В статье рассматривается процесс получения метионина гидролизом гидантоина до метионата натрия и нейтрализацией до метионина. Выбран реактор для данного процесса на основе результатов моделирования в программе «COMSOL Reaction Engineering Lab».
Ключевые слова: метионат натрия, гидантоин, селективность, удельная производительность, реактор, моделирование.
Метионат натрия получают проведением двух последовательных реакций: [1]
— синтеза гидантоина по методу Бухерера;
— гидролиза гидантоина раствором едкого натра.
Гидантоин по методу Бухерера получают путем воздействия цианистого натрия на метилтиопропионовый альдегид (в водном растворе аммиака и углекислого газа):
Гидролиз гидантоина с получением метионата натрия.
Реакция гидролиза протекает путем воздействия едкого натра на гидантоин:
Мольное соотношение едкого натра и гидантоина равно 1,5–2,0.
Затем метионат натрия нейтрализуют серной кислотой до метионина. Побочной реакцией является образование дипептида (метионилметионина).
Формализованная схема процесса
Для формализации процесса рассмотрим две реакции. Основную и побочную реакции. Реакции являются параллельными.
Основная реакция:
Побочная реакция:
Реакции являются параллельными:
Основная реакция:
(А)+ (Y) + (M) → (B) + (Z) + (S)
Побочная реакция:
(A) + (N) + (S) → (P) + (K) + (Z)
Кинетическое уравнение реакции метионата натрия и углекислого газа: [2]
где r — скорость образования метионина;
CО — концентрация углекислого газа;
Am — концентрация водного раствора метионата натрия.
При выборе реактора учитываются два параметра — удельная производительность и селективность. Удельная производительность показывает какое количество целевого продукта образуется в единице реакционного объема в единицу времени.
Для выбора основного реактора проведем сравнение данных показателей для реакторов: идеальный периодический реактор (ИПР) и реактор идеального вытеснения (РИВ).
Для ИПР удельную производительность вычисляют по уравнению:
Для реактора РИВ удельную производительность вычисляют по уравнению:
Сравнение удельной производительности (УП) для реакторов ИПР и РИВ произвели с помощью построения графика зависимости УП реактора от степени конверсии метионата натрия с использованием программы COMSOL Reaction Engineering Lab.
Рис. 1. График зависимости удельной производительности ИПР от конверсии метионата натрия
Рис. 2. График зависимости удельной производительности РИВ от конверсии метионата натрия
Из графиков видно, что более высокая удельная производительность при данной степени превращения может быть достигнута при использовании реактора РИВ, что соответствует тому, что для всех реакций с кинетическими уравнениями простого типа, имеющих суммарный порядок больше нуля, реакторы вытеснения более производительны, чем аппараты смешения.
Для сравнения селективности ИПР и РИВ построили график зависимости селективности от конверсии с использованием программы COMSOL Reaction Engineering Lab.
Рис. 3. Зависимость селективности от степени превращения метионата натрия в реакторе ИПР и РИВ
Реакция, протекающая в данном процессе — это параллельная необратимая реакция. Обычно при оценке селективности таких реакций в реакторах ИПР И РИВ оперируют соотношением этой селективности Ф А В,ИПР / Ф А В,РИВ . При высокой степени конверсии, которая имеет место в данном процессе, различие между ИПР и РИВ возрастает и при x А →1, это отношение стремится к нулю. Так же имеет место соотношения констант k 2 /k 1 <<1, что обычно характеризует падающую прямую соотношения от степени превращения сырья. Следовательно, для данного процесса, чтобы получить более высокую удельную производительность и селективность, выгодно проводить процесс в реакторе РИВ.
Литература:
- Патент RU 2708258 МПК C07C 319/20, Способ получения метионина / Капель Никола, Рей Патрик. Заявитель и патентообладатель Адиссео Франс (FR). Заявл 15.04.2016; опубл.: 05.12.2019.
- Исследование кинетики получения метионина [Текст]:деп. Редкол. ж. «Изв. АН ЛатвССР. Сер. хим. / А. П. Хардин [и др.]; депонент Редкол. ж. «Изв. АН ЛатвССР. Сер. хим. (Рига), 1981. — 19 с., ил.
- Патент RU 2618042 МПК B01D3/14 C07C319/20 C07C323/58, Способ получения соли метионина / Хассельбах Ханс, Йоахим Кёрфер, Мартин Грюнер, Кристоф П. Ханрат, Франц Х. Шток Йюрген, Гангадвала Джигнеш, Крулль Хорст. Заявитель и патентообладатель Эвоник Дегусса Гмбх (DE). Заявл 23.08.2012; опубл.: 02.05.2017.
- P. S. Kumar, J. A. Hogendoorn, and G. F. Vesteeg Kinetics of the reaction of CO 2 with aqueous potassium salt of taurine and glycine. — University of Twente, 7500 AE Enschede, The Netherlands, 2003. — 11 c.
