анионитом ЕДЕ-10П. Для отримання кристалічного продукту очищений розчин сорбіту випаровують у вакуум-апараті, при вакуумі не нижче 650 мм рт. ст. до вмісту сухих речовин 70-80%. Частина розчину сорбіту упарюють на РПІ до вмісту вологи 5% і кристалізують. Кристали відфільтровують, промивають спиртом і висушують при температурі 35-40 В° С. Отримують чистий медичний сорбіт, використовуваний для лікувальних і харчових цілей. Гранульований D-сорбіт з водного концентрату виробляють на спеціальній сушильній установці.

2.2 Стадія 2: виробництво L-сорбози з D-сорбіту

L-сорбоза в кристалічному вигляді має р-форму піранози. Добре розчинна у воді, погано в спирті, Тпл=165 В° С. L-сорбоза чутлива до нагрівання, особливо в розчинах. Найбільш стійка при рН 3,0. При рН<3 йде процес розпаду до оксиметилфурфурола і далі мурашиної і левулінової кислот.

Методи отримання L-сорбози

Можливі два методи отримання L-сорбози з сорбіту: хімічний і мікробіологічний. Хімічний метод включає до 6 стадій, вихід L-сорбози складає всього 0,75% від теоретично можливого, тому промислового застосування він не знайшов.

Процес окислення D-сорбіту в L-сорбозу здійснюється біохімічним методом і є результатом життєдіяльності аеробних кетогенних оцтовокислих бактерій, культивованих на живильному середовищі, що складається з D-copбіта і дріжджового автолізату або екстракту. Вивчено окисну дію різних мікроорганізмів: Ac. xylinum, Ac. xylinoides, Ac. suboxydans. Найбільш ефективно використання іммобілізованих клітин Gluconobacter Oxydans. Окислення здійснюється в присутності біостимуляторів-амінокислот, вітамінів групи В, що прискорюють процес на 40%. Біостимулятор повинен відповідати певним вимогам:

ь забезпечувати високу швидкість процесу,

ь застосовуватися в можливо менших кількостях,

ь бути недорогим і простим у приготуванні,

ь містити мало баластних речовин, які ускладнюють виділення L-сорбози і погіршують її якість.

Біостимулятори готують, як правило, з дріжджів, піддаючи їх різним видам обробки. В даний час розроблений спосіб приготування ферментативного гідролізата дріжджів - нового біостимулятору для отримання L-сорбози. Випробування його показали, що окислення сорбіту в цих випадках відбувається з більш високою швидкістю, ніж на використовуваному у виробництві кислотному гідролізаті дріжджів з кукурудзяним екстрактом.

Основні фактори, що впливають на процес окислення:

а) Склад і якість живильної середовища. (якість залежить від ступеня очищення розчину D-сорбіту. Так, за наявності в сорбіті домішок можуть протікати побічні процеси: утворення D-глюконової к-ти, б-кетп-О-глюконової до-ти, D-фруктози з манініта, а в кислому середовищі - 5-оксіметілфурфу-рола. Сама L-сорбоза здатна гидролизовуватись, легко перетворюючись на мурашину і левулінову кислоти)

б) Кількість і якість повітря. (процес окислення є аеробним, тому інтенсивність його залежить від кількості та якості повітря, що подається для аерації живильного середовища)

в) Герметичність і висока стерильність апаратури, неприпустимість зараження середовища сторонньої мікрофлорою.

Технологічний процес окислення D-сорбнта в L-сорбозу складається з наступних допоміжних і основних операцій:

1. Приготування дріжджового біостимулятору, дріжджового автолізату і розведеної сірчаної кислоти.

2. Приготування робочої культури. p>3. Приготування та вирощування посівного матеріалу, p>4. Проведення процесу біохімічного окислення в виробничому ферментаторі.

3. Виділення кристалічної L-сорбози з окисленого розчину, p>6. Виділення L-сорбози з маткових розчинів. Біостимулятор готують, як уже вказувалося, з дріжджів, витягуючи необхідні компоненти з дріжджових клітин з допомогою водної екстракції, автоліза, плазмолізу, кислотного гідролізу. Живильним середовищем для робочої культури є очищений розчин D-сорбіту і автолізат пекарських дріжджів. У живильне середовище додається оцтова кислота до рН 4,8-5,5.

Посівний матеріал вирощують глибинним способом у спеціальних апаратах-інокуляторах та посівних ферментаторах. Апарат ретельно стерилізують гострою парою, потім у нього засмоктують живильне середовище складу: 10% ний розчин очищеного сорбіту, біостимулятор, азотнокислий амоній, трилон Б, невелика кількість олеїнової кислоти. У поживне середовище додають сірчану кислоту до рН 5,4-6,0 і стерилізують протягом 1 год при температурі 120 В° С. Після закінчення стерилізації розчин охолоджують до 35 В° С, вводять стерильну робочу культуру оцтовокислих бактерій, вітаміни B1 і В3 і ведуть процес культивування (глибинного окислення) при температурі 30-32 В° С протягом 10-12 ч. Після цього глибинну культуру стерильно переносять у посівні ферментатори. Культуру з інокулятора перевіряють на чистоту і ступінь окислення, яка не повинна бути нижче 30%. У посівному ферментаторі домагаються глибини окислення не менше 40%, а у виробничому - до 97,5-98% при часі окислення до 18-30 ч.

З метою інтенсифікації процесу отримання сорбози запропоновано метод стерилізації живильного середовища та устатковання озоном, що скорочує час основного процесу окислення до ступеня окислення 97,5-98%. Дослідженнями встановлено можливість біохімічного окислення сорбіту в сорбозу шляхом аерації середовища киснем замість повітря при глибині окислення 94-95%.

Способи ферментації

Процес ферментації ведуть двома способами: періодичним і безперервним. Розглянемо перспективний безперервний спосіб.

Безперервний спосіб ферментації включає 2 стадії:

1) безперервне культивування оцтовокислих бактерій при біохімічному окисленні D-сорбіту в проточних середовищах;

2) безперервне виділення кристалічної L-сорбози з окисленого розчину.

Найбільш ефективно процес ферментації здійснюється в колонній ферментаторі з сітчастими тарілками (установка типу УНФ-100). Ферментатор являє собою колону висотою 8,3 м, діаметром - 1,1 м, що складається з 6 царг з 32 сітчатимі тарілками. Об'єм робочої зони - 3, 8 м 3. У апарат з певною швидкістю, що забезпечує необхідну ступінь перетворення D-сорбіту в L-сорбозу, безперервно подається робоча культура, стерильне середовище (водний розчин сорбіту з концентрацією D-сорбіту 22%), а також стиснене повітря. Процес проводиться при температурі 30-36 В° С, тиску 0,2-0,5 атм, рН=4-4,5 протягом 28-39 год. Обігрів здійснюється гарячою водою через секційні сорочки. Окислений розчин безперервно відводиться з верхньої частини колонного ферментатора до збірки, а потім надходить на доокисление в періодично діючі ферментатори, де глибина окислення підвищується з 70-80% до 95%. Окислений розчин сорбіту з вмістом сухих речовин 20-25% направляють на очищення. Очищення проводять за допомогою активованого вугілля, яке фільтрують на фильтр-пресі. Потім проводять процеси упарювання при t=45-50 В° С під вакуумом і кристалізації, фугування і сушіння сорбози в сушарках киплячого шару при t=60-100 В° С до змісту вологи трохи більше 0,7%. З метою підвищення якості, зниження втрат при упарюванні розчину сорбози розроблено метод безперервного упарювання і кристалізації сорбози в вакуум-кристалізаторі при зниженій температурі (35 В° С) і температурі теплопередающей поверхні не вище 70-92 В° С з подальшою фуговкою сорбози і поверненням маточного розчину сорбози в вакуум-кристалізатор. Втрати сорбози зменшуються, а вихід сорбози зростає до 90%. Продуктивність безперервного способу виділення сорбози на 10% вище, ніж періодичного. Безперервне виділення кристалічної сорбози може також здійснюватися наступним чином. Окислений розчин безперервно відводиться з колонного апарату до збірки і далі надходить у сепаратор для очищення від білкових частинок, потім прямує в колону з катпоіптом, і далі - у колону з анионитом. Очищений розчин насосом подають у розпилювальну сушарку, де сушать при= 70 В° С, Остаточна сушка проводиться в шнекової сушарці до вологості не більше 0,1%. Останній метод є особливо перспективним у великотонажних виробництвах.

2.3 Стадія 3: виробництво діацетоп-L-сорбози з L-сорбози

Діацетоп-L-сорбоза (ДАС) - кристалічна речовина з Tпл = 78 В° С, добре розчинна у воді, ефірі, бензолі та ін органічних розчинниках. Отримують ДАС у вигляді розчину світло-коричневого кольору з вмістом сухих речовин не менше 14-17%. Процес ацетонування є однією з основних і найскладніших стадій у виробництві аскорбінової кислоти. Проводять цей процес з метою захисту гідроксильних груп при подальшому окисленні ДАС. Механізм ацетонування надзвичайно складний, однозначного тлумачення його немає.

Припускають, що моноацетонуванню піддаються ті форми L-сорбози, які мають гідроксильну групу, розташовану поряд з полуацетальним гідроксилом при Са-атомі по тій же стороні циклу (L-cx-сорбопіраноза і La-сорбофураноза). Слід підкреслити, що механізм ацетонування визначається також і каталізаторами ацетонування. В якості каталізаторів можуть бути використані: сірчана кислота, олеум, хлорид цинку, сульфонові кислоти, іонообмінні смоли (сульфокатіоніти в Н +-формі).

Відповідно до цієї схеми реакція ацетонування L-сорбози є оборотною, і напрям її залежить від різних умов. Встановлено вплив наступних факторів:

1. Температура. При зменшенні температури рівновага між ДАС та іншими ацетонового похідними зміщується в бік утворення ДАС. Тому реакція ацетонування повинна проводитися при мінімально допустимої (з урахуванням, звичайно, необхідної швидкості процесу) температурі (12-14 В° С) з подальшим охолодженням до - 10-20 В° С для зміщення рівноваги в бік утворення ДАС.

2. Присутність води. ДАС в присутності води і кислоти легко гідролізується. Вода може утворитися також при реакціях «ущільнення» ацетону. Тому вміст води в реагентах має бути мінімальним (в L-сорбозу не більше 0,1%, ацетоні - 0,1-0, 2%). Для зв'язування води застосовують 20%-ний олеум, який використовується в як каталізатор. Виходячи з цих міркувань, привабливою представляється ідея видалення води або її хімічного зв'язування.

3. рН середовище. У присутності кислоти, а також у лужному середовищі протікає побічна реакція освіти окису мезітіла з ацетону. Тому важливо стежити за рН маси після нейтралізації, не допускаючи високої лужності.

4. Зміст олеума. Має важливе значення, т.к. надлишок його прискорює процес конденсації ацетону, а зменшення його кількості прискорює гідроліз ДАС незв'язаної частиною води.

5. Порядок змішання реагентів при нейтралізації ДАС: пряма або зворотна нейтралізація. Показано, що при зворотній нейтралізації ацетонового розчину ДАС вихід її збільшується.

6. Температура нейтралізації та інтенсивність перемішування реакційної маси. При зниженні температури нейтралізації від +5 В° С до 0 В° С вихід ДАС підвищується; при збільшенні інтенсивності перемішування в ацетонаторах вихід ДАС теж зростає, причому значно. Всі перераховані фактори враховуються в технологічному процесі отримання ДАС.

Технологічний процес отримання ДАС включає 5 основних та 5 додаткових операцій. Основні: ацетонування, нейтралізація, отгонка ацетону і відділення ДАС від сольового розчину, отгонка окису мезітіла, очищення ДАС. Додаткові: екстракція моноацетонсорбози (MAC) пз сольового розчину, відгонка ацетону з упариванием і отриманням сиропу MAC, доацетонування MAC, отгонка ацетону від сольового розчину, регенерація ацетону. Процес можна вести періодичним і безперервним способом. Найбільш передової промислової технологією є безперервний спосіб отримання ДАС. Процес ацетонірованія L-сорбози проводиться в реакторах-ацетонаторах. Використовується каскадна схема з 4-х ацетонаторів.

У ацетонатор за допомогою дозуючих насосів через теплообмін безперервно подають ацетон з температурою не вище -2 В° С і олеум. Швидкість подачі ацетону регулюють залежно від кількості дозуючої з бункера сорбози. Швидкість подачі олеума і сорбози регулюється в межах 60-90 л/год і 80-181,2 кг/год, відповідно. Ацетонатори забезпечені швидкісними мішалками. Підтримується кислотність в межах 82-105 г./л і температура не вище 16 С. З 1-го ацетонатора у міру його наповнення маса самопливом надходить в 2-ій ацетонатор, де підтримується температура не вище 24 В° С і далі в 3-ій, що працює аналогічно другому, але температура в ньому не ви…ще 18 В° С. Далі маса надходить в 4-ий реактор, що працює при температурі 18 В° С, де ацетонування завершується. Потім маса через холодильник надходить у реактори-охолоджувачі, де її охолоджують до -17 В° С і передають на стадію нейтралізації. Нейтралізація кислого ацетонового розчину моно-і діацетон-L-сорбози може, також як і ацетонування, проводитися як періодичним способом, так і безперервним.

Безперервний спосіб більш продуктивний і дозволяє отримати ДАС більш високої якості. За безперервному способу нейтралізацію ведуть в системі з 4-х нейтралізаторів, куди за допомогою насоса одночасно подають розбавлений (8%-ний) розчин лугу зі швидкістю 550-680 л/год кислий ацетоновий розчин зі швидкістю 1100-1500 л/год, підтримуючи температуру в межах 2-10 C і лужність 0,5-2 г./л. Нейтралізований водно-ацетонових розчин MAC і ДАС направляють в відгінний апарат при температурі 80 - 110 В° С ведуть отгонку вологого 10-20%-ного ацетону. Потім упаренний розчин охолоджують до 33-38 В° С і виробляють поділ шарів. Доацетонування MAC проводять у ацетонаторі, куди надходить розчин MAC, охолоджений ацетон і олеум. Процес ведуть при температурі 8-12 В° С протягом 2-2,5 год, потім масу охолоджують до -10 В° С - 20 В° С і передають на нейтралізацію. Далі надходять, як при ацетонованій сорбози. Додатковий вихід ДАС-5, 6%. Ацетон, отриманий в процесі відгону, повністю регенерують. Регенерацію ацетону здійснюють на ректифікаційних колонах, з'єднаних з відповідними апаратами (Дефлегматори, холодильники, збірники, насоси). Процес ректифікації регулюється автоматично. Кубовий залишок від ректифікації знешкоджують гіпохлоритом натрію. З сольового розчину сульфату натрію планується отримувати чистий сульфат натрію. Очищений 14-17%-ний сироп ДАС направляють на стадію окислення. Сумарний вихід ДАС досягає 78-87% від теоретично можливого.

2.4 Стадія 4: виробництво гідрату діацетон-2-кето-L-гулонової кислоти

Четвертої стадією промислового синтезу аскорбінової кислоти є окислення діацетонсорбози (ДАС) в 2,3,6 - ді-о-нзопропілнден-а-L-кетогулоновую кислоту (ДКГК). Гідрат ДКГК кристалізується у вигляді безбарвних кристалів з Гп.л=98-99 В° С, добре розчинний у спирті, ефірі, майже не розчинний у крижаній воді. При кип'ятінні з водою гідрат легко обмилюється і переходить в 2-кето-Ь-гулонової кислоту, процес гідролізу легко йде в кислому середовищі. Процес окислення ДАС здійснюється під дією досить сильних окислювачів-перманганату калію або гіпохлориту натрію. Поряд з хімічними методами окислення широко використовується в промисловості електрохімічне окислення ДАС.

Окислення ДАС перманганатом калію здійснюється у водно-лужному середовищі при t=32-34 В° С. Отриману натрієву сіль діацетон-2-кето-Ь-Гулонової кислоти переводять у ДКГК за допомогою 20%-ного розчину НС1 при t=2 В° C (pH 1.7-2,0). Вихід ДКГК-95-96%. Притаманні цьому процесу недоліки - висока вартість і дефіцитність КМп0 4, а також досить велика його витрата (незважаючи на те, що КМп0 4 є дуже ефективним і зручним для застосування окислювачем) роблять його неперспективним для широкого застосування. Найбільш перспективними з економічної точки зору є гипохлоритного і електрохімічний методи окислення ДАС, що застосовуються на ряді заводів. Розглянемо ці два методи більш докладно.

Методи окислення ДАС

Гипохлоритний метод. Механізм окислення за допомогою NaCIO у присутності NiS04 полягає в наступному.

У лужному середовищі утворюється гідрат закису нікелю, окислюється NaCIO до №203:

NiSOA +2 NaOH-^ Ni (OH) o + N ^ S04 2Ni (OH) 2 + NaC10-> Ni203 +2 H20 + NaCl

Окис нікелю (Ni34) далі діє як каталізатор, виділяючи кисень з NaCIO. Окис нікелю перетворюється на закис, яка знову окислюється в окис нікелю:

NaCIO + Ni203-^ 2NiO ^ NaCI 1-0З

Вирізняється кисень, окисляє ДАС. Процес сильно екзотермічний. Реакція, як правило, протікає з швидким підвищенням температури до 100-102 В° С. На процес окислення і на якість ДКГК впливають ряд факторів. Концентрація лугу в NaCIO повинна підтримуватися на рівні близько 70 г./л при концентрації активного хлору 150-170 г./л. Кількість NaCIO не повинно перевищувати теоретичного, оскільки при його надлишку збільшуються втрати ДКГК. Температура окислення повинна бути не нижче 65 В° С і не вище 80 В° С. Концентрація ДАС - до 18-20%. При більш високій концентрації окислювання протікає дуже енергійно. Витрата окислювача залежить від якості ДАС. На вихід ДКГК впливає величина рН реакційної маси (процес ведуть при рН=7,5-8,0).

Основний побічний процес - окислення домішки ДAC з утворенням оксалату і ацетату натрію, хлористого натрію і хлороформу.

Процес отримання гідрату ДКГК складається з наступних операції:

1. Приготування розчину сірчанокислого нікелю.

2. Підготовка розчину NaClO.

3. Приготування розведеної соляної кислоти.

4. Отримання натрієвої солі ДКГК методом безперервного окислення ДАС гіпохлоритом натрію.

5. Отримання гідрату ДКГК. Попередньо готують розчин сірчанокислого нікелю в дистильованої воді з концентрацією 200-400 г./л.

З метою стабілізації процесу окислення розчин гіпохлориту натрію вводять 42-44 -%-іий розчин NaOH. Після 1 год витримки розчин передають на стадію окислення. Розчин містить 50 г./л NaOH, 150 г./л активного хлору. Готують також 19,44% - ний розчин соляної кислоти. Процес окислення ведуть в безперервно чинної колоні з кільцями Рашига. Робочий розчин ДАС (вміст лугу-10-15 г./л, ДАС-20%) підігрівають до 35-80 В° С і насосом подають у напірну ємність, звідки самопливом - в нижню частину окисної колони. В лінію подачі ДАС направляють розчин сульфату нікелю. У нижню частину окисної колони з напірної ємності самопливом подають розчин гіпохлориту натрію. Швидкість подачі регулюють і вимірюють відповідними приладами. Швидкість подачі розчину ДАС - 750 л/год, каталізатора - 7-10,8 л/год, розчину NaClO - з розрахунку 1 кг активного хлору на 1 кг 100% ДАС. Окислений розчин з верхньої частини колони безперервно надходить у реактор з ропні охолодженням. Розчин фільтрують від окислів нікелю і охолоджують до 5-10 В° С. До охолодженого розчину в змішувач подають розбавлену соляну кислоту до рН=4,5-5,5. Потім маса направляється в реактор, де відбувається виділення гідрату ДКГК розведеної соляної кислотою при рН=1,7-2,0 і температурі не вище 10 В° С. Гідрат ДКГК відфільтровують і промивають крижаною водою. Після цього гідрат ДКГК, що містить 10% вологи, направляють в пневматичну сушарку, де сушать повітрям з температурою 80 В° С. Висушений гідрат передається на стадію отримання технічної аскорбінової кислоти. Вихід гідрату ДКГК - 90% від теоретично можливого. В даний час на деяких вітамінних комбінатах впроваджений безперервний процес виділення гідрату ДКГК. Процес регулюється автоматично. Досягнуто вихід гідрату 96,3%. Спосіб окислення ДАС за допомогою гіпохлориту натрію, незважаючи на високу ефективність і економічність, має ряд недоліків: значна корозія апаратури внаслідок використання водного розчину гіпохлориту натрію, велике кількість неорганічних відходів, погані санітарні умови та інші.

Електрохімічний метод. Електрохімічне окислювання в лужних середовищах - перспективний промисловий спосіб окислення ДАС. В даний час спосіб значно вдосконалений і є безперервним. Електрохімічний метод окислення розроблений в 1970 р. Раніше окислення ДАС до ДКГК здійснювалося на графітових електродах. У промисловості СРСР і Болгарії досить довго використовували графітові електроди, які згодом були замінені на металеві. Низька механічна і корозійна стійкість графіту, обмеження по щільності струму, несприятливе співвідношення ефективної поверхні до об'єму електрода - все це не давало можливості використовувати електрохімічний спосіб для багатотоннажних виробництв. Процес електрохімічного окислення проводиться у присутності каталізатора - хлористого сірчанокислого нікелю.

Особливістю процесу є участь гідроксид-іонів в процесі окислення. При Рі<12,4 різко знижується швидкість окислення. Електрохімічне окислювання проводять в електролізерах спеціальної конструкції. Електролізери у формі вініпластових ванн, що застосовувалися раніше, замінені на електролізери фільтр-прессного типу з високою щільністю струму. Установка складається з 8 електролізерів, пов'язаних між собою послідовно. Перетікання рідини здійснюється за рахунок безперервної подачі електроліту в перший електролізер. Швидкість подачі електроліту контролюється ротаметром. Електроліт готують попередньо - концентрація ДАС - 120-140 г./л, NaOH-36-43 г./л. Величина рН на початку процесу 13,4-13,8, концентрація NiCb-1, 5%. Процес окислення здійснюється при температурі 50-53 В° С, щільності струму 2-6 А/дм2 до залишкової концентрації ДАС не більше 2.5 г./л. Електроокислювальна система складається з 4-х контурів, пов'язаних між собою послідовно. Подача електроліту в перший контур здійснюється через ротаметр. Кожен контур складається з електроокислювача, фазороздільника, насоса, теплообмінника. Циркуляція електроліту по контуру забезпечується роботою насоса. Гідрат ДКГК виділяють з розчину її натрієвої солі, підкисляючи останній соляною кислотою до р =1,7-2, 0 при температурі не вище 10 В° С. Гідрат ДКП сушать у пневматичній сушарці при 80 В° С.

Електрохімічний спосіб дозволяє отримувати гідрат ДКГК з виходом 90%. Удосконалення електрохімічного окислення пов'язано з розробкою нових каталізаторів, використанням попередньо активованого відпрацьованого каталізатора, а також з розробкою методів очищення стоків і в інших напрямках.

2.5 Стадія 5: виробництво L-аскорбінової кислоти з гідрату ДКГК

Перетворення гідрату ДКГК в аскорбінову кислоту є складним процесом і протікає у дві основні стадії. Першу стадію можна розглядати як стадію етерифікації та гідролізу, а другу - як фенолізацію і лактонізацію етилового ефіру 2-кето-Г-гулонової кислоти з утворенням аскорбінової кислоти. Послідовність цих процесів до кінця не з'ясована, однозначного тлумачення цих процесів немає. Освіта етилового ефіру 2 кето-L-гулонової кислотою доведено, проте його не виділяють.

До побічних процесів відносяться: часткове освіта фурфуролу, продуктів його конденсації і смол, а також інших органічних продуктів невідомого будови.

Процес отримання технічної аскорбінової кислоти

Процес отримання технічної аскорбінової кислоти (ТАК) складається з наступних операцій:

1. Фенолізація гідрату ДКГК.

2. Центрифугування та сушка ТАК.

3. Регенерація дихлоретану.

4. Нейтралізація кислого ацетону.

Процес фенолізаціі каталізується мінеральними кислотами, в тому числі хлористим воднем, і проводиться за використанні органічних розчинників - хлороформу, дихлоретану, трихлоретилена та ін. У промисловості використовують два варіанти. Фенолізацію ведуть у присутності спиртового розчину НС1 в діхлоретані або хлороформі. Спочатку йде процес етерифікації по карбоксильної групі і процес гідролізу ацетонових груп, а потім при 60-62 В° С - в хлороформі або 70-71 В° С - в діхлоретане протікає процес фенолізаціі і лактонізаціі. Тривалість процесу в хлороформі 45-48 год., вихід - 84,3% в перерахунку на ДКГК. Вихідний продукт - гідрат ДКГК - плавлять, додають концентровану 35%-ву соляну кислоту, температуру піднімають до 68-80 В° С і при температурі 50-80 В° С відганяють виділяється ацетон. Maccу передають у фенолізатор і додають дихлоретан, а потім ізопропанол і залишок соляної кислоти. Реакційну масу витримують протягом 8-12 год при температурі не вище 72 В° С. Через 8-10 год контролюють вміст продукту в масі. При позитивному аналізі охолоджують реакційну масу водою до 40 В° С, а потім протягом 1-3 год до температури не вище 14 В° С. Кристали аскорбінової кислоти фільтрують на центрифузі, промивають регенерованим ДХЕ, охолодженим до температури 10 В° С. Сушать ТАК в секційної сушарці при температурі не вище ПО В° С. Вихід ТАК - до 86-90%. Слід відзначити, що в цьому випадку процес йде через освіту 2-кето-Ь-гулонової кислоти. Недоліком цього методу є загуснення маси при гідролізі і лактонізаціі. Тому запропоновано вести процес без відгону ацетону. До недоліків фенолізаціі в хлороформі відноситься тривалість процесу, а також погана розчинність гідрату ДКГК і ТАК в застосовуваних розчинниках. З метою скорочення часу запропонований процес прискореної фенолізаціі в ДХЕ при роботі з вологим гидратом ДКГК фенолізацію і лактонізацію ведуть в середовищі дихлоретановій суміші з відгонкою ацетону в присутності розчину НС1 в ізобутанолі. Загальна тривалість процесу скорочується з 46-48 год до 20-24 год, вихід - 84,1% в перерахунку на гідрат ДКГК. Доцільно вести процес фенолізаціі у присутності поверхнево-активних речовин, які внаслідок подрібнення дисперсної фази зменшують опір масопереносу в гетерогенній системі і збільшують швидкість взаємодії.

2.6 Стадія 6: отримання медичної аскорбінової кислоти

Медичну аскорбінову кислоту (МАК) отримують перекристалізуванням ТАК і аскорбінової кислоти, виділеної з маточників.

Внаслідок лабільності перекристалізацію ТАК ведуть при дотриманні перерахованих нижче умов:

- процеси розчинення, упарювання, сушіння проводять швидко, при температурі не вище 70 В° С;

- розчини зберігають на холоду;

- для освітлення застосовують спеціально підготовлений вугілля і обмежують його кількість;

- повністю виключають контакт із залізом.

Процес отримання МАК складається з наступних операцій:

1. Отримання дистильованої води.

2. Відновлення активованого вугілля, регенерація відпрацьованого вугілля.

3. Перекристалізація ТАК.

4. Отримання АК П-ої кристалізації.

5. Отримання АК 111-їй і IV-ої кристалізації.

6. Регенерація етилового спирту, що використовується для промивання МАК. Дистильовану воду отримують перегонкою пом'якшеної води або артезіанської води. Воду аналізують на вміст іонів заліза, хлоридів, сульфатів і органічних домішок. Величина рН води повинна бути в межах 4,5-7,8.

Вугілля відновлюють глюкозою в лужному середовищі в присутності кальцинованої соди при температурі 85-90 В° С, фільтрують і промивають гарячою дистильованою водою до нейтральної реакції середовища. Перекристалізація ТАК і АКП-ой кристалізації ведуть при температурі 80-85 В° С у присутності активованого вугілля від трилону Б. Фільтрацію від вугілля проводять при температурі 65-75 В° С. Продукт кристалізують протягом 4-6 год при перемішуванні і температурі 0-2 В° С і відфільтровують. Отриману медичну аскорбінову кислоту на фільтрі промивають дистильованою водою, охолодженою до О-2 В° С, потім охолодженим етанолом і сушать у вакуумній сушці при температурі гарячої води 80-85 В° С. Вихід МАК 1-ої кристалізації 66,7% від теоретично можливого. Для отримання аскорбінової кислоти 11-ій кристалізації використовують маткові розчини аскорбінової кислоти, які упарюють і кристалізують. Аскорбінову кислоту 3-їй і 4-ої кристалізації отримують при переробці маткових розчинів аскорбінової кислоти 2-ої та 3-їй кристалізації. Сумарний вихід МАК з урахуванням перекристалізації аскорбінової кислоти 2, 3, 4 кристалізації складає 92,2% в перерахунку на ТАК. Всі розчинники, використовувані в синтезі аскорбінової кислоти, регенерують. Синтез аскорбінової кислоти багатостадійний процес, що вимагає використання великої кількості розчинників і різних видів сировини. Викиди в атмосферу і утворення значної кількості кислих стоків на стадії ацетонування є серйозним недоліком процесу в цілому.

Висновок

Найбільш досконала стадія в промисловому синтезі аскорбінової кислоти - трансформація D-сорбита в L-copбозу, здійснювана мікробіологічним окисленням. У цьому використовується унікальна властивість бактерій - виконувати спрямований процес окислення багатоатомних спиртів у цукрі.

У дослідженнях, вкладених у вдосконалення синтезу вітаміну С, чітко простежується тенденція до зменшення кількості хімічних стадій за рахунок залучення біотехнологічних методів.

Значні успіхи досягнуто при отриманні 2-кето-L-гулонової кислоти через 2,5 дикето-0-глюконову кислоту. 2,5 - дикето-0-глюконова кислота може бути отримана при окислюванні глюкози бактеріями роду Gluconobactcr Егwinia. Трансформація отриманої кислоти в 2-кето-Ь-гулонову кислоту здійснюється багатьма бактеріями, які належать до пологів Corynebacterium, Brevibacterium та інших. Використовуючи мікробіологічний метод, можна здійснити щодо одного ферментер двухстадийний синтез 2-кето-1-гулонової кислоти з великим виходом - 84,6% (при хімічному синтезі 65-69%).

Синтез аскорбінової кислоти через 2,5 - дикето-0-глюконну кислоту виключає процеси, пов'язані з допомогою високого тиску, знижує металлоємкість апаратури і різко зменшує кількість шкідливих викидів. Нині отримано рекомбінантний штам, трансформирующий глюкозу у 2-кетоL-гулонову кислоту. У результаті, синтез аскорбінової кислоти, зведений до двох стадій:

1) отримання 2-кето-L-гулонової кислоти мікробіологічними способом;

2) фенолізація отриманої кислоти із заснуванням аскорбінової кислоти.

Мікробіологічний метод відкриває великі перспективи у сфері синтезу аскорбінової кислоти.

Список використаної літератури

1. Касаткіна А.Г. Основні процеси та апарати хімічної технології. - М.: Просвещение, 2008

2. Акинин Н.І. Промислова екологія: принципи, підходи, технічні рішення. - М.: Техноіздат, 2012

3. Кутєпов А.М., Бондарева Т.І., Беренгартен М.Г. В «Загальна хімічна технологіяВ» М.: Вища школа, 2000

4. Рахмілевіч 3.3., Радзін І.М., Фарамаз С.А., Довідник механіка хімічних виробництв, М., 2009

5. Довідник інженера-хіміка, пров. з англ., 6 видавництво., під ред. Р. Перрі, кн. 1-4, M., 2001

6. Аскорбінова кислота. Реєстр лікарських засобів. РеЛеС.ру

7. http://vitaminz.su/vitamin-C.html

8. Прищеп Т.П., Чучалин В.С., др. Основы фармацевтической биотехнологии: Учебное пособие. - Ростов н/Д.: Феникс; Томск: Издательство НТЛ, 2006. - 256 с. - (Высшее образование).

9. Тимощенко Л.В., Чубик М.В. Основы микробиологии и биотехнологии: Учебное пособие. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. - 194 с.

10. Межгосударственный стандарт. Издательство стандартов; Стандартинформ, 2007.

Размещено на Allbest.ru