一种高收率循环生产牛磺酸的方法与流程

本发明属于牛磺酸的制备领域，具体涉及一种高收率循环生产牛磺酸的方法。

背景技术：

牛磺酸是一种非蛋白质氨基酸，作为药物它具有消炎、解热、镇痛、抗惊厥和降低血压等作用，对婴幼儿大脑发育、神经传导、视觉机能的完善以及钙的吸收有良好作用。牛磺酸对心血管系统有一系列独特功能，能增强体质、解除疲劳，因此牛磺酸逐渐在医疗、食品保健等领域被广泛使用。

目前每年有超过50000吨的牛磺酸，由环氧乙烷和单乙醇胺这两种石油衍生化合物制备而来。目前大部分的牛磺酸是由环氧乙烷通过三步制备而来的：(1)环氧乙烷和亚硫酸氢钠的加成反应得到羟乙基磺酸钠；(2)氨解羟乙基磺酸钠得到牛磺酸钠；(3)使用酸，例如盐酸，最好是硫酸中和反应，得到牛磺酸和无机盐。

尽管由环氧乙烷合成牛磺酸的方法已经建立的很完善，收率可达到约90％，并被广泛的用于商业产品。但这个方法还是会产生大量的副产品，不仅使得生产成本增加，而且产品质量因副产品分离等造成不稳定，同时此工艺因副产品等因素不能实现连续化生产。其反应原理如下：

环氧乙烷法存在一些弊端：①反应中大量使用硫酸与液碱。硫酸和碱最终会转化成硫酸钠，随着长时间的积累，硫酸钠会带走部分牛磺酸，造成物料损失；同时硫酸钠始终会存在于母液中，使得离心分离牛磺酸粗品时粗品中残余硫酸盐，最终很容易造成产品硫酸盐超标，而且母液中因含硫酸盐使得在高温高压的合成条件下，极易堵塞冷却器、加热器、合成塔和高压管道，造成生产无法正常进行；与此同时大量的硫酸盐固废增加劳动强度，且不易处理。②因中和后存在硫酸钠，使得一次提取率有限制，从而在后续提取过程中，牛磺酸(h2nch2ch2so3h)要经多次提取，会产生大量废母液，不仅造成原料浪费，收率低下，而且对环境造成污染，同时母液浓缩需消耗大量蒸汽，使得能耗较高。大量固废硫酸钠产生，对环保造成很大压力。

为了由牛磺酸钠得到牛磺酸，美国专利no.2,693,488公开了一种采用离子交换树脂的方法。首先使用h型强酸阳离子型交换树脂，然后使用碱性阴离子交换树脂。该工艺过程复杂，且在每个生产循环中，离子交换树脂的再生需要使用大量的酸和碱。

另一方面，中国专利cn101508657、cn10158658、cn10158659和cn101486669描述了一种使用硫酸中和牛磺酸钠，从而得到牛磺酸和硫酸钠的方法。冷却之后通过将晶体悬浊液过滤，可以很容易的得到牛磺酸粗品。但是，废弃的母液中仍然含有牛磺酸、硫酸铵和其他有机杂质。

综上所述，现行的牛磺酸制备工艺虽然相对较成熟，但在牛磺酸分离提纯及对中间副产品的循环利用或资源化处理方面仍有诸多不足，急需寻求一个有效的方法克服上述不足。

技术实现要素：

本发明提供一种高收率循环生产牛磺酸的方法，旨在一定程度上克服现有的牛磺酸制备工艺中存在的不足。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种高收率循环生产牛磺酸的方法，其包括如下步骤：

s1.环氧乙烷与亚硫酸氢钠溶液反应得到羟乙基磺酸钠；

s2.将s1得到的羟乙基磺酸钠与氨水混合得反应液，在催化剂作用下进行氨解反应，反应完成后闪蒸处理使多余氨气从反应液中排出以作为氨解反应的原料回收利用；

s3.将s2中闪蒸处理后的反应液匀速通过酸性阳离子交换树脂柱，对所述酸性阳离子交换树脂下端收集口处的出液进行ph监测，当ph值变大时开始收集出液，当ph值在10以上时停止收集出液，收集的出液即为含牛磺酸的料液，停止收集料液的同时停止进料，然后用二氧化硫水溶液或二氧化碳水溶液对所述酸性阳离子树脂进行再生处理以循环使用，再生处理时产生的再生洗脱液可直接或经二氧化硫处理后用作s1的原料回收利用；

s4.将s3收集的料液经浓缩结晶、分离提纯和干燥处理即得牛磺酸固体。

需要说明的是，上述的二氧化硫水溶液中除了二氧化硫、亚硫酸外，还可以有亚硫酸钠、亚硫酸氢钠等，即上述的二氧化碳水溶液不一定以纯水为溶剂溶解二氧化硫后得到，还可以为再生流脱液为溶剂通入二氧化硫后得到，其效果在于一方面可有效节水，另一方面可使再生流脱液中亚硫酸氢钠的浓度在循环再生中逐渐增大，从而更适合用作s1的原料；同理，二氧化碳水溶液中，除二氧化碳和碳酸外，还可以有碳酸钠和碳酸氢钠等，即其溶解二氧化碳的溶剂也可以选用相应的再生洗脱液(碳酸氢钠溶液或碳酸钠溶液)。

其中，s1生成的羟乙基磺酸钠可以进行浓缩结晶和烘干处理得到相应固体或者直接反应完成后不经处理将反应得到的混合液体直接与s2的氨水混合得相应的反应液，其中氨水的浓度为20-28wt％。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以有如下进一步的具体或更优选择。

具体的，s1中亚硫酸氢钠溶液的浓度为9-36wt％,亚硫酸氢钠与环氧乙烷的物质的量之比为1：0.95-1。

具体的，s2中的催化剂为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、碳酸钠、碳酸钾、碳酸锂中的任意一种或者任意两种或多种的混合物，氨解反应的温度为150-280℃、压为10-25mpa。

具体的，s3中选用二氧化硫水溶液对所述酸性阳离子树脂作再生处理时，需在氮气或二氧化碳气体保护下进行，以防再生处理过程中空气中的氧气使其氧化生成相应的硫酸盐，再生洗脱液为亚硫酸氢钠或亚硫酸钠溶液(实际上在此处无论是亚硫酸氢钠溶液还是亚硫酸钠溶液中通常均同时包括这亚硫酸氢钠和亚硫酸钠两种溶质)，可直接用作s1的原料回收利用；s3中选用二氧化碳水溶液对所述酸性阳离子树脂作再生处理时，再生洗脱液为碳酸氢钠或碳酸钠溶液(与上述括号中的情况类似)，其经通入二氧化硫处理转变为亚硫酸氢钠溶液，然后用作s1的原料回收利用。

具体的，s3中反应液通过酸性阳离子树脂柱的流速为0.25-2.5bv/h。优选的，该流速控制为0.8-1.2bv/h。

具体的，s3中收集的含牛磺酸的料液的ph值为4-9。在监测树脂柱收集口出液的ph同时，也可同时监测收集料液的ph，两者择一或共同作为料液收集的起始和结束的判定标准及树脂柱需要再生和进料是否停止的判定标准。

具体的，s3中对收集口处的出液进行ph监测的方法为取样检测或在线检测，其中取样检测为每收集0.08-0.15bv体积的料液时，对收集口处的出液进行一次取样ph检测。优选的，为在线ph检测，其效率更高，节省劳动力，工业化特点明显。

具体的，s3中二氧化硫水溶液或二氧化碳溶液对酸性阳离子树脂进行再生处理时二氧化硫溶液或二氧化碳溶液通过酸性阳离子树脂柱的流速为1.8-2.2bv/h，二氧化硫溶液或二氧化碳溶液的用量为2-3bv,再生处理时等出料1bv后开始收集再生流脱液，然后使用去离子水水洗酸性阳离子树脂柱至ph为4.8-5.2后备用。

具体的，所述酸性阳离子交换树脂为羧酸型阳离子交换树脂或磺酸型阳离子交换树脂，当选用二氧化硫溶液作再生处理时，选用的所述酸性阳离子交换树脂的酸性介于亚硫酸和牛磺酸之间，当选用二氧化碳溶液作再生处理时，选用的所述酸性阳离子交换树脂的酸性介于碳酸和牛磺酸之间。

具体的，s4中浓缩结晶、分离提纯和干燥处理的具体内容为：将s3收集的料液浓缩结晶，然后离心，离心得的母液作为氨解反应的溶剂回收利用，离心得的牛磺酸粗品脱色后重结晶并分离，分离得的精母与下一批收集的料液合并，分离后得到的牛磺酸精品经烘干处理，即得牛磺酸固体。需要说明的，所述牛磺酸粗品和精品分离装置为抽滤、过滤或间歇离心分离、连续液固相分离中的一种，包括但不限于连续沉降分离、水力旋流器分离、连续过滤分离、连续离心分离等装置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明选用的酸性阳离子交换树脂的酸性介于二氧化硫水溶液(亚硫酸)和牛磺酸的酸性之间或二氧化碳水溶液(碳酸)和牛磺酸的酸性之间，从而使通过酸性阳离子交换树脂的含有牛磺酸钠的反应液转变为牛磺酸料液，当酸性阳离子交换树脂因交换了过多的钠离子而失活时，可通过二氧化硫水溶液或二氧化碳水溶液使其再生，再生时产生的含亚硫酸氢钠或碳酸氢钠(再吸收二氧化硫变成亚硫酸氢钠)的再生洗脱液可直接或经过处理后作为原料回用与环氧乙烷发生加成反应；此外，氨解反应后闪蒸处理得到的氨气可以循环利用，浓缩结晶及重结晶过程分离得到的母液或精母液也可以回用或回收再提纯；整个工艺中废液产生量少，过程中部分物质得到有效的循环利用，节省成本且牛磺酸的收率可达到90％以上，同时生产工艺相对简单，容易规模化生产。

附图说明

图1为本发明提供的一种高收率循环生产牛磺酸的方法的工艺流程图(以二氧化硫水溶液再生树脂柱)；

图2为本发明提供的另一种高收率循环生产牛磺酸的方法的工艺流程图(以二氧化碳水溶液再生树脂柱)。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明的具体内容作进一步的详细描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1和图2所示，本发明提供一种高收率循环生产牛磺酸的方法，其包括如下步骤：

s1.环氧乙烷与亚硫酸氢钠溶液反应得到羟乙基磺酸钠；

s2.将s1得到的羟乙基磺酸钠与氨水混合得反应液，在催化剂作用下进行氨解反应，反应完成后闪蒸处理使多余氨气从反应液中排出以作为氨解反应的原料回收利用；

s3.将s2中闪蒸处理后的反应液匀速通过酸性阳离子交换树脂柱，对所述酸性阳离子交换树脂下端收集口处的出液进行ph监测，当ph值变大时开始收集出液，当ph值在10以上时停止收集出液，收集的出液即为含牛磺酸的料液，停止收集料液的同时停止进料，然后用二氧化硫水溶液或二氧化碳水溶液对所述酸性阳离子树脂进行再生处理以循环使用，再生处理时产生的再生洗脱液可直接或经二氧化硫处理后用作s1的原料回收利用；

s4.将s3收集的料液经浓缩结晶、分离提纯和干燥处理即得牛磺酸固体。

可以理解的是，上述循环生产牛磺酸的方法可以不连续、半连续或连续进行。而且，本发明的以二氧化硫溶液作再处理处理时，需要在氮气或二氧化碳的保护下进行，以防物料中亚硫酸氢钠转变为硫酸钠而变质，影响其作为s1的原料；若采用二氧化碳溶液洗脱和再生处理，则可以不需要氮气保护，因为洗脱和再生处理通常是开放式环境，而碳酸氢钠溶液通二氧化硫转变成亚硫酸氢钠溶液则通常在密闭环境中进行，氧化变质的可能较小，防止其氧化的手段也更多。

以下实施例中对本发明提供的循环生产牛磺酸的方法中的各步骤进行分解，每个实施例为该方法的一个步骤或一个步骤中的部分内容。以下实施例中用到的药品若无特别说明均为市售产品，所用到的方法若无特别说明均为常规方法,若无特别说明，物料含量均指质量体积百分比。

实施例1

本实施例所示为酸性阳离子交换树脂柱的预处理(或再生处理)：起始预处理时，将羧酸型阳离子交换树脂湿法装入交换柱中，氮气保护下，用2bv、饱和二氧化硫水溶液以1.8-2.2bv/h(其中任一值)流速正向通过所述交换柱内的树脂，然后使用去离子水水洗至ph＝5左右待用。装柱时先将树脂湿法加入量筒中，树脂上层保证5-10cm左右的水层，小幅震荡量筒，使树脂密实，再湿法转入交换柱中，树脂层上部留有5-10cm的水层，树脂层中不能留有气泡。

再生处理时，没有装柱步骤，而是直接加水将树脂柱中物料赶完，然后再用2bv、饱和二氧化硫水溶液以2bv/h流速正向通过所述交换柱内的树脂，等出料1bv后，开始收集再生洗脱液，然后使用去离子水水洗至ph＝5左右，即完成再生，洗水可与再生洗脱液混合，再生洗脱液及与洗水混合后的洗脱液均可作为含亚硫酸氢钠的原料以与环氧乙烷发生加成反应。

再生处理时，也可以使用饱和二氧化碳溶液替代上述的饱和二氧化硫溶液，也能顺利完成树脂柱的再生，只是用掉的饱和二氧化碳溶液约为3-4bv，再生时间也明显更长，但其优点为再生处理时不需要氮保护，更容易操作。

除上述羧酸型阳离子交换树脂外，还可以使用磺酸型阳离子交换树脂获得相应的树脂柱。

实施例2

本实施例所示为以实施例1预处理或再生处理后的羧酸型阳离子交换树脂柱处理牛磺酸钠溶液：

取1250ml、质量体积百分比为10％(以牛磺酸计，100ml溶液中含牛磺酸10g)的牛磺酸钠水溶液,将其以0.25-2.5bv/h(其中任一值)流速正向通过树脂柱，出口初始为树脂层中的水分，可不做收集(可通过检测ph判断料液是否出来,ph有变化时表明料液流出)，待料液出来后开始计量收集，每0.08-0.15bv(其中任一值)取样检测ph，当出口料液指标与进液指标基本一致时(即ph接近)停止进料；再用去离子水正向、2bv/h流速将料液洗出回收，收集物料总体积约1850ml，检测牛磺酸含量6.7％，料液ph约为7.0(工厂中实际生产时，料液洗出步骤仅在树脂需要再生时才发生)；等物料赶完后再用2bv、饱和二氧化硫水溶液以2bv/h流速正向通过树脂层，等出料1bv后，再开始收集再生洗脱液，然后使用去离子水水洗至ph＝5左右待用，此洗水可与再生洗脱液混合，得体积约900ml的回收液，其中主要成分为亚硫酸氢钠，检测亚硫酸氢钠含量11％(其可作为与环氧乙烷反应的原料回用，也可再通入二氧化硫使其转变为饱和二氧化硫水溶液用作树脂柱的再生)。

实施例3

本实施例所示为料液的浓缩结晶、分离提纯和干燥处理步骤：

将上述收集物料总体积约1850ml，检测牛磺酸含量6.7％的物料浓缩，再降温至20℃结晶，再离心分离，得粗品125g，质量含量92.5％，水份7％。剩余母液72ml，含量11.56％。再将125g粗品进行脱色重结晶，再分离，烘干后得干精品81g，精母345ml(含量10％)。精品检测数据如下：

实施例4

本案例所示的是为亚硫酸氢钠溶液(实施例2的900ml回收液)的循环利用及母液(实施例3的72ml母液)的循环利用。

羟乙基磺酸钠的制备：将实例2中收集得到的亚硫酸氢钠溶液与环氧乙烷按亚硫酸氢钠与环氧乙烷摩尔比1：0.95-1的比例在0.1mpa、ph值：6.0-7.0、温度70-85℃的条件下反应1小时，制得羟乙基磺酸钠。

牛磺酸钠的制备：在催化剂为氢氧化钠的存在下，将羟乙基磺酸钠、实施例3中的母液和氨气进行氨解反应，氨解反应在250-270℃和10-15mpa的条下，反应1小时，反应完后，闪蒸赶走氨气后所得溶液即为牛磺酸钠溶液。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。