1.2. PHẢN ỨNG ESTE HÓA AXIT 2-KETO-L-GULONIC
1.2.2. Quy trình sản xuất vitamin C
Quá trình Reichstein là sự kết hợp của cả phương pháp hóa học và phương pháp sử dụng vi khuẩn cho quá trình sản xuất axit ascorbic từ D-glucose. Quá trình này được Tadeus Reichstein và cộng sự tìm ra vào năm 1933 khi làm việc tại phòng thí nghiệm của ETH ở Zurich và phát minh này đã giành được giải Nobel. Các bước phản ứng của quá trình Reichstein được mô tả trong hình 1.3.
Quá trình này đã được cấp bằng sáng chế và bán cho Hoffmann-La Roche vào năm 1935. Sản phẩm vitamin C thương mại đầu tiên được gọi là Cebion từ hãng Merck. Quá trình này được thực hiện qua một số bước phản ứng cơ bản sau:
- Thủy phân của D-glucose thành D-sorbitol, đây là phản ứng hóa hữu cơ với xúc tác sử dụng là niken, dưới điều kiện nhiệt độ và áp xuất cao.
Hình 1.9: Các bước phản ứng trong quy trình Reichstein
- Quá trình ôxi hóa sử dụng vi khuẩn hoặc quá trình lên men chuyển sorbitol thành L-sorbose với acetobacter ở pH 4-6 và nhiệt độ 30oC.
- Tiếp theo, bảo vệ 4 nhóm hydroxyl trong sorbose bằng cách tạo thành acetal với aceton và một axit thành diaceton-L-sorbose.
- Bước tiếp theo là quá trình oxi hóa hữu cơ với KMnO4 để nhận được axit 2-keto-L-gulonic.
- Bước cuối cùng là bước đóng vòng hay quá trình lacton hóa loại nước thu được axit L-ascorbic hay vitamin C.Đến tận ngày nay, tất cả các phương pháp sản xuất axit ascorbic vẫn dựa trên quá trình Reichstein, trong đó, một số bước trong quá trình đã được cải tiến.
Nhiều nghiên cứu về công nghệ và hóa học đã được thực hiện nhằm tối ưu hoá quá trình Reichstein và rút ngắn các bước phản ứng. Nhờ thế, mỗi bước phản ứng có hiệu suất khoảng 90% và hiệu suất tổng của cả qui trình chuyển hóa thành vitamin C từ glucose đạt khoảng 60%.
Nhiều bước của quá trình Reichstein sử dụng lượng rất lớn các dung môi và chất phản ứng, bao gồm axeton, axit sunfuric, natri hidroxit. Mặc dù một số hợp chất này có thể được thu hồi nhưng vẫn cần phải có sự kiểm soát môi trường nghiêm ngặt, làm cho chi phí xử lý chất thải cao.
Quá trình lên men hai giai đoạn
Phương pháp mới hơn trong hai quá trình sản xuất vitamin C chính được phát triển từ Trung Quốc và được sử dụng bởi tất cả các nhà sản xuất Trung Quốc. Quyền sử dụng quá trình này cũng được cấp cho một số các nhà sản xuất phương Tây bao gồm Roche và một liên doanh của BASF và Merck.
Phương pháp này có chi phí của toàn bộ quá trình sản xuất tiết kiệm được khoảng 1/3 so với phương pháp Reichstein.
Giai đoạn thứ nhất của qui trình lên men hai giai đoạn là oxy hoá D-sorbitol thành L-sorbose, giống qui trình Reichstein. Ở giai đoạn thứ hai,
thay vì sử dụng các phản ứng hoá học để tạo thành DAKS, sorbose được lên men thành axit 2-keto-L-gulonic (2-KLGA) bởi vi sinh vật. Tất cả các nhà sản xuất dùng chung một loại vi sinh vật ở giai đoạn này.
Hình 1.10. Quá trình oxy hoá D-sorbitol thành L-sorbose
Tiếp theo, 2-KLGA được chuyển hoá thành vitamin C thông qua giai đoạn este hóa axit 2-xeto-L-gulonic bằng ancol trong sự có mặt của xúc tác axit rồi thực hiện việc đóng vòng (lacton hóa) để thu được axit L-ascorbic (vitamin C) giống như quá trình cổ điển.
Hình 1.11. Quá trình chuyển hóa 2-KLGA thành axit ascorbic Hiệu suất quá trình đạt khoảng 50%. Nói chung, quá trình chuyển hoá sinh học được ưa thích hơn hoá học vì chuyển hoá hoá học tạo ra sản phẩm không mong muốn là D-sorbose song song với việc tạo thành L-sorbose.
-
C H2O H O H H O
C O O H C = O
H O
+ C H3O H H+
C H2O H O H H O
C O O C H3 C = O
H O
d ó n g v ò n g l a c t o n
O
O
O
O H C H2O H
O H
O
O
O H
H O C H2O H
O H
e n o l h ó a
A x i t L - A s c o r b i c ( V i t a m i n C )
So với quá trình Reichstein, quá trình lên men hai giai đoạn sử dụng ít dung môi và chất phản ứng độc hại hơn, vì vậy giảm giá thành trong việc xử lý chất thải.
1.2.3. Các qui trình khác
Những quá trình sản xuất axit L-ascorbic từ axit 2-keto-L-gulonic (2- KLGA) đã được biết đến:
- Quá trình phản ứng của 2-KLGA với axit HCl trong một dung môi hữu cơ.
- Quá trình phản ứng của 2-KLGA với một axit vô cơ trong sự có mặt của một chất hoạt động bề mặt trong một dung môi trơ.
- Quá trình phản ứng của 2-KLGA với HCl khan dạng khí trong một dung môi trơ với sự có mặt của một chất hoạt động bề mặt.
Tuy nhiên, những quá trình trên không đưa ra được hiệu suất thỏa đáng để sản xuất axit L-ascorbic qui mô công nghiệp. Hơn nữa, những quá trình trên còn sản sinh ra một lượng lớn tạp chất như những sản phẩm trung gian gây ra việc tạo màu và làm cho quá trình tinh chế thêm phức tạp. Vì vậy, những quá trình trên không được tiến hành trong công nghiệp.
Trong đề tài này, chúng tôi quan tâm nghiên cứu qui trình lên men hai giai đoạn tổng hợp vitamin C từ sorbitol do phương pháp này có những ưu điểm nổi bật hơn cả. Phương pháp này bao gồm 5 giai đoạn:
Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý qui trình tổng hợp vitamin C từ sorbitol theo phương pháp lên men hai giai đoạn.
Sorbitol Sorbose 2-KLGA Me-2KLG Na ascorbat Vitamin C