季國(guó)堯，季 盛

（紹興市東湖高科股份有限公司，浙江 紹興 312074）

氯化膽堿（choline chloride）屬于維生素B 族藥物，在生物體的生理調(diào)節(jié)中具有不可替代的作用，能有效預(yù)防和治療動(dòng)物肝臟、腎臟內(nèi)的脂肪沉積和組織病變，促進(jìn)氨基酸的再構(gòu)成及提高氨基酸在體內(nèi)的利用率，在效果上表現(xiàn)為動(dòng)物加速生長(zhǎng)，肉質(zhì)改善，體質(zhì)和抗病能力增強(qiáng)[1]，是一類重要的飼料營(yíng)養(yǎng)添加劑。此外，氯化膽堿在植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑[2]、催化劑[3]、紡織助劑[4]、食品防腐[5]、抗靜電涂料[6]等新興領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。

目前，工業(yè)上合成氯化膽堿主要有兩條路線：氯乙醇法和環(huán)氧乙烷法[7]，見圖1。其中氯乙醇法[8-15]以三甲胺和氯乙醇為原料，三甲胺具有胺臭味，沸點(diǎn)低，在生產(chǎn)過程中三甲胺會(huì)泄漏到空氣中，出現(xiàn)惡臭，影響周圍環(huán)境；氯乙醇屬于劇毒化學(xué)品，其殘留會(huì)直接影響產(chǎn)品的安全性，同時(shí)氯乙醇在反應(yīng)溫度下會(huì)水解生成乙二醇，影響產(chǎn)品的收率和純度。環(huán)氧乙烷法[16-18]以環(huán)氧乙烷（EO）和三甲胺鹽酸鹽為原料，環(huán)氧乙烷屬于易燃易爆有毒的化學(xué)品，對(duì)設(shè)備、運(yùn)輸、存儲(chǔ)提出更高的要求，同時(shí)環(huán)氧乙烷化學(xué)活性高，在生產(chǎn)過程中會(huì)釋放大量的熱量，在反應(yīng)過程中需要根據(jù)設(shè)備換熱能力精準(zhǔn)控制環(huán)氧乙烷的投料量。

圖1 氯化膽堿的主要合成方法Fig.1 The main synthesis method of choline chloride

本研究以環(huán)氧乙烷和三甲胺鹽酸鹽為原料，利用微反應(yīng)器技術(shù)安全、高效的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并開發(fā)了符合藥物和飼料要求的氯化膽堿生產(chǎn)工藝。相比反應(yīng)釜工藝，該工藝大幅縮減了反應(yīng)時(shí)間，提高了反應(yīng)效率，減少了副產(chǎn)物在反應(yīng)液中的比例，提升了產(chǎn)品的收率和純度。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 反應(yīng)方程式

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器及試劑

Ehrfeld 的Miprowa 微反應(yīng)器系統(tǒng)，戴安ICS-900型離子色譜儀，天平；所有試劑為國(guó)產(chǎn)市售分析純。

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置流程圖

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置流程圖Fig.2 Flow chart of experimental setup

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

1.4.1 全系統(tǒng)檢漏

起始階段，關(guān)閉所有閥門，向三甲胺鹽酸鹽儲(chǔ)罐加入足量30%的三甲胺鹽酸鹽溶液，隨后開啟球閥B101、B102、B103、B106、B107、B109，針閥N102，背壓閥BPV，開啟氮?dú)怃撈康臏p壓閥，逐級(jí)背壓至2 MPa，關(guān)閉氮?dú)怃撈繙p壓閥，30 min 內(nèi)壓力無變化，檢漏完成。系統(tǒng)泄壓后關(guān)閉所有閥門。

1.4.2 環(huán)氧乙烷液體的提取

打開環(huán)氧乙烷鋼瓶減壓閥，環(huán)氧乙烷氣體進(jìn)入緩沖罐T101，打開球閥B101，環(huán)氧乙烷氣體進(jìn)入液化罐T102，在制冷系統(tǒng)的作用下，環(huán)氧乙烷氣體液化，待液化罐T102 內(nèi)環(huán)氧乙烷液體足量，關(guān)閉環(huán)氧乙烷鋼瓶的減壓閥和球閥B101，打開氮?dú)鉁p壓閥和球閥B102，觀察液化罐T102 內(nèi)壓力為1.5 MPa 時(shí)，關(guān)閉氮?dú)鉁p壓閥和球閥B102。

1.4.3 氯化膽堿的連續(xù)合成

打開球閥B103、B106、B108和針閥N101、N102，啟動(dòng)泵P101 和P102，按摩爾比輸送反應(yīng)液進(jìn)入微反應(yīng)系統(tǒng)，其中泵P101 輸送30%的三甲胺鹽酸鹽溶液，泵P102 輸送環(huán)氧乙烷液體，用質(zhì)量流量計(jì)（MFC）監(jiān)控環(huán)氧乙烷的流量，反應(yīng)液經(jīng)過混合器混合后在Miprowa 微反應(yīng)器（見圖3）中進(jìn)行反應(yīng)并檢測(cè)反應(yīng)溫度。反應(yīng)完全后，反應(yīng)液經(jīng)換熱器換熱后經(jīng)背壓閥（背壓1.5 MPa）流出微反應(yīng)系統(tǒng)，待反應(yīng)穩(wěn)定后，在收集罐內(nèi)收集反應(yīng)液，用離子色譜檢測(cè)氯化膽堿的收率。最后反應(yīng)液用濃鹽酸調(diào)節(jié)pH 值后，經(jīng)減壓蒸餾、過濾、洗滌、干燥，得到氯化膽堿粉末，稱重計(jì)算產(chǎn)率并分析純度。

圖3 微反應(yīng)器裝置圖Fig.3 Microreactor device diagram

2 結(jié)果與討論

在氯化膽堿的微反應(yīng)合成中，微反應(yīng)器內(nèi)的壓力為1.5 MPa，在實(shí)驗(yàn)溫度下，環(huán)氧乙烷和三甲胺鹽酸鹽均為液態(tài)。相較于反應(yīng)釜內(nèi)的氣液混合，微反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物之間的接觸面積大幅度提升，提高了反應(yīng)速度，縮短了反應(yīng)時(shí)間，同時(shí)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的熱量被微反應(yīng)器迅速轉(zhuǎn)移，避免了反應(yīng)過程中“竄溫”現(xiàn)象的發(fā)生。在工藝優(yōu)化的研究中發(fā)現(xiàn)氯化膽堿的收率與原料的摩爾比、反應(yīng)溫度、停留時(shí)間息息相關(guān)，并且收率與純度呈正相關(guān)，即收率越高，純度越好。

2.1 原料的摩爾比對(duì)反應(yīng)的影響

環(huán)氧乙烷屬于易燃易爆有毒的化學(xué)品，若環(huán)氧乙烷過量，則對(duì)氯化膽堿的后處理在安全上提出了更高的要求，同時(shí)過量的環(huán)氧乙烷會(huì)轉(zhuǎn)化為乙二醇和氯乙醇，影響氯化膽堿的收率和品質(zhì)。因此研究了微反應(yīng)過程中在三甲胺鹽酸鹽過量的情況下，不同原料摩爾比對(duì)反應(yīng)的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 原料的摩爾比對(duì)反應(yīng)的影響Fig.4 The influence of the molar ratio of raw materials on the reaction

由圖4 可知，三甲胺鹽酸鹽與環(huán)氧乙烷的摩爾比在1:1 時(shí)，氯化膽堿的收率為94.2%；隨著三甲胺鹽酸鹽的比例逐漸提高，在三甲胺鹽酸鹽與環(huán)氧乙烷的摩爾比為1.02:1 時(shí)，收率達(dá)到99.2%，純度為99.6%；之后三甲胺鹽酸鹽再過量，收率并沒有明顯的提升。

2.2 反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)的影響

反應(yīng)溫度與反應(yīng)速率呈正相關(guān)，表現(xiàn)為溫度越高，反應(yīng)速率越快，但過高的反應(yīng)溫度可能會(huì)在反應(yīng)過程中引發(fā)副反應(yīng)，從而對(duì)反應(yīng)造成不利影響，因此研究了微反應(yīng)過程中反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)的影響Fig.5 The effect of temperature on the reaction

由圖5 可知，溫度在70 ℃時(shí)，氯化膽堿的收率最好，為99.2%，純度為99.6%；反應(yīng)溫度繼續(xù)提升會(huì)引發(fā)副反應(yīng)，反應(yīng)液中乙二醇和氯乙醇的含量有所提升。

2.3 停留時(shí)間對(duì)反應(yīng)的影響

停留時(shí)間決定了反應(yīng)液所處的反應(yīng)階段，停留時(shí)間過短，反應(yīng)原料未完全轉(zhuǎn)化；停留時(shí)間過長(zhǎng)，主反應(yīng)完成，副反應(yīng)的量在時(shí)間上得到累積，直接影響氯化膽堿的收率。因此研究了微反應(yīng)過程中停留時(shí)間對(duì)反應(yīng)的影響，結(jié)果見圖6。

圖6 停留時(shí)間對(duì)反應(yīng)的影響Fig.6 The effect of residence time on the reaction

由圖6 可知，停留時(shí)間在30 s 時(shí)，反應(yīng)原料未完全轉(zhuǎn)化；停留時(shí)間在180 s 時(shí)，氯化膽堿的收率達(dá)到99.2%，純度為99.6%；隨著停留時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，主反應(yīng)完成，副反應(yīng)在量上得到累積，氯化膽堿的收率逐漸下降。

3 結(jié)論

利用微反應(yīng)器技術(shù)安全、高效的特點(diǎn)，以環(huán)氧乙烷和三甲胺鹽酸鹽為原料開發(fā)的氯化膽堿生產(chǎn)工藝，首先解決了環(huán)氧乙烷在反應(yīng)過程中熱量轉(zhuǎn)移的問題，保證了生產(chǎn)的安全性，其次液液反應(yīng)環(huán)境，加快了反應(yīng)速度，縮短了反應(yīng)時(shí)間，減少了副產(chǎn)物在量上的累積，提高了氯化膽堿的收率。所得最佳的工藝條件為n(三甲胺鹽酸鹽):n(環(huán)氧乙烷)=1.02:1，反應(yīng)溫度為70 ℃，停留時(shí)間為180 s，在該條件下氯化膽堿的收率為99.2%，純度為99.6%。