~ .
I
.
.1'
-" S' ., u -;-'% .... , '" .... ~ II
I
.
I ~ ~ I I ~ <Jo , ~ 1 .1 ''-. rl ·rt
~
I
I
I
I 1 I~ I ~\
-==:&:)
'-l
I
" .pö ·e I ' ". z u' no u, "3 ~~ > . '" , , ' 1' ! I ' ,! liJ 1~ ,t': WL~ . ••• L _,
-1
r
I .J~-~W:r'
·
o
I I • ---..! ", --' l" ';l : ~ ; 1 " ' 1]:
.-
----!n
:
l _ C j . ~ -: [ r .uu ..+
.
:
. : ( I ----i.t-, " r-:7 " \ ,! ~ ' ~ .! ., .... . ;"
'-_____
+L-____
_
< '" I ~ I ii
Ç' J I " L . __ ~_-,--_ T I ; . ' , ~ ;; o.
L ;' I I ! I :/
.
-inhoud 1. 3 4 4 • ~L§..rn t !:l~~_Y§:!!~§'~Q!:~!.!!~~~~!: '5 a.lnleiding 5 b.De osone-cyanide-methode 5c.Lactonisering en isomerisatie van
2-keto-L-gulonzuur. 9
l)Inleiding 9
2)De bereiding van D-glucose 11 3)De bereiding van sorbitol uit D-glucose 12 4)Bacteriele oxydatie van sorbitol tot
L-sorbose 12
5)De bereiding van 2-keto-L-gulonzuur 13 6)Lactonisatie en isomerisatie 16 d.3enzoîne-condensatie van suikers met
aethyl-glyoxylaat of aethylmesoxylaat 18 e.Claisen-condensatie van esters van
hydroxy-zuren
5 • Q~-2E.?: et __ Yê:!!_ d e _!-~Q!:!!!!§.~!:!~_Q~~~ i di ng a.lnleiding
b.Overwegingen van economische aard c.De keuze van het procédé
l)De oxydatie van L-sorbose 2)Omzetting in L-ascorbinezuur d.De beschrijving van het gekozen procédé
6. De !~Q!:!!!!~Qhe_~!!YQ~!:!!!g_Yê:!!_!:!~~_E~QQ~~ a.lnleiding
b.Condensatie van L-sorbose met aceton c.Reactie met KMn04 d.Lactoniseren en isomeriseren Bijla~!:! I. 11. 111. Proces-schema Warmte- en stofbalans
Berekening van de warmte-doorgangs-coefticient in een warmtewisselaar •
18 19 19 19 23 24 25 26 28 28 29 33 34 37 38
•
Scriptie: Een technische bereiding van L-ascorbine zuur.
~. In~eiding.
L-ascorbine zuur, in het a~gemeen beter bekend onder de
naam vitamine Ct heeft bij het grote publiek een
onge-kend grote beonge-kendheid en populariteit. Hoewel de uit de
jaren 30 daterende hausse in vitamines in wetenschappe-lijke kringen .e~~icht wat taant, is het belang van deze groep stoffen voor het dieet in brede kring doorgedrongen.
Vooral bij vitamine C is dat het geval. De verhalen over
scheurbuik bij schepelingen in onze gouden eeuw, die werd
tegengegaan door het eten van verse groenten, vruchten of
citroenen, behoren tegenwoordig tot de minimum eisen voor
algemene ontwikkeling. Het is onvermijdelijk dat deze
cul-tus de neiging vertoont te ontaarden. Vitamine C zou men kunnen beschouwen als de wonderolie van deze tijd.
Vooral het ontbreken van eenheid van inzicht in de
physio-logische rol van L-ascorbine zuur is hier debet aan. Zon-der tegenargumenten ligt de weg voor kwakzalverij open,
temeer daar L-ascorbine zuur tot in zeer hoge
concentra-ties onschadelijk is voor het organisme.
Uit commercieel oogpunt is er dus weinig tegen vitamine C voor alles en nog wat aan te bevelen. De stof is betrek-kelijk eenvoudig synthetisch te bereiden, hoewel de uit-voering door vele patenten wordt beperkt.
---.
2
.
Bij de opzet van een technische synthese hebben wij ons echter gebaseerd op reële behoeften, daarbij voorbijgaand aan de mogelijkheden, die een handige sales promotion
even-t' _ _ _ _ .~_._-_ _ _ ._-'_ ... __ •.
tueel zou kunnen bieden.
Een grote toekomst voor ascorbine zuur ligt in zijn gemak-kelijke oxydeerbaarheid. Het vindt dan ook al ruime toe-passing als antioxydant. Hier is de typische L-configura-tie echter niet vereist zodat de synthese veel eenvoudiger blijft.
Deze scriptie is een poging, om met behulp van de meest re-cente ontwikkelingen te komen tot een technische bereiding
van L-ascorbine zuur. Het lijkt noodzakelijk daartoe eerst
in te gaan op de vele mogelijke bereidingswijzen, die na de eerste geslaagde poging van Reichstein in
1933
(l~) insnel tempo zijn gevolgd. Weinig aandacht zullen wij in dit verband kunnen wijden aan de biochemische aspecten van deze
zeer interessante stof.
In het tweede deel zullen ter sprake komen de overwegingen, die hebben geleid tot het proces-schema, dat als bijlage aan deze scriptie is toegevoegd.
2. Algemene informatie.
De empirische formule van ascorbine zuur is OSHSOS' De structuur formule volgens de Fischer-configuratie
o
= O~ HO -b
i
11°
HO -?
I
H - 0- - - - ' I HO - OHOHlOH L-ascorbine zuur
Het is een één basisch zuur, dat tot zoutvorming van het type OsHsOsM in staat is. Het heeft een iewat zure smaak. Het is gemakkelijk reversibel te oxyderen volgens
onder-staande -vergelijking: 0:::0 -HO - 0 0 =
°
11 I HO - 0----....
-
0 =°
i9
I°
H - 0 H - 0 I HO - OH HO - OH 1 i ORlOH ORlORBij PH = Lj en 35 °0 heeft dit systeem een redox-poten-tiaal 1:0 ::, + 0,166 V.
L-ascorbine zuur kristalliseert in witte, reukloze en kleurloze, plaatvormige kristallen die smelten bij 190 -192 °0.
Het is zeer goed oplosbaar in water (1 gram in 3 cc oplos-middel) minder in alcoholen. Het is onoplosbaar in benzeen,
ether, chloroform, vetten, etc. In kristallijne vorm is as-corbine zuur behoorlijk houdbaar. In oplossing is de
stabi-liteit echter gering vooral in de tegenwoordigheid van lucht, zuurstof, sporen koper, ijzer of andere metalen en licht.
4.
2.
Voorkomen.L-ascorbine zuur is een in de natuur bijzonder veel voorkomende stof. Alleen bij de mens en het guinese
big-getje zijn vormen van de avitaminose scorbiosei of
scheurbuik) bekend, hoewel het niet uitsluitend voor deze organismen een vitamine is.
In het plantenrijk zijn het vooral groenten, vruchten enz.,
die grote hoeveelheden bevatten. Dierlijk weefsel bevat in
het algemeen minder L-ascorbine zuur, hoewel in sommige organen en klieren, vooral de hormonen producerende klie-ren grotere hoeveelheden aanwezig zijn.
Meestal komt ascorbine zuur voor in evenwicht met de ge-oxydeerde vorm. Of het physiologisch al of niet in een groter molecuul gebonden actief is, blijft nog steeds een open vraag.
De eerste ascorbine zuur preparaten werden verkregen door isolatie uit plantaardig en dierlijk materiaal. Reeds enige weken na de structuur opheldering kon men beschik-ken over een synthese, die later zeer voordelig technisch toepasbaar werd gemaakt. Hoewel er nog steeds een omvang-rijke literatuur over de isolatie van ascorbine zuur uit biologisch materiaal is, is in technisch opzicht de synthe-tische bereiding zeer veel belangrijker. In deze scriptie zullen wij ons beperken tot een bespreking van de synthe-tische bereidingswijzen.
'C'"
-,
'5
.
I
4. De synthese van ascorbine zuur.
Tot op heden zijn vier principieel verschillende methoden beschreven ter bereiding van L-ascorbine zuur, namelijk: 1) Additie van HCN aan een
glyco~
i§~
omzetting
in eentus-senproduct: iminoascorbine en vorming van L-ascorbine zuur door zure hydrolysè.
2) Lactonisering en isomerisatie van een geschikt 2-heto-zuur of -ester.
3) Benzolne-condensatie van suikers met ethyl glyoxylaat of ethyl-mesoxylaat.
4) Claisen-condensatie van esters van hydroxy zuren.
De belangrijkste variaten van deze vier hoofdwegen zullen hieronder ter sprake worden gebracht.
Principieel verloopt de bereiding als volgt:
ï -I CHO I CN I NH I , I
I
11 C =°
I
H - COH C I II
I H - C - OH HCN C ==°
HOC I -+ jI
-+ 11 HO - C - H H- ç
- OH HO? I CHZOH HO-C-H
J
H -C- °
L-xylosone GEzOE HobE
I
-... HCl -+ HO HO
9°
-
-
'
C Jl C i ! HC - 0J
H06 - H i CH20H L-ascorbine zuurDeze methode werd in
1933
ongeveer tegelijkertijdgein-troduceerd door de groep van Reichstein (19. '2..~ ) in Zwi
t-serland en die van Haworth in Engeland C~/~; 11.. ).
De moeilijkheid bij het welslagen van deze bereiding
schuilt vooral in het verkrijgen van het uitgangsproduct
L-xylosone, dat bovendien als noodzaak voor redelijke
ren-dementen zeer zuiver schijnt te moeten zijn.
Het osone kan worden verkregen uit 2 pentosen L-lyxose en
L-xylose. ~HO H - C - OH I H - C - OH HO - C - H i CH20H L-lyxose CHO t HO - C H 1 H - C - OH 1 HO - C - H I CH20H L-xylose
L-xylose is een bestanddeel van hemicellulose en kan
daar-uit worden gewonnen door zure hydrolyse. Synthetisch
kun-nen we uitgaan van d-glucose, dat geoxydeerd wordt tot
gluco-saccharine zuur, gereduceerd tot L-gulonzuur
-lacton en afgebroken tot L-xylose.
OiO f1 - c.. -CM ti 0 - c..-+1 t~t{ I H - t-~ rfO-
r
-f-(
H - C - OH t H - C - 01-1 1 CO°ti CO I fL C -Of-{ I 1-/0- <2 --1-/ I H- <:-0-H-C-oH I COOH ~l.O- ~O-c.J....c...(o. i/v _ '( _ \o..ctOlll,rvCl.tI~ Î -.... c.óü\-l (;.0 _ _ 0 i ;1 '-Iu - c:. -rj
c -
+-1 1-10 - C - \-{ I I i 110-L-1-j 110-<:.-Hlio- e-\-I -tl"l..O I ('0._"'10\.\. \- I
~
.
~ ~ H - C - <.:JH I f-/ - C- - 0 - -7~ J. I ~-C-6r-1 liS!zI
I 1-1 6 C - t-\ '10- C. -+-1 )jU-C-HI
i I (+11.()H C Hl-0+-1 c..~2DHL -
~\0\A:tu.u..r L _ ~~,_ ~ _lc.GU\A L - x~k,~Een ~ gemakkelijker methode ter bereiding van
L-xylose gaat uit van d-sorbitol (verkregen door ktaly-tische hydrogenering van D-glucose), dat wordt omgezet in - di-ethylideen sorbitol (1.. I 17- ) met paraldelyde of in mono-benzal-sorbitol ( ~~ ) met benzaldehyde.
7·
De hierop volgende oxydatie van deze derivaten en
hydro-lyse van de verkregen producten levert L-xylose.
De bereiding van L-lyxose is meer gecompliceerd. Men
gaat uit van D-galactose, dat uit pectine verkregen kan
Hd:
worden.~ diaceton-derivaat wordt geoxydeerd en
gehy-drolyseerd tot d-galacturon~zuur. Reductie van de
alde-hyde-groep geeft l-galacton zuur, dat wordt omgezet in
CHO ~o-c
_\-)
I ~ o. c..-+1 I H-c.
-
O~I c.. \-\~ 01-\ tJ _ c~ o.-è"\c ~ Q.110 I ~ _ C.-lJH I+ll..~
P ti 0- C - f-fNc..~%
f>,
I HO - C - K I J.i-C-o;i I ~ riL Ai _ C--~ U I ~o-
C -H 1 H_ C-OH I if - Q -Or( I 'fO_C.-K I Q.1120rl f'- -+-r _ t_ U i>
Ip H _ C - 0 I 0 - (. -H KIY'I ... I I I f \ O_C-+1 l - J - Q _ O ! 1c..
\-\~O+1 &;. _ ~ ~o \--w:::: P'{ ~dUM ID- ~"'Oc~p-'0l1
~I 0 -e
-
rl I H- c:. -C.l1 i J.-(-e
-
OM 1 HO-C-I-f I Q.+i1.. D-( o \I CI1 I J..\ - ~ -011 I If - C-()H I \{ u- c:.-)-f-,
8.
11---- - --.-H -t
-~)Ico
1-1_ C-0 I / 0 - C-t-I =4> I " O_C-I-I I tl- C. - (),
Coo1--t . ct( _ i. "t.ü~ \?"i \,:. ch.st."" D- ~c.J()..<:..h ... \ .. ~~~'"o
;1r
Ho-c.'..-f1 I J.{ - (. ... OH I H- C - 0 -..-I f10-C-H I C+-I1°1-( L._~o.~ ~_lC>-L~De oxydatie van de pentosen tot het L-xylosone, wordt
bereikt door directe oxydatie met H202 en Fe·· als
kata-lysator of via een osazone als tussenproduct. In dit
laatste geval is het niet noodzakelijk de re~tosen als
zuivere kristallijne stoffen in handen te hebben. Bijvoorbeeld ~=N_Nrl_Q t C-:. tV _ N}{ -(5) J • J../ -
Y _
0H «",~t"-'.k,~ ~ Ho- c.-~ J CI-(lCH CHL) [ c~(:) I H- COl1 I HO- c..-~ I c..Hl,oHL _
x~ Lo~Clvu..g.
Sinds de introductie van osone-cyaanhydrine methode in
1933
d (
~ 11 ,I'~ "1 '\
is eze herhaaldelijk veranderd en verbeterd n' _"_1_'_'_ ~ ~ ''Ïc. '16"
De verbeteringen bestaan vooral in gemakkelijker methoden
ter verkrijging van het .sone.
Het is evenwel tot op heden niet economisch gebleken deze werkwijze als basis voor een technisch procédé te gebruiken.
Deze bereidingswijze, die in
1934
werdgeïntrodu-ceerd door Hachstein en Grüssner ( 30 ) is uitgangspunt
geworden voor enkele succesvolle technische methoden voor
de ascorbine zuur synthese. In de praktijk is hettot op
heden zelfs de enige principiële methode geweest, die zich
vele varianten gepatenteerd bij zo'n succesvol proces.
Momenteel schijnt er evenwel enige rust te heersen in de
patent-activiteit, waarschijnlijk door dat juist nu (ca 20 jaar na de ~ntroductie) vele patenten moeten worden vrijge-geven.
Men kan uitgaan van D-glucose, een gemakkelijk te verkrijgen
product van de stijfselindustrie. Dit wordt katalytisch
ge-hydrogeneerd tot d-sorbitol. Gezien de vereiste
L-configu-ratie van het te bereiden ascorbine zuur dient dit te
wor-den omgezet in L-sorbose. Hierbij wordt ~-gebruik
gemaakt van de bacteriële oxydatie. Het L-sorbose wordt
ge-oxydeerd tot 2 heto-L-gulonzuur waaruit door Lactonisatie en isomerisatie het L-ascorbine zuur wordt gevormd.
We zullen in dit hoofdstukje trachten een enigszins over-zichtelijk beeld te geven van de vele mogelijke varianten.
Deze uitweiding lijkt noodzakelijk, daar deze methode ook
voor onze technische opzet als basis zal dienen.
De gekozen methode en de argumenten daarvoor zullen echter
in een apart hoofdstuk worden behandeld.
In principe verloopt de bereiding volgens het onderstaande schema: QttO Qt(~O~ Q ~t~t\ I I I H- e -o~ W -
e.
-
Ot!
c-=..
0 I tifO-L-tf H -C I -Ok'\ J!O-y-r1
I H~ L C-üH 0.. (JL " " ' ~(.k..b ILC-ot-1 kC\:\-. ~ <)c&.o ~,\cl.CI.M.\ H-CL -OH I I I ti -
e
.
-Ol-( H·e.-oH V( 0 -2 -J-fI
I
I Ctl101-( eH) '*I ~H1-0t1 b-~\u.~ q)-'i.~~L~ L -sc~b~D.Joi.t
I
C,..:-ü I ~f() _c..-~o
11c
-I
1-( 0- C " '1 0 - c...11.
~~~V\ • IH-C-UH
I ,Lo..c. b",~'\JLA.., ~ l.\cv~':'~\ 1 t{ -c-
0I
o..Á.('QC~ . , 0\. W\d\..çSl.."-~. Jfo _ e-I-f If 0 - C -H~
' ') , .~ . \/
CHl,..orj ~ h~-
l_
~d.oV\.-0u..u.'\ . Ic.tt"OI-f
Deze is beschreven door Newklrk (1924, 1936, 1939)
( ';2~ ) en later door Dean en Gottfried (1950) ( g ).
Technisch vindt de bereiding vrijwel uitsluitend plaats
tnt
stijfsel. Een suspensie van stijfsel in water aangezuurd met 0,25 tot 0,5 gew.% HCl (t.a.v. het stijfsel) worden met stoom verwarmd en onder een druk van 40 lbs/s~ inch gehouden tot 90 à 91 % is omgezet.
De zure oplossing wordt dan met Na2C03 geneutraliseerd tot PH
=
4.8. Vetten en eiwitten kunnen worden afgecentrifu-geerd of gefiltreerd.Een moderne variant is toepassing van ionenwisseling bij het verwijderen van deze stoffen. Na ontkleuring met norit
·
,
wordt het D-glucose gekristalliseerd onder vacuum.
Sorbitol is, evenals D-glucose, een technisch pro-duct op grote schaal. Het is onder de naam sorbiet in de handel als 70
%
sorbitol-oplossing.Er zijn twee mogelijkheden voor reductie: 1. Electrolytisch
2. Hydrogeneren onder H2-druk met Ni-katalysator Een vergelijking van de twee procédésis gemaakt door Tulechi
(1952) (
:/J ).Het electrolytische proces is, zoals vrijwel alle electro-lytische werkwijzen economisch sterk afhankelijk van de plaatselijke omstandigheden.
Algemeen is het dus zeker niet. De belangrijkste berei-dingswijze is dan ook de hydrogenering onder H2-druk. Van de technische uitvoering van dit procédé is weinig bekend. Men neemt aan dat in het algemeen discontinue factors
wor-.. ~ ... " " ""--...,
den gebruikt. De katalysator is Ni, dat op de bekende wijze wordt geactiveerd. De reactie vindt plaats bij hoge druk
(100 - 50
atm), bij temperaturen tot150
0 in een waterige oplossing (ca 40%
glucose). Rendementen worden opgegeven tot 99,9%,
een tamelijk verdachte waarde.~--"''';''--'''''''---~--'---~"'-~
Na de reductie wordt de oplossing door ionen wisseling van ijzer en nikkel bevrijd.
Deze omzetting is al sinds 1896 bekend door Bertrand ( ~) die werkte met Acetobacter xylinum. Met dit organis-me bereikte organis-men een rendeorganis-ment van 60
%.
I~.
Wells C.B. ( YL ) (1938) verkregen met Acetobacter suboxy-dans een rendement van 90
%.
Zij zijn ook uitvoerig ingegaanI op semi~technisch onderzoek van deze gisting ( ~) (1939),
waarbij zij een 20% ige-sorbitol oplossing in 25 uur opti-maal konden vergisten.
2 heto-L-gu1on zuur kan op verschillende wijzen worden bereid. Zij vallen uiteen in vier groepen(
~ tv~''U'';
a) Oxydatie van L-glusone
Oxydat~e van L-glucosone, dat verkregen wordt uit L-sorbose, volgens Micheel en Kraft (1934) ( ~o
)
geoxydeerd met broom.
CI{O I
y=-o
HO _C -KI
~- c--ot{I
l-f Q- ( - i-f[
Q..t-(LOti L -~~~O\AJ... föC)t( c..~\.JI
I-(o-~-'i I ~- f
-Ol( Il;O_ Q -HI
c...~t()1i 2.. ~1-v-L - ~~IA.'l..\.ÁA.l(,-
E..
Iq.
b) Oxydatie van aldon~zuren
Wegens de stereochemische configuratie van het te bereiden
L-ascorbine zuur, waarbij de OH-groepen aan C~ en C5 dus
vast moeten liggen, komen
4
aldon-zuren voor een oxydatieen eventueel verdere verwerking in aanmerking.
Bij deze oxydatie worden de 2-~eto-aldon_zuren gevormd
resp.: 2-~eto-gulon-zuur, 2 heto-L-idonzuur, 2-~eto-L-galac
ton-zuur, 2 heto-L-talonzuur.
De oxydatie van een aldonzuur of zijn lacton kan
electro-chemisch plaatsvinden (Pastemak - Regna (1940) ( ~~» of
met chroomzuur in tegenwoordigheid van een vanadium
kata-lysator (Pastemak en Regna) (1939)
(E. ).
Hoewel het rendement van de laatste reactie al hoog is, zou dit nog worden verbeterd door het chroomzuur door NaC103 te
vervangen (Pastemak en Regna (1940) ( ~
».
L-idonzuur kan bacterieel geoxydeerd worden bijvoorbeeld door Pseudomonas mildenbergii en L-gulonzuur door
Aceto-bacter suboxydans (Gray ( ~ » •
c) Omzetting van zuurchloride in een Heto-nitril gevolgd
door hydrolyse
Dit is een algemene methode in de organische chemie, die schematisch hieronder is weergegeven
ilo C.N ~'«)\-( 0.mi-l C-c..Q C:CJ Q..=-o I I I CJJOr\
-
Q,~Oi-{ > "'> II
C)-{ o*"{ '2-K Ol-j R.K
I \~I
R
Major en Cook ( ~ ) hebben deze reactie gebruikt met geheel
I').
d) Oxydatie van L-sorbose
Deze oxydatie is direct uit te voeren, daar vooral de hy-droxyl groep aan 01 hiervoor zeer gevoelig is. Uiteraard blijven de rendementen laag, indien men de selectieve oxydatie niet geheel in de hand heeft.
Directe oxydatie is bekend met salpeterzuur in 20
%
rende-ment (Haworth e. a. (11./ ) (1937) verbeterd door Overhoff
"'en Huyser ( 2..~ ) (1949». <.
---" Be~~e rendementen worden verk~~~,,,~t:?~r katalytische
oXll:-" voXll:-"\ ') datie' met Pt of Pd (op koolstof) / (.iré' o. a. Heyns (1947)
;\.1~.1\\",':,
. .1, lr
Ilo ). De oxydaties kunnenz(iw
~
l
in zuur als alkalisch,
-milieu worden uitgevoerd.
Ook electrolytisch is de oxydatie van L-sorbose bekend, terwijl men ook chlorieten en chloraten als oxydatie
midde-len heeft voorgesteld.
De beste en gemakkelijkste methode is echter de niet te
oxyderen OH-groepen te beschermen.
Dit kan bijvoorbeeld door L-sorbose te condenseren met
aceton in zwavelzuur milieu tot 2,3 - 4,6 di-
isopropyleen-sorbose. (Reichstein en Grüssner (1934) ( '30
».
De oxydatie van de OH-groep aan 01 kan dan met hoog
rende-ment worden uitgevoerd met permanganaat in alkalisch ( ~ )
of zuur milieu (
.7-
)
of met hypocll:hloriet en een nikkelkatalysator ( ~ ).
De bereiding van de diaceton-derivaat is met beter
rende-ment mogelijk door gebruik van lagere temperatuur
(stru-kov t Kapylova ( ~ ) (1947». C+f1-0~ [ c..~o I '10-c.-~ I ~_Q_OH I yo-Q.-I-{
i
Q.){1.0H H- C. - 0 I \l'PH-f-j-
0 H.ê.-Ü 't,~ - ~,l, .~(\\)~~t'llu-", L _ ~Ç)V''no~ (0011I
f~u 1-(0 -c.
-
f-(I
~- t-Ol-(I
110-c.. -
1-/I
C2-Hz.ÜJ.-( 2. _l.c.\-..,
_
l _ \, ~'-' ~UAU"-
.
6) Lactonisatie en isomerisatie
De laatste stap in deze synthese is de sluiting van de lacton-ring en enolisatie tot L-ascorbine zuur van het 2-Meto-L-gulonzuur.
In het algemeen gaat men daarvoor uit van de methyl-ester,
die enkele minuten gekookt wordt
ÇOOI"'Ie...
COl
C. :: 0 He _~II
.
'
~~
I-fO-<2.-H H _ C. -Ol-i H -f -
u -i Ha _ C. -ti I Q.H1 üt\ 'l--kUu - l-(~~J.J"V4" \-j 0 - C- -t-Imet een methanoloplossing van NaOMe,
milieu enolisatie bereikt (I~ .~~ ).
e.-U--. I t/O-( jl i-!Cl-(
I
!-fe-u , I '10 - C.-H J U1tOh L -"-.. (,.C~ b l. w. ~\.M-'-r·waarna men door zuur
á.
De methylester van 2-heto-L-gulonzuur kan worden bereid door: a) Zuur gekatalyseerde esterificatie (?'o )
b) Met diazomethaan ( ~o )
c) Door auto-esterificatie (~ )
De methylester wordt ook gevormd wanneer L-sorbose direct
geoxydeerd wordt met NaCl03 en V20 5 ktalysator in methanol-oplossing. Deze methode hebben wij reeds ter sprake gebracht
(
:9:.
).
In plaats van NaOMe kan ook worden gebruikt NaHC03, Na
-ace-taat, CaC03 en gepoederde ~~~\~~ zoals Ni, Zn, Mg, ~e, Cu.
De reacties vinden plaats in alkalische media, hoewel hier en daar ook melding wordt gemaakt van het gebruik maken van
zuur milieu.
---
-?
/
/(
7
)
I}.
veresteren. De gewenste reacties treden op bij verhitting, meestal
tot~.
Het beste gaat dit in zuur milieu. Derendementen blijven echter lager, dan wanneer men uitgaat van de methyl- ester. .ll ,'-'.
Zeer voordelig is het
~
4é
-
d~a~
k
o
~
derivaat
van2-l'leto-L-gulonzuur door verhitting in aanwezigheid van minerale zuren èirect om te zetten. L-ascorbine zuur, zowel HOI als H2S04
zijn hiervoor gebruikt. De reactie vindt dan bijv. plaats in alcoholische oplossing.
Voegt men hieraan toe!~ niet mengbare vloeistoffen zoals benzeen, tolueen, xyleen, dichloor,-ethaan of tetra, etc., d~ vormen zich azeotropen die om en nabij de 80° koken.
(Bassford, Harmon, Mahoney (1949) (
.
':!L );
Berezovski, Stulc-kumas (1949) ( ~~ ) ).Deze worden afgedestilleetd, waarbij de temperatuur dus niet boven 80° komt. Het L-ascorbine zuur blijft dan achter in
een overmaat van één dezer stoffen, waarin het onoplosbaar is. In plaats van dethanol als oplosmiddel schijnen butanol of isobutanol voordelen te hebben (Sano, Watanabe (1955)
( 3~ ), ook ( ~
».
De reactietijden variëren van 10 tot 20 uur. De rendementen zijn hoog ( 80%).
1\
d. Benzolne_conde~eatie_v~_e~i~e~e_(L-threQs~)~et
~eth~l_g!yoxzl~at of_a~thYl ~e~o!yla~t.
I
i.
Deze methode, die van 1937 dateert (Helferich Peters ( ~ ), is ~iet van practische betekenis geworden voor L-ascorbine zuur bereiding door het moeilijk verkrijgbare L-threose, dat als uitgangsstof dient.
In principe verloopt deze bereiding als volgt
CHU ! I 1i- C-01-1 1 !-fO-t-1-j I Q...H 1.0 \1 CoN I H.C-_u-t-,c. I H- C -I) . ~L I Äc()- C?..-H <:..tNf:.1:: I , 0 c.,.( 1-' :> ~Jc\ 0<'+1 3 LHt0Ät.. kko..o..\.ö\ -L+"'r~0~ 4t o-cv... ~c:W u..u... 'I CD
I
rjO.C 1\ 1-1 0-f
~-c.._
e
I rlu-t.HI
C-rttur!l..
In de praktijk gaat men .. ~[tcyaanhy
~
ne
dat~
;
-'
áén
-'
trapvan tetra.-:---- -
acetyl-L-threose-
~---L-ascorbine zuur kan geven.
Deze methode van Micheel - Haarhoff (1940) ( ~I ), is alleen geschikt voor de bereiding van analogohs van L-ascorbine zuur en is dus voor ons niet van betekenis.
/
, '
2.
De opzet van de technische bereiding.Na de uitwijding over de mogelijke syntheses van L-ascorbine zuur, dienen wij ons bij de opzet van een technische bereiding te beraden over de keuze van een procédé.
Allereerst dient te worden vastgesteld, dat de belangrijkste ontwikkelingen betreffende onze synthese alle voor 1948 heb-ben plaatsgevonden. De latere literatuur vermeldt hoogstens een aanvulling en/of kleine verbeteringen. We zullen ons bij de keuze van ons procédé laten leiden door twee richtlijnen.
; \
a} De opzet van een technisch procédé~}behoort gebruik te maken van de modernste ontwikkelingen. Dit evenwel zonde~
ons op speculatieve wegen te begeven en de voordelen van andere methoden zonder meer voorbij te gaan.
b) De uitvoering van het procédé moet mogelijk zijn met
een-_~ voudige apparatuur; liefst met standaardapparatuur, zodat het procédé gemakkelijk in een bestaand bedrijf zonder grote begin-investeringen ter hand kan worden genomen.
Deze laatste richtlijn is er één van economische aard, waar wij hieronder nader op in zullen gaan.
b) Overwegin
-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-
gen van economische aard.1)
De grootte van de productie.In de inleiding van deze scriptie hebben wij er al op gewezen, dat de verkoopmogelijkheden voor L-ascorbine-zuur sterk
af-hankelijk zullen zijn van de te maken propaganda. In het al-gemeen zal het vitamine voor drie doeleinden te gebruiken zijn.
a) Als noodzakelijke toevoeging aan het dieet, vooral gedu-rende de maanden februari tot en met mei, en aan conserven. b) Als anti-oxydatie middel, bijvoorbeeld ter vervanging van
sulfiet, dat tot voor kort gebruikt werd ter bestendiging van de rode kleur van gehakt.
c) Als wondermiddel in de strijd tegen griep, opkomende ver-koudheden, en andere kwalen.
Van dit laatste wensen we om gewetensredenen verschoond te blijven. De menselijke behoefte aan L-ascorbine zuur bedraagt ca 20 mg per dag. Hieraan wordt gedurende 8 maanden van het
jaar bij normaal dieet ruimschoots vo~daan. De belangrijkste bron van vitamine C voor de Nederlander is de dagelijkse portie aardappelen, die echter in de maanden februari tot en met mei een aanzienlijk lager gehalte aan dit vitamine bevat. Wanneer gedurende die periode ~enNederlander een tablet met 20 mg L-ascorbine zuur zou slikken, zou hiervoor nodig zijn 26,5 ton L-ascorbine zuur. De behoefte van de conserven-industrie is moeilijker te schatten. v. Oss (1957) ( ~~ ) schat de totale behoefte aan L-ascorbine zuur in Nederland
~~R;f
op 50 ton per jaar, zodat we voor conserven we 25 ton per jaar kunnen rekenen.
Voor gebruik als anti-oxydatiemiddel is de stereochemische
~onfiguratie niet belangrijk. Men kan hiervoor volstaan met
technisch gemakkelijker te bereiden analogoas.
Houden we er rekening mee dat de Nederlandse markt al door andere produc~ten wordt beheerst op het moment dat onze pro-ductie een aanvang neemt, dan lijkt het niet verstandig te beginnen met een productie van 50 ton per jaar.
Momenteel is er in Nederland geen ascorbine-zuur producerend bedrijf werkzaam.
'J
2.1
r
1 Concluderend stellen wij onze productie arbitrair op 30.000
"
kg per jaar, hetgeen in de praktijk neer zal komen op 100 kg per dag.
~) De invloed van de productie ~anvang op de proces-opzet.
100 kg per dag is een productie van betrekkelijk geringe om-vang. Het zal dan ook bijzonder kostbaar zijn hiervoor een
I afzonderlijk bedrijf te stichten, veeleer zal men trachten
een bedrijfje van deze omvang in een groter geheel op te nemen of er aan toe te voegen.
3)
De grondstoffen positie.D-glucose is een product van de zetmeel industrie, die vooral in het Noorden van ons land een grote vlucht heeft genomen.
Men zou zich het D-glucose ook uit saccharose gevormd kunnen denken en als zodanig zou een L-ascorbine zuur-fabriek als afdeling aan een suikerindustrie kunnen worden toegevoegd. Sorbitol is ook in de handel verkrijgbaar. Voor zover bekend wordt het in ons land niet geproduceerd.
De bereiding van L-sorbose, dat door gisting uit sorbitol wordt gevormd, zou men kunnen uitbesteden bij een gistings-industrie. Als voorbeeld van een dergelijke samenwerking van industrieën kunnen we noemen de ascorbine zuur synthese gedu-rende de bezetting in Nederland.
D-glucose uit zetmeel werd door de Shell gehydrogeneerd, het sorbitol door de Gist- en Spiritusfabriek ~ L-sorbose omge-zet, terwijl de L-ascorbine zuur bereiding plaats vond bij de Chemische Fabriek "Naarden". Na de oorlog werd de produc-tie stopgezet, daar men slecht8~ onder de zeer bijzondere om-standigheden de geheel gepatenteerde synthese ter hand had kunnen nemen. Er volgde prompt een boete: f 1,-, om rechtens wille!
22
4) De vestiging.
Bovenst~ande overwegingen hebben al duidelijk gemaakt, dat
de vestiging bij een bestaand bedrijf dient te geschieden. Voor een bepaalde plaats in Nederland hebben wij geen voor-keur. x)
Transport-kosten voor grondstoffen (voornamelijk oplosmidde-len) zouden vestiging in het Westen des lands strikt genomen vereisen, arbeidskrachten en goedkope grond vindt men meer in het Oosten en Noorden van ons land. Met de watervoorzie-nings- en afwateringsmogelijkheden dient natuurlijk wel re-kening gehouden te worden.
2)
Octrooi-problemen.De voornaamste principes zijn geoctrooieerd tussen
1934
en1940.
Deze octrooien zijn heden dus niet meer van kracht, wat ook geldt voor sommige aanvullingen en wijzigingen die na1940
hebben plaatsgevonden.Toepassing van de nieuwste methoden, hetgeen wij als richt-lijn hadden genomen, brengt onvermijdelijk licentie kosten met zich mee, als licentie überhaupt al te verkrijgen is.
In Nederland is enige jaren geleden een ascorbine zuur pro-ductie om deze redenen misAkt.
~ 6) De omvang v~n de investering.
t.~~
GeZien
de octrooi-positie, die ongetWijfeld licentie kosten~ ~
met zich mee zal brengen, dienen we dus al rekening te houden~
~
met een flinke post hiervoor op onze kostprijs berekening.VJ'
1
,
~
Daar
deze toch al scherp zal moeten zijn, gezien deonge-~~ ~
~ V~
twijfeld grote concurrentie bij de introductie van ons pro-~V
}
duct op de Nederlandse markt zullen de andere kosten bij ons proces zeer kritisch beschouwd moeten worden.
Wat betreft de investering zullen we proberen te volstaan
met eenvoudige apparatuur van standaard uitvoering. Deze
biedt tevens het voordeel gemakkelijk vervangen te kunnen worden.
c) De keuze van het procédé
-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.
In het vorige hoofdstuk is er reeds op gewezen, dat in de praktijk vrijwel altijd gebruik wordt gemaakt van de syn-these via het 2-keto-L-gulonzuur (4 c). In de wandeling
noemt men dit de ~Reichstein-synthese", hoewel het niet de
enige is die deze Zwitserse onderzoeker op zijn naam heeft staan.
We mogen dus wel aannemen, dat ook in onze opzet deze syn-these als de meest voordelige zal uitkomen. We moeten dan nog een keuze doen uit de mogelijke varianten van deze me-thoden, die onder 4 c uitvoerig ter sprake zijn gebracht. Bij de verdere bespreking van ons procédé zullen wij er van
uitgaan gemakkelijk over L-sorbose als uitgangBstof te
kun-nen beschikken. De eerste twee trappen van de Reichstein-synthese zullen we dus terzijde leggen. Als reden hiervoor mag gelden dat:
1) Hydrogenering (van D-glucose) n~et door ieder bedrijf
zonder belangrijke investeringen ondernomen kan worden. 2) De bacteriële oxydatie van sorbitol mogelijk voordelig
kan worden "uitbesteed".
3)
De eerste twee trappen van het proces de laatste tijd2y
4)
In het kader van een afstudeer programma enigezelfbeper-king in de te verrichten werkzaamheden noodzakel~jkerwijs
- - - -
-
- - ...-moet worden opgebracht.
Bijzonderheden over deze voorafgaande bewerkingen hebben wij in hoofdstuk 4 reeds ter sprake gebracht.
1) De oxydatie vam L-sorbose
Wanneer L-sorbose wordt geoxydeerd tot
2-ketoL-gulon-zuur, zonder de overige OH~groepen te beschBrmen leidt dit
tot betrekkelijk lage rendementen. Er bestaat wel enige
voor-keur voor de oxydatie aan
Cl,
zodat men deze door deselec-H.C.-OH
I
tiviteit van het proces te be-heersen wel enigszins kan opvoe-ren. De huidige methoden voor
directe oxydatie (HNO 3 , 02 (Ft),
chlorieten, chloraten) staan wat het rendement betreft echter wel sterk in de schaduw bij indirecte oxydatie met beschermde OH-groepen aan C2, C3, C4 en CS- Deze laatste methode vraagt echter een extra bewerking: de condensatie van L-sorbose met aceton, wat een grotere investering noodzakelijk maakt, plUK extra proceskos-ten. Het zal er dus van afhangen of de winst aan rendement het verlies aan extra kostprijs zal overtreffen. (We zien hier-bij dus af van een beschouwing van de octrooi-situatie).
Deze oxydatie is echter reeds de derde trap in het proces_ Op de kostprijs van het L-sorbose drukken dus al de kosten van de voorgaande bewerkingen. Daar dit voor iedere volgende phase van het proces nog sterker het geval zal zijn, menen we dat
rendements voordeel de voorkeur moet worden gegeven.
We kiezen dus de indirecte oxydatie, waarbij het L-sorbose
eerst met aceton gecondenseerd wordt tot de 2,3 -
4,6
diiso-propyleen - L-sorbose derivaat. De oxydatie zelf blijkt dan bijzonder eenvoudig uit te voeren met kMnO. in alkalisch
milieu en verloopt met hoog rendement. (61
%
berekend opL-sorbose,
21
)
Het gebruik van hypochloriet en een Ni-katalysator is ook
aanbevolen ( ~ ). Over deze methode zijn echter weinig
ge-gevens bekend. De oxydatie met kMnO~ is op industriële schaal
bovendien zeer gemakkelijk te verwezenlijken. Het lijkt ons,
dat wijzigingen van deze methode vooral zijn voorgesteld op
basis van octrooi-politiek, en niet om redenen van proces-verbetering.
2) Omzetting in L-ascorbine zuur
Door 2,3 -
4,6
diisopropyleen - 2-keto-L-gulonzuurte hydrolyseren ontstaat 2-keto-L-gulonzuur, dat vervolgens gelactoniseerd en geënoliseerd moet worden om L-ascorbine zuur in handen te krijgen. Het is echter ook mogelijk deze drie fasen van het proces in één bewerking te doorlopen
met hoog rendement (81
%,
gerekend op de di-isopropyleenderivaat. ~ ). Het is duidelijk dat zulk een buitenkansje
voor ons proces niet versmaad mag worden. Het rendement
is even hoog, zo niet hoger dan andere mogelijke uitvoeringen,
de bewerking is in ieder geval eenvoudiger.
De reactie vindt plaats in alcoholische oplossing waaraan Hel is toegevoegd als katalysator.
Aan de oplossing wordt een niet mengende vloeistof toege-voegd, die met het oplosmiddel bij verwarmen een azeotroop vormt. Bij de temperatuur hiervan vindt gedurende een
destilla-'. ..~
~. '.
. r·, ,
tie de reactie plaats, het oplosmiddel wordt azeotropisch afgedestilleerd, terwijl het gevormde L-ascorbine zuurin de overmaat van de toegevoegde vloeistof onoplosbaar is.
Deze ene bewerking is dus een combinatie van reactie, des-tillatie en kristallisatie. De reactie zelf bestaat uit
drie trappen: hydrolyse, lactonisering en enolisatie. Het is duidelijk, dat dit een zeer voordelige methode zal zijn. Als oplosmiddel gebruikt men aethanol, butanol of iso-buta-nol. De rendementen verschillen niet veel, de reactie ver-loopt in butanol of iso-butanol iets sneller, hetgeen bij onze productie-grootte niet veel zal uitmaken. Het gebruik van aethanol zal echter wel goedkoper blijken, reden waarom we dit zullen kiezen. Als katalysator nemen we HOl (dat het meest wordt toegepast, hoewel ook H2S04 te gebruiken zou zijn.
Voor de aan de oplossing toe te voegen vloeistof staan ons een hele rij stoffen ter beschikking: chloroform, dichloor-aethaan, tetra, benzeen, xyleen, tolueen, chloorbenzeen, tetrachloor aethaan e.a .
Hieruit kiezen we het goedkope benzeen.
.,
: "
, i '
d) Beschrijving van het gekozen procédé
-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.
Tot slot van dèze uiteenzetting over de opzet van onze fabriek laten wij hier volgen een beschrijving van
het procédé, dat met eerder genoemde argumenten als het voor ons meest voordelige werd gekozen. Details over de technische uitvoering worden in een volgend hoofdstuk besproken.
L-sorbose, waarvan we dus uitgaan, wordt gecondenseerd met aceton, waaraan zwavelzuur is toegevoegd. De reactie wordt
uitgevoerd bij 0 -
5°.
Het koude mengsel wordt langzaamtoe-gevoegd aan een loog-oplossing (0 -
5°).
Wanneer deneutrali-satie van het mengsel is voltooid, wordt het in het aceton-water mengsel onoplosbare Na2S04 afgefiltreerd. De aceton wordt door destillatie verwijderd en de waterige oplossing met aethyleenchloride geextraheerd.
~ De oplossing in aethyleen-chloride wordt ingedampt. Door
~
.
,~ azeotropische destillatie met water wordt het oplosmiddel
~~ vervolgens weer geheel verwijderd. Aan de oplossing in water
wordt toegevoegd loog en kMn0 4, de geringe overmaat kMn04 wordt gedestrueerd met alcohol en Mn02 afgefiltreerd.
Door neutralisatie met Hel kristalliseert het gevormde 2,3
-4,6
di-isopropyleen - 2-keto-L-gulonzuur bij° -
5°.
Ditwordt weer opgelost in aethanol, aan de oplossing wordt
ben-zeen toegevoegd en Hel (ca
5%).
De aethanol wordt door azeotropische destillatie in ongeveer
16 - 20 uur uit dit mengsel verwijderd. Het L-ascorbine zuur kristalliseert uit het resterende benzeen.
In schema:
L-sorbose
~~;~~n..
2,3 -4,6
di -isopropyleen - L-sorbose~gA
•
2,3 -4,6 -
di· isopropyleen - 2 keto-L-gulonzuurHel .. L-ascorbine zuur
alcoholische oplossing
-· .' '; ~:. .' '( \ :.' ~ " . i ... ... , ,'{ - . r;' -:. ~. ... \ "I'. " .'", , " ,- j . ' - ' . , 9~ 'i.'·::'Y ,,;' ", " ..-. J
,~ ~ "
B
"-" '< .}.. '""' ~ '--J ..:: -, ~ ~ ~'"
'-"""
,"'~ \I ~ ---'-'i:ç-~ "Y S "---~ \;" :. ~~ .I
."..,:
:) <>.;: -"6. De technische uitvoering van het proces.
a) Inleiding
-.-.-.-.-De "Reichstein"-synthese, die wij voor een technische berei-ding van L-ascorbine zuur hebben gekozen, is in de loop der
jaren natuurlijk technische geperfectioneerd. Er bestaan over de technische uitvoering twee geschriften,
~)
die wij echter met opzet niet hebben doorgenomen. Het gevaar, be-vooroordeeld te zijn bij de keuze van de apparatuur achtten wij belangrijker dan de mogelijkheid blunders te maken bij een persoonlijke benadering. In elk geval zal deze laatste IIJ I ft en?< I.rtA
t . j ri-fJCM.-C..NI
lJ....
.ft ~ ~,,& "werkwij ze wel leerzame~ blijken e Z1 n. tJ.J;, Co''' i l!.(.tA,'
Uitgaande van L-sorbose vallen de bewerkingen duidelijk uiteen in:
1) Condensatie van 1-sorbose met aceton 2) Oxyderen met KMn04
3) Lactonisering en en~satie in alcohol-benzeen mengsel. We zullen de uitvoering van het proces in deze vo~gorde en verdeling bespreken. De stof- en warmte-stromen worden hier-bij buiten beschouwing gelaten; zij zijn te vinden in Bijlage
11 van deze scriptie. Dit hoofdstuk is te beschouwen als een aanvulling op Bijlage I, een tekening van het proces-schema.
I)
1) Hoffmann - La Rpche "L-ascorbin-säure durch säure Umlagerungen von diaceton - L-gulosonsäure.2) "Diaceton -- L-gulonsäure: 1250 - 1350 kg in 6 Ansatzen
pro Monat"
De omvang van de productie heeft tot gevolg, dat per dag slechts betrekkelijk kleine hoeveelheden verwerkt behoeven te worden. Hierdoor krijgt de fabriek enigszins het karakter van een pilot-plant. De aard der bewerkingen is bovendien
zodanig, dat in het algemeen discontinue bedrijfsvoering het meest voor de hand liggend is. Ons streven, de eerste inves-tering zo laag mogelijk te houden, hebben we reeds ter sprake gebracht. Dit heeft o.m. tot gevolg gehad, dat de capacitèit van de apparatuur zo is bepaald, dat deze zo veel mogelijk
24 uur per etmaal in gebruik is. De grootte van de charges en een tijdschema zijn te vinden in Bijlage 11. ·
b) Condensatie van L-sorbose met aceton
-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.
Hiervoor is benodigd:
1) Oplossen van L-sorbose in aceton, toevoeging
van H2S0~, koelen tot 0 - 5°~
2) Toevoeging van dit mengsel aan een
loog-oplos-sing bij 10 - 5°C.
3)
Filtratie van het in water-aceton mengsel neer-geslagen Na2S0~.4) Afdestilleren van het aceton.
§) ~tractie van de waterige oplossing met~thyleen chloride.
6) Afdestillerenaethyleenchloride (eerst gewoon,
later onder toevoeging van water azeotropisch} De resterende oplossing in water is geschikt om
direct aan oxydatie met KMn04 onderwerpen te
Uitvoering
Materialen
T..oevoer.
Toelichting.
1) Aceton heef~~_ook bij lagere temperaturen een flinke dampspanning.
(
~: ku~
waarin L-sorbose in aceton wordt op-gelost, moet dan'ook tijdens de bewerking afgesloten kunnen worden. Vanzelfsprekend is deze kuip voorzien van een roer-werk. De toe te voegen hoeveelheden kunnen worden afgemeten met een niveau regelaar in de kuip.De maximale sterkte van H2S0~ is ca. 2 N. Als materialen ko-men dan voornamelijk in aanmerking een bepaald Cr - Ni staal
(0,07% max C, 0,75% hm, 1,00% Si, 20% Cr, 29% Ni, 2% min Mo, 3% Cu) of emaille. Het bezwaar van "enamel-lined" materiaal
iS~~itengeWon~
j
kwetsbaarheid
bij stoten.In prijs zullen genoemde materialen elkaar niet veel ontlo-pen. We kiezen dus het Cr - Ni staal.
De toevoerleiding van H2S0~ zou ook van dit Cr - Ni staal
~en worden vervaardigd. De beproefde lood-bekleding is
duur, bovendien een karweitje voor zeer geschoolde
arbei-~
ders.
De aceton.-leiding stelt veel,minder hoge eisen. Vrijwel ieder staal en zelfs ijzer kan worden gebruikt.
Koeling Als koelend oppervlak nemen we een op de kuip gelaste buis.
Afvoer
Voor koeling tot 0 - 5° is nodig een pekeloplossing, of
be-o ?
,
+_
::.o( . ter een zgn. "secundaire pekel", een ro_~~~~~g van ca 0 - 2°[\. ~ die met pekel op deze temperatuur wordt gehouden. Pekelop-lossingen maken soms speciale materiaal voorzieningen
nood-~
zakelijk, daar bun corrosieve werking dikwijls groter is
~
dan algemeen wordt aangenomen.
Daar we een afgesloten kuip hebben gekozen, kan het trans-port naar de volgende bewerking plaats vinden door middel van perslucht. Daar het mengsel bij lage temperatuur moet worden gehouden, is de afvoerleiding geIsoleerd.
si
-Uitvoering ~) De neutralisatie kan plaats vinden in eenzelfde kuip,
die echter een 11/2 keer grotere capaciteit dient te
heb-Koeling Materialen
ben. Het gebruiK van de kostbare loog, zou aan kritiek
onderhevig kunnen
zijn;
r
i~
d
~
strieel
hiervoor meestal Na2C03~ wordt gebruikt. Deze schoonheidsfout zij ons vergeven.
De koeling kan op dezelfde wijze als onder
1)
gebeuren.De l21~ige loog-oplossing stelt niet zulke hoge eisen aan
het materiaal. We kunnen gebruiken een go.n~rpest~rij
~"J..:~te-,ll1v" ~_,""L
staal of zelfs ijzer.
2.)
U:Jb.roeringVoor destillatie van aceton hebben we met opzet geen eisen
gesteld aan een effectieve scheiding. Op de kookketel is
een zeer kleine opzet aangebracht, die meer als spatbol, dan als uitwisselend oppervlak dienst zal doen.
Bij een dergelijke uitvoering zal met de aceton ongeveer li% water meegaan. De bewerking is hierdoor aanzienlijk ver-eenvoudigd, terwijl ons product bovendien nu niet lange tijd aan hoge temperatuur .loot gesteld is. Het aceton-water
'mengsel zou indien economisch vereist in een afzonderlijke
!
, o/' ?
'plant gemakkelijk gescheiden kunnen worden. ~",L /(JJr; v '
---=-De afvoer van de warme waterige oplossing vindt plaats via
L~~ een warmte wisselaar~je naar een opslagtank, waar de
tempe-tf.- v~
-2() 1'I1.I't>- ratuur liefst niet boven 20 - 25° mag zijn.
)we-wr-<-""u", t ,t., Materialen.
'elL
De oplossingen stellen geen bijzondere eisen aan hetmate-l r()t{s.l<
(uftlJ.; riaal. We volstaan met het gebruik van ijzer.
(J.
[v'Ul .
, ( .. 'lll~ §,
-.I ,( ~ I I '
\ 4 ) Uitvoering.
Voor de extractie met~ethyleen -chloride is een uitzondering
gemaakt wat betreft de discontinue bedrijfsvoering. Wegens de zeer hoge efficiency is hier gebruik gemaakt van een
•
capaci-\ ,\ l -'-.,,' ~,t \ I -I Y" k-vI ... - ( (' \.,,\ . i-J"\ ""
teit was het Pilot-plant model voldoende. Ook wat betreft de investeringen is dit eigenlijk een uitzondering: de prijs is hoog. Het is echter te bezien of bij aanschaf van een aan-tal meer orthodoxe units, die tezamen dezelfde efficiency hebben als deze centrifugale extractor, niet ongeveer
een-zelfde bedrag gemoeid zou zijn. Materiaal.
{ lVV'
" Wk/) - ( ,~.
f I ,'" 1 I.. L.(I ,C,-' I "\'~ ~ v '
i . I''''' ,~~\ . . • I_~_),~t\ ~ ~.
Ethyleenchloride "vereist het gebruik van roestvrij staal.
""" ,"
-
- ---.-Ook de opslagvaten moeten hier mee uitgevoerd worden.
5)
UitvoeringUit het buffervat voor de oplossing in aethyleenchloride na de continue extractie, wordt per dag in één charge het aethyleenchloride afgedestilleerd.
Dit gebeurt eerst onder normale druk; later wordt water toegevoegd en onder verminderde druk wordt de destillatie azeotropisch voortgezet.
Wat overblijft is een oplossing van diaceton - L-sorbose in
water. Aan de condensor bevindt zich op een buffervaatje ~
een~jecteur, waarmee het vacuum wordt
-_.
b~~t. Deschei-ding van de water- en aethyleenchloride laag moeilijkheden op; via een buffertankje wordt chloride weer naar de opslag teruggepompt.
levert geen het
aethyleen-Materiaal.
j
Aethyleenchloride vereist het gebruik van roestvrij staal. Veiligheidsvoorzieningen.
Aethyleenchloride heeft een zekere giftige werking. Daar
~.~
we evenwel in geheel gesloten apparatuur te werk gaan, zijn
speciale voorzieningen niet noodzakelijk. Wellicht zal men,
iEdi~n ~~t
~em~elijk~~,
de ruimte waarin de bewerkingenmet aethyleenchloride plaats vinden, van een afzuiginstal-latie voorzien.
- - - -- - -
-Hiervoor is benodigd: 1) Oxyderen
2) Affiltreren van Mn02
3) Kristalliseren door neutraliseren van de
alka-lische oplossing
4) Centrifugeren van het gewonnen kristal
1)
UitvoeringDe reactie met permanganaat kan in een gewone open kuip plaats vinden. Als roerder kunnen we volstaan met een
verplaatsbare "Lightning"-roerder, ~dig modern, en zonder
speciale voorzieningen op de rand van de kuip aan te brengen. Een punt van discussie kan zijn de toevoeging van KMn04. Deze
I
stof is niet al te zeer oplosbaar in water. Oxyderen we dusI
~-I met een oplossing, dan vereist dat zeer grote volumina, wat
---
---onvoordelig is bij het hieropvolgende kristalliseren en de
~~' winning van het kristal. We geven er dus de voorkeur aan
t' (ji.~
D'~:-~' het KMn04 als vaste stof in een aantal porties toe te voegen.
Hiervoor zou een man nodig zijn
ot
een mechanische inrichting.De (kleine) overmaat KMn0 4 wordt met enige liters alcohol
,~
! gedestrueerd. ,i.L . ../ M ~"" /\0.1[<-( ,l.f., ...
'I . ,,,,J.~! . (',tll\,/~ f':'f ti t1-1 /
j
Koeling. ~ ,. v / " I\ .J (.I i
, i:,) t?'-I 1"'''' '\.
De kuip is voorzien van op de wand gelaste halve buizen, koeling is noodzakelijk om de reactiewarmte (voor een deel)
,
~,dk '
af te voeren •
. Materiaal.
De alkalische permanganaat oplossing vereist het gebruik van een roestvrij staal.
'l ft ./
x)
y \-
-2 ) Uitvoering.Het filtreren van Mn0z gebeurt door de massa na oxydatie in een tweede, soortgelijke kuip over te pompen via een filter-pers. ~'n lID v'. "'·t,i(,
~) Uitvoering.
Het neutraliseren gebeurt met een geconcentreerde HOl oplos-sing bij lage temperatuur.
Koeling.
Voor het bereiten van de vereiste temperatuur (0 -
5°)
is eenbuis ~~e op de wand van de kuip gelast.
Materiaal..
Ondanks het gebruik van HOl hoeven we hiervoor, wat betreft het materiaal geen speciale voorzieningen te treffen, daar het hier om neutraliseren gaat.
4) Uitvoering.
De krietalbr)t wordt gecentrifugeerd. De grootte van de cen-trifuge is/zodanig, dat
hij~niet onn~ig~t~l
staat.\ t; . " 1 , - '-1 . -L I I Il ,·t - . !, l/IJ D ( : I/tt. . ; ' , ~ :1 I. ( ( I
I
r u ~ .')),l..tL1.~.." ,lc. G <:. • ./.t" 1....1 'rr I~.
'.- I i r. .. , , \ ~4-~'(h vf
~~A-, -.-... d) Lactoniseren en isomeriseren-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.
Hiervoor is benodigd:'~
1)
2) 3)OploeseJ). van het~.!:istalliseerd.e diaceton - 2-keto-L-gulonzuur in(96%-ige'" alcoh~.~.\ en toevoegen van HOl. Mengen met benzeen en via een warmtewisselaar
toevoe-gen aan een kookketel. - /'
---Azeotropische destillatie van het benzeen-alcohol mengsel en scheiding van de azeotroop.
Toelichting.
1: )
Uitvoering.Het oplossen van diaeeton - 2-keto - L-gulonzuur vindt plaats in een gesloten kuip, wegens het gevaar van alcohol-dampen.
Materiaal.
\}_ 'I Het HOl-gehalte is niet hoger dan ~O%. Dit betekent evenwe~,
~~~\l~
dat we voorzieningen moeten treffen. Het eenvoudigst is eeniJ{\ houten kuip, duurder is het, "glass-lined" apparatuur aan te
schaffen.
2) Uitvoering.
Het mengen van alcohol en benzeen gebeurt met een pomp.
te groot voor twee charges per dag. We moeten dus tijdens het
\
De warmtewisselaar is aangebracht, omdat de capaciteit van de
ketel niet groot genoeg is voor één charge. De reactietijd is
(
koken de tweede portie toevoegen. We doen dit met hetvloei-G stofmengsel op kooktemperatuur.
Di. temperatuur is ca 80°0.
~) Uitvoering.
De scheiding van het condensaat is eenvoudig genoeg. Beide vloeistoffen zijn echter verontreinigd met aceton, water en HOl.
Het benzeen kan zonder regeneratie weer worden gebruikt,
hoe-wel men op de hoogte dient te blijven van de matevan veront- ~
~ . : . ( I . , + \ I \_ I " I '~)lL~ I
reiniging. ."; ./ \,..( ',:" " ," <',..(I.\"',t(. \.. \'~, 1 .,1 ~(. , .. ' vv" [': ~.
t, Lil'./. {lil"", I \,' ·~t f , . '.e .. \\:« '-" v(r.-, 2. '. ~ .
" ... j . ~. ,. I ' . .. \... ... ':
De alcohol, waarin zich het grootste aeel vsn de
verontreini-gingen bevindt, zal in het algemeen geregenereerd moeten
wor-den. Dit zal dan
ges~hieden
in een afzonderlijke"~~
dier wij niet in het schema hebben ondergebracht.
Uit de kristalbrè~ in benzeen wordt het L-ascorbine zuur door centrifugeren gewonnen. Voor zeer zuivere preparaten kan nog worden omgekristalliseerd uit methanol. De
zuiver-heid van het oorspronkelijke product zou echter
98%
;.!'>. ~ .... ; ... ~ 'f': .~~. J"\ , " ' ... ( . ': ~ \.. .... ' : ... ./ .~: .'t' ....V v_ .. :- '1... ._. "'f ..., ... { ' , ~'.' ' • .1. ... " . r ~ _ ~-_
1)
Samenvatting.Deze scriptie bevat een inleiding, waarin het doel en tech-nische bereiding van L-ascorbine zuur nader uiteen wordt
ge-zet.
Algemene wetenswaardigheden worden in hoofdstuk 2 en 3 gegeven. Hoofdstuk 4 bevat een zo gedetailleerd mogelijke bespreking van de tot op heden voorgestelde synthetische bereidingsme-thoden.
Het blijkt dat alleen de "Reichstein"-synthese door zijn
goed-kope uitgaansstoffen commercieel uit te voeren is.
Verdere overwegingen, die bij de opzet van een technische
be-reiding een rol hebben gespeeld worden in hoofdstuk
5
bespro-ken. Hier is onder meer sprake van bepaling van de productie-grootte, richtlijnen bij de te maken investeringen, octrooi aangelegenheden. Uit de mogelijke varianten van de "Reichstein"-synthese is een geargumenteerde keuze gedaan.
Het laatste hoofdstuk is een toelichting van het getekende proces-schema, waar de technische details zoveel mogelijk op zijn aangebracht.
We hebben ons hierbij beperkt tot een korte beschrijving van de apparatuur en de gekozen materialen.
Als bijlage zijn aan deze scriptie toegevoegd: Bijlage I: Proces-schema
Bijlage II: Warmte<-en stofbalans
Bijlage
m:
Berekening van de warmteweerstand in een8) Literatuurlijst
1)
AppelH.
J.C.S.
(1935) 425
2) Auft R.G., Baird D.K., Carrington H.C., Haworth W.N.,
Hubert R.W., Hirst E.L., Parcival E.G.V., Smith F.,
Stacey
M.
J.e.s.
(1934) 62
3) Baird D.K., Haworth W.N., Hubert R.W., Hirst E.L.,
Smith
&t
StaceyM.
J.C.S.
1934) 62
4)
3451)
5)
BerezovskiV.M'
t StulckumasL.I.
Zgur. Priklad. Khim
22 (1949) 1113
(C.A.!2
(1951) 5627)
6) Bertrand G.
Bull. soc. chim.
3 , 15 (1896) 627
Ann.
chim.8
2
(1904~183,227
7)
BoassonE.
t Goldschmidt S., Mlddlebeck A.Ned. Pat.
57.142 (1946)
8) Dean G.R' t Gotttried J.B.
Adv. in Carbohydrate Chem.
2
(1950) 127
9) Gray
B.E.
U.S. Pat.
2.421.611;
U.S. Pat.2.421.612
10)
Hamilton J.K., SmlthF.
J.A.C.S.
1!
(1952) 5162
11)
Haworth W.N., Hlrst E.L.Helv. Chim. Acta
17 (1934) 520
12)
Jones J.K.N., SmithF.
Jones J.K.N.
J.C.S.
(1937 5249
14)
Haworth W.N.! Hiret E.L.! Jones J.K.N.! SmithF.
15) Hi1!erich B •• Peters
o.
Ber.
12
(1937) 465
16) Heyns K.
Ann. 558 (1947) 177
17) Hoffmann - La Roche
Duits Pat. 627.249 (1936)
18)
Major
R.T!. Cook
E.W.
U.S. Pat. 2. 368.557
19) Maurer K •• Schiedt B.
Ber. 66 (1933) 1054
Ber.
~(1934) 1239
20) Michee1
F ••
Kraft
K.
Naturwiss.
~(1934) 205
21) Miohee1
F ••Kra!t K.
Ann. 545 (1940) 28
22) Neuberg C., Kitasato
F.
Bioch. 2 18' (1927) 485
23) Newkirk W.B.
Ind. Eng. Chem.
~(1924) 1173
idem
28 (1936) 760
idem
~(1939)
18
24 ) Ohle H., Er1bach H., Car1s H.
Ber.
il
(1934) 324
~.25) Oss G.v.
Warenkennis en Technologie
111(1957) 408
26) Overhoff J., Huyser W.
U.S. Pat. 2.467.442 (1949)
27)
28)
29)
Pasternak R., Regna P.P.
U.S. Pat. 2.222.155 (1940)
idem
2.153.311 (1939)
idem
2.188.777 (1940)
Reichstein
F,GrUssner A., Oppenhauer R.
Helv. Chim. Aota
~(1933 561
Reichstein F. GrUssner
A.~Oppenauer R.
Helv. Chim. Acta
~(1933 1019
30) Reichstein F, GrUssner A.
31) Reichstein F., Grüssner A., Oppenauer R. Helv. Chij. Acta 17 (1934) 510
32) Reichstein F., Schwarz L.~ GrUssner A.
He1v. Chim. Acta 18 (1935 353
34) Sano
K.,
WatanabeN.
Ann. Rept. Tahamine Lab.
1
(1955) 27 (C.A. 2Q (1956) 14540)35) Steiger M.
Helv. Chim. Acta!§ (1935) 1252 36) Stoue I.
U.S. Pat. 2.206.374 (1940) 37) Strukov F.T., Kapy10va N.A.
Formate1ga 10, 403, 8 (1947) (C.A. ~ (1950) 8327
38) Tulechi J.
Farm. Polska ~ (1952) 466 (C.A.!1 (1953) 12751)
39)
40 ) Vleidenhagen R.
Z. Wirtschaftsgruppe Zuckerind. ~ (1937) 74
41) Weiland J. Zieg1er J.B. U.S. Pat. 2.367.251 42) We11s P.A. en anderen
Ind. Eng. Chem.
2Q
(1938) 78243) We11e P.A., Lockwood L.B., Stube J.J., Roe E.F.,Porges N., Gastroch E.A.
Processchema
·. i
- - - -
.
I
Stof- en warmtestromen
---f.!!l~idi!!s·
In de7e bijlage zullen wij een over7icht geven,waar en
hoe-veel stof en warmte in of uit het proces wordt gevoerd.Daar
op één uitzondering na alle be~erkingen discontinu zijn,
zullen ~e wat de stofstromen betreft,de hoeveelheden in kgmol
per charge aan; even.levens is aangegeven een tijdsschema per
charge,zodat de hoeveelheden per tijdEe~nheid direct kunnen
worden bepaald.
Voor de warmtestromen hebhen we ·v0Lstaan met aan te geven
waar en hoeveel warmte per charge en per ti,jdseenheid moet
worden af- of toegevoerd.niervan is dus geen balans gemaakt.
~én en ander is aangegeven per bewerking.
~ondensatie van sorbose met aceton.
---Heactie
lIIdsiëh~~~ (in minuten)
Laden en oplos~en
Koelen Reactie ~5')min 50 ., 100
Q:
2
ó)
45 Wegpompen Schoonmaken,etcChargeertijd 360 min1lten,d.w.z. 4 charges per dag
Warmte
-Tijdens koelen af te voeren
Massa
---
Invoer aceton sorbose H2S0 4 !ieutra1.t~~!:~!l· rijds§'~!:!~ê: 9,600 kgmol 0,259 1,660 !L!.tv.Q~ aceton sorbose U.A.S. x xx D.A.S. H2 S0 4 water Koelen loog neutraliseren leegpompen schoonmaken chargeertijd 45220 ,met 4 charges per dag.
Warmte
---
Tijdens koelen af te voerenNeutralisatiewarmte Massa
----Invoer ----x XXM.A.S. - mono-aceton-sorbose. D.A.S.- di-aceton-sorbose. 0,47'l( 108 J O,97xl05 Uitvoer ---9,100 0,018 0,241 1,160 0,500
- - - -
-Invoer ---NaOH 1,660 water 25,500 H2S0~ 1,660 M. A. • 0,ö18 D.A.S. O,24iJ! aceton 9,100 To~gev.QQgQ NaOH 1,660 water 25,500 Destillatie aceton ---kgmol kgmo1 20 min 60 240 20 20
2...
Q!.1YQ~! water 28,820 Na2S04 1,ffi60 M.A.S. 0,018 D.A.S. 0,241 aceton 9,100 Y~~i.iQ~!:Q Na2S04 1,660 TiJQ§.~b.~ma laden opw9.rmen destilleren wegpompen schoonmakenchargeertijd 360 ,met vier charges per dag.
Warmte
---
Opwarmen Destilleren Af te voeren 1,9x108 J 2,8<)(108 1,3x l 0 8 Massa---
Invoer water aceton M.A.S. D.A.S. 28,820 kgmol 9,100 0,018 0,241 ~~!~ac!~~_~~!_~~!~~l~~~Q~lQ!:!.de Condensor 3,4 x 108 J Uitvoer(k;te1)
water 24,620 aceton 0,260 (condensor) water 4,240 aceton 8,840Dit is d~ enige continue bewerking in het proces.De hoeveel heden ~ijn nu per dag (etmaal) opgegeven.
Warmte
-Effect te verwaarlozen
Massa
