[发明专利]乳酸及其衍生物合成用催化剂及合成方法

说明书

技术领域

本发明涉及乳酸的化学合成技术，尤其涉及一种乳酸及其衍生物合成用催化剂及合成方法。

背景技术

葡萄糖、甘蔗、淀粉及纤维素是地球上可找到的最丰富的并可再生的碳的来源。这些碳水化合物中由于含有高含量的被氧化基团，因此，在使用它们制造基础化学品时非常有利。特别的是，由于不释放二氧化碳，这些碳水化合物是可持续方式合成化学中间物的最有吸引力的原材料。

理论上通过发酵或者催化反应每摩尔的己醣可获得两摩尔的乳酸。乳酸本身就是用于合成可生物降解聚乳酸的单体。乳酸及其衍生物(如乳酸烷基酯与聚乳酸)可以作为合成其他三碳构造单元如丙二醇、丙烯酸、烯丙醇的原料，而这些三碳构造单元可用于合成其他聚合物。

在当前的化学工业中乳酸是通过葡萄糖的发酵来生产的。图1为用于生产乳酸及其衍生物的商业发酵工艺的流程图。然而发酵过程仅能得到非常稀的乳酸发酵液(<10%的水溶液)。通过与氢氧化钙反应可以得到乳酸钙固体，然后通过与硫酸溶液反应分离乳酸。发酵工艺会产生大量的废水与硫酸钙固体废弃物，且乳酸的发酵工艺仅仅使用葡萄糖作为原料。现有的发酵工艺能大规模(12万吨每年)用葡萄糖生产乳酸。然而微生物发酵的问题在于反应速率低及产品的浓度低(在水中)，因此反应时间长，需要的反应器体积大、产品纯化过程能量消耗高(请参见Fermentation of Glucose to Lactic Acid Coupled with Reactive Extraction:Kailas L.Wasewar,Archis A.Yawalkar,Jacob A.Moulijn and Vishwas G.Pangarkar,Ind.Eng.Chem.Res.2004,43,5969-5982)。

如本领域所熟知的，在碱金属氢氧化物的存在下，单糖可以被转化为乳酸(请参见R.Montgomery,Ind.Eng.Chem,1953,45,1144;B.Y.Yang and R.Montgomery,Carbohydr.Res.1996,280,47)。然而，化学计量的碱(Ca(OH)₂)与酸(H₂SO₄)在乳酸的回收工艺中会被消耗掉。因此，产生相应化学计量的盐类废弃物。

尽管商业发酵法能生产大量的乳酸，然而其仅使用淀粉作为原料，且淀粉必须经过预水解(或通过发酵)以得到葡萄糖。发酵工艺产生大量的废水与固体废弃物(CaSO₄)。且生产乳酸的发酵工艺包括很多步，需要消耗相当多的能量。进行发酵工艺所需要的基础设施非常复杂而且不经济。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种可以更加高效节能的直接将含碳水化合物的原材料转化为乳酸及其衍生物的催化剂及合成方法。

一种乳酸及其衍生物合成用催化剂，其包括:SnY₂·mH₂O和至少一种NH₄X或季铵盐；其中，X与Y分别选自F^-、Cl^-、Br^-、I^-、CH₃SO₃^-、C₆H₅SO₃^-、CH₃C₆H₄SO₃^-或CN^-，m为1到15的整数。

特别地，本发明中的季铵盐为非咪唑类的季铵盐。

进一步地，上述季铵盐的阳离子的化学式为(NR₁R₂R₃R₄)⁺，其中R₁、R₂、R₃、R₄为烷基，其化学式分别为C_nH_2n+1，n为1到30之间的整数。

进一步地，上述至少一种NH₄X或季铵盐与SnY₂·mH₂O的质量比为1:4～5:2。