乳酸乙酯合成的研究

论文题目: 乳酸乙酯合成的研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 生物化工

作者: 高静

导师: 赵学明

关键词: 乳酸,乳酸乙酯,乳酸铵,固体超强酸,发酵,催化剂,催化精馏

文献来源: 天津大学

发表年度: 2005

论文摘要: 对以乳酸菌为菌体,以氨水为中和剂,对L-乳酸的发酵工艺进行了探讨,确定出适宜的发酵pH是6.5;在发酵液pH为6.5,以25 ml/h的速度流加浓度为600 g/L葡萄糖,发酵80 h后,乳酸铵的产量为136.8 g/L,葡萄糖流加发酵与非流加发酵相比,达到相同的乳酸铵浓度缩短了约30小时。并建立了细胞生长、产物生成和底物消耗的动力学模型,实验结果和模拟结果吻合良好。将磁性材料Fe3O4和SO42-/ZrO2固体超强酸进行组装。得到了磁基体的适宜制备条件是:n(Fe2+) /n(Fe3+) =1:6,以0.1mol/L NaOH溶液为沉淀剂,基液的pH为12,Fe2+与Fe3+混合液滴加速度为2ml/s,滴加方式为将混合液缓慢加入到NaOH基液中,晶化时间为30min;磁性超细固体超强酸的适宜制备条件是:nFe3O4:nZrO2=1:10,焙烧温度为5000C。在反应时间为5h,催化剂用量为乳酸质量的6%,酸醇摩尔比为1:5时最高产率为84%,催化剂回收率为90%以上。采用激光粒度仪、磁强计、XRD、比表面积测定仪等分析测试手段对催化剂的结构和性能进行了表征和评价。结果表明:磁基体的平均粒径小于100nm,且分布范围较窄,磁基体的饱和磁强度（σS）基本上在80 emu·g-1以上,磁基体XRD谱图与Fe3O4标准谱图基本相同。在5000C焙烧时所得催化剂的比表面积为78.9m2/g。表征结果表明制得的催化剂属于超强酸。对以SO42--Fe3O4/ZrO2为催化剂,乳酸和乙醇的酯化反应动力学进行了研究,研究表明只要搅拌转速≥85 r/min,反应就不受外扩散的影响,并且在所制备的催化剂粒度范围内,反应和内扩散无关。并且得到了反应的动力学模型。同时发现在温度较低时,在反应开始阶段存在诱导期现象,并对诱导期现象产生的原因进行了讨论。在自行设计的催化精馏塔内对乳酸和乙醇酯化反应的催化精馏过程进行了研究,建立了催化精馏实验装置,确定了实验流程,得到了适宜工艺条件为:醇酸比为4:1,回流比为1:1,乳酸进料量为0.6482mol/h,乳酸乙酯一次循环收率达到51.64%。并利用“化学理论”并且结合海登-奥康纳尔公式计算逸度系数,用NRTL方程计算活度系数,借助ASPEN PLUS软件,用平衡级模型进行了催化精馏塔的模拟,模拟结果与实验结果吻合较好。

论文目录:

前言

第一章文献综述

1.1 乳酸

1.1.1 乳酸乙酯的物理性质

1.1.2 乳酸乙酯的化学性质

1.1.3 乳酸发酵

1.1.4 微生物反应动力学

1.1.4.1 菌体生长动力学模型

1.1.4.2 产物生成动力学模型

1.1.4.3 底物消耗动力学模型

1.2 乳酸乙酯

1.2.1 乳酸乙酯的性质

1.2.2 乳酸乙酯的用途

1.2.3 乳酸乙酯的合成

1.2.4 固体超强酸

1.2.4.1 固体超强酸的性质、分类

1.2.4.2 固体超强酸研究进展

1.2.4.3 SO~(2-))4/MXOY固体超强酸的制备

1.2.5 磁性催化剂

1.2.5.1 磁性催化剂的特点

1.2.5.2 磁性催化剂的制备

1.3 催化精馏法合成乳酸乙酯

1.3.1 前言

1.3.2 催化精馏技术的特点

1.3.3 催化精馏的分类

1.3.4 催化精馏的适用范围

1.3.5 催化精馏在酯化反应中的研究现状

1.3.6 催化精馏常用的催化剂

1.3.7 催化精馏过程的研究

1.3.7.1 塔设计与过程集成

1.3.7.2 催化剂的填装方式

1.3.8 催化精馏的数学模拟

1.4 本论文研究的主要内容

第二章乳酸菌发酵生成乳酸铵

2.1 实验材料与方法

2.1.1 主要试剂与仪器

2.1.1.1 主要试剂

2.1.1.2 主要仪器

2.1.2 菌种

2.1.3 种子培养

2.1.3.1 种子培养基

2.1.3.2 种子培养

2.1.4 发酵

2.1.5 分析方法

2.1.5.1 取样及处理

2.1.5.2 pH 测定

2.1.5.3 菌体干重的测定

2.1.5.4 发酵液残糖和L-乳酸的测定

2.2 发酵条件的优化

2.2.1 不同pH 对发酵的影响

2.2.2 pH 为6.5 的间歇发酵

2.2.3 糖流加速度的影响

2.2.4 较佳流加速度下的发酵

2.3 发酵动力学模型

2.3.1 模型的建立

2.3.1.1 菌体生长动力学模型的建立

2.3.1.2 产物生成动力学模型的建立

2.3.1.3 底物消耗动力学模型

2.3.2 模型的求解和动力学曲线分析

2.4 本章小结

第三章精馏法由乳酸铵直接合成乳酸乙酯

3.1 实验材料和方法

3.1.1 主要试剂与装置

3.1.1.1 主要试剂

3.1.1.2 实验装置

3.1.2 实验方法

3.1.2.1 配料

3.1.2.2 酯化反应

3.1.2.3 分离

3.2 结果与讨论

3.2.1 实验结果

3.2.2 精馏法由乳酸铵合成乳酸乙酯的基本原理

3.2.3 精馏法由乳酸铵合成乳酸乙酯的特点

3.2.3.1 乳酸乙酯的收率高

3.2.3.2 产品纯度高

3.2.3.3 本方法操作简单,易于控制

3.2.3.4 缩短了合成乳酸乙酯的工艺流程

3.2.3.5 存在的不足

3.2.4 最佳工艺条件的确定

3.2.4.1 催化剂用量对反应的影响

3.2.4.2 醇、盐物质的摩尔比对反应的影响

3.2.4.3 反应时间对反应的影响

3.3 本章小结

第四章磁性超细固体超强酸催化合成乳酸乙酯

4.1 仪器和试剂

4.1.1 主要仪器

4.1.2 主要试剂

4.2 乳酸铵转化为乳酸

4.2.1 实验原理

4.2.2 实验方法

4.2.2.1 溶液的配制

4.2.2.2 反应过程

4.2.3 结果分析

4.3 磁基体Fe_3O_4的制备

4.3.1 制备方法

4.3.2 结果与讨论

4.3.2.1 Fe~(2+)/Fe~(2+)摩尔比对磁基体性质的影响

4.3.2.2 基液pH 值对磁基体性质的影响

4.3.2.3 Fe~(2+)与Fe~(2+)混合液流加速度对磁基体性质的影响

4.3.2.4 NaOH 溶液浓度的影响

4.3.2.5 流加方法的影响

4.3.2.6 晶化时间的影响

4.3.3 磁基体的表征

4.3.3.1 粒子尺寸

4.3.3.2 结构确定

4.4 磁性超细固体超强酸催化剂SO~(2-)_4-ZrO_2/Fe_3O_4的组装与表征

4.4.1 催化剂SO~(2-)_4-Zro_2/Fe_3O_4的组装

4.4.2 结果与讨论

4.4.2.1 Fe_3O_4与 Z102配比的影响

4.4.2.1.1 Fe_3O_4与ZrO_2配比对酯化性能的影响

4.4.2.1.2 Fe_3O_4与ZrO_2配比对粒径的影响

4.4.2.1.3 XRD 分析

4.4.2.2 分散剂加入量的影响

4.4.2.3 焙烧温度的影响

4.4.2.3.1 焙烧温度对催化剂结构的影响

4.4.2.3.2 焙烧温度对催化剂比表面的影响

4.4.3 催化剂酸强度的分析

4.5 酯化反应条件的优化

4.5.1 实验方法

4.5.2 结果与讨论

4.5.2.1 催化剂用量的影响

4.5.2.2 酸醇比对乳酸酯化率的影响

4.5.2.3 反应时间对乳酸酯化率的影响

4.5.3 催化剂的回收与再生

4.6 本章小结

第五章乳酸与乙醇酯化反应动力学

5.1 主要仪器和试剂

5.2 实验方法

5.2.1 实验步骤

5.2.2 分析方法

5.2.3 分析条件

5.3 实验结果及数据处理

5.3.1 外扩散的影响

5.3.2 内扩散的影响

5.3.3 正反应速度

5.3.4 逆反应速率

5.3.5 总反应速率

5.4 诱导期

5.4.1 诱导期现象

5.4.2 诱导期现象的分析

5.5 本章小结

第六章催化精馏合成乳酸乙酯

6.1 实验材料与分析方法

6.1.1 主要试剂

6.1.2 仪器和设备

6.1.3 分析条件和方法

6.2 催化精馏塔的设计

6.2.1 填料和催化剂的选择

6.2.2 实验装置的安装与调试

6.2.2.1 实验装置的设计与安装

6.2.2.2 试漏与调试

6.3 实验流程与实验步骤

6.3.1 实验流程

6.3.2 实验步骤

6.4 实验结果与分析

6.4.1 回流比的影响

6.4.2 醇酸进料配比的影响

6.4.3 醇酸进料量的影响

6.4.4 醇酸进料位置的影响

6.5 本章小结

第七章催化精馏塔的模拟

7.1 ASPEN 软件简介

7.2 热力学计算

7.2.1 汽相逸度系数的计算

7.2.2 液相活度系数的计算

7.2.3 相平衡常数K 的计算

7.3 催化精馏塔数学模型

7.4 计算结果及讨论

7.5 本章小结

第八章结论与展望

参考文献

博士在读期间发表的论文

附录

致谢

发布时间: 2006-05-24

参考文献

[1].用于酯化反应—渗透蒸发耦合过程的高性能脱水膜的研究[D]. 陆连玉.天津大学2008

乳酸乙酯合成的研究

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