[发明专利]一种以菊芋为原料直接催化转化制备1,2-丙二醇的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种以菊芋为原料通过化学法催化转化制备1,2-丙二醇的方法，具体地说是采用复合催化剂，在半连续或连续反应器中一步将菊芋催化转化制备1,2-丙二醇的过程。

背景技术

世界各国对能源的需求逐渐增大，而传统化石能源却存在资源枯竭和环境污染的问题。因此，可再生资源的利用受到人们的广泛重视。生物质资源作为可再生资源的一个重要组成部分，是太阳能资源的有效载体，存在分布广、利用可持续、产量丰富和低碳排放等优点，是化石能源的优良替代品。

菊芋，俗称“洋姜”、“鬼子姜”、“姜不辣”等，属菊科向日葵属，一年生宿根性草本植物。菊芋的生长对气候和土壤等自然条件要求很低，具有适应性强、耐贫瘠、耐寒、耐旱、易于管理等特点，适合在非耕边际土地上种植，菊芋根茎良好的固沙作用被誉为“克沙王”。菊芋的再生性极强，能一次种植可连续收获4-5年，年增殖速度可达10-20倍。菊芋中的主要成分菊糖，又称菊粉，是生物质资源中的一个重要组成部分，通常菊糖是由多个果糖通过β-(2-1)-糖苷键连接而成的多糖，末端通常会连一个葡萄糖。不需要进行任何化学预处理，在温和的反应条件下就可以通过化学法将菊芋完全转化。菊糖不易被人体消化，因此不会作为人类的主要食物来源。菊糖在自然界中的多种植物中都有存在，而菊芋根茎中糖主要是以菊糖形式存在，通常，占菊芋根茎干重的70-90%。因此，菊芋可被作为一种经济作物发展，以菊芋制备相关化学品的生物质催化转化的研究具有很好的理论及应用前景，菊芋是一种理想的能源植物。

1,2-丙二醇在工业中被广泛使用，在化工行业中，1,2-丙二醇是不饱和聚酯、环氧树脂、聚氨酯树脂的重要原料，而这种不饱和聚酯通常被广泛用于表面涂料和增强塑料中。1,2-丙二醇的粘性和吸湿性好，并且无毒，因而在食品、化妆品、医药和烟草等行业中被广泛用作吸湿剂、抗冻剂、润滑剂和溶剂。

目前，1,2-丙二醇的生产方法主要包括环氧丙烷直接水合法、环氧丙烷间接水合法、丙烯直接催化氧化法。各种方法虽然技术都比较成熟，但仍存在许多不足之处。如这些方法存在着环境污染严重和成本昂贵等问题，难以大规模生产。同时，由于丙烯等化石类原料价格的快速上涨，上述生产工艺的成本也越来越高。因此，研究开发低成本、高效、环境友好型的生物质催化加氢制备1,2-丙二醇的方法具有重要的现实意义。

近些年来，生物柴油被人们广泛使用，而甘油是制备生物柴油的副产物，大量生产生物柴油使得甘油的来源充足，价格低廉。利用甘油制备1,2-丙二醇的研究被国内外广泛关注。专利WO2007/010299A1采用铜基催化剂，可实现对甘油97-100%的转化，1,2-丙二醇的选择性达到97-100%。中国科学院兰州化学物理研究所在专利200610105255.X中报道了采用CuO-SiO₂催化甘油加氢制备1,2-丙二醇的方法，在甘油、水及甲醇的混合溶液体系中，甘油的转化率达到96.3%，1,2-丙二醇的选择性达到99.1%以上。美国专利US5,276,181采用活性炭担载的钌催化剂，使得甘油的转化率可达100%，1,2-丙二醇的选择性达到75%，但反应需要在10-15MPa、240°C条件下进行。美国Missouri大学在专利WO2005/095536A2中采用两步法工艺过程利用甘油制备1,2-丙二醇：首先是甘油在常压下生成丙酮醇；其次是丙酮醇在铜铬催化剂的作用下加氢得到1,2-丙二醇。但目前由于甘油来源不稳定、催化剂稳定性差、反应条件苛刻等原因使得甘油加氢制备1,2-丙二醇的过程难以实现工业化。

因此，利用天然生物质菊芋制备1,2-丙二醇的过程具有一定的现实意义，反应过程具有原料来源充足、不与人类争粮争地、原料预处理简单、原料可溶于水并且选择进料的方式多样、反应时间短、绿色环保等诸多优点。

发明内容

本发明的目的在于，以一种不需要任何化学预处理的天然生物质为原料，以水作溶剂，在间歇式反应釜、半连续式反应釜或固定床反应器中进行加氢反应，利用具有异构、断键及加氢性能的复合催化剂来高效制备1,2-丙二醇。较常规过程，此方法的原料来源广泛、成本低廉、反应时间短、目标产物的产率高、产物与固体催化剂便于分离、环境友好、具有工业化生产前景等特点。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：