乳酸衍生转化生产丙酮酸中的丙酮酸提纯工艺

摘要

本发明公开乳酸衍生转化生产丙酮酸中的丙酮酸提纯工艺，包括如下步骤：(1)在10-60℃将有机萃取相加入到乳酸和丙酮酸的混合溶液中；(2)放入恒温水浴振荡器中；(3)分离有机相和水相；(4)使用85-95℃的热水对有机相进行反萃；(5)将得到的水相减压蒸发浓缩，即得成品丙酮酸。原料液中的丙酮酸萃取率最高可达98.5％以上，所得产品丙酮酸的纯度可达98％以上。

说明书

技术领域

本发明涉及丙酮酸的提取。更具体地，涉及乳酸衍生转化生产丙酮酸中 的丙酮酸提纯工艺。

背景技术

丙酮酸是一种重要的有机合成中间体，分子式CH₃COCOOH，原称焦性葡萄 酸，是参于整个生物体基本代谢的中间产物之一。浅黄色至黄色的透明液体、 有醋酸气味。天然品存在于薄荷及蔗糖发酵液中。相对分子质量88.06。相对 密度1.2271。熔点13.8℃。沸点165℃(分解)、106.5℃(13.332×103Pa)、 85.3℃(5.333×103Pa)、70.8℃(2.666×103Pa)、57.9℃(1.333×103Pa)、 45.8℃(0.667×103Pa)、21.4℃(0.133×103Pa)。闪点82℃。折射率1.4280。 与水、乙醇、乙醚等混溶。广泛应用于制药、日化、农用化学品和食品等领 域。丙酮酸的分子中同时具有羰基和羧基二种官能团，因反应中心多，因而 显示出比一般化合物更为重要和特殊的化学性质，丙酮酸系列化合物是重要 的有机合成和药物合成中的中间体，已引起了广泛的重视与发展。

在药物合成方面的应用十分广泛，一般可用于合成治疗高血压药物、蛋 白酶抑制剂、抗病毒剂、镇静剂等。除此以外，丙酮酸系列化合物还可用于 合成治疗肿瘤、溃疡、骨质疏松等疾病的药物。特别值得注意的是，丙酮酸 钙是目前销售火爆的减肥药的主要成份之一。

在化妆品中添加丙酮酸乙酯，对于增白皮肤，抑制表皮黑点(黑色素)的 形成，尤其是抑制表皮中酪氨酸酶的形成有独特的效果。由于化妆品大多是 含碳和氮的化合物，又含有足够的水份，因而非常适宜于细菌和微生物的生 存和繁殖，而选用丙酮酸系列化合物作为防腐剂、抗氧剂添加到化妆品中， 能有效地阻止化妆品中易酸败的物质吸收氧，使其不易变质。

在金属焊接前用丙酮酸衍生物处理被焊接管件的预热区域(尤其是管道 内壁)，可以有效地防止在焊接过程中形成结垢。除此以外，丙酮酸系列化合 物还有很多用途：用作空气清新剂能有效清除空气中的氨及四硫醇；用作果 酒的保鲜剂，能大大延长其保鲜期且口味不变。

随着人民生活水平的不断提高，人们对身体的重视程度越来越高，因而 促使了药品市场和保健品市场的空前繁荣，特别是年轻姑娘们对自己的身材 越来越重视，使得减肥品市场空前火爆，作为合成多种药物的中间体以及作 为减肥药主要成份之一的丙酮酸系列化合物，对其需求的增加是必然的。但 是，目前的全国生产丙酮酸系列化厂家不足10家，年产量仅万吨左右，远远 满足不了市场的需求，而且大部分生产厂均采用酒石酸脱水脱羧这一传统的 生产工艺，污染严重，生产成本较高，在与国外同类产品的竞争中处于不利 的劣势之中，因而改革旧的生产工艺，扩大生产规模势在必行。

乳酸衍生转化生产丙酮酸的工艺中，反应后的溶液中同时存在乳酸和丙 酮酸，现有技术中还没有很好的办法将乳酸和丙酮酸分离，已有的分离工艺 存在丙酮酸纯度及收率均比较低的技术缺陷。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种乳酸衍生转化生产丙酮酸中的丙酮酸提 纯工艺，使得原料乳酸和产物丙酮酸能够很好地分离，并且获得的丙酮酸的 纯度较高。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种乳酸衍生转化生产丙酮酸中的丙酮酸提纯工艺，包括如下步骤：

(1)在10-60℃将有机萃取相加入到乳酸和丙酮酸的混合溶液中；

(2)放入恒温水浴振荡器中；

(3)分离有机相和水相；

(4)使用85-95℃的热水对有机相进行反萃；

(5)将得到的水相减压蒸发浓缩，即得成品丙酮酸。

上述乳酸衍生转化生产丙酮酸中的丙酮酸提纯工艺，所述有机萃取相由A 化合物和B化合物组成，A化合物为叔胺，B化合物为乙酸乙酯、乙酸丁酯、 氯仿或甲苯。

上述乳酸衍生转化生产丙酮酸中的丙酮酸提纯工艺，A化合物为三辛胺或 三乙胺；A化合物和B化合物组成的混合液中：A化合物的浓度为0.05-0.5 mol/L。

上述乳酸衍生转化生产丙酮酸中的丙酮酸提纯工艺，所述有机萃取相由 萃取剂和相调节剂组成，萃取剂由A化合物和B化合物组成，A化合物为叔胺， B化合物为乙酸乙酯、乙酸丁酯、氯仿或甲苯；相调节剂为酰胺类化合物或醇 类化合物。

上述乳酸衍生转化生产丙酮酸中的丙酮酸提纯工艺，A化合物为三辛胺或 三乙胺；A化合物和B化合物组成的混合液中：A化合物的浓度为0.05-0.5 mol/L。

上述乳酸衍生转化生产丙酮酸中的丙酮酸提纯工艺，酰胺类化合物为N- 乙基-2-异丙基-5-甲基环己烷甲酰胺或N,2,3-三甲基-2-异丙基丁酰胺。

上述乳酸衍生转化生产丙酮酸中的丙酮酸提纯工艺，醇类化合物为正辛 醇或1,2-丙二醇。

上述乳酸衍生转化生产丙酮酸中的丙酮酸提纯工艺，有机萃取相中萃取 剂的质量分数为5-60％。

上述乳酸衍生转化生产丙酮酸中的丙酮酸提纯工艺，步骤(4)中热水与 有机相的体积比为1:0.2-0.8。

上述乳酸衍生转化生产丙酮酸中的丙酮酸提纯工艺，采用刮膜式分子蒸 馏装置对水相进行减压蒸发浓缩：压力为100-200帕，温度为60-70℃，进料 流速为100-200mL/h，刮膜器转子转速为100-150r/min。

本发明的有益效果如下：原料液中的丙酮酸萃取率最高可达98.5％以上， 所得产品丙酮酸的纯度可达98％以上。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1不同含量S5对丙酮酸相分配系数的影响(横坐标为S5在有机萃取 相中的质量分数，纵坐标为丙酮酸的平衡分配系数D)；

图2萃取剂加量对平衡分配系数的影响(横坐标为有机萃取相占丙酮酸 的质量分数，纵坐标为丙酮酸的平衡分配系数D)；

图3温度对萃取平衡分配系数的影响；

图4萃取分配系数-时间曲线。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一 步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员 应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制 本发明的保护范围。

1材料与方法

1.1实验材料

丙酮酸钠，丙酮酸，乳酸，三辛胺(TOA)，三乙胺；氯仿，甲苯，乙酸 乙醋，乙酸丁醋；正辛醇，1,2-丙二醇，N-乙基-2-异丙基-5-甲基环己烷甲 酰胺，N,2,3-三甲基-2-异丙基丁酰胺，浓盐酸。

1.2实验方法

1.2.1萃取剂的选择

分别配TOA和三乙胺的乙酸乙酯溶液、乙酸丁酯溶液、氯仿溶液、甲苯 溶液，TOA和三乙胺的浓度均为0.30mol/L，然后分加入到等体积的丙酮酸乳 酸混合溶液中，丙酮酸乳酸混合溶液中丙酮酸浓度为0.5mol/L、乳酸浓度为 0.1mol/L；在密封的三角瓶中于30℃摇床振荡30min，然后静置分层，取水 相测定丙酮酸及乳酸的浓度，进而求得分配系数和萃取率。

1.2.2相调节剂的选择

向萃取剂中加入不同量的相调节剂，然后分加入到等体积的丙酮酸乳酸 混合溶液中，丙酮酸乳酸混合溶液中丙酮酸浓度为0.5mol/L、乳酸浓度为 0.1mol/L；在密封的三角瓶中于30℃摇床振荡30min，然后静置分层，取水 相测定丙酮酸及乳酸的浓度，进而求得分配系数和萃取率。

1.2.3pH值对萃取操作的影响

将丙酮酸乳酸混合溶液调节至不同pH，分别与等体积的有机萃取相在密 封的三角瓶中于30℃摇床振荡30min，同时以相同pH的丙酮酸钠溶液做对照， 然后静置分层，测定丙酮酸和乳酸浓度，进而求得分配系数和萃取率。

3试验内容与结果

3.1萃取剂的筛选

萃取剂对目标物质乳酸的吸附量的大小及专一性是衡量萃取剂好坏的主 要标准。萃取剂应具备选择性、溶解性、热稳定性较好，以及价廉易得等基 本条件。

以萃取性能好，疏水性强，选择性、溶解性、热稳定性好以及价廉易得 为原则选择萃取剂，优选出了S1～S8萃取剂(S1～S8分别为：三乙胺的乙酸 乙酯溶液、三乙胺的乙酸丁酯溶液、三乙胺的氯仿溶液、三乙胺的甲苯溶液、 TOA的乙酸乙酯溶液、TOA的乙酸丁酯溶液、TOA的氯仿溶液、TOA的甲苯溶 液，TOA和三乙胺的浓度均为0.30mol/L)。取丙酮酸-乳酸混合溶液与萃取剂 以体积比1:1比例放入100mL具塞锥形瓶中，放入恒温水浴振荡器中，达到 平衡后，测定萃余相中丙酮酸浓度、有机负载相中丙酮酸浓度。再根据实验 结果调整萃取剂的组成和配比。实验结果如表1所示。

表1不同萃取剂对丙酮酸的相平衡分配系数D

萃取剂 相平衡分配系数D S1 22.12 S2 30.53 S3 26.78 S4 26.34 S5 33.16 S6 19.57 S7 27.65 S8 33.25

注：分配系数D是丙酮酸在两个液相(有机负载相和萃余相)中的平衡 浓度比。

从表l可看出，S5和S8对丙酮酸的相平衡分配系数最大，且两者之间相 差不大，结合相调节剂，我们对S5和S8进一步进行筛选。

3.2相调节剂的筛选

单一使用S5和S8作为萃取剂时出现不太稳定现象，为此我们添加相调 节剂改进萃取效果，相调节剂作用:可以调节萃取剂的浓度，以便调整与控制 萃取剂的吸附能力；改善萃取剂的物理性能，如降低萃取剂的粘度增加其流 动性，改善萃取相的比重，扩大它与萃余相的比重差，有利于两相的分离澄 清。

从效果和价格出发，考虑丙酮酸与萃取剂之间的结合度没有影响，不发 生缔合或解离，我们优选了4个相调节剂D1～D4(D1～D4分别为正辛醇，1,2- 丙二醇，N-乙基-2-异丙基-5-甲基环己烷甲酰胺，N,2,3-三甲基-2-异丙基丁 酰胺)，实验中，分别将S5、S8和D1～4按相同比例混合好(萃取剂在有机 萃取相中的质量分数为44wt％)，加入到丙酮酸-乳酸混合溶液中，一定时间后， 测定萃余相中丙酮酸浓度、有机负载相中丙酮酸浓度，计算组合萃取剂的相 平衡分配系数。结果见表2。

表2不同组合萃取剂对乳酸的相平衡分配系数D

萃取剂 相平衡分配系数D S5D1 33.54 S5D2 36.23 S5D3 34.82

S5D4 38.63 S8D1 34.22 S8D2 37.18 S8D3 34.75 S8D4 37.41

从表2可看出，S5D4对丙酮酸的相平衡分配系数最大，并经多次重复实 验验证，萃取效果稳定，因此，确定有机萃取相由S5(三辛胺的乙酸乙酯溶 液)和D4(N,2,3-三甲基-2-异丙基丁酰胺)两种物质组成。

3.3萃取剂浓度对相平衡分配系数的影响

选用不同含量的萃取剂分别加至一定浓度的丙酮酸-乳酸混合溶液中，一 定时间后，检测萃余相和有机负载相中丙酮酸浓度。其结果如图1所示。

从图1可以看出，S5在有机萃取相中的质量分数为10wt％时，平衡分配 系数为8.83，并且随着萃取剂中S5组成比例增大，组合对体系提供的平衡分 配系数也随之增大。当S5质量分数达到60.0wt％时，其提供的平衡分配系数 达到最大45.52，且S5的百分比浓度大于60wt％时，丙酮酸的相平衡分配系 数基本无变化，综合考虑价格、效率等因素，S5的百分比浓度60wt％时性价 比最高，因此，我们确定最佳萃取剂组成为S5为60wt％和D4为40wt％。

3.4有机萃取相加量对平衡分配系数的影响

在萃取过程中，加入适量的有机萃取相，不仅可以节约成本，更可以提 高萃取效率，在一定浓度的丙酮酸-乳酸中加入不同量的有机萃取相(按占丙 酮酸-乳酸中丙酮酸量的质量百分比计算)，稳定一定时间后，检测萃余相和 有机负载相中丙酮酸浓度。其结果如图2所示。

由图2可知，萃取剂占丙酮酸的量小于110wt％时，由于丙酮酸不能被完 全吸附，其平衡分配系数较小，大于120wt％时，萃余相中丙酮酸含量较少， 分配系数基本无变化，以萃取剂加量尽可能少，萃取平衡分配系数尽可能大 为依据，选取萃取剂加量为丙酮酸含量的110wt％、115wt％、120wt％三个水平 进行组合实验。

3.5不同温度对萃取效率的影响

由于萃取的平衡分配系数受温度的影响，我们采用含60.0wt％S5 /40wt％D4的有机萃取相萃取,分别测定温度为0℃-90.0℃条件下的平衡分配 系数。结果如图3所示。

从图3可以看出，萃取温度30℃时，平衡分配系数最大达到38.5，40℃、 50℃时萃取平衡分配系数分别为37.8、37.1，比最大值稍低，为使萃取效率 最大，选取萃取温度30℃、40℃、50℃三个水平进行组合实验。

3.6混合时间对分配系数的影响

分别移取一定体积丙酮酸-乳酸溶液于多个l00mL锥形瓶中，按相比为 1:1加入有机萃取相。放入恒温水浴振荡器中振荡，每隔1分钟取出一个锥形 瓶，将两相分开。测定萃余相、有机相中丙酮酸浓度，并求出分配系数D。测 得不同时间下的分配系数后，绘出分配系数——时间曲线(如图4)，如果分 配系数不随时间变化，说明已达到平衡，由此确定相平衡时间。

从图4可以看出，随着反应时间的增加，萃取系数也随着增加，在5min 时达到最大值42.88，继续延长反应时间，萃取平衡系数基本无变化。结合生 产效率，选择萃取平衡时间5min。

3.7萃取工艺指标的组合设计

初步以相平衡时间5min为萃取控制系数。以萃取剂加量(占丙酮酸-乳 酸溶液中丙酮酸量的百分比)、萃取温度为自变量，萃取分配系数D为因变量 进行分析，试验结果见表3。

表3组合试验结果

由表3可知，萃取剂加量115％、萃取温度40℃时，相平衡分配系数达到 最大，我们经过多次重复性试验(结果见表4)，我们最终确定丙酮酸-乳酸的 萃取最佳工艺条件为：萃取剂S5与相调节剂D4的质量比为6：4，有机萃取 相加量(占丙酮酸-乳酸溶液中丙酮酸的量)115％，萃取温度40℃，相平衡时 间5min。

表4丙酮酸-乳酸萃取分离试验结果

3.8反萃丙酮酸并脱色

用温度为90℃的热水对有机相进行反萃，得到的丙酮酸水溶液，呈黄色， 属酸性色素，也还含有少许有机相的气味，经过膜过滤进行脱色、除臭处理。

最后采用刮膜式分子蒸馏装置对得到的丙酮酸水溶液进行减压蒸发浓 缩：压力为100-200帕，温度为60-80℃，进料流速为100-200mL/h，刮膜器 转子转速为100-150r/min。

4小结

经上述条件优化，有机萃取相由S5(三辛胺的乙酸乙酯溶液)和D4(N,2,3- 三甲基-2-异丙基丁酰胺)组成，分离丙酮酸-乳酸混合物，最佳萃取工艺条 件：萃取剂与相调节剂的质量比6:4，有机萃取相加量(占料液中丙酮酸质量 的百分数)为115％，萃取温度40℃，相平衡时间5min；萃取收率≥98.5％， 产品纯度≥98％。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而 并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在 上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有 的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变 化或变动仍处于本发明的保护范围之列。