专利名称：D－甘露醇的制备方法
技术领域：
本发明主要是一种以葡萄糖为原料，生产富含甘露醇的甘露醇和山梨醇溶液的制备工艺。
D-甘露醇，学名已六醇，广泛应用于医药、食品、化工等行业，还可以作为低热值甜味剂。最早甘露醇的生产采用天然提取法从海带海藻等海洋植物中提取。甘露醇也可以通过D-甘露糖或D-果糖催化加氢化学合成。理论上，纯的D-甘露糖加氢可以得到100％的甘露醇，D-果糖加氢可以得到50％的山梨醇和50％的甘露醇。美国于50年代开始采用转化糖即蔗糖水解产物，催化加氢制备甘露醇，如美国专利No.2759024报道在中性条件下，对转化糖加氢，混合醇中约含有24～26％(干基)的甘露醇。在碱性条件下或采用选择性催化剂对转化糖进行加氢，可以提高混合醇中甘露醇的含量，如美国专利Nos.3,329,729、3,763,246、3,725,199，甘露醇的含量可分别达到30～36％，27～31％和28～29％。虽然在碱性条件下，甘露醇的收率有所提高，但糖的分解反应也大大增加。
1972年捷克的Bilik报道了在酸性条件下，以钼酸盐为催化剂，葡萄糖可以转化为D-甘露糖，转化率约为25％(Chem.Zvesti.，26，183-186(1972))。1975年，美国的Walter.M.Kruse等人对此方法进行了改进，并用来生产甘露醇，甘露醇的含量可达30％左右。美国专利Nos.4083881和4173514分别报道了葡萄糖先经钼酸盐催化作用产生28～36％的甘露糖，剩余葡萄糖经葡萄糖异构化酶作用，部分生成果糖，将上述混合糖液加氢，可得到富含甘露醇的混合醇溶液，甘露醇结晶收率可达40～42％。
1988年，日本专利JP03258437研究了葡萄糖在甲醇溶液中，以有机胺为催化剂，异构化后加氢制备甘露醇的方法，在200克甲醇中溶解40.8克CaCl·2H2O和50克葡萄糖，同时加入24.3克乙二胺，53℃异构化10分钟，溶液中含有35.0％的甘露糖，42.9％的果糖和15.1％的葡萄糖，加氢、精制、结晶后，可得26克甘露醇。该方法甘露醇收率虽较高，但由于采用了有机溶剂，且需要添加大量的钙盐和有机胺，给产品精制造成很大困难。日本专利JP.04368347报道了葡萄糖经钼酸盐催化，部分异构化为甘露糖后，以Pb2+型或Cu2+强酸性阳离子交换树脂固定床对混合糖溶液进行分离，然后将富含甘露糖的溶液浓缩后加氢制备甘露醇。该方法工艺虽较简单，但由于葡萄糖和甘露糖同为醛糖和吡喃型六元环结构，仅第二碳的手性不同，因此性质非常接近，分离困难，树脂分离效率低，需要大量树脂，分离后溶液较稀，甘露糖的回收率也较低，另外，分离后溶液中含有少量Pb2+，Cu2+等重金属离子，需增加一步精制步骤。法国ROQUETTE公司的专利EP580490报道了一条采用高果糖浆生产甘露醇的新的工艺路线，将葡萄糖含量低于15％的高果糖浆，采用甘露糖果糖异构化酶进行异构化，产生15～29％的甘露糖，将异构化后的糖浆进行色谱分离，得到富含甘露糖的组份和富含果糖的组份，将富含果糖的组份重新异构化，而将富含甘露糖的组份进行加氢，采用该方法生产1公斤甘露醇仅产生0.43公斤85％的山梨醇。该方法采用了两次色谱分离，一次为制备果糖含量85％以上的高果糖浆，另一次为对异构化后的糖浆中甘露糖富集。色谱分离所造成的稀释需蒸发大量的水，同时，甘露糖果糖异构化酶尚未工业化生产，价格昂贵，限制了该方法的应用。
本发明的目的是提供一种高收率并简便易得的甘露醇生产方法。
本方法以葡萄糖为原料，通过下列四步获得高收率的甘露醇(a)首先以钼酸盐为催化剂，在酸性条件下，将葡萄糖部分异构化为甘露糖；(b)将葡萄糖—甘露糖的混合溶液通过固定化葡萄糖异构化酶的柱床，生成葡萄糖—甘露糖—果糖的混合溶液；(c)将上述混合溶液采用固定床或连续色谱进行分离得到富含甘露糖—果糖的混合溶液X1和富含葡萄糖的溶液X2，将X2回到(b)重新异构化；(d)将X1高压催化加氢获得富含甘露醇的溶液。
本发明中涉及的甘露醇生产工艺，第一步是在酸性条件下，将葡萄糖催化异构化为葡萄糖和甘露糖的混合溶液，葡萄糖溶液的浓度可以为40～70wt％，加入钼酸盐溶解后，调节PH至2.0-5.0，反应温度为90-160℃，反应时间为10分-3小时，反应时间随反应温度的升高而减少。
葡萄糖溶液的PH值和反应温度对异构化反应的速度和转化率有较大的影响。异构化反应的PH值可以为2.0-5.0，PH值过高，反应速度减慢，PH值过低，会造成葡萄糖的分解和齐聚，使糖液颜色加深。糖溶液PH值的调节可采用盐酸或硫酸。反应温度升高，反应加快，反应时间缩短，甘露糖的转化率上升，例如，常压下，95～98℃反应2.5～3.0小时，甘露糖含量可达29％(干基)；135℃反应10分钟，甘露糖含量可达到34％(干基)。反应温度高于160℃时，会引起糖迅速分解，使反应溶液颜色变深。
反应的催化剂可采用钼酸铵、钼酸钠、钼酸或三氧化钼等。随催化剂用量的增加，反应速度增加，但葡萄糖分解等副反应也相应增加。较合适的钼酸盐用量为葡萄糖绝干含量的0.05～0.3wt％。
异构化后的葡萄糖—甘露糖混合溶液，以色谱分离出的稀葡萄糖，即X2，稀释到45～50wt％后，进行精制处理，以除去钼酸盐催化剂及其他杂质。糖浆脱色可采用活性炭或脱色树脂，脱色后的糖溶液通过强酸性阳离子交换树脂和弱碱性阴离子交换树脂处理，除去溶液中的离子。
本发明中涉及工艺的第二步为将上述葡萄糖—甘露糖混合溶液，通过通常的固定化葡萄糖异构化酶柱床，使溶液中剩余的葡萄糖部分转化为果糖。
采用固定化葡萄糖淀粉酶(如丹麦NOVO公司的SweetzymeT)，将溶液中剩余葡萄糖部分转化为果糖适宜的操作条件为反应温度55～65℃，糖浆pH7.0-7.5，糖浆浓度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+对酶活性的抑制作用。糖浆的流速保持1～1.5倍柱床体积/小时，使糖浆中葡萄糖到果糖的转化率维持在42～44％。
本发明中所涉及工艺的第三步为将含甘露糖—果糖—葡萄糖的混合溶液进行色谱分离，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，虽然，使用的是通常固定床和色谱分离方法，但这一步骤是现有技术未涉及的。
果糖含量42％的果葡糖浆经色谱分离制备果糖含量90％的高果糖浆的工艺已经相当成熟。由于构型和性质非常接近，葡萄糖和甘露糖的分离是比较困难的。本发明中甘露醇制备工艺的特点为对甘露糖和葡萄糖的分离程度要求不高，对分离后葡萄糖组份中甘露糖的含量无特殊要求。将X1浓缩至20-30％，以Ca2+型强酸性阳离子交换树脂为固定相，树脂最好为均粒的色谱树脂(如英国Purolite公司的PCR系列色谱树脂)，流动相为纯水或去离子水，可以采用固定床，模拟流动床或连续色谱装置进行分离。三种糖的出峰顺序依次为葡萄糖，甘露糖和果糖。通过色谱分离，将混合糖溶液分为两部分富含甘露糖和果糖的组份X1和富含葡萄糖的组份X2，分离后葡萄糖组份中的果糖含量(干基)应低于8％，最好低于5％。分离装置最好采用连续分离装置(如美国Advanced Separation TechnologiesInc.的CSEPR)，操作方便，产物浓度较高，X2组份回到(b)重新果糖异构化。
本发明所涉及工艺的最后一步为将富含果糖和甘露糖的组份X1高压催化氢化。色谱分离后的X1组份浓度约为12～20％，将该溶液蒸发浓缩至含干物质20-30wt％，加入氢化催化剂，例如Raney镍或铂系负载催化剂，加热，搅拌，在100-160℃下，反应1.0-3.0小时，压力即常规加氢压力即可。加氢后溶液中，干物质的组成为60-70wt％的甘露醇和30-40wt％的山梨醇，上述混合醇溶液经过精制、浓缩后结晶。甘露醇的结晶收率可达到58-65％，熔点大于165℃。
本发明D-葡萄糖溶液加入钼酸盐催化剂溶解后的pH＝3.0-4.0时更好，反应温度控制在95-140℃范围内更好。
葡萄糖异构化为甘露糖所用催化剂，也可用负载型催化剂，负载型催化剂的载体可采用Al2O3，分子筛等多孔性无机材料，最好为Al2O3，钼酸盐最好采用钼酸铵。负载型催化剂的制备采用浸渍法，钼酸铵的用量为载体用量的5-25wt％，最好为10-20wt％，浸渍好的催化剂于300-600℃焙烧即得，焙烧温度最好为350-450℃，负载型催化剂可以采用固定床式反应器，使葡萄糖溶液连续通过反应床；也可以采用搅拌斧式反应器，反应结束后，采用静置沉降或者过滤回收催化剂，采用负载型催化剂，可以大大减少钼酸盐的用量，在反应过程中可以采用较大量的催化剂，从而大大缩短反应时间和减少反应副产物，反应溶液中没有钼酸盐，可以减少精制用的活性炭和离子交换树脂用量。
负载型催化剂的活性组份较好是(NH4)6Mo7O244H2O。
本发明工艺中葡萄糖、甘露糖和果糖的分离是提高收率的重要一步，现有技术中未有涉及该步工艺，三种混合糖分离时可采用现有技术的固定床，或者连续色谱方法均可。
本发明方法采用四步骤，从葡萄糖制得甘露醇，克服了现有技术存在的诸多不足，例如糖分解反应的增加，产品精制困难，分离繁杂，产率低，成本高等。本发明通过第一、第二步的有效转化和第三步的分离，使最后甘露糖和果糖加氢后甘露醇得率大大提高。本发明方法对设备要求不高，各步反应条件成熟，所得产吕与现有技术相比，不仅产率高，工艺简单，成本也大大降低。
图一是混合糖溶液分离后葡萄糖、甘露糖、果糖含量。
下面的实施例将有助于更好地描述和理解本发明。
实施例1称取1.4公斤一水结晶葡萄糖(含水约9％，后同)，溶解于700ml水中，然后加入3.5克(NH4)6Mo7O24·4H2O，溶解后，以10％稀硫酸调节pH至3.4，加热至95～98℃搅拌反应2.5小时。取样，以高效液相色谱分析甘露糖和葡萄糖的含量，色谱柱为Sugar-Pak II(waters)，检测器为示差折光检测器，流动相为超纯水。以下，糖和醇的检测均同上。经分析，溶液中甘露糖含量为29.31％，葡萄糖含量为69.79％，上述溶液以分离后的稀葡萄糖溶液(葡萄糖70.1％，甘露糖23.5％，果糖6.2％)稀释至浓度约48％，加入1％的活性炭脱色，然后通过阳离子交换树脂(H+)和阴离子交换树脂(OH-)处理。
将精制后的糖液用1％的NaOH溶液调节pH至7.5，58℃下，通过固定化葡萄糖异构化酶柱床(NOVO异构酶SweetzymeT)，异构后糖液中含甘露糖29.08％，果糖30.75％，葡萄糖41.09％。
混合糖液的分离采用内径20cm带夹套的不锈钢柱来完成，固定相为英国Purolite公司的PCR-642 Ca型色谱树脂，床层高度为120cm，每次进料量250ml，树脂柱夹套中打入60℃恒温水。流动相为60℃去离子水，洗脱速度为0.5BV(床层体积)每小时，收集洗脱物，每150ml作为一个样品。样品中葡萄糖，甘露糖和果糖含量见图一。
将图一中2#-6#号样品合并得X2，平均浓度为9.93％，其中葡萄糖含量为69.44％(干基，下同)，甘露糖含量为23.80％，果糖含量为6.76％。浓缩后重新回第二步进行异构化(部分溶液可用来烯释葡萄糖—甘露糖的混合溶液)。将图中7#-11#号样品合并得X1，平均浓度为10.10％，其中葡萄糖含量为11.56％，甘露糖含量为34.75％，果糖含量为53.68％。将富含甘露糖和果糖的溶液浓缩至Bx为25％进行加氢。
将浓缩后的X1溶液600ml(含干物质151克)用10％NaOH调节pH至8.0，加入60克Raney镍催化剂，130℃，氢压45kg/cm2下，在2升的高压釜中加氢2小时。加氢的混合溶液经活性炭脱色，阳(H+)，阴(OH-)离子交换树脂处理后，以高效液相色谱分析混合醇中醇含量，其中山梨醇为38.35％，甘露醇为61.49％，将混合醇溶液浓缩结晶，共得甘露醇晶体85.6克，甘露醇的收率为56.7％(相对于D-葡萄糖)。
实施例2称取1.2公斤一水结晶葡萄糖，溶于500ml水中，加入1.2克(NH4)6Mo7O24·4H2O溶解后，以10％稀硫酸调节pH至3.5，加入2升的高压釜中，搅拌加热至135℃，维持10分钟，冷却出料，溶液中甘露糖含量为34.12％，葡萄糖65.28％，将糖溶液稀释至48％左右，脱色，离子交换处理。用1％的NaOH调节pH至7.5，58℃下，以1.1BV/小时的流速通过固定化葡萄糖异构化酶柱床，流出溶液中含葡萄糖38.89％，果糖28.64％，甘露糖32.25％。
上述糖溶液采用美国AST公司的连续色谱分离装置L100C型CSEPR进行分离，每条树脂柱装填PCR-642Ca型色谱树脂360ml，30条柱共装树脂10.8升。其中1#口进水，15#口进料，5#口和26#口出料，分离后富含果糖和甘露糖组份X1浓度为15.4％，其中葡萄糖含量7.82％，甘露糖35.86％，果糖58.04％，富含葡萄糖组份X2浓度为12.8％，其中葡萄糖含量66.76％，甘露糖29.06％，果糖4.18％。
将X1组份浓缩至25％(BX)，取600ml(含干物质153克)混合糖溶液如实施例1进行加氢，精制，结晶，混合醇溶液中含甘露醇64.91％，山梨醇34.88％，结晶后共得甘露醇晶体92.0克，熔点166℃，收率为60.14％。
实施例3称取1.0公斤一水结晶葡萄糖，加1000ml水溶解，加入25克MoO3/r-Al2O3催化剂，95～98℃搅拌反应1.5小时，混合糖液中含甘露糖31.29％，葡萄糖68.87％。将上述溶液以活性炭脱色，离子交换处理。按实施例1，将葡萄糖部分异构化为果糖，混合糖溶液中含葡萄糖39.18％，果糖29.64％，甘露糖31.33％。
上述糖液按照实施例1，采用固定床进行分离，分离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(含干物质148克)加氢，精制，混合溶液中含甘露醇64.08％，山梨醇35.64％，结晶后共得甘露醇晶体91.8克，熔点165℃，收率为62％。
权利要求
1.一种D-甘露醇的制备方法，其特征在于其主要通过下列四步制备工艺(A)D-葡萄糖溶液在酸性条件下，温度90～160℃下，以钼酸盐为催化剂，部分转化为D-甘露糖；(B)将(A)得到的混合糖液通过固定化葡萄糖异构化酶柱床，在55～65℃下，将剩余葡萄糖部分转化为果糖；(C)将(B)得到的混合糖液采用固定床或连续色谱进行分离，得到富含甘露糖和果糖的组份X1和富含葡萄糖的组份X2，将X2回(B)重新异构化；(D)对富含甘露糖和果糖的组份X1浓缩后，高压催化加氢，加氢后得混合醇，精制、浓缩后结晶分离出甘露醇；上述制备过程(A)的具体条件是D-葡萄糖溶液的浓度是40-70wt％，酸性条件是PH＝2.0-5.0，钼酸盐的用量是干物质量的0.05-0.30wt％，反应时间10分钟-3小时；上述制备过程中(B)的具体条件是反应温度55-65℃，糖浆pH＝7.0-7.5，糖浆浓度45-55wt％，每升糖液中加入MgSO4·7H2O0.4-1.5克，糖浆流速1-1.5倍柱床体积/小时；上述制备过程中(D)的具体条件是X1浓缩至20-30％氢化反应温度100-160℃，反应时间1.0-3.0小时。
2.根据权利要求1所述的D-甘露醇的制备方法，其特征在于D-葡萄糖溶液加入钼酸盐催化剂溶解后的PH＝3.0-4.0，反应温度在95-140℃更好。
3.根据权利要求1所述的D-甘露醇的制备方法，其特征在于D-葡萄糖溶液可以在负载型钼酸盐催化剂下部分转化为D-甘露糖，其中钼酸盐的用量为载体用量的5-25wt％，负载型催化剂的载体是多孔性无机材料。
4.根据权利要求3所述的D-甘露醇的制备方法，其特征在于负载型催化剂中钼酸盐的用量最好为载体用量为10-20wt％。
5.根据权利要求3所述的D-甘露醇的制备方法，其特征在于负载型催化剂的载体可以是Al2O3或分子筛。
6.根据权利要求3所述的D-甘露醇的制备方法，其特征在于负载型催化剂的活性组份最好是(NH4)6Mo7O244H2O。
7.根据权利要求1所述的D-甘露醇的制备方法，其特征在于甘露糖和果糖的富集可以用Ca型色谱树脂的固定床或连续色谱方法。
全文摘要
本发明涉及甘露醇的制备方法。现有甘露醇的制备方法存在得率低、分离困难、成本高等诸多不足。本发明通过下列步骤制得甘露醇:(a)葡萄糖溶液化学异物化为葡萄和甘露糖的混溶液;(b)将得到的混合糖液通过固定化葡萄糖异构化酶的柱床,生成甘露糖-果糖-葡萄溶液X
文档编号C07C31/00GK1177586SQ9710661
公开日1998年4月1日 申请日期1997年9月19日 优先权日1997年9月19日
发明者于家波 申请人:于家波