【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 4 第二章 市場(chǎng)需求 生產(chǎn)現(xiàn)狀 尼泊金酯具有抗菌活性的報(bào)道第一次曝光后，尼泊金酯類被提議作為食品和藥品防腐劑，同年尼泊金酯還被正式批準(zhǔn)應(yīng)用于食品中。此后 ,尼泊金酯又先后被應(yīng)用到化妝品的防 腐中。尼泊金酯的最大特點(diǎn)是：毒性不高，抑菌作用所處的 pH 值范圍廣，抑菌性能廣泛等。但是 ,尼泊金酯也有其缺點(diǎn)，水溶性低 ,量大時(shí)有特殊氣味等。更由于苯甲酸鈉的大量生產(chǎn) ,占據(jù)了防腐劑市場(chǎng)的很大一部分，尼泊金酯的生產(chǎn)因此大量減少。五六十年代曾打算將尼泊金酯廣泛應(yīng)用到食品防腐中，但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)有限，沒有辦法解決尼泊金酯的水溶性缺陷，再加上市場(chǎng)上苯甲酸鈉占據(jù)了很大份額，造成尼泊金酯在食品工業(yè)中的應(yīng)用一直得不到普遍。九十年代以后 ,我國(guó)加入了 WTO,自此我國(guó)和國(guó)際市場(chǎng)的接觸越來越多 ,這要求我國(guó)的食品生產(chǎn)必須與國(guó)際接軌 ,食品 安全性問題也越來越受到了人們的關(guān)注和重視。我國(guó)有相關(guān)規(guī)定，即 A級(jí)綠色食品中不能有苯甲酸和苯甲酸鈉存在。而尼泊金酯則是公認(rèn)的安全高效的食品防腐劑。這為尼泊金酯在我國(guó)防腐劑市場(chǎng)上占據(jù)一席之地創(chuàng)造了十分有利的條件。當(dāng)尼泊金酯醇烷基的碳原子數(shù)增加時(shí)，其殺菌能力增加 ,但是溶解性減小，而且毒性也降低。為解決溶解性這一矛盾，常用通過復(fù)配法來提高溶解度 ,并通過增效作用來提高防腐能力 [7]。 隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們?cè)趯?duì)物質(zhì)追求的同時(shí)更加關(guān)注的是食品或者生活用品的安全性問題 ,這一群眾性需求必將對(duì)食品，藥品和化妝品等生 活用品的生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)條件和原料來源等 ,尤其是對(duì)食品添加劑的安全性提出更高水平更高層次的要求。化學(xué)防腐劑在食品保存和加工過程中使用得比較多，但如果防腐劑使用不當(dāng)也會(huì)有造成一定的影響，因此我們必須正確認(rèn)識(shí)防腐劑的副作用，控制使用量和使用條件，確保安全使用。有專家指出，苯甲酸的生產(chǎn)量不應(yīng)再繼續(xù)擴(kuò)大，而擴(kuò)大對(duì)羥基苯甲酸酯的生產(chǎn)和應(yīng)用才有利于使我國(guó)的食品防腐劑產(chǎn)品結(jié)構(gòu)逐步趨于合理化。就食品防腐劑而言 ,目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)量已達(dá) 2 萬噸 ,最主要的是苯甲酸鈉和 浙江工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 5 山梨酸鉀兩種。其中苯甲酸鈉 萬噸 ,山梨酸鉀 萬噸。而尼泊金酯 只有一小部分廠家生產(chǎn) ,而且他們只能生產(chǎn)單酯 ,國(guó)內(nèi)同類生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)品不全并且無復(fù)配方技術(shù)及使用技術(shù) ,存在應(yīng)用行業(yè)狹窄的巨大缺點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)對(duì)羥基苯甲酸 酯的廠家主要有浙江圣效化學(xué)品有限公司，浙江金鶴來食品添加劑有限公司，廣州市品尼高食品添加劑有限公司， 啟東晉盛大公化工有限公司和無錫江大百泰科技有限公司等等。 國(guó)內(nèi)目前均采用濃硫酸催化 對(duì)羥基苯甲酸和丁酯生產(chǎn)對(duì)羥基苯甲酸丁酯，該生產(chǎn)方法是比較經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)方法，但后處理較為繁瑣。 市場(chǎng)需求 從尼泊金酯應(yīng)用于食品工業(yè)至今已有 70年左右的歷史。在很多防腐領(lǐng)域尼泊金酯和尼泊金酯鈉已經(jīng)可以基本取代苯甲酸和苯甲酸鈉了。尼泊金酯最大的缺點(diǎn)是水溶性很低，但隨著尼泊金酯鹽衍生物 (如尼泊金酯鈉 )的開發(fā)和應(yīng)用 ,尼泊金酯這一缺陷將成為歷史，預(yù)計(jì)尼泊金酯和尼泊金酯鈉可能成為世界上用量最大的食品防腐劑之一。 市場(chǎng)需求分析得到：醬油產(chǎn)量 500萬噸 /年 ,醬類 100萬噸 /年 ,醬菜類 200萬噸 /年，加上其他行業(yè)全國(guó)防腐劑用量達(dá) 2萬噸 /年 ,其中僅在化妝品行業(yè)全國(guó)每年的需求量就超過了 50噸，前景十分廣闊。 按一般添加量計(jì)算 : ? 醬油行業(yè) :尼泊金酯用量 750噸 /年 ? 醬菜行業(yè) :尼泊金酯用量 450噸 /年 ? 肉制品 行業(yè) :尼泊金酯用量 1500噸 /年 ? 乳飲料行業(yè) :尼泊金酯用量 300噸 /年 ? 海鮮制品 :尼泊金酯用量 1000噸 /年 [19] 碳酸飲料、豆制品、啤酒、低度酒等行業(yè)作為潛在行業(yè)存在。 防腐劑的世界市場(chǎng) 1992 年為 2 億美元，年增長(zhǎng)率為 ％， 1997 年達(dá)到 億美元， 2021 年將達(dá)到 3 億美元。 1991 年，美國(guó)共消費(fèi) 萬噸防腐劑，價(jià)值 億美元，人均使用量達(dá)到 200g/a。中國(guó)的年產(chǎn)量約為 2 萬噸，人均使用量不足 10g/a，美國(guó)對(duì)其的用途大致分為，飲料占 30％，乳品占 25％，方便食品占 20％，其他占 25％ [5]。 浙江工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 6 圖 20212021 年中國(guó)尼泊金酯行業(yè)需求情況見下圖表： 國(guó)內(nèi)外貿(mào)易現(xiàn)狀 尼泊金酯是公認(rèn)的抑菌廣泛，效果顯著的食品防腐劑。目前我國(guó)在食品工業(yè)中應(yīng)用的尼泊金系列酯還不多，主要是甲酯等短鏈酯；而美國(guó)、歐洲等國(guó)則主要使用尼泊金甲酯、乙酯和丙酯；日本主要使用的是尼泊金丁酯。 市場(chǎng)份額統(tǒng)計(jì) 尼泊金酯 主要國(guó)家和地區(qū)概 況 浙江工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 7 圖 2021 年全球尼泊金酯市場(chǎng)分布圖（按產(chǎn)量分） 圖 2021 年我國(guó)尼泊金酯產(chǎn)業(yè)主要地區(qū)概況（按企業(yè)數(shù)量 分） 發(fā)展趨勢(shì) 尼泊金酯幾十年前就被應(yīng)用于食品和藥品行業(yè) ,但由于水溶性差的缺陷 ,尼泊金酯在食品工業(yè)的應(yīng)用一直受到很大的限制 [17]。隨著技術(shù)水平的不斷先進(jìn)，可以利用尼泊金酯對(duì)位酚基的酸性生產(chǎn)出不同于尼泊金酯的尼泊金酯鹽，該鹽極易溶于水，但起抗菌作用的還是分子態(tài)的尼泊金酯，是值得在食品工業(yè)推廣應(yīng)用的防腐劑。 尼泊金酯是公認(rèn)的抑菌廣泛，效果顯著的食品防腐劑。目前我國(guó)在食品工業(yè)中應(yīng)用的尼泊金系列酯還不多，主要是甲酯等短鏈酯；而美國(guó)、歐洲等國(guó)則主要使用尼泊金甲酯、乙酯和丙酯；日本主要使用的是尼泊金丁 酯。 食 品防腐劑發(fā)展趨勢(shì)有以下幾種，即防腐劑品種多樣化 ,使用微量化和應(yīng)用技術(shù)制 劑化。尼泊金酯分子中含有親水活性基團(tuán)酚基，通過改造，可以在很大程度上提高尼浙江工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 8 泊金酯的水溶性，彌補(bǔ)尼泊金酯在應(yīng)用上的缺陷。此外，可以根據(jù)不同鏈長(zhǎng)的烷基醇，可以開發(fā)出同一系列的產(chǎn)品 ,尤其是長(zhǎng)鏈尼泊金酯系列產(chǎn)品。通過一系列尼泊金酯類防腐劑間的復(fù)配作用，可以制備出不同食品專用的防腐劑。因此 ,產(chǎn)品系列化是尼泊金酯類防腐劑不可避免的發(fā)展方向 ,在產(chǎn)品系列化的同時(shí)，又可以實(shí)現(xiàn)防腐劑使用微量化的目標(biāo)；其次是產(chǎn)品的改性技術(shù)和復(fù)配技術(shù)不僅能夠克服 尼泊金酯的水溶性缺陷和增加穩(wěn)定性 ,而且可以提高其抑菌活性，使產(chǎn)品使用滿足微量化和專業(yè)化 [8]。 浙江工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 9 第三章 工藝路線 合成路線 目前生產(chǎn)對(duì)羥基苯甲酸丁酯的合成路線僅有一種，即用對(duì)羥基苯甲酸和正丁醇為原料，選用不同的催化劑，發(fā)生酯化反應(yīng)生成對(duì)羥基苯甲酸丁酯，其反應(yīng)式為： 本研究的傳統(tǒng)催化劑為濃硫酸，為了適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)的需要，多年來研究者對(duì)催化劑的催化性能做了很多研究，逐漸開發(fā)出來很多種催化劑。總結(jié)出來，合成 對(duì)羥基苯甲酸丁酯 的催化劑主要有固體酸 催化劑 、 磺酸催化劑 、 無機(jī)鹽及氧化催化劑及維生素 C[9， 10]催化劑 等分為以下幾種： （ 1）硫酸：催化合成 對(duì)羥基苯甲酸丁酯 ，該方法可得到純度較高的 對(duì)羥基苯甲酸丁酯 ，但由于濃硫酸具有 很 強(qiáng)的腐蝕性，會(huì)嚴(yán)重腐蝕反應(yīng)設(shè)備，而且對(duì)環(huán)境的污染較大； （ 2） 固體酸 催化劑： 與濃硫酸 作為催化劑 相比 ,這些新型催化劑 具有 后處理簡(jiǎn)單方便，容 易分離、無廢液排放 ， 對(duì)環(huán)境危害小，無腐蝕性，可重復(fù)使用 等優(yōu)點(diǎn) ,因此將越來越 受到人們 的 關(guān)注 。新成果 包括結(jié)晶硫酸鐵 ,濃硫酸 (微波輻照 )固體超強(qiáng)酸La 3+SO42/TiO2Fe2O3 催化劑 ,TiSiW12O40/TiO2,SO42/膨潤(rùn)土 ,磷鎢、硅鎢雜多酸，SO42/TiO2 凹凸捧土等新型催化劑。 但 固體酸催化劑 的制備工藝 相對(duì) 較為復(fù)雜， 在一定程度上 限制了其應(yīng)用 ； （ 3） 磺酸催化劑：磺酸催化劑具有 價(jià)格便宜 、 容易制備 、 性能 穩(wěn)定 ，方便 運(yùn)輸、 保管 和 使用 等優(yōu)點(diǎn)，此外 難 溶于有機(jī) 溶液 ，能夠 循環(huán)利用 ，對(duì)設(shè)備腐蝕 性 小， 不存在副反應(yīng)， 收率高 ， 是一 種 發(fā)展前途 非常廣闊的新型催化劑； （ 4） 無機(jī)鹽及氧化物催化 ： Levis 酸 屬于 無機(jī)物， 它們價(jià)格實(shí)惠，容易制備。由于浙江工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 10 Levis 酸 的 金屬原子 中 有 一些 空軌道， 它們可以和 羧酸中 的 羰基氧 配位 ，因此具備了 催化酯化 的能力。使用這類催化劑， 對(duì)設(shè)備 幾乎沒有腐蝕性 ，環(huán)境污染 也小 ，催化劑 的使用量少 ， 它可以作為某些酯化反應(yīng)的 良好催化劑 。 但由于無機(jī)鹽容易潮解，會(huì)影響其催化的效果， 且操作較為復(fù)雜 ； （ 5） 維生素Ｃ ： 維生素Ｃ具有一定 的 酸性， 能 催化合成了縮醛（酮）和乳酸酯，是第一次 利用維生素Ｃ為催化劑的 實(shí)例 。 維生素 C價(jià)格便宜，來源廣泛，催化活性較好，并且制備工藝較為簡(jiǎn)單 ,沒有毒、沒有污染、沒有腐蝕性 ,在尼泊金酯合成中有較廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)這項(xiàng)研究為國(guó)內(nèi)維生素 C的應(yīng)用提供了新的領(lǐng)域。 對(duì) 近年來國(guó)內(nèi)外對(duì)催化合成對(duì)羥基苯甲酸丁酯的催化劑進(jìn)行了分析與比較，同時(shí)根據(jù)近年來綠色化學(xué)的不斷深入和環(huán)保工作的不斷重視，這更是引發(fā)了化工行業(yè)中相關(guān)催化劑的研究探索。在很多文獻(xiàn)中都提到了不少新型催化劑，它 們都屬于環(huán)境友好型催化劑 (如氨基磺酸、強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂、固體超強(qiáng)酸、雜多酸和維生素 C等 )，對(duì)環(huán)境無害無毒，此外，其中有一部分還可循環(huán)使用，這更激勵(lì)不少學(xué)者們更加深入和深刻對(duì)它們進(jìn)行研究和篩選，希望可以找到合成對(duì)羥基苯甲酸丁酯的最理想的催化劑。 合成工藝 傳統(tǒng)工藝 傳統(tǒng)的合成工藝是間歇操作，即將 對(duì)羥基苯甲酸，正丁醇 和濃硫酸分別加入反應(yīng)釜，開動(dòng)攪拌，加熱回流，至反應(yīng)完全為止，停止通入蒸汽，冷卻， 結(jié)晶，過濾濾餅用 5％碳酸鈉溶液和水洗至中性，烘干后 得到 對(duì)羥基苯甲酸丁酯 產(chǎn)品。如圖所示： 浙江工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 11 正丁醇，對(duì)羥基苯甲酸，環(huán)己烷，濃硫酸 → → → 圖 工藝流程簡(jiǎn)圖 路線及工藝選擇 合成路線 通過閱讀大量的文獻(xiàn)可以看出，目前 對(duì)羥基苯甲酸丁酯 的合成路線幾乎均采用傳統(tǒng)的直接酯化法合成。其他的合成路線 都 尚在開發(fā)研究階段，還不能滿足工業(yè)生產(chǎn)需要。本文以 正丁醇 和 對(duì)羥基苯甲酸 為原料，采用 濃硫酸 為催化劑合成 對(duì)羥基苯甲酸丁酯 。 因?yàn)閯e的新型催化劑還在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行進(jìn)一步深入研究，尚且不能應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)工業(yè)生產(chǎn)中。這里選用濃度為 98％的硫酸進(jìn)行催化反應(yīng)，并用環(huán)己烷作為帶水劑。 合成工藝 本設(shè) 計(jì)采用 傳統(tǒng) 合成工藝，即反應(yīng)在 反應(yīng)釜 內(nèi)進(jìn)行， 然后過濾結(jié)晶制得對(duì)羥基苯甲酸丁酯 通過酯化反應(yīng) 制得 ，采用的技術(shù)路線 會(huì) 直接影響產(chǎn)品的產(chǎn)率及純度。文獻(xiàn)中提到的現(xiàn)有的生產(chǎn)技術(shù)路線幾乎都是先反應(yīng)再分離提純的間歇生產(chǎn)路線，通過閱讀大量資料發(fā)現(xiàn) 使用反應(yīng)釜 十分適合 對(duì)羥基苯甲酸丁酯 的合成。本研究擬采用 反應(yīng)釜 來合成 對(duì)羥基苯甲酸丁酯 。 設(shè)計(jì)部分 反應(yīng)釜 結(jié)晶釜 產(chǎn)品 浙江工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 12 產(chǎn)品介紹 對(duì)羥基苯甲酸丁酯 商品名稱：尼泊金丁酯 分子式 C11H14O3 CAS： 94268 物化性能：白色晶體，有特殊氣味，易溶于醇，醚等 ，難溶于水。 用途：主要用 于有機(jī)合成中間體，醫(yī)藥、食品、化妝品等的防腐劑和殺菌劑。 包裝 :： 25kg/紙板桶，內(nèi)襯聚乙烯袋 對(duì)羥基苯甲酸丁酯又稱尼泊金酯 ， 是目前世界上用途最廣、用量最大、應(yīng)用頻率最高的一系列 防腐劑 ，具有高效、低毒、廣譜、易配伍等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于日化、醫(yī)藥、食品、飼料及各種工業(yè)防腐方面，也是有機(jī)合成中間體。食品防腐、殺菌是其主要用途，是我國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的替代 苯甲酸鈉 等食品防腐劑的產(chǎn)品之一 ， 在對(duì)羥基苯甲酸酯類中以丁酯的抗菌作用最強(qiáng)。雖然我國(guó)的尼泊金酯研究開發(fā)應(yīng)用較晚，但目前已成為防腐、滅菌等研究的熱門課題之一，其中以對(duì)羥基苯甲酸丁酯的合成研究最受人關(guān)注。 目前我國(guó)使用的防腐劑仍以苯甲酸鈉為主，而一些發(fā)達(dá)國(guó) 家已經(jīng)禁止使用苯甲酸鈉作為食物防腐劑。尼泊金酯與傳統(tǒng)的苯甲酸、山梨酸等 防腐劑相比，具有高效、低毒、易配伍、使用 pH 范圍寬等特點(diǎn)，是我國(guó)重點(diǎn)發(fā) 展的食品防腐劑之一。 尼泊金酯殺菌、抑菌作用隨著醇烴基碳原子數(shù)的增加而增加，如尼泊金辛酯 對(duì)酵母菌發(fā)育的抑制作用是丁酯的 50 倍，比乙酯強(qiáng) 200 倍左右；而在水中的溶 解度則隨著醇烴基碳原子數(shù)的增加而降低；另外，碳鏈愈長(zhǎng)，毒性愈小，用量愈 少。通常的作法是將幾種產(chǎn)品混合使用，提高溶解度，并通過增效作用提高其防 腐能力。 就目前而言， 國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品都是一些低碳醇酯， 如尼泊金