способ получения глюконовой кислоты

Формула изобретения

Способ получения глюконовой кислоты, включающий электролиз 20%-ного водного раствора Д-глюкозы в бездиафрагменном электролизере при температуре 40-50°С, содержащего в качестве катализатора бромида натрия или калия не более 1% от массы глюкозы, при рН раствора, равном 7-8, оптимальной плотности тока 0,05 А/см ², отличающийся тем, что окисление Д-глюкозы происходит на обоих графитовых электродах и в объеме раствора, при этом синтез ведут при давлении кислорода 0,1-0,5 МПа и катодной плотности тока 0,01 А/см².

Описание изобретения к патенту

Способ получения глюконовой кислоты относится к области фармацевтической химии, а точнее к химической технологии фармацевтических препаратов, и может быть использован в фармацевтической промышленности с целью синтеза важных препаратов -глюконатов натрия, кальция, железа, а также глюконо-дельта-лактона.

Известен синтез глюконовой кислоты биохимическим методом. Этот метод основан на ферментативном окислении глюкозы бактериями Aspengillus nigen на питательной среде, содержащей Д-глюкозу при температуре 25-35° С и рН 5,0-7,5 с постоянным поддержанием концентрации Д-глюкозы 40-60%. Выход глюконовой кислоты по отношению к исходной концентрации глюкозы составляет 95% [Moresi M., Parente E., Mazzatura A., Ricciardi A. Ann. microbiol. ed enzimol. -1992. -42, N 2. -С. 173-184].

Недостатками этого метода являются низкая скорость процесса и образование большого количества побочных продуктов, снижающих выход и стабильность целевого продукта.

Известен синтез глюконовой кислоты каталитическим окислением Д-глюкозы в трехфазном реакторе, в котором Pd/Al₂O₃ (приблизительно 1% от массы глюкозы), суспендированный в растворе Д-глюкозы, катализирует реакцию окисления последней в глюконовую кислоту кислородом воздуха с последующей нейтрализацией ее гидроксидом натрия. Реакция проводится при температуре 50° С, при непрерывном пропускании кислорода. Выход глюконата натрия достигает 90% [W. Bang, X.Lu, А.M.Duquenne, I.Nikov and A.Bascoul. “Glucose oxidation in a three-phase stirred airlift reactor: experiments and model”, Catalysis Today.V. 48, p.125-130 (1999)].

Недостатком этого метода является невысокая скорость реакции вследствие дезактивации дорогостоящих катализаторов.

Наиболее близким по технической сущности является электрохимический способ получения глюконовой кислоты с последующей ее нейтрализацией карбонатом кальция, описанный в [Томилов А.П., Фиошин М.Я., Смирнов В.А. Электрохимический синтез органических веществ. М.: Химия, 1976 г.]

Этот способ основан на электролизе 20%-ного водного раствора Д-глюкозы, содержащего бромистый натрий, в количестве 1% от массы глюкозы, и стехиометрическое количество карбоната кальция в одну стадию в аппарате-электролизере. В качестве электролизера используется типовой химический реактор из нержавеющей стали, в котором роль катода выполняет корпус аппарата, а в качестве анода используются углеграфитовые электроды, находящиеся во внутреннем объеме реактора. Оптимальная плотность тока 0,05 А/см², рН 7-8, процесс ведут при температуре 40-50° С. Выход глюконата кальция достигает 84-90%. Этим способом удается получить наиболее чистый глюконат кальция.

Недостатками этого способа являются использование только катодной реакции, вследствие этого высокие энергозатраты, а также санитарно-гигиенические трудности, возникающие при получении препарата в больших количествах.

Задачей изобретения является интенсификация процесса синтеза глюконовой кислоты путем снижения энергозатрат, уменьшения количества вредных выбросов и увеличения выхода целевого продукта.

Технический результат - экономичность и экологичность процесса, достигается тем, что электролиз 20%-ного водного раствора Д-глюкозы проводят в бездиафрагменном электролизере при температуре 40-50° С, содержащего в качестве катализатора бромида натрия или калия не более 1% от массы глюкозы, при рН раствора, равном 7-8, оптимальной плотности тока 0,05 А/см², а окисление Д-глюкозы происходит на обоих графитовых электродах и в объеме раствора, при этом синтез ведут при давлении кислорода 0,1-0,5 МПа и катодной плотности тока 0,01 А/см².

Электролиз проводят в бездиафрагменном электролизере при давлениях кислорода 0,1-0,5 МПа, температуре 40-50° С, при анодной плотности тока 0,05 А/см² , катодной - 0,01 А/см². При этом окисление Д-глюкозы происходит с участием гипобромид-ионов на аноде, растворенным кислородом в объеме раствора, а также перекисью водорода, образующейся на катоде.

Пример 1. Электролиз проводили в фторопластовом стакане, помещенном в автоклав. В электролизер наливали 20%-ный водный раствор Д-глюкозы, содержащий бромистый натрий в количестве 1% от массы глюкозы. Катод и анод - графит, плотность тока на аноде - 0,05 А/см², на катоде - 0,01 А/см² . Температура 45° С, давление кислорода - 0,1 МПа. Повышение выхода глюконовой кислоты составляет ~ 40%, что объясняется окислением глюкозы как на аноде (гипобромид ионами), так и на катоде (перекисью водорода).

Окисление глюкозы осуществляется за счет следующих электродных реакций:

На аноде: NaBr + Н₂O - 2 е^- NaOBr + 2H⁺

Вr^--2 Br⁺

На катоде: O₂ + 2Н⁺ + 2 H₂О₂

В объеме раствора:

НОСН ₂-(НСОН)₄-НС=O + NaOBr НОСН₂-(НСОН)₄-СООН + NaBr.

НОСН ₂-(НСОН)₄-НС=O + Н₂O₂ НОСН₂-(НСОН)₄-СООН + Н₂O.

НОСН₂-(НСОН)₄-СООН +СаСО₃ (НОСН₂-(НСОН)₄-СОО)₂Са + СO ₂ +H₂O.

Пример 2. Электролиз проводился по примеру 1 с тем отличием, что давление кислорода составляло 0,3 МПа. Повышение выхода целевого продукта составляло ~ 60%.

Пример 3. Электролиз проводился по примеру 1 с тем отличием, что давление кислорода составляло 0,5 МПа. Повышение выхода целевого продукта составляло ~ 65%.

В таблице показана зависимость повышения массового выхода глюконовой кислоты от концентрации глюкозы и давления кислорода.

Дальнейшее повышение давления кислорода может приводить к деструкции углеродной цепи и снижению выхода глюконовой кислоты.

Выбор соответствующих условий реакции связан с производительностью процесса; при более высоких и низких плотностях анодного тока снижается выход глюконовой кислоты; при катодной плотности тока выше 0,01 А/см² снижается выход перекиси водорода.

Предлагаемый способ обладает рядом преимуществ:

1) Расход электроэнергии уменьшается за счет использования катодной и анодной реакции.

2) Снижается количество вредных выбросов, так как в качестве дополнительного окислителя используется перекись водорода - экологически чистый окислитель.

3) Увеличивается выход глюконовой кислоты.