酒石酸绿色合成工艺研究与优化

【摘要】酒石酸(TartaricAcid,化学名2,3—二羟基丁二酸,C4H6O6),是一种常见的有机酸,最早是从葡萄酒的发酵副产物——酒石中提取获得。酒石酸由于其独特的物理化学性质,在食品、制药、轻工业、化工等行业均有着广泛的应用。特别是在食品工业中,酒石酸作为种优良的酸味剂,其酸味是柠檬酸的1.2-1.3倍,可作为饮料、糖果等食品的酸度调节剂和抗氧化剂。目前的生产工艺存在转化率不高,资源浪费,生产成本较高等问题；同时,含重金属催化剂的母液若直接排放也造成了严重的环境污染问题。因此,对酒石酸的传统工艺展开研究并进行优化具有重大的现实意义。本学位论文在文献综述的基础上,改进了酒石酸化学合成法的工艺,即以顺丁烯二酸酐为原料,以杂多酸作为新型催化剂,以双氧水为绿色氧化剂催化氧化获得主要产物——酒石酸；然后加氢氧化钾溶液调节pH值获得副产物——酒石酸氢钾,然后将母液进行多次循环使用,进一步提高该工艺的酒石酸产品的摩尔收率,摩尔总收率可以达到93.1%。最后增加催化剂中重金属的回收过程以减少对环境的污染。另外,小试应用新型催化剂生产的酒石酸通过傅里叶红外光谱法(FTIR)、超高效液相色谱串联质谱法(UPLC-MS/MS)进行表征,证明了产品结构的准确性；依据国标《食品添加剂d1-酒石酸》的规定,测得酒石酸含量为99.82%(食品添加剂酒石酸国标标准为≥99.5%),证明了产品质量的可靠性；使用电感耦合等离子发射光谱仪对酒石酸中的Pb,Fe,W重金属元素含量进行了检测,三者均未检出,确保了产品的安全性。产业化研究阶段,对酒石酸产品进行了多项指标的全面检测,均符合国标要求。新工艺的具体工艺条件如下所示：1)酒石酸产品的制备。以顺丁烯二酸酐为原料,与水、30%双氧水在一定温度下先使顺丁烯二酸酐充分水解;然后加入新型催化剂——杂多酸(含钨),缓慢升温4h后升至65℃,反应16h；接着加入0.5g活性炭,快速升温至102℃,水解2.5h,过滤冷却结晶得到酒石酸；最后往滤液滴加50%氢氧化钾溶液,调节pH值至3.5～4.0,冷却过滤获得酒石酸氢钾。以上反应收率即整个酒石酸生产工艺的一次收率,小试一次收率为78.5%,产业化后收率可以达到78.6%。2)高效蒸发过程研究。本文应用旋转蒸发仪(小试及中试过程中使用)以及企业自制薄膜蒸发器(产业化研究中使用)对酒石酸生产母液进行高效蒸发浓缩。取酒石酸生产母液,在温度区间为70-72℃,真空度为0.07(530mmHg)的条件下,蒸发浓缩母液进行二次循环氧化反应,总收率可以达到92.7%。3)催化剂回收工艺。采用静态吸附和动态吸附重点研究了自制螯合阴离子树脂对钨的吸附性能。静态实验研究表明在pH=4.5的条件下,可以直接使用自制螯合阴离子树脂回收其中的重金属催化剂,吸附能力最大可以达到221.5mg/g树脂；动力学研究表明吸附过程符合一阶动力学方程,并且粒子内扩散为吸附过程中的主要控速步骤；选用质量分数为4%的NaOH溶液作为解吸剂洗脱率可达99.1%；并且螯合阴离子树脂可以经过5次重复使用,96.1%的催化剂得到回收。动态吸附实验结果显示,自制螯合阴离子树脂对钨的动态吸附容量可稳定重复静态的结果,并且动态解吸效率较高,能进行有效的洗脱,95%以上催化剂得到回收。本论文对酒石酸合成工艺进行了如下几个新的优化：a)在传统酒石酸生产工艺的基础上,改进设计了新的生产工艺流程,实现了酒石酸氢钾的联产,增加了母液循环使用流程,对重金属催化剂进行回收。节约了生产成本的同时,减少了有害废水的排放。b)选用自制的含钨杂多酸作为新型催化剂,有效将一次收率提高近10%。c)对酒石酸生产母液进行减压高效蒸发浓缩,循环套用生产母液,使总收率进一步提高15%。d)使用自制螯合阴离子树脂回收催化剂中的重金属钨,95%以上的钨元素得到回收。
【作者】陈昕怡；
【导师】熊春华；
【作者基本信息】浙江工商大学，食品科学与工程，2013，硕士
【关键词】酒石酸；杂多酸；酒石酸氢钾联产；高效蒸发；催化剂回收；产业化研究；

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