專利名稱：D－甘露醇的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要是一種以葡萄糖為原料，生產(chǎn)富含甘露醇的甘露醇和山梨醇溶液的制備工藝。
D-甘露醇，學(xué)名已六醇，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、化工等行業(yè)，還可以作為低熱值甜味劑。最早甘露醇的生產(chǎn)采用天然提取法從海帶海藻等海洋植物中提取。甘露醇也可以通過(guò)D-甘露糖或D-果糖催化加氫化學(xué)合成。理論上，純的D-甘露糖加氫可以得到100％的甘露醇，D-果糖加氫可以得到50％的山梨醇和50％的甘露醇。美國(guó)于50年代開(kāi)始采用轉(zhuǎn)化糖即蔗糖水解產(chǎn)物，催化加氫制備甘露醇，如美國(guó)專利No.2759024報(bào)道在中性條件下，對(duì)轉(zhuǎn)化糖加氫，混合醇中約含有24～26％(干基)的甘露醇。在堿性條件下或采用選擇性催化劑對(duì)轉(zhuǎn)化糖進(jìn)行加氫，可以提高混合醇中甘露醇的含量，如美國(guó)專利Nos.3,329,729、3,763,246、3,725,199，甘露醇的含量可分別達(dá)到30～36％，27～31％和28～29％。雖然在堿性條件下，甘露醇的收率有所提高，但糖的分解反應(yīng)也大大增加。
1972年捷克的Bilik報(bào)道了在酸性條件下，以鉬酸鹽為催化劑，葡萄糖可以轉(zhuǎn)化為D-甘露糖，轉(zhuǎn)化率約為25％(Chem.Zvesti.，26，183-186(1972))。1975年，美國(guó)的Walter.M.Kruse等人對(duì)此方法進(jìn)行了改進(jìn)，并用來(lái)生產(chǎn)甘露醇，甘露醇的含量可達(dá)30％左右。美國(guó)專利Nos.4083881和4173514分別報(bào)道了葡萄糖先經(jīng)鉬酸鹽催化作用產(chǎn)生28～36％的甘露糖，剩余葡萄糖經(jīng)葡萄糖異構(gòu)化酶作用，部分生成果糖，將上述混合糖液加氫，可得到富含甘露醇的混合醇溶液，甘露醇結(jié)晶收率可達(dá)40～42％。
1988年，日本專利JP03258437研究了葡萄糖在甲醇溶液中，以有機(jī)胺為催化劑，異構(gòu)化后加氫制備甘露醇的方法，在200克甲醇中溶解40.8克CaCl·2H2O和50克葡萄糖，同時(shí)加入24.3克乙二胺，53℃異構(gòu)化10分鐘，溶液中含有35.0％的甘露糖，42.9％的果糖和15.1％的葡萄糖，加氫、精制、結(jié)晶后，可得26克甘露醇。該方法甘露醇收率雖較高，但由于采用了有機(jī)溶劑，且需要添加大量的鈣鹽和有機(jī)胺，給產(chǎn)品精制造成很大困難。日本專利JP.04368347報(bào)道了葡萄糖經(jīng)鉬酸鹽催化，部分異構(gòu)化為甘露糖后，以Pb2+型或Cu2+強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂固定床對(duì)混合糖溶液進(jìn)行分離，然后將富含甘露糖的溶液濃縮后加氫制備甘露醇。該方法工藝雖較簡(jiǎn)單，但由于葡萄糖和甘露糖同為醛糖和吡喃型六元環(huán)結(jié)構(gòu)，僅第二碳的手性不同，因此性質(zhì)非常接近，分離困難，樹(shù)脂分離效率低，需要大量樹(shù)脂，分離后溶液較稀，甘露糖的回收率也較低，另外，分離后溶液中含有少量Pb2+，Cu2+等重金屬離子，需增加一步精制步驟。法國(guó)ROQUETTE公司的專利EP580490報(bào)道了一條采用高果糖漿生產(chǎn)甘露醇的新的工藝路線，將葡萄糖含量低于15％的高果糖漿，采用甘露糖果糖異構(gòu)化酶進(jìn)行異構(gòu)化，產(chǎn)生15～29％的甘露糖，將異構(gòu)化后的糖漿進(jìn)行色譜分離，得到富含甘露糖的組份和富含果糖的組份，將富含果糖的組份重新異構(gòu)化，而將富含甘露糖的組份進(jìn)行加氫，采用該方法生產(chǎn)1公斤甘露醇僅產(chǎn)生0.43公斤85％的山梨醇。該方法采用了兩次色譜分離，一次為制備果糖含量85％以上的高果糖漿，另一次為對(duì)異構(gòu)化后的糖漿中甘露糖富集。色譜分離所造成的稀釋需蒸發(fā)大量的水，同時(shí)，甘露糖果糖異構(gòu)化酶尚未工業(yè)化生產(chǎn)，價(jià)格昂貴，限制了該方法的應(yīng)用。
本發(fā)明的目的是提供一種高收率并簡(jiǎn)便易得的甘露醇生產(chǎn)方法。
本方法以葡萄糖為原料，通過(guò)下列四步獲得高收率的甘露醇(a)首先以鉬酸鹽為催化劑，在酸性條件下，將葡萄糖部分異構(gòu)化為甘露糖；(b)將葡萄糖—甘露糖的混合溶液通過(guò)固定化葡萄糖異構(gòu)化酶的柱床，生成葡萄糖—甘露糖—果糖的混合溶液；(c)將上述混合溶液采用固定床或連續(xù)色譜進(jìn)行分離得到富含甘露糖—果糖的混合溶液X1和富含葡萄糖的溶液X2，將X2回到(b)重新異構(gòu)化；(d)將X1高壓催化加氫獲得富含甘露醇的溶液。
本發(fā)明中涉及的甘露醇生產(chǎn)工藝，第一步是在酸性條件下，將葡萄糖催化異構(gòu)化為葡萄糖和甘露糖的混合溶液，葡萄糖溶液的濃度可以為40～70wt％，加入鉬酸鹽溶解后，調(diào)節(jié)PH至2.0-5.0，反應(yīng)溫度為90-160℃，反應(yīng)時(shí)間為10分-3小時(shí)，反應(yīng)時(shí)間隨反應(yīng)溫度的升高而減少。
葡萄糖溶液的PH值和反應(yīng)溫度對(duì)異構(gòu)化反應(yīng)的速度和轉(zhuǎn)化率有較大的影響。異構(gòu)化反應(yīng)的PH值可以為2.0-5.0，PH值過(guò)高，反應(yīng)速度減慢，PH值過(guò)低，會(huì)造成葡萄糖的分解和齊聚，使糖液顏色加深。糖溶液PH值的調(diào)節(jié)可采用鹽酸或硫酸。反應(yīng)溫度升高，反應(yīng)加快，反應(yīng)時(shí)間縮短，甘露糖的轉(zhuǎn)化率上升，例如，常壓下，95～98℃反應(yīng)2.5～3.0小時(shí)，甘露糖含量可達(dá)29％(干基)；135℃反應(yīng)10分鐘，甘露糖含量可達(dá)到34％(干基)。反應(yīng)溫度高于160℃時(shí)，會(huì)引起糖迅速分解，使反應(yīng)溶液顏色變深。
反應(yīng)的催化劑可采用鉬酸銨、鉬酸鈉、鉬酸或三氧化鉬等。隨催化劑用量的增加，反應(yīng)速度增加，但葡萄糖分解等副反應(yīng)也相應(yīng)增加。較合適的鉬酸鹽用量為葡萄糖絕干含量的0.05～0.3wt％。
異構(gòu)化后的葡萄糖—甘露糖混合溶液，以色譜分離出的稀葡萄糖，即X2，稀釋到45～50wt％后，進(jìn)行精制處理，以除去鉬酸鹽催化劑及其他雜質(zhì)。糖漿脫色可采用活性炭或脫色樹(shù)脂，脫色后的糖溶液通過(guò)強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂和弱堿性陰離子交換樹(shù)脂處理，除去溶液中的離子。
本發(fā)明中涉及工藝的第二步為將上述葡萄糖—甘露糖混合溶液，通過(guò)通常的固定化葡萄糖異構(gòu)化酶柱床，使溶液中剩余的葡萄糖部分轉(zhuǎn)化為果糖。
采用固定化葡萄糖淀粉酶(如丹麥NOVO公司的SweetzymeT)，將溶液中剩余葡萄糖部分轉(zhuǎn)化為果糖適宜的操作條件為反應(yīng)溫度55～65℃，糖漿pH7.0-7.5，糖漿濃度45～55wt％，果糖含量低于5％(干基)，每升糖溶液中加入MgSO4·7H2O 0.4～1.5克，以提高酶活性，并抗拮Ca2+對(duì)酶活性的抑制作用。糖漿的流速保持1～1.5倍柱床體積/小時(shí)，使糖漿中葡萄糖到果糖的轉(zhuǎn)化率維持在42～44％。
本發(fā)明中所涉及工藝的第三步為將含甘露糖—果糖—葡萄糖的混合溶液進(jìn)行色譜分離，得到富含甘露糖和果糖的混合溶液X1和富含葡萄糖的溶液X2，雖然，使用的是通常固定床和色譜分離方法，但這一步驟是現(xiàn)有技術(shù)未涉及的。
果糖含量42％的果葡糖漿經(jīng)色譜分離制備果糖含量90％的高果糖漿的工藝已經(jīng)相當(dāng)成熟。由于構(gòu)型和性質(zhì)非常接近，葡萄糖和甘露糖的分離是比較困難的。本發(fā)明中甘露醇制備工藝的特點(diǎn)為對(duì)甘露糖和葡萄糖的分離程度要求不高，對(duì)分離后葡萄糖組份中甘露糖的含量無(wú)特殊要求。將X1濃縮至20-30％，以Ca2+型強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂為固定相，樹(shù)脂最好為均粒的色譜樹(shù)脂(如英國(guó)Purolite公司的PCR系列色譜樹(shù)脂)，流動(dòng)相為純水或去離子水，可以采用固定床，模擬流動(dòng)床或連續(xù)色譜裝置進(jìn)行分離。三種糖的出峰順序依次為葡萄糖，甘露糖和果糖。通過(guò)色譜分離，將混合糖溶液分為兩部分富含甘露糖和果糖的組份X1和富含葡萄糖的組份X2，分離后葡萄糖組份中的果糖含量(干基)應(yīng)低于8％，最好低于5％。分離裝置最好采用連續(xù)分離裝置(如美國(guó)Advanced Separation TechnologiesInc.的CSEPR)，操作方便，產(chǎn)物濃度較高，X2組份回到(b)重新果糖異構(gòu)化。
本發(fā)明所涉及工藝的最后一步為將富含果糖和甘露糖的組份X1高壓催化氫化。色譜分離后的X1組份濃度約為12～20％，將該溶液蒸發(fā)濃縮至含干物質(zhì)20-30wt％，加入氫化催化劑，例如Raney鎳或鉑系負(fù)載催化劑，加熱，攪拌，在100-160℃下，反應(yīng)1.0-3.0小時(shí)，壓力即常規(guī)加氫壓力即可。加氫后溶液中，干物質(zhì)的組成為60-70wt％的甘露醇和30-40wt％的山梨醇，上述混合醇溶液經(jīng)過(guò)精制、濃縮后結(jié)晶。甘露醇的結(jié)晶收率可達(dá)到58-65％，熔點(diǎn)大于165℃。
本發(fā)明D-葡萄糖溶液加入鉬酸鹽催化劑溶解后的pH＝3.0-4.0時(shí)更好，反應(yīng)溫度控制在95-140℃范圍內(nèi)更好。
葡萄糖異構(gòu)化為甘露糖所用催化劑，也可用負(fù)載型催化劑，負(fù)載型催化劑的載體可采用Al2O3，分子篩等多孔性無(wú)機(jī)材料，最好為Al2O3，鉬酸鹽最好采用鉬酸銨。負(fù)載型催化劑的制備采用浸漬法，鉬酸銨的用量為載體用量的5-25wt％，最好為10-20wt％，浸漬好的催化劑于300-600℃焙燒即得，焙燒溫度最好為350-450℃，負(fù)載型催化劑可以采用固定床式反應(yīng)器，使葡萄糖溶液連續(xù)通過(guò)反應(yīng)床；也可以采用攪拌斧式反應(yīng)器，反應(yīng)結(jié)束后，采用靜置沉降或者過(guò)濾回收催化劑，采用負(fù)載型催化劑，可以大大減少鉬酸鹽的用量，在反應(yīng)過(guò)程中可以采用較大量的催化劑，從而大大縮短反應(yīng)時(shí)間和減少反應(yīng)副產(chǎn)物，反應(yīng)溶液中沒(méi)有鉬酸鹽，可以減少精制用的活性炭和離子交換樹(shù)脂用量。
負(fù)載型催化劑的活性組份較好是(NH4)6Mo7O244H2O。
本發(fā)明工藝中葡萄糖、甘露糖和果糖的分離是提高收率的重要一步，現(xiàn)有技術(shù)中未有涉及該步工藝，三種混合糖分離時(shí)可采用現(xiàn)有技術(shù)的固定床，或者連續(xù)色譜方法均可。
本發(fā)明方法采用四步驟，從葡萄糖制得甘露醇，克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的諸多不足，例如糖分解反應(yīng)的增加，產(chǎn)品精制困難，分離繁雜，產(chǎn)率低，成本高等。本發(fā)明通過(guò)第一、第二步的有效轉(zhuǎn)化和第三步的分離，使最后甘露糖和果糖加氫后甘露醇得率大大提高。本發(fā)明方法對(duì)設(shè)備要求不高，各步反應(yīng)條件成熟，所得產(chǎn)呂與現(xiàn)有技術(shù)相比，不僅產(chǎn)率高，工藝簡(jiǎn)單，成本也大大降低。
圖一是混合糖溶液分離后葡萄糖、甘露糖、果糖含量。
下面的實(shí)施例將有助于更好地描述和理解本發(fā)明。
實(shí)施例1稱取1.4公斤一水結(jié)晶葡萄糖(含水約9％，后同)，溶解于700ml水中，然后加入3.5克(NH4)6Mo7O24·4H2O，溶解后，以10％稀硫酸調(diào)節(jié)pH至3.4，加熱至95～98℃攪拌反應(yīng)2.5小時(shí)。取樣，以高效液相色譜分析甘露糖和葡萄糖的含量，色譜柱為Sugar-Pak II(waters)，檢測(cè)器為示差折光檢測(cè)器，流動(dòng)相為超純水。以下，糖和醇的檢測(cè)均同上。經(jīng)分析，溶液中甘露糖含量為29.31％，葡萄糖含量為69.79％，上述溶液以分離后的稀葡萄糖溶液(葡萄糖70.1％，甘露糖23.5％，果糖6.2％)稀釋至濃度約48％，加入1％的活性炭脫色，然后通過(guò)陽(yáng)離子交換樹(shù)脂(H+)和陰離子交換樹(shù)脂(OH-)處理。
將精制后的糖液用1％的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至7.5，58℃下，通過(guò)固定化葡萄糖異構(gòu)化酶柱床(NOVO異構(gòu)酶SweetzymeT)，異構(gòu)后糖液中含甘露糖29.08％，果糖30.75％，葡萄糖41.09％。
混合糖液的分離采用內(nèi)徑20cm帶夾套的不銹鋼柱來(lái)完成，固定相為英國(guó)Purolite公司的PCR-642 Ca型色譜樹(shù)脂，床層高度為120cm，每次進(jìn)料量250ml，樹(shù)脂柱夾套中打入60℃恒溫水。流動(dòng)相為60℃去離子水，洗脫速度為0.5BV(床層體積)每小時(shí)，收集洗脫物，每150ml作為一個(gè)樣品。樣品中葡萄糖，甘露糖和果糖含量見(jiàn)圖一。
將圖一中2#-6#號(hào)樣品合并得X2，平均濃度為9.93％，其中葡萄糖含量為69.44％(干基，下同)，甘露糖含量為23.80％，果糖含量為6.76％。濃縮后重新回第二步進(jìn)行異構(gòu)化(部分溶液可用來(lái)烯釋葡萄糖—甘露糖的混合溶液)。將圖中7#-11#號(hào)樣品合并得X1，平均濃度為10.10％，其中葡萄糖含量為11.56％，甘露糖含量為34.75％，果糖含量為53.68％。將富含甘露糖和果糖的溶液濃縮至Bx為25％進(jìn)行加氫。
將濃縮后的X1溶液600ml(含干物質(zhì)151克)用10％NaOH調(diào)節(jié)pH至8.0，加入60克Raney鎳催化劑，130℃，氫壓45kg/cm2下，在2升的高壓釜中加氫2小時(shí)。加氫的混合溶液經(jīng)活性炭脫色，陽(yáng)(H+)，陰(OH-)離子交換樹(shù)脂處理后，以高效液相色譜分析混合醇中醇含量，其中山梨醇為38.35％，甘露醇為61.49％，將混合醇溶液濃縮結(jié)晶，共得甘露醇晶體85.6克，甘露醇的收率為56.7％(相對(duì)于D-葡萄糖)。
實(shí)施例2稱取1.2公斤一水結(jié)晶葡萄糖，溶于500ml水中，加入1.2克(NH4)6Mo7O24·4H2O溶解后，以10％稀硫酸調(diào)節(jié)pH至3.5，加入2升的高壓釜中，攪拌加熱至135℃，維持10分鐘，冷卻出料，溶液中甘露糖含量為34.12％，葡萄糖65.28％，將糖溶液稀釋至48％左右，脫色，離子交換處理。用1％的NaOH調(diào)節(jié)pH至7.5，58℃下，以1.1BV/小時(shí)的流速通過(guò)固定化葡萄糖異構(gòu)化酶柱床，流出溶液中含葡萄糖38.89％，果糖28.64％，甘露糖32.25％。
上述糖溶液采用美國(guó)AST公司的連續(xù)色譜分離裝置L100C型CSEPR進(jìn)行分離，每條樹(shù)脂柱裝填PCR-642Ca型色譜樹(shù)脂360ml，30條柱共裝樹(shù)脂10.8升。其中1#口進(jìn)水，15#口進(jìn)料，5#口和26#口出料，分離后富含果糖和甘露糖組份X1濃度為15.4％，其中葡萄糖含量7.82％，甘露糖35.86％，果糖58.04％，富含葡萄糖組份X2濃度為12.8％，其中葡萄糖含量66.76％，甘露糖29.06％，果糖4.18％。
將X1組份濃縮至25％(BX)，取600ml(含干物質(zhì)153克)混合糖溶液如實(shí)施例1進(jìn)行加氫，精制，結(jié)晶，混合醇溶液中含甘露醇64.91％，山梨醇34.88％，結(jié)晶后共得甘露醇晶體92.0克，熔點(diǎn)166℃，收率為60.14％。
實(shí)施例3稱取1.0公斤一水結(jié)晶葡萄糖，加1000ml水溶解，加入25克MoO3/r-Al2O3催化劑，95～98℃攪拌反應(yīng)1.5小時(shí)，混合糖液中含甘露糖31.29％，葡萄糖68.87％。將上述溶液以活性炭脫色，離子交換處理。按實(shí)施例1，將葡萄糖部分異構(gòu)化為果糖，混合糖溶液中含葡萄糖39.18％，果糖29.64％，甘露糖31.33％。
上述糖液按照實(shí)施例1，采用固定床進(jìn)行分離，分離后富含甘露糖和果糖的混合溶液中含葡萄糖8.78％，甘露糖37.14％，果糖54.08％。取600ml溶液(含干物質(zhì)148克)加氫，精制，混合溶液中含甘露醇64.08％，山梨醇35.64％，結(jié)晶后共得甘露醇晶體91.8克，熔點(diǎn)165℃，收率為62％。
權(quán)利要求
1.一種D-甘露醇的制備方法，其特征在于其主要通過(guò)下列四步制備工藝(A)D-葡萄糖溶液在酸性條件下，溫度90～160℃下，以鉬酸鹽為催化劑，部分轉(zhuǎn)化為D-甘露糖；(B)將(A)得到的混合糖液通過(guò)固定化葡萄糖異構(gòu)化酶柱床，在55～65℃下，將剩余葡萄糖部分轉(zhuǎn)化為果糖；(C)將(B)得到的混合糖液采用固定床或連續(xù)色譜進(jìn)行分離，得到富含甘露糖和果糖的組份X1和富含葡萄糖的組份X2，將X2回(B)重新異構(gòu)化；(D)對(duì)富含甘露糖和果糖的組份X1濃縮后，高壓催化加氫，加氫后得混合醇，精制、濃縮后結(jié)晶分離出甘露醇；上述制備過(guò)程(A)的具體條件是D-葡萄糖溶液的濃度是40-70wt％，酸性條件是PH＝2.0-5.0，鉬酸鹽的用量是干物質(zhì)量的0.05-0.30wt％，反應(yīng)時(shí)間10分鐘-3小時(shí)；上述制備過(guò)程中(B)的具體條件是反應(yīng)溫度55-65℃，糖漿pH＝7.0-7.5，糖漿濃度45-55wt％，每升糖液中加入MgSO4·7H2O0.4-1.5克，糖漿流速1-1.5倍柱床體積/小時(shí)；上述制備過(guò)程中(D)的具體條件是X1濃縮至20-30％氫化反應(yīng)溫度100-160℃，反應(yīng)時(shí)間1.0-3.0小時(shí)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的D-甘露醇的制備方法，其特征在于D-葡萄糖溶液加入鉬酸鹽催化劑溶解后的PH＝3.0-4.0，反應(yīng)溫度在95-140℃更好。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的D-甘露醇的制備方法，其特征在于D-葡萄糖溶液可以在負(fù)載型鉬酸鹽催化劑下部分轉(zhuǎn)化為D-甘露糖，其中鉬酸鹽的用量為載體用量的5-25wt％，負(fù)載型催化劑的載體是多孔性無(wú)機(jī)材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的D-甘露醇的制備方法，其特征在于負(fù)載型催化劑中鉬酸鹽的用量最好為載體用量為10-20wt％。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的D-甘露醇的制備方法，其特征在于負(fù)載型催化劑的載體可以是Al2O3或分子篩。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的D-甘露醇的制備方法，其特征在于負(fù)載型催化劑的活性組份最好是(NH4)6Mo7O244H2O。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的D-甘露醇的制備方法，其特征在于甘露糖和果糖的富集可以用Ca型色譜樹(shù)脂的固定床或連續(xù)色譜方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及甘露醇的制備方法?，F(xiàn)有甘露醇的制備方法存在得率低、分離困難、成本高等諸多不足。本發(fā)明通過(guò)下列步驟制得甘露醇:(a)葡萄糖溶液化學(xué)異物化為葡萄和甘露糖的混溶液;(b)將得到的混合糖液通過(guò)固定化葡萄糖異構(gòu)化酶的柱床,生成甘露糖-果糖-葡萄溶液X
文檔編號(hào)C07C31/00GK1177586SQ9710661
公開(kāi)日1998年4月1日 申請(qǐng)日期1997年9月19日 優(yōu)先權(quán)日1997年9月19日
發(fā)明者于家波 申請(qǐng)人:于家波