CN108003050A - 一种连续化生产高品质n-脂肪酰氨基酸盐表面活性剂的工艺及装置 - Google Patents
一种连续化生产高品质n-脂肪酰氨基酸盐表面活性剂的工艺及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于化工领域。目的是提供一种连续化生产高品质N‑脂肪酰氨基酸盐表面活性剂的工艺及装置，提高酰氯的转化率，降低脂肪酸钠的含量。技术方案是：一种连续化生产高品质N‑脂肪酰氨基酸盐表面活性剂的工艺，包括以下步骤：(1)反应物料氨基酸混合物、酰氯、液碱和循环回用物料分别进入一混合装置混匀；(2)混匀后的物料，经过换热器降温后，利用一输送泵由底部进入一带有溢流口的酰胺化柱中，在适宜的温度、pH值下进行酰胺化反应；(3)酰胺化后的产物经酰胺化柱溢流口溢出后，一部分作为循环回用物料进入混合装置进行循环反应；另一部分经加热器加热后进入老化器进行老化反应；(4)老化后的反应产物即目标物N‑脂肪酰氨基酸盐。
Description
技术领域
本发明属于日用化工技术领域，具体的说是连续化生产高品质N-脂肪酰氨基酸盐表面活性剂的工艺及装置。
背景技术
表面活性剂由于具有独特的应用性能，在诸多领域备受关注和应用，然而目前大多数表面活性剂属于石油基来源，由于原材料的不可再生性、低化学安全性和难降解性而备受诟病。
随着工业技术的不断发展，新型表面活性剂相继问世，氨基酸表面活性剂就是其中的一种。由于原料天然可再生，以及其自身具有优良的表面活性、良好的钙皂分散性、优异的抑菌作用、高安全性、低刺激性、易生物降解和良好的环境相容性等优势，氨基酸表面活性剂在日化、食品、饮料、生物制药、矿物浮选、金属清洗剂、纺织印染、农乳等领域得到了较为广泛的研究和应用。国外的制造厂家有美国陶氏公司的Hamposyl系列，瑞士科莱恩公司的Medialan和Hostapon系列，日本味之素的Amisoft系列；国内的厂家有南京中狮、广州天赐、广州百孚润、上海利盛等。
氨基酸表面活性剂的生产有酶促催化法，如Hasmah Bidin等研究了通过脂肪酶RMIM催化棕榈油酯和赖氨酸制备氨基酸表面活性剂；还有脱水缩合法，如Woodbury等研究了高温条件下，脂肪酸与氨基酸碱金属盐可直接生成相应的氨基酸表面活性剂。但由于种种原因，目前氨基酸表面活性剂的工业化生产主要还是间接法——化学合成法，如专利CN104640839B公布了根据Schotten－Baumann缩合法原理，使用N-酰基氨基酸表面活性剂或对应酸酐作为催化剂生产N-酰基氨基酸表面活性剂；专利JP11180938以水-叔丁醇为缩合反应溶剂，形成稳定的水/叔丁醇/活性物三元体系而再次分层，再通过蒸馏提纯得到产品；US20150126776用甘油作为溶剂，碱金属或碱土金属氧化物、碱金属甲氧化物等作为催化剂，合成N-脂肪酰氨基酸盐；专利WO2015026538为了得到色泽更好的产品，用甲醇作溶剂。专利CN102311359A和CN105439882A公布了一种利用脂肪酸甲酯代替脂肪酰氯合成N-脂肪酰基氨基酸类表面活性剂的方法。
在已有的研究和专利文献中，对氨基酸表面活性剂的制备进行了很多的改进和创新，酰氯与氨基酸缩合反应仍是目前主要的工业化生产方式。为了提高反应转化率以及N-脂肪酰基氨基酸类表面活性剂的得率，工艺生产中需要加入甲醇、叔丁醇、甘油等有机溶剂；而加入的有机溶剂虽然经过了后续工艺的脱除，但不可避免的仍有部分残留，给产品的品质、应用造成了一定的影响。
发明内容
本发明的目的是克服上述技术的不足，提供一种工艺简洁，无有机溶剂残留的连续化生产高品质N-脂肪酰氨基酸盐表面活性剂的工艺及装置。使用该方法及装置生产的N-脂肪酰氨基酸盐无有机溶剂残留，并且可以有效提高酰氯的转化率，降低脂肪酸钠的含量，提高产品品质。
本发明的技术方案是：
一种连续化生产高品质N-脂肪酰氨基酸盐表面活性剂的工艺，包括以下步骤：
(1)反应物料氨基酸混合物、酰氯、液碱和循环回用物料分别进入一混合装置混匀；
(2)混匀后的物料，经过换热器降温后，利用一输送泵由底部进入一带有溢流口的酰胺化柱中，在适宜的温度、pH值下进行酰胺化反应；
(3)酰胺化后的产物经酰胺化柱溢流口溢出后，一部分作为循环回用物料，重新进入混合装置进行循环反应；另一部分经加热器加热后，进入老化器进行老化反应；所述循环回用物料与进入老化器的物料的质量比为2-20:1；
(4)老化后的反应产物即目标物N-脂肪酰氨基酸盐；
所述步骤(1)中氨基酸混合物为氨基酸混合物的水溶液或/和氨基酸盐混合物的水溶液；水溶液的质量浓度为5-50％；优选10-30％。
所述氨基酸混合物为两类氨基酸及其盐类混合物，其中一类包括等电点在7.0以下的氨基酸及其盐类的一种或者多种；另一类包括等电点在9.0以上的氨基酸及其盐类的一种或者多种；两类氨基酸及其盐类混合物的质量比为100:1-20。
所述等电点在7.0以下的氨基酸为甘氨酸、丙氨酸或谷氨酸；所述等电点在9.0以上的氨基酸为赖氨酸或精氨酸。
所述的反应物料氨基酸混合物、酰氯、液碱和循环回用物料的入料流量由酰胺化柱的有效容积决定；一般需要控制物料在酰胺化柱内的平均停留时间为2-24h，优选4-10h；
所述氨基酸混合物与酰氯的入料物质的质量比为1.0～3.0:1；所述液碱流量根据进入酰胺化柱前反应体系的pH值确定；所述进入酰胺化柱前反应体系的pH值为7-12，优选为8-11；所述液碱流量通过在线pH计连锁自动控制，或者为手动调节控制；
所述酰氯为C8-C18的脂肪酸酰氯，优选月桂酰氯、椰油酰氯、棕榈酰氯；所述液碱的质量浓度为5-50％，优选10-32％；
步骤(2)中所述适宜的反应温度为5-50℃，优选10-30℃。
步骤(3)中所述老化温度为20-100℃，优选40-80℃，老化时间为2-24h，优选4-12h。
一种连续化生产高品质N-脂肪酰氨基酸盐表面活性剂的装置，其特征在于：该装置包括利用管道依次连通的混合装置、换热器以及酰胺化柱，然后分为两路，分别接入混合装置的第二入口以及通过加热器连接老化器入口，所述老化器设有产品出口；所述混合装置的第一入口接通相互并联的氨基酸混合物入口、酰氯入口以及液碱入口。
所述酰胺化柱为带搅拌的溢流柱，其入口端位于酰胺化柱底部，出口端位于酰胺化柱上端侧面；
所述混合装置包括静态混合器或剪切泵；
所述老化器为适用于连续反应的柱式反应器，或者为适用于间歇反应的釜式反应器。
与现有技术相比，本发明所述方法具有以下优点：
(1)现有N-脂肪酰胺基酸盐生产工艺中，需要添加有机溶剂，而本发明工艺不需要添加有机溶剂；从而避免了产品中有机溶剂残留的问题。
(2)利用水作为溶剂生产N-脂肪酰氨基酸盐，反应体系需要维持较高的pH，但随着反应的进行，pH急剧降低，不利于酰胺化反应的进行，但副反应酰氯的无效分解却大大增加，产生大量的脂肪酸钠，影响产品品质及性能；本发明工艺采用不同等电点的氨基酸进行复配，得到了具有稳定缓冲pH的反应体系，可保持反应所需的较高pH，同时能有效抑制酰氯的无效分解，极大地减少了脂肪酸钠的生成，较单一体系脂肪酸钠约可减少80％。
(3)利用水法生产N-脂肪酰氨基酸盐，随着反应的进行，氨基酸和酰氯的持续消耗，会导致反应体系pH值的持续下降，常规生产中需要持续补碱维系最佳反应pH值，因此较难实现该工艺的连续化生产。本发明工艺采用不同等电点的氨基酸进行复配，得到具有pH缓冲调节的原料反应体系；同时该反应采用比例回流，酰胺化反应物料与新料充分混合，使酰胺化过程pH得到稳定控制；两者共同作用，可以有效控制连续化反应过程中，pH值始终在最佳的反应pH值内；使连续化生产得以简单顺利实施。
附图说明
图1为本发明所述连续化生产高品质N-脂肪酰氨基酸盐表面活性剂装置的结构示意图。
其中：a为氨基酸混合物入口，b为酰氯入口，c为液碱入口，d为产品出口，1为混合装置，2为换热器，3为输送泵，4为酰胺化柱，5为加热器，6为老化器。
具体实施方式
本发明为复合氨基酸原料反应体系，可有效调节反应过程中所需要的酸碱环境，是一种全新的、适用于工业化生产高品质N-脂肪酰氨基酸盐的制备系统。
一种连续化生产高品质N-脂肪酰氨基酸盐表面活性剂的装置，包括利用管道依次连通的混合装置1、换热器2以及酰胺化柱4，然后分为两路，分别接入混合装置的第二入口以及通过加热器5连接老化器入口，所述老化器设有产品出口；所述混合装置的第一入口接通相互并联的氨基酸混合物入口a、酰氯入口b以及液碱入口c。
所述酰胺化柱为带搅拌的溢流柱，其入口端位于酰胺化柱底部，出口端位于酰胺化柱上端侧面。
所述混合装置包括静态混合器或剪切泵。
所述老化器为适用于连续反应的柱式反应器，或者为适用于间歇反应的釜式反应器。
采用上述装置连续化生产高品质N-脂肪酰氨基酸盐表面活性剂的工艺，包括以下步骤：
(1)反应物料氨基酸混合物、酰氯、液碱和循环回用物料分别进入一混合装置混匀；
(2)混匀后的物料，经过换热器降温后，利用一输送泵由底部进入一带有溢流口的酰胺化柱中，在适宜的温度、pH值下进行酰胺化反应；
(3)酰胺化后的产物经酰胺化柱溢流口溢出后，一部分作为循环回用物料，重新进入混合装置进行循环反应；另一部分经加热器加热后，进入老化器进行老化反应；所述循环回用物料与进入老化器的物料的质量比为2-20:1；
(4)老化后的反应产物即目标物N-脂肪酰氨基酸盐；
所述步骤(1)中氨基酸混合物为氨基酸混合物的水溶液或/和氨基酸盐混合物的水溶液；水溶液的质量浓度为5-50％；优选10-30％。
所述氨基酸混合物为两类氨基酸及其盐类混合物，其中一类包括等电点在7.0以下的氨基酸及其盐类的一种或者多种；另一类包括等电点在9.0以上的氨基酸及其盐类的一种或者多种；两类氨基酸及其盐类混合物的质量比为100:1-20。
所述等电点在7.0以下的氨基酸为甘氨酸、丙氨酸或谷氨酸；所述等电点在9.0以上的氨基酸为赖氨酸或精氨酸。
所述的反应物料氨基酸混合物、酰氯、液碱和循环回用物料的入料流量由酰胺化柱的有效容积决定；一般需要控制物料在酰胺化柱内的平均停留时间为2-24h，优选4-10h；
所述氨基酸混合物与酰氯的入料物质的质量比为1.0～3.0:1；所述液碱流量根据进入酰胺化柱前反应体系的pH值确定；所述进入酰胺化柱前反应体系的pH值为7-12，优选为8-11；所述液碱流量通过在线pH计连锁自动控制，或者为手动调节控制；
所述酰氯为C8-C18的脂肪酸酰氯，优选月桂酰氯、椰油酰氯、棕榈酰氯；所述液碱的质量浓度为5-50％，优选10-32％；
步骤(2)中所述适宜的反应温度为5-50℃，优选10-30℃。
步骤(3)中所述老化温度为20-100℃，优选40-80℃，老化时间为2-24h，优选4-12h。
以下结合具体实施例来进一步说明本发明。
实施例1：质量浓度为20％的氨基酸混合物水溶液(其中丙氨酸与赖氨酸的质量比为100：8)、月桂酰氯、质量浓度为20％的液碱分别进入混合装置混合均匀，其中氨基酸混合物水溶液的进料速度108kg/h，月桂酰氯的进料速度为40kg/h，液碱的流量根据pH计读数自动调节，控制pH9.5±0.2；循环反应物料的速度为1000kg/h；经冷却器降温后，利用输送泵输送到酰胺化柱中进行酰胺化反应，控制反应温度20℃，反应物料在酰胺化柱中的停留时间为5h；反应后的产物按200kg/h进入老化釜，控制老化温度为60℃，老化时间为6h；其余反应后的产物作为循环物料进入混合装置继续进行反应。
实施例2：质量浓度为25％的氨基酸混合物水溶液(其中丙氨酸与赖氨酸的质量比为100：10)、椰油酰氯、质量浓度为15％的液碱分别进入混合装置混合均匀，其中氨基酸混合物水溶液的进料速度50kg/h，酰氯的进料速度为36kg/h，液碱的流量根据pH计读数自动调节，控制pH10.0±0.2；循环反应物料的速度为1000kg/h；经冷却器降温后，利用输送泵输送到酰胺化柱中进行酰胺化反应，控制反应温度18℃，反应物料在酰胺化柱中的停留时间为6h；反应后的产物按160kg/h进入老化釜，控制老化温度为70℃，老化时间为4h；其余反应后的产物作为循环物料进入混合装置继续进行反应。
实施例3：质量浓度为15％的氨基酸混合物水溶液(其中丙氨酸与精氨酸的质量比为100：2)、月桂酰氯、质量浓度为32％的液碱分别进入混合装置混合均匀，其中氨基酸混合物水溶液的进料速度152kg/h，酰氯的进料速度为50kg/h，液碱的流量根据pH计读数自动调节，控制pH10.5±0.2；循环反应物料的速度为1000kg/h；经冷却器降温后，利用输送泵输送到酰胺化柱中进行酰胺化反应，控制反应温度15℃，反应物料在酰胺化柱中的停留时间为4h；反应后的产物按250kg/h进入老化釜，控制老化温度为50℃，老化时间为8h；其余反应后的产物作为循环物料进入混合装置器继续进行反应。
实施例4：质量浓度为30％的氨基酸混合物水溶液(其中丙氨酸与精氨酸的质量比为100：1)、椰油酰氯、质量浓度为15％的液碱分别进入混合装置混合均匀，其中氨基酸混合物水溶液的进料速度为48kg/h，酰氯的进料速度为38kg/h，循环反应物料的速度为1000kg/h；液碱的流量根据pH计读数自动调节，控制pH10.0±0.2；经冷却器降温后，利用输送泵输送到酰胺化柱中进行酰胺化反应，控制酰胺化反应温度为18℃；反应物料在酰胺化柱中的停留时间为6h；反应后的产物按150kg/h进入老化釜，控制老化温度为65℃，老化时间为6h；其余反应后的产物作为循环物料进入混合装置继续进行反应。
对比例1：质量浓度为20％的丙氨基酸水溶液、月桂酰氯、质量浓度为20％的液碱分别进入混合装置混合均匀，其中丙氨酸水溶液的进料速度88kg/h，酰氯的进料速度为36kg/h，液碱的流量根据pH计读数自动调节，控制pH10.0±0.2；循环反应物料的速度为1000kg/h；经冷却器降温后，利用输送泵输送到酰胺化柱中进行酰胺化反应，控制反应温度20℃，反应物料在酰胺化柱中的停留时间为5h；反应后的产物按200kg/h进入老化釜，进入控制老化温度为60℃，老化时间为6h；其余反应后的产物作为循环物料进入混合装置继续进行反应。
对比例2：质量浓度为20％的赖氨基酸水溶液、椰油酰氯、质量浓度为32％的液碱分别进入混合装置混匀，其中赖氨酸水溶液的进料速度76kg/h，酰氯的进料速度为30kg/h，液碱的流量根据pH计读数自动调节，控制pH10.5±0.2；循环反应物料的速度为1000kg/h；经冷却器降温后，利用输送泵输送到酰胺化柱中进行酰胺化反应，控制反应温度20℃，反应物料在酰胺化柱中的停留时间为6h；反应后的产物按150kg/h进入老化釜，进入控制老化温度为60℃，老化时间为8h；其余反应后的产物作为循环物料进入混合装置继续进行反应。
表1 产品测试数据对比
| 指标 | 外观 | 色泽，Hazen | 脂肪酸钠，％ |
| 实施例1 | 澄清透明 | 10 | 0.9 |
| 实施例2 | 澄清透明 | 12 | 1.1 |
| 实施例3 | 澄清透明 | 13 | 1.1 |
| 实施例4 | 澄清透明 | 10 | 0.8 |
| 对比例1 | 澄清透明 | 30 | 5.4 |
| 对比例2 | 澄清透明 | 28 | 5.8 |
表2 酰胺化前后pH值变化
| 指标 | 柱前pH | 柱后pH |
| 实施例1 | 9.7 | 9.4 |
| 实施例2 | 10.1 | 9.7 |
| 实施例3 | 10.6 | 10.1 |
| 实施例4 | 10.1 | 9.6 |
| 对比例1 | 10.2 | 8.1 |
| 对比例2 | 10.5 | 8.3 |
从测试数据可知：4个实施例的色泽显著优于对比例，4个实施例的脂肪酸钠含量则明显少于对比例。获得了令人满意的效果。
Claims (10)
1.一种连续化生产高品质N-脂肪酰氨基酸盐表面活性剂的工艺，包括以下步骤：
(1)反应物料氨基酸混合物、酰氯、液碱和循环回用物料分别进入一混合装置混匀；
(2)混匀后的物料，经过换热器降温后，进入一带有溢流口的酰胺化柱中，在适宜的温度、pH值下进行酰胺化反应；
(3)酰胺化后的产物经酰胺化柱溢流口溢出后，一部分作为循环回用物料，重新进入混合装置进行循环反应；另一部分经加热器加热后，进入老化器进行老化反应；所述循环回用物料与进入老化器的物料的质量比为2-20:1；
(4)老化后的反应产物即目标物N-脂肪酰氨基酸盐；
所述步骤(1)中的氨基酸混合物为氨基酸混合物的水溶液或/和氨基酸盐混合物的水溶液；水溶液质量浓度为5-50％。
2.根据权利要求1所述的连续化生产高品质N-脂肪酰氨基酸盐表面活性剂的工艺，其特征在于：所述氨基酸混合物为两类氨基酸及其盐类混合物，其中一类包括等电点在7.0以下的氨基酸及其盐类的一种或者多种；另一类包括等电点在9.0以上的氨基酸及其盐类的一种或者多种；两类氨基酸及其盐类混合物的质量比为100:1-20。
3.根据权利要求2所述的连续化生产高品质N-脂肪酰氨基酸盐表面活性剂的工艺，其特征在于：所述等电点在7.0以下的氨基酸为甘氨酸、丙氨酸或谷氨酸；所述等电点在9.0以上的氨基酸为赖氨酸或精氨酸。
4.根据权利要求1或3所述的连续化生产高品质N-脂肪酰氨基酸盐表面活性剂的工艺，其特征在于：所述氨基酸混合物、酰氯、液碱和循环回用物料的入料流量由酰胺化柱的有效容积决定；控制物料在酰胺化柱内的平均停留时间为2-24h。
5.根据权利要求4所述的连续化生产高品质N-脂肪酰氨基酸盐表面活性剂的工艺，其特征在于：所述氨基酸混合物与酰氯的入料物质的质量比为1.0～3.0:1；所述液碱流量根据进入酰胺化柱前反应体系的pH值确定；所述进入酰胺化柱前反应体系的pH值为7-12；所述液碱流量通过在线pH计连锁自动控制，或者为手动调节控制。
6.根据权利要求5所述的连续化生产高品质N-脂肪酰氨基酸盐表面活性剂的工艺，其特征在于：所述酰氯为C8-C18的脂肪酸酰氯；所述液碱的质量浓度为5-50％。
7.根据权利要求6所述的连续化生产高品质N-脂肪酰氨基酸盐表面活性剂的工艺，其特征在于：步骤(2)中所述适宜的反应温度为5-50℃。
8.根据权利要求7所述的连续化生产高品质N-脂肪酰氨基酸盐表面活性剂的工艺，其特征在于：步骤(3)中所述老化温度为20-100℃，老化时间为2-24h。
9.一种连续化生产高品质N-脂肪酰氨基酸盐表面活性剂的装置，其特征在于：该装置包括利用管道依次连通的混合装置、换热器以及酰胺化柱，然后分为两路，分别接入混合装置的第二入口以及通过加热器连接老化器入口，所述老化器设有产品出口；所述混合装置的第一入口接通相互并联的氨基酸混合物入口、酰氯入口以及液碱入口；
所述酰胺化柱为带搅拌的溢流柱，其入口端位于酰胺化柱底部，出口端位于酰胺化柱上端侧面。
10.根据权利要求1所述的连续化生产高品质N-脂肪酰氨基酸盐表面活性剂的工艺，其特征在于：所述混合装置包括静态混合器或剪切泵；所述老化器为适用于连续反应的柱式反应器，或者为适用于间歇反应的釜式反应器。
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