Курсовая работа: Получение аскорбиновой кислоты

Содержание

Введение

1. Литературный обзор

1.1 Краткая история производства аскорбиновой кислоты

1.2 Методы синтеза аскорбиновой кислоты, выбор рационального способа производства

2. Основная часть

2.1 Строение и физико-химические свойства аскорбиновой кислоты

2.2 Химическая схема производства аскорбиновой кислоты

2.2.1 Производство D-сорбита из D-глюкозы

2.2.2 Производство L-сорбозы из D-сорбита

2.2.3 Производство диацетон-L-сорбозы из L-сорбозы

2.2.4 Производство гидрата диацетон-2-кето-L-гулоновой кислоты

2.2.5 Производство L-аскорбиновой кислоты из гидрата ДКГК

2.2.6 Получение медицинской аскорбиновой кислоты

2.3 Разработка технологии электрохимического окисления диацетонсорбозы на Уфимском витаминном заводе

Выводы

Список использованных источников

Введение

Значение витамина С для организма человека очень велико.

Аскорбиновая кислота принимает активное участие в окислнтельно-восстановительных процессах в организме и входит в состав ряда сложных ферментов, обусловливающих процессы клеточного дыхания [1]. Витамин С участвует в процессах углеводного и белкового обмена, повышает сопротивляемость организма к инфекционным заболеваниям, регулирует холестериновый обмен, участвует в нормальном функционировании желудка, кишечника и поджелудочной железы; совместно с витамином Р обеспечивает нормальную эластичность стенок кровеносных капилляров, обезвреживает действие ряда лекарственных веществ и ядов. Аскорбиновая кислота применяется при лечении цинги, инфекционных заболеваний, ревматизма, туберкулеза, язвенной болезни, при гепатитах, шоковом состоянии и др. [2].

При недостаточности аскорбиновой кислоты развивается гиповитаминоз, в тяжелых случаях -- авитаминоз (цинга, скорбут). При цинге наблюдается утомляемость, сухость кожи, расшатываются и выпадают зубы, наблюдаются боли в конечностях, снижается сопротивляемость к инфекциям. В конечном итоге, цинга приводит к летальному исходу.

Аскорбиновая кислота содержится в значительных количествах в овощах, плодах, ягодах, хвое, шиповнике, в листьях черной смородины.

Примерная суточная доза составляет 50--100 мг. В то же время, в некоторых случаях (тяжелые физические нагрузки, простудные заболевания) показаны увеличенные (ударные) дозы аскорбиновой кислоты (до 0,5-1,0 г и более на прием).

Актуальность. Поскольку в организме человека аскорбиновая кислота не синтезируется, из-за отсутствия необходимых для синтеза ферментов, то наблюдается снижение иммунитета человека (сопротивляемость организма к болезням), поэтому в наше время актуальным является производство синтетической аскорбиновой кислоты.

Цель курсовой работы: рассмотреть процессы получения аскорбиновой кислоты и выбрать наиболее эффективный и рациональный метод.

1. Литературный обзор

1.1 Краткая история производства аскорбиновой кислоты

Аскорбиновая кислота впервые выделена в чистом виде Сцент-Гиорги в 1928 г. под названием гексуроновая кислота. В 1933 г. рядом исследователей установлена ее структура. Синтез ее осуществлен впервые Рейхштейном в Швейцарии, Гевортом в Англии.

Производство витаминов в нашей стране возникло в начале тридцатых годов. Первым было освоено производство концентрата с витамином С из плодов дикорастущего шиповника.

В конце тридцатых годов в СССР было освоено производство синтетического витамина С (аскорбиновой кислоты).

В послевоенные годы шло дальнейшее развитие витаминной промышленности. В последнее время промышленное производство витаминов увеличилось по сравнению с довоенным уровнем во много раз.

После того как производство витаминных препаратов увеличилось, их стали в основном готовить на крупных специализированных заводах, отнесенных к пищевой промышленности. Но некоторые дозированные препараты и готовые лекарственные средства, содержащие витамины, продолжают готовить на галеново-фармацевтических заводах.

В качестве сырья для промышленного получения препаратов, содержащих витамина С в СССР главным образом используется непищевой растительный материал. Наиболее часто для этой цели применяют плоды различных видов шиповника, незрелые плоды грецкого ореха, плоды красного перца, ягоды черной смородины и т. д. [3]

По оценкам BusinesStat, c 2007 по 2011 гг стоимостный объем рынка витаминных препаратов в России вырос на 61% - с 6,4 до 10,3 млрд руб. Стоимостный объем продаж рос темпами, опережающими рост рынка в натуральном выражении. Опережение было обусловлено ростом цен на витаминные препараты: с 2007 по 2011 гг средняя цена 1 упаковки выросла на 40% - с 28,5 до 40 руб. В 2011 г продажи витаминных препаратов выросли на 2,8% и достигли 257,4 млн упаковок. В 2012-2016 гг продажи вырастут на 33% - с 268 до 355,6 млн упаковок. Продажи витаминных препаратов растут благодаря высокому спросу. Объясняется это, в частности, модой на здоровый образ жизни. Кроме того, стремительно расширяется ассортимент витаминов: появляется много узкоспециализированных препаратов.

В настоящее время российский рынок витаминных препаратов составляет, в основном, отечественная продукция. В 2011 г предложение состояло из 223,1 млн упаковок российской продукции и 29,8 млн упаковок импортной продукции.

В обзоре приведены данные по крупнейшим производителям витаминных препаратов: Марбиофарм, Фармстандарт-Уфимский витаминный завод, Валента Фармацевтика, Ирбитский химико-фармацевтический завод, Уралбиофарм, Дальхимфарм, Тюменский химико-фармацевтический завод, Фармстандарт-Лексредства, Верофарм, Розфарм, Биосинтез и др.

BusinesStat опубликовали данные о потреблении витаминных препаратов в России за 2007-2011 гг. и сделали прогноз на 2012-2016 гг.

Таблица 1 - Динамика потребления витаминных препаратов, Россия, 2007-2011 гг.

Таблица 2 - Прогноз динамики потребления витаминных препаратов, Россия, 2012-2016 гг.

Численность потребителей витаминных препаратов за 2007-2011 гг выросла с 105,1 млн чел до 108,8 млн чел. Рост числа потребителей витаминных препаратов связан с модой на здоровый образ жизни [4].

1.2 Методы синтеза аскорбиновой кислоты, выбор рационального способа производства

Аскорбиновая кислота может быть получена из моносахаридов D- или L-ряда.

Известно несколько методов ее синтеза [6, 7]:

1.1.1 Бензоиновый метод. В основе лежит конденсация-- треозы и этилглиокислота в присутствии KCN. Метод неперспективен из-за дефицитности сырья, низкого выхода.

1.1.2 Циангидриновый метод. Аскорбиновую кислоту получают, исходя из L-ликсозы или L-ксилозы. Практического применения не имеет из-за отсутствия сырья, синтез которого из D-глюкозы очень сложен.

1.1.3 Получение аскорбиновой кислоты из свекловичного «жома» (отходы производства сахара из свеклы). Метод предложен американцами в 1904 г. Метод нуждается в значительном усовершенствовании: из 100 кг жома получают всего 2,5 кг аскорбиновой кислоты.

1.1.4 Частично микробиологический метод получения аскорбиновой кислоты из D-глюкозы. Включает 5 стадий, в том числе 3 химических. В основе метода лежит окисление D-глюкозы уксуснокислыми бактериями до кальциевой соли 5-кето-D-глюконовой кислоты, которую превращают в L-аскорбиновую кислоту. Метод привлекает внимание ограниченным применением химических реагентов. Однако выход продукта низок, а процессы микробиологического синтеза трудно управляемы.

1.1.5 Метод Рейхштейна. Синтез L-аскорбиновой кислоты из 2-кето-L-гексоновой кислоты. Основное сырье (D-глюкоза) и вспомогательные реагенты, применяемые для синтеза, используются в пищевой и химической промышленности. Метод нашел применение во многих странах, в т. ч. СССР. Усовершенствован во ВНИХФИ, в настоящее время отдельные стадии его совершенствуются в НПО «Витамины» [8].

Метод Рейхштейна состоит из 6 стадий, включая 1 стадию микробного синтеза:

1 стадия. Получение D-сорбита из D-глюкозы методом каталитического восстановления водородом.

2 стадия. Получение L-сорбозы из D-сорбита путем его глубинного аэробного окисления уксуснокислыми бактериями.

3 стадия. Получение диацетон-L-сорбозы из L-сорбозы путем ее ацетонирования.

4 стадия. Получение гидрата диацетон-2-кето-L-гулоновой кислоты путем окисления диацетон-L-сорбозы.

5 стадия. Получение L-аскорбиновой кислоты из гидрата диацетон-2-кето-L-гулоновой кислоты (деацетонирование --> этерификация --> «енолизация» --> «лактонизация»).

6 стадия. Получение медицинской аскорбиновой кислоты. Перекристаллизация технической аскорбиновой кислоты.

Выход продукта в пересчете на глюкозу составляет в целом до 54%.

2. Основная часть

2.1 Строение и физико-химические свойства аскорбиновой кислоты

Строение аскорбиновой кислоты следующее:

Аскорбиновая кислота является производным моносахарида L-ряда. Это строение подтверждено синтезами, в которых исходными веществами являются L-сорбоза (наиболее доступна) или L-гулоза, превращающиеся в 2-кето-L-гулоновую кислоту--ключевой полупродукт в синтезе аскорбиновой кислоты:

Аскорбиновая кислота имеет два асимметрических атома углерода в положениях 4 и 5 и образует четыре оптических изомера и два рацемата:

Биологически активной является L-(+)-форма. Д-(--)-форма является антивитамином и не существует в природе. Принятое строение аскорбиновой кислоты подтверждается рентгеноструктурным анализом. Молекулярная модель, установленная этим методом, показывает, что все атомы углерода и кислорода цикла лежат в одной плоскости, кроме С₄, лежащего вне ее.

Аскорбиновая кислота представляет собой белое кристаллическое вещество с Тпл=192°, очень чувствительна к нагреванию, хорошо растворима в воде, плохо в спиртах (за исключением метанола), практически нерастворима в неполярных растворителях. Она очень чувствительна к тяжелым металлам, медь и железо разрушающе действуют на аскорбиновую кислоту. Аскорбиновая кислота легко отщепляет протон гидроксила в положении С₃ кольца и по силе не уступает карбоновым кислотам:

Аскорбиновая кислота является двухосновной, однако, ее считают практически одноосновной, поскольку pK_I=4,12 а рК_II =11,57.

Кислотность обусловлена фенольной НО-группой. Аскорбиновая кислота легко образует соли -- наиболее известна ее натриевая соль (аскорбинат натрия). Аскорбиновая кислота очень легко окисляется и обладает сильной восстановительной способностью. Процесс окисления аскорбиновой кислоты протекает сложно, начальной стадией его является образование так называемой дегидроаскорбиновой кислоты под влиянием кислорода воздуха или других окислителей. Этот процесс является обратимым:

При рН<7 в процессе окислительного и гидролитического расщепления дегидроаскорбиновая кислота, например, превращается в 2,3-дикето-L-гулоновую кислоту. Последняя под влиянием повышенной температуры декарбоксилируется и превращается в L-ксилозон-2. Ксилозон восстанавливается аскорбиновой кислотой в L-ксилозу, которая циклизуется в фурфурол путем дегидратации:

Известно, что фурфурол легко вступает в реакции присоединения, образуя полимеры, а также легко окисляется с раскрытием цикла и образованием янтарной и других органических кислот и смолистых веществ.

Указанные процессы протекают даже в присутствии кислорода воздуха, образуя цикл каталитического разложения аскорбиновой кислоты. Поэтому желательно исключить воздействие кислорода на растворы аскорбиновой кислоты и ее препараты в производстве и при хранении.

Естественно, что в присутствии более сильных окислителей и, особенно, ионов тяжелых металлов (медь, магний, железо) аскорбиновая кислота окисляется с деструкцией цикла и образованием в итоге различных органических кислот (L-треоновая, глицериновая, щавелевая и др.). Все процессы окисления идут легче в щелочной среде. При нагревании со щелочами аскорбиновая кислота легко гидролизуется, превращаясь в соль 2-кето-L-гулоновой кислоты:

Из других свойств аскорбиновой кислоты следует отметить ее способность к образованию простых и сложных эфиров. Наиболее известен пальмитат аскорбиновой кислоты, который используют для витаминизации пищевых продуктов:

2.2 Химическая схема производства аскорбиновой кислоты

Технология производства аскорбиновой кислоты.

2.2.1 Производство D-сорбита из D-глюкозы

В производстве синтетической аскорбиновой кислоты D-сорбит является первым промежуточным продуктом синтеза. D-сорбит представляет собой белый кристаллический порошок, легко растворимый в воде. Сырьем для его производства является D-глюкоза. Это сравнительно дорогое сырье, стоимость его составляет 40--44% от себестоимости аскорбиновой кислоты, поэтому замена D-глюкозы на непищевые виды сырья является важной проблемой [7].