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Aug 05, 2023

Saccharosemonolaurat-Produktion aus Laurinsäure durch eine Zwei

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 11218 (2023) Diesen Artikel zitieren 362 Zugriffe auf 6 Details zu altmetrischen Metriken Diese Arbeit stellte den ersten Schritt zur Pionierarbeit bei der Verwendung einer zweistufigen Methode dar

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 11218 (2023) Diesen Artikel zitieren

362 Zugriffe

6 Altmetrisch

Details zu den Metriken

Diese Arbeit stellte den ersten Schritt auf dem Weg zur Pionierarbeit bei der Verwendung eines zweistufigen Verfahrens zur Herstellung von Saccharosemonolaurat (Saccharoseester) aus Laurinsäure mit hoher Produktivität und Selektivität dar. In der ersten Stufe wurde Laurinsäure zunächst durch Veresterung in Methyllaurat umgewandelt, gefolgt von der Umesterung von Methyllaurat in Saccharoseester in der zweiten Stufe. Bei dieser Untersuchung wurde vor allem die erste Phase des Prozesses fokussiert und gründlich evaluiert. In einem Mini-Festbettreaktor wurde Methyllaurat kontinuierlich über Laurinsäure und Methanol hergestellt. Als Katalysator wurde Amberlyst 15 verwendet. Die Betriebsgrößen wurden eingehend untersucht und optimiert. Die optimalen Bedingungen zum Erreichen einer Ausbeute von 98 Gew.-% (99 % Reinheit) waren wie folgt: Temperatur von 110 °C, Verweilzeit von 5 Minuten und Zulaufkonzentration von 94 g/L. Über die Betriebszeit von 30 Stunden wurde eine hohe katalytische Stabilität beobachtet. Dieser Prozess lieferte im Vergleich zu den anderen Prozessen eine gute Produktivität. Das aus der ersten Stufe gewonnene Methyllaurat konnte als Rohstoff für die zweite Stufe zur Herstellung von Saccharoseester verwendet werden, was experimentell nachgewiesen wurde. Es wurde eine hohe Selektivität von 95 % Saccharosemonolaurat erhalten. Die kontinuierliche Produktion von Saccharoseester aus Laurinsäure konnte erreicht werden.

Zuckerester (zuckerbasierter Fettsäureester; SE), bestehend aus hydrophilen (Zucker) und lipophilen (Fettsäure) Gruppen, ist ein nichtionisches, ungiftiges und biologisch abbaubares Tensid. Zuckerester gilt als eine der herausragenden biobasierten Verbindungen für Lebensmittel-, Kosmetik- und Pharmaanwendungen1. Die Aufmerksamkeit des Zuckeresters wurde jedoch durch seinen Preis behindert. Beispielsweise lag der Preis für Zuckerester bei etwa 2–10 $/kg (2017)2, während der Preis für allgemeine und nicht biobasierte Tenside (wie Alkylphenolethoxylate: APEs) nur 0,9–1,8 $/kg (2017) betrug. 2. Eines der Haupthindernisse ist die unzureichende Leistung der Zuckeresterproduktion (geringe Produktionskapazität und Produktreinheit), die entwickelt werden muss.

Es gibt zwei herkömmliche Wege zur Herstellung von Zuckerestern. Der erste Weg wird als Veresterungsreaktion bezeichnet [siehe Abb. 1 (Reaktion (1))]. Zucker wird mit freien Fettsäuren unter einem homogenen Säurekatalysator umgesetzt, um Zuckerester und Wasser zu erzeugen. Der zweite Weg beinhaltet die Umesterung von Fettsäureester und Zucker in Gegenwart eines homogenen Basenkatalysators [siehe Abb. 1 (Reaktion (2))]. Beide Wege werden im Allgemeinen unter reduziertem Druck (< 3 kPa) und wasserfreien Bedingungen in einem Batch-Prozess durchgeführt3,4. Die größte Herausforderung ist die geringe Ausbeute/Selektivität des Zuckermonoesters aufgrund der Nebenreaktionen (Hydrolyse und Verseifung [siehe Abb. 1 (Reaktionen (3)–(5))]. Ein weiteres Problem ist die durch eine Inkompatibilität zwischen den Reaktanten verursachte Stoffübertragungsbeschränkung muss gelöst werden. Mehrere organische Lösungsmittel wurden als Ersatz für Wasser gesucht, um Nebenreaktionen zu verhindern und den Stofftransfer zu erleichtern (wobei beide Reaktanten als einphasiges System gelöst werden). Dimethylformamid (DMF) und Dimethylsulfoxid (DMSO) werden häufig verwendet als Lösungsmittel. Leider begrenzt ihre Löslichkeit die maximale Beladung mit Reaktanten. 5. Kürzlich wurde das lösungsmittelfreie System entwickelt und implementiert, um die Verwendung von Lösungsmittel zu vermeiden, die Kosten zu senken und die nachgelagerte Verarbeitung zu vereinfachen. 6. Obwohl die Ausbeute verbessert wurde, ist ein Eine erhöhte Temperatur (130–180 °C) war erforderlich, um den Zucker zu schmelzen und die Reaktionen zu beschleunigen7. Der Rückgang der Ausbeute aufgrund der Zersetzung des Zuckers war ebenfalls ein Problem. Das Recycling von Katalysatoren und die Katalysatortrennung sind die entscheidenden Faktoren, die erforderlich sind für wirtschaftliche Nachhaltigkeit in Betracht gezogen werden. Daher bedarf eine vielversprechende Methode auf heterogener Basis, die die Produktionskapazität (über einen kontinuierlichen Prozess) und die Ausbeute an Zuckerester steigern kann, weiterer Untersuchungen.

Chemische Reaktionen bei der Herstellung von Saccharosemonolaurat.

Unter den Zuckerestern sind Saccharosemonoester die begehrteste Verbindung für pharmazeutische Anwendungen, insbesondere zur Verbesserung der Arzneimittelabgabe1. Zur Verbesserung der Absorption und Penetration ist Saccharosemonolaurat (C12-Fettsäure) einer der vielversprechenden Kandidaten für zukünftige natürliche wasserlösliche Tenside. Die kommerzielle Produktion dieser Verbindung stand jedoch vor Herausforderungen, insbesondere bei der Erzielung einer hohen Saccharosemonoester-Ausbeute6. Es ist schwierig, den Substitutionsgrad von Saccharose zu kontrollieren, da ein Saccharosemolekül eine Reaktivität der acht Hydroxylgruppen aufweist. Daher wurde in dieser Arbeit das neuartige Herstellungsverfahren für Saccharosemonolaurat entwickelt und vorgeschlagen.

Die Mini-Festbettreaktortechnologie gehört zu den effizienten kontinuierlichen Reaktoren, die hohe Wärme- und Stoffübertragungsraten bieten können, was unsere Forschungsgruppe für verschiedene Anwendungen demonstriert hat8,9. Im Vergleich zu den anderen Produktionstechnologien wurden die herausragenden Produktionsleistungen vorgestellt. Beispielsweise wurde bei der Anwendung von 5-Hydroxymethylfurfural (5-HMF) im Vergleich zu anderen Reaktoren eine relativ hohe Ausbeute an 5-HMF erzielt, die in einem Mini-Festbettreaktor hergestellt wurde9. Diese Technologie wurde jedoch nie für die Zuckeresterproduktion eingesetzt. Daher wurde in dieser Arbeit der Mini-Festbettreaktor eingesetzt, um seine Wirksamkeit zur Bewältigung der technischen Herausforderungen bei der Produktion von Zuckerester zu untersuchen.

In dieser Arbeit wurde das zweistufige Verfahren zur Herstellung von Saccharosemonolaurat vorgeschlagen, das bisher kaum untersucht wurde, um die Produktionskapazität und -effizienz zu steigern. Dieser Produktionsprozess könnte im Vergleich zu dem direkten Produktionsweg zu einem geringen Ausmaß an Nebenreaktionen führen. Der Substitutionsgrad könnte mit dieser vorgeschlagenen Methode leicht kontrolliert werden. Darüber hinaus könnten die ineffizienten Wärme- und Stoffübertragungen durch den Einsatz der Mini-Festbetttechnologie gemildert werden. Das Hauptziel dieser Forschung bestand darin, sich auf die Entwicklung des Prozesses der ersten Stufe zu konzentrieren. Bei diesem Produktionsweg (siehe Abb. 2) wurde die Laurinsäure zunächst durch Veresterung in Laurinsäuremethylester (Methyllaurat) umgewandelt. Die die Produktausbeute beeinflussenden Betriebsgrößen wurden untersucht und optimiert. Die Produktionsleistung unseres vorgeschlagenen Prozesses wurde mit den anderen Techniken aus der Literatur verglichen. Die zweite Stufe des Verfahrens wurde ebenfalls durchgeführt, um die Machbarkeit der Verwendung des zweistufigen Verfahrens zur Herstellung von Saccharosemonolaurat zu bestätigen.

Kontinuierliche Herstellung von Saccharosemonolaurat aus Laurinsäure durch einen zweistufigen Prozess (Abbildung wurde mit Microsoft Professional Visio, 2019 erstellt).

Für die erste Stufe des Prozesses wurden Laurinsäure (≥ 98 %) und Methanol (99,9 %) von Thermo Scientific bzw. RCI Labscan bezogen. Amberlyst 15 wurde von Alfa Aesar bezogen und ohne jegliche Modifikation verwendet. Für die zweite Stufe des Prozesses wurde Saccharose von Merck bezogen und DMSO (≥ 99 %) von Loba Chemical bezogen. Als Katalysator wurde Amberlyst 21 von Alfa Aesar ohne jegliche Vorbehandlung verwendet. Für analytische Zwecke wurden Methyllaurat (≥ 98 %) und Saccharosemonolaurat (98 %) von Sigma-Aldrich bezogen.

In der ersten Stufe der Zuckeresterproduktion wurde Methyllaurat kontinuierlich durch Veresterung von Laurinsäure und Methanol in einem Mini-Festbettreaktor (Innendurchmesser: 4,6 mm, Reaktorvolumen: 3,3 ml) hergestellt [siehe Abb. 1 (Reaktion (6 ))]. Bei diesem Verfahren wurde Laurinsäurelösung (47 bis 330 g/l) in den Mini-Festbettreaktor eingespeist, wo Amberlyst 15 (2,7 g) gepackt und als Katalysator zur Beschleunigung der Reaktion verwendet wurde. Amberlyst 15 ist einer der wirksamen Katalysatoren für die Veresterungsreaktion10,11. Die hohe katalytische Stabilität war das Highlight dieses Katalysators9. Der Volumenstrom wurde entsprechend der untersuchten Verweilzeit angepasst [siehe Gl. (1)]. Die Bettporosität unseres Reaktors betrug 0,67, was auf der Grundlage unserer vorherigen Arbeit8 ermittelt wurde. Die Temperatur und der Druck wurden jeweils durch den Konvektionsofen und den Gegendruckregler aufrechterhalten. Der Produktauslass wurde mit entionisiertem Wasser und einem Zentrifugalabscheider zur Abtrennung des Lösungsmittels gereinigt. Das Produkt wurde zweimal gewaschen, um ein hochreines Produkt zu erhalten. Das gereinigte Produkt wurde mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) analysiert, um die Menge an Methyllaurat zu bestimmen. Diese Daten wurden zur Bewertung der Produktionsleistung verwendet [siehe Gl. (2) und (3)]. Das gereinigte Methyllaurat wurde dann als Rohstoff für die Zuckeresterproduktion verwendet (zweite Stufe des Prozesses). Eine schematische Ansicht des Versuchsaufbaus ist in Abb. 2 dargestellt.

Aus der ersten Stufe erhaltenes Methyllaurat (oder reines Methyllaurat) und Saccharose wurden in DMSO gemischt, um eine homogene Lösung zu erhalten. Das Verhältnis wurde abhängig von der Futterkonzentration (5 g/L) und dem Molverhältnis von Saccharose zu Methyllaurat (0,63:1) angepasst. Die Lösung wurde dann in den mit Amberlyst 21 (1,7 g) gefüllten Mini-Festbettreaktor eingespeist. Beachten Sie, dass in der Literatur darauf hingewiesen wird, dass für die Hochleistungsproduktion von Saccharoseestern ein Basenkatalysator erforderlich ist3. Amberlyst 21 wurde in großem Umfang als vielversprechender Katalysator für basenkatalysierte Reaktionen9 verwendet; Dieser Katalysator wurde jedoch nie für die Anwendung als Zuckerester untersucht. Die Reaktionstemperatur von 120 °C und der Umgebungsdruck wurden konstant gehalten. Der Auslassstrom wurde zur Produktanalyse gesammelt. Das schematische Diagramm der kontinuierlichen zweistufigen Saccharoseesterproduktion ist in Abb. 2 dargestellt. Die Produktivität, Ausbeute und Selektivität von Saccharosemonolaurat wurden unter Verwendung der Gleichungen berechnet. (4) bis (5).

Die Komponenten der Saccharoseester (Mono-, Di- und Triester von Saccharose) wurden mittels HPLC (Nexera-Serie, Shimadzu) analysiert, ausgestattet mit einem Brechungsindexdetektor (RI; RID-20A, Shimadzu). Die Analyse wurde auf der ACE Excel C18-Säule (250 mm × 4,6 mm, 5 µm Partikelgröße) bei 40 °C durchgeführt. Die mobile Phase bestand aus 85:15 (v/v) Methanol und entionisiertem Wasser und die Volumenflussrate betrug 1 ml/min. Die Probe wurde ohne Behandlung analysiert und das Injektionsvolumen betrug 10 µL. Laurinsäure und Methyllaurat wurden mit der gleichen Methode quantifiziert, mit der Ausnahme, dass die mobile Phase eine Mischung aus Aceton und Acetonitril (70:30 v/v) war. In ähnlicher Weise wurden Zuckerverbindungen, einschließlich Saccharose, Glucose und Fructose, unter Verwendung von ACE excel 5 NH2 (250 mm × 4,6 mm × 5 μm) und einer Mischung aus DI und Acetonitril (82:12 v/v) als mobile Phase analysiert. Die Analysestandards wurden zur Identifizierung und Quantifizierung dieser Verbindungen verwendet.

In dieser Arbeit wurde die kontinuierliche Produktion von Methyllaurat aus Laurinsäure fokussiert und in einem mit Amberlyst 15 gefüllten Mini-Festbettreaktor durchgeführt. Drei wichtige Prozessvariablen, darunter Reaktionstemperatur (60–120 °C), Verweilzeit (2,5). –60 min) und die Laurinsäurekonzentration (47–329 g/L) wurden untersucht und zur Prozessoptimierung identifiziert. Zur Bewertung der Produktionsleistung wurden Ausbeute und Selektivität von Methyllaurat ausgewählt. Die erste Variable war die Reaktionstemperatur, die unter verschiedenen Verweilzeiten bewertet wurde. Die Zulaufkonzentration von 47 g/L wurde konstant gehalten (Molverhältnis Methanol zu Laurinsäure 100:1). Wie in Abb. 3 gezeigt, wurde eine vollständige Veresterung von Laurinsäure und Methanol bei einer Reaktionstemperatur von mehr als 100 °C erreicht. Bei einer Verweilzeit von 5 min wurde eine Ausbeute von über 99 % erreicht. Dies zeigte, dass der geschwindigkeitsbestimmende Schritt hauptsächlich von der intrinsischen Kinetik und nicht von den Massentransporten (externe/interne Massentransfers zwischen festem Katalysator und Reaktanten) dominiert wurde. Dies wurde auf den erleichterten Stoffaustausch mithilfe eines Mini-Festbettreaktors (kurze Diffusionsstrecke) zurückgeführt. Die Porengröße des Katalysators (Amberlyst 15) betrug etwa 33,8 nm, was die Zugänglichkeit und Diffusion der reagierenden Moleküle zu den aktiven Zentren des Katalysators begünstigte. Die Selektivität von 99 % deutete darauf hin, dass die Nebenreaktion unter diesen Bedingungen nicht signifikant war. Eine große Menge Methanol könnte die unerwünschten Reaktionen hemmen12. Allerdings konnten die Nebenreaktion(en) bei Verwendung stark saurer Homogenkatalysatoren (wie H2SO4) bei hohen Temperaturen nachgewiesen werden. Beispielsweise wurde über die unerwünschte Reaktion bei Temperaturen über 90 °C bei der Veresterungsreaktion berichtet13. In dieser Untersuchung wurden für weitere Untersuchungen Reaktionstemperaturen von 100 und 120 °C gewählt.

Einfluss der Reaktionstemperatur auf Methyllaurat-Ausbeute und -Selektivität.

Die folgende Variable war die Futterkonzentration, die im Bereich von 47–330 g/L untersucht wurde (entspricht dem Molverhältnis von 100:1 bis 12:1). Dabei wurde auf eine Verweilzeit zwischen 5 und 30 min geachtet. Die Ergebnisse sind in Abb. 4 dargestellt. Möglicherweise waren eine höhere Reaktionstemperatur und eine längere Reaktionszeit erforderlich, um bei Verwendung einer hohen Einsatzstoffkonzentration eine hohe Ausbeute zu erzielen. Bei einer Zulaufkonzentration von weniger als 191 g/l wurde eine vollständige Umwandlung der Laurinsäure bei relativ kurzer Verweilzeit (≤ 15 min) und niedriger Reaktionstemperatur (≤ 120 °C) erreicht. Eine Erhöhung der Futterkonzentration auf mehr als 191 g/L war möglich; Die wirtschaftliche Machbarkeit könnte jedoch durch die Anforderungen einer relativ hohen Temperatur und einer längeren Verweilzeit beeinträchtigt werden. Daher lag die geeignete Futterkonzentration für den kostengünstigen Prozess zwischen 94 und 191 g/L. Basierend auf den Ergebnissen sind die Variablenbereiche für die Optimierungsanalyse in Tabelle 1 zusammengefasst.

Einfluss der Futterkonzentration auf die Ausbeute und Selektivität von Methyllaurat.

Die Interaktionseffekte wurden anhand der Methode der Varianzanalyse (ANOVA) bewertet. Zwei interessante Prozessvariablenpaare, Temperatur-Konzentration und Verweilzeit-Konzentration, wurden bewertet. Die nicht bewerteten Variablen wurden im mittleren Bereich (Stufe 0) konstant gehalten (siehe Tabelle 1). Wie in Abb. 5 dargestellt, waren die Interaktionseffekte beider Prozessvariablenpaare offensichtlich, was durch den Unterschied in der Steigung der Linien angezeigt wurde. Bei der Temperatur-Konzentration-Wechselwirkung bei niedrigen Konzentrationen führte eine Erhöhung der Reaktionstemperatur zu einem Anstieg der Methyllaurat-Ausbeute, bevor sie sich einpendelte (> 110 °C). Dies war auf die vollständige Umesterungsreaktion zurückzuführen. Bei hohen Konzentrationen war jedoch aufgrund der überschüssigen Reaktantenmenge eine Temperatur von mehr als 120 °C erforderlich, um die Reaktion abzuschließen. Das Ergebnis stimmte mit der Arbeit von Liu et al.14 überein, die die Veresterung von Ölsäure mit Ethanol über einem organischen Phosphonsäure/NaY-Katalysator untersuchten. Für das zweite Paar war eine längere Verweilzeit erforderlich, um die vollständige Umwandlung zu erreichen, wenn die Beschickung eine hohe Konzentration aufwies. Ein ähnliches Verhalten wurde auch in der Arbeit von Han et al.15 berichtet.

Wechselwirkungseffekte von Prozessvariablenpaaren auf die Methyllauratausbeute; T-Temperatur, RT-Verweilzeit.

Diese Optimierung in dieser Arbeit wurde basierend auf der Response-Surface-Methodik (RSM) in Verbindung mit dem Box-Behnken-Design (BBD) durchgeführt. Der experimentelle Aufbau von drei Hauptvariablen mit drei Niveaus für jede Variable ist in Tabelle 1 dargestellt. Als Reaktion wurde die Ausbeute an Methyllaurat ausgewählt. Beachten Sie, dass alle Experimente in zufälliger Reihenfolge mit zwei Wiederholungen durchgeführt wurden.

Die Korrelation zwischen Prozessvariablen und der Ausbeute an Methyllaurat wird in Form einer polynomialen Regressionsgleichung ausgedrückt, wie in Gl. (6). Die optimalen Bedingungen waren eine Reaktionstemperatur von 110 °C, eine Verweilzeit von 5 Minuten und eine Zulaufkonzentration von 94 g/L. Die Ausbeute und Reinheit an Methyllaurat betrugen 98 % bzw. 99 %.

Die Genauigkeit des Modells wurde anhand des Bestimmtheitsmaßes, des reinen Fehlers und des P-Werts der mangelnden Anpassung validiert. Die mangelnde Anpassung des Modells ergab einen p-Wert von 0,648 und bestätigte damit, dass das Modell geeignet war, die Beziehung zwischen Prozessvariablen und Produktausbeute zu definieren. Die Eignung des Modells spiegelte sich im Wert des Bestimmtheitsmaßes von 99,7 % wider, was darauf hindeutet, dass das Modell gut zu den experimentellen Daten passte. Es wurde ein relativ kleiner reiner Fehler dieses Modells ermittelt, was auf die Zuverlässigkeit der experimentellen Verfahren hinweist. Basierend auf allen Indikatoren lieferte das Modell eine hohe Vorhersagegenauigkeit.

Die Stabilität des Katalysators wurde unter optimalen Betriebsbedingungen 30 Stunden lang getestet. Die Katalysatoraktivität im Hinblick auf die Ausbeute an Methyllaurat wurde als Überwachungssignal zur Messung der Langzeitstabilität des Katalysators verwendet. Abbildung 6 zeigt, dass die Ausbeute an Methyllaurat während des gesamten Versuchszeitraums etwa 98 % betrug. Die Brunauer-Emmett-Teller-Oberfläche (BET) und das Porenvolumen von Amberlyst 15 änderten sich nach dem Experiment nicht wesentlich (siehe eingebettete Tabelle in Abb. 6). Im Vergleich zum gerührten Batch-Verfahren wurden jedoch Verluste an BET-Oberfläche und Porenvolumen des Katalysatorharzes aufgrund der Abnutzung des Katalysators nach zehn Betriebszyklen beobachtet16. Diese Ergebnisse legen nahe, dass unser Katalysator für die kontinuierliche Produktion von Methyllaurat geeignet ist und eine hohe Ausbeute und Selektivität bietet. Im Vergleich zu den anderen Techniken war keine Katalysatornachbehandlung und Katalysatorabtrennung erforderlich10,17.

Methyllaurat-Ausbeuteprofil während einer 30-stündigen Betriebszeit; Einbettungstabelle: Eigenschaften von Amberlyst 15.

Vor der Herstellung von Zuckerester durch Reaktion von Methyllaurat mit Saccharose war die Reinigung des unter optimalen Bedingungen erhaltenen Produkts aus der Veresterung von Laurinsäure und Methanol erforderlich, um die große Menge an Methanol und einen gewissen Wassergehalt zu entfernen (durch -Produkt). Diese Lösungsmittel verursachten die Nebenreaktionen während der Zuckeresterproduktion [siehe Gl. (3) bis (5)]. Daher war die hohe Reinheit von Methyllaurat wünschenswert, um eine hohe Ausbeute an Saccharoseester zu erzielen. Die Produktreinigung durch Verdampfung könnte eine einfache und wirksame Technik zur Entfernung der Lösungsmittel (Methanol und Wasser) sein. Beachten Sie, dass der Siedepunkt von Methanol, Methyllaurat und Wasser bei Atmosphärendruck 64,7, 267 bzw. 100 °C beträgt. In dieser Arbeit wurde das Produkt 6 Stunden lang unter Umgebungsdruck bei 105 °C verdampft. Die Reinheit unseres gereinigten Produkts betrug 99 %. Die Verunreinigung im gereinigten Methyllaurat wurde möglicherweise durch die Verunreinigung der Laurinsäure im Lieferzustand (Spuren anderer Methylester) verursacht. Das Chromatogramm des gereinigten Produkts (Methyllaurat) ist in Abb. 7 dargestellt.

Chromatogramm des unter optimalen Bedingungen erhaltenen Methyllauratprodukts.

Unsere kontinuierliche Methyllauratproduktion wurde anhand verschiedener Indikatoren, darunter Prozesstyp, Betriebsbedingungen, Ausbeute/Umwandlung und Produktivität, mit den anderen Verfahren aus der Literatur verglichen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Bei Batch-Prozessen ist die Wiederverwendbarkeit/Stabilität des Katalysators eine der größten Hürden. Im Allgemeinen nimmt die Ausbeute nach mehreren Betriebszyklen kontinuierlich ab, was den Einsatz für die Produktion in großem Maßstab einschränkt. Aufgrund des hohen Mischgrades des Batch-Verfahrens wurde eine angemessene Ausbeute durch Erhöhung der Reaktionstemperatur und/oder der Reaktionszeit erreicht. Offenbar handelte es sich bei unserer Arbeit um das erste kontinuierliche Verfahren zur Herstellung von Methyllaurat aus Laurinsäure. Unser kontinuierliches Verfahren sorgte für eine hohe Katalysatorstabilität (siehe Abschnitt „Katalysatorstabilität“) und verbesserte möglicherweise die Kostenwettbewerbsfähigkeit der Produktion. Darüber hinaus bot unser vorgeschlagenes Verfahren eine gute Produktionsleistung von 1,4 kg Produkt/kg Kat.-h und eine hohe Ausbeute an Methyllaurat (98 %) bei relativ kurzer Verweilzeit (5 Minuten) und mittlerer Reaktionstemperatur (110 °C) im Vergleich zu denen der anderen Prozesse. Beachten Sie, dass die Produktivität des Batch-Prozesses im Allgemeinen bei der Massenproduktion sinkt. Ein weiteres Problem wird die Wiederverwendbarkeit des Katalysators darstellen. Im Gegensatz zum Batch-Verfahren kann die Produktivität unseres Prozesses im großen Maßstab der einer Produktion im Labormaßstab ähneln, wenn die Nummerierungsanordnung angewendet wird. Obwohl große Mengen Methanol verwendet wurden, konnte die Wiederverwertung von Ethanol problemlos für die praktische Anwendung umgesetzt werden. Daher könnte dieser Prozess als erster Schritt der Hochdurchsatz- und hochselektiven Produktion von Saccharoseester verwendet werden (wird in den folgenden Abschnitten besprochen).

In dieser Arbeit wurde die zweite Stufe des Prozesses demonstriert, um die Machbarkeit der Verwendung eines zweistufigen Prozesses zur Herstellung von Saccharosemonolaurat zu validieren. Bei diesem Verfahren wurde der gereinigte Methyllaurat, der in der ersten Verfahrensstufe (Abschnitt „Reinigung des Produkts“) gewonnen wurde, als Rohstoff für die Herstellung von Saccharoseester durch Veresterung verwendet. Die untersuchten Betriebsbedingungen waren Saccharosekonzentrationen von 5 g/L, ein Molverhältnis von Saccharose zu Methyllaurat (S:M-Verhältnis) von 0,63:1, eine Reaktionstemperatur von 120 °C und eine Verweilzeit von 60 Minuten. Die Ergebnisse zeigten, dass eine Saccharosemonolaurat-Selektivität von 95 % (33 % der Saccharoseester-Ausbeute) erreicht wurde, was die gute Leistung unserer vorgeschlagenen Zuckeresterproduktion durch das zweistufige Verfahren bestätigt. Es sind jedoch weitere Untersuchungen erforderlich, um den Einfluss der Betriebsvariablen des Prozesses der zweiten Stufe auf die Saccharoseesterausbeute/-selektivität zu untersuchen. Darüber hinaus sollte die Optimierung durchgeführt werden, um die maximale Ausbeute/Selektivität des Saccharoseesters zu erreichen. Um ein hochreines Produkt zu erhalten, sollte auch die Reinigung des Produkts untersucht werden. Alle diese Arbeiten werden in unserer zukünftigen Arbeit durchgeführt. Das Chromatogramm des Produkts der zweiten Stufe ist in Abb. 8 dargestellt. Die Spur unbekannter Peaks wurde im Chromatogramm nicht erkannt, was die hohe Selektivität unseres vorgeschlagenen Prozesses bestätigt.

Chromatogramm des Produkts der zweiten Stufe und analytischer Standard von Saccharosemonolaurat; Saccharosemonolaurat (mono SE), Saccharosedilaurat (di SE) und Saccharosetrilaurat (tri SE).

Der vorläufige Vergleich der Produktionsleistung unseres vorgeschlagenen Verfahrens mit der Literatur ist in Tabelle 3 zusammengefasst. Die Betriebsbedingungen, die verwendeten Lösungsmittel- und Katalysatortypen, die Ausbeute/Selektivität und die Produktivität wurden als Leistungsindikatoren verwendet, um die Wirksamkeit unseres vorgeschlagenen Hochdurchsatzverfahrens zunächst zu bewerten . Beachten Sie, dass die Produktivität (P0) basierend auf der Arbeit von Sasayama et al.3 modifiziert wurde. Im Allgemeinen wurde für die Saccharoseesterproduktion ein homogenes Batch-Verfahren verwendet. Dieses herkömmliche Verfahren war mit verschiedenen Herausforderungen konfrontiert, wie z. B. der Komplexität der Maßstabsvergrößerung, der Katalysatorabtrennung/-reinigung und der geringen Produktivität. Unser vorgeschlagenes Verfahren bot einen kontinuierlichen Prozess, der für eine kommerzielle Anwendung vielversprechend war. Im Vergleich zu den anderen herkömmlichen Methoden wurde eine gute Produktionsleistung (P0; 3,0 kgProdukt/kgKat.h) erzielt. Die Saccharoseester-Ausbeute und Produktivität unserer Methode könnten in unserer zukünftigen Arbeit möglicherweise noch weiter verbessert werden. Darüber hinaus könnten die verkürzte Verweilzeit (60 min), das niedrige S:M-Verhältnis (0,63:1) und der Umgebungsdruck möglicherweise die Betriebskosten senken und gleichzeitig die Praktikabilität des Prozesses verbessern.

Diese Forschung führte ein neuartiges zweistufiges Verfahren zur Hochdurchsatzproduktion von Saccharosemonolaurat aus Laurinsäure ein. In der ersten Stufe wurde die Laurinsäure durch säurekatalysierte Veresterung in einem Mini-Festbettreaktor, in den Amberlyst 15 gepackt war, kontinuierlich in Methyllaurat umgewandelt. In der zweiten Stufe wurde Methyllaurat mit Saccharose umgesetzt, um durch basenkatalysierte Umesterung mit Amberlyst 21 in einem Mini-Festbettreaktor kontinuierlich Saccharosemethyllaurat herzustellen. In dieser Arbeit konzentrierte man sich hauptsächlich auf die erste Phase des Prozesses. Alle wichtigen Einflussfaktoren auf die Methyllauratausbeute wurden untersucht und optimiert, um die maximale Ausbeute zu erzielen. Für die erste Stufe sorgten eine Verweilzeit von 5 Minuten, eine Reaktionstemperatur von 110 °C und eine Laurinsäurekonzentration von 94 g/L für eine maximale Ausbeute an Methyllaurat von 98 % und eine Produktivität von 1,4 kg Produkt/kg Kat.-h. Es wurde eine hohe Katalysatorstabilität (Amberlyst 15) mit relativ konstanter Ausbeute über 30 Stunden Betriebszeit beobachtet. Auch die zweite Stufe des Prozesses wurde demonstriert. Es wurde eine hohe Selektivität von 95 % an Saccharosemonolaurat erreicht. Diese Arbeit ist der erste Schritt auf dem Weg zur Pionierarbeit bei der Verwendung eines zweistufigen Verfahrens zur Herstellung von Saccharosemonolaurat mit hoher Produktivität. Die Verbesserung dieser vorgeschlagenen Produktion sollte für praktische Anwendungen in Betracht gezogen werden.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Dieses Forschungspapier wird durch Specific League Funds der Mahidol University unterstützt.

Labor für biobasierte Chemie und Biokraftstofftechnik, Abteilung für Chemieingenieurwesen, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Mahidol-Universität, 25/25 Phuttamonthon 4 Road, Nakhon Pathom, 73170, Thailand

Tiprawee Tongtummachat, Boonyaporn Sunorakum, mit Panalee Ignacio und Nattee als Schauspieler

Abteilung für Chemieingenieurwesen, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Kasetsart-Universität, Chatuchak, Bangkok, 10900, Thailand

Attasak Jaree

Abteilung für Agrarindustrie, Lebensmittel- und Umwelttechnologie, King Mongkut's University of Technology North Bangkok, Pracharat 1 Road, Wongsawang, Bansue, Bangkok, 10800, Thailand

Amaraporn Kaewchada

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TT: Untersuchung, Methodik, formale Analyse, Validierung, Schreiben – Originalentwurf, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung; AJ: Betreuung, Ressourcen, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung; AK: Betreuung, Ressourcen, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung; BS: Untersuchung, Methodik; PI: Untersuchung, Methodik; NA: Konzeptualisierung, Methodik, Untersuchung, formale Analyse, Validierung, Finanzierungseinwerbung, Schreiben – Originalentwurf, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung.

Korrespondenz mit Nattee Akkarawatkhoosith.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Tongtummachat, T., Jaree, A., Kaewchada, A. et al. Herstellung von Saccharosemonolaurat aus Laurinsäure in einem zweistufigen Verfahren. Sci Rep 13, 11218 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38461-7

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Eingegangen: 10. Mai 2023

Angenommen: 08. Juli 2023

Veröffentlicht: 11. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38461-7

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